Kata kunci : komposit sandwich, limbah kayu sengon, serat kenaf.
Diharjo, Kuncoro; Masykuri, M.; Legowo, Budi; Abdullah Gunadi*)
Fakultas Teknik UNS, Penelitian, Dikti, Hibah Bersaing Lanjutan, 2007.
Penelitian ini merupakan salah satu tahapan alih teknologi dengan memberdayakan penggunaan bahan lokal serat kenaf dan kayu sengon laut, untuk meningkatkan kemandirian bangsa guna mengurangi ketergantungan serat dan core sintetis impor. Prospek penggunaan serat kenaf dan kayu sengon laut sebagai bahan komposit dipandang sangat menguntungkan. Besarnya produksi beberapa serat kenaf di dunia mencapai 970.000 ton/tahun (Eichhorn, 2001). Salah satu faktor pendukung tingginya produksi serat kenaf (hibiscus cannabinus) adalah masa tanam pendek (4 bulan) dan tahan di lahan yang sering banjir. Tujuan utama penelitian ini adalah merekayasa komposit sandwich berpenguat serat kenaf dengan menggunakan core kayu sengon laut (albizzia) untuk panel car body kereta api. Tujuan spesifik penelitian ini adalah menyelidiki (1) sifat fisis-mekanis komposit serat kenaf-polyester, (2) sifat fisis-mekanis komposit sandwich, (3) serapan bising sel akustik dan panel akustik kayu sengon laut, dan (4) mendisain prototipe produk komposit skin dan sandwich.
Bahan penelitian adalah serat kenaf (acak, anyam, kontinyu), polyester, hardener MEKPO, kayu sengon laut (albizzia), NaOH teknis, aquadest dan bahan pendukung penelitian lainnya. Serat kenaf dicuci dengan air bersih dan dilakukan perlakuan alkali (5% NaOH) selama 0, 2, 4, 6 dan 8 jam. Serat yang sudah direndam dalam larutan alkali dilakukan penetralan dengan air bersih dan dilanjutkan pengeringan alami. Tahap awal penelitian adalah optimasi sifat fisis-mekanis komposit skin serat kenaf polyester. Proses pembuatan komposit dilakukan dengan metode cetak tekan secara manual dan hidrolis. Komposit tersebut dilakukan pengujian mekanis tarik (ASTM D-638), bending (ASTM D-790), dan impak (ASTM D-5941), sedangkan pengujian fisisnya meliputi uji redaman getaran dan hambatan panas. Variabel dalam penelitian ini meliputi kadar hardener, fraksi volume serat (Vf), perlakuan alkali, dan variasi density serat kenaf acak, dan tebal core kayu sengon laut. Penampang patahan spesimen uji dilakukan foto makro dan SEM. Tahapan optimasi penelitian selanjutnya adalah optimasi sifat fisis-mekanis komposit sandwich berpenguat serat kenaf dengan core kayu sengon laut. Pada tahapan ini, serat kenaf yang digunakan adalah serat tanpa perlakuan dan serat dengan perlakuan alkali selama 2 jam. Core kayu albizzia dibuat dengan memotong pada arah melintang. Variabel utama dalam penelitian ini adalah tebal komposit skin (1, 2, 3, 4 dan 5 mm) dan tebal core (5, 10, 15 dan 20 mm). Komposit sandwich tersebut juga dibuat dengan metode cetak tekan. Pengujian yang dilakukan pada komposit sandwich meliputi pengujian bending (ASTM C-393), pengujian impak (ASTM D-5942), pengujian redaman getaran, dan pengujian hambatan panas. Penampang patahan sampel uji komposit sandwich dilakukan foto makro untuk mengidentifikasi karakteristik penampang patahannya.
Pemanfaatan kayu sengon laut juga digunakan untuk merekayasa panel akustik peredam bising. Teknik pemotongan kayu juga dilakukan dengan pola pemotongna melintang. Kayu yang digunakan dilakukan pengawetan borac 5%. Tahapan penelitian dilakukan dengan melakukan pengujian sel akustik dengan menggunakan tabung impedansi satu mikrofon. Variabel penelitiannya meliputi dimensi stud, cavity depth, lubang resonator, dan penambahan acoustic fill. Dimensi sel akustik yang memiliki nilai koefisien serapan bising yang paling efektif dikembangkan untuk mendisain panel akustik. Panel akustik kayu sengon laut didisain memiliki dimansi 50 cm x 50 cm. Variabel penelitian meliputi variasi diameter lubang leher resonator (6, 8, 10 mm), cavity depth (15, 20, 25 mm) dan penambahan acoustic fill. Pengujian dilakukan dengan menggunakan anechoic room dan set unit peralatan uji serapan bising.
Hasil pengamatan SEM serat kenaf menunjukkan bahwa serat yang dikenai perlakuan alkali mengalami peningkatan kristanilitas, yang disebabkan oleh hilangnya lignin, lapisan lilin, dan kotoran lainnya pada permukaan serat. Jika serat dianggap berbentuk silindris, maka perhitungan luas penampang serat dapat dilakukan dengan memberikan faktor koreksi C = 0,74. Kekuatan dan modulus tarik serat kenaf adalah sekitar 200 – 300 MPa dan 20 – 30 GPa, sedangkan hasil uji tarik matrik poliester memiliki kekuatan tarik 50,70 Mpa dan modulus tarik 4,23 Gpa. Kekuatan serat kenaf menurun seiring dengan peningkatan waktu perendaman serat di dalam larutan alkali. Hal ini disebabkan oleh sifat larutan alkali yang mengikis lignin dan permukaan selulosa serat
Komposit kenaf acak-UPRs pada Vf = 23% memiliki kekuatan tarik tertinggi pada kandungan hardener 1% (v/v), yaitu 40.14 Mpa. Peningkatan kekuatan tarik yang sangat besar terjadi pada komposit yang diperkuat serat kenaf kontinyu dengan hardener 1%. Pada Vf = 54,63%, kekuatan dan modulus tarik bahan komposit ini adalah 216,8 Mpa dan 26,79 Gpa. Harga ini meningkat 123% dan 163,7% dibanding komposit pada Vf = 20.13%. Penampang patahan komposit menunjukkan patahan sobekan pada area yang luas dan disertai adanya fiber pull out. Studi perlakuan alkali (5% NaOH) komposit kenaf acak-UPRs menunjukkan bahwa pada perlakuan alkali selama 2 jam menghasilkan kekuatan tarik dan modulus teringgi untuk sembarang Vf, dan selanjutnya diikuti oleh komposit yang diperkuat serat tanpa perlakuan. Pada Vf = 40 %, kekuatan komposit tertinggi tersebut adalah sekitar 80 MPa dan modulus tariknya 10 GPa. Penampang komposit yang diperkuat dengan serat perlakuan NaOH tidak menunjukkan adanya fiber pull out. Hal ini mengindikasikan bahwa ikatan interface serat-matrik kuat. Komposit berpenguat serat kenaf tanpa perlakuan mengalami penurunan kekuatan bending setelah 50 kali pemanasan, sedangkan komposit berpenguat serat perlakuan alkali 2 jam mengalami penurunan kekuatan seiring dengan peningkatan jumlah siklis termal. Komposit berpenguat serat tanpa perlakuan memiliki kekuatan bending yang lebih tinggi dibandingkan dengan komposit berpenguat serat dengan perlakuan alkali selama 2 jam. Hingga suhu siklis thermal 100 0C, komposit yang diperkuat dengan serat tanpa perlakuan memiliki modulus bending yang lebih tinggi dibandingkan dengan komposit yang diperkuat serat dengan perlakuan alkali, dan sebaliknya. Komposit yang diperkuat serat tanpa perlakuan memiliki prosesntase perpanjangan yang lebih besar dibandingkan dengan komposit yang diperkuat serat tanpa perlakuan. Dengan demikian, komposit yang diperkuat serat dengan perlakuan alkali memiliki kestabilan dimensi yang lebih baik. Hasil penelitian tersebut juga menunjukkan bahwa komposit dengan kandungan serat 40% (v/v) memiliki kestabilan dimensi yang terbaik. Peningkatan kandungan serat pada panel komposit 3 dan 5 layer menyebabkan peningkatan frekuensi alami panel. Pada komposit yang lebih tipis, semakin besar Vf semakin tinggi pula peningkatan frekuensi alaminya. Hasil analisis ini mengindikasikan bahwa semakin tebal panel semakin rendah frekuensi alaminya dan sebaliknya. Semakin besar Vf semakin besar pula modulus elastisitasnya, sehingga frekuensi alami panelnya pun semakin tinggi. Perilaku peningkatan hambatan panas ini mengindikasikan bahwa serat kenaf berfungsi sebagai komponen yang berpengaruh terhadap hambatan panas. Hasil analisis komparasi hambatan panas mengindikasikan bahwa komposit skin yang lebih tebal memiliki nilai hambatan panas yang lebih tinggi. Penambahan kandungan serat (Vf) akan menyebabkan peningkatan laju perpindahan panas kedua panel komposit. Semakin besar kandungan serat semakin baik kinerja hambatan panas panel komposit.
Kekuatan bending dan impak komposit sandwich serat kenaf-poliester-core kayu sengon laut meningkat seiring dengan peningkatan ketebalan skin dan ketebalan core. Komposit sandwich dengan tebal core 10 mm memiliki kekuatan bending yang paling optimum pada ketebalan skin 4 mm. Perlakuan alkali (5% NaOH) serat menurunkan kekuatan bending dan impak komposit sandwich. Redaman getaran komposit skin dan sandwich masing-masing meningkat seiring dengan peningkatan kandungan serat, dan ketebalan core. Hal yang sama, kemampuan menghambat panas panel komposit sandwich juga meningkat seiring dengan peningkatan kandungan serat, ketebalan komposit skin, dan ketebalan core. Panel komposit sandwich dengan tebal core 15 mm mampu meredam frekuensi getaran tertinggi dibandingkan dengan panel komposit sandwich yang lain. Frekuensi alami getaran panel komposit sandwich meningkat seiring dengan peningkatan ketebalan core. Laju perpindahan panas panel komposit sandwich juga meningkat secara linier seiring dengan peningkatan ketebalan skin komposit. Komposit sandwich dengan tebal skin yang lebih besar memiliki hambatan panas yang lebih tinggi. Hambatan panas panel komposit sandwich juga meningkat seiring dengan peningkatan ketebalan core.
Sel akustik yang dibuat dari bahan kayu sengon laut memiliki serapan bising paling optimum pada ukuran stud 30×30 mm atau 40×40 mm. Peningkatan kedalaman rongga resonator menggeser efektifitas NAC pada rentang frekuensi yang lebih rendah dan meningkatkan NAC. Pada penelitian ini, NAC tertinggi diperoleh dengan kedalaman rongga resonator 25 mm. Semakin lebar lubang leher resonator, semakin tinggi pula nilai NAC-nya. Diameter lubang leher resonator yang paling potensial untuk dikembangkan adalah diameter lubang leher resonator 6, 8 dan 10 mm. Penambahan acoustic fill serat kenaf acak mampu memperlebar rentang frekuensi bising yang terserap. Acoustic fill 9% -10% dipandang lebih menguntungkan. Produk panel akustik sudah dianggap mampu dalam meredam suara karena nilai NAC yang dihasilkan sudah mencapai lebih dari 0,8. Pengaruh kenaikan kedalalaman rongga resonator pada berbagai variasi diameter mampu menggeser nilai NAC ke frekuensi rendah. Penambahan volume rongga resonator akibat kedalalaman rongga resonator berpengaruh dengan meningkatnya nilai serapan (NAC) pada frekuensi rendah (63 Hz-1000Hz). Pada variasi kedalaman rongga (cavity depth) 25 dengan acoustic fill dengan diameter 10 mm didapat kenaikan NAC pada frekuensi rendah yang relatif tinggi dengan nilai NAC 0,88. Penambahan acoustic fill dari bahan serat kenaf pada rongga resonator mampu memperlebar jangkauan frekuensi dan meningkatkan nilai NAC (Noise Absorption Coeficient) pada frekuensi rendah (dibawah 1000 Hz).
Analisis biaya produksi prototype produk meja kereta K-1 dengan komposit kenaf-UPRs menurun hingga 42.48% dibandingkan dengan komposit GFRP. Penggunaan serat kenaf dan core kayu sengon laut mampu menurunkan biaya produksi panel meja K-3 kerat api menjadi sebesar 47.44 %. Produk core kayu sengon laut dapat dikatakan sangat berpeluang untuk dikomersialisasikan dan mampu menggantikan bahan-bahan core sintetis import yang lebih mahal.