PENGARUH MODIFIKASI KIMIA TERHADAP SIFAT MEKANIK DAN WATER ADSORPTION

Transkripsi

1 PENGARUH MODIFIKASI KIMIA TERHADAP SIFAT MEKANIK DAN WATER ADSORPTION MATERIAL BIOKOMPOSIT POLIPROPILENA/TANDAN KOSONG KELAPA SAWIT Ozi Adi Saputra 1)*, Ludfiaastu Rinawati 1), Tifany Desi Susanti 1), Rosid Eka Mustofa 1), Edi Pramono 1) 1) Jurusan Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Sebelas Maret Jl. Ir. Sutami 36A Surakarta * oziadisaputra@student.uns.ac.id Abstrak Material komposit dari campuran polypropylene (PP) dan tandan kosong kelapa sawit (TKS) dibuat dengan melelehkannya dalam xylene mendidih. Campuran masing-masing material dilakukan dalam keadaan meleleh dengan menggunakan benzoil peroksida sebagai inisiator. Spektra FTIR biokomposit PP/TKS menunjukkan adanya serapan yang khas PP dan TKS, hal tersebut menunjukkan bahwa komposit telah terbentuk. Pengujian mekanik menunjukkan bahwa biokomposis dengan komposisi polipropilena: serat TKS 7:3 memiliki sifat kuat tarik yang baik yaitu 10,65 MPa, elongasi 5,267% dan modulus young sebesar 20,22 GPa. Hal ini menunjukkan bahwa komposisi F1D merupakan komposisi yang paling baik untuk biokomposit polipropilena/tks. Penambahan serat selulosa sebagai pengisi ke dalam PP dapat meningkatkan kemampuan adsorpsi air dari biokomposit PP/TKS hingga 10.24% dengan waktu kontak selama 24 jam. Modifikasi PP menjadi material yang kuat dan biodegradasi diharapkan dapat menjadi bahan alternatif untuk menggantikan bahan-bahan tradisional yang semakin langka dan mahal. Kata kunci : Polipropilena, Tandan Kosong Kelapa Sawit, Biokomposit, Modifikasi kimia Abstract Composite material from blends of polypropylene (PP) and oil palm empty fruit bunches (EFB) have been prepared by melt mixing in xylene as a medium. Mixed of each materials was achieved in the molten state using benzoil peroxyde as inisiator. The FTIR spectrum for PP/TKS biocomposite showed a typical absorption of PP and TKS indicated that composite has been formed. The Mechanical testing showed that the biocomposites with polypropylene:efb (7:3) variation has a good tensile strenght properties was 10,65 MPa, elongation was 5,267% and young modulus was 20,22 GPa. This result indicated that the F1D formula was the best composition of polypropylene/efb biocomposites. fiber Addition of cellulose fiber on PP as a filler has increased the water adsorption ability of PP/TKS biocomposites up to 10.24% with the contact time until 24 hours. Modification of PP into a strong and biodegradable material is expected to be an alternative material to replace the traditional materials which became scarce and expensive. Keyword: Polipropilena, Tandan Kosong Kelapa Sawit, Biocomposite, Modifikasi kimia 1

2 PENDAHULUAN Limbah plastik air minum dalam kemasan yang tersusun dari polipropilena (PP) mejadi salah satu permasalahan pencemaran bagi lingkungan. Melimpahnya limbah yang tidak mampu terdegradasi oleh alam ini perlu dimanfaatkan dengan cara memodifikasi material tersebut menjadi suatu material baru yang memiliki nilai ekonomis dan nilai guna tinggi. Plastik yang setipis dan serapuh kertas dapat dimodifikasi menjadi material sekuat baja (Kobayasi and Kawai, 2007). Data BPS tentang volume perdagangan plastik impor di Indonesia pada 1995 untuk PP mencapai ,7 ton sedangakn pada tahun 1999 bertambah menjadi ,6 ton atau dapat dikatakan bawha dalam kurun waktu empat tahun, peningkatan konsumsi plastik khususnya PP sudah mencapai 34,15% (Setyawati, 2013). Selain itu, limbah plastik meduduki peringkat ke-3 dimana produksi limbah plastik tiap tahunnya mencapai 3,6 juta ton atau 9% dari total limbah atau sampah (Nur, 2014). Indonesia kaya akan bahan alam dimana salah satunya adalah bahan alam yang mengandung selulosa. Serat selulosa sangat mudah sekali ditemukan di Indonesia yaitu berasal dari kenaf, tandan kosong kelapa sawit, serat dari daun nanas, batang pohon pisang, dan lain-lain. Melimpahnya bahan-bahan alam ini perlu dimaksimalkan fungsinya, dimana selain sebagai bahan makanan juga dapat dijadikan sebagai material pendukung pada suatu komposit biodegradable (Carmago, 2009; Darder, 2007; Sharkh et al., 2004). Selain sifat biodegradabilitasnya memberikan dampak yang positif bagi lingkungan, juga kelebihan serat alam mampu meningkatkan kekuatan suatu material (Tay et al., 2010). Serat alam selain murah, juga memiliki sifat ketahanan tinggi, densitas rendah, memiliki sifat termal yang baik dan dapat terbiodegradasi (Mohanty et al, Sharkh et al, Harikumar et al, Strark, 1999). Dewasa ini, semakin bertambahnya kebutuhan-kebutuhan sandang maupun papan menyebabkan makin menipisnya persediaan material-material tradisional seperti besi, logam-logam, kayu, dll. Oleh karena itu, perlu dicarikan solusi untuk menggantikan material tersebut. Salah satunya adalah dengan menciptakan atau mensintesis suatu material baru yang sifat fisik atau mekanik hampir sama atau bahkan lebih baik dari material tradisional tersebut. METODE PENELITIAN Bahan Bahan utama yang digunakan pada penelitian ini adalah limbah plastik air minum dalam kemasan (AMDK) dengan merk dagang Aqua yang diperoleh dari TPA Surakarta dan limbah TKS yang diperoleh dari Lampung. Selain itu juga, digunakan bahan penunjang lainnya seperti p-xylene for synthesis PCS, Maleat anhidrida (MAH) for synthesis PCS, Toluene (Tol) EMPLURA LE, Aseton (Ase) EMPLURA LE, etanol (Et) Absolute EMPLURA LE, N,N-Dimethylformamide 2

3 (DMF) EMPSURE ACS,ISO,Reag. PhEur, benzoil peroksida (BPO), divinil benzena (DVB) yang diperoleh dari Merck. Preparasi raw material Limbah plastik AMDK yang diperoleh dari TPA Surakarta dibersihkan kemudian dikeringkan. Plastik yang sudah kering kemudian dipotong-potong dengan ukuran kurang lebih 1,5 mm x 1,5 mm. Limbah TKS yang telah bersih, dikeringkan dan dipilih bagian serat yang ada didalam tandan, kemudian dihaluskan dan diayak dengan ukuran 150 mesh. Proses treatment TKS mengacu pada metode yang dilakukan oleh Rozman et al, (2003), dimana hasil ayakan serat TKS 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. Pembuatan biokomposit PP/TKS Tabel. 1 menunjukkan komposisi dalam pembuatan biokomposit PP/TKS. Variasi PP (100, 90, 80, 70, dan 60 % b/b) dilarutkan dalam xylena mendidih (suhu O C). Proses pelarutan ini dilajutkan dengan penambahan BPO (0,02 %) dan DVB (0,1 %) sebagai agen cross linker. Penambahan serat TKS dengan variasi massa (0, 10, 20, 30. dan 40 % b/b) dilakukan setelah PP melarut sempurna. Proses pencampuran dilakukan selama 2 jam. Tabel 1. Komposisi Pembuatan Biokomposit PP/TKS Komposisi Formulasi F1A F1B F1C F1D F1E Polipropilena (%) Serat Selulosa TKS (%) PP-g-MAH (%) TKS-g-MAH (%) Benzoil Peroksida (%) Divinil Benzen (%) Keterangan: berat total 20 gr Karakterisasi FTIR Sampel berupa PP, TKS dan biokomposit PP/TKS dianalisa gugus fungsinya dengan spektrofotmeter FTIR SHIMADZU di Laboratorium MIPA Terpadu FMIPA UNS. Pengujian Mekanik Spesimen PP/TKS dengan berbagai formulasi dipersiapkan untuk pengujian mekanik yang mengacu pada metode ASTM D-638. Pengujian mekanik 3

4 menggunakan alat Universal Testing Machine (UTM) dengan bentuk spesimen uji seperti pada Gambar. 1. Gambar 1. Spesimen uji biokomposit PP/TKS Pengujian Water Absorption Sampel yang digunakan berupa berbagai formulasi biokomposit PP/TKS. Sampel yang akan diuji dikeringkan hingga bebas air pada O C selama 1 jam, dan didinginkan pada desikator hingga berat tetap (Wo). Spesimen direndam pada kontainer yang berisi aquades dengan suhu 25 O C selama 24, 48 dan 72 jam. Setelah perendaman, sampel diangkat dan permukaannya dikeringkan lalu ditimbang (Wi) dan dihitung % kenaikan berat (%WA) dengan persamaan 3. %WA = (Wi Wo) 100% (1) Wo HASIL DAN PEMBAHASAN Karakterisasi FTIR Gambar. 2 menunjukkan bahwa pada spektra FTIR TKS-g-MAH terdapat serapan tajam pada 1743,72 cm -1 yang mengindikasikan serapan khas dari gugus karbonil pada MAH. Selain itu, terdapat pula serapan tajam pada 3525,06 cm -1 yang diperkirakan vibrasi srteaching dari =CH pada MAH. C B A Gambar 2. Spektra FTIR dari (A) TKS-g-MAH, (B) TKS dan (C) MAH Pada spektra FTIR TKS yang sudah digandengkan dengan MAH terlihat bahwa intensitas spektra tersebut semakin meningkat dibandingkan dengan sebelum digandengkan dengan MAH. Hal ini terjadi karena adanya MAH menyebabkan konsentrasi dari TKS meningkat sehingga persen transmitansinya juga meningkat (Zhou et al, Chuai et al, Ha et al, 2000). Pada penelitian yang dilakukan oleh Jani et al (2006) peningkatan konsentrasi dari MAH dapat meningkatkan 4

5 persen transmitansi dari spektra IR karena adanya peningkatan jumlah gugus karbonil pada TKS-g-MAH. Spektra FTIR dari PP-g-MAH (Gambar. 3) menunjukkan adanya serapan karbonil dari MAH pada 1720,58 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. Pada daerah 1463,07 cm -1 dan 1377,23 cm -1 yang merupakan serapan khas dari suatu alkena (-C=C-) makin memperjelas bahwa rekasi penggandengan antara PP dengan MAH telah terbentuk. C B A Gambar 3. 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). Pada penelitian yang dilakukan oleh Balakrishnan et al., (2014) dengan adanya modifikasi secara kimia pada struktur PP dengan MAH akan menyebabkan PP lebih mudah mengalami interaksi sencara kimia dengan senyawa-senyawa yang memiliki sisi polar. Gambar. 4 menunjukkan kemungkinan reaksi kimia yang terjadi saat penggandengan PP dengan MAH. Modifikasi secara kimia pada PP dilakukan karena PP memiliki sifat nonpolar sedangkan selulosa memiliki sifat polar. Oleh karena itu, agar kedua polimer ini dapat berekasi, maka diperlukan suatu senyawa penggandeng yang memiliki sifat polar maupun non-polar. Gambar 4. Kemungkinan Reaksi Kimia Penggandengan PP dengan MAH 5

6 Analisa kualitatif pembentukan PP/TKS dengan FTIR (Gambar. 5) menunjukkan terdapat serapan hidroksi dari TKS pada 3445,01 cm -1. Selain itu, terdapat pula serapan khas CH streaching dari PP pada rentang 2839,34 sampai 2960,86 cm -1. Kedua serapan khas ini menunjukkan bahwa biokomposit PP/TKS terbentuk. C B A Gambar 5. Spektra FTIR dari (A) PP/TKS, (B) PP dan (C) TKS Selain pengujian data FTIR, data penambahan densitas dari masing-masing formulasi PP/TKS juga mengindikasikan biokomposit PP/TKS terbentuk. Pada Tabel. 2 menunjukkan penambahan densitas dari formula F1C cukup signifikan yaitu mencapai 4,32 % dibandingkan dengan komposisi yang lainnya. Hal ini terjadi karena adanya ikatan silang antara PP dengan TKS oleh DVB menyebabkan densitas atau kerapatan molekul dari PP/TKS semakin meningkat, sehingga menyebabkan massa dari PP/TKS menjadi meningkat. Selain itu, dengan kehadiran agen penggandeng MAH juga berkontribusi besar terhadap peningkatan massa dari PP/TKS. Sifat Mekanik Biokomposit PP/TKS Tabel. 2 menunjukkan sifat mekanik dari material biokomposit PP/TKS. Dari keempat formulasi biokomposit PP/TKS, ternyata formulasi optimum biokomposit PP/TKS adalah F1D (70:30). Pada penelitian yang dilakukan oleh Osman et al, (2010) adanya penambahan filler dari serat selulosa mampu meningkatkan sifat kuat tarik dari suatu material komposit. Tabel 2. Data Sifat fisik dan Mekanik Biokomposit PP/TKS Berbagai Formulasi Sampel Tensile Strength Modulus Young Peningkatan Elongasi (%) (MPa) (Gpa) Densitas (%) F1B F1C F1D F1E Selain penambahan serat selulosa sebagai filler, modifikasi secara kimia penggandengan PP dengan MAH juga mempengaruhi kekuatan tarik dari suatu 6

7 material (Balakrishnan and Attaran, 2014). Adanya ikatan kovalen dan ester antara PP-MAH-TKS memberikan sifat dispersi dan adesi yang baik antara matriks polimer yang bersifat non-polar dan filler serat selulosa yang polar (Kim et al, 2007). Sehingga, adanya MAH sebagai penggandeng akan meningkatkan interaksi kimia (Gambar. 6) antara PP dengan TKS yang berdampak pada peningkatkan kekuatan mekanik dari material tersebut. Gambar 6. Kemungkinan Interaksi Kimia PP-g-MAH dengan Serat Selulosa TKS Sifat Water Adsorption Gambar 7. Menunjukkan persentase kemampuan biokomposit PP/TKS dalam menyerap air. Polipropilena adalah suatu polimer hidrofobik sehingga memiliki kemampuan penyerapan air yang rendah (Deng et al, 2010). Oleh karena itu, diperlukan modifikasi atau penambahan senyawa lain agar memberikan sifat water adsorption pada material tersebut. Penambahan filler serat selulosa dari TKS ternyata mampu memberikan sifat water adsorption pada suatu material komposit (Law and Ishak, 2011). Gambar 7. Grafik Persentase Water Adsorption Biokomposit PP/TKS Penambahan serat selulosa yang semakin banyak menyebabkan kemampuan material dalam menyerap air semakin besar. Biokomposit PP/TKS F1E (6:4) dapat dilihat bahwa selama perendaman 24 jam, % WA (Water Adsorption) dari material ini sebesar % 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 7

8 biokomposit PP/TKS, maka % WA juga akan semakin meningkat (Najafi et al, 2011). KESIMPULAN Adanya modifikasi kimia dengan menggunakan anhidrida maleat (MAH) pada biokomposit PP/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 memberikan sifat water adsorption pada material tersebut. Semakin banyak kandungan serat dalam biokomposit PP/TKS, maka kemampuan penyerapan airnya semakin meningkat. Dari analisis sifat mekanik diperoleh bahwa komposisi biokomposit PP/TKS 7:3 memiliki sifat mekanik yang lebih baik dibandingkan komposisi lainnya. UCAPAN TERIMAKASIH 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. REFERENSI Balakrishnan, H. Attaran, S. A Epoxidized natural rubber-toughened Polypropylene/organically modified montmorillonite nanocomposites. Journal of Thermoplastic Composite Materials. 27: Carmago, P H Nano composites : Synthesis, Structure, Properties and New Application Opportunities. Material Research. 12 (1): Chuai, C. Almdal, K. Poulsen, L. Plackett, D Journal Applied Polymer Science. 80: Darder, M.A-H Bionanocomposites : A new concept of ecological, bioinspired, and functional hybrid materials. Advance Material. 19: Deng, H. Reynolds, C.T. Cabrera, N.O. Barkoula, N.M. Alcock, B. Peijs, T The water absorption behaviour of all-polypropylene composites and its effect on mechanical properties. Composites: Part B. 41: Ha, C. S. Cho, Y. W. Go, J. H. Cho, W. J Journal Applied Polymer Science. 77: Harikumar, K. R. Joseph K. Thomas, S Jute sack cloth reinforced polypropylene composites: mechanical and sorption studies. Journal of Reinforced Plastics and Composites. 18:

9 Jani, M. S. Rozman, H. D. Abusamah, A. Ishak, M. Z. A. Rahim, S Oil Palm Empty Fruit Bunch-Polypropylene Composites: The Effect Maleated Polypropylene on the mechanical properties. Journal of Oil Palm Research. 18: Kim, H. S. Lee, B. H. Chooi, S. W. Kim. S. Kim, H. J The Effect of Types of Maleic Anhydride-Grafted Polypropylene (MAPP) on the Interfacial Adhesion Properties of Bio-Flour-Filled Polypropylene Composites. Composites Part A: Applied Science Manufacturing. 38: Kobayasi, S. Kawai, W Development of Mechanical Properties. Composite e-journal, part A: Applied Science and Manufacturing, 38: Law, T.T. Mohd Ishak, Z. A Water Absorption and Dimensional Stability of Short Kenaf Fiber-Filled Polypropylene Composites Treated with Maleated Polypropylene. Journal of Applied Polymer Science. 120: Mohanty, A. K. Misra, M. Hinrichsen, G Biofibers, Biodegradable Polymers and Biocomposites: an overview. Macromolecul Matererial Engginerring. 276: 1-24 Najafi, S. K. Bahea, A. Abdouss, M Effect of Oxidized Polypropylene as a New Compatibilizer on the Water Absorption and Mechanical Properties of Wood Flour Polypropylene Composites. Journal of Applied Polymer Science. 119: Nur Innswa Ajak Masyarakat Gunakan Plastik Ramah Lingkungan. Diakses tanggal 11/07/2014 puku 13:27 Osman, H. Ismail, H. Mustapha, M Effect of Maleic Anhydirde Polypropylene on Tensile, Water Adsorption, and Morphological Properties of Recycled Newspaper Filled Polypropylene/Natural Rubber Composites. Journal of Composite Materials. 44: Rozman, H. D. Saad, M. J. Ishak, Z. A. Mohd Modification of Oli Empty Fruit Bunches with Maleic Anhydride: The Effect on the Tensile and Dimensional Stability Properties of Empty Fruit Bunch/Polypropylene Composites. Journal of Applied Polymer Science. 87: Setyawati, D Komposit Serbuk Kayu Plastik Daur Ulang: Teknologi Alternatif Pemanfaatan Limbah Kayu dan Plastik. Diakses tanggal 26 Juni Sharkh, B. F. A. Hamid, H Degradation study of date palm fiber/polypropylene composites in natural and artificial weathering: mechanical and thermal analysis. Polymer Degradation and Stability. 85: Stark, N. M Wood fiber derived from scrap pallets used in polypropylene composites. Forest Products Journal. 49:

10 Tay, G. S. Zaim, J. Mohd. Rozman, H. D Mechanical Properties of Polypropylene Composite Reinforced with Oil Palm Empty Fruit Bunch Pulp. Journal of Applied Polymer Science. 116: Zhou, X. Dai, G. Guo, W. Lin, Q Journal Applied Polymer Science. 76: