10 karakteristik sifat mekanik komposit serat bambu resin polyester tak jenuh dengan filler partikel...

Dinamika Teknik Mesin, Volume 6 No. 1 Juni 2016 Budiman, Sugiman: Karakteristik sifat mekanik kompositp. ISSN: 2088-088X, e. ISSN: 2502-1729 serat bambu resin polyester tak jenuh dengan partikel

76

KARAKTERISTIK SIFAT MEKANIK KOMPOSIT SERAT BAMBU RESINPOLYESTER TAK JENUH DENGAN FILLER PARTIKEL SEKAM

Agus Budiman, Sugiman*Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Mataram

Jl. Majapahit No. 62 Mataram Nusa Tenggara Barat, Kode Pos : 83125*Email: [email protected]

ABSTRACTThis paper presents the effect of volume fraction of rice husks on the mechanical

properties of bamboo fiber/unsaturated polyester composites. The composite specimens weremade from bamboo fiber with fixed volume fraction of 40% and rice husk particle as filler withvolume fractions varied 0%, 10%, 20% and 30%. Matrix used was unsaturated polyester resin.Bamboo fibers and rice husk were surface treated using alkali solution 4% (by weight) for 2hours. The manufacturing process of composite was using hand layup method. The specimenswere tested in tension, bending and in impact loading. The results show that the addition of ricehusk particles up to volume fraction of 20% does not result in a decrease of tensile strength, butafter a volume fraction of 20%, the tensile strength tends to decrease. In bending test, the ricehusk volume fraction up to 20% increase the bending strength, but after that then it tends todecrease. However the bending modulus seems unaffected by the volume fraction of rice husk.Similar to the bending modulus, the impact strength is not significantly affected by the volumefraction of rice husk.

Keywords: bamboo fiber, rice husk particles, polyester, volume fraction.

PENDAHULUANBambu merupakan tanaman yang

cepat tumbuh dan mampu menyerapkarbondioksida di udara. Bambu dapatdipanen 3-4 tahun (Amada et al., 1997).Bambu dapat digunakan untuk material teknikbaik dalam kondisi utuh, bentuk strip danserat (Nayak and Mishra, 2016). Serat bambuterdiri dari cellulose, hemicellulose dan lignin.Kandungan celulose dan hemicelulosa dalambentuk holocelulosa dapat lebih dari 50%(Jain et al., 1992). Serat bambu secaramekanik mempunyai kekuatan tarik yangtinggi (140-800 MPa), dan modulus elastisitasyang tinggi (33 GPa) dengan densitas yangrendah 0,6 – 0,8 g/cm3 (Defoirdt et al., 2010).Sehingga kekuatan jenis dan modulus elastisjenis serat bambu sangat tinggi dansebanding dengan serat glass.

Untuk menghasilkan komposit seratbambu yang baik, kadungan lignin dalamserat bambu harus dihilangkan karenamenghasilkan ikatan antara serat dan matrikyang buruk. Literatur telah melaporkanbeberapa metode perlakuan permukaan seratbambu, baik dengan larutan alkali, kombinasilarutan alkali, acetalisasi dan silanisasi (Lee etal., 2009; Chen et al., 2011) dan kombinasilarutan alkali, plasma dan ultraviolet (Ma etal., 2011), dan metode hidrotermal (Qian etal., 2015). Dari beberapa metode tersebut,metode perlakuan alkali pada konsentrasirendah 4 - 6% selama 2 jam menghasilkanikatan serat/matrik yang baik, dengan teknik

yang sederhana dan relatif murah (Kumar etal., 2012).

Hibridisasi komposit merupakan usahauntuk meningkatkan sifat tertentu materialkomposit, seperti kekakuan dan kekuatanimpaknya. Hibridisasi dapat dengan filler baikorganik dan anorganik. Untuk filler organik,limbah pertanian seperti sekam padimempunyai sumber yag melimpah danmempunyai kandungan silika yang cukuptinggi (96%) (Ismail et al., 1999). Literaturemelaporkan penggunaan sekam padi sebagaipengisi karet (Ismail et al., 1999), semen(Jauberthie et al., 2003), dan polipropilen(Siriwardena et al., 2001). Penggunaansekam padi untuk filler komposit serat bambumasih jarang dilaporkan (sejauhsepengetahuan penulis). Tujuan paper iniadalah untuk mengetahui pengaruh fraksivolume serbuk sekam padi pada kompositserat bambu/polyester tak jenuh. Beberapapengujian yang dilakukan adalah pengujiantarik, pengujian bending dan pengujian impak.

METODELOGI PENELITIANMaterial

Adapun material yang digunakan dalampenelitian ini adalah serat bambu denganpanjang serat 25 mm. Serbuk sekam padidengan ukuran lolos ayakan (saringan) 40mesh. Larutan NaOH dengan konsentrasi 4%(berat). Sedangkan sebagai matrik adalahresin polyester tak jenuh, Yucalak 157 BQTN,


77

Fraksi volume sekam (%)

Keku

atan

tarik

(MPa

)

Stre

ss (M

Pa)

Displacement (mm)

(a) (b)

Gambar 1. (a) Tipikal grafik stress-displacement, (b) Grafik hubungan kekuatantarikkomposit serat bambu polyester sekam padi

dengan katalis metil eter keton peroksida(MEKPO).

Persiapan SpesimenPerlakuan permukaan untuk serat

bambu dan sekam masing-masing dilakukandengan merendamnya (dalam tempat terpiah)dengan larutan NaOH fraksi volume 4%(berat) selama 2 jam pada suhu 29oC. Setelahperendaman, serat dan sekam dibilas denganair sampai bersih (tidak berlendir), dankemudian dikeringkan.

Sebelum resin dan serat dicetak, padacetakan diolesi dengan kit black magic(sebagai release agent) untuk memudahkanpengambilan spesimen dari cetakankemudian dibiarkan kering. Setelah itu, resindan katalis dicampur dengan perbandingan100:1 (berat) dalam gelas pencampur dandiaduk sampai homogen. Serat dan sekamdimasukan dalam ember sesuai fraksi volumemasing-masing dan diaduk agar campuran

merata. Resin dituangkan ke dalam cetaknyang telah berisi dengan serat dan sekam.Campuran serat, sekam dan resin kemduiandipress dengn plat baja selama 2 jam padasuhu kamar. Fraksi volume serat bambudibuat tetap sebesar 40%, sedangkan fraksivolume sekam padi bervariasi; 0, 10%, 20%dan 30%.

Pengujian MekanikPengujian mekanik terdiri dari tiga

pengujian yaitu uji tarik, uji bending dan ujiimpak. Spesimen uji tarik mengikuti standarASTM D3039, spesimen uji bending mengikutistandar ASTM D790, dan spesimen uji impak

mengikuti standar ASTM D256. Pengujiantarik menggunakan alat uji tarik universaltesting machine merk Control type (C0820/C)dengan kapasitas 2000 kN. Pengujianbending menggunakan alat uji bending merkCBR Tester, sedangkan pengujian impakmenggunakan alat uji impak type RMUTesting Equipment Serial A052. Uji scanningelektrom microscope (SEM) dilakukan padapermukaan patahan specimen uji tarikmenggunakan alat SEM type Zeiss EVO MA10.

HASIL DAN PEMBAHASANKekuatan tarik

Gambar 1(a) menunjukkan tipikal kurvastress-displacement hasil pengujian tarikkomposit serat bambu-sekam padi/polyestertak jenuh. Terlihat kemiringan kurva daerahlinier cenderung meningkat denganbertambahnya fraksi volume sekam padi darifraksi volume 10%-30%. Hal ini menunjukkan

bahwa pada rentang fraksi volume tersebut,meningkatnya fraksi volume sekam padicenderung meningkatkan kekakuan komposit.Namun kemiringan (kekakuan) kurva stress-displacement untuk komposit tanpa sekamjustru sama dengan pada fraksi volume 30%.Hal ini disebabkan mungkin pada fraksivolume 10%-30%, kekakuan disumbangkanoleh peningkatan kekakuan matriks akibatpenambahan material sekam, sedangkanpada tanpa sekam ikatan antara serat bambudengan matriks lebih baik dari penambahanmaterial sekam sehingga menghasilkankekakuan yang tinggi pula.


78

dcba

a

b

c

d

Gambar 2. Foto kegagalan spesimen uji tarik komposit serat bambu polyester untuk fraksivolume sekam padi (a) 0%, (b) 10%, (c) 20% and (30%). Perbesaran gambar 50x

(a)

Partikel sekamSerat bambu

(b)

Gambar 3. Foto SEM permukaan patah uji tarik komposit serat bambu/polyester (a) tanpasekam, (b) dengan filler sekam padi pada fraksi volume 20%.

Gambar 1(b) menunjukkan kekuatankomposit serat bambu-sekam padi/polyestertak jenuh dengan fraksi volume. Terlihatbahwa kekuatan tarik cenderung konstansampai fraksi volume sekam 20% dan

kemudian cenderung menurun setelah fraksivolume tersebut. Penurunan yang terjadipada kekuatan tarik komposit serat bambutersebut mungkin disebabkan oleh kandunganpartikel sekam yang ada mampu menghalangi

resin untuk berikatan secara sempurnadengan serat bambu.

Gambar 2 menunjukkan foto kompositserat bambu polyester dengan filler partikelsekam padi yang telah diuji tarik. Patahan dari

setiap spesimen berbeda-beda, yang mungkindisebabkan oleh penambahan filler sekampadi. Untuk spesimen dengan fraksi volumesekam 0% bentuk patahannya terlihat sedikitserabut serat yang memanjang padapermukaan patahan. Hal ini terjadi karena


79


(b) (c)

Kek

uata

nta

rik(M

Pa)

(a)M

oduu

sbe

ndin

g (G

Pa)


Beb

an(k

N)

Displacement (mm)

Gambar 4. (a) Kurva beban-displacement (b) kekuatan bending, (c) Modulus bendingkomposit serat bambu polyester sekam padi

serat dan resin mampu berikatan denganbaik. Berbeda dengan fraksi volume 10%,20% dan 30% sekam bentuk patahannyaterlihat banyak serabut serat yang pendekpada permukaan patahan. Hal ini disebabkankarena serat dan resin tidak mampu berikatandengan baik karena adanya partikel sekamyang menghalanginya sehingga bentukpatahan kelihatan serat tercabut antarapermukaan yang satu dengan yang lainnya,seperti terlihat pada gambar 3.

Kekuatan BendingGambar 4(a) menunjukkan tipikal kurva

beban-displacement komposit serat bambudengan filler partikel sekam akibat bebanbending. Sebagian besar kurva menunjukkanadanya daerah elastis dan daerah plastis.

Deformasi plastis mendominasi kurva beban-displacement untuk semua fraksi volumesekam. Terlihat juga bahwa kompositlangsung patah setelah beban puncaktercapai. Sedang pada gambar 4(b) terlihatbahwa kekuatan bending cenderung naiksampai fraksi volume 20% sekam, kemudiancenderung menurun setelah fraksi volume itu.

Hal ini menunjukkan bahwa pengaruh fillerefektif sampai fraksi volume 20%, setelah itukarena kemungkinan filler menghalangi ikatanserat bambu dengan polyester, sehinggamenyebabkan penurunan kekuatan bending.

Pada gambar 4(c) terlihat hamburandata sehingga pengaruh fraksi volumeterhadap modulus bending tidak signifikan.Efek filler bersifat meningkatkan kekakuanmatrik, tetapi jika semakin banyak dapatmenghalangi ikatan serat dan matrik,sehingga efeknya menjadi negatif. Kompetisiefek positif peningkatan kekakuan matrik danefek negatif mengurangi ikatan serat denganmatrik kemungkinan sampai fraksi volume30% masih berimbang, sehinggamenyebabkan modulus bending yang hampirkonstan.

Gambar 5 menunjukkan kondisispesimen setelah pengujian bending. Untukfraksi volume sekam 0%, terjadi retakan padabagian bawah spesimen dan kemudianmenjalar ke atas tetapi tidak tegak lurusketebalan spesimen. Hal ini terjadi juga padaspesimen dengan fraksi volume sekam 10%,tetapi beban puncak lebih rendah daripada


80

patah patah patah patah

(a) (b) (c) (d)

(a)

(b)

(c)

(d)

Gambar 5. Foto kegagalan spesimen uji bending komposit serat bambu polyester untukfraksi volume sekam padi (a) 0%, (b) 10%, (c) 20% and (30%). Perbesaran gambar 50x

Keku

atan

impa

k(M

Pa)


Gambar 6. Hubungan kekuatan impak komposit serat bambu polyester sekam paditerhadap fraksi volume sekam

spesimen fraksi volume sekam 0%. Haltersebut kemungkinan besar disebabkanketebalan spesimen yang lebih rendahsehingga nilai inersianya lebih rendahdibanding fraksi volume sekam 0%.Sementara untuk fraksi volume sekam 20%

dan 30%, terjadi retakan dari bawah dankemudian merambat hampir tegak lurusketebalan spesimen. Hal ini menunjukkanbahwa material nampak lebih getas atau

karena lemahnya ikatan antar serat danmatrik. Pada fraksi volume sekam 30%,terlihat terjadi fiber pulled out pada patahandan sebagai jembatan retak patahanspesimen.

Kekuatan ImpakGambar 6 menunjukkan grafik

kekuatan impak dengan fraksi volume sekampadi komposit serat bambu/polyester tak


81

(a)

(b)

(c)

(d)

(a) (b) (c) (d)

Gambar 7. Foto kegagalan spesimen uji impak komposit serat bambu polyester untukfraksi volume sekam padi (a) 0%, (b) 10%, (c) 20% and (30%). Perbesaran gambar 50x

jenuh. Terlihat bahwa terjadi hamburan datayang besar untuk semua fraksi volumesekam, sehingga pengaruh fraksi volumesekam cenderung tidak signifikan padakekuatan impak.

Pada gambar 7 menunjukkan bahwa,komposit serat bambu dengan filler partikelsekam mempunyai patahan yang hampirsama yaitu patah di bagian tengah dancenderung bersifat getas. Spesimen secarakeseluruhan mengalami patah getas di bagianyang dikenakan beban impak. Pada beberapahasil pengujian impak didapatkan bahwa

kegagalan tidak selalu terjadi pada daerahyang secara langsung terkena tumbukan,melainkan pada bagian lain yang mengalamicacat.

KESIMPULANInvestigasi tentang pengaruh fraksi

volume sekam padi pada sifat mekanikkomposit serat bambu-sekam padi/polyestertak jenuh telah dilakukan. Kekuatan tarikcenderung konstan dengan meningkatnyafraksi volume sekam padi sampai 20%, tetapisetelah itu menunjukkan penurunan. Jeniskegagalan yang terjadi pada spesimen ujitarik yaitu patah getas. Kekuatan bendingcenderung meningkat dengan meningkatnyafraksi volume sekam padi sampai 20%,namun setelah itu kemudian cenderung

menurun. Fraksi volume sekam padi tidakberpengaruh singifikan pada modulusbending. Meningkatnya fraksi volume sekampadi juga tidak menunjukkan pengaruh yangsignifikan pada kekuatan impak.

DAFTAR PUSTAKAAmada S., Ichikawa Y., Munekata T., Nagase

Y., Shimizu K., (1997), Fiber texture andmechanical graded structure of bambu.Composites Part B 28, pp. 13–20.

Chen H., Miao M., Ding X., (2011), Chemicaltreatments of bamboo to modify its

moisture absorption and adhesion tovinyl ester resin in humid environment,Journal of Composite Materials 45(14),1533–1542.

Defoirdt N., Biswas S., De Vriese L., TranL.Q.N., Van Acker J., Ahsan Q.,Gorbatikh L., Van Vuure A., Verpoest I.,2010, Assessment of the tensileproperties of coir, bambu and jute fibre,Composites: Part A 41, pp. 588–595.

Ismail H., Nasaruddin M.N., Ishiaku U.S.,1999, White rice husk ash filled naturalrubber compounds: the effect ofmultifunctional additive and silanecoupling agents. Polymer Testing 18,287–298.

Jain S., Kumaru R., Jindal U.C., 1992,Mechanical behaviour of bambu and


82

Bambu composite, Journal of MaterialsScience 27, 4598-4604.

Jauberthie R., Rendell F., Tamba S., CisseI.K., 2003, Properties of cement—ricehusk mixture Frank Construction andBuilding Materials 17, 239–243.

Kang J.T., Park S.H., Kim S.H., 2014,Improvement in the adhesion of bambufiber reinforced polylactide composites,Journal of Composite Materials 48(21),2567–2577.

Kumar V., Kumar R., 2012, Dielectric andmechanical properties of alkali- andsilane-treated bambu-epoxynanocomposites. Journal of CompositeMaterials 46(24), 3089–3101.

Lee S.Y., Chun S.J., Doh G.H., Kang I.A.,Lee S., Paik K.H., 2009, Influence ofchemical modification and filler loadingon fundamental properties of bambufibers reinforced polypropylenecomposites Journal of CompositeMaterials 43(15), 1639-1657.

Ma H., Joo C.W., 2011, Influence of surfacetreatments on structural andmechanical properties of bambu fiber-reinforced poly(lactic acid)biocomposites, Journal of CompositeMaterials 45(23), 2455–2463.

Nayak L., Mishra S.P., 2016, Prospect ofbambu as a renewable textile fiber,historical overview, labeling,controversies and regulation, Fashionand Textiles 3(2), 1-23.

Qian S., Wang H., Zarei E., Sheng K., 2015,Effect of hydrothermal pretreatment onthe properties of moso bambu particlesreinforced polyvinyl chloridecomposites. Composites Part B 82, 23-29.

Siriwardena S., Ismail H., Ishiaku U.S., 2001,Effect of mixing sequence in thepreparation of white rice husk ash filledpolypropylene/ethylene–propylene–diene monomer blend, Polymer Testing20, 105–113.

10 karakteristik sifat mekanik komposit serat bambu resin polyester tak jenuh dengan filler partikel...

Engineering