PENGUJIAN SIFAT MEKANIS KOMPOSIT SERBUK KAYU DAN PLASTIK HIGH DENSITY POLYETHYLENE ( HDPE) Aryo Satito Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Semarang Jl. Prof. H. Sudarto, SH., Tembalang, Kotak Pos 6199, Semarang 50329 Telp. 7473417, 7499585, 7499586 (Hunting), Fax. 7472396 Abstract Dalam penelitian terapan ini limbah serbuk gergajian kayu dan limbah plastik dipadukan dengan menggunakan metode liquid phase sintering. Metode ini dapat diterapkan karena plastik daur ulang HDPE HDPE memiliki temperatur leleh 170 °C yang lebih rendah dibandingkan temperatur nyala kayu 450°C. Variabel nisbah antara limbah serbuk gergajian kayu dan limbah plastik daur ulang jenis HDPE adalah 50:50; 60:40; dan 70:30 dalam % berat komposit. Temperatur sintering ditentukan 170°C pada tekanan kompaksi spesimen sebesar 100 MPa;250MPa dan 350 MPa dengan waktu penahanan selama 5 menit.. Kedua bahan baku tersebut dihancurkan sampai pada ukuran butiran ASTM mesh 60, mesh 70, dan mesh 80. Pengujian dilakukan terhadap kekuatan tarik, ketangguhan dan kekuatan geser komposit . Dari pengujian kekuatan tarik diperoleh nilai rata-rata sebesar 20,5 MPa; 15,2 MPa; dan 12,6 MPa. Kekuatan impak komposit adalah 54 J/m; 48 J/m dan 34 J/m. Kekuatan geser komposit adalah 6,7 MPa; 5,1 MPa dan 4,2 MPa. Masing-masing untuk komposisi dengan kandungan plastik sebesar 50%; 40% dan 30%. Penampilan visual terbaik dicapai oleh komposit dengan komposisi 70% kayu dan 30% plastik.
Kata kunci : “liquid phase sintering”, “HDPE”,”nisbah”, “kompaksi”.
pemakaian material plastik adalah terus meningkatnya jumlah limbah plastik di alam. Teknologi komposit yang terus berkembang Dan seperti diketahui, limbah plastik dewasa ini ternyata mampu mengatasi merupakan material yang tidak dapat permasalahan yang timbul pada saat terdekomposisi oleh mikroorganisme pengurai. mencampurkan dua jenis atau lebih material Dengan demikian, penumpukan limbah plastik dengan karakter berbeda dan tidak mungkin di alam dipastikan akan menimbulkan masalah dapat dilakukan secara alamiah. Dengan pencemaran lingkungan. teknologi ini, material logam akan dapat Dalam penelitian terapan ini diupayakan dicampurkan dengan material nonlogam pemanfaatan limbah kayu yang berupa serbuk dengan baik, demikian juga dengan material gergajian dan limbah plastik yang dapat didaur sintetis dan material alami. Walaupun hasil ulang sebagai sebuah material baru dalam pencampuran kedua jenis material ini tidak bentuk komposit plastik dan kayu. Hal ini terpadu secara sempurna, tetapi seringkali sifat dapat dilakukan dengan mengaplikasikan material komposit hasil penggabungan jauh teknologi liquid phase sintering . Teknologi ini lebih baik daripada sifat material awal. pada umumnya digunakan untuk Limbah kayu yang dihasilkan industri menggabungkan 2 jenis material atau lebih penggergajian kayu terdiri dari bagian kulit yang secara alami tidak dapat dipadukan. (Jawa: sebretan) sebesar 20 %, potongan kecil Syarat utama dalam pengaplikasian teknologi sebesar 14 %, dan serbuk gergajian yang liquid phase sintering ini adalah salah satu mencapai 11 % (Purwanto, dkk. 1994). Serbuk material harus memiliki temperatur leleh gergajian pada umumnya hanya dibakar atau (melting temperatur ) yang lebih rendah. dibuang begitu saja. Karena plastik daur ulang rata-rata memiliki Pada sisi yang lain, kebutuhan akan material temperatur leleh hanya sebesar < 200°C yang berbahanbaku plastik terus meningkat. jauh lebih rendah dibandingkan temperatur Konsekuensi dari semakin banyaknya 130 1. Pendahuluan
nyala kayu 450°C, maka teknologi liquid phase sintering dapat diterapkan dalam penelitian ini. Dalam penelitian ini variabel nisbah ( ratio) antara limbah serbuk gergajian kayu dan limbah plastik daur ulang adalah 50:50; 60:40; dan 70:30 dalam % berat komposit. Sedangkan temperatur sintering ditentukan 170°C. Tekanan kompaksi spesimen ditetapkan sebesar 100 MPa dengan waktu penahanan tekanan dan pemanasan selama 5 menit. Penelitian yang menggabungkan kayu dengan berbagai jenis termoplastik telah dilakukan oleh beberapa peneliti, antara lain : Okamoto, dkk (2000),Stark dan Rowland (2002), Setyawati (2003), Gardner dan Murdock (2004), Min dan Shuai (2007), dan Rude (2007), Okamoto dkk, (2000) melakukan penelitian tentang kemampuan kedap air dari komposit yang terbuat dari berbagai jenis serat kayu dan aneka polimer termoplastik termoplasti k seperti polymethylmethacrylate (PMMA), polyvinyl chloride (PVC), and polystyrene (PST) sebagai matriks yang ditambah dengan tepung kayu yang diproses dengan steam explode (SE) untuk menghilangkan lignin dan hemiselulosa pada kayu. Hasilnya adalah semakin besar kandungan tepung kayu SE, kemampuan kedap air semakin menurun. Sedangkan Stark dan Rowland (2002), meneliti tentang efek karakteristik serat kayu dan tepung kayu sebagai pengisi (filler) terhadap sifat mekanis pada komposit kayu dan polypropylene (PP). Hasilnya pada nisbah (ratio) antara tepung kayu ataupun serat kayu dan polypropylene sebesar 80:20 lebih baik sifat mekanisnya dibandingkan pada nisbah 60:40. Setyawati (2003) melakukan penelitian tentang sifat fisik dan mekanis dari komposit kayu dan limbah plastik PP dengan variabel ukuran butiran pengisi ataupun matriks dengan penambah material stabilyzer MAH sebesar 2,5 %. Hasil dari penelitian ini menunjukkan bahwa semakin kecil ukuran partikel pengisi 131
maka sifat mekanis maupun sifat fisik komposit akan meningkat. Hasil paling optimum dicapai oleh komposit dengan nisbah serbuk kayu dan matriks PP sebesar 50:50. Gardner dan Murdock (2004) meneliti sifat mekanis komposit kayu dan matriks plastik ( polyethylene, polypropylene, dan polyvinylchloside) apabila komposit dibuat dengan menggunakan metoda ekstrusi. Hasilnya adalah komposit dengan matriks polimer polyvinylchloride sebesar 35% dan serbuk kayu 65% menunjukkan sifat mekanis tertinggi. Demikian juga dengan apa yang dilakukan oleh Villechevrolle (2008) juga meneliti sifat mekanis dan sifat fisik komposit apabila dibuat dengan menggunakan metoda ekstrusi 2 tahap. Beberapa penelitian juga telah dilakukan untuk mengkaji efek kontak permukaan butiran serbuk kayu sebagai pengisi dan polimer sebagai matriks, mengingat kedua material dasar komposit memiliki sifat yang berbeda, misalnya kayu memiliki sifat hydrophilia atau menyerap air sedangkan plastik pada dasarnya memiliki sifat hydrophobia atau tidak menyerap air. Untuk menjembatani perbedaan sifat dasar itu, dalam komposit lazim digunakan zat aditif ( coupling agent ) yang berfungsi menghubungkan keduanya. Dalam hal ini Min dan Shuai (2007) meneliti pengaruh maleic anhydride dan isocynate sebesar 2% pada komposit. Hasil dari penelitian ini adalah penggunaan maleic anhydride pada komposit menghasilkan sifat fisik dan sifat mekanis yang lebih unggul. Sedangkan apa yang dilakukan oleh Rude (2007) adalah mengevaluasi sifat mekanis komposit dengan melakukan penammaterial coupling agent dengan pelumas ( lubricant agent ). ). Hasilnya adalah penggunaan zat pelumas zinc stearate akan memperbaiki kualitas permukaan komposit sehingga koefisien gesek permukaan komposit akan menurun. Dari tinjauan pustaka yang telah diuraikan diatas, terlihat bahwa proses pembentukan
komposit pada umumnya menggunakan metode ekstrusi. Selain daripada itu, material matriks yang digunakan adalah polyprophylene (PP) dan polyvinylchloride (PVC) yang seluruhnya menggunakan virgin material atau material baru. Oleh karena itu, perlu dilakukan penelitian yang menggunakan material matriks polyethylene (PE) mengingat volume penggunaan polimer PE dengan densitas tinggi, high density polyethylene (HDPE) sangat dominan di Indonesia atau sebesar 62 % dari total penggunaan berbagai polimer yang digunakan (BPS, 2007) 2. Metode Penelitian Bahan
a. Material yang digunakan Limbah serbuk gergajian kayu yang digunakan adalah serbuk gergajian kayu jenis kalimantan (kamfer, keruing, dan meranti) yang ada di pasaran, sedangkan untuk limbah plastik daur ulang digunakan limbah plastik peralatan rumahtangga yang pada umumnya bermaterialbaku plastik jenis HDPE ( High Density Polyethylene). Kedua material baku tersebut dihancurkan sampai pada ukuran butiran ASTM mesh 60, mesh 70, dan mesh 80.
b. Komposisi campuran material Pencampuran material menggunakan fraksi volume dari masing-masing material baku yang dalam penelitian ini ditentukan : 1) Serbuk gergajian kayu 50 % berat dan limbah plastik 50 % berat 2) Serbuk gergajian kayu 60 % berat dan limbah plastik 40 % berat 3) Serbuk gergajian kayu 70 % berat dan limbah plastik 30 % berat c. Pembuatan spesimen Spesimen komposit dibuat dengan metode hot compaction dengan menggunakan peralatan hot press pada tekanan 100 MPa, sedangkan proses liquid phase sintering dilakukan pada temperatur 170°C dengan laju pemanasan 10 °C/menit. Waktu penahanan ( holding time) pada temperatur sinter adalah 5 menit. Bentuk spesimen uji mengacu pada standar ASTM D63 D638-02 8-02 untuk uji kekuatan tarik, standar ASTM D256-02, 2003 untuk uji kekuatan impak dan standar ASTM D 790-02, 2003 untuk uji kekuatan geser.
Gambar 3. Cetakan spesimen uji tarik komposit sta tand ndar ar ASTM D63 D638802 Gambar 1. Serbuk gergajian kayu
Gambar 2. Serbuk limbah plastik HDPE
Gambar 4. Cetakan Cetakan panel komposit untuk uji impak dan uji geser
132
3. Hasil dan Pembahasan 3.1. Spesimen komposit kayu plastik
Spesimen uji tarik dan uji impak dari komposit kayu plastik dalam berbagai kombinasi komposisi masing-masing dibuat dengan liquid phase sintering . metode Hasil pembuatan specimen dapat dilihat pada tabel berikut. Tabel 1. Hasil Pembuatan Spesimen Komposit Kayu Plastik.
Gambar 5. Peralatan hot press
d. Pengujian spesimen komposit Spesimen komposit selanjutnya akan diuji sifat mekanisnya yang meliputi kekuatan tarik, ketangguhan dan kekuatan geser. Dengan menggunakan mesin uji universal dan peralatan uji impak seperti pada gambar di bawah.
Komposisi : serbuk kayu 50% serbuk plastik 50% Temperatur proses proses : 170°C Tekanan : 100 MPa Hasil :
Komposisi
: serbuk kayu 60% serbuk plastik 40% Temperatur proses : 170°C Tekanan : 100 MPa Hasil :
Komposisi
: serbuk kayu 70% serbuk plastik 30% Temperatur proses : 170°C Tekanan : 100 MPa Hasil : Gambar 6. Universal testing testing machin machin Tarno Gorcky
3.2. Pembahasan Hasil Spesimen Komposit
Gambar 7. Mesin uji kekuatan Armfield Bench Type
133
impak
Pembuatan
Dari hasil pembuatan specimen dengan komposisi seperti terlihat di Tabel 1 di atas dapat dilihat bahwa komposit dengan material 50 % serbuk plastik HDPE memiliki tampilan yang kurang baik. Pada komposisi ini tampilan serbuk kayu terlihat tenggelam pada plastik, sehingga keunikan kayu tidak tampak.
Untuk komposisi serbuk plastik 40 % , tampilan specimen menunjukkan hasil yang terbaik. Pada komposisi ini serbuk kayu terlihat lebih menonjol dan tidak terlepas dari specimen. Sedangkan untuk komposisi plastik 30 %, specimen menunjukkan tampilan yang buruk, karena serbuk kayu sangat mudah terlepas dari specimen. sehingga permukaan specimen tampak kasar. 3.3. Hasil Uji Tarik Spesimen Komposit Kayu Plastik
komposit kayu palstik, sehingga kekuatan tarik yang tertinggi bukan merupakan tujuan utama. 3.5. Hasil Uji Kekuatan Impak Spesimen Komposit Kayu Plastik.
Untuk menguji kekuatan impak specimen komposit, perlu dibuat lembaran panel komposit kayu plastik dengan menggunakan cetakan panel seperti tampak pada Gambar 8 dengan hasil panel komposit seperti pada gambar di bawah
Spesimen dengan komposisi seperti dalam Tabel 1 di atas diuji kekuatan tegangan tariknya dengan menggunakan mesin uji universal Tarno Gorcky. Hasil pengujian dapat dilihat pada Tabel 2 berikut. Tabel 2. Hasil Uji Tarik Komposit Kayu Plastik
1 2
Komposisi Kayu Plastik 50 % 50 % 60 % 40 %
3
70 %
No.
30 %
Tegangan tarik rata-rata 20,5 MPa 15,2 MPa
12,6 MPa
3.4. Pembahasan Hasil Uji Tarik Spesimen Komposit Kayu Plastik
Dari hasil pengujian kekuatan tarik specimen dengan komposisi seperti terlihat di Tabel 2 di atas dapat dilihat bahwa komposit dengan material 50 % serbuk plastik HDPE memiliki kekuatan tarik terbesar, yaitu 20,5 MPa. Untuk komposisi serbuk plastik 40 % , kekuatan tarik menunjukkan 15,2 MPa. Sedangkan untuk komposisi plastik 30 %, specimen memiliki kekuatan yang terendah yaitu 12,6 MPa. Hal ini menunjukkan bahwa semakin besar komposisi kandungan plastik pada komposit akan menaikkan kekuatan tariknya. Tetapi salah satu tujuan dari penelitian ini adalah mendapatkan sebuah komposisi yang optimal antara kekuatan dan tempilan permukaan
Gambar 8. Hasil Panel Komposit Kayu Plastik Ukuran 200 x 90 x 10 mm
Lembaran panel komposit seperti pada Gambar 8 di atas kemudian dipotong sesuai ukuran spesimen uji AST ASTM M D 256-02,2003 untuk kemudian diuji kekuatan impaknya. Hasil uji kekuatan impak komposit dapat dilihat pada tabel di bawah. Tabel 3. Hasil Uji Impak Impak Komposit No. 1 2 3
Komposisi Kayu 50 % 60 % 70 %
Plastik 50 % 40 % 30 %
Kekuatan Impak Komposit rata-rata 54 J/m 48 J/m 34 J/m
3.6. Pembahasan Hasil Uji Kekuatan Impak Spesimen Komposit Kayu Plastik.
Dari hasil pengujian kekuatan impak specimen dengan komposisi seperti terlihat di Tabel 5.3 di atas dapat dilihat bahwa komposit dengan material 50 % serbuk plastik HDPE memiliki 134
kekuatan tarik terbesar, yaitu 54 J/m. Untuk komposisi serbuk plastik 40 % , kekuatan impak menunjukkan 48 J/m. Sedangkan untuk komposisi plastik 30 %, specimen memiliki kekuatan impak yang terendah yaitu 34 J/m. Hal ini menunjukkan bahwa semakin besar komposisi kandungan plastik pada komposit akan menaikkan kekuatan impaknya.
3.9. Pembahasan Umum
Pengujian kekuatan geser komposit dilakukan dengan menggunakan metode ASTM D 79002, 2003. Cara pembuatan specimen uji geser adalah memotong lembaran panel komposit menjadi potongan-potongan specimen uji sesuai standar. Sedangkan untuk hasil uji kekuatan geser komposit dapat dilihat pada Tabel 4 berikut.
Meskipun hasil pengujian secara keseluruhan menunjukkan bahwa semakin tinggi komposisi plastik dalam komposit akan menaikkan kekuatan komposit, tetapi dalam penelitian terapan ini kekuatan maksimal bukanlah tujuan utama. Yang terpenting dalam penelitian ini adalah mendapatkan suatu cara pembuatan komposit kayu plastik dengan hasil yang optimal. Tingkat optimal dalam penelitian ini dicapai dari tampilan yang paling menarik secara fisik. Hal ini dikarenakan komposit kayu palstik ini dibuat untuk menggantikan peran kayu alami. Oleh karena itu, ditetapkan bahwa komposit dengan komposisi kandungan plastik sebesar 30 % yang dibuat dengan temperatur sintering 170 °C dan ditekan pada tekanan 100 MPa merupakan komposit kayu plastik terbaik.
Tabel 4. Hasil Uji Kekuatan Geser Komposit
4. Kesimpulan
3.7. Hasil Uji Kekuatan Geser Spesimen Komposit Kayu Plastik
Komposisi No. 1 2 3
Kayu
Plastik
50 % 60 % 70 %
50 % 40 % 30 %
Tegangan
Kekuatan Tegangan Geser Komposit rata-rata 6,7 MPa 5,1 MPa 4,2 MPa
3.8. Pembahasan Hasil Uji Kekuatan Geser Spesimen Komposit Kayu Plastik
Dari hasil pengujian kekuatan geser specimen dengan komposisi seperti terlihat di Tabel 4 di atas dapat dilihat bahwa komposit dengan material 50 % serbuk plastik HDPE memiliki kekuatan geser terbesar, yaitu 6,7 MPa. Untuk komposisi serbuk plastik 40 % , kekuatan geser menunjukkan 5,1 MPa. Sedangkan untuk komposisi plastik 30 %, specimen memiliki kekuatan geser yang terendah yaitu 4,2 MPa. Hal ini menunjukkan bahwa semakin besar komposisi kandungan plastik pada komposit akan menaikkan kekuatan impaknya. 135
Dari serangkaian kegiatan pelaksanaan Program Penelitian Terapan Tahun 2010 yang telah dilakukan dapat disimpulkan sebagai berikut: 1. Komposisi yang paling baik untuk membuat komposit kayu plastik dengan metode liquid phase sintering adalah 70 % kayu dan 30 % plastik. 2. Proses pembuatan komposit dilakukan dengan cara hot press pada tekanan 100 MPa dan temperatur 170 °C. Hasil penelitian terapan berupa komposit kayu plastik diyakini akan dapat menjadi material alternative dengan nilai ekonomi yang baik. 5. Daftar Pustaka
ASTM D 638, 2003, Standard Test Methode for Tensile Properties of Plastik, American Society for Testing Materials, Philadelphia, PA ASTM D 790, 2003, Standard Test Methode for Flexure Properties of Plastik,
Industri . American Society for Testing Badan Penelitian dan Materials, Philadelphia, PA Pengembangan Industri. Departemen ASTM D 256, 2003, Standard Test Methode Perindustrian. Banjar Baru. for Determining Charpy Impact Rude, E. F., 2007, Evaluation of Coupling Strength of Plastik, American Society Mechanisms in Wood Plastik Composites., (Thesis), Department for Testing Materials, Philadelphia, Department of Min, X.U., and Shuai, L.I.,2007, Impact of Mechanical and Materials Coupling Agent on Properties of Engineering., Washington State Wood-Plastik Composites, Higher University Education Press and Springer-Verlag Setyawati,D. 2003 ., Sifat Fisis dan Mekanis Okamoto, T., Takatani, M., Kitayama. Komposit Serbuk Kayu Plastik T.,2000., Wood-Plastik Composite Polipropilena Daur Ulang. [Thesis]. Program Added with Steam-Exploded Wood Pascasarjana Institut Pertanian Bogor. Flour , 3rd International Wood and Bogor Natural Fibre Composites Stark, N.M., and Rowlands, R.E.,2002., Effect ofWood Fiber Characteristic on Symposium, Kassel, Germany. Mechanical Properties Purwanto D, Samet, Mahfuz, dan Sakiman. Wood/Polypropylene 1994., Pemanfaatan Limbah Industri and Fiber Kayu lapis untuk Papan Partikel Composites., Wood Science.,Vol.35-2003 Buatan secara Laminasi. DIP Proyek Penelitian dan Pengembangan
136
af
