print skripsi thermal komposit september - q 80

7/25/2019 Print Skripsi Thermal Komposit September - Q 80

1/78

i

ANALISIS TERMAL-MEKANIS KOMPOSIT MATRIK

POLYESTER DENGAN ADITIF PARTIKEL

MONTMORILLONITE BERPENGUAT SERAT KENAF ANYAM

SKRIPSI

Oleh :

Nasiruddin101910101002

PROGRAM STRATA 1 TEKNIKJURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS JEMBER

2014


2/78

i

ANALISIS TERMAL-MEKANIS KOMPOSIT MATRIK

POLYESTER DENGAN ADITIF PARTIKEL

MONTMORILLONITE BERPENGUAT SERAT KENAF ANYAM

Diajukan guna melengkapi tugas akhir dan memenuhi salah satu syarat untuk menyelesaikanProgram Studi Teknik Mesin (S1) dan mencapai gelar Sarjana Teknik

Oleh :Nasiruddin

101910101002

PROGRAM STRATA 1 TEKNIK

JURUSAN TEKNIK MESINFAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS JEMBER

2014


3/78

ii

PERSEMBAHAN

Skripsi ini saya persembahkan untuk:

1. Kedua Orang tua-ku yang telah menyayangi serta membesarkanku;

2. Guru-guruku dari taman kanak-kanak sampai dengan perguruan tinggi;

3. Almamater yang saya banggakan Fakultas Teknik Jurusan Teknik Mesin

Universitas Jember.


4/78

iii

MOTO

Semua penulis akan meninggal, Hanya karya-Nya lah yang akan abadi sepanjang

masa. Maka tulislah sesuatu yang akan membahagiakan dirimu di akhirat nanti

(Ali bin Abi Thalib)


5/78

iv

PERNYATAAN

Saya yang bertanda tangan di bawah ini:

Nama : Nasiruddin

NIM : 101910101002

Menyatakan dengan sesungguhnya bahwa skripsi yang berjudul Analisis

Termal-mekanis Komposit matrik Polyester dengan aditif partikel Montmorillonite

berpenguat serat Kenaf Anyam adalah benar-benar hasil karya sendiri, kecuali jika

disebutkan sumbernya dan belum pernah diajukan pada instansi manapun, serta

bukan karya jiplakan. Saya bertanggung jawab atas kebenaran isinya sesuai dengan

sikap ilmiah yang harus dijunjung tinggi.

Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya, tanpa ada tekanan dan

paksaan dari pihak manapun serta bersedia mendapat sanksi akademik jika ternyata di

kemudian hari pernyataan ini tidak benar.

Jember, 24 September 2014

Yang menyatakan

Nasiruddin

NIM 101910101002


6/78

v

ANALISIS TERMAL-MEKANIS KOMPOSIT MATRIK POLYESTERDENGAN ADITIF PARTIKEL MONTMORILLONITE BERPENGUAT

SERAT KENAF ANYAM

SKRIPSI

Oleh

Nasiruddin

NIM 101910101002

Pembimbing:

Dosen Pembimbing I : Hary Sutjahjono, S.T., M.T.

Dosen Pembimbing II : Santoso Mulyadi, S.T., M.T.


7/78

vi

PENGESAHAN

Skripsi berjudul Analisis Termal-mekanis Komposit matrik Polyester dengan

aditif partikel Montmorillonite berpenguat serat Kenaf Anyam telah diuji dan

disahkan pada:

Hari, Tanggal : Selasa, 7 Oktober 2014

Tempat : Fakultas Teknik Universitas Jember

Penguji

Ketua, Sekretaris,

Hary Sutjahjono, S.T., M.T. Santoso Mulyadi, S.T., M.T.

NIP 19681205 199702 1 002 NIP 19700228 199702 1 001

Anggota I, Anggota II,

Dedi Dwi Laksana S.T., M.T. Ir. F.X. Kristianta M.Eng.

NIP. 19691201 199602 1 001 NIP. 19650120 200112 1 001

Mengesahkan

Dekan Fakultas Teknik Universitas Jember,

Ir. Widyono Hadi M.T.

NIP. 19610414 198902 1 001


8/78

vii

RINGKASAN

Analisis Termal-Mekanis Komposit Matrik Polyester Dengan Aditif

Partikel Montmorillonite Berpenguat Serat Kenaf Anyam; Nasiruddin

101910101002: Program Studi Strata Satu Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik

Universitas Jember.

Komposit alam berbasis serat akhir-akhir mulai ini menjadi topik bahasan.

Serat kenaf merupakan salah satu serat alam yang banyak dimanfaatkan sebagai serat

komposit untuk dijadikan obyek penelitian karena selain produksi yang melimpah

(penghasil serat nomor satu di dunia), memungkinkan untuk ditanam di daerah

Jember, juga karena kekuatan mekanis serat yang cukup baik. Penggunaan komposit

yang luas memungkinkan komposit mengalami paparan panas sehingga dapat

menyebabkan kebakaran. Selama ini, pengujian kedua sifat sekaligus yaitu sifat

mekanik dan termal belum banyak dilakukan. Untuk itulah, pengujian termal mekanis

ini dilakukan guna meningkatkan daya tahan panas/ mempertahankan kekuatan

khususnya kekuatan tarik setelah komposit tersebut diberi panas selama beberapa

waktu.

Metode penelitian ini adalah analisis kuantitatif dan deskriptif. Standard

pengujian yang dipakai ialah ASTM D 3039. Variabel yang digunakan yaitu

pengaruh variasi fraksi berat aditif MMT (0%, 10%, 20%, 30% dan 40%) serta

pengaruh suhu konduksi (Suhu ruang, 50o

C, 100 o

C,200o

C dan 250o

C). Pembuatan

sampel menggunakan metode hand-lay up. Proses pengujian termal mekanis meliputi

pemasangan sampel pada mesin uji tarik dan pemanas dipasangkan secara konduksi

pada obyek selama 20 menit . Setelah itu, pengujian tarik dilakukan.Hipotesa penulis ialah semakin tinggi persentase fraksi berat montmorillonite

maka semakin tinggi sifat daya tahan termalnya namun di sisi lain, kekuatan tariknya

menurun. Setelah dilakukan pengujian, ternyata berbeda. Penambahan aditif 40%

MMT dapat meningkatkan kekuatan tarik komposit hingga 50%.


9/78

viii

Dari pengujian ini, maka didapatkan kesimpulan sebagai berikut: 1) Penambahan

montmorillonite meningkatkan kekuatan tarik komposit, meskipun pada fraksi 10%,

20% dan 30% kekuatannya dibawah sampel kontrol; 2) Secara umum, semakin tinggi

suhu yang dipaparkan pada komposit maka kekuatan tarik komposit menurun secara

drastis mulai 100 o

C; 3) Daya tahan termal-mekanis terbaik pada komposit fraksi

berat 40% hingga suhu 100oC; 4) Kondisi morfologi komposit setelah pengujian

termal-mekanis pada suhu di atas 100 o

C, komposit mulai mengalami kegagalan

panas seperti arang, melunak dan degradasi pada matriks dan fiber organik,

delaminasi dan pecahnya matriks.

Kata kunci: Kenaf, Montmorillonite, Termal-mekanis, ASTM D 3039.


10/78

ix

SUMMARY

Thermo-mechanical Analysis of Woven Kenaf F iber Rein for ced Matri c Polyester

with Aditif M onmori llonite; Nasiruddin 101910101002: Tier One Program Studies

Department of Mechanical Engineering Faculty of Engineering, University of

Jember.

Recently, Nature Fiber Reinforced is trending topic. Kenaf fiber is natural fiber

which gained research interest because product available (most productly in the

world) and potentially of jember to grown it. The use of composites in a wide variety

of applications isapplication of composite due to outstanding thermal properties

wihich composite is flammable. Termo-mechanical test use for upgrading strength of

material in fire especially at thermal-tensile durability properties

Research methodology are used is quantitative dan descriptive analysis.

Standard Test is ASTM D 3039. Variabel variety is weight fraction aditif MMT ( 0%,

10%, 20%, 30% and 40%) and conducting treatment (Room temperature, 50o

C, 100

oC,200

oC and 250

oC). Process of thermal-mechanical test is sample assembly at

tensile test machine and conducted heater during 20 minutes. After that, tensile test isrunning.

Writer Hipotesis is the greater persentase of weight fraction montmorillonite the

thermal properties up but tensile strength down. After research, exactly different. Add

aditif MMT 40% could upgrading composites tensile strength until 50%.

From this research, conclusion is :(1) Adding montmorillonite upgrading tensile

strength, though 10%, 20% and 30% weight fraction make strength under

reference(0% wt MMT); (2) Gwenerally, the greater temperature which conducted at

composites then tensile strength down drastically get started from 100 oC.;(3) The

best of Thermo-mechanical properties at composite 40% MMT weight fraction until

temperature 100oC; (4) Morfologi composite pasca thermal-mechanical test at


11/78

x

temperature over 100 o

C, composites started at thermal defect like char, soften and

degradation at matriks and organic fiber, delamination and matriks crack.

Keyword: Kenaf, Montmorillonite, Thermo-mechanical, ASTM D 3039.


12/78

xi

PRAKATA

Segala puji syukur kehadirat Allah SWT atas segala rahmat dan hidayah-Nya

yang telah diberikan, sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini dengan baik.

Shalawat serta salam semoga tetap tercurahkan kepada Nabi Muhammad SAW

sebagai sumber inspirasi dan panutan umat manusia dalam menjalani kehidupan di

dunia ini.

Skripsi yang berjudul Analisis Termal-mekanis Komposit matrik Polyester

dengan aditif partikel Montmorillonite berpenguat serat Kenaf Anyam ini diajukan

guna untuk memenuhi salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan Strata Satu

(S1) pada Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Univertas Jember.

Penulis mengucapkan terima kasih kepada semua pihak yang telah

memberikan bimbingan, dukungan, dan arahan kepada penulis selama penyusunan

skripsi ini khususnya kepada :

1. Kedua orangtua dan keluarga, ayahanda Ahmad Mashuri dan Ibunda Uminidah

atas segala bentuk kasih sayang, doa dan dukungan yang tak hentinya diberikan

kepada saya. Kedua saudaraku tercinta, Imam Sholahuddin dan Idatul Fitria yangtelah menjadi guru dan penyemangat tersendiri untuk saya.

2. Bapak Hary Sutjahjono S.T., M.T. dan Bapak Andi Sanata S.T., M.T. sebagai

bapak dosen pembimbing utama serta Bapak Santoso Mulyadi S.T., M.T., selaku

bapak dosen pembimbing anggota yang telah bersedia untuk meluangkan waktu

dalam membimbing dan mengarahkan saya selama proses penelitian dan

penyusunan skripsi ini dari awal sampai akhir.

3. Bapak Dedi Dwi Laksana S.T., M.T. selaku bapak dosen penguji I, dan Ir. F.X.

Kristianta M.Eng., selaku bapak dosen penguji II yang telah memberikan kritik

dan saran yang sangat membangun dalam penyusunan skripsi ini.


13/78

xii

4. Seluruh staf pengajar dosen Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas

Jember yang telah banyak memberikan ilmu, pengetahuan, dan wawasan selama

saya belajar di bangku perkuliahan.

5. Segenap teman-teman teknik mesin, khususnya angkatan 2010 (Mechanical-X)

yang telah banyak sekali berbagi ilmu dan pengalaman selama masa perkuliahan.

6. Teman-teman penghuni kontrakan manggis, penghuni kontrakan brantas 21,

penunggu kampus patrang yang menemani dan membantu saya selama

pengerjaan skripsi ini

7. Semua pihak yang telah membantu proses penelitian dan penyusunan skripsi ini

Penulis menyadari bahwa sebagai manusia yang tak lepas kesalahan dan

kekurangan, oleh karena itu diharapkan adanya kritik, saran, dan ide yang bersifat

konstruktif demi kesempurnaan karya tulis skripsi ini dan penelitian berikutnya yang

berkaitan. Semoga hasil dari penelitian pada skripsi ini dapat memberikan manfaat

kepada berbagai pihak.

Jember, September 2014

Penulis


14/78

xiii

DAFTAR ISI

HALAMAN SAMPUL i

HALAMANPERSEMBAHAN ................................................................................. ii

MOTO ......................................................................................................................... iii

PERNYATAAN .......................................................................................................... iv

PENGESAHAN .......................................................................................................... vi

RINGKASAN ............................................................................................................ vii

SUMMARY ................................................................................................................ ix

PRAKATA .................................................................................................................. xi

DAFTAR ISI ............................................................................................................. xiii

DAFTAR GAMBAR ................................................................................................. xv

DAFTAR TABEL ................................................................................................... xvii

DAFTAR LAMPIRAN .......................................................................................... xviii

BAB 1. PENDAHULUAN .......................................................................................... 1

1.1 Latar Belakang .......................................................................................... 1

1.2 Rumusan Masalah .................................................................................... 3

1.3 Batasan Masalah ....................................................................................... 3

1.4 Tujuan dan Manfaat ................................................................................. 4

BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA ................................................................................. 5

2.1 Material Komposit .................................................................................... 5

2.1.1 Komposit Laminate ............................................................................ 8

2.2 Polyester, Serat Kenaf dan Montmorillonite .......................................... 9

2. 3 Karakterisasi .......................................................................................... 11

2.3.1 Pengujian Tarik Material Komposit ................................................. 11

2.3.2 Pengujian Termal-Mekanis .............................................................. 13

2.3.3 Pengujian Morfologi ........................................................................ 15

2.4 Hipotesa ................................................................................................... 16


15/78

xiv

BAB 3. METODOLOGI PENELITIAN ................................................................. 17

3.1 Tempat dan Waktu Penelitian ............................................................... 17

3.2 Alat dan Bahan Penelitian ...................................................................... 17

3.3 Prosedur Penelitian ................................................................................. 18

3.3.1 Langkah-langkah pembuatan sampel ............................................... 18

3.3.2 Langkah-langkah pengujian sampel ................................................ 19

3.4 Analisa Data ............................................................................................ 20

3.5 Diagram Alir Penelitian ......................................................................... 21

BAB 4. HASIL DAN PEMBAHASAN .................................................................... 22

4.1 Data Hasil Pengujian .............................................................................. 22

4.2 Pembahasan ............................................................................................. 26

BAB 5. PENUTUP .................................................................................................... 34

5.1 Kesimpulan .............................................................................................. 34

5.2 Saran ........................................................................................................ 34

DAFTAR PUSTAKA ................................................................................................ 35

LAMPIRAN ............................................................................................................... 37


16/78

xv

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Kegagalan panas pada laminate menunjukkan perbedan wilayah

kerusakan...7

Gambar 2.2 Grafik pengaruh kenaikan suhu terhadap kekuatan tarik pada laminate

glass/vinylester, glass/polyester dan glass/polypropylene.8

Gambar 2.3 Komposit laminate ....8

Gambar 2.4 Resin polyester (Yukalac 157 BQTN-EX)9

Gambar 2.5 Tanaman kenaf, benang/serat kenaf dan serat kenaf yang telah

dianyam...10

Gambar 2.6 Standar persiapan sampel uji ASTM D 3039..12

Gambar 2.7 Sampel uji tarik dengan pengukur panas untuk mengukur kekuatan pada

kenaikan suhu..14

Gambar 2.8 Skema ideal dari sebuah laminate dibawah pembebanan tarik dengan

pemodelan dua lapis dan skema pengujian termal-mekanis pada penelitian ini....15

Gambar 2.9 Bentuk patahan pada komposit ..16

Gambar 3.1 Model pengujian tarik dengan pemanasan salah satu sisinya.....20

Gambar 3.2 Diagram alir penelitian21

Gambar 4.1 Grafik hubungan antara nilai kekuatan tarik dengan variasi suhu pada

masing-masing persentase fraksi berat montmorillonite.....22

Gambar 4.2 Pengaruh penambahan aditif MMT terhadap kekuatan tarik komposit

kenaf pada suhu ruang.23

Gambar 4.3 Pengaruh suhu terhadap kekuatan tarik komposit pada masing-masing

kandungan fraksi berat MMT..23

Gambar 4.4 Foto makro sampel uji komposit polyester-kenaf dengan berbagai macam

variasi fraksi berat (% wt) aditif MMT ..26


17/78

xvi

Gambar 4.5 Foto makro patahan sampel uji komposit polyester-kenaf dengan aditif

MMT 40% (% wt) pada suhu 150oC, 200

oC dan 250

oC. Garis merah menunjukkan

letak dimana batas arang......28

Gambar 4.6 Bentuk patahan yang sering terjadi pada pengujian komposit polimer

.29

Gambar 4.7 Foto makro sampel uji komposit polyester-kenaf dengan aditif MMT 0%

(%wt) setelah perlakuan suhu uji (dari kiri) 150o

C, 200oC dan 250

oC.30

Gambar 4.8 Foto makro sampel uji komposit polyester-kenaf dengan aditif MMT

20% (%wt) setelah perlakuan suhu uji (dari kiri) 150oC, 200

oC dan 250

oC....31

Gambar 4.9 Foto makro sampel uji komposit polyester-kenaf dengan aditif MMT

40% (%wt) setelah perlakuan suhu uji termal-mekanis......32


18/78

xvii

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Sifat fisik dari serat kenaf dan unsaturated polyester ...10

Tabel 2.2 Rangkuman hasil penelitian serat kenaf dengan perlakuan panas.....10

Tabel 2.3 Spesimen geometri yang dibutuhkan......12

Tabel 2.4 Geometri spesimen yang direkomendasikan...12

Tabel 2.5 Kode kegagalan uji tarik......16


19/78

xviii

DAFTAR LAMPIRAN

1. Tabel data hasil pengujian termal-mekanis

2. Gambar sampel uji keseluruhan

3. Perhitungan kekuatan tarik

4. Tabel konversi mesh ke mikron

5. Rasio pencampuran larutan matriks

6. Gambar bahan cetakan serta gambar teknik cetakan komposit

7. Gambar bahan - bahan untuk membuat sampel uji

8. Gambar perangkat tambahan penting untuk pembuatan komposit

9. Gambar perangkat tambahan penting untuk proses pengujian

10. Standard ASTM D 3039


20/78

1

BAB 1. PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Pada abad ke-21, perkembangan teknologi material komposit sudah mulai

bergeser menuju pemanfaatan serat alam sebagai pengganti serat penguat sintetis

(Diharjo, dkk., 2008). Serat alam telah menjadi salah satu alternatif penguat komposit

polimer yang mendapat perhatian khusus dengan kelebihan materi yang ringan, tidak

mudah abrasi dalam pemrosesannya, ramah lingkungan serta terbarukan (Issac,

2012). Berbagai jenis tanaman serat tumbuh subur di Indonesia seperti kenaf, rosella,

rami dan abaca. Produksi serat kenaf menempati urutan pertama dari produksi serat

alam di dunia yaitu 970.000 ton/tahun. Salah satu faktor pendukung tingginya

produksi serat kenaf ialah masa tanam yang pendek (4 bulan) dan tahan di ladang

marginal, seperti lahan yang sering banjir, gambut dan tadah hujan, sedikit gangguan

hama dan penyakit serta biaya produksi yang rendah. Ada empat propinsi di

Indonesia yang memiliki potensi untuk pengembangan budidaya tanaman kenaf,

salah satunya adalah propinsi jawa timur, dan Jember termasuk daerah yang

berpotensi untuk mengembangkan tanaman ini (Diharjo, dkk., 2008).Penggunaan material komposit yang sangat luas memungkinkan terkena

berbagai paparan panas sehingga beresiko terjadinya kebakaran. Beberapa kasus

kebakaran pada pesawat terbang dan kapal dapat mendeskripsikan pentingnya

memahami sifat panas terhadap komposit dan kebutuhan akan material polimer tahan

panas (Mouritz, dkk., 2006). Kestabilan panas dalam sistem komposit dipengaruhi

oleh suhu, rasio antar matriks, dispersi dan ikatan serat dengan matriks serta suhu

terlalu tinggi dapat menyebabkan dekomposisi (Onggo, dkk., 2005).

Terkait dengan aplikasi komposit sebagai panel atau aplikasi khusus lainnya

sebagai isolator panas misalnya gantungan lampu, sifat hambatan panas menjadi

sangat penting untuk dikaji. Daya tahan terhadap termal serta kekuatan yang baik

akan memberikan waktu yang lebih lama pada material untuk mempertahankan diri


21/78

2

dari kegagalan panas. Hasil riset Cornell University/ National Institute of Standards

and Technology (NIST) menunjukkan bahwa komposit plastik - lempung dengan

komposisi 90% : 10% (w/w), dapat mempertahankan diri dari kerusakan akibat

pembakaran api sebesar 60 80 %. Genteng merupakan produk keramik dari tanah

liat/lempung yang memiliki kandungan 54,59% SiO2dan 19,92% Al2O3. Lempung ini

dapat dikategorikan sebagai Montmorillonite karena mempunyai kemampuan

mengadsorbsi tinggi, sifat liat yang tinggi, berkerut jika dikeringkan dan butirannya

berkeping halus. Kedua senyawa tersebut merupakan bahan geomaterial yang mampu

meningkatkan ketahanan panas dan kekuatan komposit. Unsur lain yang terkandung

(CaO, MgO, K2O dan TiO2) juga dapat meningkatkan tahan panas (Diharjo, dkk.,

2013). Pada penelitian sebelumnya, perlakuan durasi Termal terhadap kekuatan tarik

serat kenaf didapatkan nilai kekuatan tarik menurun dari 120 MPa ke 40 MPa pada

temperatur dari 20oC ke 100

oC serta durasi waktu 8 dan 24 jam (Khalid, dkk., 2011).

Penelitian serupa pada rentang suhu yang berbeda 110oC hingga 190

oC dengan

variasi waktu 3-9 jam didapatkan kekuatan tarik antara 43,2 MPa sampai 52,5 MPa

(Du, dkk., 2008). Begitu pula dengan perlakuan Termal mekanis pada komposit kenaf

menunjukkan penurunan pada Modulus sisa-nya dari 3x10

9

Pa hingga 0 Pa (Kuroda,2009).

Pada penelitian ini akan dilakukan analisis Termal-mekanis terhadap sampel

uji komposit bermatrik polyester berpenguat serat kenaf dengan aditif partikel

montmorillonite (limbah genteng) dengan tujuan meningkatkan kinerja komposit

akibat paparan panas. Keterbatasan kekuatan komposit matrik polimer terhadap efek

temperatur serta kemampuan partikel montmorillonite dalam menghambat laju

pemanasan akan menjadi topik penelitian yang menarik dengan menghubungkan sifat

keduanya.


22/78

3

1.2 Rumusan Masalah

Dari penjelasan diatas dapat dirumuskan permasalahan sebagai berikut:

1 Bagaimanakah pengaruh variasi fraksi berat aditif montmorillonitepada komposit

matrik polyester berpenguat serat kenaf terhadap nilai kekuatan tarik?

2 Bagaimanakah pengaruh variasi suhu terhadap kekuatan tarik komposit matrik

polyester berpenguat serat kenaf menggunakan aditif partikel montmorillonite?

3 Bagaimanakah kondisi morfologi komposit matrik polyester berpenguat serat

kenaf menggunakan aditif partikel montmorillonite setelah dilakukan pengujian

tarik dengan paparan panas?

1.3 Batasan Masalah

Batasan masalah dalam penelitian ini sebagai berikut:

1. Polyester yang digunakan merupakan produk Yukalac 157 BQTN-EX.

2. Serat yang digunakan adalah satu lapisan serat jenis kenaf berbentuk anyam

orientasi 45o/135

o.

3. Aditif partikel montmorilloniteberasal dari limbah genteng dengan ukuran 297

m atau mesh 50. Variasi aditif menggunakan fraksi berat 0%, 10%, 20%,30%, 40%.

4. Variasi suhu pengujian Termal mekanis; suhu ruang, 50oC,100

oC, 150

oC, 200

oC,

dan 250oC dengan waktu pemanasan konduksi selama 20 menit. Luas permukaan

konduksi pada sampel yaitu 25 mm x 75 mm.

5. Standar uji sifat mekanis komposit matrik polimer menggunakan ASTM D3039.

6. Proses pembuatan sampel menggunakan metode hand-lay up.


23/78

4

1.4 Tujuan dan Manfaat

Adapun tujuan dari penelitian ini ialah :

1

Untuk mengetahui pengaruh variasi fraksi berat aditif montmorillonite pada

komposit matrik polyester berpenguat serat kenaf terhadap nilai kekuatan tarik.

2 Untuk mengetahui pengaruh variasi suhu terhadap kekuatan tarik komposit matrik

polyester berpenguat serat kenaf menggunaan aditif partikel montmorillonite.

Sedangkan manfaat yang diperoleh dari penulisan karya ilmiah ini adalah:

1 Memberikan informasi mengenai karakteristik Termal-mekanis Komposit Matrik

Polyester berpenguat Serat Kenaf Anyam dengan penambahan Aditif Partikel

Montmorillonite.

2 Memberikan tambahan koleksi pustaka kepada Jurusan Teknik Mesin, Fakultas

Teknik, Universitas Jember.


24/78

5

BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Material Komposit

Material komposit di definisikan sebagai kombinasi antara dua material atau

lebih yang berbeda bentuk, komposisi kimia, dan tidak saling melarutkan dimana

material yang satu berperan sebagai penguat dan yang lainnya sebagai pengikat serta

dapat dilihat perbedaannya secara makroskopis. Komposit disusun dari dua

komponen yaitu matriks atau resin dan reinforcementatau penguat atau ada juga yang

menyebut filler. Filler ini nanti akan berfungsi sebagai penguat berupa partikel atau

serat yang menerima distribusi tegangan dari komposit (Yunus, 2011). Komposit

polimer mulai fenomenal sejak tahun 1960-an dan sekarang telah berkembang pada

aplikasi pesawat terbang, pesawat antariksa, perahu, kapal, mobil otomotif,

infrastruktur sipil, peralatan olahraga dan produk konsumen. Penggunaan komposit

diberbagai bidang tergantung pada karakteristik fisik, termal, kimia dan mekanisnya.

Kelebihan komposit terhadap berbagai paduan logam diantaranya ringan, kekakuan

spesifik yang tinggi dan kekuatan spesifik, ketahanan lelah yang baik, tahan korosi,

isolasi panas, perambatan panas yang rendah.

Masalah besar dari penggunaan Polimer berpenguat serat (Fiber Reinforced

Polymer/ FRP) pada aplikasi struktur teknik adalah derajat dari ketahanan panas dan

keterbatasan informasi sifat material tersebut ketika mengalami pemanasan. Pada

suhu yang lebih rendah diantara 100o-200

oC, FRP akan mengalami pelunakan, creep

dan terdistorsi menyebabkan kegagalan ketika mengalami pembebanan struktur

ketika 300o-500

oC, matriks polimer terdekomposisi, melepaskan panas dan gas

beracun (Yousif, 2013). Penelitian mengenai sifat Termal-mekanis pada komposit

silanized-kenaf/polystyrene dengan menggunakan metode DMA (Dynamic

Mechanical Termal Analysis). Dengan pemberian coupling agent 3-

methacryloxypropyltriethoxysilane mulai dari 5-15% dan tanpa pemberian coupling

agent serta polystyrene murni (PS). Hasilnya, modulus sisa tertinggi terdapat pada


25/78

6

pemberian CA 15% yaitu sebesar 3 GPa pada suhu 50oC lalu cenderung menurun

pada suhu setelahnya hingga modulus terendah yaitu 0 GPa terletak pada suhu 140oC.

Nilai terendah didapatkan pada PS dengan modulus sisa sebesar 1 GPa pada suhu

50oC lalu cenderung menurun pada suhu setelahnya hingga modulus terendah yaitu 0

GPa terletak pada suhu 130oC (Kuroda, 2009).

Sifat hambatan panas bahan komposit sangat dibutuhkan untuk aplikasinya

sebagai isolator termal. Penggunaan material partikel tahan panas pada komposit

diharapkan dapat meningkatkan hambatan termal. Hasil penelitian menunjukkan

bahwa peningkatan kandungan partikel montmorillonite mampu meningkatkan

hambatan panas komposit matrik bisphenolic. Pada kadar partikel 10% dan 50%

(v/v), komposit secara berurutan memiliki hambatan panas 0,807x10-2

K/W dan

0,939x10-2

K/W. Hambatan panas untuk komposit dengan ukuran partikel 125-177

m dan < 74 m masing-masing adalah 0,725x10-2

K/W dan 0,888x10-2

K/W.

Penelitian menunjukkan bahwa peningkatan kandungan partikel dan pengecilan

ukuran partikel mampu meningkatkan hambatan panas komposit. Komposit ini sangat

berpotensi digunakan sebagai isolator panas untuk berbagai aplikasi (Diharjo, dkk.,

2013). Namun, pada umumnya matrik komposit berasal dari bahan organik tidak

dapat bekerja pada paparan suhu diatas 200oC (Tran Doang Hung, 2011).

Secara umum, kegagalan panas mengakibatkan laminate menjadi bentuk

arang, melunak dan degradasi pada matriks dan fiber organik, delaminasi dan

pecahnya matriks. Gambar 2.1 dibawah menunjukkan gambaran mengenai ketebalan

komposit yang telah dipanasi hingga menjadi arang pada salah satu sisinya dan

dampak yang terlihat terjadi di berbagai wilayah pada material. Permukaan panas

terkena langsung panas pada wilayah pertama sehingga dekomposisi termal menjadi

arang, yang terlihat lapisan hitam pada gambar. Isi polimer pada wilayah ini adalah

diabaikan karena matriks seluruhnya terdegradasi dan berbagai residu material

organik telah memadat menjadi arang. Dibawah wilayah arang yang merupakan

daerah tipis disebut daerah dekomposisi dimana matriks polimer telah dipanasi yang

diatas reaksi temperatur dekomposisi tetapi dibawah temperatur bentuk arang. Pada


26/78

7

daerah ini matriks secara parsial terdegradasi, umumnya dengan pemotongan rantai

menjadi molekul fragmen berat yang itu sangat berat untuk menguap. Bagaimanapun

juga, proses dekomposisi tidaklah sempurna dan oleh karena itu matriks tidak

dikurangi menjadi arang dan gas pembakaran. Dibawah wilayah dekomposisi,

komposit termasuk delaminasi yang retak diantara lapisan dan retak matriks yang

baik dalam lapisan. Daerah terdekat permukaan dingin pada laminate tidak

terpengaruh panas karena temperatur terlalu rendah untuk menyebabkan berbagai

pelunakan atau dekomposisi pada matriks. Dengan menambah waktu pembakaran,

wilayah dekomposisi dan wilayah arang bertambah secara progresif pada permukaan

yang tidak terkena panas sebelumnya dan secepatnya matriks polimer secara

sempurna menjadi arang (Mouritz, dkk., 2006).

Gambar 2.1 Kegagalan panas pada laminate menunjukkan perbedan wilayah

kerusakan (Mouritz, dkk., 2006).

Pengukuran kekuatan tarik saat komposit dipanasi hingga 400oC pada tiga tipe

dari laminate anyam: glass/vinyl ester, glass/polyester dan glass/polypropylene

(Mouritz, dkk., 2006).


27/78

8

Gambar 2.2Grafik pengaruh kenaikan suhu terhadap kekuatan tarik padalaminate glass/vinylester, glass/polyester dan glass/polypropylene (Mouritz,dkk., 2006).

2.1.1 Komposit Laminate

Menurut Wikipedia, Komposit Laminate merupakan gabungan

dari beberapa lapisan seperti pada komposit berpenguat serat yang dapat

menyediakan sifat mekanis seperti kekutan geser, kekuatan bending,

kekuatan dan koefisien termal. Lapisan pada material yang berbeda dapat

menjadi komposit hybrid. Secara umum, lapisan serat terdiri atas

orthotropic (dengan arah orthogonal) atau isotropic (dengan arah

tranversal) dan anisotropic (arah secara acak).

Gambar 2.3 Komposit laminate (Wikipedia, 2014)


28/78

9

2.2 Polyester, Serat Kenaf dan Montmorillonite

Resin polyester (Yukalac 157 BQTN-EX) digunakan sebagai bahan matriks

dengan sifat densitas 1,215 g/cm3, titik leleh 170

oC dengan serapan air 0,118% (24

jam), tensile strength 5,5 kg/mm2 dan perpanjangan putus 1,6% (Mashuri, 2007).

Polyester ini merupakan jenis Ortho-phthalic Resin dan sangat popular di bidang

pembuatan kapal di Indonesia. Bidang aplikasi lainnya antara lain: tangki, alat

saniter, ornamen dan lain-lain. YUKALAC 157 BQTN-EX ber-sertifikat LR

Register & FDA (Justus, 2011). Ortho-phthalic Resin dapat bekerja dengan baik pada

suhu sedang hingga rendah dan sering digunakan karena harganya yang murah

(Pepper, 2012).

Gambar 2.4 Resin polyester (Yukalac 157 BQTN-EX).

Kenaf (Hibiscus cannabinus, L. family Malvaceae ) adalah tanaman tahunan

yang dapat tumbuh dibawah kondisi cuaca yang beragam. Tanaman ini tumbuh lebih

dari tiga meter selama tiga bulan pada kondisi lingkungan sedang dengan diameter

tangkai 25-51 mm. Tanaman dikotil ini memiliki tiga lapis yaitu kulit, inti dan non

ferrous cell (Aji, dkk., 2009).


29/78

10

Gambar 2.5 Tanaman kenaf, benang/serat kenaf dan serat kenaf yang telah

dianyam.

Berikut ini merupakan rangkuman peneltian mengenai sifat fisik serat kenaf

dan polyester pada tabel 2.1 dan Penelitian tentang efek dari temperatur terhadap

kekuatan tarik serat kenaf pada tabel 2.2.

Tabel 2.1Sifat fisik dari serat kenaf dan unsaturated polyester (Osman, dkk., 2012)

Fiber Density(g/cm

3)

Tensilestrength

(MPa)

Youngmodulus

(GPa)

Fiberdiameter

(mm)

FiberLength

(mm)

Serat Kenaf 1,04-1,5 110-930 4,3-53 0,024-0,14 1-60

Unsaturated

Polyester1.12 39 3.231 - -

Tabel 2.2Rangkuman hasil penelitian serat kenaf dengan perlakuan panas.

Serat Temperatur

(C)

Pemanasan

(jam)

Kekuatan Tarik

(MPa)

Referensi

Kenaf 110-190 369

2201601755015075

(Du, dkk., 2008)

Kenaf 2050

100

824824

824

12511010570

6040

(Khalid, dkk., 2011)


30/78

11

Genteng merupakan produk keramik dari tanah liat/lempung yang memiliki

kandungan 54,59% SiO2dan 19,92% Al2O3. Lempung ini dapat dikategorikan sebagai

Montmorillonitekarena mempunyai kemampuan mengadsorbsi tinggi, sifat liat yang

tinggi, berkerut jika dikeringkan dan butirannya berkeping halus. Kedua senyawa

tersebut merupakan bahan geomaterial yang mampu meningkatkan ketahanan panas

dan kekuatan komposit. Kedua kandungan tersebut menghambat adanya perambatan

api (flame resistence). Flame resistence merupakan komponen atau kombinasi

komponen yang dapat menghambat nyala bila ditambahkan pada suatu kandungan

sehingga dihasilkan suatu material yang memiliki kemampuan hambat nyala.

(Diharjo, dkk., 2013).

Pada penggunaan montmorillonite (MMT) modifikasi filler pada komposit

polyester berpenguat kenaf dapat meningkatkan sifat mekanis sebesar 10% atau lebih.

Sedangkan penambahan MMT tanpa modifikasi meningkatkan kekuatan tariknya

dibandingkan dengan tipe yang lain seperti trymethil ammonium bromide-

montmorillonnite dan alkyl dimethyl benzyl ammonium-montmorillonite

(Sreenivasan, dkk., 2012). Penambahan tanah liat pada polyamide-6, PA-6, (4,7%)

menuju sifat mekanis superior dan pemanasan temperatur distorsi bertambah menjadi

152oC, dimana 87

oC lebih tinggi dibandingkan PA-6 murni (Mouritz, dkk., 2006).

2. 3 Karakterisasi

2.3.1 Pengujian Tarik Material Komposit

ASTM D 3039 merupakan standard pengujian sifat tarik pada Komposit

bermatrik polimer. Material komposit terbatas pada serat kontinyu maupun serat

diskontinyu dengan laminate yang seimbang dan simetris. Metode pengujiannya

dengan menggunakan sebuah flat strip tipis yang berbentuk persegi panjang

dengan penampang dipasang pegangan dan beban yang tetap. Kekuatan ultimate

material dapat ditentukan dari beban maksimum dilakukan sebelum kegagalan.

Metode pengujian ini bertujuan untuk mendapatkan kekuatan tarik ultimate.


31/78

12

Gambar 2.5Standar persapan sampel uji ASTM D 3039.

Tabel 2.3 Spesimen geometri yang dibutuhkan

Parameter Kebutuhan

Spesifikasi :

Bentuk

Panjang minimal

Lebar spesimen

Toleransi lebar spesimen

Ketebalan spesimen

Toleransi ketebalan spesimenKerataan spesimen

Constant rectangular cross-section

Gripping + 2 times width + gage length

As needed

1% dari lebar

As needed

4% dari tebalFlat with light finger pressure

Tabel 2.4 Geometri spesimen yang direkomendasikan

Fiber orientation Width

(mm)

Overall

length

(mm)

Thickness

(mm)

Tab Length

(mm)

Tab

Thickness

(mm)

Tab Bevel

Angle

0ounidirectional

90ounidirectional

Balanced & symmetric

Random-discontinuous

15

25

25

25

250

175

250

250

1.0

2.0

2.5

2.5

56

25

Emery cloth

Emery cloth

1.5

1.5

-

-

7 or 90

90

-

-

Perhitungan ultimate tensile strength menggunakan persamaan dibawah ini:

tu=Fmax/ A0 1)

i=Pi/A 2)


32/78

13

dimana :

tu = kekuatan tarik ultimate MPa [psi];

Fmax=beban maksimum sebelum kegagalan, N [lbf];

i = tegangan tarik pada data yang ke-, MPa [psi];

Pi= beban pada data yang ke-, N [lbf];

A0= luasan seksi silang rata-rata dari lebar x tebal, mm2[in

2], sebesar 125 mm

2

2.3.2 Pengujian Termal-Mekanis

Pengujian termal-mekanis merupakan pengujian kekuatan mekanis dengan

diberi pemanasan pada material tersebut. Pada penelitian ini kekuatan mekanis

yang diukur ialah kekuatan tarik. Pengukuran kekuatan tarik ini mengalami

beberapa kesulitan karena temperatur sering melewati jarak uji pemanasan dan

juga masalah mengenai pegangan yang selip atau kegagalan pada pegangan

selama proses. Satu metode yang dapat mengatasi masalah tersebut dengan

menggunakan heated gauge length set-up yang tertera pada gambar. Sampel

konvensional untuk uji tarik dengan temperatur kontrol terdiri atas balok metal

dan pemanas kartrid dengan desain jepit seperti gambar. Keuntungan dari desain

ini ialah menjaga pegangan sampel tetap dingin, jadi mencegah keselipan atau

deformasi. Penambahan penyekatan secara umum dibutuhkan di sekitar

pegangan atas, untuk mencegahnya menjadi hangat dengan konveksi udara dari

balok panas (Mouritz, dkk., 2006).


33/78

14

Gambar 2.6 Sampel uji tarik dengan pengukur panas untuk mengukur kekuatanpada kenaikan suhu (Sumber : Mouritz & Gibson, 2006 dan Easby, dkk., 2007)

Sampel berbentuk dog bonedigunakan untuk uji tarik pada spesimen,

ketebalan dimensi 8 mm dan variasi temperature uji antara 25oC hingga 400

oC

dengan sebuah box berisi pemanas(Easby, dkk., 2007). Pada referensi lain, uji

tarik dengan variasi temperatur 20oC hingga 300

oC dengan spesimen

berdasarkan ASTM D 3039 berdimensi 150 mm x 25 mm x 4 mm(Feih, dkk.,

2007).

Analisis termal-mekanis bisa digambarkan melalui pemodelan dua lapis.

Model dua lapis (two layer model) digunakan untuk menghitung sifat mekanis

dari laminate dibawah kombinasi pembebanan tarik dan pemanasan pada satu

sisi serta model laminasi untuk memprediksi sifat dibawah pengaruh

pembebanan tarik dan pemanasan pada salah satu sisi. Model diasumsikan

mengalami pemanasan pada laminate-nya pada kedua lapisannya dimana salah

satunya tidak terkena panas serta yang lainnya menjadi arang. Skema dari

kondisi material tertera pada gambar di bawah ini. Secara sederhana, kekuatan

tarik mempengaruhi lapisan arang diasumsikan konstan. Kekuatan tarik dari

lapisan yang belum terkena panas tersebut juga diasumsikan konstan dan juga

nilai kekuatan tariknya berdasarkan suhu kamar meskipun kenyataanya

kekuatan tarik dari lapisan yang belum terkena panas ialah tidak konstan.


34/78

15

Kekuatannya terendah pada batas arang dan meningkat pada permukaan yang

tidak terkena panas. Setidaknya pendekatan ini sangat membantu dalam

menginterprestasikan sifat sisa setelah pemanasan.

Gambar 2.7Skema ideal dari sebuah laminate dibawah pembebanan tarik

dengan pemodelan dua lapis (Sumber : Mouritz & Gibson, 2006)dan Skema

pengujian pada penelitian ini (kanan).

2.3.3 Pengujian Morfologi

Pengujian morfologi mengggunakan foto makro dengan kamera biasa

5 MP. Hal ini dilakukan untuk mendapatkan tampilan tentang cacat yang

terjadi akibat perlakuan termal mekanis. Berikut kode kegagalan pada

komposit berikut contohnya berdasarkan ASTM D 3039:

Gaya Tarik

Panas

konduksi

K = 2.15W/m K

T = suhu ruang,

50oC,100oC,150oC,

200

o

C

o

C,250

o

C


35/78

16

Tabel 2.5 Kode Kegagalan Uji Tarik

Karakter Pertama Karakter Kedua Karakter Ketiga

Tipe Kegagalan Kode Luasan Kegagalan Kode Lokasi Kegagalan KodeSudutDelaminasi

Grip/ CekamLateralMulti-modeLong splittingExplosive

Other

AD

GLM (xyz)SX

O

Didalam Grip/CekamPada Grip/Cekam

< 1 W dari grip/ cekamGageMultiple AreasVariousUnknown

IA

WGMVU

BottomTop

LeftRightMiddleVariousUnknown

BT

LRMVU

Gambar 2.8Bentuk Patahan Komposit (Sumber: ASTM D 3039)

2.4 Hipotesa

Hipotesis pada penelitian ini ialah bahwa semakin besar persentase fraksi

berat montmorillonite maka semakin tinggi sifat daya tahan termalnya namun di sisi

lain, kekuatan tariknya menurun karena penambahan persentase fraksi berat

montmorillonite tersebut menyebabkan material menjadi getas.


36/78

17

BAB 3. METODOLOGI PENELITIAN

Penelitian ini menggunakan metode penelitian kuantitatif dan deskriptif.

Penelitian kuantitatif menekankan analisisnya pada data-data numerik. Dengan

metode kuantitatif akan diperoleh signifikasi perbedaan kelompok atau signifikasi

hubungan antar variabel yang diteliti. Sedangkan penelitian deskriptif melakukan

analisis hanya sampai pada taraf deskripsi yaitu menganalisis dan menyajikan fakta

secara sistematik sehingga dapat lebih mudah untuk dipahami dan disimpulkan

(Dharminto, 2014). Untuk memudahkan penjelasan, Acuan yang dijadikan rujukan di

dalam penelitian ini ialah sampel kontrol yaitu sampel komposit tanpa partikel MMT

(0% wt MMT).

3.1 Tempat dan Waktu Penelitian

Pelaksanaan penelitian dilaksanakan pada Agustus hingga September 2014 di

Laboratorium Uji Bahan Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik, Universitas Jember.

3.2 Alat dan Bahan PenelitianAlat dan bahan yang digunakan selama penelitian ini berlangsung antara lain:

Alat :

1. Universal Machine Testing Merk ESSOM TM 113 30 kN.

2. Thermocontrol dan Termokopel.

3. Heater Jacket (pemanas)

4. Ayakan mesh 50 (Ayakan tepung).

5. Cetakan Komposit dari Kaca, Plastik Astralon, Plastisin dan Margarin.6. Penggaris dan

7. Palu dan lumpang besi,

8. Timbangan digital

9. Kamera 5 MP


37/78

18

10. Pencekam khusus komposit polimer

11. Cutter dan Gunting

12. Gerinda Tangan

Bahan :

1. Serat kenaf anyam.

2. Resin polyester Yukalac BQTNEX 157.

3. Partikel Montmorillonite.

4. Hardener

3.3 Prosedur Penelitian

3.3.1 Langkah-langkah pembuatan sampel

1. Persiapkan cetakan kaca, serta alat pendukung untuk membuat sampel.

2. Hancurkan partikel genteng, tumbuk dengan lumpang besi lalu ayak dengan

ayakan tepung (mesh berukuran 50)

3. Potong serat kenaf anyam sesuai dimensi ASTM D 3039 sebanyak sampel

yang dibutuhkan yaitu dengan dimensi 30 mm x 150 mm per cetakan sampel.

4. Ukur dan timbang resin sesuai kebutuhan, tambahkan katalis (hardener) 1%,

dan timbang montmorillonite. Kemudian campur resin, katalis dan

montmorillonite dengan persentase sesuai dengan rencana penelitian (lihat

lampiran). Aduk secara perlahan dengan hitungan pengadukan 100 kali saat

pencampuran resin dan katalis, lalu aduk 60 kali saat pencampuran resin-katalis

dengan montmorillonite. Campuran resin, katalis dan montmorillonite selanjutnya

disebut sebagai larutan campuran matriks.

5. Lapisi cetakan dengan margarin secukupnya pada permukaan pinggiran

cetakan kacanya agar memudahkan pelepasannya nanti, kemudian tuangkan

larutan campuran matriks pada cetakan hingga terisi setinggi 3 mm, lalu letakkan

serat kenaf anyam diatas larutan campuran matriks, setelah itu tambahkan lagi


38/78

19

campuran ke dalam cetakan. Tutup cetakan dengan plastik astralon. Pastikan tidak

terjadi rongga udara (void) saat menutup cetakan.

6. Tunggu hingga setengah hari, kemudian lepaskan hasil cetakan dari cetakan.

Potong pada sisi kiri dan kanan yang berlebih pada komposit dengan

menggunakan gerinda tangan. Kemudian, berikan pemberat kepada sampel uji

selama 3 hari untuk menghindari komposit mengalami lengkungan.

3.3.2 Langkah-langkah pengujian sampel

Sebuah sampel komposit kemudian dipasang pada mesin uji tarik dan

pemanas dipasangkan pada obyek lalu atur suhunya seperti rencana. Beri

penanda jarak cekam pada sampel uji agar dapat memberikan ruang saat

pemanas dipasang. Suhu pada pemanas diukur dengan thermocouple dan diatur

suhunya menggunakan termokontrol untuk menjaga agar suhu dalam kondisi

tetap. Panas secara konduksi tersebut dilakukan selama 20 menit. Setelah itu,

spesimen langsung dilakukan uji tarik dengan menggunakan mesin uji tarik

sesuai standar ASTM D3039.

Ketika pengujian tarik siap dilakukan, setel penanda displacement

dengan meletakkan ujung dasarnya ke dasar mesin uji tarik. Saat penanda

displacement tidak lagi menyentuh dasar mesin uji tarik, lakukan penyetelan

ulang dengan mengendorkan pengikatnya dan meletakkan ke dasar mesin uji

tarik. Hal ini dimaksudkan supaya penanda displacement dapat bekerja dengan

baik. Reset display saat akan melakukan pengujian tarik. Proses pengujian

minimal dilakukan oleh dua orang, orang pertama memegang pencekam

sedangkan yang lainnya mengungkit dengan tuas yang disediakan. Selamaproses, jangan lupa untuk melakukan perekaman. Simpan rekaman video

tersebut untuk selanjutnya diolah datanya dengan bantuan media player classic

(untuk melihat data dengan menggunakan arah pada keyboard) dan Microsoft

excel (untuk membuat grafik).


39/78

20

Gambar 3.1Pengujian tarik dengan pemanasan salah satu sisinya

3.4 Analisa Data

Analisa data dilakukan setelah diperoleh hasil pengujian morfologi, pengujian

uji tarik dengan perlakuan panas pada salah satu sisi luarnya terhadap komposit

polyester kenaf-montmorillonite ialah sebagai berikut:

1 Analisis pengaruh variasi fraksi berat aditif montmorillonite pada komposit

matrik polyester berpenguat serat kenaf terhadap nilai kekuatan tarik.

2 Analisis pengaruh variasi suhu terhadap kekuatan tarik komposit matrik polyester

berpenguat serat kenaf menggunakan aditif partikel montmorillonite.

3 Analisis morfologi komposit pasca uji termal-mekanis


40/78

21

Resin Polyester

+

Hardener(1%)

Montmorillonite

297 m

Serat Kenaf Anyam (1 layer) orientasi

45o/ 135

o

Fraksi Berat dengan persentase

Montmorillonite : a. 0 %, b. 10 %,

c. 20%, d. 30%, e. 40%

Pembuatan sampel komposit berdasarkan ASTM D 3039

Persiapan Alat pendukung untuk pengujian

Pengujian Tarik berdasarkan ASTM D 3039

Konduksi Panas selama 20 menit

dengan variasi suhu : a. suhu

ruang, b. 50o

C, c. 100o

C, d. 150o

C,e. 200

oC, f. 250

oC

Pengujian Makro

Pengolahan Data

Penulisan Laporan

3.5 Diagram Alir Penelitian

Gambar 3.2 Diagram alir penelitian

Mulai

Selesai


41/78

22

BAB 4. HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Data Hasil Pengujian

Prosedur Pengujian termal mekanis meliputi penyiapan bahan uji dan alat uji

berdasarkan standar uji material komposit polimer ASTM D 3039, proses pengujian

tarik pada komposit menggunakan pencekam (clamp) khusus untuk material jenis

komposit polimer. Data hasil pengujian diperoleh melalui pengujian tarik

menggunakan universal machine testing merk ESSOM TM 113 kapasitas 30 kN di

laboratorium Uji Bahan teknik mesin Universitas Jember. Sampel uji yang digunakan

ialah komposit polyester-kenaf dengan variasi penambahan aditif MMT 0%, 10%,

20%, 30% dan 40%. Pemberian panas dilakukan selama dua puluh menit sebelum

pengujian tarik berlangsung berupa konduksi panas pada satu sisi dengan variasi suhu

ruang, 50 o

C, 100 o

C, 150o

C, 200 o

C dan 250 o

C untuk memperoleh data pengujian

termal-mekanis. Hasil data pengujian termal mekanis diperoleh grafik sebagai berikut

ini :

Gambar 4.1 Grafik hubungan antara nilai kekuatan tarik dengan variasi suhu

pada masing-masing persentase fraksi beratMontmorillonite


42/78

23

Pengaruh variasi fraksi berat terhadap nilai kekuatan tarik

Gambar 4.2 Pengaruh penambahan aditif MMT terhadap kekuatan tarik

komposit kenaf pada suhu ruang.

Pengaruh variasi suhu

Gambar 4.3 Pengaruh suhu terhadap kekuatan tarik komposit pada masing-

masing kandungan fraksi berat MMT.


43/78

24

Secara umum, ketahanan panas komposit mulai mengalami penurunan yang

tajam pada suhu uji 150o

C dengan penurunan kekuatan tarik rata-rata sebesar 1,6 kali

lipat. Keadaan morfologi komposit setelah uji termal-mekanis ialah sebagai berikut:

(a) 0% fraksi berat aditif MMT.

(b) 10% fraksi berat aditif MMT.


44/78

25

(c) 20% fraksi berat aditif MMT.

(d) 30% fraksi berat aditif MMT.


45/78

26

(e) 40%. fraksi berat aditif MMT.

Gambar 4.4 Foto makro sampel uji komposit polyester-kenaf dengan berbagai

macam variasi fraksi berat (% wt) aditif MMT.

Dari beberapa Foto Makro Sampel Uji Komposit Polyester-Kenaf dengan

variasi fraksi berat aditif MMT pada suhu dbawah 150o

C, rata-rata didapatkan letak

patahan yang di sekitar pencekam. Sedangkan pada suhu antara 150 o

C hingga 250

oC, rata-rata letak patahan sampel uji berada di tengah serta komposit mulai

mengalami delaminasi.

4.2 Pembahasan

4.2.1 Analisa Persentase fraksi berat montmorillonite terhadap Kekuatan Tarik

Semakin tinggi persentase fraksi berat MMT, maka kekuatan tariknya

semakin meningkat. Hal ini disebabkan oleh adanya penguatan dari partikel

MMT dan serat kenaf meskipun nilai kekuatan tarik komposit fraksi berat 10%,

20% dan 30% masih berada dibawah kekuatan komposit fraksi berat 0% (tanpa

aditif MMT). Partikel montmorillonite bekerja dengan baik pada penambahan

fraksi berat sebesar 40%. Pada fraksi berat 40% inilah, ikatan antara penguat dan

pengikat melebihi dari kekuatan komposit tanpa aditif MMT.


46/78

27

Meskipun perlakuan dalam hal proses pembuatan sampel sama, komposit

uji mengalami pembasahan (wetting) yang kurang sempurna pada fraksi berat

10%, 20% dan 30% antara partikel MMT dengan resinnya. Hal ini dikarenakan

pada saat proses pembuatan sampel, pengadukan campuran terlalu tergesa-gesa

sehingga reaksi yang seharusnya berjalan lebih lambat. Sehingga proses

pembasahan pada komposit kurang sempurna.

Berdasarkan hipotesis penulis tentang peningkatan pengaruh persentase

fraksi berat MMT yaitu semakin tinggi kandungan montmorillonite maka

kekuatan tarik menurun akibat material yang semakin getas, hasil penelitian ini

menunjukkan hal yang berbeda. Penambahan 40% aditif MMT meningkatkan

kekuatan tarik komposit sebesar 50% dibandingkan dengan komposit tanpa

tambahan aditif MMT pada suhu ruang. Hal tersebut sejalan dengan penelitian

yang dilakukan oleh (Sreenivasan, dkk., 2012), bahwa penambahan partikel

MMT tanpa modifikasi meningkatkan kekuatan tarik dibandingkan dengan

penambahan MMT yang disertai modifikasi.

4.2.2 Analisa Variasi suhu terhadap Kekuatan Tarik

Pengujian termal pada komposit ini hanya dilakukan pada salah satu sisi

permukaan komposit dengan luasan permukaan kontak yang dilekatkan pada

konduksi panas sebesar 75 mm x 25 mm. Secara umum, peningkatan suhu

menyebabkan penurunan kekuatan tarik komposit (lihat Gambar 4.3). Hal ini

diakibatkan oleh fenomena pelunakan pada komposit polimer berpenguat serat

pada suhu yang lebih rendah diantara 100o-200

oC mengalami pelunakan (Yousif,

2013) sehingga matrik komposit yang berasal dari bahan organik (termasuk

polyester) tidak dapat bekerja pada paparan suhu diatas 200oC (Tran Doang

Hung, 2011). Ketika pengujian tarik, resin dan penguat pada sampel uji tidak

dapat menahan gaya tarik disebabkan komposit yang mengalami pelunakan.


47/78

28

Menurut (Mouritz, dkk., 2006), Kekuatan terendah komposit saat uji

termal-mekanis terjadi pada batas arang dan meningkat pada permukaan yang

tidak terkena panas. Dengan kata lain, kekuatan tarik setelah uji termal ditentukan

oleh permukaan atau volume komposit yang belum terkena panas (virgin).

Semakin banyak luasan permukaan virgin, maka semakin besar kekuatan

komposit tersebut untuk menahan gaya tarik yang diberikan kepadanya. Dari

penjelasan diatas, komposit polyester-kenaf aditif MMT dengan fraksi berat

sebesar 40% mampu menahan panas dan kekuatan tariknya melebihi komposit

polyester-kenaf tanpa MMT akibat banyaknya luas permukaan virgin. Daerah

batas arang dapat ditunjukkan pada gambar dibawah ini:

Gambar 4.5 Foto makro patahan sampel uji komposit polyester-kenaf dengan

aditif MMT 40% (% wt) pada suhu 150 o

C, 200 o

C dan 250 o

C. Garis merah

menunjukkan letak dimana batas arang.

4.2.3 Kondisi Morfologi Komposit setelah Uji termal-mekanis

Setelah Pengujian termal-mekanis, kondisi morfologi komposit

meliputi berbagai bentuk patahannya serta efek dari pemanasan itu seperti

terbentuknya lapisan arang pada komposit penting untuk dikaji. Karena

melalui kondisi morfologi tersebut dapat menjelaskan mengenai fenomena

termal-mekanis yang terjadi pada komposit. Selama pengujian yang dilakukan

Batas arang


48/78

29

oleh penulis, bentuk patahan dari komposit kurang lebih sama dengan bentuk

patahan dari ASTM D 3039 seperti dibawah ini :

Gambar 4.6 Bentuk patahan yang sering terjadi pada pengujian komposit

polimer .

Dari gambar diatas, terdapat berbagai macam kode huruf yang perlu

kita pahami. Huruf pertama menunjukkan tipe kegagalan dari komposit

polimer, huruf kedua menunjukkan letak area kegagalan dari material tersebut

sedangkan huruf yang ketiga menjelaskan tentang posisi kegagalan (lihat tabel2.5). Dari kiri dapat kita lihat bahwa pada gambar terdapat kode LGM yang

berarti komposit mengalami kegagalan tipe lateral dengan luasan di sekitar

gage dan lokasinya berada di tengahl. Sedangkan untuk kode AIT berarti

kompsit mengalami tipe kegagalan sudut dengan luasan di dalam cekam

terletak di lokasi atas. Kode LAT menunjukkan bahwa komposit gagal secara

lateral pada cekam dan terletak pada lokasi atas. Kode XGM berarti bahwa

komposit mengalami kegagalan explosive dengan luasan di sekitar gage dan

posisinya berada di tengah. Kode DGM merupakan bentuk kegagalan

komposit tipe delaminasi di sekitar gage dan posisinya terletak di tengah.

Faktor- faktor yang mempengaruhi kegagalan diatas meliputi: (a)

Kondisi pencekam jika konsentrasi tegangan berada pada pecekam dapat


49/78

30

dipastikan letak patahannya berada di sekitar pencekam, (b) Seberapa banyak

rongga udara (void) pada komposit. Semakin banyak rongga udara maka

kekuatan komposit semakin turun. (c) Besar Suhu Termal. Saat suhu berada di

atas daya tahan termal komposit, komposit akan melunak saat pengujian tarik

menyebabkan letak patahan berada di tengah. Hal ini dikarenakan penempatan

pemanas (heater) pada posisi tengah sampel uji. Selain kegagalan patahan

pada komposit yang dapat diindentifikasi melalui ASTM D 3039, kegagalan

pada morfologi juga perlu diperhatikan secara seksama. Berikut ini

merupakan salah satu bentuk kegagalan komposit setelah diberi perlakuan uji:

Gambar 4.7 Foto makro sampel uji komposit polyester-kenaf dengan aditif

MMT 0% (%wt) setelah perlakuan suhu uji (dari kiri) 150o

C, 200o

C dan 250

oC.

Fiber pull out

Arang (char)


50/78

31

(a)Penampang patahan

(b)Letak patahan.


MMT 20% (%wt) setelah perlakuan suhu uji (dari kiri) 150 o

C, 200 o

C dan

250oC.

Fiber Pull Out

DelaminasiFiber pull out

Delaminasi


51/78

32

(a)Penampang patahan (dari kiri) pada suhu ruang, 50o

C, 100oC, 150

oC

(b) Bentukpatahan pada (dari kiri) 150oC, 200

oC dan 250

oC


MMT 40% (%wt) setelah perlakuan suhu uji termal-mekanis.

Kegagalan panas mengakibatkan laminate menjadi bentuk arang,

melunak dan degradasi pada matriks dan fiber organik, delaminasi dan

pecahnya matriks (Mouritz, dkk., 2006). Komposit saat pengujian termal-

mekanis pada penelitian ini umumnya mengalami pelunakan, degradasi

Fiber break

fiber pull out


52/78

33

matriks dan fiber organik, delaminasi serta pecahnya matrik saat dilakukannya

pengujian termal-mekanis. Kegagalan panas pada morfologi komposit

menyebabkan permukaannya menjadi arang setelah material dalam kondisi

dingin.


53/78

34

BAB 5. PENUTUP5.1 Kesimpulan

Dari pembahasan yang telah dilakukan, dapat diambil beberapa kesimpulan

sebagai berikut:

1. Penambahan montmorillonite meningkatkan kekuatan tarik komposit matrik

polyester dengan aditif partikel montmorillonite berpenguat serat kenaf (komposit

kenaf-polyester aditif MMT), meskipun pada fraksi 10%, 20% dan 30% kekuatannya

dibawah sampel kontrol.

2. Secara umum, semakin tinggi suhu yang dipaparkan pada komposit maka kekuatan

tarik komposit kenaf-polyester aditif MMT menurun secara drastis mulai 100o

C.

3. Daya tahan termal-mekanis terbaik pada komposit kenaf-polyester aditif MMT

ialah fraksi berat MMT 40% dengan ketahanan termal hingga suhu 100oC

4. Kondisi morfologi komposit kenaf-polyester aditif MMT setelah pengujian termal-

mekanis mulai mengalami kegagalan panas yang dapat ditunjukkan melalui gambar

seperti arang, melunak dan degradasi pada matriks dan fiber organik, delaminasi dan

pecahnya matriks saat pengujian tarik pada suhu di atas 100o

C.

5.2 Saran

Saran yang dapat diberikan dari penelitian ini adalah:

1. Perlu adanya penelitian lebih lanjut mengenai pengaruh sifat termal terhadap sifat

mekanis yang berbeda seperti kekuatan bending, kekuatan tekan, kekuatan impact.

2. Penelitian tentang komposit berbasis serat kenaf perlu dikembangkan mengingat

potensi produksi kenaf yang melimpah di sekitar kita.


54/78

35

DAFTAR PUSTAKA

Aji, I. S., S. M. Sapuan, E. S. Zainudin, dan K. Abdan. 2009. Kenaf Fibres as

Reinforcement for Polymeric Composite a Review. International Journal of

Mechanical and Materials Engineering (IJMME).4. 239-248.Dharminto. (2014). Metode Penelitian dan Penelitian Sampel. Retrieved 22 maret

2014, from http://eprints.undip.ac.id/5613/1/METODE_PENELITIAN_-

_dharminto.pdfDiharjo, K., R. Afandi, A. Purwanto, N. S. Suharty, S. J. A. Nasir, B. H. Jihad, et al.

2013. Hambatan Panas Komposit Serbuk Genteng Sokka Bermatrik

Bisphenolik LP-1Q-EX 1-6.

Diharjo, K., dan B. K. R. A. P. T. A. R. Andhika. 2013. Pengaruh Kandungan dan

Ukuran Serbuk Genteng Sokka terhadap Ketahanan Bakar KompositGeopolimer. Jurnal Rekayasa Mesin.4. 27-34.

Diharjo, K., dan Santoso. (2008, 22 November 2008). Pengaruh Orientasi Anyaman

dan Density Kenaf Acak Terhadap Kekuatan Tarik Bahan KompositBerpenguat Serat Kenaf Anyam dan Acak. Paper presented at the Prosiding

Seminar Nasional Teknoin, Yogyakarta.

Du, Y., J. Zhang, dan Y. A. Xue. 2008. Temperature-duration Effects on TensileProperties of Kenaf Bast Fiber Bundles. Forest Product Journal.58. 59-65.

Easby, R. C., S. Feih, C. Konstantis, G. L. Delfa, V. U. Miano, A. Elmughrabi, et al.

2007. Failure Model for Phenolic and Polyester Pultrusions Under Load in

Fire. Plastics, Rubber and Composites.36. 379-388.

Feih, S., Z. Mathys, A.G.Gibson, dan A.P.Mouritz. 2007. Modelling the Tension and

Compression Strengths of Polymer. Elsevier. 551-564.

Issac, Z. S. M. N. B. K. M. H. D. H. 2012. Composites Laminates Effect of FibreTypes Cold-pressed Kenaf and Fibreglass Hybrid. World of Academy

Science 71(Engineering and Science). 969-973.

Justus. (2011). YUKALAC Unsaturated Polyster Resin. Retrieved 15 maret, 2014Khalid, N. H. A., J. M. Yatim, dan W. A. W. A. Rahman. (2011).Temperature Effect

on Tensile Properties of Kenaf Bast Fiber.Paper presented at the Proceeding

of 10th International Annual Symposium, Permai Hotel Kuala Terengganu,Kuala Terengganu.

Kuroda, Y. X. S. K. K. H. T. K. S. 2009. Thermomechanical Properties of the

Silanized-Kenaf Polystyrene Composites. Express Polymer Letters. 3. 657-

664.Mashuri. 2007. Efek Termal dan Bahan Penggandeng (Coupling Agent) Silane

Terhadap Kestabilan Mekanik Bahan Komposit Poliester Dengan Pengisi

Partikulit SiC. Jurnal Sains Materi Indonesia.9. 40-45.

Mouritz, A. P., dan A. G. Gibson. (2006). Fire Properties of Polymer CompositeMaterials (Vol. 143,
http://eprints.undip.ac.id/5613/1/METODE_PENELITIAN_-_dharminto.pdfhttp://eprints.undip.ac.id/5613/1/METODE_PENELITIAN_-_dharminto.pdfhttp://eprints.undip.ac.id/5613/1/METODE_PENELITIAN_-_dharminto.pdfhttp://eprints.undip.ac.id/5613/1/METODE_PENELITIAN_-_dharminto.pdfhttp://eprints.undip.ac.id/5613/1/METODE_PENELITIAN_-_dharminto.pdf


55/78

36

Onggo, H., W. Subowo, dan Sudirman. (2005). Analisis Sifat Termal Komposit

Polypropylene Kenaf.Paper presented at the Prosiding Simposium Nasional

Polimer V.Osman, E., A. Vakhguelt, S. Mutasher, dan I. Sbaski. 2012. Effect of Water

Absorbtion on Tensile Properties of Kenaf Fiber Reinforced Unsaturated

Polyester Composite. Sunaree J.Sci Technol.20. 183-195.Pepper, T. (2012). Polyester Resins. Ashland Chemical Company.

Sreenivasan, S., S. Sulaiman, B. T. H. T. Baharudin, M. K. A. Ariffin, dan K. Abdan.

2012.Recent Developments of Kenaf Fiber Reinforced Thermoset CompositesA Review.

Tran Doang Hung, P. L., Dora Kroisova,Oleg Bortnovsky,Nguyen Thang Xiem.

(2011).New generation of geopolymer composite for fire resistance: InTech.

Wikipedia. (2014, 15 agustus 2014). Composite laminates. Retrieved 8 oktober,

2014, fromhttp://en.wikipedia.org/wiki/Composite_laminatesYousif, Z. N. A. B. F. (2013). Thermal Degradation Study of Kenaf Fibre-Epoxy

Composites Using Thermo Gravimetric Analysis. Paper presented at the 3rdMalaysian Postgraduate Conference (MPC2013).

Yunus, S. (2011). Komposit Proses, Fabrikasi dan Aplikasi Jember: Jember

University Press.
http://en.wikipedia.org/wiki/Composite_laminateshttp://en.wikipedia.org/wiki/Composite_laminateshttp://en.wikipedia.org/wiki/Composite_laminateshttp://en.wikipedia.org/wiki/Composite_laminates


56/78

37

LAMPIRAN

1. Tabel Data Hasil Pengujian Termal-Mekanis

Aditif

MMT

Serat

Kenaf

Anyam

(layer)

Temperatur

heaterData Primer tertinggi (kg) Kekuatan Tarik (MPa)

wt (%) (oC) Sampel 1 Sampel 2 Sampel 3 Sampel 1 Sampel 2 Sampel 3

0 1

suhu ruang 27 82 69 2.12 6.44 5.42

50 70 100 81 5.49 7.85 6.36

100 78 69 11 6.12 5.42 0.86

150 26 4 20 2.04 0.31 1.57

200 12 11 14 0.94 0.86 1.10

250 6 4 9 0.47 0.31 0.71

10 1

suhu ruang 53 39 29 4.16 3.06 2.28

50 53 33 85 4.16 2.59 6.67

100 57 69 52 4.47 5.42 4.08

150 11 13 18 0.86 1.02 1.41

200 19 7 9 1.49 0.55 0.71

250 5 4 9 0.39 0.31 0.71

20 1

suhu ruang 18 64 63 1.41 5.02 4.94

50 51 57 23 4.00 4.47 1.81

100 44 65 49 3.45 5.10 3.85

150 26 - 26 2.04 - 2.04

200 12 11 9 0.94 0.86 0.71

250 3 3 2 0.24 0.24 0.16

30 1

suhu ruang 17 72 69 1.33 5.65 5.42

50 61 53 69 4.79 4.16 5.42

100 55 54 51 4.32 4.24 4.00

150 29 29 12 2.28 2.28 0.94

200 10 9 9 0.78 0.71 0.71

250 10 6 4 0.78 0.47 0.31

40 1

suhu ruang 121 90 106 9.50 7.06 8.3250 97 44 29 7.61 3.45 2.28

100 22 42 80 1.73 3.30 6.28

150 6 17 24 0.47 1.33 1.88

200 10 4 6 0.78 0.31 0.47

250 5 9 5 0.39 0.71 0.39


57/78

38

2. Gambar Sampel Uji Keseluruhan

0% Aditif

MMT (% wt)

10% Aditif

MMT (% wt)

20% Aditif

MMT (%wt)

30% Aditif

MMT (% wt)

40% Aditif

MMT (% wt)

Suh

uruang

Suhu50oC


58/78

39

Suhu100oC

Suhu150oC

Suhu200oC


59/78

40

Suhu250oC

3. Perhitungan Kekuatan Tarik

Perhitungan kekuatan tarik pada tabel dengan keluaran data primer dengan

satuan kg. Untuk mendapatkan kekuatan tarik, keluaran data primer harus dikonversi

terlebih dahulu ke satuan Newton dengan perhitungan rumus sebagai berikut:

Fmax= m. g (3)

Dimana :

Fmax= Gaya tarik tertinggi (N)

m = gaya tarik pada komposit (kg)

g = konstanta percepatan gravitasi sebesar 9,81 m/s2.

Setelah didapatkan perhitungan gaya tarik maksimal, kekuatan tarik maksimal

didapatkan dari persamaan (1) berikut ini :

tu=Fmax/ A0 (Lihat halaman 12)

Contoh :

1) Diketahui keluaran data primer tertinggi pada komposit polyester-kenaf aditif

MMT fraksi berat 0% dengan sebesar 27 kg. Berapakah gaya tarik maksimal

(N) serta Kekuatan tarik yang akan didapatkan (MPa) ?Jawab :

1) tu=Fmax/ A0

= (m.g) / A0

= (27. 9,81 ) / 125 mm2


60/78

41

tu = 264,87 N/ 125 mm2

= 2,12 N/mm2

= 2,12 MPa

4. Tabel konversi mesh ke micron

US Sieve Series Opening (m) US Sieve Series Opening (m)

4

5

6

7

8

10

12

14

16

18

20

25

30

35

4760

40003360

28302380

200016801410

11901000841707595

500

40

4550

6070

80100120

140170200230270

325400

420

354297

250210

177149125

105

88746353

4437

Sumber :http://www.js-aoxin.com/en/shownews.asp?id=75(diakses 16 maret 2014)

5. Rasio Pencampuran Larutan Matriks per sampel

Bahan 0% wt 10% wt 20% wt 30% wt 40% wt

Resin (ml)

Hardener(ml)

MMT (gr)

32

0,32

-

45

0,45

5

40

0,4

10

35

0,35

15

36

0.36

24

Catatan = Untuk pembuatan sampel dengan jumlah yang lebih banyak tinggal

mengalikan saja dengan rasio diatas.
http://www.js-aoxin.com/en/shownews.asp?id=75http://www.js-aoxin.com/en/shownews.asp?id=75http://www.js-aoxin.com/en/shownews.asp?id=75http://www.js-aoxin.com/en/shownews.asp?id=75


61/78

42

6. Gambar bahan cetakan serta gambar teknik cetakan komposit


62/78

43


63/78

44

7. Gambar Bahan - bahan untuk membuat sampel uji


64/78

45

8. Gambar perangkat tambahan penting untuk pembuatan komposit


65/78

46

9. Gambar perangkat tambahan penting untuk proses pengujian


66/78

47

10. Standard ASTM D 3039


67/78

48


68/78

49


69/78

50


70/78

51


71/78

52


72/78

53


73/78

54


74/78

55


75/78

56


76/78

57


77/78

58


78/78

59

print skripsi thermal komposit september - q 80

Documents