6
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Komposit
2.1.1 Definsisi Komposit
Menurut Widodo (2008) didalam Silitonga (2015) komposit merupakan
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 penggabungan tersebut menghasilkan
material komposit yang memiliki sifat mekanik dan karakteristik yang berbeda dari
material penyusunnya.
Fahmi, H. (2014) dalam Pradica (2015) mengatakan komposit menjadi
alternatif pengganti logam, hal ini dipengaruh oleh sifat komposit serat yang kuat
dan mempunyai berat yang relatif ringan bila dibandingkan dengan logam.
Menurut Oroh (2013) untuk meningkatkan kekuatan mekanik diberikan bahan
pengisi (filler) berupa serat ataupun serbuk.
Komposit yang sering digunakan atau paling banyak digunakan adalah
komposit dengan berpenguat (filler) serat. Hal ini dikarenakan serat sebagai
penguat memiliki keuntungan diantaranya adalah sebagai berikut :
1. Perbandingan ukuran panjang dan diameter yang besar. Hal ini
menggambarkan bila digunakan sebagai penguat (filler) komposit, maka
serat (fiber) akan memiliki luas dengan matrik dibandingkan bila dengan
menggunakan penguat lain;
2. Densitas serat yang rendah sehingga memiliki sifat mekanik spesifik
yang tinggi; dan
7
3. Pengaruh ukuran serat, ukuran serat yang relatif kecil sehingga cacat
persatuan volume serat (fiber) relatif kecil bila dibandingkan dengan
material lain, dengan begitu serat memiliki sifat mekanik yang baik dan
konsisten.
Material komposit memiliki keunggulan apabila dibandingkan dengan
material lain yaitu terletak pada penggabungan unsur - unsur yang unggul dari tiap
unsur pembentuknya, sifat material komposit dari hasil penggabungan bahan
diharapkan untuk dapat saling menutupi kekurangan pada tiap masing - masing
material pembentuknya. Jones (1975) dalam Pratiwi (2015) menyebutkan sifat -
sifat yang dapat diperbaharui diantaranya adalah :
• Kekakuan (Stiffness);
• Kekuatan (Strenght);
• Ketahanan gesek (Wear Resistance);
• Ketahanan Korosi (Corrosion Resistance);
• Berat (Weight); dan
• Ketahanan Lelah (Fatique Life)
2.1.2 Jenis-jenis Material Komposit
Ada lima jenis material komposit yang dibedakan menurut bentuk dan
struktur penyusunnya.
1. Particulate Composite
Particulate Composite adalah material komposit yang bahan
penguatnya (filler) berbentuk partikel atau butiran.
8
Gambar 2.1 : Particulate Composite (Pradica, 2015)
2. Flake Composite
Flake Composite merupakan komposit dengan penambahan material
berupa serpihan pada kompositnya seperti mika, glass, dan metal. Komposit
ini pada umumnya menggunakan bahan penguat yang di distribusikan ke
dalam matrik, sehingga komposit yang dihasilkan cenderung lebih bersifat
isotropis dari pada anisotropis.
Gambar 2.2 : Flake Composite (Pradica, 2015)
3. Filled Composite
Filled Composite adalah komposit yang didalamnya terdapat partikel
dengan tujuan hanya untuk memperbesar volume material dan bukan untuk
digunakan sebagai penguat. Di dalam filled composite biasanya diberi
tambahan material atau filler pada matriknya.
Gambar 2.3 : Filled Composite (Pradica, 2015)
9
4. Laminate Composite
Laminate Composite merupakan komposit dengan jumlah susunan
lamina dua atau lebih lamina (lapisan), dimana pada tiap lapisan dapat
berbeda - beda dalam hal material, bentuk, dan orientasi penguatnya.
Komposit serat lamina adalah jenis yang banyak digunakan dalam
pengaplikasiannya terutama dalam lingkup otomotif dan industri.
Gambar 2.4 : Laminate Composite (Pradica, 2015)
5. Fibrous Composite
Fibrous Composite merupakan komposit yang terdiri dari satu lapisan
yang menggunakan penguat (filler) berupa serat, dan serat yang pada
umumnya digunakan adalah serat glass, serat karbon, serat alam. Serat dapat
disusun random ataupun secara orientasi tertentu.
Gambar 2.5 : Fibrous Composite (Pradica, 2015)
Fibrous Composite merupakan jenis komposit yang sangat sering dan
sangat banyak digunakan dalam pengaplikasian. Hal tersebut dikarenakan
pada komposit jenis ini memiliki sifat kekuatan mekanik yang baik.
10
2.1.3 Penempatan Serat
Ada 3 tipe serat pada komposit berdasarkan penempatan diantaranya :
1. Continous Fiber Composite
Memiliki susunan serat panjang dan lurus, membentuk lamina diantara
matrik. Kekurangan pada jenis komposit ini terdapat pada lemahnya
kekuatan antar lapisan.
2. Woven Fiber Composite
Komposit jenis ini tidak mudah terpengaruh pemisahan antar lapisan
dikarenakan susunan pada seratnya juga mengikat lapisan.
3. Hybrid Fiber Composite
Hybrid Fiber Composite merupakan gabungan antara serat lurus dan serat
acak, dengan tujuan untuk dapat mengeliminir kekurangan sifat dari kedua
tipe dan dapat menggabungkan kelebihannya.
2.1.4 Pengaplikasian Komposit
Piatti (1978) dalam Silitonga (2015) mengatakan penggunaan material
komposit dalam bidang keteknikan mengalami perkembangan yang pesat.
Perkembangan ini yang menyebabkan perubahan pada bahan yang memiliki sifat
yang lebih unggul, beberapa pemakaian komposit serat :
1. Kapal laut yaitu pada badan kapal;
2. Pada badan mobil seperti bamper mobil, interior mobil, tempat duduk;
3. Alat penunjang kesehatan yaitu seperti kaki palsu, pelindung dada,
sambungan sendi pada pinggang, dll;
4. Perabot dan perlengkepanya seperti kursi, meja, lemari, dll; dan
5. Kimia yaitu seperti pipa, tangki, selang.
11
2.2 Komponen Penyusun Komposit
Komposit sendiri terdiri dari beberapa komponen penyusun, dimana
komponen - komponen tersebut merupakan hal utama yang ada di dalam komposit.
Komponen tersebut terdiri dari matrik, penguat (filler), dan katalis (hardener).
2.2.1 Matrik Polyester
Resin Polyester adalah resin yang banyak digunakan dalam pengaplikasian
yang menggunakan resin thermoset, baik itu secara terpisah maupun dalam
pembuatan material komposit. Secara mekanik sifat mekanik yang dimiliki
polyester tidaklah terlalu baik atau bisa disebut hanya sedang – sedang saja. Hal ini
dikarenakan resin jenis ini mudah didapatkan, harga relatif murah, dan terjangkau,
dan yang terpenting adalah mudah dalam proses fabrikasi. Jenis dari resin polyester
yang digunakan sebagai matriks komposit adalah tipe tidak jenuh (unsurated
polyester) yang merupakan thermoset yang dapat mengalami pengerasan (curing)
dari cair ke padat saat mendapat perlakuan yang tepat (Winarno, 2015).
Tabel 2.1 : Sifat Mekanik Resin Yukalac 157 (Pradica, 2015)
(Sumber : Justus, 2001)
12
2.2.2 Pengisi atau Filler
Filler merupakan material dapat yang ditambahkan pada polymer dan
biasanya dalam bentuk partikel atau serat untuk mengubah sifat - sifat mekaniknya
atau untuk mengurangi harga material. Alasan yang lain dalam penggunaan filler
adalah untuk memperbaiki stabilitas bentuk dan panas. Contoh pengisi yang
digunakan dalam polymer yaitu : serat selulosik dan bedak (powder), bedak silica
dan kalsium karbonat.
2.2.3 Katalis (Hardener)
Katalis (hardener) adalah zat kimia yang membantu mempercepat proses
curing. Tanpa tambahan katalis, reaksi antara komponen - komponen resin yang
membentuk hubungan silang (cross link) yang membuat resin mengeras dapat
berlangsung selama bertahun tahun dalam lingkup suhu kamar. Katalis (hardener)
yang digunakan dalam penelitian ini adalah katalis methyl ethyl ketone peroxide.
Katalis yang ditambahkan pada resin polyester sejumlah 0,5% - 1% per volume
dapat memicu terjadinya reaksi sehingga cross linking cepat terjadi dan
menghasilkan panas yang dapat mengkatalis reaksi sehingga selanjutnya resin akan
menjadi gel dalam waktu sekitar 10 menit. Reaksi cross linking terus berlanjut
hingga sampai pada kekuatan penuh dicapai resin setelah 24 jam.
2.3 Serat (Fiber)
Serat (fiber) terdiri dari dua jenis yaitu serat alam (natural fibers) dan serat
sintetis (synthetic fibers). Serat alam (natural fibers) merupakan serat yang
diperoleh dari alam. Serat yang digunakan biasanya dapat langsung diperoleh dari
tumbuh – tumbuhan. Serat alam (natural fibers) memiliki kelemahan yaitu ukuran
serat yang relatif tidak seragam, kekuatan serat dipengaruhi oleh usia. Serat sintetis
13
(synthetic fibers) merupakan serat yang terbuat dari bahan - bahan anorganik
dengan komposisi kimia tertentu. Serat jenis ini memiliki kelebihan diantaranya
sifat serta ukurannya yang relatif seragam, kekuatan serat tidak dipengaruhi oleh
usia. Jenis serat sintetis yang sering digunakan yaitu serat glass (fiber glass), serat
karbon, nylon (Silitonga, 2015).
Starks dan Rowlands (2002) dalam Silitonga (2015) mengatakan komposit
dengan penguat (filler) serat , maka sifat mekanisnya akan mengalami peningkatan
seiring bertambahnya variasi persen serat (fiber). Kekuatan mekanik yang
mengalami meningkat diantaranya adalah kekuatan tarik, kekuatan bending,
kekuatan impact, dan lain lain. Serat (fiber) berfungsi sebagai penyangga kekuatan
dari struktur material komposit, beban yang awalnya diterima oleh matrik kemudian
diteruskan ke serat (fiber) maka dari itu serat harus memilki kekuatan tarik dan
elastisitas yang lebih tinggi dari pada matriks.
Silitonga (2015) menyebutkan beberapa syarat yang harus terpenuhi oleh
serat (fiber) sebagai penguat (filler) dalam struktur komposit diantaranya :
1. Kekuatan patah yang relatif tinggi;
2. Modulus elasitisas tinggi;
3. Kekuatan yang seragam diantara serat (fiber);
4. Stabil saat penanganan proses pembuatan; dan
5. Diameter serat (fiber) relatif seragam.
Menurut teori komposit dengan serat panjang akan memberikan nilai
kekuatan yang efisien dan seragam bila dibandingkan dengan serat pendek.
14
2.3.1 Serat Alam
Serat alam yang digunakan terdiri dari :
1. Serat Nabati : Jenis serat ini sangat banyak digunakan, dikarenakan jumlah
yang cukup melimpah di alam serta biaya tidak mahal. Sebagai contoh
katun, rami, goni dan serat lain yang berasal dari tumbuhan.
2. Serat Hewani : Jenis serat ini masih kurang dimanfaatkan, namun memiliki
potensi yang cukup baik. Sebagai contoh serat hewani yang dapat
dimanfaatkan ialah sutra, dan wool.
Surdia (1985) menyebutkan ada beberapa kelebihan dari komposit serat alam
diantaranya :
1. Bisa dicat, poles, dan dilaminasi;
2. Kuat terhadap penyerapan air; dan
3. Biaya relatif murah karena bahan baku serat tersedia di alam serta proses
pengerjaan yang relatif mudah sehingga mengurangi biaya.
2.3.2 Pandan Wangi (Pandanusamaryllifolius Roxb)
Menurut sentra iptek (2009) dalam Sari (2012), pandan wangi
(pandanusamaryllifolius roxb) merupakan tanaman perdu yang biasa kita jumpai
sebagai pengharum masakan. Pandan Wangi tumbuh di daerah tropis dan banyak
ditanam dihalaman atau bahkan tumbuh liar.
Gambar 2.6 : Wangi (Pandanusamaryllifolius Roxb)
15
Menurut sentra iptek dalam Sari (2012), untuk menentukan serat sebagai
bahan pengisi (filler) komposit harus melalui pengujian tarik serat yang akan
digunakan berikut adalah hasil data pengujian :
Tabel 2.2 : Hasil Pengujian Serat Pandan Wangi Tanpa Perendaman NaOH
No. F
Gaya (N)
Diameter Serat
(mm)
Luas
Penampang
(mm)
Kekuatan
Tarik (M.Pa)
1 5,8 0,88 0,60 9,64
2 2,1 0,63 0,31 6,84
3 4,4 0,72 0,41 10,84
4 2,9 0,69 0,37 7,81
5 1,8 0,53 0,22 8,12
Rata – rata 8,69
(Sumber : Emmy dkk, 2012)
Tabel 2.3 : Hasil Pengujian Serat Pandan Wangi Dengan Perendaman NaOH
No. F
Gaya (N)
Diameter Serat
(mm)
Luas
Penampang
(mm)
Kekuatan
Tarik (M.Pa)
1 23,6 0,81 0,52 45,50
2 19,4 0,69 0,37 52,24
3 10,3 0,66 0,34 30,44
4 17,5 0,78 0,48 36,49
5 8,5 0,59 0,28 30,69
Rata – rata 39,072
(Sumber : Emmy dkk, 2012)
2.4 Sekam Padi
Padi (Oryza Sativa) merupakan salah satu sumber makanan pokok yang
utama dan terbesar dikonsumsi di Indonesia. Beras merupakan hasil olahan padi
melalui proses penggilingan ataupun penumbukan padi (gabah). Sekam padi
merupakan kulit padi yang dihasilkan dari pengupasan biji padi (gabah) menjadi
beras. Sekam padi (rice husk) merupakan limbah padat yang saat ini belum
dimanfaatkan secara optimal, selama ini sekam padi biasanya hanya dibenamkan
16
disawah, dibakar, dan dijadikan bahan campuran pembuatan batu bata terutama
didaerah pedesaan (Maryono, 2008).
Gambar 2.7 : Sekam Padi (Oryza Sativa)
Khoerul Muslim (2012) melakukan penelitian komposit berbahan dasar
sekam padi dengan menggunakan pengujian tarik, dan hasil yang diperoleh dari
penelitian tersebut menunjukan kekuatan tarik tidak mengalami perubahan yang
signifikan. Berikut merupakan hasil kekuatan tarik yang didapatkan dalam
penelitian tersebut yang disajikan dalam bentuk tabel.
Tabel 2.4 Kekuatan Tarik Bahan Komposit Sekam Padi
Fraksi Berat Sekam Padi Kekuatan Tarik Rata – Rata
(Mpa)
30% 0,11
40% 0,12
50% 0,25
60% 0,28
(Sumber : M. Khoerul Muslim FS, 2012)
Sekam padi (rice husk) dikategorikan sebagai bahan biomassa yang dapat
dimanfaatkan untuk kebutuhan seperti bahan baku industri, pakan ternak, dan bahan
bakar, bahan kompos sebagai bahan pupuk organik. Sekam padi mengandung
beberapa unsur kimia.
17
Tabel 2.5 : Komposisi Kimia Sekam Padi (Santoso Budi Laksono (2008))
No. Komposisi Jumlah (% Berat Kering)
1. Air 0,00 - 11,00
2. Protein 1,75 - 6,38
3. Lemak 0,38 - 3,50
4. Nitrogen 25,80 - 37,84
5. Serat Kasar 31,30 - 49,92
6. Abu 14,50 - 29,09
7. Pentosa 19,80 - 26,00
8. Selulosa 31,20 - 42,20
9. Lignin 19,20 - 32,88 (Soenardjo, Karakteristik Sekam Padi:, 1991: 210)
Berdasarkan data komposisi kandungan kimiawi sekam padi diatas maka
sekam padi dapat dimanfaatkan diantara sebagai : (a) Sebagai bahan baku industri
kimia, baik itu industri furtural yang dapat digunakan untuk bahan baku dalam
beberapa macam industri kimia. (b) Sebagai bahan baku industri bangunan, salah
satu contoh sebagai campuran pembuatan semen portland, ataupun sebagai bahan
campuran pembuatan bata merah.
Bagian terluar dari padi (Oryza Sativa) adalah sekam. Sekam padi (rice
husk) sendiri merupakan bahan alami yang mengandung lignoselulosa. Bahan
lignoselulosa yang menyebabkan timbulnya sifat kuat dan kaku. Karena memiliki
sifat kuat dan kaku maka sekam padi (rice husk) dapat dimanfaatkan menjadi bahan
komposit (Wati, 2006 : 12) dalam Santoso Budi Laksono (2008).
2.5 Proses Pembuatan Material Komposit
Proses pengerasan dari resin adalah efek hasil keseimbangan reaksi antara
katalis, akselerelator serta inhibitor. Resin mengeras dengan penambahan katalis
sehingga reaksi ikatan polymerisasi terjadi biasanya resin telah dicampur dengan
inhibitor yang secara radikal terjebak. Saat katalis ditambahkan, inhibitor inilah
yang bereaksi sebelum terjadi polymerisasi, pada saat tersebut memberikan waktu
bagi resin untuk berkombinasi dengan penguat dan menempati ruang untuk
18
mengeras sebelum polymerisasi terjadi. Kebanyakan katalis peroksida
berkomposisi agak lambat saat ditambahkan pada resin. Untuk mendapatkan
pengerasan yang cepat, akselelator ditambahkan sehingga mempercepat katalis
untuk berkomposisi (Derek H, 1981) dalam Dhofir (2017).
2.5.1 Proses Hand Lay-Up
Proses pembuatan dari material komposit banyak macamnya salah satunya
adalah hand lay - up, proses hand lay-up ini adalah proses yang sangat sederhana.
Caranya adalah cairan resin yang telah diberikan katalis dan kemudian dituangkan
diatas penguat (fibre) yang telah diletakkan pada cetakan. Cara ini dipakai dalam
pembuatan spesimen pada penelitian ini, tetapi dengan memberikan tambahan
material lain sebagai bahan pengisi (filler) untuk mendapatkan sifat mekanis yang
berbeda. Proses Hand Lay-Up juga dipilih karena sesuai untuk pembuatan komposit
dengan dimensi standart benda uji, dengan urutan prosesnya sebagai berikut :
1. Pembuatan cetakan spesimen uji
2. Mengoleskan wax pada permukaan cetakan spesimen uji
3. Setelah wax mengering, mulai mengoleskan lapisan resin pertama
4. Meletakkan filler, tekan pada resin serta membuang udara yang terjebak
dengan menggunakan kuas.
5. Mengulangi langkah 3 dan 4 sampai jumlah spesimen uji yang diinginkan
6. Menunggu sampai mengering total
7. Melepas spesimen uji dari cetakan dan merapikan permukaannya
19
Gambar 2.8 : Proses Hand Lay-Up
2.6 Kekuatan Tarik
Kekuatan tarik merupakan salah satu sifat dasar dari suatu bahan material.
Hubungan tegangan dan regangan pada tarikan memberikan nilai yang cukup
berubah tergantung pada laju tegangan, temperatur, lembaban, dan seterusnya.
Kekuatan tarik dapat diukur dengan menarik sekeping sampel dengan dimensi yang
seragam. Kemampuan maksimum bahan dalam menahan beban disebut "Ultimate
Tensile Strength" disingkat dengan UTS. Untuk semua bahan, pada tahap sangat
awal uji tarik, hubungan antara beban atau gaya yang diberikan berbanding lurus
dengan perubahan panjang bahan tersebut.
Gambar 2.9 : Kurva Tegangan dan Regangan (Pradica, 2015)
20
Bentuk sampel uji digambarkan seperti Gambar 2.10 dibawah ini :
Gambar 2.10 : ASTM D 638-84 M1 (Pradica, 2015)
Hubungan kekuatan tarik bisa dihitung menggunakan persamaan dibawah ini:
𝛔 = 𝐅
𝐀
Keterangan :
σ = Enginering stress (N/mm2)
F = Gaya yang diaplikasikan (N)
A = Luas penampang
Hubungan perpanjangan tarik dapat menggunakan persamaan seperti dibawah
ini:
𝜀 = 𝜟𝒍
𝒍
Keterangan :
ε = Perpanjangan tarik (strain) (%)
l = Panjang awal (mm)
Δl = Pertambahan panjang (mm)
21
Hubungan antara stress dan strain dirumuskan sebagai berikut:
𝐸 = 𝛔
𝜺
Keterangan :
E = Modulus elastisitas (N/mm2)
σ = Enginering stress (N/mm2)
ε = Enginering strain (%)
2.7 Kegagalan Komposit
Suatu struktur komposit dianggap gagal apabila struktur tersebut tidak dapat
berfungsi lagi dengan sempurna. Pada sebuah struktur pembebanan yang kecil
mungkin hanya berakibat terjadinya deformasi yang kecil, namun pada struktur
yang lain sudah mengakibatkan kegagalan. Hal tersebut terjadi karena perbedaan
sifat mekanik tiap-tiap bahan pada komposit yang terdiri dari dua komponen utama,
kegagalan bisa dimulai dari salah satu komponen atau keduanya (Hull, 1981) dalam
Pradica (2015).
Kegagalan yang dapat terjadi yaitu :
1. Kepatahan pada serat (Fiber Breaking);
2. Lepasnya serat dari matrik (Fiber Pull-Out atau Debonding);
3. Retak mikro pada matrik (Matrik Mikrocracking); dan
4. Terlepasnya lamina dari laminate (delimination).
22
2.8 Mekanisme Penguat Serat
Sifat mekanis maupun fisik komponen ditentukan oleh kandungannya
bahan itu sendiri. Penguat matrik modulus rendah dengan serat kuat bermodulus
besar memanfaatkan pemindahan beban ke seratnya. Pada mekanisme penguatan
serat hampir pada seluruhnya beban ditanggung oleh serat. Sedangkan matrik
berfungsi meneruskan beban terhadap serat, memisahkan serat dengan serat dan
mencegah penjalaran retak yang diakibatkan oleh serat yang patah. Sehingga matrik
tersebut harus memenuhi fungsi diantaranya dapat mengikat serat (fiber) dan
menjaga permukaan tidak rusak, efisiensi memindahkan tegangan ke serat dengan
peretakan atau gesekan bila komposit terbebani.