Sifat Mekanik dan Fisik Biokomposit Recycle Polipropilena/Tandan Kelapa Sawit: Studi Pengaruh Maleat Anhidrida Sebagai Grafting Agent

Transkripsi

1 Sifat Mekanik dan Fisik Biokomposit Recycle Polipropilena/Tandan Kelapa Sawit: Studi Pengaruh Maleat Anhidrida Sebagai Grafting Agent Kartika Setia Rini 1, Ozi Adi Saputra 1,a, Edi Pramono 1,b, Dheo Adha Saputra 1, Meyta Dyah Prameswari 1, Muhammad Fajar Razak 1 1 Jurusan Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Sebelas Maret, Jl. Ir. Sutami 36A, Surakarta Indonesia a) oziadisaputra@student.uns.ac.id, b) edi.pramono.uns@gmail.com ABSTRAK Telah dilakukan studi pengaruh penggandengan recycle polipropilena (rpp) dan tandan kosong kelapa saiwt (TKS) dengan senyawa penggandeng maleat anhidirid (MAH) terhadap sifat mekanik dan fisik biokomposit rpp/tks. Dengan adanya agen penggandeng ini, mampu meningkatkan sifat mekanik dari material biokomposit tersebut. Proses pengandengan, baik dengan rpp, TKS maupun biokomposit rpp/tks dilakukan secara reaktif melalui metode pelelehan. Spektra FTIR dari biokomposit rpp/tks menunjukkan adanya pergeseran serapan dari raw materialnya, yang menunjukkan bahwa komposit telah terbentuk. Pengujian mekanik menunjukkan bahwa biokomposit dengan komposisi MAH 10% terhadap rpp maupun TKS memiliki sifat kuat tarik yang tinggi dibadningkan dengan formulasi lainnya. Hal ini menunjukkan bahwa formula tersebut merupakan komposisi yang paling baik untuk biokomposit rpp/tks. Analisa water adsoption (WA) menunjukan keberadaan serat TKS ternyata mampu meningkatkan kemampuan daya serap air dari material tersebut.. Kata Kunci: recycle Polipropilena, TKS, Maleat Anhidirida, Biokomposit, Grafting Agent ABSTRACT The influence of grafting process of recycle polypropylene (rpp) and oil palm empty fruit bunches (EFB) with maleic anhidirid (MAH) as a grafting agent on the mechanical and physical properties of rpp/efb biocomposite has been studied. With the presence of these grafting agents, was able to improve the mechanical properties of the biocomposite material. The grafting process, both the rpp, TKS and biocomposites rpp/tks was carry out with reactively melt mixing method. FTIR spectra of rpp/efb biocomposite indicate a shift in absorption of raw material, which showed that the composite had been formed. Mechanical testing shows that the biocomposites composition of MAH with 10% in both rpp and EFB has a high tensile strength properties compared with other formulations. This suggests that the formula is the best composition for rpp/efb biocomposites. Water adsoption (WA) analysis showed the presence of EFB fiber was able to increase the ability of water absorption of the material.. Kata Kunci: recycle Polipropilena, TKS, Maleat Anhidirida, Biokomposit, Grafting Agent PENDAHULUAN Limbah polipropilena (rpp) merupakan limbah kedua terbesar setelah polietilena. Setiap tahun, limbah ini diprediksi meningkat sebesar 9,3%. Konsumsi polipropilena di Jawa Tengah sendiri mencapai 40% dari total plastik air minum dalam kemasan (AMDK) [1]. Melimpahnya limbah polipropilena yang non-degradable ini perlu ditransformasikan menjadi material lain yang memiliki nilai guna dan ekonomis. Transformasi kimia yang dapat dilakukan adalah dengan mengombinasikan rpp dengan suatu biopolimer untuk menciptakan biokomposit yang ramah lingkungan. Limbah tandan kosong kelapa sawit (TKS) dapat menjadi kandidat yang cocok karena selain mengandung selulosa yang cukup tinggi, juga keberadaanya cukup melimpah di Indonesia yaitu mencapai 18,2 juta ton pada 2004 [2-4]. Penambahan TKS sebagai filler pada matrik polimer ternyata dapat memberikan efek biodegradable [5]. Selain itu, keberadaan TKS juga dapat meningkatkan sifat mekanik dari suatu komposit [6]. Dalam aplikasi pada material penyusun komponen otomotif, diperlukan suatu material yang memiliki kekuatan mekanik tinggi selain degradable. Oleh karena itu, pada penelitian ini akan dilakukan modifikasi biokomposit rpp/tks dengan penambahan maleat anhidrida (MAH) sebagai grafting agent. Proses penggandengan biokomposit PP/TKS dengan MAH diharapkan akan meningkatkan kompetibilitas ikatan dari PP dan TKS sehingga akan diperoleh material

2 yang memiliki kekuatan mekanik yang cukup besar. Sehingga, dari biokomposit tersebut diharapkan dapat menjadi suatu alternatif untuk menggantikan material-material tradisional (kayu, besi atau logam-logam) di masa yang akan datang. METODE PENELITIAN Bahan Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah limbah AMDK (Surakarta), serat TKS (LIPI Serpong), p-xylene (Merck), Toluene (Merck), Aseton (Merck), etanol (Merck), maleat anhidrid (Merck), Dimetilformamide (DMF), benzoil peroksida (BPO), dan divinil benzene (DVB). Peralatan Alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah reactor pencampuran, termometer, pengaduk magnetik, kompor listrik, penangas minyak, vacum, hot press dan alatalat gelas lainnya. Sedangkan instrumen yang digunakan adalah FTIR (Fourier Transform Infra Red) Prestige 21 SHIMADZU, dan UTM (Universal Testing Machine) Ray-Ran M500-50CT. Prosedur Preparasi raw material Limbah AMDK yang diperoleh dibersihkan dan dipotong-potong dengan ukuran 2 x 5 mm 2.. Serat TKS yang telah dihaluskan dan diayak dengan ukuran 150 mesh direndam pada larutan hasil pencampuran Tol:et:ase (4:1:1) selama 3 (tiga) jam. Ekstrak disaring dan dikeringkan selama 16 jam pada suhu 105 O C. Proses grafting Polipropilena Proses grafting dilakukan dengan metode pelarutan dimana digunakan xylena sebagai pelarut. Polipropilena dilarutkan dalam xylena mendidih, dan dilanjutkan dengan penambahan variasi massa maleat anhidrid (MAH, BPO (± 0,01 gr) sebagai inisiator dan DVB (± 0,005 gr) sebagai agen cross linker.pencampuran dilakukan selama 1 (satu) jam dan dilanjutkan dengan proses pengeringan dalam lemari asam. Tabel I. Komposisi Pembuatan Proses grafting Polipropilena PP MAH PP F PP-g-MAH 5 F PP-g-MAH 10 F PP-g-MAH 15 F PP-g-MAH 20 F Proses Grafting Serat TKS Variasi massa MAH dilarutkan dalam Dimetil Formamida (DMF) 3:7 dan dilanjutkan dengan penambahan hydroquinon (5% dari berat MAH). Serat selulosa hasil treatment dimasukkan dalam labu dan diikuti dengan penambahan larutan MAH yang divariasikan massanya. Pencampuran dilakukan selama 1 (satu) jam pada suhu 80 O C. Hasil refluks dicuci dengan aseton. Tabel II. Komposisi Pembuatan Proses grafting serat TKS TKS MAH TKS-g-MAH 5 F TKS-g-MAH 10 F TKS-g-MAH 15 F TKS-g-MAH 20 F Pembuatan Biokomposit PP-g-MAH/TKSg-MAH Tabel. 3 menunjukkan komposisi dalam pembuatan biokomposit PP/TKS dengan variasi massa MAH. PP maksimum dilarutkan dalam xylena mendidih (suhu O C). Proses pelarutan ini dilajutkan dengan penambahan BPO (± 0,01 gr) dan DVB (± 0,005 gr) sebagai agen cross linker. Penambahan serat TKS dengan variasi massa tetap dilakukan setelah PP melarut sempurna. Proses pencampuran dilakukan selama 1 jam. Tabel III. Komposisi Pembuatan Biokomposit PP/TKS PP TKS MAH PP/TKS F PP/TKS-g-MAH 5 F PP/TKS-g-MAH 10 F PP/TKS-g-MAH 15 F PP/TKS-g-MAH 20 F

3 Karakterisasi FTIR Sampel berupa PP, TKS, TKS yang sudah ditreatment, PP yang telah di grafting, TKS yang sudah di grafting dan biokomposit PP/TKS dianalisa gugus fungsinya dengan spektrofotmeter FTIR SHIMADZU. Pengujian Mekanik Spesimen PP/TKS dengan berbagai formulasi dipersiapkan untuk pengujian mekanik yang mengacu pada metode ASTM D-638. Pengujian mekanik menggunakan alat Universal Testing Machine (UTM) dengan kecepatan penarikan 10 mm/menit. Spektra FTIR dari PP-g-MAH (Gambar. 2) menunjukkan adanya pergeseran serapan karbonil dari MAH pada 1720,8 cm -1. Selain itu, terdapat pula serapan tajam di 2962,79 cm -1, 2919,39 cm - 1, dan 2838,37 cm -1 yang merupakan serapan khas -C-H streaching dari PP, serta terlihat menurunnya intensitas serapan khas dari alkena (-C=C-) yaitu pada daerah 1463,07 cm -1 dan 1377,23 cm -1 yang menandakan bahwa secara kualitatif telah berikatannya MAH dengan PP. Pengujian Water Absorption Sampel yang digunakan berupa PP, PP-TKS, PP-g-MAH optimum, dan PP-g- MAH/TKS-g-MAH optimum. Spesimen direndam pada kontainer yang berisi aquades dengan suhu 25 O C selama 24, 48, 72, 96, dan 120 jam. Setelah perendaman, sampel diangkat dan permukaannya dikeringkan lalu ditimbang (Wi) dan dihitung % kenaikan berat (%WA) dengan persamaan %WA = (Wi Wo) 100%. Wo HASIL DAN PEMBAHASAN Analisa Gugus Fungsi Karakterisasi FTIR merupakan analisa kualitatif untuk mengetahui terbentuknya material PP-g-MAH, TKS-g-MAH, dan material komposit PP-gMAH/TKS-g-MAH dengan melihat pergeseran bilangan gelombang dari spectra raw materialnya. Gambar. 2 menunjukkan bahwa pada spektra FTIR TKS-g-MAH (A) terdapat serapan tajam pada 1743,72 cm -1 yang mengindikasikan serapan khas dari gugus karbonil pada MAH. Selain itu, adanya pergeseran dari serapan gugus hidroksi dari TKS menunjukkan bahwa telah terbentuknya ikatan antara TKS dengan MAH. Gambar. 1 Spektra FTIR dari (A) TKS-g- MAH, (B) TKS dan (C) MAH Gambar 2. Spektra FTIR dari (A) PP-g-MAH, (B) PP dan (C) MAH Modifikasi secara kimia dari PP dengan penambahan agen penggandeng MAH akan memudahkan PP untuk berikatan dengan suatu senyawa polar (serat selulosa). Dengan adanya penggandengan pada PP oleh MAH menyebabkan PP yang bersifat non-polar dapat berikatan dengan serat TKS yang bersifat polar karena senyawa penggandeng memiliki sifat polar maupun non-polar [7]. Gambar. 4 menunjukkan kemungkinan reaksi kimia yang terjadi saat penggandengan PP dengan MAH. Gambar 4. Kemungkinan Reaksi Kimia Penggandengan PP dengan MAH Sifat Mekanik PP-g-MAH dan Biokomposit PP/TKS Sifat mekanik yang meliputi Tensile Strength (TS), Elongasi (%E), dan Modulus Young (MY) disajikan dalam Tabel IV. Dari kelima formulasi tersebut, ternyata formulasi yang optimum dari PP-g-MAH adalah F3 (100:10) yang ditunjukkan dengan kekuatan

4 tarik dan kekuatan elastisitas yang paling tinggi. Tabel IV. Data Sifat fisik dan Mekanik PPg-MAH Berbagai Formulasi Sam pel TS (MPa) E (%) MY (Mpa) F ± ± ±8.60 F ± ± ± 8.83 F ± ± ± F ± ± ± 8.81 F ± ± ± 5.52 Keberadaan maleat anhidird dalam matriks polimer dapat membentuk jaringan antar rantai polimer tersebut sehingga akan memperkuat ikatan dari antar polimer [8]. Akan tetapi, semakin meningkatnya konsentrasi MAH juga dapat menurunkan TS dari material. Hal ini dimungkinkan karena keberadaan MAH dan BPO dalam sistem akan memotong rantai PP sehingga rantai dari PP akan semakin pendek dan berdampak pada kekuatan tariknya (Gambar, 4). Komposisi optimum dari PP-g-MAH digunakan dalam pembuatan biokomposit PP/TKS dengan variasi TKS-g-MAH. Gambar. 5 dan 7 menunjukkan TS dan %E dari biokomposit PP/TKS. dari TKS dan non-polar dari PP akan meningkatkan kompatibilitas ikatan kedua polimer tersebut [10]. Saat ikatan antar kedua polimer tersebut kuat, maka akan berdampak pada nilai TS dari material tersebut. Gambar. 6 menunjukkan kemungkinan ikatan yang terjadi antara PP-TKS dengan keberadaan MAH. Gambar. 6 Kemungkinan Interaksi Kimia PP-g-MAH dengan Serat Selulosa TKS Keberadaan MAH juga dapat meningkatkan elastisitas dari biokomposit rpp/tks. Hal ini ditunjukkan dalam Gambar. 7, dimana penambahan MAH 20% ternyata mampu meningkatkan %E sebesar 0,41%. Hal ini dimungkinkan karena keberadaan MAH sebagai senyawa penggandeng akan memberikan jarak tertentu pada rpp dan TKS sehingga struktur dari rantai polimer antar keduanya akan teratur dibandingkan dengan tanpa keberadaan MAH pada TKS. Akan tetapi, biokomposit PP/TKS ternyata lebih getas jika dibandingkan dengan matriks PP. Keberadaan TKS sebagai filler hanya mampu meningkatkan nilai TS akan tetapi berdampak pada penurunan nilai elongasi dari suatu material. Gambar. 5 Grafik pengaruh konsentrasi MAH terhadap TS biokomposit PP/TKS Keberadaan TKS dalam matrik polipropilena mampu meningkatkan nilai TS. Hal ini terjadi karena adanya serat selulosa sebagai filler akan memperkuat ketahanan perpatahan saat dilakukan penarikan [9]. Akan tetapi, dibandingkan dengan TKS yang telah di-grafting dengan MAH, nilai TS dari biokomposit PP/TKS tanpa grafting lebih kecil. Hal ini berarti bahwa keberadaan MAH dapat menjadi supported agent dalam peningkatan sifat mekanik dari biokomposit PP/TKS. Keberadaan MAH sebagai jembatan yang menghubungkan sisi polar Gambar. 7 Grafik hubungan konsentrasi MAH dengan %E. Sifat Water Adsorption Gambar 7. Menunjukkan persentase kemampuan biokomposit PP/TKS dalam menyerap air. Penambahan filler serat selulosa dari TKS ternyata mampu memberikan sifat water adsorption pada suatu material komposit yang bersifat

5 %Water Adsorption Prosiding Seminar Nasional Kimia Peran Ilmu Kimia dalam Pengembangan Industri Kimia yang hidrofobik atau memiliki kemampuan penyerapan air yang rendah [11] F10 F11 F12 F13 F t (jam) Gambar 7. Grafik Persentase Water Adsorption Biokomposit PP/TKS Penambahan serat selulosa menyebabkan kemampuan material dalam menyerap air semakin besar. Terdapat peningkatan dari material yang dikompositkan dengan TKS yang dibandingkan dengan PP tanpa penambahan filler serat TKS. Hal ini terjadi karena adanya interaksi antara gugus polar pada selulosa dengan gugus polar pada air. Sehingga, dengan meningkatknya senyawa polar pada biokomposit PP/TKS, maka % WA juga akan semakin meningkat [12]. KESIMPULAN Adanya penggandengan dengan menggunakan anhidrida maleat (MAH) pada biokomposit rpp/tks ternyata memberikan pengaruh terhadap sifat mekanik dari biokomposit PP/TKS. Dengan adanya MAH, menyebabkan PP dan TKS dapat bercampur yang ditinjau dari analisis gugus fungsinya. Penambahan filler serat selulosa pada biokomposit PP/TKS, mampu meningkatkan sifat water adsorption pada material tersebut. UCAPAN TERIMA KASIH Terimakasih kami ucapkan kepada Direktorat Jenderal Perguruan Tinggi (Dikti) atas kepercayaannya kepada kami untuk mendanai penelitian kami ini. Kami menyadari bahwa tanpa ada bantuan dalam bentuk materi ini, penelitian ini tidak akan berlangsung. Selain itu, kami juga mengucapkan terimakasih kepada dosen pembimbing kami, bapak Edi Pramono, M.Si atas bimbingan beliau sehingga kami dapat menyelesaikan penelitian kami. DAFTAR PUSTAKA 1. Hartono Studi Kasus Limbah Plastik di Jawa Tengah dan Jawa Timur. PT. Agro MediaPustaka : Jakarta. 2. Faruk, O., Bledzki, A. K., Fink, H. P., Sain, M., 2012, Progress in Polymer Science, 37, Tay, G. S., Zaim, M., dan Rozman, H. D., 2010, Journal of Applied Polymer Science, 116, Andayani, R., 2009, Pembuatan Bioetanol dari TKKS melalui proses Fungal Treatment oleh Aspergillusniger dan permentasi oleh Zymomunas Mobilis, Lab. Pengolahan Limbah Industri, ITS Surabaya. 5. Sharkh, B. F. A., dan Hamid, H., 2004, Polymer Degradation and Stability, 85, Rozman, H. D., Saad, M. J., Mohd Ishak, Z. A., 2003, Journal of Applied Polymer Science, 87, Mohd Jani, S., Rozman, H. D., Abusamah, A., Mohd Ishak, Z. A., dan Rahim, S., 2006, Journal of Oil Palm Research, 18, Rozman, H. D., Lai, C. Y., dan Mohd Ishak, Z. A., 2000, Polymer International, 49, Osman, H., Ismail, H., dan Mustapha, M., 2010, Journal of Composite Materials, 44, Balakrishnan, H., dan Attaran, S. A., 2014, Journal of Thermoplastic Composite Materials, 27, Law, T.T., dan Mohd Ishak, Z. A., 2011, Journal of Applied Polymer Science, 120, Najafi, S. K., Bahea, A., dan Abdouss, M., 2011, Journal of Applied Polymer Science, 119,