perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
PENGARUH KECEPATAN PUTARAN PENGADUK TERHADAP KARAKTERISTIK MEKANIK
EPOXY - ORGANOCLAY MONTMORILLONITE NANOKOMPOSIT
SKRIPSI
Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Teknik
Oleh :
SUPARDI NIM. I1407033
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA 2012
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user v
PENGARUH KECEPATAN PUTARAN PENGADUK TERHADAP KARAKTERISTIK MEKANIK
EPOXY - ORGANOCLAY MONTMORILLONITE NANOKOMPOSIT
Supardi
Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret
Surakarta, Indonesia E-mail : [email protected]
Intisari
Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui karakteristik komposit epoxy-
montmorillonite berupa, kekuatan tarik, fracture toughness dengan adanya variasi kecepatan putaran pengaduk.
Bahan utama yang digunakan adalah resin epoxy jenis bisphenol A dengan hardener versamide 140 dan organoclay montmorillonite nanomer I.30E. Pembuatan spesimen menggunakan metode hot mixing, dengan variasi kecepatan putaran pengaduk yang digunakan adalah 150, 250, 350, 450 rpm. Proses pencampuran dilakukan selama 3 jam pada suhu 75 °C dengan fraksi berat montmorillonite 2%. Pengujian kekuatan tarik mengacu pada ASTM D638, sedangkan pengujian kekuatan fracture toughness mengacu pada ASTM D5045. Pada penelitian ini juga dilakukan pengamatan permukaan patah hasil uji tarik dengan SEM (scanning electron micrograph).
Hasil penelitian menunjukkan nilai kekuatan tarik dan fracture toughness meningkat secara berturut-turut seiring bertambahnya kecepatan putaran pengaduk hingga pada kecepatan 350 rpm sebesar 19,18% dan 25,18%. Kekuatan kemudian turun pada kecepatan 450 rpm sebesar 7,39% dan 10,69% untuk kekuatan tarik dan fracture toughness.
Kata Kunci: Komposit epoxy-montmorillonite, kekuatan tarik, fracture toughness, kecepatan putaran pengaduk.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
vii
KATA PENGANTAR
Puji syukur kehadirat Allah SWT atas berkat rahmat, hidayah dan inayah-
Nyalah serta penulis dapat menyelesaikan skripsi ini. Adapun tujuan penulisan
skripsi ini adalah untuk memenuhi sebagian persyaratan guna mencapai gelar
sarjana teknik di Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas
Maret Surakarta.
Penulis menghaturkan terima kasih yang sangat mendalam kepada semua
pihak yang telah berpartisipasi dalam penelitian dan penulisan skripsi ini,
khususnya kepada :
1. Kedua Orang tuaku tercinta Bapak Samiran Prapto Sudarmo dan Ibu
Sumilah, kakak-kakakku Hari kusumawan, Sugiarto, Tri gunarsih dan Fitri
yuniarsih terimakasih atas do’a, kasih sayang, semangat dan dukungan baik
secara moral maupun materiil hingga terselesaikannya studi S1 saya.
2. Bapak Didik Djoko Susilo, S.T., M.T., selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin
Universitas Sebelas Maret Surakarta.
3. Bapak Rendy Adhi Rachmanto, S.T., M.T., dan Bapak Tri Istanto, S.T., M.T.,
selaku pembimbing akademik yang selama ini telah membantu dan
memperjuangkan dalam kelancaran kegiatan akademik.
4. Bapak Ir. Wijang R, M.T., selaku Dosen Pembimbing skripsi I yang dengan
sabar dan tulus ikhlas telah membantu serta membimbing dalam penyusunan
skripsi.
5. Bapak Heru Sukanto, S.T., M.T., selaku Dosen Pembimbing skripsi II yang
dengan sabar membimbing dan memberikan solusi dalam penyusunan skripsi.
6. Bapak Didik Djoko Susilo, S.T., M.T., Bapak Purwadi Joko Widodo, S.T.,
M.Kom., dan Bapak Wahyu Purwo R, S.T., M.T., sebagai tim penguji yang
telah memberikan masukan-masukan dan ilmu yang berharga.
7. Seluruh Dosen beserta Staf di Jurusan Teknik Mesin UNS, yang telah turut
mendidik dan membuka wacana keilmuan serta membantu penulis hingga
menyelesaikan studi S1 Teknik Mesin.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
viii
8. Teman seperjuangan skripsi Dhidhit Wahyu Widyatmaja dan Aji Pramujo
yang telah banyak memberikan dukungan serta semangat hingga
terselesaikannya skripsi ini.
9. Teman-teman Teknik Mesin Fakultas Teknik Non Reguler UNS angkatan
2007 (Eko Sri Wahyudi, Khamdan Mujadi, Iva Irawan, Heri Saputro, Frans
Sukma, Apriyan Triyasmoko Eko Yulianto, Agus Sunanto, Dany Pradipta
yang dengan ikhlas memberi “rumah kedua” untuk singgah selama kuliah,
Hery Kusbandriyo, Mahalevi Balamukti, Diky Prasetya P, Willy Saputra, Tri
Haryono, Purwoto Utomo, Fandi Danar P, Tri Prastyo, Pradiptra Fajar Y,
Wisnu Adi PJ, Triono Karso,) dan semua tanpa terkecuali yang telah
memberikan dukungan sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi.
10. Elisa Mursriyani yang selalu sabar dan tak henti-hentinya memberi motifasi
dan semangat untuk terus tetap berjuang hingga terselesaikannya studi S1
saya. Terimakasih banyak. “yang baik pasti akan mendapatkan yang terbaik”
Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan skripsi ini masih jauh dari
sempurna, maka kritik dan saran penulis harapkan untuk kesempurnaan skripsi
ini.
Akhirnya penulis berharap semoga skripsi ini dapat berguna bagi ilmu
pengetahuan dan kita semua, Amin.
Surakarta, Juli 2012
Penulis
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
ix
DAFTAR ISI
INTISARI ................................................................................................................ v
ABSTRACT .............................................................................................................. vi
KATA PENGANTAR ............................................................................................. vii
DAFTAR ISI ........................................................................................................... ix
DAFTAR TABEL ................................................................................................... xi
DAFTAR GAMBAR .............................................................................................. xii
BAB I. PENDAHULUAN ...................................................................................... 1
1.1. Latar Belakang ...................................................................................... 1
1.2. Perumusan Masalah .............................................................................. 2
1.3. Batasan Masalah ................................................................................... 3
1.4. Tujuan dan Manfaat Penelitian............................................................... 3
1.5. Sistematika Penulisan ........................................................................... 3
BAB II. DASAR TEORI .......................................................................................... 5
2.1. Tinjauan Pustaka ................................................................................... 5
2.2. Teori Tentang Komposit........................................................................ 6
2.2.1. Klasifikasi Material dan Pembentuk Komposit............................ 6
2.3. Nanokomposit Epoxy-Organoclay montmorillonite (OMMT).............. 7
2.3.1. Resin Epoxy.................................................................................. 7
2.3.2. Organoclay montmorillonite (OMMT)......................................... 8
2.3.3. Pencampuran Epoxy-Organoclay montmorillonite (OMMT)....... 9
2.3.4. Post Curing.................................................................................... 11
2.4. Pengujian Spesimen................................................................................ 11
2.4.1. Pengujian Kekuatan Tarik............................................................. 11
2.4.2. Pengujian fracture toughnes)........................................................ 12
2.5. SEM (Scanning Electron Microscopy).......................................... 12
BAB III. METODE PENELITIAN .......................................................................... 13
3.1. Tempat Penelitian .................................................................................. 13
3.2. Bahan Penelitian..................................................................................... 13
3.3. Alat Penelitian........................................................................................ 13
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
x
3.4. Alat Uji................................................................................................... 15
3.5. Parameter................................................................................................ 15
3.6. Langkah Kerja Penelitian ...................................................................... 16
3.6.1. Pengeringan Organoclay Montmorillonite.................................... 16
3.6.2. Pembuatan cetakan....................................................................... 16
3.6.3. Proses Mixing................................................................................ 17
3.6.4. Pengecekan kehomogenan campuran............................................ 18
3.6.5. Pencetakan spesimen..................................................................... 18
3.6.6. Post Curing................................................................................... 18
3.6.7. Tahap pengujian............................................................................ 19
3.6.7.1. Pengujian kekuatan tarik.................................................. 19
3.6.7.2. Pengujian Fracture Toughness........................................ 19
3.6.8. Foto SEM (Scanning Electron Microscopy)................................. 20
3.7. Diagram Alir Penelitian ..........................................................................21
BAB IV. HASIL DAN ANALISA .......................................................................... 22
4.1. Pengaruh Kecepatan Putaran Terhadap Kekuatan Tarik.................... 22
4.3. Pengaruh Kecepatan Putaran Terhadap Fracture Toughness................. 24
BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN ................................................................. 26
5.1. Kesimpulan ............................................................................................ 26
5.2. Saran ..................................................................................................... 26
DAFTAR PUSTAKA .............................................................................................. 27
LAMPIRAN ............................................................................................................ 28
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Polymer-clay nanokomposit merupakan kelas baru dari material komposit
dimana clay yang tersusun lapisan silikat berukuran nanometer terdispersi/tersebar
acak pada matrik polimer. Sebagai akibat penyebaran clay tersebut maka
nanokomposit menunjukkan sifat yang lebih unggul dibanding komposit yang
diperkuat serat. Hanya dengan penambahan clay yang sangat sedikit (<5% berat)
ke dalam matrik polimer, dapat meningkatkan kekuatan komposit (Kusmono,
2010).
Pemilihan resin epoxy pada penelitian ini disebabkan kekuatan dan
kekakuan resin epoxy relatif lebih besar dibandingkan dengan polimer jenis
lainnya. Selain itu resin epoxy mempunyai penyusutan yang kecil dibandingkan
dengan polimer lain. Namun pada keadaan padatnya, resin epoxy biasanya
bersifat brittle dan tidak resistan terhadap keretakan, namun jika dikombinasikan
dengan nanoclay, maka sifat mekaniknya menjadi lebih baik.
Feng dkk (2004), menyebutkan bahwa material penguat yang berukuran
nanometer seperti clay merupakan material yang bisa berfungsi sebagai penguat
antara campuran polimer yang tidak saling melarutkan. Penambahan unsur clay
jenis nanomer lebih mudah terdispersi dalam resin dan bahan ini menawarkan
perbaikan sifat mekanis yang lebih baik dibanding sebelum diberi tambahan
partikel nano. Karabulut (2003), meneliti tentang pengaruh kadar montmorillonite
terhadap karakteristik mekanik nanokomposit. Dari penelitian tersebut dihasilkan
nanokomposit dengan karakteristik mekanik yang paling optimum pada
penambahan MMT 2% wt.
Banyak faktor yang mempengaruhi sifat nanokomposit, diantaranya adalah
perbandingan komposisi polimer dengan clay dan perlakuan selama proses
pembuatan yang salah satunya adalah kecepatan putaran pengaduk saat proses
pencampuran. Jika kecepatan pengadukan terlalu rendah maka partikel clay tidak
akan tersebar secara merata dalam polimer, namun jika putaran pengaduk terlalu
tinggi maka akan muncul void yang akan berpengaruh terhadap kekuatan dari
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
2
komposit tersebut. Sehingga perlu dilakukan penelitian untuk mendapatkan proses
yang tepat khususnya mengenai kecepatan putaran pengaduk agar didapatkan
komposit dengan kualitas mekanik terbaik.
Kord dkk (2011), meneliti tentang pengaruh kecepatan putar pengaduk
terhadap karakteristik mekanik nanokomposit. Pada penelitian tersebut dipakai
lima parameter kecepatan yaitu 60, 90, 120, 150, 180 rpm. Didapatkan pada
kecepatan 180 rpm menghasilkan penyebaran clay yang paling merata sehingga
komposit memiliki kekuatan tarik lebih baik dibandingkan komposit dengan
putaran 60, 90, 120 maupun 150.
Khosrokhavar (2010), meneliti tentang pengaruh kecepatan pengaduk
jenis screw dengan variasi kecepatan 50, 100 dan 150 rpm terhadap karakteristik
mekanik nanokomposit. Dari variasi tersebut didapatkan pada kecepatan 150 rpm
memiliki karakteristik mekanik tebaik dibandingkan pada kecepatan lainnya.
Karabulut (2003) dalam penelitiannya menghasilkan pada putaran pengadukan
350 rpm menghasilkan kekuatan tarik tertinggi dibanding pada putaran 150 dan
500 rpm.
Dari penelitian yang telah dilakukan sebelumnya tersebut mendasari
penelitian ini untuk mengetahui pengaruh variasi kecepatan putar pengaduk pada
saat proses mixing dengan empat variasi kecepatan yang berbeda yaitu: 150 rpm,
250 rpm, 350 rpm, 450 rpm. Sehingga diharapkan dari variasi tersebut akan
didapatkan nilai kecepatan terbaik yang sesuai dengan komposit epoxy-clay dan
dapat menghasilkan kekuatan tertinggi pada komposit.
1.2 Perumusan Masalah
Penelitian nanokomposit Epoxy-Organoclay Montmorillonite (OMMT)
berfokus pada pengaruh variasi putaran pengadukan saat proses pencampuran
terhadap karakteristik nanokomposit.
Adapun sifat sifat yang ingin diketahui adalah
1. Sifat mekanik (kekuatan tarik, fracture toughness)
2. Morfologi berdasar SEM
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
3
1.3 Batasan Masalah
Penelitian ini akan menggunakan beberapa batasan masalah untuk
memfokuskan hasil yang akan dituju. Adapun batasan-batasan tersebut adalah :
1. Kecepatan putaran pengaduk pada setiap variasi kecepatan dianggap
konstan.
2. Temperatur pada proses pencampuran dianggap konstan.
3. Pengaduk yang digunakan adalah jenis turbin bersudu empat.
4. Komposisi montmorillonite dalam campuran adalah 2% fraksi berat.
5. Volume campuran 83,15 cm3 (9,21% volume tanki)
1.4 Tujuan dan Manfaat Penelitian
Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui karakteristik nanokomposit
Epoxy-Organoclay Montmorillonite (OMMT) berupa:
1. Kekuatan tarik
2. Fracture toughness
Hasil penelitian yang diperoleh diharapkan dapat memberikan manfaat
sebagai berikut:
1. Nilai tambah pengetahuan tentang nanokomposit Epoxy-Organoclay
Montmorillonite (OMMT).
2. Penelitian ini dapat dipakai sebagai literatur pada penelitian yang sejenis
dalam rangka pengembangan teknologi nanokomposit.
3. Nanokomposit diharapkan dapat menghasilkan material komposit
alternatif baru yang mampu memperbaiki sifat-sifat komposit
konvensional.
1.5 Sistematika Penulisan
Sistematika penulisan Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut :
1. Bab I Pendahuluan, menjelaskan tentang latar belakang masalah,
perumusan masalah, batasan masalah, tujuan dan manfaat penelitian,
serta sistematika penulisan tugas akhir.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
4
2. Bab II Dasar teori, berisi tinjauan pustaka serta kajian teoritis yang
memuat penelitian-penelitian sejenis serta landasan teori yang berkaitan
dengan permasalahan yang diteliti.
3. Bab III Metodologi penelitian, menjelaskan peralatan yang digunakan,
tempat dan pelaksanaan penelitian, langkah-langkah percobaan dan
pengambilan data.
4. Bab IV Data dan analisa, menjelaskan data hasil pengujian, perhitungan
data hasil pengujian serta analisa hasil dari perhitungan.
5. Bab V Penutup, berisi tentang kesimpulan dan saran. Kesimpulan
memuat pertanyaan singkat dan tepat yang dijabarkan dari hasil
penelitian serta merupakan jawaban dari tujuan penelitian dan
pembuktian kebenaran hipotesis. Saran memuat pengalaman dan
pertimbangan penulis yang ditunjukkan kepada para peneliti yang ingin
melanjutkan atau mengembangkan penelitian yang sejenis.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user 5
BAB II
DASAR TEORI
2.1 Tinjauan Pustaka
Kord dkk (2011), meneliti tentang pengaruh kecepatan putar pengaduk
terhadap karakteristik mekanik nanokomposit. Pada penelitian tersebut dipakai
lima parameter kecepatan yaitu 60, 90, 120, 150, 180 rpm. Didapatkan pada
kecepatan 180 rpm menghasilkan penyebaran clay yang paling merata sehingga
komposit memiliki kekuatan tarik lebih baik dibandingkan komposit dengan
putaran 60, 90, 120 maupun 150.
Khosrokhavar dkk (2010), meneliti tentang pengaruh berbagai parameter
proses pembuatan nanokomposit yang salah satunya adalah pengaruh kecepatan
pengaduk jenis screw dengan variasi kecepatan 50, 100 dan 150 rpm terhadap
karakteristik mekanik nanokomposit. Dari ketiga variasi kecepatan tersebut
didapatkan pada kecepatan 150 rpm memiliki karakteristik mekanik terbaik
dibandingkan pada kecepatan 50 dan 100 rpm.
Karabulut (2003), dalam penelitiannya tentang pengaruh kadar
montmorillonite 1, 2, dan 5 dalam % fraksi berat terhadap fracture toughness
nanokomposit. Hasil pengujian menunjukan pada sampel dengan kandungan
montmorillonite 2% memiliki tingkat penghambat retak yang paling baik
dibandingkan sampel dengan kadar montmorillonite 1 dan 5%. Dari hasil tersebut
kemudian sampel dengan kadar 2% MMT diuji kekuatan tarik dengan divariasi
kecepatan putar saat pengadukan 150, 350, dan 500 rpm. Dari penelitian ini
diperoleh hasil bahwa pada putaran 350 rpm memiliki tingkat penyebaran clay
yang lebih merata dan memiliki kekuatan tarik yang tertinggi dibandingkan pada
putaran 150 dan 500 rpm.
Polymer-clay nanokomposit merupakan kelas baru dari material komposit
dimana clay yang tersusun lapisan silikat berukuran nanometer terdispersi/tersebar
acak pada matrik polimer. Hanya dengan penambahan clay yang sangat sedikit
(<5% berat) ke dalam matrik polimer, dapat meningkatkan kekuatan komposit
tersebut (Kusmono, 2010).
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
6
Jika dilihat dari tingkat penetrasi polimer ke dalam lapisan silikat clay, ada
dua jenis struktur ideal nanokomposit yaitu intercalated dan exfoliated.
Nanokomposit tipe intercalated terbentuk ketika satu atau beberapa lapisan
molekul polimer masuk ke dalam interlayer clay. Sedangkan nanokomposit tipe
exfoliated terbentuk ketika nanolayer silikat terdelaminasi oleh rantai polimer dan
tersebar secara acak ke dalam matrik polimer.
Gambar 2.1. Penetrasi polimer ke dalam silikat (Dubois dkk, 2000)
2.2 Teori Tentang Komposit
2.2.1 Klasifikasi Material dan Pembentuk Komposit
Komposit adalah kombinasi dari satu atau lebih material yang berbeda,
dengan tujuan untuk menghasilkan sifat lebih baik dari material penyusunnya.
Pencampuran ini dapat menghasilkan sifat baru yang tidak ditemui pada masing-
masing material penyusunnya. Sifat yang dihasilkan komposit akan bergantung
pada sifat, jumlah dan geometri dari penguat. Ada dua istilah material dalam
komposit, yaitu matrik dan penguat (reinforcement).
· Reinforcement (penguat).
Reinforcement berfungsi sebagai penguat atau kerangka dari suatu
komposit. Biasanya reinforcement ini berupa fiber atau logam. Berikut ini adalah
beberapa reinforcement yang paling banyak digunakan antara lain: fiber glass,
serat karbon, serat alam dan lain-lain.
· Matrik.
Matrik berfungsi untuk menjaga reinforcement agar tetap pada tempatnya
di dalam struktur, membantu distribusi beban, mengendalikan sifat elektrik dan
kimia dari komposit. Matrik yang paling umum dipakai adalah beton, keramik dan
polimer.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
7
Menurut Gaylord (1974), matrik pada material komposit berfungsi untuk
mendistribusikan beban pada serat-serat penguat. Oleh karena itu adanya cacat
seperti void dan retak pada matriks akan mempengaruhi fungsi matrik sebagai
pendistribusi beban, misalnya terjadi pada konsentrasi tegangan disekitar cacat
yang dapat menurunkan sifat mekanik dari material komposit.
2.3 Nanokomposit Epoxy-Organoclay montmorillonite (OMMT)
Nanokomposit dibuat dengan menyisipkan nanopartikel ke dalam sebuah
material matrik. Nanopartikel yang biasa digunakan adalah clay, carbon nano
tube. Sedangkan matrik yang biasa digunakan berupa matrik polimer dan keramik.
Komposit dengan penguatan serat adalah jenis komposit yang paling
sering dipakai dalam berbagai aplikasi, hal ini dikarenakan komposit jenis ini
memiliki sifat kekuatan tarik dan kekakuan yang bagus. Namun kelemahannya
adalah struktur serat tersebut memiliki kekuatan tekan serta kekuatan tarik arah
melintang serat yang kurang bagus.
Penambahan unsur clay jenis nanomer lebih mudah tersebar dalam resin
epoxy dan bahan ini menawarkan perbaikan sifat mekanis yang lebih baik
dibanding komposit dengan penguat serat.
2.3.1 Resin Epoxy
Dari sekian banyak resin yang ada di pasaran, ada tiga jenis resin yang
banyak digunakan, yaitu poliester, vinil ester, dan epoxy. Pada penelitian ini resin
yang akan digunakan adalah jenis resin epoxy. Pemilihan resin epoxy sebagai
bahan dasar disebabkan kekuatan resin epoxy relatif lebih besar dibandingkan
dengan polimer jenis lainnya. Perbandingan kekuatan antar polimer-polimer resin
ditunjukkan oleh gambar 2.2.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
8
Gambar 2.2. Perbandingan kekuatan tarik dari setiap jenis resin (Hadiyawarman dkk, 2008)
Resin epoxy termasuk kedalam golongan thermoset, sehingga dalam
pencetakan perlu diperhatikan hal sebagai berikut:
1. Mempunyai penyusutan yang kecil.
2. Dapat dipakai dalam temperatur kamar.
3. Perekat yang bagus untuk banyak bahan logam, sehingga perlu diperhatikan
material cetakan komposit.
Pada keadaan padatnya, resin epoxy biasanya bersifat brittle dan tidak
resistan terhadap keretakan, namun jika dikombinasikan dengan nanoclay, maka
sifat-sifat mekaniknya menjadi lebih baik.
2.3.2 Organoclay montmorillonite (OMMT)
Clay (tanah liat), bila ditinjau dalam bidang geologi berarti bahan alam
yang berasal dari dalam tanah. Salah satu contoh clay yang paling umum
digunakan adalah montmorillonite (MMT) yang dapat digunakan sebagai bahan
baku untuk pembuatan berbagai produk industri, contohnya adalah sebagai bahan
baku penyusun komposit.
Sifat dari clay terutama MMT yang sangat penting sehingga banyak
digunakan dalam komposit adalah permukaan bidang sentuh yang besar dan
ukuran partikel yang kecil. Kemudian dengan ukuran partikel yang kecil maka
secara otomatis permukaan bidang sentuh yang dimiliki MMT besar, maka kontak
antar muka (interface) dengan matrik semakin kuat sehingga secara umum
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
9
komposit tersebut akan semakin kuat. Karena itulah, MMT dapat digunakan
sebagai penguat komposit yang efektif.
2.3.3 Pencampuran Epoxy-Organoclay montmorillonite (OMMT)
Mixing merupakan proses menyebaran material-material secara acak,
dimana material yang satu menyebar ke dalam material yang lain demikian pula
sebaliknya, sedang bahan-bahan itu sebelumnya terpisah dalam keadaan dua fase
atau lebih yang akhirnya membentuk hasil yang lebih seragam atau homogen
(Rahayu, 2008).
Jenis-jenis pengaduk secara umum terdapat empat jenis yang biasa
digunakan yaitu:
ü Pengaduk jenis baling-baling
Gambar 2.3. Pengaduk Jenis Baling–baling
Pengaduk jenis baling-baling digunakan untuk cairan dengan viskositas rendah
dibawah 3000 cP.
ü Pengaduk dayung
Gambar 2.4. Pangaduk Jenis Dayung (Paddle) Berdaun Dua
Pengaduk jenis ini digunakan pada cairan kental di atas 1×106 cP dimana
endapan pada dinding dapat terbentuk. Jenis pengaduk ini adalah pencampur
yang buruk.
ü Pengaduk turbin
Gambar 2.5. Pengaduk Jenis Turbin pada berbagai variasi
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
10
Pengaduk ini seringkali disebut sebagai pengaduk serbaguna karena dapat
digunakan untuk berbagai jenis keperluan, dengan rentang kekentalan yang
sangat luas yaitu di bawah 100.000 cP. Diameter dari sebuah turbin biasanya
antara 20-60 % dari diameter tangki.
ü Pengaduk helical-ribbon
Gambar 2.6. Pengaduk jenis hellical ribbon
Jenis pengaduk ini digunakan pada larutan dengan kekentalan yang tinggi di
atas 1×106 cP.
Gambar 2.7. Dimensi tangki
Dimana:
D = diameter pengaduk
Dt = diameter tangki
W = lebar pengaduk
Geometri dari tangki dirancang untuk menghindari terjadinya dead zone
yaitu daerah dimana fluida tidak bisa digerakkan oleh aliran pengaduk (Agung
dkk, 2010).
Kord dkk (2011), meneliti tentang pengaruh kecepatan putar pengaduk
terhadap karakteristik mekanik nanokomposit. Pada penelitian tersebut dipakai
lima parameter kecepatan yaitu 60, 90, 120, 150 dan 180 rpm. Dari kelima
parameter kecepatan tersebut didapatkan pada kecepatan 180 rpm menghasilkan
�Ė� = 31 ; 灌� = 14
Dt
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
11
penyebaran clay yang paling merata, sehingga komposit memiliki kekuatan tarik
lebih baik dibandingkan komposit dengan putaran 60, 90, 120 maupun 150 rpm.
Nigam dkk (2004), dalam penelitiannya tentang Epoxy-Montmorillonite
Clay Nanocomposites. Dalam penelitian tersebut resin epoxy dicampur dengan
clay montmorillonite pada suhu 75 0C selama 3 jam untuk mencapai penyebaran
yang optimal dari resin epoxy masuk diantara lapisan silikat organoclay
montmorillonite.
2.3.4 Post Curing
Spesimen dilakukan post curing pada suhu 100oC selama 100 menit
sebelum pengujian dimaksudkan agar pada suhu dan waktu post curing tersebut
dapat mengoptimalkan crosslinking pada ikatan polimer (Chow dkk, 2007).
2.3. Pengujian Spesimen
Sifat mekanis merupakan sifat terpenting dari semua jenis material plastik
karena semua kondisi pemakaian serta penggunaan dari plastik melibatkan beban
mekanis.
Pengujian yang dilakukan terhadap spesimen adalah pengujian kekuatan
tarik (ASTM D638), fracture toughness (ASTM D5045).
2.4.1 Pengujian kekuatan tarik
Uji tarik banyak dilakukan untuk melengkapi informasi rancangan dasar
kekuatan suatu bahan dan sebagai data pendukung bagi spesifikasi bahan. Pada uji
tarik benda uji diberi beban gaya tarik sesumbu yang bertambah besar secara
kontinyu. Bersamaan dengan itu dilakukan pengamatan mengenai perpanjangan
yang dialami benda uji. Tegangan diperoleh dengan cara membagi beban dengan
luas penampang lintang benda uji.
σ = "拟 ……………………………………………………………… (2.1) Dimana: σ = Tegangan (MPa)
F = Beban (N)
A = Luas penampang (mm2)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
12
2.4.2 Pengujian fracture toughness
Pengujian fracture toughness akan menggunakan spesimen jenis Single
Edge Notch Bending (SEN-B). Dimana notch akan dibuat mengunakan gergaji
dengan ketebalan mata gergaji 1mm dan dilanjutkan dengan cutter. Spesimen
diuji menggunakan mesin universal testing dengan mengacu pada ASTM D5045.
2.5 SEM (Scanning Electron Microscopy)
SEM digunakan untuk mengamati permukaan patah hasil uji tarik,
sehingga bisa diketahui secara visual pengaruh kecepatan putaran terhadap
struktur dari komposit. Untuk pelaksanaan SEM, permukaan patah dilapisi dengan
emas untuk menghindari electrical charging selama proses SEM.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
13
BAB III
METODE PENELITIAN
3.1 Tempat Penelitian
Penelitian ini dilakukan di laboratorium material teknik mesin Universitas
Sebelas Maret Surakarta.
3.2 Bahan Penelitian
Pada penelitian ini bahan yang digunakan antara lain:
a. Organoclay Montmorillonite
Organoclay montmorillonite yang digunakan dalam penelitian ini adalah jenis
Nanomer I.30E.
b. Resin Epoxy
Resin epoxy yang digunakan adalah jenis Bisphenol A Epichlorohydrin.
c. Hardener
Hardener yang dipakai adalah jenis Polyaminoamide.
d. Silicon rubber
Silicon digunakan sebagai bahan cetakan komposit agar mudah dalam proses
pelepasan spesimen.
(a) (b) (c) (d)
Gambar 3.1 Bahan Penelitian : (a) Organoclay Montmorillonite (b) Resin Epoxy; (c) Hardener; (d) Silicon rubber
3.3 Alat Penelitian
Spesifikasi alat yang digunakan dalam penelitian dan pengambilan data
antara lain adalah :
a. Alat Pengaduk
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
14
Pengaduk yang dipakai adalah jenis turbin bersudu empat yang
dirangkaikan dengan mixer yang dimodifikasi dengan penambahan rangkaian
dimmer untuk mengatur kecepatan putar pengadukan.
b. Timbangan digital
Digunakan untuk mengukur fraksi berat komposisi komposit.
c. Pompa vacum
Pompa vacum digunakan untuk meminimalisir void yang terjadi
didalam spesimen.
d. Desikator vacum
Desikator digunakan sebagai ruang pemvacuman spesimen yang
dirangkaikan dengan pompa vacum.
e. Timer
Timer digunakan untuk mengetahui atau membatasi lamanya proses
pengadukan dan proses pemvacuman.
f. Thermometer digital
Thermometer digital digunakan untuk mengetahui suhu campuran
resin dan organoclay pada saat proses pengadukan.
g. Thermocontrol
Thermocontrol dirangkaikan dengan kontaktor sehingga dapat
digunakan untuk menguntrol suhu campuran resin dan clay selama proses
pengadukan.
h. Oven
Oven digunakan untuk mengeringkan clay sebelum dicampur dengan
resin.
i. Stabilizer tegangan
Stabilizer dipakai untuk mengantisipasi ketidakstabilan tegangan
listik yang dapat mempengaruhi kestabilan kecepatan putar pengaduk.
(a) (b) (c)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
15
(d) (e) (f)
(g) (h) (i)
Gambar 3.2 Alat Penelitian : (a) Alat Pengaduk; (b) Timbangan digital; (c) Pompa vacum; (d) Desikator vacum; (e) Kontaktor; (f) Thermometer digital;
(g) Thermocontrol; (h) Oven (i) Stabilizer tegangan
3.4 Alat Uji
a. Universal Testing Machine (UTM)
Alat ini digunakan untuk pengujian tarik dan fracture toughness spesimen
komposit.
b. Scanning Electron Microscopy (SEM)
Alat ini digunakan untuk mengambil gambar penampang patahan spesimen uji
tarik.
(a) (b)
Gambar 3.3 Alat Pengujian: (a) UTM; (b) Scanning Electron Microscopy.
3.5 Parameter
Dalam penelitian ini parameter yang dibuat tetap adalah:
a. Komposisi clay yang dipakai adalah 2% wt.
b. Perbandingan Resin Epoxy : Hardener yang dipakai adalah 60:40.
c. Suhu pengeringan montmorillonite adalah 120ºC selama 4 jam
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
16
d. Suhu pencampuran resin epoxy dan montmorillonite adalah 75ºC selama 3
jam.
Parameter yang diubah-ubah yaitu kecepatan poros pengaduk 150 rpm,
250 rpm, 350 rpm, 450 rpm.
3.6 Langkah Kerja Penelitian
Gambar 3.4. Diagram alir pembentukan nanokomposit (Nigam dkk, 2004)
3.6.1 Pengeringan Organoclay Montmorillonite
Sebelum OMMT dicampur dengan resin, terlebih dahulu dikeringkan
dalam oven pada suhu 120oC selama 4 jam. Hal tersebut dilakukan untuk
mengurangi kadar air yang terkandung dalam serbuk montmorillonite, (Karabulut,
2003)
3.6.2 Pembuatan cetakan
Cetakan uji tarik dan fracture toughness dibuat dari bahan silicon rubber
untuk memudahkan proses pelepasan spesimen dan menekan biaya pembuatan
cetakan.
Gambar 3.5. Pembuatan cetakan silikon
Polimer
Organoclay
Mixing
Curing agent
Polymerisation
Nanocomposite
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
17
3.6.3 Proses Mixing Proses pencampuran Epoxy-Montmorillonite dicampur dan dijaga pada
suhu 75oC menggunakan thermocontrol selama 3 jam yang kemudian hardener
dituang dalam campuran tersebut. Variasi kecepatan putar pengaduk 150, 250,
350 dan 450 rpm dengan jenis pengaduk turbin bersudu empat. Untuk mengatur
kecepatan pengaduk digunakan dimmer AC sebagai pengatur tegangan yang
masuk ke dalam motor penggerak sehingga kecepatan poros dapat diatur sesuai
yang diinginkan.
Gambar 3.6. Dimensi tangki
Dimana:
D = diameter pengaduk (33,33 mm)
Dt = diameter tangki (100 mm)
W = lebar pengaduk (8,25 mm)
Gambar 3.7. Rangkaian peralatan proses mixing
Digital Tachometer
Dimmer AC
Thermo control
Kontaktor
Stabilizer Motor Penggerak
Thermo reader
Dt
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
18
3.6.4 Pengecekan kehomogenan campuran
Sebelum dilakukan proses pencetakan spesimen, terlebih dahulu campuran
dilakukan pengecekan apakah campuran masuk dalam kategori homogen atau
tidak.
Gambar 3.8. Pengecekan kehomogenan campuran
Campuran dituang ke dalam tabung yang telah dihitung volumenya,
kemudian ditimbang. Proses tersebut dilakukan hingga 5 sampel, kemudian
masing-masing sampel dihitung densitasnya. Jika standar deviasi hasil densitas
dari sampel tidak lebih dari 10% maka campuran masuk dalam kategori homogen
(Konijnenberg, 1995).
3.6.5 Pencetakan spesimen
Campuran resin/MMT/hardener dituang dalam cetakan yang telah didesain
sesuai dengan ASTM uji tarik dan fracture toughness. Setelah penuangan selesai
cetakan yang berisi campuran bahan komposit dimasukan ke dalam desikator
vacum untuk meminimalisir void di dalam komposit.
Gambar 3.9. Proses pencetakan spesimen
3.6.6 Post Curing
Spesimen dilakukan post curing pada suhu 100oC selama 100 menit
sebelum pengujian dimaksudkan agar pada suhu dan waktu post curing tersebut
dapat mengoptimalkan crosslinking pada ikatan polimer.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
19
3.6.7 Tahap pengujian
Pengujian spesimen yang dilakukan adalah:
3.6.7.1 Pengujian kekuatan tarik
Pengujian tarik akan menggunakan metode ASTM D638 tipe 1. Pengujian
dilakukan dengan mesin Universal Testing dengan kecepatan 50 mm/menit. Dari
pengujian ini akan diperoleh kekuatan tarik dari komposit.
Gambar 3.10 Spesimen uji tarik 2 = 根隔 …..……………………………………………………………(3.1)
Dimana: 禁 = Tegangan tarik (Mpa)
F = Beban tarik (N)
A = Luas penampang (mm2)
3.6.7.2 Pengujian Fracture Toughness
Pengujian fracture toughness mengacu pada ASTM D5045 dengan
spesimen jenis Single Edge Notch Bending (SEN-B) dimana notch akan dibuat
mengunakan gergaji dengan ketebalan mata gergaji 1mm dan dilanjutkan dengan
pisau cutter. Spesimen SEN-B diuji menggunakan mesin universal testing yang
diatur dengan kecepatan 10 mm/menit. Dari hasil pengujian dapat dihitung nilai
fracture toughness seperti rumus berikut:
……………………………(3.2)
Dimana:
K1C = Fracture toughness Mpa.m1/2
Fmax = Gaya maksimum (KN)
B = Ketebalan spesimen (cm)
)/(...max wafaWB
FK IC =
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
20
W = lebar spesimen (cm)
a = panjang total notch (cm)
f(a/w) = faktor koreksi geometri
= 1.99-0.41(a/w)+18.7(a/w)2 -38.48(a/w)3+53.85(a/w)4
Gambar 3.11 Pengujian fracture toughness
3.6.8 Foto SEM (Scanning Electron Microscopy)
SEM digunakan untuk mengamati permukaan patah hasil uji tarik,
sehingga bisa diketahui secara visual pengaruh kecepatan putaran terhadap
struktur dari komposit. SEM dilakukan di laboratorium MIPA Universitas Negeri
Malang. Pengambilan foto SEM dimulai dari pembesaran terkecil pada variasi
350 rpm hingga void dapat terlihat, kemudian dari skala pembesaran tersebut
dipakai untuk skala pembesaran pada spesimen SEM variasi 450 rpm.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
21
3.7 Diagram Alir Penelitian
Gambar 3.12. Diagram Alir Penelitian
Keterangan: Perbandingan Fraksi Berat 1. MMT : (Campuran resin + Hardener) = 2 : 98 2. Resin : Hardener = 60 : 40
START
Clay Montmorillonite nanomer I.30E
Resin epoxy EPR 174
Penimbangan MMT
Pemanasan dalam oven pada suhu 120oC selama 4 jam
Penimbangan Resin epoxy
Mixing Campuran I (MMT + Resin) pada suhu 75oC selama 3 jam dengan variasi kecepatan: 150, 250, 350 dan 450 rpm
Pengecekan kehomogenan campuran
Mixing Campuran II (campuran I + hardener versamide 140) selama 5 menit)
Pencetakan komposit
Post curing 100oC selama 100 menit
Divakum selama 30 menit
curing selama 24 jam pada temperatur ruangan
Pengujian - Uji tarik - Uji Fracture Toughness
SELESAI
Analisa Hasil Pengujian
SEM
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
22
BAB IV
HASIL DAN ANALISA
Dalam penelitian ini dilakukan beberapa pengujian untuk mengetahui
karakteristik mekanik nanokomposit Epoxy-Montmorillonite. Pengujian yang
dilakukan antara lain uji tarik dan fracture toughness serta pengamatan
permukaan patah hasil uji tarik dengan foto SEM.
4.1 Pengaruh Kecepatan Putaran Terhadap Kekuatan Tarik
Grafik hasil pengujian kekuatan tarik komposit epoxy-montmorillonite
dengan variasi kecepatan putaran pengaduk 150, 250, 350 dan 450 rpm yang telah
dilakukan dapat dilihat pada Gambar 4.1.
Gambar 4.1. Pengaruh variasi kecepatan putaran mixing terhadap kekuatan tarik komposit epoxy-MMT
Gambar 4.1 memperlihatkan hubungan antara kecepatan putaran dan
kekuatan tarik komposit. Nilai kekuatan tarik dari putaran 150 rpm sampai dengan
350 rpm meningkat sebesar 19,18%.
Peningkatan ini disebabkan karena dengan bertambahnya kecepatan
putaran yang diberikan maka tingkat penyebaran partikel clay dalam resin juga
akan semakin tinggi. Menurut Karabulut (2003), partikel clay yang tersebar
merata di dalam matrik akan memperbesar bidang kontak antara keduanya,
sehingga dapat meningkatkan kekuatan mekanik dari komposit.
R² = 0.942
0.005.00
10.0015.0020.0025.0030.0035.0040.0045.0050.0055.0060.00
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
Teg
anga
n (M
Pa)
Putaran mixing (Rpm)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
23
Kekuatan tarik menurun sebesar 7,39% pada kecepatan putaran 450 rpm,
hal itu disebabkan pada kecepatan tersebut campuran tidak homogen (tabel 4.1)
yang diakibatkan oleh terlalu tingginya kecepatan sehingga menimbulkan void di
dalam komposit yang lebih banyak dibandingkan pada variasi putaran 350 rpm
(Gambar 4.2).
Tabel 4.1. Pengaruh kecepatan terhadap kehomogenan campuran
150 rpm
250 rpm
350 rpm
450 rpm
Standar Deviasi (%) 13,208 11,570 5,373 11,763
Dari data tabel diatas terlihat pada keempat variasi kecepatan hanya pada
350 rpm saja yang masuk dalam kategori homogen (<10% Konijnenberg, 1995).
Tabel 4.2. Prosentase void pada setiap variasi kecepatan.
150 rpm
250 rpm
350 rpm
450 rpm
Void (% Vol)
3,134 4,212 5,522 14,284
Dengan adanya void yang lebih banyak maka akan menyebabkan
konsentrasi tegangan pada daerah void tersebut saat komposit dikenai
pembebanan sehingga akan menurunkan kekuatan tarik komposit. Berdasarkan
prosentase void pada tabel 4.2, pada kecepatan 150 dan 250 rpm memiliki nilai
yang kecil dibandingkan 350 rpm, namun pada kedua variasi putaran tersebut
terjadi ketidakhomogenan campuran yang menyebabkan menurunnya kekuatan
komposit.
Menurut Gaylord (1974), matrik pada material komposit berfungsi untuk
mendistribusikan beban pada serat-serat penguat. Oleh karena itu adanya cacat
seperti void dan retak pada matriks akan mempengaruhi fungsi matriks sebagai
pendistribusi beban, misalnya terjadi pada konsentrasi tegangan disekitar cacat
yang dapat menurunkan sifat mekanik dari material komposit.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
24
(a) (b)
Gambar 4.2. Pengamatan foto SEM komposit epoxy-montmorillonite variasi kecepatan putaran pengaduk (a) 350 rpm dan (b) 450 rpm
4.2 Pengaruh Kecepatan Putaran Terhadap Fracture Toughness
Ketangguhan retak komposit dapat diketahui setelah dilakukan pengujian
fracture toughness menggunakan universal testing machine.
Gambar 4.3. Pengaruh variasi kecepatan putaran mixing terhadap ketangguhan retak komposit epoxy-MMT.
Seperti halnya pada pengujian tarik, Gambar 4.3 juga menunjukkan bahwa
semakin bertambahnya kecepatan putaran mixing maka ketangguhan retak dari
komposit juga mengalami peningkatan sampai pada kecepatan 350 rpm. Nilai
ketangguhan retak dari kecepatan 150 rpm sampai dengan kecepatan 350 rpm
meningkat sebesar 25,18% dan kemudian pada kecepatan putaran 450 rpm turun
sebesar 10,69%.
R² = 0.942
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0.40
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
Fra
ctur
e to
ughn
ess
Putaran pengaduk (Rpm)
Resin
Voidcuri
MMT
Void
Void
Resin
MMT
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
25
Peningkatan fracture toughness dari komposit ini disebabkan karena clay
yang tersebar merata di dalam polimer akan membatasi pergerakan ikatan polimer
pada saat terkena pembebanan, sehingga partikel clay akan menjadi crack
displacement yang menyebabkan komposit tersebut akan memiliki ketangguhan
retak yang lebih baik dibandingkan tanpa ada penyebaran partikel MMT di
dalamnya. Namun pada kecepatan putaran 450 rpm terjadi penurunan
ketangguhan retak, hal itu disebabkan pada putaran tersebut terlalu tinggi
sehingga pada proses mixing justru terjadi void. Akibat adanya void maka pada
daerah tersebut akan memiliki penampang yang lebih kecil dibandingkan daerah
sekitarnya, sehingga menyebabkan konsentrasi tegangan pada daerah tersebut
pada saat komposit terkena pembebanan.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
26
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1. Kesimpulan
Berdasarkan hasil yang diperoleh dari analisa data, maka dapat
disimpulkan bahwa hasil penelitian menunjukkan nilai kekuatan tarik dan fracture
toughness meningkat secara berturut-turut seiring bertambahnya kecepatan
putaran pengaduk hingga pada kecepatan 350 rpm sebesar 19,18% dan 25,18%.
5.2. Saran
Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan mengenai variasi kecepatan
putaran pengaduk terhadap karakteristik mekanik komposit Epoxy-MMT, maka
untuk penelitian selanjutnya perlu diperhatikan:
a. Penggunaan foto TEM untuk mengetahui lebih detail struktur penyebaran clay
didalam polimer.
b. Penggunaan baffle pada tabung pencampur untuk meminimalisir terjadinya
void saat proses pencampuran pada kecepatan tinggi.