## KARAKTERISASI SIFAT TARIK KOMPOSIT HIBRID KARBON/ABAKA/PMMA SEBAGAI BAHAN ALTERNATIF PROSTHESIS

## Beni Firiya
Fakultas Teknik, Program Studi Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Yogyakarta Email: benifiri36@gmail.com

## Marizal
Fakultas Teknik, Program Studi Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Yogyakarta Email: marizalaja52@gmail.com

## Bagas Mulya Waskitho
Fakultas Teknik, Program Studi Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Yogyakarta Email: bagasmulya29@gmail.com

## Harini Sosiati*
Fakultas Teknik, Program Studi Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Yogyakarta Email: *hsosiati@ft.umy.ac.id

## ABSTRAK
Serat  karbon  dan  abaka  sebagai  penguat  komposit hybrid polymethyl  methacrylate (PMMA) adalah salah satu bahan fungsional. Komposit ini  akan bermanfaat untuk bahan alternatif prosthesis karena  kekuatan  mekaniknya  yang  relatif  tinggi,  ringan,  dan  biokompatibel  dengan  jaringan manusia.  Pada  penelitian  ini  komposit  karbon/abaka/PMMA  difabrikasi  menggunakan  metode hand-lay-up dan cold  press  molding dengan  tekanan  2,185 MPa  selama  60 menit,  dengan  tujuan untuk mengkarakterisasi sifat tarik komposit dengan variasi perbandingan serat karbon dan abaka 1:2,  1:1 dan  2:1,  serta  fraksi  volume  serat  20%.  Sebelum  fabrikasi  komposit,  serat  karbon  diberi perlakuan  dengan  direndam  dalam  nitrogen  cair  ( liquid N 2 )  selama  kurang  lebih  10  menit. Sedangkan  serat  abaka  diberi  perlakuan  alkalisasi  dalam  larutan  6%  NaOH  pada  suhu  kamar selama 36 jam. Sifat kimia serat abaka sebelum dan sesudah alkalisasi dianalisis dengan Fourier transformed  infrared (FTIR) spectroscopy .  Uji  tarik  dilakukan  pada  semua  spesimen  komposit mengacu  pada  ASTM  D638.  Hasil  uji  tarik  disimulasikan  dengan  perangkat  lunak Autodesk Inventor 2019  dan Nastran-In CAD  2019  untuk  mengetahui  kelayakan  bahan  untuk  aplikasi prosthesis .  Nilai  kuat  tarik  dan  modulus  elastisitas  tertinggi  dari  hasil  penelitian  ini  ditunjukan pada komposit dengan perbandingan serat karbon dan abaka 2:1 masing-masing yaitu 105,71 MPa dan  5,24 GPa. Sedangkan  hasil simulasi menyatakan bahwa  material komposit karbon/abaka/PMMA dapat direkomendasikan sebagai bahan alternatif prosthesis .
Kata kunci: serat abaka, serat karbon, PMMA, komposit hibrid, sifat tarik.

## ABSTRACT
Carbon  and  abaca  fibers  reinforced  polymethyl  methacrylate  (PMMA)  hybrid  composite  is one  of  the  functional  materials.  This  composite  would  be  useful  for  an  alternative  prosthesis
material due  to  its comparatively  high  mechanical  strength, lightweight,  and  biocompatible  with human  tissues.  In  this  study  carbon/abaca/PMMA  composites  have  been  fabricated  using  hand- lay-up and cold press molding methods with a pressure of 2.185 MPa for 60 minutes, with the aim to characterize the tensile properties of the composite with carbon fiber into abaca ratios of 1: 2, 1:  1  and  2:  1,  and  20%  fiber volume fraction. Before  composite  fabrication,  carbon  fibers  were treated by soaking it in liquid nitrogen (liquid N 2 ) for approximately 10 minutes, While the abaca fibers were alkalized in 6% NaOH at room temperature for 36 hours. The chemical properties of abaca fibers before and after alkalization were analyzed by Fourier transformed infrared (FTIR) spectroscopy. Tensile tests were carried out on all composite specimens according to ASTM D638. The  tensile  test  results  were  simulated  with  Autodesk  Inventor  2019  and  Nastran  In-CAD  2019 software  to  determine  the  suitability  of  the  materials  for  prosthesis  applications.  The  composite with  a  ratio  of  carbon fiber  into  abaca  2:  1  showed  the  highest tensile  strength and  modulus  of elasticity  of  105.71  MPa  and  5.24  GPa,  respectively.  The  simulation  results  stated  that carbon/abaca/PMMA  composite  materials  would  be  potential  as  an  alternative  prosthesis material.
Keywords: abaca fiber, carbon fiber, PMMA, hybrid composite, tensile properties

## 1. PENDAHULUAN
Serat  karbon,  serat  abaka  dan polymethylmetacrylate (PMMA)  adalah  bahan  penyusun komposit yang fungsional, karena memiliki sifat-sifat yang kompatibel dengan persyaratan bahan perangkat  biomedis  [1,2].  Serat  karbon  memiliki  sifat  mekanis  yang  tinggi  dan  pada  umumnya bersifat hidrofobik tergantung dari oksida yang ada pada permukaan  serat karbon [3]. Serat abaka merupakan  salah  satu  serat  alam  yang  tersedia  melimpah  di  negara  beriklim  tropis  seperti Indonesia.  Serat  abaka  juga  memiliki  sifat  tarik  relatif  tinggi,  ringan,  murah  dan  biokompatibel dengan  jaringan  tubuh  manusia.  Namun,  sifat  serat  abaka  seperti  serat  alam  pada  umumnya memiliki kelemahan yaitu resistensinya rendah dan mudah terdegradasi.
Selain  itu  sifat  hidrofilik  serat  alam  (abaka)  menjadi  masalah  utama  dalam  pembuatan komposit  serat  alam,  dikarenakan  memiliki  sifat  hidrofilik,  yang  tidak  kompatibel  dengan  sifat hidrofobik yang dimiliki oleh bahan matriks dalam hal ini PMMA, sehingga dapat mengakibatkan lemahnya  ikatan  antarmuka  serat  dan  matriks.  Hal  ini  akan  menurunkan  sifat  mekanis  komposit serat  alam.  Oleh  karena  itu,  metode  paling  mudah  untuk  meningkatkan  sifat  mekanis  komposit adalah  dengan  memberi  perlakuan  alkalisasi  pada  permukaan  serat  [4].  PMMA  adalah  bahan polimer  sintetis non-crystalline yang  umum digunakan  dibidang orthopedic sebagai bone  cement untuk implant imbuhan dan merombak tulang yang hilang.
Beberapa  penelitian  komposit  serat  alam  untuk  aplikasi  prosthesis  telah  dilaporkan, diantaranya  yaitu  komposit  serat  bamboo  dengan  matriks  epoxy  [5],  komposit  serat  rotan/epoxy [6],  komposit  serat  rami/epoxy  [7],  komposit  serat  nanas/epoxy  dan  komposit  hibrid  serat nanas/serat  glass/poliester  [8].  Pada  penelitian  tersebut  telah  dilakukan  uji  tarik,  impak  dan bending  dengan  variasi  fraksi  volume  serat.  Berdasarkan  nilai  sifat  mekanis  komposit  dari beberapa  hasil  penelitian  tersebut  disimpulkan  bahwa  berbagai  jenis  material  komposit  tersebut berpotensi untuk dikembangkan sebagai bahan pembuatan prosthesis.
Selain itu, penelitian yang terkait komposit hibrid serat alam dan serat sintetis dengan matriks PMMA  sebagai  perangkat  biomedis  telah  dilaporkan  oleh  [9].  Komposit  dibuat  dengan  variasi perbandingan serat sisal dan karbon 1:1, 2:1, 1:2 dan fraksi volume serat 20%. Hasil kuat tarik dan modulus  elastisitas  optimum  terjadi  pada  variasi  serat  sisal  dan  karbon  1:2  masing-masing  yaitu 54,21  MPa  dan  1,42  GPa.  Kuat  tarik  yang  dihasilkan  penelitian  ini  lebih  rendah  dibandingkan dengan  material  komposit  dengan  matriks  epoxy  [5]-[8].  Namun  modulus  elastisitas  material komposit  sisal/karbon/PMMA  yang  dihasilkan  jauh  lebih  rendah  dari  pada  material  komposit bermatriks epoxy, cenderung memiliki kegetasan rendah.
Oleh  karena  itu  pada  penelitian  ini  dibuat  material  komposit  hibrid  serat  karbon  dan  abaka sebagai  penguat/pengisi  matriks  polimer  PMMA  untuk  dikembangkan  sebagai  bahan  alternatif prosthesis  dan  dibandingkan  sifat  mekanisnya  dengan  material  komposit  yang  telah  dilaporkan. Tujuan  dari  penelitian  ini  adalah  untuk  mengetahui  pengaruh  variasi  rasio  serat  karbon/abaka terhadap sifat tarik komposit hibrid karbon/abaka/PMMA, dan kelayakan bahan komposit tersebut sebagai  bahan  alternatif  perangkat  biomedis  (prosthesis)  dengan  mensimulasikan  menggunakan aplikasi perangkat lunak yaitu Autodesk Inventor 2019 dan Nastran-In CAD 2019.

## 2.  METODE PENELITIAN
Bahan  utama  yang  digunakan  pada  penelitian  ini  adalah  serat  abaka,  serat  karbon  dan PMMA.  Serat  abaka  dibeli  dari  Balai  Penelitian Tanaman Pemanis dan  Serat  (Balittas),  Malang, Jawa  Timur.  Serat  karbon  dengan  kuat  tarik  dan  modulus  masing-masing  4,9  GPa  dan  250  GPa dibeli di Hobbyrover, China. Sedangkan PMMA (ISO 1567 Type II Class I) diberi di Toko Dental Jaya, Indonesia.
Pertama  serat  abaka  dicuci  bersih  dengan  air  mengalir  dan  dikeringkan  didalam  oven  pada suhu  kurang  lebih  100  C  selama  30  menit.  Kemudian  serat  abaka  dialkalisasi  dalam  larutan  6% NaOH  pada  suhu  ruangan  selama  36  jam  [4]  dan  dinetralkan  dengan  larutan  1%  asam  asetat. Untuk perlakuan terhadap serat karbon dilakukan dengan perendaman serat karbon dalam nitrogen cair ( liquid N 2 ) selama 10 menit [10].
Setelah  serat  karbon  dan  abaka  diberi  perlakuan,  selanjutnya  dipotong  masing-masing sepanjang  10 mm  dan  6 mm  dan  disiapkan  untuk  fabrikasi komposit  dengan  fraksi  volume  serat (abaka dan karbon) 20%. Sedangkan serat karbon dan serat abaka divariasi dengan perbandingan 1:2,  1:1  dan  2:1.  Proses  fabrikasi  komposit  dilakukan  menggunakan cold  press  molding dan metode hand lay-up dengan tekanan 2,185 MPa selama 60 menit. Semua spesimen komposit yang dihasilkan,  diuji  tarik  dengan  mengacu  pada  ASTM  D638.  Selanjutnya scanning  electron microscopy (SEM)  dilakukan  untuk  mengkarakterisasi  permukaan  patahan  hasil  uji  tarik  dan menganalisis  perubahan  nilai  sifat  tarik  spesimen  komposit.  Pada  penelitian  ini,  serat  abaka sebelum  dan  sesudah  alkalisasi  juga  diuji  dengan fourier  transformed  infrared (FTIR) spectroscopy untuk  mengetahui  perubahan  komposisi  kimia  serat  secara  kualitatif.  Selain  itu, untuk  mengetahui  apakah  produk  komposit  yang  dihasilkan  dari  penelitian  ini  dapat direkomendasikan  sebagai  bahan  alternatif  perangkat  biomedis  (prosthesis),  maka  dilakukan simulasi terhadap nilai sifat tarik komposit menggunakan perangkat lunak Autodesk Inventor 2019 dan Nastran in CAD 2019.

## 3.  HASIL DAN PEMBAHASAN

## 3.1  Karakteristik serat abaka
Hasil uji serat dengan FTIR (gambar 1) menunjukkan perbedaan yang jelas antara serat abaka sebelum dan sesudah dialkalisasi. Puncak selulosa terdapat pada serat yang tidak diberi perlakuan, bersama  dengan  puncak tambahan  pada  gelombang  1728  1/cm  dan  1242  1/cm  yang  masing- masing menunjukkan gugus  C=O  dan C-O, puncak   pada  1728  1/cm   adalah  karakteristik  untuk peregangan karbonil kelompok karbosilat di hemiselulosa [11]. Setelah alkalisasi puncak tersebut tidak teridentifikasi.  Hal  ini menunjukkan  bahwa hemiselulosa  terlarut  secara  keseluruhan  dalam larutan  alkali  [4].  Puncak  pada  posisi  1242  1/cm   menunjukkan gugus C-O  dari  kelompok  asetil pada  lignin.  Setelah  alkalisasi  puncak  tersebut  terlihat  semakin  tidak,  mengindikasikan  jumlah lignin yang berkurang akibat alkalisasi.

## Gambar 1. Spektra FTIR dari serat abaka.
Foto  SEM  serat  abaka  (gambar  2)  juga  menunjukkan  adanya  perbedaan  morfologi  antara serat  sebelum  (gambar  2a)  dan  setelah  alkalisasi  (gambar  2b).  Sebelum  alkalisasi  serat  selulosa tergabung/terikat  oleh  lignin  menjadi  satu  bundel  serat.  Akan tetapi,  setelah alkalisasi  selama 36 jam  terlihat  bahwa  sebagian  serat  selulosa  terurai  dari  ikatannya  (terfibrilasi)  akibat  terlarutnya sebagian lignin  dalam  NaOH  (gambar 2b).  Dalam hal ini  karakteristik  serat  abaka hasil  uji  SEM dan FTIR menunjukkan hasil yang sesuai.
Gambar 2. Foto SEM (a) serat abaka sebelum dan (b) serat abaka sesudah alkalisasi

## 3.2   Sifat tarik komposit hibrid karbon/abaka/PMMA
Hasil  uji  tarik  komposit  hibrid  karbon/abaka/PMMA  dengan  variasi  rasio  serat  karbon  dan serat abaka (gambar 3) memperlihatkan bahwa semakin tinggi kandungan serat karbon kuat tarik dan  modulus  komposit  meningkat  dengan  nilai  tertinggi  ditunjukkan  pada  komposit  dengan perbandingan  serat  karbon  dan  abaka  2:1  yaitu  masing-masing  105,71  MPa  dan  5,24  GPa. Perubahan  nilai  kuat  tarik  dengan  perbedaan  rasio  serat  karbon  dan  abaka  dapat  dijelaskan  dari hasil analisis uji SEM yang ditunjukkan pada gambar 4.
Nilai  sifat  tarik  yang  dihasilkan  dari  penelitian  ini  dibandingkan  dengan  hasil  penelitian sebelumnya,  secara  signifikan  menunjukkan  nilai  yang  lebih  tinggi.  Kuat  tarik  dan  modulus komposit  serat  bamboo/epoxy,  rotan/epoxy,  rami/epoxy,  serat  nanas/epoxy  masing-masing menunjukkan nilai sebesar 81 MPa dan 8,9 GPa [5], 65 MPa dan 8,6 GPa [6], 86 MPa dan 9,5 GPa [7], 77,4 MPa dan 7,9 GPa [8], dan [9]  menghasilkan kuat tarik sebesar 54,21 MPa dan modulus elastisitas 1,42 GPa.
(a) (b) 200 µm 200 µm
Gambar 3. Kuat tarik dan modulus elastisitas.

## 3.3  Analisis SEM komposit hibrid karbon/abaka/PMMA
Gambar  4  menunjukkan  foto  SEM  permukaan  patahan  hasil  uji  tarik  komposit karbon/abaka/PMMA  dengan  perbedaan rasio  karbon  dan  abaka.  Foto  SEM  pada  gambar 4a,  4b dan 4c memperlihatkan morfologi yang hampir sama. Secara keseluruhan ikatan serat (karbon dan abaka) dan matriks PMMA relatif terikat dengan baik yaitu, namun distribusi serat karbon dalam matrik tidak terdispersi secara homogen, seperti terlihat pada gambar 4a. Selain itu fiber pull-out masih  teridentifikasi  diseluruh  area  spesimen.  Hal  ini  dapat  dijelaskan  bahwa  ada  kemungkinan pada  saat  fabrikasi  komposit,  pencampuran  serat  dan  matriks  yang  dilakukan  secara  manual kurang  homogen,  sehingga  ada  sebagian  permukaan  serat  yang  tidak  terbasahi  oleh  matriks. Akibatnya  tidak  ada transfer  stress dari  matriks  kearah  serat,  dan  pada  saat  dilakukan  uji  tarik, serat  tidak  dapat  menahan  beban,  sehingga  mudah  terlepas  dan  menurunkan  kekuatan  mekanis komposit.
Dengan semakin banyak kandungan serat karbon dibanding serat abaka, semakin tinggi nilai kuat  tarik  komposit  (gambar  3),  hal  ini  dapat  dijelaskan  bahwa  dengan  semakin  sedikit  jumlah serat  abakanya,  maka  kemungkinan  terjadinya fiber  pull-out juga  semakin  berkurang. Kecenderungan  ini  ditunjukkan  pada  gambar  4c.  Selain  itu,  karena  sifat  tarik  serat  karbon  jauh lebih tinggi dari pada serat abaka, maka dengan banyaknya kandungan serat karbon meningkatkan sifat tarik komposit yang terkait.
PMMA Fiber pull-out Carbon fiber Abaca fiber Abaca fiber Carbon fiber Fiber pull-out PMMA 1.00mm 1.00mm (a) (b)
Gambar 4 (a) Foto SEM permukaan patahan komposit hibrid karbon/abaka/PMMA dengan rasio karbon/abaka yang berbeda. (a) 1:2, (b) 1:1 dan (c) 2:1.

## 3.4 Analisa Simulasi
Hasil  uji  tarik  komposit  hibrid  karbon/abaka/PMMA  disimulasikan  menggunakan  aplikasi perangkat  lunak  Autodesk  Inventor  2019  dan  Nastran  In-CAD  2019  dapat  dilihat  pada  simulasi disain  terjadi displacement (pergeseran  material)  sebesar  1,545  mm  dengan  pembebanan  yang diberikan pada disain sebesar 676,89 N (gambar 5a).
Hasil displacement pada  penelitian  ini  berada  dibawah  penelitian  [12]  sebesar  1  inchi. Kemudian  untuk  menentukan  material  komposit  hibrid  karbon/abaka/PMMA  sebagai  bahan alternatif prosthesis ,  maka  dilakukan  simulasi  hasil von  misses  stress pada  disain.  Hasil  pada simulasi  disain  yang  terlihat  pada  (gambar  5b)  menunjukkan  tegangan  sebesar  25,074  MPa  dan daerah von misses stress dapat dilihat pada gambar 5c.
.
Gambar 5a. Simulasi Desain Displacement .
Abaca fiber PMMA Carbon fiber 1.00mm (c)
Gambar 5b.  Simulasi Disain Von Misses Stress .
Gambar 5c. Simulasi disain daerah Von Misses Stress.
Dari  hasil  simulasi  dapat  disimpulkan  bahwa  material  yang  dihasilkan  pada  penelitian  ini dapat direkomendasikan sebagai bahan pembuatan prosthesis dikarenakan hasil von misses stress kurang dari tegangan luluh sebesar 85,6 MPa

## 4.   KESIMPULAN
Hasil  pengujian  tarik  telah  dilakukan  pada  komposit hybrid karbon/abaka/PMMA  untuk mengetahui  pengaruh  rasio  serat  karbon/abaka,  dan  kelayakan  komposit  sebagai  bahan  alternatif perangkat  biomedis  ( prosthesis ).  Dari  hasil  penelitian  ini  dapat  disimpulkan  bahwa  komposit
dengan  rasio  2:1  paling  tinggi  dengan  kuat  tarik  dan  modulus  masing-masing  105,71  dan  5,24 GPa.  Peningkatan  sifat  komposit  disebabkan  oleh  meningkatnya  kandungan  serat  karbon  yang ditunjukkan  dengan  semakin  berkurangnya  fraksi  volume fiber  pull-out .  Namun  dengan menurunnya kandungan serat karbon atau meningkatnya serat abaka membuat komposit semakin ulet. Hasil karakterisasi sifat tarik komposit dan aplikasi perangkat lunak Autodesk Inventor 2019 dan Nastran In -CAD 2019 menunjukkan bahwa material komposit yang dihasilkan dari penelitian ini dapat direkomendasikan sebagai bahan alternatif pembuatan prosthesis.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Chandramohan,  D.  &  Marimuthu,  K.,  2011.  Biocomposite  Material  Based  on  Biopolymer and  Natural  Fibers-Contribution  as  Bone  Implant. Int.  Journal  of  Adv.  Sci.  Appl. Res, 8(2), pp. 009-012 .
[2] Namvar,  F.  et  al.,  2014.  Potensial  Use  of  Plant  Fibers and  their  Composites  for  Biomedical Application. Cellulosics for biomed use Bio Resources, 9(3), pp. 5688-5706.
[3] Meng,  Long-Yue  &  Park,  Soo-Jin,  2014.  Superhydrophobic  Carbon-Based  Materials:  A Review of Synthesis Structure, and Applications. Carbon Letters, 15(2), pp. 89-104.
[4] Sosiati,  H.  et  al.,  2019.  Characterization  of  Tensile  Propertiesof  Alkali-Treated Kenaf/Polypropylene Composites. AIP Publishing, Issue 030113, pp. 1-7.
[5] Irawan,  A.  P.  &  Sukania,  I.  W.,  2012.  Tensile  end  Impact  Stength  of  Bamboo  Fiber Reinforced Epoxy Composites as Alternative Materials for Above Knee Prosthetic Socket. International Conference on Sustainable Technology Development, pp. 109-115.
[6] Irawan, A. P. & Sukania, I. W., 2015.  Gait Analysis of Lower Limb Prosthesis with Socket Made  from  Rattan  Fiber  Reinforced  Epoxy  Composite. Asian  Online  Jurnal  of  Applied Sciences, 03(01), pp. 8-13.
[7] Irawan,  A.  P.  et al.,  2011.  Tensile  end  Flexural  Strength  of  Ramie  Fiber  Reinforced  Epoxy Composites  for  Socket  Prosthesis  Application. International  Jurnal  of  Mechanical  and Material Engineering, 6(1) pp. 46-50.
[8] Odusote,  J.  K.  &  Oyewo.  A.  T.,  2016.  Mechanical  Properties  of  Pineapple  Leaf  Fiber Reinforced  Polymer  Composites  for  Application  as  A  Prosthetic  Socket. Journal  of Engineering and Technology, 7(1), pp. 125-139.
[9] Sosiati, H., Binangun, Y. A., Utama, A. P. & Sudarisman, 2019. The Mechanical Properties of Sisal/PMMA and Sisal/Carbon/PMMA Biomedical Composites. To be publish.
[10] Sosiati, H. & Khalim, A., 2018. Pengaruh Modifikasi Permukaan Serat Karbon terhadap Sifat Bending  dan  Daya  Serap  Air  Komposit  Hibrida  Sisal-Karbon/Polivinil  Klorida  (PVC), Yogyakarta: UMY.
[11] Morán, J.I., Alvarez, V. A., Cyras, V. P., & Vázquez, A., 2008. Extraction of Cellulose and Preparationof Nanocellulose from Sisal Fibers. Cellulose, 15(1), pp. 149-159.
[12] Zgonis, T., 2012. Surgical Reconstruction of The Diabetic Foot and Ankle.