Kata kunci : komposit kayu plastik, dekomposisi, lignin, lignoselulosa

Transkripsi

1 RANCANG BANGUN PERALATAN DEKOMPOSISI SERBUK / SERAT KAYU Aryo Satito Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Semarang Jl. Prof. H Sudarto, S.H. Tembalang, Semarang aryosatito@gmail.com Abstrak Tujuan dari proses dekomposisi terhadap serbuk atau serat kayu dilakukan untuk menghilangkan lapisan lignin dan hemiselulosa yang ada. Dalam komposit kayu plastik, lapisan ini harus dihilangkan karena menjadi media tumbuh bagi jamur yang dapat merusak ikatan adhesi antara serbuk kayu sebagai materal pengisi dan plastic HDPE sebagai material pengikat pada komposit kayu palstik. Umumnya bahan kimia alkali keras yang limbahnya dapat mencemari lingkungan digunakan untuk proses dekomposisi. Agar lingkungan tidak tercemar oleh limbah bahan kimia dan proses dekomposisi tetap dapat dilakukan maka digunakan metode steam explosion decomposition. Metode yang digunakan dalam penelitian hibah bersaing tahun pertama ini adalah studi literatur dan eksplorasi jurnal untuk mengetahui berbagai jenis metode dekomposisi yang ada, untuk kemudian merancang serta merealisasikan peralatan steam explosion sederhana yang mudah dan aman dioperasikan dan dilanjutkan dengan uji kinerja peralatan. Peralatan dekomposisi dengan metode steam explosion yang telah selesai direalisasikan memiliki kapasitas 5 kilogram serbuk/serat kayu setiap kali proses. Tekanan uap yang dihasilkan peralatan dekomposisi mencapai 10 MPa, temperatur uap 240 C dengan pemakaian daya listrik 2 kw. Dalam proses dekomposisi, tekanan yang digunakan adalah maksimum 0,5 MPa dengan temperatur proses 180 C. Kata kunci : komposit kayu plastik, dekomposisi, lignin, lignoselulosa PENDAHULUAN a. Latar Belakang Kebutuhan panel pelapis dinding yang berfungsi sebagai isolator pencegah temperatur dalam ruang terinduksi panas luar ruangan semakin lama semakin meningkat seiring dengan meningkatnya penggunaan pengatur udara dan juga pemakaian peralatan audio rumahtangga di masyarakat. Panel pelapis dinding yang ada saat ini kebanyakan terbuat dari material sintetis yang tidak dapat didaur ulang. Dengan volume limbah kayu yang dihasilkan industri penggergajian kayu terdiri dari bagian kulit (Jawa: sebretan) sebesar 20 %, potongan kecil sebesar 14 %, dan serbuk gergajian yang mencapai 11 % ( Satito, 2012). Bagian kulit dan potongan kecil kayu seringkali masih dapat dimanfaatkan untuk bahan baku aneka kerajinan, sedangkan serbuk gergajian pada umumnya hanya dibakar atau dibuang begitu saja. Sementara di sisi lain dari kemajuan teknologi, kebutuhan bahan baku plastik juga terus meningkat. Konsekuensi dari semakin banyaknya pemakaian bahan baku plastik adalah terus meningkatnya jumlah limbah plastik di alam. Salah satu jenis material plastik yang paling banyak digunakan saat ini adalah High Density Polyethylene (HDPE) karena PROSIDING SENTRINOV Vol. 001, Tahun 2015 ISSN:

2 memiliki kemampuan untuk didaur ulang. HDPE juga merupakan kontributor limbah terbesar di alam. Menurut Biro Pusat Statistik, pada tahun 2007 jumlah prosentase limbah plastik HDPE di Indonesia mencapai 62 % dari total limbah plastik yang ada (sumber : bps.go.id). Untuk itu, limbah HDPE harus dimanfaatkan untuk dibuat menjadi material komposit kayu plastik. Dalam penelitian terapan terdahulu, yaitu Aplikasi Teknologi Liquid Phase Sintering Pada Limbah Kayu Dan Plastik Untuk Menciptakan Material Baru, (Satito,2010) yang menjadi dasar penelitian ini, telah dilakukan upaya pemanfaatan limbah kayu yang berupa serbuk gergajian dan limbah plastik yang dapat didaur ulang menjadi sebuah material baru dalam bentuk komposit plastik dan kayu. Hasil dari penelitian terapan tersebut adalah diperolehnya komposisi jumlah serbuk kayu dan plastik, temperatur proses, serta tekanan proses yang paling sesuai untuk kebutuhan pembuatan panel komposit kayu plastik yang dapat digunakan sebagai pengganti ubin dan dinding dalam rumah. Agar kualitas panel komposit kayu plastik ini menjadi lebih baik, maka perlu dilakukan sebuah proses awal yang dikenal sebagai pre-impregnation process, yaitu proses pelapisan material yang akan dijadikan pengisi dengan sebagian kecil material pengikat komposit ( German, 1994). Proses ini juga dapat mereduksi kebutuhan energi panas yang dibutuhkan pada saat proses liquid phase sintering plastik berlangsung. Dalam proses pre-impregnation ini dihasilkan butiran-butiran (pellet) serbuk kayu dan plastik untuk bahan baku pembuatan panel komposit kayu plastik. Selain daripada itu, proses pre-impregnation juga meningkatkan kemampuan permukaan butiran serbuk kayu dalam mengikat plastik, sehingga kayu lebih terlindungi dari air maupun jamur. Penelitian yang mengkaji proses pre-impregnation telah dilakukan dalam penelitian terapan berjudul : Rancang Bangun Mesin Pembuat Butiran Pellet Sebagai Proses Pre- Impregnation Bahan Baku Komposit Kayu Plastik Untuk Meningkatkan Kualitas Produk Panel Komposit (Satito, dkk.2013). Pada penelitian tersebut, digunakan bahan alkali keras (NaOH) sebesar 10% sebagai pelarut lignin dan lignoselulosa yang merupakan bagian yang tidak dikehendaki dalam pembuatan komposit kayu plastik karena dapat menjadi media tumbuh jamur pada komposit. Penggunaan NaOH sebagai bahan pelarut lignin dan lignoselulosa harus dihindari karena limbahnya dapat mencemari lingkungan. PROSIDING SENTRINOV Vol. 001, Tahun 2015 ISSN:

3 b. Tujuan Tujuan khusus dari penelitian ini adalah untuk menghasilkan panel pelapis dinding dan lantai berbahanbaku komposit kayu plastik yang material pengisi kompositnya adalah serbuk / serat kayu yang telah melalui proses dekomposisi yang ramah lingkungan. Secara spesifik tujuan khusus dari penelitian ini adalah menghasilkan prototipe mesin dekomposisi serbuk/serat kayu dari lignin dan hemiselulosa dengan menggunakan uap air pada tekanan dan temperature tertentu dan juga menghasilkan bahan baku utama pengisi (filler) komposit kayu plastik berupa serbuk / serat kayu yang bebas dari lignin dan hemiselulosa. Guna mendapatkan penguasaan teknologi pembuatan komposit kayu plastik yang aman dan ramah lingkungan serta, penelitian diutamakan pada proses pembuatan serbuk / serat kayu bahan baku komposit yang telah didekomposisi dari lignin dan hemoselulosa dengan demikian fokus utama penelitian ini adalah realisasi peralatan dekomposisi serbuk / serat kayu dengan metode steam explosion. Sedangkan untuk mendapatkan pemahaman karakteristik peralatan dekomposisi terhadap proses pembuatan komposit kayu plastik secara komperhensif, penelitian dilanjutkan pada : a) Penerapan tekanan b) Temperatur uap air c) Waktu penekanan yang dipakai untuk mendekomposisi lignin dan hemiselulosa dari serbuk / serat kayu yang sesuai dengan penelitian sebelumnya. Dan keseluruhan tahapan penelitian ini akan memberikan tiga luaran terukur sebagai kontribusi, yaitu: a) Prototipe unit peralatan dekomposisi serbuk / serat kayu dengan metode steam explosion b) Data-data teknis dari prototype peralatan yang dibuat, dan c) Publikasi ilmiah pada journal. c. Target inovasi dan Penerapan Penelitian Target inovasi dari penelitian ini adalah mampu membuat prototipe unit peralatan dekomposisi serbuk / serat kayu dengan metode steam explosion. Hasil dari peralatan ini adalah material pengisi komposit kayu plastik yang panel kompositnya dapat digunakan untuk pelapis dinding dan lantai. Harga peralatan dekomposisi serbuk / serat kayu dengan metode steam explosion akan relatif murah, sehingga dapat dijangkau oleh para pengusaha IKM yang berminat. Dengan demikian kesejahteraan para pengusaha IKM dan PROSIDING SENTRINOV Vol. 001, Tahun 2015 ISSN:

4 pekerja akan meningkat. Sedangkan penerapan hasil penelitian ini adalah memperkenalkan kepada para pengusaha IKM tentang inovasi material yang baru dan sarana praktikum bagi Perguruan Tinggi yang sesuai. Hasil-hasil dari penelitian juga dapat dijadikan acuan dan merupakan pengembangan IPTEK di bidang komposit kayu plastik. METODE PENELITIAN Penelitian yang sudah dilakukan Penelitian yang sudah dilakukan sebagai langkah awal rangkaian penelitian Hibah Bersaing ini adalah penelitian untuk mendapatkan komposisi antara serbuk kayu dan serbuk plastik HDPE. Hasil penelitian awal ini adalah : - Bahan penelitian : serbuk kayu, serbuk HDPE, NaOH - Peralatan penelitian : Hot press machine, Mesin Pembuat Butiran Pellet Sebagai Proses Pre-Impregnation Bahan Baku Komposit Kayu Plastik - Lokasi penelitian : Lab. Uji Bahan Politeknik Negeri Semarang - Luaran penelitian : a. Komposisi terbaik dari serbuk kayu dan serbuk plastic HDPE pada komposit kayu plastik b. Peralatan / mesin pre impregnation pembuat butiran pellet bahan baku komposit kayu plastic. c. Laporan yang berisi tentang data-data proses pre impregnation dan komposisi material matriks dan material filler komposit kayu plastic. d. Indikator capaian : - Perbandingan 70% serbuk kayu dan 30% serbuk HDPE merupakan komposit dengan penampilan terbaik - Proses preimpregnation awal dapat meningkatkan sifat mekanis dan sifat fisik komposit. a. Penelitian Tahun I, Rancang Bangun Prototipe Peralatan Dekomposisi Serbuk / Serat Kayu dengan metode Steam Explosion PROSIDING SENTRINOV Vol. 001, Tahun 2015 ISSN:

5 Metode : Rancang b Manusia: Tim peneliti : Material : - serbuk kayu Lingkungan : Lab. Pemesinan Peralatan : - Mesin steam explosion Problem : Pembuatan mesin dekomposisi serbuk/serat kayu dari lignin dan hemiselulosa agar proses pengikatan matriks komposit terhadap filler komposit menjadi Gambar 1: Diagram permasalahan pada penelitian rancang bangun peralatan dekomposisi serbuk / serat kayu Langkah Penelitian Melakukan survei peralatan elektrik boiler sebagai pembangkit uap yang dibutuhkan Melakukan survei peralatan penunjang rancangbangun Merancang mesin electric steam boiler sederhana untuk menghasilkan uap air. Merancang mesin steam explosion untuk dekomposisi serbuk / serat kayu Realisasi rancangan mesin steam explosion Uji coba kinerja dan hasil prototipe mesin Penyusunan makalah dan laporan akhir. Bahan yang digunakan untuk uji kinerja peralatan dalam penelitian ini adalah : Serbuk kayu dari aneka jenis kayu komersial dengan ukuran rerata ASTM mesh 80 Serat kasar bamboo Serat kasar rami Peralatan yang dipergunakan untuk merealisasi rancangan Peralatan pemesinan (misal: mesin bubut, frais, gerinda, las, dll) Alat ukur, mesin uji universal Lokasi penelitian adalah di Laboratorium Pemesinan Politeknik Negeri Semarang dengan luaran penelitian berupa prototipe mesin steam explosion unit yang dilengkapi dengan electric boiler berkapasitas produksi total 50 kg uap/jam dengan daya 2 kw dan unit steam explosion dengan kapasitas proses dekomposisi serbuk sebesar 5 kg / proses. PROSIDING SENTRINOV Vol. 001, Tahun 2015 ISSN:

6 Dimensi peralatan dekomposisi serbuk dan serat kayu ini adalah panjang 1600 mm, lebar 800 mm dan tinggi 800 mm. Peralatan dekomposisi serbuk dan serat kayu juga dilengkapi dengan 1 unit thermo controller, 1 set safety valve, 1 unit quick release valve untuk melepaskan tekanan uap secara cepat, dan 2 unit pressure gage pengukur tekanan uap air. HASIL DAN PEMBAHASAN a. Peralatan dekomposisi serbuk dan serat kayu dengan metode steam explosion Prototipe peralatan dekomposisi serbuk dan serat kayu ini menggunakan tekanan dan temperatur yang ada pada uap air untuk menghilangkan lapisan lignin dan lapisan hemiselulosa yang selalu terdapat pada setiap serat kayu dan serbuk kayu merupakan potongan kecil dari serat kayu. Dengan kemampuan menghasilkan tekanan uap sampai dengan 10 MPa dan temperatur uap sampai 240 C, maka prototpe peralatan ini akan dapat mendekomposisi berbagai serat kayu, termasuk serat bambu dan serat rami. Cara pendekomposisian serat kayu dapat dilihat pada grafik proses berikut.. Tekanan [ MPa] 0, 2 50 menit 6 menit 6 menit 6 menit Explosion 7kali 0 Waktu [menit] Gambar 2. Grafik proses dekomposisi serat kayu dengan temperatur uap 180 C Tekanan uap air yang digunakan untuk mendekomposisi serat kayu hanya sebesar 0,2 MPa (maksimum) dengan temperatur uap yang hanya setinggi 180 C. Kondisi kerja peralatan dekomposisi ini jauh berada dibawah kapasitas electric steam boiler yang tersedia. Sehingga daya listrik yang digunakan juga akan berada dibawah 2 kw. Pada tekanan yang lebih rendah ( 0,175 MPa), peralatan dekomposisi ini juga dapat digunakan untuk mengurai serat bambu dengan sangat mudah. Sehingga apabila dibutuhkan, peralatan dekomposisi ini juga dapat dipakai untuk memproduksi serat bambu yang panjang. b. Uji kinerja peralatan dekomposisi serbuk dan serat kayu dengan metode steam explosion PROSIDING SENTRINOV Vol. 001, Tahun 2015 ISSN:

7 Hasil uji kinerja peralatan dekomposisi terhadap beberapa jenis serbuk dan serat kayu dapat dilihat pada table berikut. Tabel 1 Hasil uji kinerja peralatan dekomposisi serbuk dan serat kayu Temperatur Tekanan Waktu Jenis Kayu dekomposisi dekomposisi dekomposisi Jati 175 C 0, 18 MPa 120 menit Bangkirai 185 C 0,19 MPa 135 menit Kamper 170 C 0,17 MPa 115 menit Waru 160 C 0,12 MPa 90 menit Bambu 180 C 0,15 MPa 110 menit Rami 165 C 0,14 MPa 105 menit Dari Tabel 1 diatas dapat dilihat bahwa temperature dekomposisi berbagai jenis kayu tidak melebihi 180 C, hal ini dikarenakan tujuan dekomposisi serat hanya untuk menghilangkan lignin dan hemiselulosa. Apabila pemanasan mencapai maksimum 230 C yang akan terjadi adalah selulosa serat pun akan terdekomposisi total. Kondisi ini juga sesuai dengan pendapat Matsuoka, et al, yang tertuang dalam tabel berikut Tabel 2 Tabel temperatur dekomposisi serat kayu Temperatur Target dekomposisi dekomposisi Selulosa 230 C Hemiselulosa 160 C Lignin 130 C (sumber : Matsuoka, et al, 2008) SIMPULAN Dari serangkaian penelitian rancang bangun ini dapat diperoleh simpulan sebagai berikut 1. Bahan pengisi panel komposit kayu plastik yang berupa serbuk kayu yang didekomposisi secara ramah lingkungan dapat dihasilkan dengan menggunakan peralatan dekomposisi serbuk kayu. Sarana untuk mendekomposisi serbuk kayu adalah uap air bertekanan rendah, sehingga ketika uap air bekas proses dekomposisi dilepas ke udara sekitar, tidakm akan mencemari lingkungan. PROSIDING SENTRINOV Vol. 001, Tahun 2015 ISSN:

8 2. Prototipe peralatan dekomposisi serbuk kayu dengan metode steam explosion telah berhasil direalisasikan dalam penelitian ini dengan spesifikasi peralatan sebagai berikut : a. ukuran fisik peralatan : 1600 x 800 x 800 (mm.) b. daya listrik untuk steam boiler : 2 kw, dengan kapasitas produksi uap 50 kg/jam. c. kapasitas unit steam explosion : 5 kg serbuk kayu per proses. d. peralatan pendukung : 1 unit digital thermo controller 1 unit steam pressure safety valve 1 unit quick release valve 1 set kerangka pendukung peralatan beroda. Dengan berhasilnya penelitian rancang bangun peralatan dekomposisi serbuk atau serat kayu yang ramah lingkungan dan mudah dioperasikan ini, maka tujuan utama dari penelitian Hibah Bersaing yang direncanakan sebanyak 3 tahap pelaksanaan akan dapat dicapai sesuai target waktu yang direncanakan. DAFTAR PUSTAKA Couch, G., 2004, Wood and Plastic Join Forces To Create High-Tech Material, Vol.3, Issue2, FPL Public Affair Specialist, USDA Forest Product Laboratory, U.S. Gardner, Douglas J., Lucas Andrusyk., Gloria S. Oporto., Wood plastic composites manufactured from hot water extracted wood, Proceedings of the 51st International Convention of Society of Wood Science and Technology November 10-12, 2008 Concepción, CHILE Gibson, Ronald F., 1994, "Principles of Composites Material Mechanics", McGraw-Hill, Inc., New York. Matsuoka, Kaho., Kazuya Okubo.,Toru Fuji.,2008, High homogenization yechnique for micro fibrillated bacteria cellulose to fabricate electric testing prove disk, Doshisha University, Kyoto. Matthews, F.L., and Rawlings, R.D.,1994, Composite Materials : Engineering and Science. Fist Edition, Chapman and Hall Publishers, 2-6 Boundary Raw, London Min, X.U., and Shuai, L.I.,2007, Impact of Coupling Agent on Properties of Wood-Plastic Composites, Higher Education Press and Springer-Verlag Okamoto, T., Takatani, M., Kitayama. T.,2000., Wood-Plastic Composite Added with Steam-Exploded Wood Flour, 3rd International Wood and Natural Fibre Composites Symposium, Kassel, Germany. Purwanto D, Samet, Mahfuz, dan Sakiman , Pemanfaatan Limbah Industri Kayu lapis untuk Papan Partikel Buatan secara Laminasi. DIP Proyek Penelitian dan PROSIDING SENTRINOV Vol. 001, Tahun 2015 ISSN:

9 Pengembangan Industri. Badan Penelitian dan Pengembangan Industri. Departemen Perindustrian. Banjar Baru. Rude, E. F., 2007, Evaluation of Coupling Mechanisms in Wood Plastic Composites., (Thesis), Department of Mechanical and Materials Engineering., Washington State University Satito, Aryo , Pengujian Sifat Mekanis Komposit Serbuk Kayu Dan Plastik High Density Polyethylene (HDPE).Jurnal Rekayasa Mesin, vol.7/no.1, April p Satito, Aryo , Rancang Bangun Mesin Pembuat Butiran Pellet sebagai proses Pre- Impregnation Bahan Baku Komposit Kayu Plastik Untuk Meningkatkan Kualitas Produk Panel Komposit,Laporan Penelitian Terapan DIPA Politeknik Negeri Semarang. Setyawati,D , Sifat Fisis dan Mekanis Komposit Serbuk Kayu Plastik Polipropilena Daur Ulang. [Thesis]. Program Pascasarjana Institut Pertanian Bogor. Bogor Stark, N.M., and Rowlands, R.E.,2002, Charracteristic Evaluation of Wood Fiber Characteristic on Mechanical Properties af Wood / Polypropylene Composites.,Wood and Fiber Science.,Vol PROSIDING SENTRINOV Vol. 001, Tahun 2015 ISSN: