skripsi untuk memperoleh gelar sarjana teknik/pengaruh...komposit terbuat dari bahan high density...

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

PENGARUH WAKTU SINTERING TERHADAP KARAKTERISTIK MEKANIK KOMPOSIT HDPE – SAMPAH

ORGANIK

SKRIPSI

Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar

Sarjana Teknik

Oleh :

AGUNG IBNUWIBOWO I 1406016

JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA 2012


commit to user


commit to user

PENGARUH WAKTU SINTERING TERHADAP KARAKTERISTIK MEKANIK KOMPOSIT HDPE – SAMPAH ORGANIK

Agung Ibnuwibowo

Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret, Surakarta

[email protected]

Abstrak

Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui karakteristik mekanik komposit HDPE-sampah organik meliputi kekuatan bending, kekuatan impak dan kekuatan geser tekan dengan adanya variasi waktu sintering.

Komposit terbuat dari bahan High Density Polyethylene (HDPE) daur

ulang dan sampah organik. Pembuatan komposit menggunakan metode pressured sintering. Variasi waktu sintering yang digunakan adalah 5 menit, 10 menit, 15 menit dan 20 menit. Proses pressured sintering dilakukan pada suhu 120oC dengan tekanan 8,7 kPa dan fraksi volum HDPE 0,3. Kekuatan bending dan kekuatan geser tekan mengacu pada ASTM D1037. Pengujian impak mengacu pada ASTM D5941. Pengamatan patah bending komposit dilakukan dengan SEM (scanning electron micrograph).

Hasil penelitian menunjukkan bahwa peningkatan waktu sintering dari 5

menit sampai dengan 20 menit akan meningkatkan ikatan antar partikel serbuk. Semakin meningkatnya ikatan antar partikel serbuk maka akan meningkatkan kekuatan bending, kekuatan impak dan kekuatan geser tekan berturut-turut sebesar 61,50%; 109,43% dan 80,84%.

Kata kunci : Komposit, HDPE, sampah organik, sintering.


commit to user

THE EFFECT OF SINTERING TIME ON THE MECHANICAL CHARACTERISTICS OF HDPE-ORGANIC WASTE COMPOSITE

Agung Ibnuwibowo

Mechanical Engineering Sebelas Maret University, Surakarta

[email protected]

Abstract The objective of this research is to investigate the effect of sintering time

on mechanical characteristic HDPE – organic waste composite which include bending strength, impact strength and compression shear strength.

The composite was made from recycled HDPE (High Density

Polyethylene) and organic waste. The composite was made by using the pressured sintering method with 5 minutes, 10 minutes, 15 minutes and 20 minutes variance of sintering time. The pressured sintering process was conducted at the temperature of 1200C with the pressure of 8.7 kPa and the volume fraction of HDPE of 0.3. The bending strength and the compression shear strenght refers to ASTM D 1037 whereas the testing of the impact stenght refers to ASTM D 5941. The observation on the bending fracture of the composite was conducted by using SEM (Scanning Electron Micrograph).

The results of this research are as follows: (1) the increasing in sintering time from 5 up to 20 minutes will raise bonds between powder particles. The increasing the bonds between powder particles will increase the mechanical strength of the composite; (2) the bending strength rises by 61.50%; (3) the impact strength rises by 109.43% and (4) the compression shear strength increases by 80.84%.

Keywords : Composite, HDPE, organic waste, sintering.


commit to user

1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Komposit telah banyak digunakan secara luas dalam dunia industri,

misalnya dalam bidang konstruksi, manufaktur dan bahkan dibidang penerbangan.

Pada tahun 2015 diproyeksikan produksi global material komposit akan mencapai

10,3 MT, yang sebanding dengan volume sebesar 60.000.000 m3. Penggunaaan

komposit serat gelas-thermoset mencapai 90% dari semua produk komposit,

dimana produk komposit ini sangat mahal dan sulit didaur ulang (Feih, dkk,

2010). Pemikiran untuk membuat produk komposit yang murah menjadi sangat

penting dilakukan. Salah satunya komposit dari bahan daur ulang sampah.

Sampah organik sebagai pengisi (filler) mulai banyak digunakan dalam

pembuatan komposit. Kelebihan sampah organik sebagai filler adalah ringan,

mudah didaur ulang, mudah dibentuk, tahan korosi dan harga murah. Sementara

untuk sampah anorganik di lingkungan sekitar tidak dapat terurai oleh mikro

organisme, untuk itu perlu didaur ulang (recycle) agar tidak mencemari

lingkungan. Potensi sampah kota di Indonesia pada tahun 2000 adalah 100.000

ton per hari. Kota Surakarta memproduksi sampah sebesar 267 ton per hari dan

2% diantaranya berupa sampah plastik (Sudrajat, 2004). The Public Bottle

Institute (2005) mengemukakan bahwa plastik yang paling banyak dipakai adalah

HDPE (High density polyethylene) yaitu 62%, kemudian disusul dengan PET

(Polyethylene terephthalate) 23%, PVC (Polyvinvlchloride) 6%, LDPE (Low

dendity polyethylene) 4%, PP (Polypropylene) 4%, PS (Polystyrene) 1%. Data

BPS (2006) menunjukkan bahwa nilai impor plastik bulan Juni naik 4,3 juta dolar

atau naik 3,02% dibanding bulan Mei.

Pembuatan produk komposit berbahan dasar daur ulang sampah

merupakan salah satu alternatif untuk mengurangi volume sampah kota. Komposit

berbahan dasar penyusun berupa sampah anorganik (HDPE) dan sampah organik

(daun dan ranting) diharapkan mampu memberikan solusi tentang penanganan

sampah di Indonesia. Sampah organik (daun dan ranting) berfungsi sebagai filler

dan sampah anorganik (plastik HDPE) berfungsi sebagai pengikat. Pembuatan

material komposit dapat menggunakan beberapa metode, salah satunya adalah


commit to user

2

dengan metode pressured sintering. Pressured sintering adalah suatu metode yang

mengaplikasikan proses kompaksi dan sintering.

Material yang dihasilkan dengan menggunakan metode pressured

sintering diharapkan mempunyai sifat fisik dan mekanik yang lebih baik. Faktor-

faktor yang mempengaruhi kekuatan komposit antara lain adalah : ukuran partikel

serbuk, besarnya tekanan, temperatur sintering, volume zat pengikat dan lamanya

waktu penahanan sintering. Tutuko (2007), mengatakan bahwa peningkatan

waktu sintering akan meningkatkan sifat fisik dan mekanik komposit HDPE-

karet ban bekas. Riyanto (2011), mengatakan bahwa peningkatan suhu sintering

akan meningkatkan karakteristik komposit HDPE-sampah organik dengan nilai

tertinggi pada temperatur 127oC. Assidiqi (2011), mengatakan bahwa penelitian

tentang komposit HDPE dan sampah organik dengan variasi fraksi volume HDPE

dapat meningkatkan kekuatan bending, densitas, serta kekuatan impaknya.

1.2 Perumusan Masalah

Bagaimana pengaruh variasi waktu sintering terhadap karakteristik

mekanik komposit berbahan dasar HDPE – sampah organik.

1.3 Batasan Masalah

Pada penelitian ini masalah dibatasi sebagai berikut:

1. Selama proses pencampuran distribusi serbuk HDPE, cacahan ranting pohon

dan cacahan daun yang digunakan dalam pembuatan komposit ini dianggap

merata.

2. Selama proses sintering distribusi panas diasumsikan merata.

1.4 Tujuan Penelitian

Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui karakteristik mekanik komposit

HDPE- sampah organik dengan adanya pengaruh variasi waktu sintering.


commit to user

3

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 penelitian, serta sistematika penulisan tugas

akhir.

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

pernyataan 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.


commit to user

4

BAB II

DASAR TEORI

2.1 Tinjauan Pustaka

Pemanfaatan bahan dari polimer di Indonesia maupun di dunia

berkembang sangat pesat. Semua ini dikarenakan sifat polimer yang memiliki

banyak keunggulan dibandingkan bahan lainnya. Polimer bersifat mudah

dibentuk, ringan, murah, dan dapat dirubah atau ditingkatkan sifat-sifat

khususnya bila ditambahkan bahan-bahan tertentu.

Komposit HDPE-sampah organik terbuat dari HDPE daur ulang dan

sampah organik (daun dan ranting). Sampah organik berfungsi sebagai filler dan

sampah anorganik (HDPE) berfungsi sebagai pengikat. Bahan thermoplastic

akan mengalami pelunakan atau pelelehan jika diberi penambahan suhu,

sehingga pemanfaatan limbah polimer HDPE menambahkan filler (material

pengisi) dari bahan-bahan lain akan menghasilkan material akhir dengan sifat-

sifat yang diinginkan. Bahan pengisi yang paling sering diaplikasikan pada

polimer adalah serbuk kayu. Material hasil campuran serbuk kayu dengan

pengikat polimer biasa disebut WPC (Wood Plastic Composite). Proses

pembuatan komposit dapat menggunakan beberapa metode, salah satunya dengan

pressured sintering. Metode ini mengaplikasikan proses kompaksi dan sintering.

Faktor-faktor yang mempengaruhi karakteristik komposit dengan proses

sintering adalah ukuran partikel serbuk, besarnya tekanan, temperatur sintering,

volume pengikat, dan lamanya waktu penahanan sintering. Suhu pada saat proses

sintering sangat berpengaruh terhadap kekuatan fisik dan mekanik komposit.

Riyanto (2011), mengatakan bahwa peningkatan suhu sintering dari 105oC sampai

127oC akan meningkatkan densitas, water absorption, dan kekuatan bending

komposit HDPE-sampah organik. Menurut Jati (2008), peningkatan suhu

sintering dari 110°C sampai 140°C akan meningkatkan densitas, kekuatan impak

dan kekuatan bending secara berturut-turut yaitu 10.18%, 71.52%, 12.28%.

Waktu sintering akan berpengaruh terhadap karakteristik komposit.

Menurut Tutuko (2007), penelitian tentang komposit HDPE-ban bekas dengan

variasi waktu sintering 10, 15, 20 dan 25 menit akan meningkatkan kekuatan fisik


commit to user

5

dan mekanik komposit. Penelitian dengan variasi waktu sintering juga dilakukan

oleh Andi (2007), yaitu mengatakan bahwa penambahan waktu sintering pada

komposit polimer (HDPE, PET)-karet ban bekas dari 5 hingga 10 menit akan

meningkatkan kekuatan fisik dan mekanik komposit.

Matrik (pengikat) juga berpengaruh terhadap kekuatan komposit.

Penelitian tentang komposit LDPE-PEG-selulosa kenaf dengan penambahan

matrik selulosa 0-50% akan meningkatkan ketahanan termal komposit (Tajeddin,

2009). Penambahan fraksi berat pada nano karbon pada pembuatan komposit nano

karbon (MWCNT) dan HDPE dengan fraksi berat 0, 0.5, 1, 2, dan 4% akan

meningkatkan kekerasan komposit (Wang, 2009). Prasetyawan (2009), melakukan

penelitian tentang komposit serabut kelapa (cocopeat)-serbuk polimer

(polyethylene) dengan perbandingan 30:70, 40:60 dan 50:50. Hasilnya komposit

dengan perbandingan 30:70 memiliki nilai daya serap air yang rendah dan nilai

kekuatan bending paling tinggi. Assidiqi (2011), melakukan penelitian tentang

komposit HDPE-sampah organik dengan variasi fraksi volume HDPE 20, 30, 40,

dan 50%. Hasil penelitian menunjukkan bahwa penambahan fraksi volume HDPE

20% sampai dengan 50% meningkatkan sifat fisik dan mekanik komposit.

2.2 Klasifikasi Material dan Pembentuk Komposit

Schwartz (1984) mendefinisikan komposit sebagai sistem material yang

terdiri dari gabungan dua atau lebih unsur pokok makro yang berbeda bentuk atau

komposisi yang tidak dapat dipisahkan satu sama lain. Berdasarkan bentuk

material pembentuknya, Schwartz (1984) mengklasifikasikan komposit menjadi

lima kelas, yaitu:

· Komposit serat (fiber composite)

· Komposit serpihan (flake composite)

· Komposit butir (particulate composite)

· Komposit isian (filled composite)

· Komposit lapisan (laminar composite)

Komposit isian (filler composite) adalah jenis komposit dimana pada

proses pembuatan ditambahkan material pengisi berupa serbuk/butir dengan

struktur tiga dimensi (Schwartz, 1984). Filler saat ini berkembang ke arah alami


commit to user

6

karena renewable dan dapat terdegradasi di alam (biodegradable). Berbagai

macam serat yang dapat digunakan untuk filler komposit seperti : serat kenaf,

serabut kelapa, serbuk gergaji dan sampah organik.

Secara umum komposit isian tersusun dari dua material utama yaitu matrik

dan filler. Antar kedua unsur material tersebut tidak terjadi reaksi kimia dan tidak

larut satu sama lain, melainkan hanya ikatan antar muka diantara keduanya. Filler

berfungsi sebagai pengisi, sedangkan matrik sebagai pengikat.

2.2.1 Filler

Filler (pengisi) adalah bahan yang digunakan untuk ditambahkan

pada bahan polimer saat pembuatan komposit. Filler digunakan untuk

mengurangi berat, mengurangi biaya produksi, serta untuk menambah fleksibilitas

desain komposit. Pada umumya pengisi memiliki ukuran yang kecil dan bentuk

yang tidak seragam. Ukuran partikel pengisi yang kecil akan lebih baik

dibandingkan dengan ukuran pengisi yang lebih besar. Ukuran partikel yang kecil

akan memperluas permukaan interaksi antara polimer matrik. Beberapa penelitian

menunjukkan bahwa penggunaan filler akan menentukan sifat komposit secara

signifikan. Filler dapat dibagi menjadi dua jenis yaitu filler organik dan

anorganik. Contoh filler dari bahan anorganik adalah serat kaca, serat kevlar,

silica, kalsium, mika, dll. Pengisi dari bahan organik antara lain sekam padi, sagu,

daun, ranting, dll. Penelitian tentang pengaruh filler (baik fraksi volume maupun

ukuran partikel) masih perlu dikembangkan lebih lanjut. Filler saat ini

berkembang ke arah alami karena renewable dan dapat terdegradasi di alam

(biodegradable) (Gibson, 1994).

Beberapa penelitian menunjukkan bahwa filler dapat memperbaiki sifat

mekanik komposit. Bonilla (2001), mengatakan bahwa bentuk dan penyebaran

filler fiber dapat mempengaruhi fracture toughness (keuletan) komposit resin. Xu

(2004), mengatakan bahwa pencampuran filler whisker dan partikel silika dapat

meningkatkan keuletan komposit resin.


commit to user

7

2.2.2 Matrik

Matrik dalam struktur komposit bisa berasal dari bahan polimer, logam,

maupun keramik. Matrik secara umum berfungsi untuk mengikat serat menjadi

satu struktur komposit (Gibson R.F, 1994). Matrik dari bahan termopolimer

memiliki keuntungan dapat melunak berulang kali (recycle) jika diberi panas dan

akan menjadi keras pada saat didinginkan. Termopolimer yang sering digunakan

sebagai matrik adalah polyethylene. Matrik memiliki fungsi :

· Mengikat serat menjadi satu kesatuan struktur

· Melindungi serat dari kerusakan akibat kondisi lingkungan

· Mentransfer dan mendistribusikan beban ke serat

· Menyumbangkan beberapa sifat seperti, kekakuan, ketangguhan dan

tahanan listrik.

2.2.3 HDPE

Polimer adalah zat organik yang dihasilkan dari senyawa-senyawa yang

pada umumnya terbentuk dari unsur karbon (C), hidrogen (H), oksigen (O), dan

nitrogen (N). Zat organik dapat dibuat sintetis dari bahan mentah minyak bumi,

karena minyak bumi mengandung lebih dari 1000 macam senyawa hidrokarbon.

Karena polimer, salah satunya adalah HDPE (High Density Polyethylene),

terbentuk dari gabungan dari banyak molekul-molekul kecil/monomer yang akan

membentuk makro molekul, maka disebut juga polymer. Polymer terbentuk dari

gabungan banyak molekul yang sama atau mirip jenisnya. Proses pembuatan

polymer ini disebut polimerisasi, yang melibatkan energi panas dan katalisator

untuk memisahkan ikatan dalam suatu molekul agar dapat terjadi ikatan dengan

molekul-molekul lain yang sejenis (Billmeyer, 1994).

Polietilena berdensitas tinggi (High density polyethylene, HDPE) adalah

polietilena termopolimer yang terbuat dari minyak bumi. Membutuhkan 1,75 kg

minyak bumi (sebagai energi dan bahan baku) untuk membuat 1 kg HDPE. HDPE

dapat didaur ulang, dan memiliki nomor 2 pada simbol daur ulang. Di tahun 2007,

volume produksi HDPE mencapai 30 ton. HDPE memiliki percabangan yang

sangat sedikit, hal ini dikarenakan pemilihan jenis katalis dalam produksinya

(katalis Ziegler-Natta) dan kondisi reaksi. Karena percabangan yang sedikit,


commit to user

8

HDPE memiliki kekuatan tensil dan gaya antar molekul yang tinggi. HDPE juga

lebih keras dan bisa bertahan pada temperatur tinggi (Tm=1300C) (Wang, 2009).

HDPE sangat tahan terhadap bahan kimia sehingga memiliki aplikasi yang luas,

diantaranya :

· Sistem perpipaan gas alam

· Pipa air

· Kemasan oli

· Kantong polimer

Gambar 2.1. Simbol recycle HDPE (www.acor.org.au, 2003)

Sifat-sifat polimer HDPE secara umum adalah tahan terhadap zat kimia

(misalkan minyak, deterjen), ketahanan impak cukup baik, memiliki ketahanan

terhadap suhu, tidak tahan terhadap sinar matahari dan polimer HDPE stabil

terhadap oksidasi udara (Corneliusse, 2002).

2.3 Sifat Mekanis Komposit

2.3.1 Kekuatan Bending ( Flexural Strength)

Kekuatan bending atau kekuatan lengkung adalah tegangan bending

terbesar yang dapat diterima akibat pembebanan luar tanpa mengalami deformasi

yang besar atau kegagalan. Pada bagian atas spesimen akan mengalami tekanan,

dan bagian bawah akan mengalami tegangan tarik.

Material komposit kekuatan tekannya lebih tinggi terhadap tegangan

tariknya. Komposit akan mengalami patah pada bagian bawah yang disebabkan

karena tidak mampu menahan tegangan tarik yang diterima. Rumus perhitungan


commit to user

9

kekuatan bending mengacu pada ASTM D1037 dengan bentuk dan gambar

spesimen seperti pada gambar 2.2.

Gambar 2.2. Three point bending

Pengujian ini ditentukan oleh MOR (Modulus of Rupture). Rumus untuk

menghitung MOR:

MOR = 22

3bdPL …………………………………………….. (2.1)

MOR = modulus of rupture ( pembebanan dari tengah), MPa

P = beban bending maksimal, N

L = panjang span, mm

b = lebar spesimen, mm

d = tebal spesimen, mm

2.3.2 Kekuatan Impak

Perhitungan kekuatan impak mengacu pada ASTM D5941. Untuk

mengetahui kekuatan impak, terlebih dahulu dihitung energi yang diserap oleh

benda (W), yaitu selisih energi potensial pendulum sebelum dan sesudah

mengenai benda.

Gambar 2.3. Sudut impak (modul panduan praktikum uji impak izod)

b L

d

P


commit to user

10

W =[w.R.(cosβ–cosα)] …………………………………...…… (2.2)

dimana: w = berat pendulum (N)

= m . g

R = jarak dari pusat rotasi pendulum ke pusat massa (m)

β = sudut pantul lengan ayun

α = sudut naik awal lengan ayun

Bila pada kondisi pendulum diayunkan bebas (tanpa mengenai benda uji)

sudut pantul lengan ayun lebih kecil daripada sudut naiknya berarti terdapat

gesekan, maka nilai W dikurangi dengan energi gesekan (Wgesek).

Jadi, persamaan untuk menghitung energi total yang diserap oleh benda

(W) adalah:

W = Wspesimen – Wgesek

W = w.R.(cos β – cos β’) …………………………………….. (2.3)

dimana: β’ = sudut pantul lengan ayun tanpa mengenai benda

Maka, perhitungan nilai kekuatan impak benda uji adalah sebagai berikut:

310´´

=bh

WaiU ( )2m

J .……………………………………… (2.4)

dimana: h = ketebalan benda uji (m)

b = lebar benda uji (m)

2.3.3 Kekuatan Geser Tekan

Perhitungan kekuatan geser tekan mengacu pada standar ASTM D1037.

P

Gambar 2.4. Pengujian geser tekan (ASTM D1037)


commit to user

11

Perhitungan untuk menentukan tegangan geser maksimum adalah:

τ ……………….……………...…………………………(2.5)

Dimana:

τ = tegangan geser maksimum, psi (Pa)

P = beban maksimum, lbf (N)

A = luas penampang spesimen, in2 (mm2)

2.4 Sintering

Sintering adalah pengikatan antara partikel-partikel serbuk pada suhu

tinggi. Proses sintering dapat terjadi melalui mekanisme transport atom pada

kondisi padat, pada beberapa kasus juga melibatkan fase cair.

Proses sintering melalui pergerakan atom akan mengurangi energi

permukaan (surface energy) antar partikel. Energi permukaan per unit volume

berbanding terbalik dengan diameter partikel. Sedangkan energi permukaan

tergantung dari luas permukaan. Oleh karena itu, partikel serbuk dengan luas

permukaan spesifik yang lebih tinggi akan memiliki energi permukaan yang lebih

tinggi pula dan akan mempercepat proses sintering. Luas permukaan spesifik

adalah luas permukaan serbuk dibagi dengan massa serbuk (German, 1994).

2.4.1 Tahapan Proses Sintering

Proses sintering secara umum dibagi menjadi 3 tahap yaitu :

a. Initial Stage : Pada tahap ini terjadi peningkatan area kontak antar partikel dan

berkurangnya rongga. Mekanisme aliran massa yang terjadi berupa surface

transport dan tidak berperan terhadap terjadinya penyusutan. Tahap awal ini

ditandai dengan terjadinya pertumbuhan neck yang besar kemudian dilanjutkan

dengan pembentukan batas butir.

b. Intermediate Stage: Pada tahap ini terjadi mekanisme aliran massa berupa bulk

transport yang berperan besar mempengaruhi penyusutan, selain itu surface

transport juga masih berlangsung. Pori akan bergerak menuju grain boundary

membentuk saluran pori kemudian terlokalisir pada sudut butir dan ukurannya

akan berkurang sehingga menghasilkan nilai densitas yang lebih besar.

Mekanisme tersebut disebut densifikasi.

A

P

2=


commit to user

12

c. Final Stage: Pada tahap ini pori akan terisolasi dan grain boundary menyatu,

jika proses dilanjutkan akan terjadi pertumbuhan butir. Terisolasinya pori

menyebabkan densifikasi lebih lanjut tidak akan terjadi. Pada sintering tahap

akhir, bentuk pori menjadi spherical yang artinya telah terjadi densifikasi dengan

mekanisme pengurangan ukuran pori.

2.4.2 Densifikasi

Mekanisme transfer atom dengan transfer massa yang dapat terjadi selama

proses sintering adalah densifikasi. Mekanisme densifikasi yaitu terjadinya

transfer massa dari batas butir atau daerah diantara serbuk menuju neck atau pori-

pori.

Gambar 2.5. Mekanisme proses densifikasi (German, 1994)

Pada Gambar 2.5 merupakan ilustrasi mekanisme proses densifikasi pada

dua butir serbuk. Bagian serbuk yang mengalami kontak akan terjadi transfer

massa menuju neck atau pori-pori diantaranya, sehingga menyebabkan pori

mengecil. Akibat adanya transfer massa tersebut jarak antara kedua butir serbuk

akan mengecil, maka terjadi penyusutan/shrinkage.

Dampak proses kompaksi terhadap hasil sintering adalah berkurangnya

pori-pori. Selain itu akan menambah luas area kontak antar partikel, sehingga sifat

material hasil proses sintering akan mengalami peningkatan kekuatan, densitas,

serta berkurangnya penyusutan saat proses sintering. Suhu efektif sintering adalah

sekitar 75% dari suhu titik leleh material atau bahan yang digunakan ( German,

1994).

Jika proses sintering terus berlanjut maka area kontak antara partikel

serbuk membesar karena adanya tekanan selama proses kompaksi dan partikel

serbuk mulai mengalami perubahan fase menjadi lebih lunak, dan ketika material

sudah pada kondisi suhu ruang akan menghasilkan ikatan yang lebih kuat.


commit to user

13

Disamping membentuk ikatan antar partikel, siklus sintering diharapkan dapat

menyeragamkan campuran serbuk dan mengurangi porositas. Proses sintering

berpengaruh besar dalam menentukan sifat produk, antara lain kekuatan produk,

kekerasan, keuletan, konduktifitas panas dan listrik.

Pada Gambar 2.6 diperlihatkan skema penyusutan pori-pori antar partikel

serbuk selama proses sintering. Pada kondisi awal adalah kondisi setelah

kompaksi, yaitu masih terdapat pori-pori antar partikel serbuk. Awal proses

sintering mulai terjadi pengikatan antar partikel serbuk sehingga pori-pori mulai

mengecil.

Gambar 2.6. Skema penyusutan pori selama proses sintering (German, 1994).

Serbuk HDPE pada suhu 120°C sudah mulai melunak karena pada suhu

tersebut polimer sudah mendekati titik melting. Pelunakan serbuk polimer

mengakibatkan terjadinya ikatan antar serbuk polimer. Ikatan antar serbuk

polimer juga dipengaruhi oleh kompaksi yang diberikan. Kompaksi yang

diberikan bersamaan dengan proses sintering akan memperbesar ikatan antar

serbuk polimer. Bertambahnya ikatan antar partikel serbuk polimer akan

menurunkan besarnya pori (Yonanta, 2008).

2.5 Pencampuran Serbuk (mixing)

Pencampuran serbuk dilakukan untuk menghasilkan distribusi komposisi

material dan ukuran serbuk yang seragam. Proses ini juga berguna untuk

menyeragamkan distribusi ukuran serbuk sebelum kompaksi, karena pada saat

penyimpanan atau proses transportasi bisa mengalami getaran yang


commit to user

14

memungkinkan terjadinya segregasi. Segregasi dapat terjadi karena perbedaan

bentuk, densitas, dan ukuran partikel serbuk.

Terdapat tiga mekanisme pencampuran serbuk yaitu difusi, konveksi, dan

geser. Mekanisme difusi yaitu pencampuran yang terjadi karena pergerakan

partikel serbuk masuk ke partikel serbuk yang lain. Mekanisme konveksi yaitu

percampuran dengan perpindahan sekumpulan serbuk ke tempat yang lain.

Sedangkan mekanisme geser yaitu pergeseran serbuk karena perputaran plat

tegak. Ketiga mekanisme tersebut dapat dilihat pada Gambar 2.7

Gambar 2.7. Mekanisme pencampuran serbuk (German, 1994)

Menurut German, 1994, pencampuran serbuk yang optimal, yaitu serbuk

dapat tercampur dengan baik, tergantung pada jumlah serbuk di dalam tabung dan

kecepatan putar tabung. Untuk mendapatkan campuran yang optimal saat

dilakukan transportasi perbandingan yang ideal antara dua ukuran partikel adalah

7 : 1, sedangkan untuk tiga ukuran partikel yang berbeda perbandingan yang ideal

adalah 49 : 7 : 1. Volume pencampuran serbuk yang optimal adalah antara 20-

40% dari volume tabung. Sedangkan untuk kecepatan putar tabung untuk

menghasilkan campuran yang optimum dapat dihitung dari persamaan berikut:

(German, 1994)

dNc

3,42= ………………………………………...………… (2.6)

dimana: Nc = kecepatan putar pada kondisi kritis (RPM)

d = diameter tabung (meter)

Untuk mendapatkan kecepatan putar yang optimum adalah sekitar 75%

dari kecepatan putar kritis (Nc). Secara teoritis densitas campuran serbuk dapat

dirumuskan sebagai berikut: (German, 1994)


commit to user

15

( )( ) ( )[ ]BBAA

BA

T

TT WW

WWVW

rrr

++

== .........................................................(2.7)

dimana: ρT = densitas campuran serbuk (g/cm2)

WT = massa total (g)

VT = volume total (cm2)

WA = massa serbuk A (g)

WB = massa serbuk B (g)

ρA = densitas serbuk A (g/cm2)

ρB = densitas serbuk B (g/cm2)


commit to user

16

BAB III

METODE PENELITIAN

3.1 Tempat Penelitian

Penelitian dilakukan di Laboratorium Material Teknik Mesin Universitas

Sebelas Maret Surakarta.

3.2 Bahan Penelitian

Pada penelitian ini bahan yang digunakan antara lain:

a. HDPE

Diperoleh dari Vinila Plastik, jl. Makamhaji, Gawok, Baki, Sukoharjo.

b. Ranting pohon

Diperoleh dari sampah-sampah ranting pohon di sekitar kampus UNS.

c. Daun

Diperoleh dari sampah-sampah daun di sekitar kampus UNS.

(a) (b)

(c)

Gambar 3.1 Bahan penelitian : (a) HDPE; (b) Ranting; (c) Daun


commit to user

17

3.3 Alat Bantu Penelitian

Alat yang digunakan dalam penelitian dan pengambilan data antara lain

adalah :

a. Satu set alat pres

b. Timbangan digital

Timbangan digital digunakan untuk mengukur massa dan selanjutnya untuk

menentukan fraksi berat komposit.

c. Mesh (saringan)

Mesh digunakan untuk mendapatkan ukuran HDPE dan ranting pohon setelah

di crushing. Mesh yang digunakan adalah mesh ukuran 6, 10, 30, dan 40.

d. Moisture wood meter

Alat Moisture Wood Meter digunakan untuk mengetahui kadar air spesimen

uji.

e. Termometer digital

Termometer digital digunakan untuk mengetahui suhu pada saat dilakukan

pembuatan sesimen maupun pada saat perlakuan spesimen.

f. Crusher (Pemecah/Penggiling)

Crusher digunakan untuk menggiling HDPE, ranting dan daun sebelum

disaring menggunakan mesh.

g. Jangka sorong

Untuk mengukur dimensi spesimen.


commit to user

18

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

Gambar 3.2 Alat Bantu Penelitian : (a) Alat pres; (b) Timbangan digital; (c) Mesh;

(d) Moisture Wood Meter; (e) Termometer digital; (f) Crusher


commit to user

19

3.4 Alat Pengujian

a. Universal Testing Machine (UTM)

Alat ini digunakan untuk pengujian bending dan geser tekan pada

spesimen komposit.

b. Impak Izod

Alat ini digunakan untuk pengujian impak pada spesimen komposit.

c. Scanning Electron Micrograph (SEM)

Alat ini digunakan untuk mengambil gambar mikro spesimen uji bending.

Pengujian foto SEM dilakukan di Institut Teknologi Bandung (ITB),

Bandung, Jawa Barat.

(a)

(b) (c)

Gambar 3.3 Alat Pengujian (a) UTM; (b) Impak izod; (c) Scanning Electron

Micrograph.


commit to user

20

3.5 Parameter

Dalam penelitian ini parameter yang dibuat tetap adalah:

a. Suhu sintering 120ºC.

b. Tekanan 8,7 kPa

c. Ukuran mesh bahan adalah:

· serbuk HDPE = mesh 30-40

· Sampah organik = mesh 6-10

d. Fraksi volum HDPE 0,3%

Parameter yang divariasi yaitu waktu sintering 5 menit, 10 menit, 15 menit

dan 20 menit.

3.6 Langkah Kerja Penelitian

a. Pengumpulan HDPE dan Sampah Organik

Proses penyiapan bahan dasar adalah dengan pengumpulan plastik jenis

HDPE yang berasal dari tempat penampungan sampah plastik. Sedangkan sampah

organik yang dipakai berasal dari lingkungan sekitar kampus UNS.

b. Penjemuran Bahan

Sampah organik dan HDPE kemudian dijemur disinar matahari. sampai

kadar air +10%.

c. Proses Crushing

Proses selanjutnya adalah pembuatan serbuk HDPE dan sampah organik

dengan proses penggilingan (crushing).

d. Proses Penyaringan

Pemilihan ukuran serbuk HDPE dilakukan dengan penyaringan memakai

ukuran mesh 30 dan mesh 40, sedangkan untuk sampah organik menggunakan

mesh 6 dan mesh 10.

e. Pencampuran Serbuk

Proses pencampuran serbuk dilakukan untuk menyeragamkan komposisi,

serta mengurangi segregasi yang biasa terjadi akibat adanya pergerakan atau

getaran pada serbuk. Pencampuran serbuk dilakukan dalam keadaan kering.

Komposisi campuran HDPE dengan sampah menggunakan fraksi volume HDPE

0,3%. Penggunaan fraksi volume dalam pencampuran kedua serbuk tersebut untuk


commit to user

21

memudahkan dalam memperkirakan banyaknya masing-masing bahan dalam

campuran. Pencampuran dilakukan dalam tabung silinder yang diputar dengan

kecepatan tertentu. Perhitungan untuk mengetahui kecepatan putar pencampuran

serbuk yang optimum dapat dilihat pada persamaan (2.6). Dengan volume total

serbuk di dalam tabung adalah 40% dari volume tabung.

f. Pembuatan Spesimen

Pembuatan komposit menggunakan metode pressured sintering. Variasi

waktu sintering yang digunakan adalah 5 menit, 10 menit, 15 menit dan 20 menit.

Proses pressured sintering dilakukan pada suhu 120oC dengan tekanan 8,7 kPa

dan fraksi volum HDPE 0,3.

g. Tahap pengujian

Pengujian spesimen yang dilakukan adalah:

a. Pengujian kekuatan bending

Pengujian ini mengacu pada ASTM D1037.

Gambar 3.4. Dimensi spesimen bending

b. Pengujian kekuatan impak


Gambar 3.5. Dimensi spesimen impak

76

242 8

Satuan : mm

4 80

10

Satuan : mm


commit to user

22

c. Pengujian geser tekan


Gambar 3.6 Dimensi spesimen geser tekan

h. Pengolahan Data

Data yang telah diperoleh selanjutnya dapat dianalisa menggunakan

perhitungan besarnya kekuatan bending, kekuatan impak dan geser tekan dari

komposit HDPE – sampak organik. Data hasil pengujian selanjutnya dapat

disusun grafik hubungan antara variasi waktu sintering terhadap kekuatan

bending, kekuatan impak dan kekuatan geser tekan.

50.

8

50.8 7

Satuan : mm


commit to user

23

i. Diagram Alir

Gambar 3.7. Bagan tata cara penelitian

Pencucian dan Penjemuran HDPE (kadar Air +10%)

Penjemuran Sampah Organik (kadar Air +10%)

Sampah Organik

Pengolahan Data

Mulai

Kesimpulan

Mixing sampah dan HDPE pada N= 75rpm, fraksi volum HDPE= 0.3

Penyaringan sampah dengan mesh 6-10

Proses crushing sampah

Selesai

HDPE

Proses crushing HDPE

Penyaringan HDPE dengan mesh 30-40

Pengujian Bending (ASTM D1037), Impak (ASTM D5941),

Geser Tekan (ASTM D1037)

Pembuatan Spesimen Metode Pressured Sintering dengan P= 8,7 kPa, T= 120ºC,

variasi waktu sintering 5 menit, 10 menit, 15 menit dan 20 menit


commit to user

24

BAB IV

HASIL DAN ANALISA

Dalam penelitian ini dilakukan beberapa pengujian untuk mengetahui

karakteristik komposit HDPE-sampah organik. Pengujian yang dilakukan antara

lain uji densitas, uji bending, uji impak, uji geser tekan dan pengamatan struktur

spesimen dengan foto SEM.

4.1 Pengaruh Waktu Sintering Terhadap Densitas

Hasil pengujian densitas komposit HDPE-sampah oganik dengan variasi

waktu sintering 5, 10, 15 dan 20 menit dapat dilihat pada Gambar 4.1.

Gambar 4.1 menunjukkan bahwa densitas mengalami kenaikan seiring

dengan peningkatan waktu sintering. Nilai densitas komposit dari waktu sintering

5 menit sampai 20 menit meningkat sebesar 1,09%. Semakin meningkatnya waktu

sintering maka pergerakan partikel serbuk HDPE akan bergerak membentuk

ikatan pada batas partikel. Pori akan terisolasi dan batas partikel menyatu. Akibat

adanaya energi termal pada saat proses sintering mengakibatkan ikatan antara

serbuk HDPE akan semakin banyak. Banyaknya ikatan yang terjadi akan

menyebabkan volume pori pada komposit akan berkurang. Berkurangnya pori

akan menyebabkan nilai densitas yang lebih besar.

450

455

460

465

470

475

0 5 10 15 20 25

Den

sita

s (k

g/m

3)

waktu sintering (menit)

Gambar 4.1 Pengaruh variasi waktu sintering terhadap densitas


commit to user

25

4.2 Pengaruh Waktu Sintering Terhadap Kekuatan Bending

Kekuatan bending komposit diuji dengan menggunakan metode three points

bending. Kekuatan ini mengindikasikan ketahanan material terhadap beban lentur.

Kekuatan bending suatu komposit sangat dipengaruhi oleh ikatan antar

partikelnya.

Pengaruh waktu sintering terhadap kekuatan lentur komposit HDPE-sampah

organik ditunjukkan pada gambar 4.2.

Gambar 4.2 menunjukkan bahwa kekuatan bending komposit HDPE-sampah

organik meningkat seiring dengan bertambahnya waktu sintering. Besarnya

kenaikan kekuatan bending komposit dari waktu 5 menit ke 20 menit adalah

61.50%. Penambahan waktu sintering menyebabkan transfer massa dari batas

butir atau daerah diantara serbuk menuju neck atau pori-pori meninggkat. Akibat

adanya transfer massa tersebut, jarak antara kedua butir serbuk akan mengecil

sehingga terjadi ikatan antar partikel. Semakin kuat ikatan antar partikel serbuk

akan meningkatkan besarnya ketahanan terhadap kekuatan bending.

Nilai kekuatan bending komposit juga dipegaruhi oleh ukuran pori-pori yang

terdapat pada komposit karena pori-pori merupakan tempat awal terjadinya

retakan (initial crack). Semakin meningkatnya waktu sintering maka area kontak

yang terjadi antara partikel serbuk akan semakin banyak. Serbuk HDPE akan

0

1

2

3

4

5

6

7

0 5 10 15 20 25

Keku

atan

Ben

ding

(MPa

)

Waktu Sintering (menit)

Gambar 4.2 Pengaruh variasi waktu sintering terhadap kekuatan bending


commit to user

26

bergerak membentuk ikatan antar partikel sehingga ikatan antar partikel juga

semakin banyak. Semakin banyak ikatan yang terjadi maka nilai kekuatan bending

akan semakin meningkat.

Jika dikenai pembebanan, maka daerah ikatan antara partikel HDPE akan

mampu menahan beban yang lebih tinggi dibandingkan dengan ranting dan daun.

Denagan adanya variasi waktu sintering, akan mempengaruhi ikatan yang terjadi

antara partikel HDPE. Pada variasi waktu 5 menit jumlah ikatan antar partikel

yang terbentuk lebih sedikit jika dibanding dengan waktu 20 menit. Sehingga

kemampuan untuk menahan beban bending lebih besar untuk variasi waktu 20

menit. Fakta ini terlihat pada pengamatan gambar 4.3 dan gambar 4.4 dimana

pada penampang patah bending spesimen terlihat patah pada ikatan yang terjadi

antar partikel.

Gambar 4.4 Pengamatan dengan menggunakan foto SEM pada komposit HDPE-sampah organik variasi waktu sintering 20 menit.

Gambar 4.3 Pengamatan dengan menggunakan foto SEM pada komposit HDPE-sampah organik variasi waktu sintering 5 menit

Patah pada ikatan HDPE

Ikatan yang terbentuk

Patah pada batang


Patah pada batang

Patah pada ikatan HDPE



commit to user

27

4.3 Pengaruh Waktu Sintering Terhadap Kekuatan Impak

Pengaruh variasi waktu sintering terhadap kekuatan impak komposit HDPE-

sampah organik ditunjukkan pada gambar 4.5. Penambahan waktu sintering akan

menyebabkan serbuk HDPE bergerak untuk membentuk ikatan antar partikel.

Sifat HDPE yang mengalami pelunakan atau pelelehan jika diberi penambahan

suhu, sehingga serbuk HDPE a k a n m e n gi k a t s a mp a h m emb e n t uk

i k a t an a n t a r p a r t i ke l . Se m ak i n m en ingk a t n ya w a k t u s i n t e r ing ,

m a k a ik a t a n ya n g t e r j ad i j u ga a k an s em a k i n b an ya k . Semakin

banyak ikatan yang terbentuk maka kekuatan impak akan semakin besar. Pada

variasi waktu sintering 5 menit nilai kekuatan impaknya 3489,19 J/m2, dan terus

naik sampai waktu sintering 20 menit dengan nilai kekuatan impak 7307,47 J/m2.

010002000300040005000600070008000900010000

0 5 10 15 20 25

Impa

k (J

/m2)


Gambar 4.5 Pengaruh variasi waktu sintering terhadap kekuatan impak


commit to user

28

4.4 Pengaruh Waktu Sintering Terhadap Kekuatan Geser Tekan

Gambar 4.6 dapat dilihat kekuatan geser tekan semakin meningkat dengan

penambahan waktu sintering. Semakin meningkatnya waktu sintering, maka

luasan ikatan area batas butir HDPE dan sampah organik yang terjadi juga

semakin besar. Semakin besar luasan ikatan HDPE dan sampah organik maka

volume pori-pori pada komposit akan semakin mengecil, sehingga kekuatan

spesimen untuk menahan gaya akan samakin meningkat.

Peningkatan kekuatan geser tekan pada variasi waktu 5 hingga 10 menit

sebesar 25,14%. Peningkatan kekuatan geser tekan pada variasi waktu 10 hingga

15 menit sebesar 28,77%. Sedangkan peningkatan kekuatan geser tekan pada

variasi waktu 15 hingga 20 menit sebesar 12,22%.

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 5 10 15 20 25

Keku

atan

Ges

er (P

a)


Gambar 4.6 Pengaruh variasi waktu sintering terhadap kekuatan geser tekan


commit to user

29

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1. Kesimpulan

Berdasarkan hasil yang diperoleh dari analisa data, maka dapat

disimpulkan bahwa peningkatan waktu sintering dari 5 menit sampai dengan 20

menit akan meningkatkan ikatan antar partikel serbuk. Energi termal yang timbul

pada proses sintering akan menyebabkan serbuk HDPE akan bergerak. Serbuk

HDPE akan bergerak membentuk ikatan antara serbuk HDPE yang lain. Sampah

organik yang berfungsi sebagai filler terjebak diantara ikatan antar partikel HDPE.

Semakin meningkatnya ikatan antar partikel serbuk maka akan meningkatkan

kekuatan bending, kekuatan impak dan kekuatan geser tekan berturut-turut

sebesar 61,50%; 109,43% dan 80,84%.

5.2. Saran

Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan mengenai variasi waktu

terhadap karakteristik komposit HDPE-Sampah organik dengan metode

sintering, penulis menyarankan :

a. Pengamatan pada patah bending menggunakan TEM untuk lebih jelas

melihat struktur, bahan dan ikatan yang terjadi pada komposit.

b. Penelitian lebih lanjut tentang pengaruh ukuran serbuk terhadap kekuatan

fisik dan mekanik komposit HDPE-Sampah organik.

skripsi untuk memperoleh gelar sarjana teknik/pengaruh...komposit terbuat dari bahan high density...

Documents