## Sifat Mekanik dari Komposit Poliester-Serat Pelepah Kelapa: Efek Perendaman Serat dalam Larutan Kimia Alkali
Nasmi Herlina Sari 1 , Jauhari Fajrin 2
1 Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Mataram, Mataram NTB
2 Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Mataram, Mataram NTB
E-mail: n.herlinasari@unram.ac.id
Abstrak --Dalam  paper  ini,  modifikasi  permukaan  serat  menggunakan  kimia  alkali  dilakukan  untuk menyelidiki efek perendaman serat dalam larutan kimia alkali dari serat pelepah kelapa terhadap sifat mekanik dari komposit termoset. Serat pelepah kelapa direndam dalam larutan kimia sodium hidroksida selama 60 menit, 120 menit, 180 menit dan 240 menit pada temperatur ruangan. Sifat mekanik, meliputi kekuatan  bending,  dan  kekuatan  tarik  yang  diukur  dengan  menggunakan  ultimate  tensile  machine (UTM). Analisa kegagalan dari komposit juga telah diselidiki dan dianalisa melalui foto makro patahan dari  komposit  uji  dan  telah  dibandingkan  dengan  komposit  yang  diperkuat  serat  pelepah  tanpa diperlakukan kimia. Hasil penelitian menunjukkan bahwa sifat kekuatan bending dari sampel komposit (NS4)  menggunakan  serat yang direndam  selama  240  menit  lebih tinggi dibandingkan  komposit  lain yang dipelajari; disebabkan diameter serat lebih kecil dan ikatan interface serat–resin lebih kuat.  Mode kegagalan komposit dengan adanya fiber pull–out menunjukkan jenis patahan ulet. Hasil ini bermanfaat untuk  peneliti  dan  industriawan  sebagai  dasar  dalam  mengembangkan  bahan  alternatif  pengganti produk komersial yang ramah lingkungan.
Kata kunci: komposit, perendaman kimia alkali, poliester, sifat mekanik dan serat pelepah kelapa.
Abstract --In this paper, fiber surface modification using alkali–chemistry is carried out to investigate the effects  of  fiber  immersion  in  an  alkaline  chemical  solution  of  coconut  bark  fiber  on  the  mechanical properties of the thermosset composite. The coconut bark fiber is immersed in a chemical solution of sodium  hydroxide  for  60  min,  120  min,  180  min,  and  240  min  at  room  temperature.  Mechanical properties,  including  bending  and  tensile  strengths  are  measured  using  the  ultimate  tensile  machine (UTM).  The  failure  analysis  of  the  composites  has  also  been  investigated  and  analyzed  through  the macro–fracture  photograph  of  the  composite  and  has  been  compared  with  a  raw  fiber–reinforced composite.  The  results  showed  that  the  bending  strength  properties  of  the  composite  sample  (NS4) used fibers soaked for 240 min higher than the other composites studied; due to a smaller fiber diameter and a stronger fiber–resin bonding interface. Composite failure mode with fiber pull–out indicates the type  of  ductile  fracture.  These  results  are  useful  for  researchers  and  industrialists  as  a  basis  in developing alternative materials for environmentally friendly commercial products.
Keywords: alkaline  chemical  solution,  composite,  coconut  bark  fiber,  mechanical  properties,  and polyester.

## 1. PENDAHULUAN
Pemanfaatan  serat  alam  sebagai  bahan  pengisi komposit  termoset  terus  diselidiki  oleh  para peneliti  seperti  serat  kulit  jagung,  serat  pandan wangi,  serat  pelepah  kelapa,  dan  serat  daun nanas [1– 4].
Sifat–sifat  dari  komposit  terutama  sifat mekanik  yang  dihasilkan  juga  terus  ditingkatkan dengan  cara  memodifikasi  serat  alam  dengan memberikan  perlakuan  kimia  pada  permukaan serat  [5].  Namun,  penyelidikan  terhadap  sifat komposit terkait dengan efek perlakuan perendaman  serat  dalam  larutan  kimia  alkali masih sangat terbatas.
Saat  ini,  kami  telah  berhasil  menyelidiki sifat kimia dan mekanik dari komposit poliester serat  pelepah  kelapa  dengan  memvariasikan
panjang  dan  fraksi  volume  dari  serat  pelepah kelapa  dan  menghasilkan  bahan  komposit yang menunjukkan performansi kekuatan tarik yang  sangat  baik  [3].  Kami  juga  telah melaporkan  efek  pemakaian  NaOH  dengan konsentrasi  1%,  2%,  5%  dan  8%  pada permukaan corn husk fiber terhadap peningkatan sifat mekanik dari panel corn husk fiber [1].  Karyanik  dan  Sari  [6]  juga  telah menyelidiki  sifat  mekanik  dari  komposit poliester diperkuat serat eceng gondok dengan filler ampas  singkong.  Mereka  melaporkan bahwa nilai kekuatan tarik dan kekuatan impak tertinggi dari komposit yang dihasilkan diperoleh dari penambahan fraksi volume serat 25%  dalam  komposit  poliester.  Sedangkan, Setyawan  et  al.  [4]  juga  telah  membuat komposit  poliester  tak  jenuh  diperkuat  serat
Ananas Cosmous . Mereka melaporkan bahwa kekuatan  tarik  dari  komposit  dengan  fraksi volume  40% dalam  resin  lebih tinggi daripada fraksi  volume  serat  10%,  20%  dan  30% berturut–turut.
Penyelidikan  kami  saat  ini  berkaitan  dengan efek lama perendaman serat dalam larutan NaOH 5%  terhadap  sifat  mekanik  dari  komposit    serat pelepah kelapa dengan matrik poliester. Penelitian ini dilakukan secara eksperimental dan komposit yang dihasilkan dapat menjadi alternatif produk komersial yang ramah lingkungan.

## 2. METODE PENELITIAN

## 2.1 Bahan
Pelepah kelapa diambil dari pohon kelapa dengan panjang  10  mm  dari  pangkal  kelopak  pelepah. Mereka  dicuci  agar  debu–debu  yang  menempel hilang  dan  mereka  dipukul–pukul  sebelum direndam dalam air selama 48 jam. Perendaman dilakukan  untuk  melunakkan  daging  pelepah kelapa  melalui  proses  micro–bacterial  [1]  untuk memudahkan  pengambilan  serat.  Penyisiran serat pelepah kelapa dilakukan dengan menggunakan  sikat  kawat,  selanjutnya  serat  di bilas  dengan  air  segar  dan  diangin–anginkan menggunakan panas matahari.
Proses pengambilan  serat  pelepah  kelapa  ditunjukkan dalam Gambar 1.
Gambar 1 . Proses pengambilan serat pelepah kelapa

## 2.2 Proses Perlakuan Alkali Serat
Bahan  baku  serat  pelepah  yang  telah  siap direndam  dalam  larutan  sodium  hidroksida (NaOH)  konsentrasi  5%  selama  0,  60,  120,  240 (menit)  berturut–turut  pada  temperatur  kamar. Mereka  dicuci  dengan  air  mineral  untuk menghilangkan NaOH yang masih melekat pada permukaan  serat,  kemudian  dikeringkan  dengan
cara diangin–anginkan selama 180 menit dibawah panas  matahari.  Selanjutnya,  mereka  disimpan dalam kotak plastik dengan kandungan kelembaban  40%  dan  diberikan  kode  untuk masing–masing perlakuan. Kode sampel uji untuk masing–masing proses perlakuan panas ditunjukkan dalam Tabel 1.
Tabel 1. Kode sampel uji untuk masing–masing komposit berbeda Jenis Komposit Kode Komposit  dengan  serat  tanpa  direndam alkali NS Komposit  dengan  serat  yang  direndam selama 60 menit NS1 Komposit  dengan  serat  yang  direndam selama 120 menit NS2 Komposit  dengan  serat  yang  direndam selama 240 menit NS4
Empat  jenis  sampel  uji  komposit  berbeda dihasilkan untuk masing–masing tes. Tiap-tiap tes dilakukan replikasi sebanyak 5 kali untuk tiap–tiap parameter uji.

## 2.3 Proses Pembuatan Komposit
Adonan  resin  poliester  dan hardener (Metil  etil keton  peroksida)  1.5%  dicampur  menggunakan mesin  pencampur  selama  5  menit  pada temperatur  kamar  dengan  kelembaban  relatif 61%.  Selanjutnya,  adonan  siap  bercampur dengan  serat  (fraksi  volume  25%)  dengan orientasi  serat  acak  yang  telah  tersedia  dalam cetakan,  kemudian  cetakan  ditutup  dan  ditekan 130 MPa. Setelah 48 jam cetakan dibongkar dan sampel komposit berbeda diperoleh. Total ada 20 sampel komposit dihasilkan untuk setiap parameter  pengujian.  Dimensi  sampel  komposit mengikuti  standar  internasional  yaitu  ASTMD– 790  [2]  untuk  sampel  uji  tarik  dan  ASTMD–3039 [3] untuk sampel uji tarik.

## 2.4 Pengukuran sifat mekanik dari komposit
Spesimen komposit untuk uji tarik memiliki ukuran panjang x lebar x tebal yaitu 115 mm x 19 mm x 3 mm.  Uji  tarik  dilakukan  menggunakan Universal Testing  Machine (Instron  model  4301)  menurut standar  ASTM–3039    pada  crosshead  speed adalah 5 mm/min dan beban uji sebesar 1 kN. Selanjutnya, sampel komposit dengan ukuran 127 mm x 12.7 mm x 3 mm telah digunakan untuk uji three  point  bending pada Universal  Testing Machine (Instron  model  4301)  sesuai  dengan standar ASTM–D790 crosshead speed sebesar 5 mm/min  dan  beban  uji  1  kN.  Semua  sampel komposit  di  uji  setelah  diseimbangkan  di  bawah kondisi standar ASTM pada temperatur 23 o C dan kelembaban  relatif  61%  selama  24  jam. Permukaan dari sampel komposit telah di analisa menggunakan foto makro.
(a)
(b)
(c) (d)

## 3.    HASIL DAN PEMBAHASAN
3.1 Sifaf Tarik
Gambar  2  menunjukkan  kekuatan  tarik  dari komposit  terhadap  waktu  perendaman  serat dalam  alkali  kimia.  Kekuatan  tarik  dari  komposit yang dihasilkan menunjukkan peningkatan dengan  bertambahnya  waktu  perendaman  serat dalam  alkali.  Kekuatan tarik  paling  tinggi ditemukan  pada  sampel  komposit  SN4  sebesar 76.40 MPa, kemudian diikuti oleh komposit SN2, komposit  SN1  dan  komposit  SN  yaitu  63.47  ± 0.001  MPa,  53.15  ±  0.  002  MPa,  dan  46,83  ± 0.003  MPa.  Lamanya  perendaman  serat  dalam alkali telah menyebabkan diameter serat mengecil (lihat dalam Gambar 3). Dalam fraksi volume serat konstan  (25%),  diameter  serat  lebih  kecil menyebabkan  fraksi  volume  serat  lebih  banyak sehingga  kemampuan  bahan  menahan  beban tarik meningkat [7].
Gambar 2. Waktu perendaman serat dalam alkali kimia vs kekuatan tarik komposit serat pelepah kelapa–poliester
Gambar 3. Hubungan diameter serat terhadap waktu perendaman serat dalam alkali
Sari  et  al  [5]  telah  melaporkan  bahwa  perlakuan alkali  pada  serat corn  husk  fiber selama  2  jam telah  menghilangkan  kandungan  hemiselulosa dan  lignin  dari  serat  sehingga  diamater  serat mengecil,  aspek  rasio  serat  menjadi  tinggi ;sehingga  kekuatan  tarik  komposit  tinggi.  Selain itu,  Sari  et  al  [1]  melaporkan  bahwa  ikatan interfacial bonding yang kuat juga mempengaruhi kekuatan  tarik  dan  medulus  young’s  dari komposit.  Hal  ini  juga  yang  menjadi  alasan mengapa kekuatan tarik komposit SN lebih tinggi dibandingkan  dengan  komposit  lainnya.  Lebih lanjut,  hal  ini  juga  telah  dikonfirmasi  dengan bentuk patahan dari komposit SN4 dan komposit lainnya yang dipelajari setelah uji tarik (lihat dalam Gambar    4a.  4b,  4c  dan  4d)  yang  menunjukkan jenis patahan ulet [8].
Untuk  sampel  komposit  SN  ditemukan memiliki kekuatan tarik rata–rata sebesar 24,321 MPa, nilai ini paling rendah dibandingkan dengan sampel  komposit  lainnya.  Diameter  serat  yang lebih besar dari serat lainnya (lihat dalam Gambar 3)  telah  menyebabkan  kemampuan  serat  dalam menahan beban lebih lemah karena jumlah serat dalam  komposit  sedikit;  sehingga  kekuatan  tarik komposit  menurun.  Lebih  lanjut,    Luo  dan Netravali [9], Sari et al [1] telah melaporkan bahwa komposit  gagal  pada  interface  karena  lemahnya ikatan  interfacial.  Ikatan  interfacial  yang  lemah juga  mempengaruhi  modulus  young’s  dari komposit. Bahkan, hal ini menyebabkan komposit mengalami  kegagalan  lebih  awal.  Hal  ini  telah dikonfirmasi pada foto patahan dari komposit (lihat dalam  Gambar  4a)  menunjukkan fiber–pull  out dari resin  yang menggambarkan bentuk patahan ulet [8].
Gambar 4. Foto kegagalan dari spesimen uji tarik dari komposit berbeda a. Komposit NS, b. Komposit NS1, c. Komposit NS2, d. Komposit
NS4
Patahan rata (d) (a) (c) (b) Fiber  pull– out Patahan rata Patahan rata
3.2 Sifat Lentur Hasil pengukuran yang dilakukan secara eksperimental  terhadap  kekuatan  lentur  dari komposit  yang  dihasilkan  diperlihatkan  dalam Gambar  5.  Dari  Gambar  5    ditemukan  bahwa kekuatan  lentur  dari  komposit  yang  dihasilkan menunjukkan peningkatan dengan bertambahnya waktu  perendaman  serat  dalam  larutan  kimia NaOH.  Kekuatan  lentur  paling  tinggi  diperoleh pada  komposit  SN1  yaitu  sebesar  69.75  MPa  ± 0,001  MPa  daripada  komposit  lainnya  yang dipelajari.  Hal  ini  terutama  dikarenakan  alasan kemampuan transfer beban matrik ke serat  yaitu beban  tekan  pada  bagian  atas  dan  tarik  pada bagian bawah serta gaya geser di bagian tengah seragam.
Gambar 5. Waktu perendaman serat dalam alkali kimia vs kekuatan lentur komposit dalam penelitian ini
Gambar 6. Foto kegagalan dari spesimen uji tarik dari komposit berbeda a. Komposit NS, b.Komposit NS1, c. Komposit NS2, d. Komposit
NS4
Efek  perendaman  alkali  selama  120  menit  telah menambah kekuatan serat untuk menahan beban lentur;  dengan  demikian  kekuatan  lentur  dari komposit menjadi tinggi. Hasil ini telah dikonfirmasi  dengan fiber  pull–out seperti diperlihatkan  dalam  Gambar  6a  dan  6b. Jenis patahan ini menunjukkan jenis patahan ulet.
Untuk sampel komposit SN diperoleh kekuatan  lentur  rata–rata  sebesar  60,33  MPa  ± 0,001  MPa.  Nilai  ini  paling  rendah  dibandingkan dengan  kekuatan  lentur  dari  komposit  lainnya yang  dipelajari.  Hal  ini  diduga  terjadi  karena lemahnya  ikatan  serat–matrik  akibat  permukaan serat  yang  licin  karena  adanya  lignin  dan hemiselulosa dari serat. Kegagalan fiber pull–out terjadi  di  sejumlah  area  yang  luas  padai permukaan  komposit.  Foto  penampang  patahan komposit  SN  menunjukkan  adanya  dominasi mekanisme  patahan fiber  pull–out .  Bentuk patahan komposit menunjukkan tipe patahan ulet seperti ditunjukkan oleh Gambar  6.
Untuk  sampel  komposit  SN2  dan  komposit SN4 memiliki nilai kekuatan lentur rata–rata yaitu 61.47  ±  0.001  MPa  dan  56.5  MPa  ±  0,002  MPa berturut–turut. Nilai kekuatan ini menurun sekitar 19.22% dan 48,01% berturut–turut dari komposit SN1. Hal ini boleh jadi dikaitkan dengan diameter serat yang kecil yang menyebabkan fraksi volume serat lebih banyak dalam komposit, meningkatnya interaksi  serat  ke  serat  tidak  selaras  dengan matrik, masalah void dan distribusi. Asri dan Khalil [10] melaporkan bahwa tegangan lentur menurun dari  komposit  termoplastik  dikaitkan  dengan interaksi rendah dan penyebaran tidak merata dari serat  dalam  matrik.  Hal  ini  telah  dikonfirmasi dengan adanya fiber pull–out  seperti ditunjukkan dalam Gambar 6c dan 6d.

## 4.  KESIMPULAN
Hasil dari studi ini menunjukkan bahwa  komposit yang  berguna dengan kekuatan  yang baik dapat dikembangkan secara sukses dengan menggunakan  serat  pelepah  kelapa  sebagai bahan  penguat  untuk  matrik  poliester.  Kekuatan tarik  komposit  meningkat  secara  signifikan dengan merendam serat dalam kimia NaOH lebih lama.  Sebaliknya,  kekuatan  lentur  komposit menurun karena interaksi serat ke serat, masalah dispersi  dan void .  Penelitian  ke  depan  akan mencakup  upaya  untuk  memperbaiki  kekuatan ikatan  serat/resin  dan  distribusi  serat  yang seragam.

## DAFTAR PUSTAKA
[1].  Sari NH, Wardana ING, Irawan YS. Siswanto E. 2017, Corn Husk Fiber–Polyester Composites as Sound Absorber: Nonacoustical  and  Acoustical  Properties. Advances in Acoustics and Vibration. Volume
(a) (b) (c) (d) Fiber pullout Fiber pullout Fiber pullout Patahan rata
2017. https://doi.org/10.1155/2017/4319389 .
[2].  Sari  NH,  Yudhyadi,  IGNK.  Sulistyowati,  ED. 2013.  Karakteristik  Kekuatan  Bending  Kayu Komposit Polyester Diperkuat Serat Pandan Wangi  dengan  Filler  Serbuk  Gergaji  Kayu. Jurnal  Energi  dan  Manufaktur.  Vol.  6  No.2: 95–205.
[3].  Sari NH, Zainuri A, Wahyu F. 2011. Pengaruh Panjang  Serat  Dan  Fraksi  Volume  Serat Pelepah  Kelapa  Terhadap  Ketangguhan Impact Komposit Polyester. Dinamika Teknik Mesin.  Volume  1.  Nomor  2  Edisi  Juli  2011 ISSN : 2088–088X.
[4].  Setyawan  DS,  Sari  NH,  Putra  DGP.  2012. Pengaruh  orientasi  dan  fraksi  volume  serat daun  nanas  (ananas  cosmous)  terhadap kekuatan  tarik  komposit  poliester  tak  jenuh (UP).  Dinamika  Teknik  Mesin.  Vol  2,  No.  1. E–ISSN: 2502–1729.
[5].  Sari NH, Wardana ING, Irawan YS, Siswanto E.  2017,  Characterization  of  the  Chemical, Physical,  and  Mechanical  Properties  of NaOH–treated Natural Cellulosic Fibers from Corn Husks, Journal of Natural Fibers, 1–14. DOI:10.1080/15440478.2017.1349707.
[6].  Karyanik,  Sari  NH.  2016.  Analisis  Sifat Mekanik  Material  Komposit  Ecenggondok Berbahan  Filler  Ampas  Singkong  Dengan Matrik  Polyester.  R.E.M  (Rekayasa  Energi Manufaktur)  Jurnal.    Vol  1,  No  1.
https://doi.org/10.21070/r.e.m.v1i1.170 [7].  Sari NH, Wardana ING, Irawan YS, Siswanto E. 2017. Physical  and  Acoustical  Properties of  Corn  Husk  Fiber  Panels:  Advances  in Acoustics    and    Vibration,    Volume  2016. https://dx.doi.org/10.1155/2016/5971814 .
[8].  Jeevitha D, Amarnath K. 2013. Chitosan/PLA  nanoparticles  as  a  novel carrier  for  the  delivery  of  anthraquinone: synthesis,  characterization  and  in  vitro cytotoxicity evaluation, Colloids and Surfaces B,vol.101 : pp. 126–134.
[9].  Luo  S,  Netravali  N.  1999.  Mechanical  and thermal  properties  of  environment–friendly ‘‘green’’  composites  made  from  pineapple leaf  fibres  and  poly  (hydroxybutyrate–co– valerate)  resin.  Polym  Compos  20(3):  367– 78.
[10]. Asri  SM,  Abdul  Khalil  HPS.  Utilization  of  oil palm fibres thermoplastic prepreg in polyester  hybrid  composites.  In:  Proceed– ings of 3rd National symposium on polymeric materials  2002,  Skudai,  30–31  December; 2002. p. 160–6.
[11]. Abdul Khalil HPS, Issam AM, Ahmad Shakri MT, Suriani R, Awang AY. 2017.
Conventional agro–composites
from chemically  modified  fibres.  Ind  Crops  Prod 23(3):315–23..