kajian teori serat

40
BAB II DASAR TEORI 2.1. Tinjauan Pustaka Pengujian Kekuatan tarik, bending dan impak terhadap komposit dengan serat glass 3 layer dalam bentuk chopped strand dengan berat 300 gram/m 2 yang dilakukan oleh Dany Yanuar (2003) diperoleh kekuatan tarik sebesar 67,118 MPa, kekuatan bending 175,25 MPa dan Kekuatan impak sebesar 0,045 J/mm 2 . Yang dkk (1998) melakukan analisa fraktografi SEM pada komposit whisker SiCw/7475. Dari hasil penelitian tersebut terungkap bahwa patahan hasil uji tarik statis terhadap benda tidak ditemukan adanya whisker yang tertarik keluar. Dan pada daerah sekitar patahan menunjukan adanya deformasi plastis yang kecil sebelum terjadinya patah. Kekuatan ikatan antara matrik dan serat akan menimbulkan tegangan dalam serat. Tegangan yang tinggi 5

Upload: rendy-bomz

Post on 04-Jul-2015

651 views

Category:

Documents


1 download

TRANSCRIPT

Page 1: kajian teori serat

BAB II

DASAR TEORI

2.1. Tinjauan Pustaka

Pengujian Kekuatan tarik, bending dan impak terhadap komposit dengan

serat glass 3 layer dalam bentuk chopped strand dengan berat 300 gram/m2 yang

dilakukan oleh Dany Yanuar (2003) diperoleh kekuatan tarik sebesar 67,118 MPa,

kekuatan bending 175,25 MPa dan Kekuatan impak sebesar 0,045 J/mm2.

Yang dkk (1998) melakukan analisa fraktografi SEM pada komposit

whisker SiCw/7475. Dari hasil penelitian tersebut terungkap bahwa patahan hasil

uji tarik statis terhadap benda tidak ditemukan adanya whisker yang tertarik

keluar. Dan pada daerah sekitar patahan menunjukan adanya deformasi plastis

yang kecil sebelum terjadinya patah.

Kekuatan ikatan antara matrik dan serat akan menimbulkan tegangan dalam

serat. Tegangan yang tinggi pada ujung serat menimbulkan adanya aliran plastic

dalam matrik logam. Untuk dapat memanfaatkan kekuatan serat yang cukup

tinggi, perlu dilakukan pencegahan agar zona plastik dari matrik tidak merambat

melampaui tegah-tengah serat sebelum regangan dalam serat mencapai regangan

putus. Penelitian tersebut dilakukan oleh Dieter (1996).

Sun dan Rechak (1988) melakukan analisa terhadap pengaruh lapisan

adhesif pada komposit lamina graphit/epoxy terhadap beban impak. Hasilnya

menunjukan bahwa keberadaan lapisan adhesif sebagai hasil dari effek yang

menyertai delaminasi memberikan nilai tambah terhadap beban impak. Matrik

5

Page 2: kajian teori serat

pada lamina bagian atas cukup banyak mereduksi beban impak. Pada daerah

kontak juga akan mereduksi terhadap effek akibat konsentrasi tegangan. Tetapi,

untuk kekuatan bending, lapisan adhesif ini kurang menguntungkan. Hal ini

disebabkan karena retakan akibat bending pada lamina bagian bawah

menyebabkan bertambahnya jumlah retakan pada delaminasi karena adanya

lapisan adhesif.

Penelitian tentang variasi deformasi lokal dengan beban kompresi yang

seragam pada coruggated dan honeycomb carboard, dilakukan oleh Jochen Pflug

dkk (1999). Tekanan permukaan yang konstan telah diberikan dengan bantuan

vacuum bag. Pengukuran geseran arah sumbu Z ditunjukan oleh sistem pemetaan

regangan optik oleh GOM, Jerman. Defleksi diukur pada tekanan 0,8 bar,

hasilnya, spesimen coruggated dan honeycomb carboard mempunyai garis-garis

yang sama untuk tiap satuan berat perluas. A – Flute menunjukan besar 0,8 bar

dan dalamnya cekungan 0,4 mm, sedangkan BC – Flute hasilnya lebih besar tetapi

deformasinya lebih halus karena konstruksinya yang double flute. Perbedaan

besarnya deformasi tekan sebesar 0,6 mm. ToreHex Carboard menunjukan

deformasi yang sangat kecil, yaitu hanya 0,05 mm dengan deformasi terjadi pada

sel.

2.2. Pengertian Komposit

Komposit secara harfiah berarti bersifat susunan atau gabungan, yang

dimaksud komposit disini adalah gabungan dari dua buah material atau lebih yang

mempunyai perbedaan bentuk maupun komposisi kimia dan keduanya tidak dapat

6

Page 3: kajian teori serat

larut, tujuannya untuk mendapatkan sifat-sifat baru yang lebih baik dari sifat

penyusunnya. ( Smith, 1996)

Jenis komposit menurut bahan dasar penyusunnya terdiri dari : metal,

organik, dan non organik. Menurut fungsinya terdiri dari struktural dan

elektrisitas, sedangkan menurut distribusi bahan penguatnya dibedakan menjadi

kontinyu dan diskontinyu. Berdasarkan jenis penguatannya komposit dapat

dibedakan menjadi tiga bagian, antara lain (Jones, 1975):

1. Komposit penguatan partikel (particulate composite)

2. Komposit penguatan serat (fibrous composite)

3. Komposit penguatan struktural (structural composite)

2.3. Bahan pembentuk komposit GFRP

2.3.1.Resin Polyester

Polyester merupakan polymer jenis plastic yang berfasa cair, digunakan

sebagi matrik pengisi komposit Glass fiber reinforced plastic (GFRP). Matrik ini

berfungsi untuk mengikat dan mempertahankan posisi serat agar tetap pada

posisinya dan mendistribusikan beban yang diterima komposit kepada serat secara

merata. Resin polyester dibentuk dari reaksi bersama antara dyhidrik alcohol

(glicol) dengan asam organik. Reaksi di atas menghasilkan rantai ikatan dari ester,

sehingga menjadi molekul-molekul rantai panjang yang bergantian antara unit

asam dan glicol. Reaksi pembentukan polyester dari glicol dan asam organik

dapat diilustrasikan pada gambar 2.1. Komposisi kimia polyester ditunjukan pada

tabel 2.1.

7

Page 4: kajian teori serat

Tabel 2.1 Komposisi bahan kimia polyesterNo Bahan Kimia Fraksi mol % berat1 Phethalic anhydride 0,20 28,862 Maleic anhydride 0,15 19,113 Propylene glicol 0,20 14,834 Ethylene glicol 0,15 12,105 Styrene 0,30 30,00

Berdasarkan karakteristik termalnya, plastik dapat digolongkan menjadi

dua jenis yaitu termoplastik dan termosetting. Polyester sendiri termasuk dalam

kategori plastik termosetting. Apabila polyester dipanaskan maka tidak akan

mecair dan mengalir, tetapi akan terbakar dan menjadi arang. Secara umum

perbedaan karakteristik matrik termoplastik dan termosetting dapat dilihat pada

tabel 2.2.

Tabel 2.2 perbedaan karakteristik matrik termosetting dan termoplastik

KarakteristikTermosetting Termoplastik

1 Mengalami perubahan kimia saat proses pengerasan

1 Tidak ada proses pengerasan

2 Tidak dapat didaur ulang 2 Dapat didaur ulang3 Pengerasan memerlukan

waktu lama (3 – 4 jam)3 Diproses dengan waktu yang

relatif singkat4 Prepegs dalam keadaan

lekat/kental4 Prepegs dalam keadaan keras

8

Gambar 2.1 Struktur kimia Polyester

Page 5: kajian teori serat

Tabel 2.3 Keunggulan matrik termosetting dan termoplastik

Keunggulan Termosetting Termoplastik

1 Suhu pemrosesan relatif rendah

1 Ketangguhan lebih baik dari termosetting

2 Penyebaran pada serat saat proses laminasi lebih merata

2 Tatal/sisa dapat dipakai lagi

3 Dapat diproses menjadi bentuk bentuk rumit

3 Part-part yang di-reject dapat diproses ulang

4 Kekentalan rendah 4 Proses pembuatan cepat5 Jangka waktu penyimpanan

tak terbatas

Tabel 2.4 Kekurangan matrik termosetting dan termoplastik

KekuranganTermosetting Termoplastik

1 Waktu pemrosesan lama 1 Ketahanan terhadap pelarut bahan kimia rendah

2 Penyimpanan memerlukan perhatian yang ketat

2 Memerlukan suhu yang tinggi pada saat pemrosesan

3 Memerlukan pendinginan 3 Proses pengolahan yang tersedia masih terbatas

4 Data base material yang masih sedikit

Sebagai komponen utama pembentuk komposit, dalam melakukan

pemilihan terhadap matrik harus memperhatikan elongasi/batas mulur. Matrik

yang digunakan sebaiknya mempunyai elongasi lebih besar daripada elongasi

serat. Sebagai contoh, jika elongasi yang dimiliki oleh serat 3%, maka matrik

harus mempunyai elongasi lebih dari 3%. Disamping elongasi, dalam pemilihan

matrik secara kimia dan thermal juga harus diperhatikan. Matrik yang digunakan

harus kompatibel dengan seratnya. Matrik dan serat sebaiknya juga mempunyai

sifat-sifat mekanis yang saling melengkapi diantara keduanya.

9

Page 6: kajian teori serat

2.3.2. Serat glass

Karakteristik mekanis material komposit sangat dipengaruhi oleh matrik dan

penguat. Orientasi/posisi serta kandungan serat yang tinggi akan meningkatkan

kekuatan tarik dari komposit, tetapi hal ini akan menimbulkan kelemahan pada

sifat mekanis yang lain. Disisi lain, meningkatnya kandungan matrik maka akan

meningkatkan ketahanan komposit terhadap bahan kimia dan cuaca. Tetapi hal itu

akan menurunkan kekuatan tarik produk. Oleh karena itu, perbandingan antara

matrik dan serat merupakan faktor yang sangat menentukan dalam memberikan

karakteristik mekanis produk yang dihasilkan. Ukuran panjang dan diameter serat

juga mempunyai peranan yang penting dalam meningkatkan kekuatan komposit.

Makin kecil diameter serat, semakin baik untuk dipergunakan. Diameter serat

yang kecil akan memberikan luas permukaan persatuan berat yang lebih besar

untuk jumlah serat yang sama. Hal itu membantu proses transfer tegangan dari

matrik ke serat lebih merata.

Komposit dengan penguat serat bekerja dengan mekanisme sebagai berikut :

beban yang diterima oleh komposit akan ditahan terlebih dahulu oleh matrik

sampai batas kemampuan elastis matrik, kemudian diteruskan kepada serat

sebagai penahan beban terahir. Hasilnya adalah suatu material komposit yang

mempunyai kekuatan dan modulus elastisitas yang tinggi.

Persyaratan fungsional yang dimiliki oleh serat sebagai penguatan plastik

antara lain (Schwartz, 1984):

1. Modulus elastisitas yang tinggi untuk memberikan kekuatan pada

komposit

10

Page 7: kajian teori serat

2. Kekuatan patah yang tinggi

3. Mempunyai kekuatan yang seragam diantara serat

4. Mempunyai tingkat kestabilan yang tinggi saat penanganan

5. Diameter/ukuran luas penampang yang seragam

Serat sintesis yang paling banyak digunakan adalah serat glass. Harganya

relatif murah dan sudah tersedia cukup banyak di pasaran. Serat jenis ini biasanya

digunakan sebagai penguat matrik jenis polymer. Komposisi kimia serat glass

sebagian besar adalah SiO2 dan sisanya adalah oksida-oksida aluminium (Al),

kalsium (Ca), magnesium (Mg) dan natrium (Na) dan unsur-unsur lainnya.

Serat glass dibagi menjadi tiga type antara lain :

1. Serat E – glass, E dari kata Elektrical

2. Serat C – glass, C dari kata Chemical

3. Serat S – glass , S dari kata Silica

Komposisi kimia dari ketiga jenis serat glass dapat dilihat pada tabel 2.5.

Tabel 2.5 Komposisi senyawa kimia serat glass

Type serat Komposisi senyawa kimia (%)SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO Na2O B2O3 K2O BaO

E - glass 52,4 14,4 0,2 17,2 4,6 0,8 10,6 - -

C - glass 64,4 4,1 0,1 13,4 3,3 9,6 4,7 0,4 0,9

S - glass 64,4 25,0 - - 10,3 0,3 - - -

Keterangan :SiO2 = SilikaAl2O3 = AluminaFe2O3 = Besi OksidaCaO = Calsium OksidaMgO = Magnesium Oksida

Na2O = Natrium OksidaB2O3 = Boron OksidaK2O = Kalium OksidaBaO = Boron Oksida

11

Page 8: kajian teori serat

Setiap type serat glass mempunyai sifat-sifat yang berbeda. Dalam

penggunaanya disesuaikan dengan sifat yang dimilikinya. Sifat-sifat tersebut

seperti pada tabel 2.6.

Tabel 2.6 Sifat-sifat serat glass

NOJENIS SERAT

E - Glass C – Glass S - Glass1 Isolator listrik yang baik Tahan terhadap korosi Modulus lebih tinggi

2Kekuatan tinggi Kekuatannya lebih

rendah dari E – glassLebih tahan terhadap temperatur tinggi

3Kekakuan tinggi Harga lebih mahal dari

E – glassHarga lebih mahal dari E – glass

2.3.3. Bahan bahan tambahan

Bahan tambahan yang paling penting untuk ditambahkan adalah katalis.

Katalis berfungsi untuk mempercepat proses curing/pengerasan cairan resin pada

temperatur yang lebih tinggi. Pemberian katalis yang terlalu banyak akan

menimbulkan panas yang berlebihan pada saat proses curing, hal ini akan

menurunkan kualitas atau bahkan akan merusak produk yang dihasilkan. Oleh

karena itu pemakaian katalis dibatasi sampai 1% dari berat resin. Katalis yang

biasa digunakan untuk mempercepat proses curing pada komposit GFRP adalah

senyawa peroksida organik jenis metyl etyl keton peroksida (MEKPO). Struktur

kimia MEKPO ditunjukan pada gambar 2.2

12

Gambar 2.2 Struktur kimia MEKPO

Page 9: kajian teori serat

Selain katalis bahan tambahan lain yang juga diperlukan adalah

promotor/accelerator, fungsinya sama dengan katalis. Tetapi pengaruhnya tidak

sekuat katalis. Untuk jenis resin tertentu sudah mengandung bahan accelerator,

sehingga tidak perlu penambahan accelerator. Zat yang biasa digunakan sebagai

accelerator adalah cobalt.

Gelcoat, merupakan lapisan komposit yang paling luar. Karakteristik

mekanisnya lebih baik daripada resin yang digunakan untuk laminasi serat.

Fungsi lapisan gelcoat adalah sebagai pelindung komposit dari goresan, reaksi

kimia, mencegah masuknya air, dan melindungi dari sinar ultraviolet. Bahan

tambahan lain yang diperlukan adalah zat pewarna, diberikan dengan tujuan untuk

mendapatkan sifat yang tahan terhadap cahaya pada produk yang dihasilkan.

2.4. Komposit Sandwich

Komposit sandwich merupakan gabungan dari beberapa komponen

material yang membentuk suatu material berbentuk lapisan. Susunan komposit

sandwich ini dapat dilihat pada gambar 2.3.

Setiap material pada dasarnya didesain untuk fungsi dan tujuan yang

spesifik. Komposit sandwich dibuat dengan tujuan untuk effisiensi berat yang

Permukaan atas

Permukaan bawah

Core

Perekat

Gambar 2.3 lapisan komposit sandwich

13

Page 10: kajian teori serat

maksimum dan mempunyai kekakuan dan kekuatan yang tinggi. Untuk

mendapatkan karakteristik tersebut, pada bagian tengah diantara dua permukaan

dipasang core. Tujuannya untuk menambah momen inersia yang akan menambah

kekakuan lengkung material pada sumbu netral. Jika dibandingkan dengan balok

biasa dengan massa yang sama balok sandwich akan mempunyai kekakuan yang

jauh lebih tinggi, karena momen inersia yang dimiliki sandwich juga lebih tiggi.

Pada sandwich, material core yang digunakan mempunyai tegangan geser

yang kecil dan isinya tidak padat. Setiap beban bending yang diterima oleh

sandwich, core akan mengalami pergeseran yang disebabkan dari defleksi

karena pembebanan.

Gambar 2.4 Perbandingan antara core kaku dan lentur pada pergeseran

14

Page 11: kajian teori serat

Efek geseran dari kekakuan core dapat perhatikan pada gambar 2.4. Pada

kasus yang atas terjadi pada sandwich yang ideal, sandwich relatif kaku terhadap

beban geser. Setelah diberi beban pada salah satu ujungnya, permukaan sandwich

akan melendut bersama-sama tanpa melakukan pergeseran dengan permukaan

yang lain.

Sebagai perbandingan pada kasus yang bawah, sandwich tidak mampu

menahan beban geser dengan baik. Dari gambar 2.4 terlihat, permukaan atas dan

permukaan bawah mengalami pergeseran akibat beban bending yang diterimanya.

Pada daerah kekakuan bending, permukaan yang satu dapat tidak didukung oleh

permukaan yang lain, sehingga hasilnya kurang maksimal. Hal ini menjadi titik

lemah dari komposit sandwich.

Susunan pembentuk lapisan komposit sandwich terdiri dari :

2.4.1. Skin / Lapisan permukaan

Lapisan permukaan/skin yang digunakan akan mempengaruhi tegangan tarik

dan tekan dari sandwich. Material yang biasa digunakan antara lain baja,

stainlesstel dan aluminium. Untuk kasus ini digunakan GFRP sebagai alternatif

pilihan, karena GFRP sangat mudah untuk diterapkan. GFRP dipilih karena

mempunyai karakteristik yang fleksibel dan dapat disesuaikan dengan kebutuhan.

2.4.2. Core

Core mempunyai beberapa fungsi penting diantaranya menjaga jarak

diantara dua permukaan agar selalu konstan. Core diusahakan kaku, tujuannya

untuk menjaga pergeseran antara permukaan atas dan permukaan bawah. Dengan

15

Page 12: kajian teori serat

demikian sandwich akan menahan beban bending secara bersama-sama antara

core dan lapisan permukaan. Jika core yang digunakan lemah tegangan gesernya,

permukaan sandwich tidak akan bersatu menjaga kekakuan. Pemilihan core yang

memenuhi beberapa keperluan sekaligus akan sangat sulit terpenuhi. Antara

tegangan tarik yang tinggi dan density yang rendah akan sulit terpenuhi pada

sebuah core. Sehingga seringkali hanya dipenuhi salah satu kebutuhan saja,

misalnya : kekuatan buckling, isolator, penyerapan air dan resistansi terhadap

bahan tertentu.

Material core yang biasa digunakan dalam pembuatan struktur sandwich antara

lain :

1. Kayu

Kayu merupakan material yang tersedia cukup banyak sekitar kita,

pengerjaan kayu relatif mudah, variasi mutu dan jenis juga cukup banyak.

Kayu mempunyai kekuatan yang baik dan berat jenis rendah, tetapi kayu

mempunyai permasalahan pada pelapukan karena cendawan dan mempunyai

daya serap yang cukup tinggi terhadap zat cair.

2. Struktur Honeycomb

Struktur ini merupakan kumpulan dari kisi-kisi hexagonal. Sandwich

denga core struktur honeycomb akan mempunyai kualitas yang cukup baik,

disampaing kekakuannya tinggi, berat jenisnya juga rendah.

Bahan yang sering digunakan sebagai material pembentuk struktur

honeycomb antara lain :

a. Kraft paper

16

Page 13: kajian teori serat

b. Plastic dengan penguatan serat

c. Aluminium

3. Polymer

Polymer merupakan gabungan dari beberapa bahan kimia dengan

komposisi dan perbandingan tertentu. Material polymer yang digunakan

sebagai core, bentuknya berupa foam dengan kepadatan yang bervariasi.

Jenis-jenis foam yang biasa digunakan sebagai core dalam pembuatan

sandwich antara lain :

Struktur Overexpended

Struktur ReinforcedStruktur Hexagon

Struktur Square

Struktur Underexpended

Gambar 2.5 Susunan Struktur Honeycomb

17

Page 14: kajian teori serat

a. Polysterene

Polysterene merupakan hasil penggabungan antara polyester dan

cairan vinyl ester. Massa jenisnya + 32 kg/m3, polysterene kurang baik

digunakan dalam aplikasi struktur sandwich kerena mempunyai

kekuatan yang rendah.

b. Polyuretane

Polyuretane mempunyai tingkat kekakuan dan massa jenis yang

bervariasi, tergantung pada komposisi campuran bahan pembentuknya.

Foam Polyuretane diproduksi dalam bentuk bantalan dengan ketebalan

bervariasi. Permasalahan yang seringkali muncul pada core

polyuretane adalah terjadinya kerapuhan dan berat jenis yang berbeda

dalam satu potongan.

c. Polyvinyl Clorida

Polyvinyl clorida mempunyai banyak kelebihan jika digunakan

sebagai material core pada komposit sandwich. Kelebihan tersebut

antara lain : sebagai isolator listrik dan panas, penyerapan terhadap

cairan yang rendah, tersedia dalam berbagai variasi jenis dan bentuk.

d. Polyamide

Polyamide mempunyai tingkat ketahanan terhadap temperatur

yang cukup tinggi dan bersifat fleksibel. Berat jenisnya 96 kg/m3,

bahan dasar pembentuk polyamide adalah silimide.

18

Page 15: kajian teori serat

2.5. Berat Jenis Komposit

Berat jenis/density suatu material merupakan perbandingan antara massa dan

volume dari material tersebut. Dalam menentukan berat jenis suatu benda yang

bentuknya beraturan dapat dengan mudah kita lakukan. Untuk benda dengan

bentuk yang tidak beraturan, dimana kita kesulitan untuk menentukan volumenya.

Kita dapat menghitung berat jenisnya dengan beberapa cara, antara lain :

1. Penimbangan

Sesuai hukum Archimedes bahwa berat benda di dalam air sama

dengan berat di udara dikurangi dengan gaya tekan ke atas yang diberikan

oleh air. Gaya tekan ke atas merupakan volume dari benda tersebut.

Dengan berat jenis air 1000 gr/m3 maka volume benda dapat kita hitung

dengan persamaan 2.1 dan 2.2 :

V = Wu – Wa ……………………………………..……………………………………………. (2.1)

………………………………………………………. (2.2)

2. Dengan menggunakan gelas ukur

Percobaan dengan gelas ukur dapat dilakukan dengan memasukan benda

kedalam gelas ukur yang berisi air. Volumenya dapat kita ketahui dengan

menghitung selisih volume sesudah dan sebelum benda dimasukan dalam air.

Cara ini hasilnya kurang akurat, terutama disebabkan karena pembacaan

volume yang kurang teliti untuk volume yang kecil.

19

Page 16: kajian teori serat

V = V1 – V2 ………………………………………………..………….. (2.3)

……………………………………………………………… (2.4)

2.6. Fraksi Volume Serat

Jumlah kandungan serat dalam komposit atau disebut fraksi volume serat

merupakan hal yang menjadi perhatian kusus pada komposit penguatan serat.

Fraksi serat sangat menentukan terhadap karakteristik komposit yang dibuat. Ada

beberapa cara untuk menghitung dan menganalisa fraksi serat pada komposit,

antara lain :

1. Secara langsung

Penghitungan volume serat dan volume matrik dilakukan pada saat proses

pembuatan yang dihitung secara terpisah. Dengan mengetahui volume

masing-masing maka fraksi volume serat dapat langsung kita tentukan

dengan persamaan 2.5.

……………………………………………………. (2.5)

Dengan persamaan 2.5 di atas, keberadaan void dalam komposit

diabaikan. Tetapi hal ini mempunyai kelemahan, terutama terjadi dalam

proses pembuatan, karena tidak semua material yang digunakan menjadi

komposit semua. Ada beberapa bagian, terutama resin yang terbuang karena

tercecer dan menempel pada alat yang digunakan. sehingga fraksi volume

yang di peroleh kurang akurat.

20

Page 17: kajian teori serat

2. Perbandingan massa jenis

Untuk melakukan penghitungan fraksi volume dengan perbandingan massa

jenis, kita harus mengetahui massa jenis dari komposit yang dibuat terlebih

dahulu. Hal ini dapat dilakukan dengan metode pada bagian 2.5 di atas.

Massa jenis serat dan matrik dapat diketahuai dari spesifikasi material yang

ada. Dengan diketahuinya faktor-faktor di atas maka fraksi volume dapat

ditentukan dengan persamaan 2.7. (Quinn, 1990)

……………………………………………………. (2.6)

3. Pemisahan matrik dan serat

Sebelum dilakukan pemisahan, komposit ditimbang terlebih dahulu

untuk mengetahui massanya. Pemisahan antara matrik dan serat dapat

dilakukan dengan cara melarutkannya kedalam asam, atau dengan cara

membakar komposit. Pembakaran pada suhu yang tinggi mengakibatkan

resin hilang dan serat glass yang tahan api akan tetap ada. Serat dapat

dihitung beratnya dengan melakukan penimbangan. Dengan diketahuinya

massa komposit dan massa serat maka massa matrik dapat ditentukan dengan

persamaan 2.7.

Wm + Wf = Wc

Wm = Wc - Wf ……………………………………………………. (2.7)

Dengan diketahuinya massa serat, massa matrik dan massa jenis masing-

masing, fraksi volume serat dapat diketahui dengan persamaan 2.8 (Quinn,

1990)

21

Page 18: kajian teori serat

serat =

…………………………………. (2.8)

Dengan adanya void pada komposit maka rumusan fraksi volume komposit

menjadi :

…………………………………………………. (2.9)

……………………………………………………. (2.10)

Fraksi void yang terjadi pada komposit GFRP dapat ditentukan dengan

persamaan 2.11. (Quinn, 1990)

………………… (2.11)

4. Analisa foto mikro

Dengan melakukan foto mikro pada penampang komposit maka akan

terlihat secara jelas perbedaan antara serat dan matrik. Kita dapat menghitung

jumlah serat pada luasan tertentu dan mengukur diameter beberapa serat

sebagai sampel untuk mengetahui luasan dari serat. Fraksi Volume dapat

ditentukan dengan membandingkan luas permukaan serat dengan luas

permukaan komposit yang difoto.

22

Page 19: kajian teori serat

Ac = n . Af + Am

Vc = l Ac

Vf = l n Af

………………………………………………... (2.12)

2.7. Kekuatan Bending

Untuk mengetahui kekuatan bending suatu material, dapat dilakukan

dengan pengujian bending terhadap material tersebut. Material komposit pada

umumnya mempunyai nilai modulus elastisitas bending yang berbeda dengan

nilai modulus elastisitas tariknya. Akibat pengujian bending, pada bagian atas

spesimen akan mengalami tekanan, dan bagian bawah akan mengalami tegangan

tarik. Material komposit kekuatan tekannya lebih tinggi terhadap tegangan

tariknya. Kegagalan yang terjadi akibat pengujian bending, komposit akan

mengalami patah pada bagian bawah yang disebabkan karena tidak mampu

menahan tegangan tarik yang diterima.

l

Gambar 2.6 Penampang melintang GFRP

23

Page 20: kajian teori serat

Kekuatan bending suatu material dapat ditentukan dengan persamaan 2.13

berikut ini (Cheng, 1997) :

………………..………………………………………. (2.13)

Pada balok biasa pusat sumbu netral berada pada tengah tengah dari balok,

kekuatan bending pada sisi bagian atas = kekuatan bending pada sisi bagian

bawah.

…………………..………………………………………. (2.14)

Jika defleksi maksimum yang terjadi lebih dari 10 % dari jarak antar

penumpu (L), kekuatan bendingnya dapat dihitung dengan persamaan 2.15 yang

lebih akurat daripada persamaan 2.14.

…………………………………………. (2.15)

Pada balok sandwich letak sumbu netral tidak berada tepat pada bagian tengah,

nilai modulus elastisitas untuk tiap material penyusunnya juga berbeda. Sehingga

kekuatam bending pada lapisan atas dan bawah akan berbeda.

Balok sandwich dapat diandaikan dengan balok satu jenis, tetapi mempunyai

profil bentuk yang berbeda sesuai dengan perbandingan mudulus elastisitasnya,

24

Page 21: kajian teori serat

Seperti terlihat pada Gambar 2.7

………………………………………………. (2.16)

Gambar 2.7 (a) Profil balok komposit sandwich, (b) Komposit menjadi balok dengan bahan satu jenis

Pusat sumbu netral dari Gambar 2.8 b dapat ditentukan dengan persamaan 2.17

…………………..………………………. (2.17)

Momen inersia total pada batang profil I pada Gambar 2.7 b dapat dirumuskan

dengan persamaan 2.18

…………………..………………………. (2.18)

kekuatan bending untuk masing-masing lapisan :

…….…………………..………………………. (2.19)

…………………..………………………. (2.20)

a b

25

Page 22: kajian teori serat

Nilai modulus elastisitas bending material flat dapat dirumuskan dengan

persamaan 2.21

…………..………………………………………. (2.21)

Penghitungan kekakuan bending (D) pada material flat biasa dapat dilakukan

secara langsung dengan mengalikan antara elastisitas bending (Eb) dan momen

inersia (I), atau dapat dirumuskan pada persamaan 2.22

………………………………………………………. (2.22)

Momen inersia untuk balok dapat selesaikan dengan persamaan 2.23

..……………………………………………………. (2.23)

Untuk material komposit gabungan jenis sandwich, perhitungannya tidak

dapat dilakukan dengan persamaan 2.22 di atas. Kekakuan bending komposit

sandwich merupakan penjumlahan dari kekakuan masing-masing lapisan

penyusunnya. Kekakuan bending komposit sandwich dapat kita rumuskan dengan

persamaan 2.24.

………………………………. (2.24)

Dimensi balok sandwich dapat kita lihat pada Gambar 2.8 berikut :

26

Page 23: kajian teori serat

Persamaan yang pertama dari persamaan 2.24 di atas, merupakan kekakuan

bending dari permukaan lapisan atas. Letaknya kira-kira berada pada pusat sumbu

permukaan lapisan atas. Persamaan kedua kira-kira berada pada pusat sumbu

lapisan bawah. Pada core-nya atau persamaan ketiga kekakuan bendingnya berada

pada sumbu potongan melintang.

Persamaan 2.24 di atas digunakan pada balok sandwich sederhana yang

kondisinya sama lapisan atas dan bawahnya. Jika balok dengan beberapa

kombinasi, salah satunya dengan plastic. Persamaan kekakuan bendingnya seperti

pada persamaan 2.25.

…………………………………………. (2.25)

Komposit sandwich dengan lapisan permukaan yang berbeda

bahan/ketebalannya, persamaan 2.25 di atas tidak dapat langsung kita pakai,

tetapi harus dilakukan beberapa perubahan. Prinsip dasar kekakuan bending balok

y3

bt2

t1

W

L/2 L/2

Gambar 2.8 Potongan penampang balok sandwich

y1

27

Page 24: kajian teori serat

sandwich (D) dengan lapisan permukaan yang berbeda bahan atau ketebalannya,

dapat kita rumuskan dengan persamaan 2.25.

………………………….(2.26)

Jika kekuatan bending pada lapisan permukaan tidak diperhitungkan,

persamaan 2.26 dapat kita sederhanakan kembali menjadi :

………………………………………………. (2.27)

Defleksi yang terjadi akibat pembebanan yang dilakukan pada bagian tengah

balok dapat digambarkan sebagai berikut :

Dari Gambar 2.9 b di atas dapat kita lihat bahwa deformasi yang terjadi

akibat pengujian bending pada balok dengan tumpuan sederhana. Titik a, b, c, d

a b c d e

a b c d e

L

Z

W

a b d

W2’

a b c d e

W

a

a

b

b

c

d

d

e

e

W

Gambar 2.9 Defleksi Pada Balok Sandwich

a) b)

c) d)

28

Page 25: kajian teori serat

dan e pada garis pusat lapisan permukaan, garis aa, bb, cc, dd dan ee terlihat

mengalami perputaran, tetapi berkas garis tengah pusat pembebanan sebagai titik

pusat defleksi, masih terlihat jelas tegak lurus terhadap sumbu pusat. Hal ini

memperlihatkan bahwa lapisan atas mengalami tekanan dan bagian bawah

mengalami tegangan tarik.

2.8. Kekuatan Impak

Kekuatan material terhadap beban kejut dapat diketahui dengan cara

melakukan uji impak terhadap material tersebut. Dengan uji ini akan diketahui

tingkat kegetasan material. Kekuatan impak material komposit rata-rata masih di

bawah kekuatan impak logam. Kekuatan impak sangat tergantung pada ikatan

antar molekul material yang bersangkutan. Semakin kuat ikatan antar molekulnya

maka akan semakin tinggi pula kekuatan impaknya.

Peralatan uji yang digunakan untuk pengujian impak ada dua jenis, yaitu

alat uji izot dan Charphy. Pengujian impak komposit dapat dilakukan dari arah

depan dan arah samping. Komposit sandwich mempunyai kelemahan pada

kekuatan impak, jika pengujian dilakukan melalui arah samping. Bagian ini

merupakan titik kritis dari sandwich, sehingga dalam desain suatu produk, bagian

samping sedapat mungkin dilindungi agar tidak terjadi kerusakan pada bagian ini.

Dalam melindungi bagian samping dapat dilakukan dengan menutupnya

menggunakan logam, sehingga beban tidak langsung mengenai bagian yang

lemah secara langsung. Penutupan dapat dilakukan seperti Gambar 2.10 berikut :

29

Page 26: kajian teori serat

Kegagalan material akibat pengujian impak antara lain :

Energi yang diserap oleh benda uji saat diberi beban kejut oleh pendulum

dapat diketahui dengan persamaan 2.28

………… (2.28)

Dengan mengetahui besarnya energi yang diserap oleh material maka

kekuatan impak benda uji dapat dihitung dengan teorema energi, sesuai

persamaan 2.29.

………………………………………………………. (2.29)

Dari persamaan 2.29 di atas, kita dapat mengetahui momen yang

diakibatkan oleh beban impak, sehingga kekuatan impaknya dapat diselesaikan

Komposit sandwichPenutup/logam

Gambar 2.10 Pemasangan logam penutup tepi sandwich

(a). Fracture (b). Tarik (c).Tekan (d). Delaminasi

Gambar 2.11 Karakteristik kegagalan akibat beban impak

30

Page 27: kajian teori serat

dengan persamaan 2.30, dibawah ini. Tegangan yang terjadi pada komposit

sandwich, dimana momen inersia untuk balok biasa dan balok sandwich sesuai

dengan persamaan 2.23 dan 2.18. dapat dirumuskan dengan persamaan 2.31

………………………………………………… (2.30)

…………………………………………………. (2.31)

31