KETANGGUHAN RETAK DAN KEKUATAN IMPAK KOMPOSIT

POLITEKNOSAINS VOL. XIII NO. 1

Maret 2014

KETANGGUHAN RETAK DAN KEKUATAN IMPAK KOMPOSIT EPOXY-SERBUK KARET BAN BEKAS 1)

1) dan 2)

Y. Suyoko, 2) Kurniawan Joko Nugroho

Jurusan Teknik Mesin Politeknik Pratama Mulia Surakarta E-mail : [email protected]

ABSTRACT This study aims to determine the mechanical properties of fracture toughness and impact strength of epoxy - powder composite rubber tires. The material is used as an epoxy resin matrix product Eposchon PT . Justus Chemical Kingdom and the amplifier material is scrap tire rubber powder particles with a mesh size of 40 passes . Composites made with conventional methods of scrap tire rubber powder which is mixed in with the epoxy resin weight fraction of the variation of 0 % , 5 % , 10 % and 15 % . Each composition is mixed with a mechanical stirrer at 500 rpm and a temperature of 40 ° C for 15 min . At last minute added hardener (catalyst) . The mixture was then poured on the mold for further processing in a curing oven at a temperature of 50 ° C for 2 hours . Later in the impact test specimens and fracture toughness according to the standard ASTM D256 and ASTM D5045 . The results show that an increase in impact strength and fracture toughness at all adding weight fraction of used tire rubber powder . The largest increase occurred in the addition of 15 % weight fraction , which increases the impact strength of 17.34 % ( 62.27 kJ/mm2 ) and fracture toughness increased 327.87 % ( 1.60 Mpa.m1 / 2). Keywords : Composite polymers , epoxy resins , rubber powder Pendahuluan Rekayasa material terus dilakukan manusia guna mendapatkan material baru yang memiliki sifat-sifat tertentu yang umumnya tidak ditemukan pada material tunggal seperti logam, keramik dan polimer. Kombinasi antara dua atau beberapa material tunggal diharapkan mampu mengurangi keterbatasan sifat masing-masing material Ketangguhan Retak dan Kekuatan . . .

penyusunnya. Komposit partikulat terdiri dari fasa matrik yang diperkuat dengan fasa dispersi dalam bentuk partikel. Penguat dianggap sebagai partikel jika seluruh dimensinya secara kasar sama. Resin epoxy merupakan salah satu material thermoset yang dibentuk melalui reaksi kimia nonreversible dimana campuran mudah dan cepat mengeras pada 59

POLITEKNOSAINS VOL. XIII NO. 1

temperatur 5°C sampai 150°C. Resin epoxy memiliki beberapa kelebihan diantaranya adalah tahan aus, tahan unsur kimia, penyusutan rendah, tahan terhadap fatik dan creep, kemampuan adhesi baik sekali dan mudah dibentuk. Kekurangan pada resin epoxy antara lain bersifat getas, sensitif terhadap takik (notch), kekuatan rendah, keterbatasan temperatur operasi (≈200°C), mudah menyerap uap air, koefisien ekspansi thermal tinggi. Aplikasi resin epoxy digunakan secara luas pada bidang transportasi, bidang olah raga, bidang kedokteran dan peralatan umum [2] Tyre rubber adalah bentuk lain dari karet alam yang dihasilkan sebagaibarang setengah jadi sehingga bisa langsung dipakai oleh konsumen, baik untuk pembuatan ban atau barang yang menggunakan bahan baku karet alam lainnya. Tyre rubber juga memiliki kelebihan pada daya campurnya yang baik sehingga mudah digabungkan dengan karet sintetis [3]. Limbah karet berupa ban bekas membutuhkan waktu yang cukup lama saat terdekomposisi oleh mikro-organisme yang hidup di alam, sehingga penumpukan dalam jumlah yang besar akan menimbulkan masalah lingkungan. Asosiasi Perusahaan Ban Indonesia (APBI) menyatakan bahwa produksi ban roda dua pada Januari-Desember 2011 mencapai Ketangguhan Retak dan Kekuatan . . .

Maret 2014

42 juta unit. APBI menargetkan petumbuhan penjualan ban di dalam negeri untuk tahun depan akan mencapai 54 juta unit [4]. Jumlah ban bekas pada satu atau dua tahun ke depan akan bertambah sebesar produksi ban pada tahun ini. Keterbatasan yang nyata dari matrik epoxy karena bersifat getas dan kekuatannya yang rendah dapat diatasi dengan penambahan serbuk karet ban bekas sebagai filler dalam ukuran mikro. Pembuatan komposit ini diharapkan menjadi produk inovatif baru sebagai salah satu cara mengatasi masalah lingkungan sekaligus menjadi material alternatif yang ringan dan kuat sebagai pengganti material logam pada berbagai aplikasi di bidang rekayasa. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh kandungan serbuk karet ban bekas terhadap ketangguhan retak dan kekuatan impak komposit epoxyserbuk karet ban bekas. Metodologi Penelitian Bahan filler yang digunakan dalam penelitian ini adalah serbuk karet ban bekas dengan ukuran lolos 40 mesh. Resin epoxy Eposchon A

dan hardener Eposchon B produk PT. Justus Kimia Raya digunakan sebagai matrik. Peralatan yang digunakan adalah cetakan komposit, timbangan digital, mechanical stirrer, kompor listrik, oven, 60

POLITEKNOSAINS VOL. XIII NO. 1

mikroskop, mesin uji bending dan mesin uji impak. Tahapan penelitian dilakukan dengan pembuatan serbuk karet dari bagian ban luar bekas yang tidak mengandung kawat baja atau benang nilon dengan alat kikir. Serbuk karet yang dihasilkan kemudian disaring dengan ayakan ukuran 40 mesh. Serbuk karet dengan fraksi berat 5% dicampur dengan resin epoxy menggunakan mechanical stirrer pada putaran 500 rpm sambil dipanaskan pada suhu 40°C selama 15 menit. Hardener dimasukkan ke dalam campuran dengan putaran yang diturunkan menjadi 100 rpm selama 1 menit. Campuran dituang ke dalam cetakan. Proses curing dilakukan di dalam oven listrik pada 50°C selama 2 jam. Jumlah minimal spesimen untuk setiap satu variabel pengujian menurut standar ASTM adalah lima buah. Pengulangan proses pembuatan komposit dengan fraksi berat serbuk karet sebesar 15% dan 25%. Untuk fraksi berat 0%, campuran hanya terdiri dari resin epoxy dan hardener. Uji ketangguhan retak pada kondisi plane-strain, menggunakan spesimen single edge notch bend (SENB). Ketangguhan retak mode I menggunakan spesimen SENB diberikan dalam persamaan berikut [5]

Ketangguhan Retak dan Kekuatan . . .

Maret 2014

Dengan catatan P adalah beban kritis untuk perambatan retak (N), S adalah jarak antar tumpuan (m), a adalah panjang retak awal (m), B adalah tebal spesimen (m) dan W adalah lebar spesimen (m).

Gambar 1. Skema uji ketangguhan retak dengan spesimen SENB [6] Uji kekuatan impak Charpy digunakan untuk mengetahui kemampuan material saat menyerap energi sebelum patah. Energi yang diserap material dihitung dengan persamaan [7]

Dengan catatan m adalah massa pendulum (kg), g adalah percepatan gravitasi, L adalah panjang lengan (m), h0 adalah tinggi awal pendulum, h1 adalah tinggi akhir pendulum (m), sudut α adalah sudut awal lengan (°), dan sudut β adalah sudut akhir lengan (°). Kekuatan impak secara normal dihitung dengan persamaan [7] 61

POLITEKNOSAINS VOL. XIII NO. 1

)

Hasil dan Pembahasan Uji ketangguhan retak dilakukan untuk mengetahui kemampuan material menahan perambatan terhadap retak awal yang sengaja diberikan. Pengujian dilakukan dengan spesimen Single Edge Notch Bend (SENB) dan metode Three Point Bending sesuai standar ASTM D5045. Dari pengujian ini didapat beban maksimum yang mampu diterima spesimen sebelum patah. Hasil perhitungan untuk masingmasing penambahan fraksi berat serbuk karet diberikan dalam Tabel 1 dan disajikan dalam bentuk grafik seperti Gambar 2.

penambahan fraksi berat serbuk karet. Peningkatan ketangguhan retak pada penambahan 5%, 10% dan 15% fraksi berat masingmasing adalah 21,62% (0,45 MPa.m1/2), 45,95% (0,54 1/2 MPa.m ) dan 332,43% (1,60 MPa.m1/2). 1.6 KIC rata-rata (MPa.m1/2)

(

Maret 2014

1.2 0.8 0.4 0 0

5

10

15

Fraksi Berat Serbuk Karet (%)

Tabel 1. Hasil uji retak Fraksi berat No serbuk karet (%) 1 0 2 5 3 10 4 15

ketangguhan Ketangguhan Retak (MPa.m1/2) 0,37 0,45 0,54 1,60

Tabel 1 dan Gambar 2 menunjukkan pengaruh penambahan fraksi berat serbuk karet terhadap ketangguhan retak komposit epoxy-serbuk karet ban bekas, dimana hasil uji ketangguhan retak memiliki kecenderungan naik pada semua Ketangguhan Retak dan Kekuatan . . .

Gambar 2. Kurva pengaruh fraksi berat serbuk karet terhadap ketangguhan retak komposit epoxy-serbuk karet ban bekas. Uji impak dilakukan untuk mengetahui ketangguhan material saat menerima beban secara tibatiba yang diwujudkan pada kemampuan material untuk menyerap energi sebelum patah. Pengujian dilakukan dengan metode Charpy sesuai standar ASTM D256. Hasil perhitungan untuk masing-masing penambahan fraksi berat serbuk karet diberikan dalam Tabel 2 dan disajikan dalam bentuk grafik seperti Gambar 3. 62

POLITEKNOSAINS VOL. XIII NO. 1

Tabel 2. Hasil uji kekuatan impak Fraksi berat Kekuatan Impak No serbuk karet (kJ/m2) (%) 1 0 53,07 2 5 58,45 3 10 60,64 4 15 62,27

Maret 2014

0%

5% Kekuatan impak (kJ/mm2)

64

62 60 58 56 54

10%

52 0

5

10

15

Fraksi berat serbuk karet (%)

Gambar 3. Kurva pengaruh fraksi berat serbuk karet terhadap kekuatan impakkomposit epoxyserbuk karet ban bekas Tabel 2 dan Gambar 3 menunjukkan hasil uji impak yang memiliki kecenderungan naik pada semua penambahan fraksi berat serbuk karet. Peningkatan kekuatan impak pada penambahan 5%, 10% dan 15% fraksi berat serbuk karet masing-masing adalah 10,14% (58,45 kJ/m2), 14,26% (60,64 kJ/m2) dan 17,34% (62,27 kJ/m2). Ketangguhan Retak dan Kekuatan . . .

15%

Gambar 4. Fotomakro penampang patah spesimen

63

POLITEKNOSAINS VOL. XIII NO. 1

Serbuk karet akan memuai seiring peningkatan suhu sehingga saat resin mengeras dan komposit menjadi lebih dingin maka serbuk karet juga akan menyusut. Hal tersebut menyebabkan ikatan antarmuka antara resin dengan serbuk karet menjadi lemah. Seiring peningkatan fraksi berat serbuk karet dalam matrik epoxy maka rongga yang terbentuk dalam komposit akan semakin sedikit sehingga komposit akan lebih kuat saat menerima beban. Penampang patah yang terlihat pada Gambar 4 untuk fraksi berat 5%, 10% dan 15% menunjukkan bahwa rongga yang terbentuk akan semakin berkurang seiring pertambahan fraksi berat serbuk karet. Sifat elastis karet berrpengaruh terhadap komposit saat menerima beban, hal ini ditunjukkan dari bentuk patahan yang lebih tidak beraturan dibanding bentuk patahan resin epoxy yang tidak diperkuat serbuk karet. Penampang patah berkilat pada Gambar 4 dengan fraksi berat 0% menunjukkan jenis patahan yang terjadi adalah patah getas. Kesimpulan Berdasarkan hasil penelitian dan pembahasan, dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut : 1. Peningkatan terbesar kekuatan impak dan ketangguhan retak komposit epoxy-serbuk karet ban bekas dicapai pada penambahan 15% fraksi berat serbuk karet berturut-turut Ketangguhan Retak dan Kekuatan . . .

Maret 2014

sebesar 62,27 kJ/m2 dan 1,60 MPa.m1/2. 2. Struktur makro patahan spesimen uji menunjukkan bahwa komposit tanpa serbuk karet mengalami patah getas. 3. Serbuk karet akan berperan dalam membelokkan arah retak sehingga bentuk patahan komposit dengan serbuk karet cenderung tidak beraturan. Daftar Pustaka ASM Internatonal. 2001. Composites, Vol 21. Harper, CA. 2000. Modern Plastics and Modern Plastics Handbook. New York: McGraw-Hill Companies. http:/industrikaret.com http:/kontan.co.id Hertzberg, R. W., 1989, “Deformation and Fracture Mechanics of Engineering Materials”, John Wiley & Sons, Inc. Broek,D., 1982, “Elementary Engineering Fracture Mechanics”, Martinus Nijhoff Publisher. Callister Jr, WD. 2007. Materials Science and Engineering an Introduction. New York: John Wiley & Sons.

64