Seminar Nasional Aplikasi Sains dan Teknologi 2008 – IST AKPRIND Yogyakarta

97

KARAKTERISTIK FISIK DAN MEKANIK KOMPOSIT SAMPAH KOTA DENGAN MATRIK PATI KANJI DAN UNSATURATED POLYESTER

Dody Ariawan1), Wijang Wisnu R2), dan Eko Prasetya B3)

1) 2) 3) Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sebelas Maret

ABSTRACT The aim of this research was investigating the effect of Municipal Solid Waste (MSW) weight fraction to the physical and mechanical properties of MSW composite.

The filler used in this research were leaf, plastic, glass and paper which blended with two kind of binders i.e. unsaturated polyester Yukalac® 157 BQTN-EX and cassava starch . The composite was made by pressing method with 60 %, 70 % and 80 % weight fraction variations. The samples was characterized to mechanical and physical testing i.e shear and tensile testing based on ASTM D 1037 and density testing based on ASTM D 792. The surface of broken area was observed by Scanning Electron Microscope and stereozoom microscope.

The results of this research show the increasing filler weight fraction and the decreasing the mechanical properties of MSW composite. On the same weight fraction shear strenghted the MSW-UPRs higher than waste-cassava starch composite. On the tensile test MSW-cassava starch composite higher than waste UPRs.. Keywords: Municipal Solid Waste, weight fraction, cassava starch, UPRs. PENDAHULUAN

Penelitian mengenai daur ulang sampah atau pengolahan sampah menjadi material baru yang berkualitas, sangatlah menarik untuk dikaji. Dengan pemanfaatan sampah kota sebagai material pengisi (filler) diharapkan mampu mewujudkan hal tersebut.

Filler digunakan untuk mengurangi berat dan mengurangi biaya. Filler memberikan fleksibilitas dalam desain dimensi komposit yang diinginkan, dan selain sebagai material pengisi, material serbuk atau serpih juga digunakan sebagai material penguat komposit tetapi tidak seefektif fiber (Gibson, 1994).

Potensi sampah kota ini sangat besar karena menurut data bahwa di Indonesia pada tahun 2000 adalah sebesar 100.000 ton per hari. Surakarta menghasilkan sampah kota sebesar 267 ton per hari, Semarang menghasilkan 727 ton per hari dan Magelang menghasilkan 63 ton per hari. Sampah plastik yang menjadi permasalahan utama mempunyai sumbangan sebesar 2%, sehingga dalam satu hari dapat menghasilkan 2000 ton, sedangkan kondisi potensi sampah plastik di Surakarta sebesar 5,34 ton per hari (Sudrajat, 2004).

Dengan menggunakan beberapa teknologi yang sudah ada, sampah dapat dihancurkan dengan mudah dan dicampurkan dengan resin thermoset ataupun organik yang sudah ada. Oleh karena itu komposit dengan filler sampah kota dapat dibuat dengan baik, walaupun harus diteliti sifat mekanik maupun fisisnya.

Kesempatan ini memungkinkan adanya alternatif penyelesaian masalah lingkungan akibat sampah kota dan sebagai bentuk usaha untuk pengembangan material baru yang murah dan ramah lingkungan, dan sifat material alternatif ini telah diteliti pada kesempatan ini. Tinjauan Pustaka

Material komposit dalam bentuk komposit panel telah banyak digunakan untuk berbagai aplikasi, seperti untuk furniture dan struktur pendukung pada gedung (Youngquist, 1997). Serat alam sebagai filler komposit polimer mulai banyak digunakan sebagai pengganti filler sintetik dalam kehidupan sehari-hari. Kelebihan serat alam sebagai filler adalah densitasnya rendah, non abrasif, mudah didaur ulang, mampu hancur sendiri dialam (biodegradable), mampu sebagai bahan pengisi dengan level tinggi sehingga menghasilkan sifat kekakuan yang tinggi, tidak mudah patah, jenis dan variasinya banyak, hemat energi, dan murah (Rowell, dkk, 1997).

Pada Penelitian oleh Muehl, dkk, (2004) menyimpulkan bahwa panel komposit yang terbuat dari sampah kertas memiliki sifat mekanik yang rendah ketika dipadukan dengan phenollic resin 5% dan 10% polypropylene dibandingkan dengan panel komposit dari serat kenaf.

Han, dkk, (2004), mengungkapkan bahwa komposit polypropylene-serbuk sekam padi dengan fraksi berat serat 10%, 20%, 30%, dan 40% mempunyai kekuatan tarik dan impak yang menurun seiring dengan pertambahan fraksi berat serbuk sekam padi. Sedangkan modulus tariknya meningkat seiring dengan pertambahan fraksi berat serbuk sekam padi.

Seminar Nasional Aplikasi Sains dan Teknologi 2008 – IST AKPRIND Yogyakarta

98

Stark dan Rowlands, (2002) mengungkapkan bahwa komposit yang diperkuat serat tanaman, sifat-sifat mekanisnya akan meningkat secara linear seiring dengan pertambahan persen berat serat, karakteristik mekanik yang meningkat adalah kekuatan tarik, kekuatan bending serta kekuatan impak. Dalam penelitiannya Stark dan Rowlands menggunakan komposit serat kayu-polypropylene dengan fraksi berat pada 20% dan 40%. Osswald (1995) mengungkapkan bahwa penambahan jumlah serat harus diiringi dengan ikatan serat-matrik yang baik sehingga akan meningkatkan kekuatan tarik komposit. Wibowo (2006), melakukan penelitian tentang panel komposit yang terbuat dari sampah kota dengan pengikat resin UPRs 157 BQTN EX dan kanji. Sampah kota yang digunakan berasal dari sampah organik (kertas, daun) dan sampah anorganik (kaca, plastik). Dari pengujian menghasilkan bahwa kekuatan mekanik panel sampah kota-UPRs (kekuatan tarik, geser, dan impak) menurun seiring bertambahnya fraksi berat filler. Sedangkan densitas Komposit Sampah-UPRs turun, dan densitas Komposit Sampah-Kanji naik seiring bertambahnya fraksi berat filler sampah kota. Komposit

Komposit berasal dari kata kerja “to compose” yang berarti menyusun atau menggabung. Komposit dapat didefinisikan sebagai suatu sistem material yang tersusun dari campuran/kombinasi dua atau lebih unsur-unsur utamanya yang secara makro berbeda di dalam bentuk dan atau komposisi material pada dasarnya tidak dapat dipisahkan. (Schwartz, 1984) Matrik / pengikat

Gibson R.F, (1994) mengatakan bahwa matrik dalam struktur komposit bisa berasal dari bahan polimer, logam, maupun keramik. Matrik polimer adalah yang paling luas penggunaannya. Polimer dibedakan menjadi dua macam, yaitu thermoplastic dan thermoset. YUKALAC 157 BQTN-EX

Resin Unsaturated polyester merupakan resin cair dengan viskositas rendah, dan akan mengeras pada suhu kamar dengan penggunaan katalis. Resin yang akan digunakan adalah resin dengan nomer seri produksi 157 BQTN-EX. Pati Kanji (Cassava Starch)

Pati Kanji (Cassava Starch) adalah bahan simpanan utama tumbuhan dan banyak sekali ditemui didalam akar dan bijibenih (gandum, padi), ubi.. Dalam penelitian ini menggunakan perbandingan yaitu 1:16. Katalis

Jenis katalis yang digunakan dalam penelitian ini adalah MEKP (Methyl Ethyl Ketone Peroksida) dengan konsentrasi 1 %. Dengan tambahan katalis ini, resin akan mengeras seperti gel dalam 15 menit dan mengeras sepenuhnya dalam 24 jam. Sifat Fisik dan Sifat Mekanik Densitas

Uji densitas komposit ini dilakukan dengan penimbangan material komposit itu di udara dengan berat material komposit itu di fluida. (ASTM D 792).

(1) Dimana : Wu : berat kering spesimen di udara. gr Wa : berat spesimen di fluida gr cρ : densitas gr/cm 3

wρ : berat jenis kerosin (0.82 g/cm3)

cρ =WaWuwWu

−ρ.

Seminar Nasional Aplikasi Sains dan Teknologi 2008 – IST AKPRIND Yogyakarta

99

Kekuatan Geser Komposit (Compression Shear Stress)

Untuk mengetahui kekuatan geser tekan komposit dilakukan pengujian dengan mengacu pada standar ASTM D1037.

Gambar 1 skema pengujian geser komposit

Dari pengujian ini akan didapatkan nilai kekuatan geser maksimum yang dapat ditahan oleh panel komposit. Tegangan geser maksimum dapat dihitung dengan menggunakan persamaan:

T = A

P2

(2)

Dimana: T : Kekuatan Geser Maksimum. Mpa P : Beban Maksimum. N A: Luas penampang Geser. mm²

Komposisi

Jumlah perbandingan yang digunakan dalam pembuatan komposit adalah rasio berat (fraksi berat) dan rasio volume (fraksi volum) (Quin J.A.)

Fraksi Berat (ω )

sitberatkompokberatmatri

matrik =ω (3)

matrikserat sitberatkompoberatserat ωω −== 1 (4)

Material Penelitian 1. Bahan dasar adalah sampah organik (kertas, daun) dan anorganik (plastik dan gelas). 2. Binder adalah pati kanji dan resin Unsaturated polyester Yukalac® type 157 BQTN EX. 3. Katalis jenis MEKP (Methyl Ethyl Ketone Perokside). Metodologi penelitian 1. Pengolahan Sampah Kota

Sampah organik yang digunakan berasal dari sampah dedaunan dan kertas, sedangkan sampah anorganik yang digunakan berasal dari sampah plastik jenis Low Density Polyetylene (LDPE) dan gelas/kaca. Sampah kemudian diklasifikasikan, dibersihkan, dijemur selama ± 3 hari dan dipisahkan antara material organik dan material anorganik. Selanjutnya sampah digiling kemudian disaring agar didapatkan ukuran (± 20 mesh) dan dioven pada 100oC selama 1 jam kemudian disimpan dalam wadah tertutup rapat.

2. Pembuatan Panel Komposit Serbuk dicampur (blending) dengan UPRs 157 BQTN EX dengan komposisi, 70% sampah organik (daun 35%, kertas 35%) dan 30% sampah non organik (kaca 15%, plastik 15%),

Seminar Nasional Aplikasi Sains dan Teknologi 2008 – IST AKPRIND Yogyakarta

100

0.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

60% 70% 80%

V ariasi F raksi B erat ( wf )

0.000

0.1000.200

0.3000.400

0.5000.600

0.7000.800

0.9001.000

1.100

60% 70% 80%

Variasi fraksi berat (wf)

Den

sita

s (g

r/cm

3)

kemudian dicetak dan dipres dengan gaya 4 ton. Komposit dibuat dengan variasi fraksi berat 60, 70 dan 80%. Proses diulang untuk jenis pengikat berupa pati kanji. Pengeringan atau curing sample dilakukan pada suhu kamar selama 24 jam, dilanjutkan proses post cure pada suhu 60oC selama 4 jam dalam oven. Sampel disimpan dalam wadah tertutup rapat dengan silica gel.

3. Pengujian Spesimen Pengujian densitas dengan standar ASTM D-792, uji geser dengan standar uji ASTM D 1037 dan tarik dengan standar ASTM D 1037. Pengamatan permukaan patah spesimen uji menggunakan mikroskop stereozoom dan Scanning Electron Microscope Micrograph (SEM).

HASIL DAN PEMBAHASAN Densitas Komposit

Gambar 2 Grafik Densitas komposit UPRs ; Kanji

Komposit Sampah-UPRs dengan fraksi berat 60% memiliki densitas tertinggi yaitu 1045 Kg/m3, nilai ini 1.05% lebih tinggi bila dibandingkan densitas komposit Sampah-Kanji pada fraksi berat yang sama, sedangkan dengan bertambahnya fraksi berat menyebabkan densitas komposit rendah. Hal ini menunjukkan bahwa komposit sampah-UPRs memiliki densitas yang lebih tinggi daripada densitas komposit Sampah-kanji. Kekuatan Geser Komposit

Gambar 3 Grafik Kekuatan Geser Komposit UPRs ; Kanji Dari gambar 3 terlihat bahwa penambahan fraksi berat akan diikuti dengan penurunan kekuatan

geser. Penurunan kekuatan geser terjadi karena adanya ikatan yang buruk antara filler dengan matrik. Ikatan yang buruk ini terjadi karena penambahan fraksi berat filler akan menyebabkan tidak semua filler terbasahi oleh matrik. Kekuatan geser komposit Sampah-UPRs 80% yaitu 0.04 MPa, nilai ini naik 100% lebih tinggi bila dibandingkan dengan komposit Sampah-UPRs 60% yakni 0.08 MPa.

Dari gambar 3 juga terlihat bahwa komposit Sampah-UPRs memiliki kekuatan geser dan kualitas ikatan yang lebih baik daripada komposit Sampah-Kanji. Hal ini disebabkan pada resin-UPRs membentuk polimer ikatan rantai(cross link) yang kuat, sedangkan kanji hanya berubah menjadi glukosa yang berikatan lemah.

Seminar Nasional Aplikasi Sains dan Teknologi 2008 – IST AKPRIND Yogyakarta

101

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

0.14

60% 70% 80%

fraksi berat(wf)

keku

atan

tarik

(MPa

)

Tegangan Tarik Komposit Pada gambar 4 juga terlihat bahwa seiring bertambahnya fraksi berat komposit Sampah-Kota,

kekuatan tarik komposit semakin turun. Menurunnya kekuatan tarik terjadi karena buruknya ikatan antar muka (interfacial bonding) antara filler dengan matrik. Ikatan yang buruk ini disebabkan bertambahnya fraksi berat filler akan mengakibatkan tidak semua filler terselubungi matrik secara merata.

Gambar 4 Kekuatan Tarik Komposit Sampah Kota dengan bahan pengikat: UPRs ; Kanji

Dari gambar 4 terlihat bahwa pada fraksi berat yang sama, kekuatan tarik komposit Sampah-

Kanji mempunyai nilai 25% lebih besar dibandingkan dengan komposit Sampah-UPRs. Hal ini menunjukkan bahwa kekuatan tarik komposit Sampah-Kanji lebih tinggi dibanding kekuatan tarik komposit Sampah-UPRs. Kekuatan tarik lebih tinggi ini terjadi karena densitas resin lebih tinggi dibanding densitas kanji yang lebih rendah. Modulus Tarik Komposit

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

60% 70% 80%

fraksi berat(wf)

Mod

ulus

Tar

ik(M

Pa)

Gambar 5 Modulus Tarik Komposit Sampah Kota dengan bahan pengikat:

Resin ; Kanji

Dari gambar 5 terlihat bahwa nilai modulus tarik komposit Sampah-Kanji lebih tinggi dibanding komposit Sampah UPRs. Nilai modulus tarik komposit Sampah-Kanji 71.9% lebih tinggi dibanding dengan komposit Sampah-UPRs. Modulus tarik kanji lebih tinggi daripada resin karena kekuatan tarik Kanji lebih besar daripada resin, dan regangan kanji lebih rendah dibanding resin. Rendahnya regangan tarik kanji disebabkan pengikat kanji lebih getas dibanding pengikat resin yang lebih ulet.

Dari gambar 5 terlihat bahwa modulus tarik menurun seiring dengan bertambahnya fraksi berat komposit Sampah-Kota. Menurunnya modulus tarik disebabkan oleh penurunan kekuatan tarik dan peningkatan regangan tarik. Pada peningkatan wf=60% menjadi wf=80%, terjadi penurunan nilai kekuatan tarik komposit Sampah-UPRs sebesar 66.6% dan penurunan kekuatan tarik pada komposit Sampah-Kanji sebesar 33.3%. Selain itu juga terjadi peningkatan nilai regangan tarik komposit Sampah-UPRs dan komposit Sampah-Kanji berturut-turut sebesar 33.3% dan 27.5%.

Seminar Nasional Aplikasi Sains dan Teknologi 2008 – IST AKPRIND Yogyakarta

102

Gambar 6 Ikatan komposit Sampah kota dengan foto SEM: a) komposit Sampah-UPRs ; b) komposit Sampah-Kanji

Dari gambar 6 terlihat permukaan patah komposit Sampah-kota dengan jumlah ikatan yang

terbentuk antara filler dan matrik. Ikatan yang terbentuk pada komposit Sampah-UPRs sebesar 65%, sedangkan pada komposit-Sampah Kanji sebesar 81.8%. Perbedaan nilai ikatan ini disebabkan karena pada fraksi berat yang sama volume kanji lebih banyak daripada volume resin. Volume bahan pengikat yang lebih banyak akan memudahkan bahan pengikat untuk berikatan dan menyelubungi filler. Hal ini mengakibatkan kekuatan tarik komposit-Sampah Kanji lebih baik dibanding komposit Sampah-UPRs.

KESIMPULAN Dari pembahasan hasil diatas dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut:

a. Pada variasi fraksi berat 60, 70, dan 80%, densitas Komposit Sampah-UPRs dan Komposit Sampah-Kanji mengalami penurunan seiring bertambahnya fraksi berat..

b. Pada penambahan fraksi berat filler dari 60% hingga 80% Komposit Sampah-kota menurunkan sifat mekanik yang meliputi kekuatan geser dan kekuatan tarik

c. Pada pengujian Geser, komposit Sampah-UPRs memiliki kekuatan geser lebih tinggi 37.5% daripada komposit Sampah-Kanji. Sedangkan pada pengujian tarik, komposit Sampah-Kanji 25% lebih tinggi daripada komposit Sampah-UPRs.

d. Dari pengujian densitas, nilai optimum terdapat pada komposit sampah UPRs dengan wf= 60% sebesar 1045 Kg/m3. Nilai ini menunjukkan bahwa, panel komposit sampah UPRs termasuk dalam klasifikasi material tipe Hardboard.

Ucapan Terima Kasih Ucapan terima kasih ditujukan kepada Kementrian Resit dan Teknologi atas bantuan pembiayaan melalui program Riset Unggulan Terpadu(RUT). Penulis juga menyampaikan terima kasih kepada Windiarto, ST yang telah membantu pelaksanaan eksperimen. DAFTAR PUSTAKA Annual Book ASTM Standart, 1998, USA Krzysik, A.M.; Youngquist, J.A. 1991, Bonding of airformed wood fibre/polypropylene fibre composites.

International Journal of Adhesion and Adhesives. 11(4): 235.240. Gibson, RF, 1994, Principles of Composite Material Mechanics, McGraw Hill Inc., New York USA Sudrajat, R. 2004, The Potential of Biomas Energy Resources in Indonesia for The Possible

Development of Clean Technology Process (CTP), Proceeding of The International Workshop on Biomass & Clean Fossil Fuel Power Plant Technology, Jakarta, pp. II-1 – II-24

Youngest, J. A.; Krzysik, A. M.; Chow, P.; Meimban, R. 1997, Wood-based Composites and Panel Products, United States Department of Agriculture

Muehl, J.H.; Krzysik, A.J.; Chow, P. 2004, Composite Panels Made With Biofiber or Office Wastepaper Bonded With Thermoplastic and/or Thermosetting Resin, United States Department of Agriculture

Han-Seung Yang, dkk, 2004, Rice-husk flour filled polypropylene composites; mechanical and morphological study, Composite Structures 63, p.p.305-312.

b)

a) b)

Seminar Nasional Aplikasi Sains dan Teknologi 2008 – IST AKPRIND Yogyakarta

103

Stark, N. M. and Rowlands, R.E, 2002, Effect of Wood Fiber Characteristics on Mechanical Properties of Wood-Polypropylene Composite, Wood and Fiber Science, 35(2), pp. 167-174

Wibowo, S, 2006, Pengaruh Fraksi Berat Filler Sampah Kota dan Variasi Binder Terhadap Sifat Fisik dan Mekanik Komposit Sampah Kota, Skripsi, Universitas Sebelas Maret Surakarta.

Schwartz, M.M., 1984, Composite Materials Handbook, Mc Graw Hill Inc, New York USA Jones R.M, 1975. Mechanics of Composite Materials, Scripta Book Company, Washington D.C., USA ASTM D1037, 1996, Standard Test Methods for evaluating properties of Wood-base fibre and particle

panel materials, American Society for Testing and Material. Book of Standard Vol 4.10 Wood. West Chonshohoken, PA. USA

Bahar, H. Y., 1986, Teknologi Penanganan dan Pemanfaatan Sampah, PT. Waca Utama Pramesti.