## ANALISIS SIFAT MEKANIK KOMPOSIT LAMINA BERPENGUAT SERAT KACA WOVEN DENGAN MATRIKS

## UNSATURATED POLYESTER 2504 APT
Naafi’ul Amri 1 , Gaguk Jatisukamto 2 , Sumarji 2*
1 Mahasiswa Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Jember
2 Staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Jember, Jl. Kalimantan 37, Jember , 68121
Email: *sumarji.mesin@gmail.com

## ABSTRACT
Polymer  composites  has  anisotropic  properties,  if  it  receives  stress  from  outside  it  will  increase deformation in all  directions.  This study aims  to  determine  the  effect  of  composites lamina  made from woven glass fibers on 2504 APT unsaturated polyester on tensile and flexural strength. The research methodology used is as follows: the process of making composites using the Hand-Lay Up method, the matrix volume fraction Vfm = 69, 39%, the fiber volume fraction Vfs = 30, 38%. The research parameters observed are the x-direction stress (  x) and the y-axis direction strees, (  y). The results obtained are the y-axis, (  y) = 0.8% greater than the x-axis. The flexural strength of the x-axis direction, (  bx) = 57,7% greater than the y-axis direction. The difference in the value of the tensile strength occurs in the number of different fiber bonds, while the flexural strength of the y direction occurs in the fiber lamina which increases more .
Keywords: Sifat mekanis, Serat kaca woven, Lamina.

## PENDAHULUAN
Rekayasa material bidang komposit banyak diterapkan  berbagai  aplikasi  seperti:  kapal  laut, industri  otomotif,  industri  pesawat  terbang, elektronika,  peralatan  rumah    tangga    dan peralatan  olah  raga  [1].  Indonesia  merupakan negara  yang  memiliki  kepulauan  kecil  dan  laut yang  luas.  Transportasi  laut  yang  digunakan dalam  penyebrangan  antar  pulau  kecil  dan  para nelayan  dibutuhkan    alat  transportasi  kapal  yang memiliki konstruksi yang ringan. Bahan komposit dengan  penguat  serat  kaca  menjadi  bahan alternatif  pembuatan  kapal,  Biro  Klasifikasi Indonesia  (BKI)  berdiskusi  bahwa  kecelakaan pada kapal berbahan komposit disebabkan faktor kritis konstruksi lambungnya [2]. Komposit serat kaca  sebagai  lambung  kapal  memiliki  nilai minimum  untuk  kekuatan  tarik  121,23  MPa  dan untuk kuat tekuk 116,15 MPa [3].
Komposit harus memiliki persyaratan tertentu agar memiliki keunggulan yang lebih baik dari  material  lain  seperti  massa  ringan,  sifat mekanik yang baik, pembuatan murah dan mudah diperoleh.  Komposit  polimer  relatif  mudah dibentuk  dan  memiliki  karakteristik  yang  lebih dari  material  lain  sehingga  digunakan  sebagai alternatif pengganti material logam konvensional [4][5].  Bahan  penyusun  komposit  terdiri  atas matriks  dan  penguat  ( reinforce ).  Jenis  penguat yang di gunakan dalam pembuatan komposit
seperti  penguat  serat  alam  dan  serat  kaca ( fiberglass ). Orientasi serat kaca terdiri atas serat kaca acak, serat kaca woven dan serat kaca lurus. Orientasi digunakan  memiliki karakteristik berbeda,  sesuai  dengan  aplikasinya.      Serat  kaca mempunyai nilai yang tinggi saat diuji tarik, nilai density  dan  nilai  kekakuan  rendah,  mempunyai dimensi yang baik, mempunyai resisten terhadap keadaan  dingin  dan  panas  serta  tahan  terhadap korosi.  Sifat  mekanik  dan  fisik  dari  komposit ditentukan dari kandungannya seperti perbandingan  fraksi    volume    serat,  arah    serat dalam  matriks,  penampang  lintang  serat, sifat mekanis  serat  maupun  matriks, dan  kuat  ikat serat  matriks [6]. Kekuatan mekanik bergantung pada  orientasi  serat  komposit,  beban  tarik  yang diberikan  searah  serat  menghasilkan  kekuatan tarik yang maksimal [5].
Pengaruh arah beban terhadap sifat mekanik komposit  lamina  memiliki  karakteristik  berbeda. Penelitian  sebelumnya  pengaruh  arah  beban sumbu x dan y terhadap kekuatan tekan komposit serat bambu dipelajari. Hasil penelitian menunjukkan  E X =  30044  MPa  dengan poisson rasio 0,013 - 0,278, E Y = 265 MPa dengan poisson rasio 0,621 - 1,506 [7]. Penelitian yang lain dikaji bahwa  orientasi  serat  juga  berpengaruh  terhadap sifat  mekanik  yang  optimal.  Serat  kaca woven dengan orientasi serat 90 0 memiliki kekuatan tarik dan  modulus  elastisitas  yang  optimal  dibanding
orientasi serat 45 0 [8]. Penelitian tersebut sejalan dengan  [9]  bahwa  didapatkan  nilai  modulus young  tertinggi  dengan  ketebalan  2  mm  pada orientasi 90 0 dibanding orientasi serat 30 0 dan 45 0 . Berdasarkan penelitian sebelumnya bahwa pengaruh  arah  beban  terhadap  lamina  komposit dengan  menggunakan  serat  kaca woven perlu dikaji  lebih  lanjut  untuk  memenuhi  spesifaksi dalam aplikasi alat transportasi kapal.

## LANDASAN TEORI
Gambar 2. Tegangan pada element
Gambar  2  menunjukkan  sifat anisotropic material,  yang  merupakan  komposit  yang mempunyai  nilai  kekuatan  yang  berbeda  pada setiap  arah  penguatnya  berdasarkan  beban  yang diberikan searah dengan serat, sehingga tegangan regangan  akan  mempunyai  nilai  yang  berbeda [10].
Gambar 3. Arah tegangan tarik
Penentuan  tegangan  arah  1  dan  2  yaitu  pada spesimen  penguat  serat  lurus  lamina,  bahwa ketebalan spesimen tidak hanya satu lamina tetapi beberapa  lamina  dengan  dengan  orientasi  serat yang  sama,  seperti  yang  ditunjukkan  Gambar  3 [10].

## METODE PENELITIAN
3.1 Skema proses penelitian
a. Bahan dan prepasrasi spesimen
Bahan  yang  digunakan  adalah  serat  kaca woven WR 200 sebagai penguat dan resin eterset 2504  APT  sebagai  matriks.  Katalis  mepoxe digunakan  sebagai  proses curing .  Lamina komposit  dibuat  dengan  metode Hand-Lay  up dengan  fraksi  volume  V fm =  68,39%  dan  fraksi volume  V f s  =  30,38%  sedangkan  untuk  katalis menggunakan  1  %  dari  volume  resin.  Lamina komposit  dipotong  dengan  bentuk  plat  dengan dimensi sesuai ASTM D 3039 pengujian tarik dan ASTM D 790 pengujian bending
Gambar 4. Susunan serat kaca woven
Gambar  1  menunjukkan  penyususnan  lamina komposit penguat serat kaca woven yang disusun dengan  orientasi  yang  sama  dengan  penelitian terhadap  dua  arah  beban  F 1, F 2 dengan  type anyaman  yang  sama  pada  arah  sumbu  x  dan  y. Pengaruh  arah  beban  sangat  penting  untuk diperhatikan  untuk  mengetahui  sifat  mekanik komposit [11].
3.2 Karakterisasi mekanis
Spesimen uji tarik ditunjukkan Gambar 5 [12].
Gambar 5. Spesimen uji tarik (ASTM D 3039)
Spesimen  uji  bending  ditunjukkan  Gambar  6. Kekuatan  bending  dilakukan  dengan  pengujian tiga  titik  bending  yang  ditunjukkan  Gambar  7 [13].
Memotong serat Preparasi cetakan Proses Hand Lay- up Memotong spesimen Proses pengujian Analisis data
Gambar 7. Skema uji bending (ASTM D 790)

## HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Hasil pengujian tarik
Pengujian  tarik  spesimen  komposit  dilakukan dengan  10  kali  pengulangan  sampel  yang disesuaikan dengan ASTM D 3039.
Gambar 8. Korelasi antar arah beban dengan Kekuatan tarik
Gambar  8  menyajikan  hasil    kekuatan  tarik dengan  parameter  pengaruh  beban  tarik  arah sumbu x dan y. Digram menunjukkan bahwa hasil  y meningkat  0,8  %  dari  kekuatn  y .  Perbedaan kekuatan  tarik  tersebut  disebabkan  oleh  proses pemotongan  serat  kaca woven yang  tidak konsisten sehingga dapat mempengaruhi kekuatan tarik,  perbedaan  tersebut  sama  dengan  peneltian [14].  Hasil  nilai  modulus  elastisitas  ditunjukkan pada  Gambar  9.  Hasil  E y Arah  beban  sumbu  x meningkat  5,7  %,  regangan  ɛ x menurun  19,7  % dari arah beban pada sumbu y. Spesimen komposit saat  dilakukan  pengujian  tarik  akan  berubah bentuk.  Spesimen  komposit  berubah  bentuk  dari panjang mula-mula menjadi memanjang. Pembuatan spesimen komposit adanya permukaan  yang  tidak  rata  mengakibatkan  nilai regangan  atau  perubahan  panjang  mengalami perbedaan.  Salah  satu  penyebab  nilai  modulus elastisitas  disebabkan  oleh  matra    ( dimension ) bahan    yang    digunakan    memiliki  tebalnya  dan struktur  atau  komposisi  penyusun bahan tersebut berbeda [15].
Gambar 9 Korelasi antar arah beban dengan modulus elastisitas
4.2 Hasil kekuatan bending
Gambar 10 Korelasi antar arah serat dengan kekuatan bending
Gambar  10  menyajikan  hasil  kekuatan  bending dengan  parameter  pengaruh  beban  tarik  arah sumbu  x  dan  y.  Arah  beban  kekuatan  bending sumbu x terjadi pada lamina serat sedangkan arah beban sumbu y terjadi pada permukaan komposit. Kekuatan  bending  terhadap  arah  beban  berbeda dengan  hasil  kekuatan  tarik  dan  modulus elastisitas.    Gamabar  6  menunjukan  b x meningkat 57,7  % dari  by . Kekuatan bending  bx lebih  maksimal  disebabkan  oleh  beban  arah sumbu x ditumpu oleh banyaknya serat sedangkan pada sumbu y beban hanya ditumpu oleh anyaman serat.  Penelitian  ini  sejalan  dengan  [7]  meneliti pengaruh  pembebanan  tekan  sumbu  x  dan  y dengan  menggunakan  bahan  penguat  bambu, didapatkan kekuatan tekan pada sumbu x sebesar 67,61  MPa  dan  kekuatan  tekan  pada  sumbu  y sebesar 9,28 MPa
118,02 119,07 50 70 90 110 130 Sumbu X Sumbu Y
8.842 9.352 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 Sumbu X Sumbu Y 148,06 233,54 0 50 100 150 200 250 Sumbu Y Sumbu X Mo d u lu s elastis itas ( MPa) (MPa (MPa) K ek u atan b en d in g (MPa) K ek u atan tar ik (MPa)

## 3.3 Pengamatan makro
LGM ( Lateral gage middle ); XGM ( Explosive gage middle ); LAB ( Lateral At Bottom ) Gambar 11 Pengamatan bentuk patahan morfologi makro uji tarik
Gambar  11  menggambarkan  bentuk  patahan setelah  dilakukan  pengujian  tarik.  Tipe  patahan yang  dapat  diamati  adalah  patah  di  dekat pencekam  uji  tarik  dan  pada  bagian  tengah spesimen.  Spesimen  A1  termasuk  patah  LGM ( Lateral  Gage  Middle )  merupakan  patah  yang terjadi  pada  bagian  tengah  spesimen,  hal  ini menunjukkan  bahwa  patah  yang terjadi  adalah sudah  baik  dan  beban  yang  di  berikan  pada spesimen sudah terdistribusi merata. Spesimen A2 termasuk  patah  XGM  ( Explosive  Gage  Middle ) merupakan  tipe  kegagalan  spesimen  komposit explosive dengan  kegagalan  luas  area  disekitar gage  dan  letak  posisi  patahan  yang  terjadi  pada bagian  tengah  spesimen  komposit.  Spesimen  A2 dapat  diamati  bahwa  patah  yang  terjadi  adanya kemiringan patahan dan adanya robekkan matriks memanjang  pada  bagian  sisi  samping  spesimen, Hal  ini  disebabkan  adanya delaminasi pada sampel. Delaminasi merupakan  salah  satu  dari model kerusakan kritis yang terjadi pada komposit laminat, delaminasi terjadi karena beberapa faktor seperti  tegangan  interlaminar  yang  tinggi  pada sudut-sudutnya  dan  konsentrasi  tegangan  pada lokasi retak atau kerusakan lain pada laminat [16]. Spesimen A3 termasuk jenis patah LAB ( Lateral At  Grib/Tab  Bottom ),  patah  LAB  terjadi dikarenakan  saat  pengujia  pencekamnya  yang terlalu  keras  sehingga  gaya  distribusi  berpusat pada  pencekamnya  dan  juga  dapat  membuat tegangan didaerah tersebut tinggi hanya terkonsentrasi pada daerah pencekam.
3.4 Pengamatan mikro
(a), (b) Orientasi serat sumbu X uji tarik; (c), (d) Orientasi serat sumbu Y uji tarik
Gambar 12 Mikro komposit serat kaca woven
Pengamatan  lanjut  dari  bentuk  patahan  diamati dengan  menggunakan  digital  microscope  pada permukaan  patahan  spesimen  yang  ditunjukkan Gambar  12.  Fenomena-fenomena  yang  terjadi pada permukaan banyaknya fenomena terjadinya fiberpull out , fiberpull out merupakan terlepasnya serat dari matriks. Terlepasnya serat pada matriks disebabkan serat mengalami pertambahan panjang  sedangkan  matriks  yang  sifatnya  getas tidak  mengalami  pertambahan  panjang,  hal tersebut  yang  mengakibatkan  ikatan  serat  dan matriks  terlepas  [17] . Fiberpull  out terjadi dikarenakan  proses  pembasahan  antara  matriks dan  serat  tidak  berikatan  secara  sempurna sehingga  dari  fenomena  tersebut  dapat  dimati bahwa  serat  langsung  tercabut  dari  matriks  dan patah  secara  tidak bersamaan.  Pembasahan  tidak terjadi dikarenakan adanya penggumpalan matrik, sehingga matriks sulit membasahi penguat [18].

## KESIMPULAN
Berdasarkan  hasil  penelitian  tentang analisis sifat mekanik komposit polyester dengan penguat serat kaca woven dan matriks unsaturated polyester 2504  APT  terhadap  pembebanan  yang diberikan  di  peroleh  hasil  kesimpulan  sebagai berikut:
Fiber pull out Serat Kaca Melintang Fiber pull out Serat Kaca Resin LGM XGM LAB
1a.  Modulus  elastisitas  maksimal  serat  kaca woven tertinggi  E y =  9352,2  MPa  dengan nilai  regangan 𝜀 y =  0,0949.  Modulus Elastisitas  pada  arah  sumbu  x  lebih  rendah jika dibandingakan dengan modulus elastisitas pada arah sumbu y yaitu E x = 8842 MPa dengan nilai regangan 𝜀 x = 0,1182. b.  Kekuatan tarik maksimal pada arah sumbu y adalah  y =  119,07  MPa  lebih  tinggi dibandingkan pada arah sumbu x yaitu  x = 118, 02 MPa.
2.  Kekuatan  bending  serat  kaca woven arah sumbu Y lebih besar dibanding arah sumbu x, yaitu  b x =  233,54  MPa  dan  b y =  148,06 MPa.
3.  Berdasarkan  pengamatan    foto  makro komposit  serat  kaca woven menunjukkan  ciri khas  bentuk  patahan  LAB,  LGM  dan  XGM. Pengamatan  lanjut  foto  mikro  menunjukkan terjadinya fiberpullout pada pembebanan tarik arah x dan y.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]  Anam,  K.,  A.  Purnowidodo,  dan  S.  A. Setyabud. 2018. Pengaruh Woven Angle dan Proses Penekanan Terhadap Tegangan Tarik pada Natural  Fiber  Lminate  Composite . Jurnal Rekayasa Mesin Vol.9, No.3 155-162
[2]  Ma'aruf, B. 2011.Studi Standardisasi Konstruksi Laminasi Lambung Kapal Fiberglass . Jurnal  Standardisasi Volume 13, No. 1: 16-25.
[3]   BKI. (2006).  Fibreglass Reinforced Plastics Ships,  Rules  and  Regulation  for  the Classification  and  Construction  of  Ships, Biro Klasifikasi Indonesia. Jakarta.
[4]  Gundara,  G.  2017.  Analisis  Sifat  Fisis  dan Mekanis Komposit Serat Gelas Berlapis. 2: 17-21.
[5]   Yudiono, H., Rusiyanto, dan Kiswadi. 2017. Kekuatan  Tarik  Komposit  Lamina  berbasis Anyaman  Serat  Karung  Plastik  Bekas ( woven bag ). Jurnal Kompetensi Teknik Vol. 8 No.2,: 1-7.
[6]  Sari,  N.  H.,  Sinarep,  Ahmad,  dan  I. Yudhyadi. 2011. Ketahanan Bending Komposit Hybrid Serat Batang Kelapa/Serat Gelas  dengan  Matrik  Urea  Formaldehyde. Jurnal Ilmiah Teknik Mesin Cakra M 5: 91- 97.
[7]  Takeuchi,  C.  P.,  M.  Estrada,  dan  D.  L.
Linero.  2016.  The  Elastic  Modulus  and Poisson’s  Ratio  of  Laminated  Bamboo Guadua  Angustifolia. Key  Engineering
Materials 668: 126-133.
[8] Carli, S.  Widyanto, dan I. Haryanto. 2012. Pengaruh  Arah  Serat  Gelas  dan  Bahan Matriks  Terhadap  Kekuatan  Komposit Airfoil Profile Fan Blades. Prosiding SNST : C. 46- C. 51 .
[9]  Banakar,  P.,  dan  H.  K.  Shivanda.2012. Influence of Fiber Orientation & Thickness on Tensile Properties of Laminated Polymer Composites. Bonfring . 41-46.
[10]  Jones,  R.  M.,  dan  K.  S.  Devens.  1999. Mechanics  of  Composite  Materials  Second Edition . USA: Taylor & Francis, Inc.
[11]  Campbell, F. C. 2010. Structural Composite Materials: ASM INTERNASIONAL
[12]  ASTM D 3039. Standar  Test  Method  For Tensile    Properties    of    Polymer    Matrix Composite  Materials .  American  National Standard.
[13]  ASTM  D  790. Standard  Test  Methods  for
Flexural  Properties  of  Unreinforced  and Reinforced Plastics and Electrical
Insulating  Materials .  American  National Standard.
[14]  Rios-Soberanis, C. R., R. H. Cruz-Estrada, J. Rodriguez-Laviada,  dan  E.  Perez-Pacheco. 2012.  Study  of  Mechanical  Behavior  of Textile  Reiforced  Composite  Material. Engineering Journal DYNA : 115-123.
[15]  Souisa, M. 2011. Analisis Modulus
Elastisitas dan Angka Poisson Bahan dengan Uji Tarik. Jurnal Barekeng Vol. 5 No. 2: 9- 14
[16]  Astika, I. M. 2012. Analisa Delaminasi pada Glass  Fiber  Reinforced  Polymer  Komposit Laminat  Dengan  Pembebanan  Fatigue. Jurnal Dinamika Teknik Mesin Vol. 2 No. 1: 1-14.
[17]  Mallick,  P.  K.  2008. Fiber-Reinforced Composites New  York:  Press  Taylor  &
Francis Group, LLC .
[18]  Zulkifli,  N.  I.,  N.  Samat,  H.  Anuar,  dan  N.
Zainuddin. 2015. Mechanical Properties and Failure Modes of Recycled Polypropylene/Microcrystalline Cellulose
Composites. Journal  Material  and  Design : 114-123.