Paryanto-pengaruh Orientasi Dan Fraksi Volume Serat Daun Nanas

Dinamika Teknik Mesin, Volume 2 No.1, Januari 2012 Paryanto, Nasmi, D.G.Pertama Putra: Pengaruh Orientasi dan Fraksi

28

PENGARUH ORIENTASI DAN FRAKSI VOLUME SERAT DAUN NANAS(ANANAS COMOSUS) TERHADAP KEKUATAN TARIK KOMPOSIT

POLYESTER TAK JENUH (UP)

Paryanto Dwi Setyawan*, Nasmi Herlina Sari*, Dewa Gede Pertama Putra* Dosen Jurusan Teknik Mesin Universitas Mataram NTB, Jl. Majapahit No. 62 Mataram

e-mail : [email protected]

Abstract

Composite manufacturing is done by hand lay-up method with a fiber volume fraction 10%, 20%,30%, and 40% with unidirectional and random short fiber orientation of pineapple leaves. Specimentesting is performed with a standard tensile strength test ASTM D3039. As a results is known that thetensile strength of composites increased with increasing fiber volume fraction for unidirectional fiberorientation, but rather to the random orientation of short fibers. Meanwhile, the composite tensile strainincreases with increasing fiber volume fraction for both the orientation of the fibers of pineapple leaves.

Keywords: pineapple fiber, volume fraction, fiber orientation, tensile strength.

1. PENDAHULUANSeiring dengan perkembangan teknologi

bahan, peran serat-serat alam mulai tergantikanoleh jenis bahan serat sintetis, seperti E-Glass,Kevlar-49, Carbon/Graphite, Silicone Carbide,Aluminium Oxide, dan Boron. Namun denganmunculnya issue permasalahan limbah non-organikserat sintesis yang semakin bertambah serta inovasiyang dilakukan dalam bidang material, serat alamkembali mendapat perhatian sebagai bahan penguatkomposit karena ramah lingkungan dan biayaproduksinya yang relatif lebih rendah.

Komposit merupakan salah satu jenisbahan yang dibuat dengan penggabungan dua ataulebih macam bahan yang mempunyai sifat berbedamenjadi satu material baru dengan sifat yangberbeda pula. Komposit mempunyai keunggulanseperti kuat, ringan, tahan korosi, ekonomis dansebagainya (Wicaksono, 2006).

Penggunaan serat daun nanas sebagaibahan komposit merupakan langkah yang tepatdidalam mengembangkan material komposit.Tumbuhan ini sangat luas penyebarannya, sehinggadapat ditemukan didaerah tropik dan daerahsubtropik serta daerah yang mempunyai keadaaniklim basah maupun kering.

Sulistijono (2008), di dalampenelitiannya mengenai analisa pengaruh fraksivolume serat kelapa pada komposit matrikspolyester terhadap kekuatan tarik, impact danbending menunjukkan bahwa serat kelapa yangdikombinasikan dengan polyester sebagai matriksakan dapat menghasilkan komposit alternative yangsalah satunya berguna sebagai duduk bantal mobil,papan/meja. Dengan memvariasikan fraksi volumeserat kelapa, diharapkan akan didapat kekuatantarik, impact dan bending komposit yang maksimaluntuk mendukung pemanfaatan kompositalternative.

Berdasarkan uraian diatas maka penulistertarik untuk meneliti kekuatan tarik kompositberpenguat serat daun nanas dengan penggunaanvariasi fraksi volume dan orientasi serat bermatrikunsaturated polyester. Tujuan penelitian ini adalahuntuk mengetahui pengaruh fraksi volume danorientasi serat daun nanas terhadap kekuatan tarikmaterial komposit bermatrik unsaturated polyester.

Serat yang digunakan adalah serat daunnanas lokal Gunungsari dengan arah serat searahdan serat pendek acak, dengan panjang rata-rataserat pendek acak adalah 1mm. Fraksi volume seratyang digunakan adalah 10%, 20%, 30%, 40%fraksi volume.

2. LANDASAN TEORI2.1. Komposit

Komposit merupakan sejumlah sistemmultifasa sifat gabungan, yaitu gabungan antarabahan matrik atau pengikat dengan penguat unsurutama. Bahan komposit menggabungkankeunggulan kekuatan dan kekakuan serat denganmassa jenis yang rendah. Serat berperan menahansebagian besar gaya-gaya yang bekerja pada bahankomposit. Matriks bertugas melindungi danmengikat serat agar dapat bekerja dengan baik.Matriks harus bisa meneruskan beban dari luar keserat. Hasilnya suatu bahan yang ringan tetapi kuatdan kaku (Surdia, 2000).

Secara umum, dikenal tiga kelompokkomposit, (Sari, 2009) yaitu:a. Fibrous Composites (Komposit Serat), yaitu

jenis komposit yang hanya terdiri dari satulapisan yang menggunakan penguat berupaserat/fiber.

b. Laminated Composites (Komposit Laminat),yaitu jenis komposit yang terdiri dari dua lapisatau lebih yang digabung menjadi satu dan


29

setiap lapisnya memiliki karakteristik sifatsendiri.

c. Particulate Composite (Komposit Partikel),yaitu komposit yang menggunakan partikelserbuk sebagai penguatnya dan terdistribusisecara merata dalam matriksnya.

Beberapa faktor yang mempengaruhiperforma Fiber-Matriks Composite antara lain:1. Jenis serat, serat digunakan untuk dapat

memperbaiki sifat dan strukur matrik, mampumenjadi bahan penguat matrik pada komposituntuk menahan gaya yang terjadi.

2. Orientasi serat, menentukan kekuatan mekanikkomposit yang mempengaruhi kinerja komposittersebut.

3. Panjang serat, sangat berpengaruh terhadapkekuatan dimana serat panjang lebih kuatdibandingkan serat pendek.

4. Bentuk serat, pada umumnya semakin kecildiameter serat akan menghasilkan kekuatankomposit yang semakin tinggi.

5. Jenis matrik, matrik berfungsi sebagai pengikatserat menjadi sebuah unit struktur, melindungidari perusakan eksternal, meneruskan ataumemindahkan beban eksternal pada bidanggeser antara serat dan matrik.

6. Ikatan serat-matrik, keberadaan void dalamkomposit akan mengurangi kekuatan komposityang disebabkan ikatan interfacial antara matrikdan serat yang kurang besar.

7. Katalis, digunakan untuk membantu prosespengeringan resin dan serat dalam komposit.

2.2. Resin Polyester Tak JenuhPerekat adalah zat yang mengikat dua

benda dengan pelekatan dan perekatan permukaan.Perekat terdiri dari perekat jenis dan perekatmekanis. Perekat jenis ini bersifat kimia dan tarikmenarik antara kedua benda. Perekat jenis ini dapatberupa ikatan kimia misalnya karet-logam.Sedangkan perekat mekanis merupakan gaya ikatanakibat saling taut. Bila perekat jenis merupakangaya aktif yang menyatukan bahan satu sama lain,serta efektif pada beban tarik, sedangkan perekatmekanis bersifat pasif dan tidak terlalu efektifkecuali dengan bantuan gaya luar (Hartomo, 1992).

Dikenal tiga jenis perekat, yaitu:a. Perekat Termoplastik. Perekat ini dapat dilebur,

dilarutkan, melunak bila dipanaskan, mengalamicreep bila dikenai beban. Perekat termoplastiktidak mengalami perubahan kimia saatterbentuknya ikatan.

b. Perekat Termoset. Terbentuknya ikatan padaperekat ini dibantu oleh panas, katalis ataugabungannya.

c. Perekat Campuran Resin Karet. Jenis inimempunyai sifat gabungan sifat komponennya.Resin termoset campuran karet baik untuk

perekat structural, pada logam atau benda kakulainnya.

Resin polyester tak jenuh merupakan jenismaterial polimer thermosetting. Matriks ini dapatmenghasilkan keserasian matrik-serat denganmengontrol faktor jenis dan jumlah komponen,katalis, waktu, dan suhu. Sifatnya tahan creep,sangay memadai sebagai perekat struktur berbebanberat, serta tahan kondisi panas tinggi, radiasi,kelembaban, dan bahan kimia (Hartomo, 1992).Sifat-sifat mekanik bahan matrik polimer dapatdilihat pada Tabel 1.

Tabel 1. Karakteristik bahan matrik Polymer.

Polymer E (Mpa) σ (Mpa) Use Temp(oC)

PC 2345 62 120Polyester 2415 76 125Phenolic 3100 62 160Epoxy 2480 83 145

Sumber: Hartomo, A.J., Rusdiarsono, A.,Hardianto, D., 1992

2.3. Nanas (Ananas Comosus)Tanaman nanas dapat tumbuh pada

keadaan iklim basah maupun kering, padaumumnya tanaman nanas ini toleran terhadapkekeringan serta memiliki kisaran curah hujan yangluas, yaitu sekitar 1000-1500 mm/tahun. Akantetapi nanas tidak toleran terhadap hujan saljukarena rendahnya suhu. Tanaman nanas dapattumbuh baik dengan cahaya matahari rata-rata 33%- 71% dari kelangsungan maksimumnya, denganangka tahunan rata-rata 2000 jam. Suhu yang sesuaiuntuk budidaya tanaman nanas adalah 23ºC - 32ºC,akan tetapi juga dapat hidup dilahan bersuhu rendahsampai 10ºC (Anonim, 2000). Bagian utama yangbernilai ekonomi penting dari tanaman nanas adalahbuahnya. Buah nanas selain dikonsumsi segar jugadiolah menjadi berbagai macam makanan danminuman, dan juga bermanfaat bagi kesehatantubuh.

2.4. Pengujian TarikKekuatan tarik adalah ketahanan suatu

bahan terhadap beban yang bekerja parallel padabahan yang menyebabkan bahan tersebut putustarik (Supardi, 1999). Pengujian tarik dilakukanterhadap spesimen uji yang standar. Pada bagiantengah dari batang uji merupakan bagian yangmenerima tegangan. Pada bagian ini diukur panjangbatang uji, yaitu bagian yang dianggap menerimapengaruh dari pembebanan, bagian inilah yangselalu diukur pada proses pengujian.

Data yang diperoleh dari mesin uji tarikbiasanya dinyatakan dengan grafik beban-pertambahan panjang (grafik P-ΔL). Grafik inimasih belum banyak gunanya karena hanyamenggambarkan kemampuan batang uji (bukan


30

kemampuan bahan) untuk menerima beban gaya.Untuk dapat digunakan menggambarkan sifat bahansecara umum, maka grafik P-ΔL harus dijadikangrafik lain yaitu suatu diagram tegangan-regangan(stress-strain diagram) kadang-kadang juga disebutdiagram tarik. Data yang diperoleh dari mesin tarikdinyatakan dalam grafik tegangan regangan (stress-strain) atau disebut juga diagram tarik.

AoF

................... (1)

ε=0

01

LLL

x100% ............. (2)

Dimana : σ = Engineering stress (Mpa)F = Beban tarik (N)A0 = Luas penampang awal (m2)ε = Engineering strain ( % )L1 = Panjang setelah dibebani (mm)L0 = Panjang mula-mula (mm)

3. METODE PENELITIANProses pengambilan serat daun nanas

dilakukan dengan cara menyerut daun denganmenggunakan alat penyerut yang sebelumnya telahdibersihkan dan dikeringkan. Serat kemudiandirendam dalam larutan NaOH dengan konsentrasi

4% volume selama 2 jam. Setelah serat selesaidirendam, kemudian serat dibilas menggunakan airaquades dan dikeringkan. Untuk serat pendek,setelah perlakuan alkali, selanjutnya seratdihaluskan dan diayak. Serat yang digunakanmempunyai ukuran ≤ 60 mesh.

Serat kemudian ditimbang dengan fraksivolume serat 10, 20, 30, 40 (% volume) dankemudian dimasukkan dalam cetakan dengan arahserat searah dan dilapisi dengan resin polyester takjenuh di bagian atas dan bawah permukaan serat.Sedangkan untuk derat pendek acak, serat dicampurdengan polyester tak jenuh dan diaduk sampaicampuran homogen dan dituangkan kedalamcetakan. Cetakan pengujian tarik menggunakankaca dengan ketebalan 6 mm dengan daerahpencetakan 125 x 90 mm, disesuaikan denganukuran spesimen pengujian.

Pengujian tarik dilakukan terhadapspesimen/batang uji dengan menggunakanUniversal Testing Machine (UTM). Pengujian tarikdilakukan sampai spesimen/batang uji putus. Padasaat pengujian gaya atau tegangan dan perubahanpanjang batang atau regangan dimonitoring dandisajikan dalam bentuk kurva tegangan-regangan.

Bentuk spesimen pengujian kekuatan tariksesuai dengan standar ASTM D 3039 dapat dilihatpada gambar 1.

20 mm 80 mm 20 mm 6mm

25 mm

4. HASIL DAN PEMBAHASANPengujian kekuatan tarik dilakukan dengan

tujuan untuk mengetahui sifat-sifat mekanik suatumaterial seperti kekuatan tarik, tegangan luluh danregangan yang terjadi. Pada penelitian ini, kekuatantarik dilakukan untuk mengetahui seberapa besarpengaruh fraksi volume dan orientasi serat terhadapkekuatan tarik spesimen. Pengujian kekuatan tarikdilakukan terhadap spesimen uji tarik sesuai denganstandar ASTM D3039. Kekuatan Tarik (tensilestrength) menunjukkan kemampuan bahan untukmenerima beban / tegangan saat rusak / patah untukkomposit, dinyatakan dengan kemampuanmaksimum sebelum putus.

Hasil pengujian kekuatan tarik kompositserat daun nanas dengan matrik polyester tak jenuhditunjukkan pada tabel 2.

Tabel 2. Data hasil uji tarik komposit.Fraksi Volume

Serat (%)Kekuatan Tarik (Mpa)

Serat searah Serat acak10 16.03 16.2420 23.19 14,3230 27.39 11,5040 33,57 8,12

Sumber : Data pengujian di Laboratorium Strukturdan Bahan Teknik Sipil Fakultas TeknikUniversitas Mataram

Grafik hubungan antara volume seratterhadap kekuatan tarik dapat dilihat pada gambar 2di bawah ini.

Gambar 1. Spesimen Uji Tarik ASTM D 3039


31

Gambar 2. Grafik hubungan volume serat daunnanas terhadap kekuatan tarik komposit.

Dari gambar 2, grafik hubungan antaravariasi fraksi volume serat daun nanas terhadapkekuatan tarik komposit diatas dilihat bahwavolume serat berpengaruh terhadap kekuatan tarikyang dihasilkan. Pada komposit dengan arah seratsearah ditunjukkan bahwa kekuatan tarik meningkatdengan semakin meningkatnya fraksi volume seratdaun nanas. Kekuatan tarik tertinggi terjadi padafraksi volume serat 40%, yaitu 33,57 Mpa ataumengalami kenaikan sebesar 109%.

Peningkatan kekuatan tarik ini dipengaruhioleh daya ikat antara serat dengan matriks yangsempurna serta penambahan volume fraksi seratdaun nanas pada komposit. Faktor lain yangmempengaruhi peningkatan kekuatan tarikkomposit adalah orientasi serat dalam komposittersebut.

Serat yang mempunyai orientasi seratsearah sesuai dengan panjang komposit sehinggaketika komposit diberikan gaya tarik maka matriksakan dapat menahan gaya tersebut dan diteruskanoleh serat sebelum akhirnya komposit tersebut akanputus/patah.

Dari gambar 2. juga dapat diketahuihubungan antara variasi fraksi volume serat pendekacak terhadap kekuatan tarik komposit. Kekuatantarik komposit dengan orientasi serat pendek acaksemakin menurun dengan semakin meningkatnyavolume fraksi serat pendek acak. Kekuatan tariktertinggi terjadi pada komposit serat daun nanasdengan volume serat 10% yaitu sebesar 16,24 Mpa.

Penurunan kekuatan tarik komposit seratpendek acak ini disebabkan oleh tidak sempurnanyaikatan antara serat dan matriks seiring denganpenambahan volume serat pada komposit sehinggamenimbulkan banyaknya void. Selain itu orientasiserat yang acak tidak mampu secara optimummenahan gaya yang diberikan pada arah dimanagaya bekerja.

Hasil pengujian regangan tarik kompositserat daun nanas dengan matrik polyester tak jenuhditunjukkan pada tabel 3.

Tabel 3. Hasil regangan tarik komposit.Fraksi Volume

Serat (%)Regangan Tarik (%)

Serat searah Serat Acak10 7,38 12,1320 8,73 13,2030 10,18 13,4740 10,48 14,18

Sumber : Data pengujian di Laboratorium Strukturdan Bahan Teknik Sipil Fakultas TeknikUniversitas Mataram

Grafik hubungan antara fraksi volumeserat terhadap regangan dapat dilihat pada gambar3. Pada gambar 3 tersebut dapat diketahui bahwaregangan tarik komposit meningkat denganmeningkatnya fraksi volume serat. Hal inidisebabkan karena serat nanas mempunyai nilairegangan tarik yang lebih tinggi dibandingkandengan matriks polyester tak jenuh. Selain itu dapatdiketahui juga bahwa regangan tarik komposit seratpendek acak lebih tinggi dibandingkan dengankomposit serat searah. Regangan tarik tertinggiterdapat pada komposit serat pendek acak denganfraksi volume 40% yaitu sebesar 14,18% danregangan tarik terkecil terdapat pada komposit seratsearah dengan fraksi volume 10% yaitu sebesar7,38%.

Gambar 3. Grafik hubungan antara volume seratdaun nanas terhadap regangan tarik komposit.

5. KESIMPULAN DAN SARAN5.1. Kesimpulan

Berdasarkan pengujian tarik terhadapkomposit dapat disimpulkan bahwa :a. Kekuatan tarik komposit serat daun nanas

dengan orientasi serat searah meningkat dengansemakin meningkatnya fraksi volume serat,namun hal ini terjadi sebaliknya pada komposit


32

serat daun nanas dengan orientasi serat pendekacak.

b. Regangan tarik komposit serat daun nanasdengan orientasi serat searah dan serat pendekacak meningkat dengan semakin meningkatnyafraksi volume serat. Regangan tarik kompositserat daun nanas dengan orientasi serat pendekacak lebih tinggi dibandingkan dengan orientasiserat searah.

5.2. SaranBerdasarkan penelitian yang telah

dilakukan maka dapat diberikan saran untukpenelitian berikutnya adalah sebagai berikut:a. Proses pembuatan komposit harus benar-

benar diperhatikan dan sesuai dengan prosedur

yang ada guna mendapatkan komposit dengankualitas dan kekuatan yang tinggi.

b. Proses penekanan pada saat pencetakanharus dilakukan secara merata agar cetakanterisi dengan resin secara menyeluruh untukmengurangi terjadinya void.

6. UCAPAN TERIMA KASIHTerima kasih yang sebesar-besarnya kami

ucapkan kepada saudara Dewa Gede Pertama Putra,alumni TEKNIK Mesin UNRAM sebagai anggotateam work dalam penelitian ini. Terima kasih atassegala bantuan dan sumbangsihnya.

7. DAFTAR PUSTAKA

Anonim, 2000, Nanas (Ananas Comosus)http://www.ristek.go.id

Bismarck, A., Askargorta, I.A., Lamphe, T.,Wielaye, B., Stamboulis, A.,Skenderovich, I., Limbach, H.H., 2002,Surface Characterization of Flax, Hempand Cellulose Fibres: Surface Propertiesand the Water Uptake Behavior, JournalPolymer Composite Vol 23, no. 5.

Eichorn, S.J., Zafeiropoulus, C.A.B.N., AnselL.Y.M.M.P., Entwistle, K.M.,Escamillia, P.J.H.F.G.C., Groom, L.,Hill, M.H.C., Rials, T.G., dan Wild,P.M., 2001. Review CurrentInternational Research into CellulosicFibres and Composites, Journal ofPolymer, Volume 37, No 24, GretBrittain.

Feldman. D., dan Hatomo, J.A., 1995, BahanPolimer Konstruksi Bangunan,Gramedia Pustaka Utama.

Gibson, F.R., 1994, Principle of CompositeMaterial Mechanis, InternationalEdition, McGraw-Hill Inc, New York.

Hartomo,A.J., Rusdiarsono, A., Hardianto, D.,1992, Memahami Polimer dan Perekat,Andi Offset. Yogyakarta.

Sari, N.H., 2009. Polymer and Composite, DiktatKuliah, Jurusan Teknik Mesin FakultasTeknik Universitas Mataram, Mataram.

Schwartz, M.M., 1984, Composite MaterialsHandbook, McGraw-Hill Book Co.,New York.

Sulistijono, 2008, Analisa Pengaruh FraksiVolume Serat Kelapa Pada KompositMatriks Polyester Terhadap KekuatanTarik, Impact Dan Bending,JurnalTeknik Mesin, ITS, Surabaya.

Supardi, Edi, 1999, Pengujian Logam, Angkasa

Bandung, Bandung.Surdia,T., 2000, Pengetahuan Bahan Teknik,

Jakarta: Pradnya Paramita.Wicaksono, Arif, 2006, Karakterisasi Kekuatan

Bending Komposit BerpenguatKombinasi Serat Kenaf Acak danAnyam, Tugas Akhir, Jurusan TeknikMesin Fakultas Teknik UniversitasNegeri Malang, Malang.

Documents

Paryanto-pengaruh Orientasi Dan Fraksi Volume Serat Daun Nanas