anggriyantoaji2727

KEKUATAN BENDING DAN KETAHANAN BAKAR KOMPOSIT

HYBRID SERAT GELAS, SERAT KARBON, DAN SERBUK GENTENG SOKKA DENGAN BISPHENOL-A

6/A MTM

BAB I

PENDAHULUAN

A. Latar Belakang Masalah

Material komposit berpenguat serat telah diterapkan pada berbagai industri seperti pesawat terbang, pesawat ruang angkasa, mobil, kendaraan laut, peralatan pengolahan kimia, dan peralatan olahraga. Minat baru terhadap material komposit ini disebabkan meningkatnya kebutuhan material yang kuat, tahan korosi, dan ringan dengan harga terjangkau (Sorathia 2003). Komposit CFRP (carbon fiber reinforced plastics) dan komposit GFRP (glass fiber reinforced plastics) banyak digunakan dalam industri otomotif dan transportasi sebagai material pendukung struktur dan bodi kendaraan.

Komposit harus mempunyai kemampuan menerima beban pada seluruh bagian. Sehingga material komposit dengan karakteristik bending yang baik sangat diperlukan untuk menunjang peran tersebut (Kelly, 2004). Serat karbon memiliki sifat mekanis yang baik secara keseluruhan, namun serat karbon kurang menguntungkan apabila digunakan sebagai penguat komposit pada struktur yang mengalami beban kompresi atau bending. Lee dan Waas (1999) mengungkapkan komposit serat gelas dengan matriks vinylester memiliki nilai kekuatan tekan yang lebih tinggi dari komposit serat karbon dengan matriks vinylester pada fraksi volume serat yang sama.

Hal tersebut memicu gagasan untuk menggabungkan serat gelas dan serat karbon dalam satu matriks yang sama. Sebuah studi untuk menggabungkan serat karbon secara selektif ke dalam komposit serat gelas pada bagian yang mengalami beban bending dilakukan oleh Zhang (2012). Hasil dari penelitian tersebut menunjukkan komposit hybrid dengan 50% penguat serat karbon menghasilkan sifat bending terbaik ketika lapisan serat karbon ditempatkan pada bagian terluar komposit. Penempatan serat karbon pada lapisan terluar komposit hybrid tidak hanya memberikan penguatan mekanis namun juga memberikan dampak hambat bakar terhadap komposit.

Material komposit yang digunakan pada aplikasi struktur maupun bodi dalam industri transportasi tidak hanya dituntut memiliki sifat mekanis yang baik, namun juga harus memenuhi standar keselamatan khususnya ketahanan bakar. Berbagai upaya meningkatkan ketahanan bakar komposit telah dilakukan oleh para ilmuwan dengan memilih resin poliester berbahan dasar bisphenol-A dan menambahkan filler ke dalam matriks. Bisphenol-A merupakan salah satu senyawa phenolic yang memiliki sifat tahan api, menghasilkan sedikit asap saat pembakaran, dan memiliki koefisien konduksi termal lebih rendah dibandingkan dengan resin jenis lain (Zhou, 2013). Yudit (2013) meneliti komposit geopolymer dengan menggabungkan serbuk genteng Sokka ke dalam phenolic. Genteng Sokka dalam penelitian tersebut diproduksi dari bahan dasar clay yang tahan terhadap suhu tinggi.

Nilai TOB (time of burning) tertinggi diperoleh pada komposit dengan 50% fraksi volume serbuk genteng Sokka. Penambahan filler berupa material clay ke dalam matriks komposit berpenguat serat dapat mempengaruhi sifat mekanis komposit tersebut. Chandradass (2008) berpendapat penggabungan 3% fraksi berat clay ke dalam matriks polimer mampu meningkatkan kekuatan mekanis komposit serat gelas. Namun, ikatan antar muka serat dan matriks semakin mengalami penurunan seiring meningkatnya fraksi berat clay dalam matriks. Oleh sebab itu, penggabungan serat karbon, serat gelas, dan serbuk genteng Sokka dalam matriks bisphenol-A perlu diteliti lebih mendalam agar diperoleh formulasi konstituen yang tepat sehingga menghasilkan material komposit dengan sifat bending yang baik, ringan, dan tahan api.

B. Rumusan Masalah

Rumusan masalah dalam penelitian ini adalah bagaimana pengaruh rasio serat karbon dan serat gelas dalam suatu konfigurasi susunan serat terhadap kekuatan bending komposit hybrid, serta bagaimana pengaruh penambahan serbuk genteng Sokka ke dalam matriks terhadap kekuatan bending dan ketahanan bakar komposit hybrid.

C. Tujuan Penelitian

Tujuan penelitian ini antara lain:

1. Menyelidiki pengaruh konfigurasi lapisan serat gelas dan serat karbon terhadap kekuatan bending dan modulus elastisitas bending komposit hybrid dengan matriks bisphenol-A.

2. Menyelidiki pengaruh penambahan serbuk genteng Sokka terhadap kekuatan bending, modulus bending, serta ketahanan bakar komposit hybrid serat gelas dan serat karbon dengan matriks bisphenol-A

D. Manfaat Penelitian

Penelitian ini akan memberikan manfaat peningkatan kekuatan bending, modulus elastisitas bending serta ketahanan bakar pada komposit polimer berpenguat serat hybrid.

E. Tinjauan Pustaka

Komposit berasal dari kata kerja “to compose“ yang berarti menyusun atau menggabung. Jadi secara sederhana bahan komposit berarti bahan gabungan dari dua atau lebih bahan yang berlainan. komposit merupakan rangkaian dua atau lebih bahan yang digabung menjadi satu bahan secara mikroskopis dimana bahan pembentuknya masih terlihat seperti aslinya dan memiliki hubungan kerja diantaranya sehingga mampu menampilkan sifat-sifat yang diinginkan (Mikell, 1996). Definisi yang lain yaitu, Menurut Matthews dkk. (1993), komposit adalah suatu material yang terbentuk dari kombinasi dua atau lebih material pembentuknya melalui campuran yang tidak homogen, dimana sifat mekanik dari masing-masing material pembentuknya berbeda. Dari campuran tersebut akan dihasilkan material komposit yang mempunyai sifat mekanik dan karakteristik yang berbeda dari material pembentuknya sehingga kita leluasa merencanakan kekuatan material komposit yang kita inginkan dengan jalan mengatur komposisi dari material pembentuknya. Jadi komposit merupakan sejumlah sistem multi fasa sifat dengan gabungan, yaitu gabungan antara bahan matriks atau pengikat dengan penguat.

Material komposit adalah penggabungan makroskopis dari dua atau lebih bahan yang berbeda dan memiliki ikatan antarmuka yang cukup baik diantara keduannya. Penggabungan material ini bertujuan untuk menghasilkan atau menemukan material baru yang mempunyai sifat asli material yang digunakan untuk menyusunya. Material penyusun komposit tersebut dapat berupa serat , partikel laminate atau layers, flakes fillers. Sifat material hasil penggabungan ini diharapkan saling memperbaiki kekurangan dan kelemahan bahan-bahan penyusunnya. Sifat-sifat yang dapat diperbaiki antara lain kekakuan, ketahanan lelah, ketahanan bending , ketahanan korosi, berat jenis, pengaruh terhadap temperatur, dan isolasi termal (Schwartz,1994).

Kekuatan bending menjadi salah satu sifat mekanis yang sangat pentig dimiliki oleh komposit, khususnya ketika diterapkan pada aplikasi material struktur konstruksi. Dong et al (2012) memilih kombinasi serat gelas dan serat karbon sebagai penguat komposit hybrid untuk meningkatkan kekuatan bending komposit dengan matriks polimer. Penelitian tersebut dilakukan secara eksperimental dan numerik dengan menggunakan FEA finite element analysis. Pengujian bending dilakukan pada rasio to dept 32 :1.konfigurasi susunan serat menempatkan serat gelas pada sisi tekan sedangkan serat karbon pada sisi tarik. Nilai kekuatan bending maksimal komposit hybrid serat gelas ipe S-2 dan Serat karbon tipe T700S dimiliki oleh komposit dengan konfigurasi G1C4 dengan fraksi volume serat gelas 24% dan fraksi volume serat karbon 76%. Kekuatan bending komposit G1C4 meningkat 3,2 % dari konfigurasi komposit serat gelas Komposit serat gelas dan 8,0% dari konfigurasi komposit serat karbon.

1. Kajian Teori Komposit polimer berpenguat serat.

Serat atau fiber dalam bahan komposit berperan sebagai bagian utama yang menahan beban, sehingga besar kecilnya kekuatan bahan komposit sangat tergantung dari kekuatan serat pembentuknya. Semakin kecil bahan (diameter serat mendekati ukuran kristal) maka semakin kuat bahan tersebut, karena minimnya cacat pada material

Serat Sebagai Penguat Secara umum dapat dikatakan bahwa fungsi serat adalah sebagai penguat bahan untuk memperkuat komposit sehingga sifat mekaniknya lebih kaku, tangguh dan lebih kokoh dibandingkan dengan tanpa serat penguat, selain itu serat juga menghemat penggunaan resin. Kaku adalah kemampuan dari suatu bahan untuk menahan perubahan bentuk jika dibebani dengan gaya tertentu dalam daerah alastis pada pengujian bending. Tangguh adalah bila pemberian gaya atau beban yang menyebabkan bahan-bahan tersebut menjadi patah pada pengujian titik lentur. Kokoh adalah kondisi yang diperoleh akibat kelenturan serta proses kerja yang mengubah struktur komposit sehingga menjadi keras pada pengujian kelenturan.

2. Fraksi Volume kompoait

Sifat fisis komposit dipengaruhi oleh perbandingan matriks dan penguat serat maupun filter. Perbandingan tersebut dapat dihitung menggunakan persamaan jenis komposit(Peters, 1998)

V = Fraksi volume konstituen

mf = Massa penguat (g)

mm = Masa matriks (g)

pf = Massa jenis penguatg/mm³

Pm = Masssa jenis matriks (g/mm³

3. Ketahana bakar komposit

Pengujian bakar yang dilakukan dengan studi eksperimental termasuk dalam jenis lab test standar UL94.

V =60L/t

V = Rate of burning mm/menit

L = panjang sampel mm

T = waktu (detik)

4. Matriks

Matriks adalah fasa dalam komposit yang mempunyai bagian atau fraksi volume terbesar (dominan). Matriks, umumnya lebih ductile tetapi mempunyai kekuatan dan rigiditas yang lebih rendah. Syarat pokok matrik yang digunakan dalam komposit adalah matrik harus bisa meneruskan beban, sehingga serat harus bisa melekat pada matrik dan kompatibel antara serat dan matrik, artinya tidak ada reaksi yang mengganggu. Umumnya matrik dipilih yang mempunyai ketahanan panas yang tinggi (Triyono & Diharjo, 2000). Matriks mempunyai fungsi sebagai mentransfer tegangan ke serat, membentuk ikatan koheren permukaan matrik/serat, melindungi serat, memisahkan serat, melepas ikatan, dan stabil setelah proses manufaktur. Komposit Matriks ada beberapa macam yaitu Komposit Matrik Keramik (Ceramic Matrix Composites – CMC), Komposit Matrik Logam (Metal Matrix Composites – MMC) dan Polymer Matrix Composite (PMC) Istilah polimer dapat diartikan sebagai molekul besar yang terbentuk dengan pengulangan unit-unit molekul yang disebut monomer. Polimer berasal dari bahasa Yunani yang terdiri dari dua kata , yaitu : poly berarti banyak dan meros berarti bagian-bagian atau unit-unit dasar.

Jadi polimer adalah molekul-molekul yang terdiri atas banyak bagian-bagian. Polimer merupakan molekul raksasa yang tersusun dari ikatan kimia sederhana atau bahan dengan berat molekul yang besar mempunyai struktur dan sifat-sifat yang rumit disebabkan jumlah atom pembentuk 4 yang jauh lebih besar dibandingkan dengan senyawa yang berat atomnya rendah.

Volume Fraksi Matriks ( Vm )

Dimana:

Vm = Fraksi volume matrik (70%)

vm = volume matrik (cm3 )

vc = volume komposit (cm3 )

5. Jumlah kandungan serat dalam komposit

Jumlah kandungan serat merupakan hal yang menjadi perhatian khusus pada komposit berpenguat serat. Untuk memperoleh komposit berkekuatan tinggi, distribusi serat dengan matrik harus merata pada proses pencampuran agar mengurangi timbulnya void. Untuk menghitung fraksi volume, parameter yang harus diketahui adalah berat jenis resin, berat jenis serat, berat komposit dan berat serat. Adapun fraksi volume yang ditentukan dengan persamaan (Harper, 1996).

Jika selama pembuatan komposit diketahui massa fiber dan matrik, serta density fiber dan matrik, maka fraksi volume dan fraksi massa fiber dapat dihitung dengan persamaan (Shackelford, 1992) :

dimana :

6. Pengujian Sifat Mekanik

Pengujian kekuatan lentur/ Bending dimaksudkan untuk mengetahui ketahanan kompositterhadap pembebanan pada titik lentur. Disamping itu pengujian ini juga dimaksudkan untuk mengetahui keelastisitasan suatu bahan.

Prosedur pengujian bending adalah sebagai berikut:

1. Masing-masing spesimen diberi label sesuai variabel yang digunakan.

2. Memasang spesimen pada bentangan/span.

3. Pembebanan pada spesimen hingga patah.

4. Pencatatan data yang didapatkan berupa kekuatan bending dan defleksi.

5. Perhitungan karakteristik bending.