PENGARUH VARIASI FRAKSI VOLUME, TEMPERATUR DAN WAKTU POST-CURING TERHADAP KARAKTERISTIK BENDING KOMPOSIT POLYESTER - PARTIKEL HOLLOW GLASS
MICROSPHERES
• Kevin Yoga Pradana 2109 100 054 • Dosen Pembimbing: Prof. Dr. Ir. Wajan Berata, DEA
Latar Belakang Problem
Keterbatasan persediaan material logam
Need
- Material ringan - Sifat mekanik sesuai kebutuhan
Solution
Particulate Composite
Aplikasi Material
Rumusan Masalah 1. Bagaimana pengaruh variasi volume fraksi HGM pada komposit terhadap karakteristik bending.
2. Bagaimana pengaruh perbedaan temperatur dan waktu penahanan pada proses post-curing terhadap karakteristik bending dalam volume fraksi tetap.
Tujuan 1.
Menganalisa pengaruh variasi volume fraksi HGM pada komposit terhadap karakteristik bending.
2.
Menganalisa pengaruh perbedaan temperatur dan waktu penahanan pada proses post-curing komposit terhadap karakteristik bending dalam volume fraksi tetap.
Batasan Masalah Temperatur pada proses pembuatan dan pengujian dianggap konstan, yaitu 27°C Spesimen yang dihasilkan dari proses pencetakan dianggap baik (porositas maksimal yang diijinkan adalah 2%) Komposisi dan dimensi Hollow Glass Microspheres (HGM) dianggap sama
DASAR TEORI Matriks
Particulate Composite
Filler
Komposit adalah suatu bahan yang merupakan gabungan atau campuran dari dua material atau lebih untuk membentuk material ketiga yang lebih bermanfaat ( Jones, 1975 )
Matriks MMC (Metal Matriks Composite) Jenis komposit berdasarkan matriks-nya
CMC (Ceramic Matriks Composite) PMC (Polymer Matriks Composite)
Material yang berfungsi sebagai pengisi dan pengikat yang mendukung, melindungi, dan mendistribusikan beban dengan baik ke material penguat komposit (Sumber : Principles Of Composite Material Mechanics, R.F Gibson)
Ex : Alumunium, magnesium, titanium
Ex : Alumina, alumunium titanate, silicon carbide Ex : thermoplastik, thermoseting
Penguat
fibricus composite
Jenis komposit berdasarkan penguatnya
laminated composite
particulate composite
Berfungsi memperkuat matrik karena pada umumnya filler jauh lebih kuat dari pada matriks dan nantinya akan memperkuat pembentukan bahan dengan mempengaruhi sifat fisik dan mekanik bahan yang terbentuk (Sumber : Principles Of Composite Material Mechanics, R.F Gibson)
Hybrid Composite
Polymer Matriks Composite Ringan Polyester
Mudah dibentuk
(Matriks) Particulate Composites Hollow Glass Microspheres (Pengisi)
Biaya produksi rendah Daya tahan simpan lama
Tahan korosi
Resin Unsaturated Polyester 1. 2. 3. 4. 5.
Kaku dan rapuh Viskositas rendah Temperatur kerja 100 – 140°C Harga relatif murah Waktu curing yang cepat
Hollow Glass Microspheres 1. Dimensi rata-rata 22 μm 2. Range temperatur kerja 30°C-220°C dan softening point-nya 600oC 3. Menurunkan konduktivitas termal dan juga densitas
Pengujian Spesimen
Uji Bending
• Tegangan Bending • Modulus elastisitas
Curing • Agar terjadi ikatan crosslink antara polyester dan pengisi. • Untuk mempercepat post-curing
Studi Terdahulu Komposit campuran resin epoksi + serbuk kaca + katalis dituang ke cetakan dan dibiarkan selama 24 jam pada suhu kamar kemudian ditempatkan dalam oven pada 50°C selama 3 jam untuk post-curing adanya kenaikan modulus elastisitas pada komposit yang mengandung 20% serbuk kaca, 30% serbuk kaca dan yang berisi 10% serbuk kaca + 10% partikel grafit. komposit diperkuat dengan 10% serat kaca + 10% partikel grafit memiliki tegangan bending tertinggi serta kekakuan yang sangat baik. Sumber : A.A.Ibrahim, “Flexural Properties of Glass and Graphite Particles Filled Polymer Composites”, College of Technical-Baghdad, Foundation of Technical Education, 2010.
Studi Terdahulu
Sumber : Aruniit A., Kers J., “Preliminary Study of the Influence of Post Curing Parameters to the Particle Reinforced Composite's Mechanical and Physical Properties” , Department of Materials Engineering, Tallinn University of Technology, 2011.
METODOLOGI PENELITIAN START
Studi Literatur
Pemilihan variabel yang divariasikan Pembuatan spesimen dengan variasi volume fraksi HGM mulai 0%, 5%, 10%, 15%, 20%, 25% dan 30% Proses curing komposit selama 24 jam
Pemotongan spesimen sesuai standart dimensi pengujian bending
Pengujian komposit
Uji DSC
Uji bending
Pembuatan komposit dengan volume fraksi yang menghasilkan kekuatan bending optimum Proses post-curing spesimen dengan temperatur 60°C selama 3 jam dan 5 jam
Proses post-curing spesimen dengan temperatur 90°C selama 3 jam dan 5 jam
Uji bending
Pencatatan data hasil pengujian
Pengamatan struktur makro dan mikro/SEM
Analisa data dan Pembahasan
Kesimpulan
END
Proses post-curing spesimen dengan temperatur 110°C selama 3 jam dan 5 jam
Material yang Digunakan
HGM jenis K42HS Resin unsaturated polyester
Katalis MEKPO
Peralatan yang Digunakan 1. 2. 3. 4. 5. 6.
Mesin Uji Tekan-Bending Wolfert Cetakan Kaca Komposit Heater ( furnace ) Termokopel Alat bantu : gerinda, kapi, soket pengaduk, pipet, plastisin, wax Alat ukur : timbangan digital, jangka sorong, gelas ukur
Peralatan yang Digunakan 7. Mikroskop Stereo Zeiss STEMI DV4 8. Mesin SEM Zeiss EVO MA 10 9. Mesin DSC Mettler-Toledo
Variabel Penelitian Variasi fraksi volume Kode Spesim en
Fraksi Volum e HGM (%)
Tempe ratur Penaha nan (°C)
Variasi temperatur-waktu penahanan post-curing
Jumlah
Resin (gr)
HGM (gr)
0%
3
27,337
0
5%
3
25,970
0,675
B.3.1 B.3.2 B.3.3
10a, 10b, 10c
10%
3
24,603
1,35
15a, 15b, 15c
B.5.1 B.5.2 B.5.3
15%
3
23,236
2,025
20a, 20b, 20c
B.3.1 B.3.2 B.3.3
20%
3
21,87
2,7
25a, 25b, 25c
25%
30a, 30b, 30c
30%
0a, 0b, 0c 5a, 5b, 5c
Kode Spesimen
Fraksi Vol. HGM (%)
A.1 A.2 A.3
Temp. PostCuring (°C)
Waktu Penahanan (jam)
Jumlah
24
3
3
3
5
3
3
3
B.5.1 B.5.2 B.5.3
5
3
B.3.1 B.3.2 B.3.3
3
3
5
3
27
60
27
3
3
20,503
19,136
3,375
4,05
X 90
110 B.5.1 B.5.2 B.5.3
Langkah Percobaan - Membuat batas cetakan dengan kaca - Batas samping dan dasar cetakan kaca dilapisi wax - Berat polyester resin dan HGM diukur sesuai perbandingan fraksi volume
- Campuran diaduk sampai merata, ditambahkan katalis, setelah dicampurkan langsung dituang ke cetakan - Komposit dilepas dari cetakan, didiamkan selama 24
jam pada suhu kamar kemudian dilakukan uji bending - Setelah didapat volume fraksi dengan tegangan dan modulus tertinggi, komposit dengan penambahan HGM tertentu tersebut selanjutnya akan divariasikan temperatur-waktu penahanan post-curing pada 60°C, 60°C, dan 60°C masing-masing selama 3 dan 5jam, kemudian diuji bending
Prosedur Uji Bending
Sumber : ASTM Standards, D 790M-84, Standard Test Method for Flexural and Reinforced Plastics and Electrical Insulating Materials
Data Pengujian Bending Variasi fraksi volume Kode spesi men
Fraksi volume HGM (%)
Temp. Penahan an (°C)
0.a
0.b
P (K N)
Variasi temperatur-waktu penahanan post-curing Defle ksi (mm)
S (Mpa)
S Rata (Mpa)
E (Gpa)
E (Gpa)
No
A.2
0
B.3.1 B.3.2
5.b
B.3.3
5
27
24
3 60
B.5.1
5.c
B.5.2
10.a
5
B.5.3
C.3.1
10
C.3.2
10.c
3
C.3.3
15.a 15
15.c 20.a
20.b
Waktu Penahanan (jam)
A.3
5.a
15.b
Temp. Post Curing (°C)
A.1
0.c
10.b
Fraksi Vol. HGM (%)
20
Temper atur kamar (±27)
90
C.5.1 C.5.2
X
5
C.5.3 D.3.1
D.3.2 3
20.c D.3.3
25.a 25.b
25
D.5.1
110
25.c D.5.2
30.a 30.b 30.c
5
30
D.5.3
P (KN)
Defleksi (mm)
S (Mpa)
S Rata (Mpa)
E (Gpa)
E Rata (Gpa)
DATA HASIL PENELITIAN VARIASI VOLUME FRAKSI Fraksi vol. HGM
Temp. PostCuring
P (KN)
Defleksi (mm)
S (Mpa)
0,5
4
68,055
0,55
4
74,861
0.c
0,55
4
74,861
23,295
5.a
0,6
3,5
81,667
22,236
0,5
4
68,056
5.c
0,55
4,5
74,861
26,206
70
10.a
0,55
4,5
74,861
26,206
60
0,6
3,5
81,667
10.c
0,6
3,5
81,667
22,236
15.a
0,5
4,5
68,056
23,824
0,6
4
81,667
15.c
0,6
3,5
81,667
22,236
20.a
0,55
4,5
74,861
26,206
0,6
4
81,667
20.c
0,45
3,5
61,25
19,059
25.a
0,5
4
68,056
21,177
0,45
4,5
61,25
25.c
0,45
4
61,25
19,059
30.a
0,3
6
40,833
19,059
0,3
5,5
40,833
0,35
6,5
47,638
Kode Spesimen
E (Gpa)
E Rata (Gpa)
(°C)
0.a 0.b
S Rata (Mpa)
0%
21,177 72,593
23,295
22,589
90
10.b
15.b
20.b
25.b
30.b 30.c
5%
10%
15%
20%
25%
30%
27
74,861
79,398
77,13
72,593
63,519
43,102
21,177
22,236
25,412
25,412
21,442
14,559 24,089
23,206
23,559
23,824
80
Tegangan (MPa)
5.b
50 40 30 20 10 0 0%
5%
10%
15%
20%
25%
Volume fraksi HGM (%) 23,559
20,559
19,236
Volume fraksi HGM (%)
30%
Hasil Foto Makro
Arah Pembebanan
Arah Pembebanan
Arah pengambilan foto makro
Crack initiation
komposit penambahan HGM 0% dengan perbesaran 10x
komposit penambahan HGM 5% dengan perbesaran 10x
Arah Pembebanan
komposit penambahan HGM 10% dengan perbesaran 12x
Arah Pembebanan
Crack initiation
Permukaan patah getas
Permukaan patah ulet
komposit penambahan HGM 15% dengan perbesaran 15x
Permukaan patah getas
Arah Pembebanan
Arah Pembebanan
Permukaan patah ulet
Crack initiation komposit penambahan HGM 20% dengan perbesaran 20x
Permukaan patah getas
Arah Pembebanan
Arah Pembebanan
Permukaan patah getas
Permukaan patah ulet
komposit penambahan HGM 25% dengan perbesaran 15x
Permukaan patah ulet komposit penambahan HGM 30% dengan perbesaran 15x
HASIL UJI DSC Tg Polyester = 76,98°C
Tg HGM = 132,79°C
HASIL UJI DSC
Gambar grafik hasil uji DSC pada komposit dengan penambahan fraksi volume 10% HGM
Tg Komposit > Tg HGM dan Polyester Jadi, komposit dapat bekerja pada temperatur lebih tinggi dibandingkan polyester
Hasil Uji SEM Polyester 100% Arah pembebanan
Perbesaran 35x
Perbesaran 400x
Hasil Uji SEM Polyester komposit dengan penambahan HGM 10% Arah pembebanan HGM yang rusak
Matrix cracking
Void
Perbesaran 35x
Perbesaran 500x
Debonding
Hasil Uji SEM Polyester komposit dengan penambahan HGM 30% HGM yang rusak
Void
Perbesaran 35x
Perbesaran 500x
Debonding
DATA HASIL PENELITIAN VARIASI TEMPERATUR DAN WAKTU PENAHANAN POST CURING No.
Fraksi Volume HGM (%)
Temp. Post Curing (°C)
Waktu Penahanan (jam)
P (KN)
Defleksi (mm)
S (Mpa)
0,55
4,5
74,861
0,6
3,5
81,667
0,6
3,5
81,667
22,236
0,75
3
102,08
23,824
0,7
3
95,278
0,8
4
108,89
33,883
0,7
4
95,278
29,648
0,85
5
115,69
0,8
5
108,89
42,354
0,8
4
108,89
33,883
0,8
6
108,89
1
5
136,11
52,942
0,9
6
122,5
57,177
0,85
5
115,69
1
4
136,11
42,354
0,55
4
74,861
23,295
0,5
4
68,056
0,55
4,5
74,861
26,206
0,5
3,5
68,056
18,53
0,5
5
68,056
0,45
5
61,25
A.1
A.2
27
24
A.3
B.3.1
B.3.2
3
B.3.3
B.5.2
5
B.5.3
C.3.1
10
3
C.3.3
C.5.1
5
C.5.3
D.3.1
D.3.2
3
D.3.3
D.5.2
E Rata (Gpa)
26,206
79,398
102,08
22,236
22,236
23,559
26,647
106,62
117,96
45,001
50,824
39,001
45,883
90
C.5.2
D.5.1
E (Gpa)
60
B.5.1
C.3.2
S Rata (Mpa)
124,77
72,593
45,001
21,177
48,177
23,559
110
5
D.5.3
65,787
26,471
23,824
22,942
Hasil Foto Makro
Arah Pembebanan
Arah pengambilan foto makro
Arah Pembebanan Permukaan patah getas Arah Pembebanan
Permukaan patah getas
Crack initiation
Permukaan patah ulet
komposit penambahan HGM 10% dipost curing 60°C selama 3 jam perbesaran 10x
Permukaan patah ulet komposit penambahan HGM 10% dipost curing 60°C selama 5 jam perbesaran 10x
Arah Pembebanan Permukaan patah getas
Arah Pembebanan Permukaan patah getas
Crack initiation
Permukaan patah ulet
komposit penambahan HGM 10% dipost curing 90°C selama 3 jam perbesaran 10x
Permukaan patah ulet
Crack initiation
komposit penambahan HGM 10% dipost curing 90°C selama 5 jam perbesaran 10x
Arah Pembebanan Permukaan patah getas Arah Pembebanan Permukaan patah getas
Permukaan patah ulet komposit penambahan HGM 10% dipost curing 110°C selama 3 jam perbesaran 10x
Permukaan patah ulet
komposit penambahan HGM 10% dipost curing 110°C selama 5 jam perbesaran 10x
HASIL UJI DSC Tg 60°C – 3 jam = 99,67°C
Tg 60°C – 5 jam = 101,18°C
Tg 90°C – 3 jam = 102,73°C
Tg 90°C – 5 jam = 103,31°C
Tg 110°C – 3 jam = 105,90°C
Tg 110°C – 5 jam = 108,54°C
Grafik Hasil Pengaruh Temperatur dan Waktu Post-Curing Komposit dengan Penambahan 10% HGM terhadap Glass Transition Temperature (Tg)
Temperatur post curing
Tg
Grafik Hasil Pengaruh Temperatur dan Waktu Post-Curing Komposit dengan Penambahan 10% HGM terhadap Temperature of Cure (%)
Crosslink
Sumber: Jurnal Thermal Properties of Polymers http://plc.cwru.edu/tutorial/enhanced/files/polymers/therm/therm.htm
Enthalpy
Crosslink
KESIMPULAN 1. Penambahan fraksi volume HGM pada polyester berpengaruh terhadap peningkatan tegangan bending dan modulus elasisitas komposit. Tegangan bending optimum komposit sebesar 79,398 MPa didapatkan dari penambahaan fraksi volume HGM sebanyak 10%. 2. Perbedaan temperatur post-curing dan waktu penahanan pada komposit berpengaruh terhadap peningkatan tegangan bending dan modulus elastisitasnya apabila komposit dengan penambahan fraksi volume HGM 10% di post-curing sebelum melewati temperatur transisinya (Tg). Temperatur postcuring yang paling optimal adalah 90°C dan waktu penahanan yang paling maksimum adalah 5 jam.
SARAN 1. Perlunya penyebaran Hollow Glass Microspheres yang lebih merata agar dapat mengisi matriks pada polyester sehingga void tidak banyak ditemukan dan dapat meningkatkan kekuatan mekaniknya 2. Penelitian lebih lanjut bisa dikembangkan dengan menggunakan HGM dengan ukuran butir yang bervariasi sehingga dapat diketahui ukuran butir Hollow Glass Microspheres ideal yang harus dicampurkan agar nilai tegangan bendingnya maksimum.
Terima Kasih
