BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Masalah Serat alam dapat diklasifikasikan berdasarkan sumbernya, yaitu serat alam yang berasal dari tanaman dan hewan. Indonesia memiliki wilayah yang kondisi iklimnya sesuai untuk pengembangan serat alam, seperti Sulawesi (khususnya Sulawesi Selatan), Jawa Timur, Jawa Tengah, dan Palembang. Serat alam merupakan bahan yang dapat diperbaharui (renewable) sehingga agrobisnis dari serat alam merupakan usaha yang berkelanjutan (sustainable) dan ramah lingkungan (friendly environment) (Sastrosupadi, 2006). Serat alam dapat ditingkatkan nilai jualnya dan telah diperluas penggunaannya di berbagai sektor vital, seperti industri tekstil, kertas, kosmetik, dan berbagai aplikasi di bidang otomotif. Salah satu serat alam yang berpotensi dikembangkan di negara beriklim tropis seperti Indonesia adalah tanaman kenaf. Kenaf sangat mudah dibudiyakan dengan musim panen yang relatif cepat yakni setiap tiga hingga empat bulan sekali. Kenaf memiliki kekuatan mekanik tinggi dan telah banyak digunakan sebagai bahan penguat pada komposit terutama untuk aplikasi di bidang otomotif seperti pada pembuatan dashboard, body cover, dan doortrim mobil. Agar menjadi bahan penguat yang baik pada komposit, serat kenaf tentu perlu diperkecil ukurannya hingga berskala mikro bahkan nano melalui proses kimia, mekanik, atau gabungan dari keduanya (Kargarzadeh et al. 2012). Proses ini berfungsi untuk menghilangkan kandungan hemiselulosa yang melekat pada dinding serat dan membungkus serat selulosa, serta menguraikan serat menjadi ukuran-ukuran yang lebih kecil. Ukuran serat yang lebih kecil akan memberi manfaat besar terhadap peningkatan luas permukaan atau bidang kontak terhadap bahan matriks komposit yang mempengaruhi sifat mekanik komposit tersebut (Bergshoef et al, 1999; Jamaludin, 2008). Selain ukuran diameter serat, kandungan selulosa yang tinggi pada serat kenaf juga diyakini sebagai salah satu alasan mengapa kenaf memiliki sifat mekanik yang baik. Selulosa merupakan polimer alam yang memiliki struktur kimia 1
2 berulang dan tidak mudah rusak oleh perlakuan kimia sederhana. Kandungan selulosa dalam serat alam termasuk kenaf dapat berbeda beda tergantung dari bagian tanaman kenaf yang dikaji serta lokasi pembudidayaannya. Selulosa nanokristal dimanfaatkan pada berbagai aplikasi, diantaranya sebagai substrat lentur pada sel surya dan supercapacitors, nanofiller pada komposit serat nano dan membran (Mariano et al. 2014, Gaspar et al. 2014). Bahan komposit merupakan gabungan antara bahan pengisi (filler) atau bahan penguat (reinforced) dan matriks yang menghasilkan suatu bahan baru yang memiliki sifat-sifat lebih baik dari bahan dasar penyusunnya. Sejak tahun 2012, Grup Riset Nanomaterials LPPT UGM telah melakukan penelitian terhadap serat kenaf dan sisal terkait dengan potensinya sebagai bahan penguat komposit berbasis material alam terbarukan. Penelitian difokuskan pada upaya peningkatan sifat mekanik serat dengan memperkecil ukuran serat melalui proses kimia berupa scouring, bleaching, dan hidrolisa, serta proses mekanik berupa stirring dan ultrasonikasi. Hasil riset yang telah dilaporkan sejak tahun 2012 hingga 2015 (Sosiati et al. 2012; Sosiati et al. 2014; Sosiati et al. 2015) menunjukkan perkembangan hasil penelitian yang signifikan. Kekuatan mekanik serat tunggal, baik kenaf maupun sisal, terbukti meningkat setelah melalui proses scouring dan bleaching untuk menghilangkan komponen non selulosa. Pemanfaatan serat kenaf hasil perlakuan kimia sebagai bahan pengisi komposit kenaf polypropylene dengan metode kempa juga efektif meningkatkan sifat mekanik komposit yang dihasilkan akibat meningkatnya bidang kontak serat terhadap matriks. Penelitian kemudian dilanjutkan dengan upaya memperkecil ukuran serat hingga skala nano dengan menambahkan proses hidrolisa, stirring, dan ultrasonikasi. Serat yang dibagi menjadi bagian pangkal, tengah, dan ujung ternyata memiliki kecenderungan sifat yang berbeda-beda. Pada penelitian terhadap serat sisal, serat sisal bagian tengah memiliki kekuatan mekanik yang tinggi dibandingkan bagian lain, namun kecenderungan untuk terurai akibat perlakuan kimia, tidak sebaik serat sisal bagian pangkal dan ujung. Serat sisal bagian tengah dan pangkal telah mampu diperkecil ukurannya oleh anggota Grup Riset Nanomaterials LPPT UGM, yakni Muhaimin dan Purwanto di tahun 2014 hingga
3 menghasilkan selulosa nanopartikel dan nanowhisker melalui gabungan antara proses kimia dan mekanik. Penelitian tersebut telah di publikasikan pada tahun 2015 (Sosiati et al. 2014; Sosiati et al. 2015). Fabrikasi komposit nanofiber selulosa/pva juga telah berhasil dilakukan oleh Muhaimin di tahun yang sama menggunakan metode electrospinning, namun pada penelitian tersebut tidak dilakukan fabrikasi terhadap variasi kandungan selulosa dalam komposit sehingga diperlukan penelitian lanjutan terkait hal tersebut. Metode electrospinning sangat efektif untuk menghasilkan serat serat berskala nano dengan menggunakana larutan polimer sebagai umpan. Akan tetapi, proses ini sangat dipengaruhi oleh berbagai faktor diantaranya jarak pipa kapiler (spinneret) ke plat kolektor yang terbuat dari bahan logam, diameter jarum pada spinneret yang digunakan, viskositas larutan, serta suplai tegangan tinggi yang digunakan (Huang et al, 2003; Balamurugan et al, 2011). Pengujian yang dilakukan di tahun tersebut sebatas pada pengamatan TEM terhadap sebaran selulosa dalam serat serat nano pada komposit nanofiber yang dihasilkan, sedangkan peranan selulosa sebagai bahan pengisi pada komposit nanofiber terhadap sifat mekanik komposit belum dikaji. Penelitian mengenai pembuatan serat polimer berskala nano (polymer nanofibers) dengan metode electrospinning sudah banyak dilaporkan (Shin et al, 2005, Sautter, 2005, Li et al, 2004, Roso et al, 2008, Ramakrishna et al, 2010). Akan tetapi, penelitian terkait pembuatan komposit berpenguat nanoselulosa dengan metode electrospinning serta verifikasi mengenai peningkatan sifat mekaniknya akibat penambahan selulosa masih sangat terbatas, padahal sifat mekanik merupakan salah satu sifat fundamental bahan yang penggunaannya dapat disesuaikan dengan kebutuhan. Penelitian ini dilakukan untuk menyempurnakan penelitian sebelumnya, yakni dengan melakukan fabrikasi dan pengujian terhadap berbagai variasi kandungan selulosa dalam nanofiber komposit. Percobaan pendahuluan yang telah dilakukan menunjukkan adanya kecenderungan peningkatan kekuatan tarik komposit akibat penambahan selulosa. Penelitian ini dilakukan dalam dua tahap. Tahap pertama adalah ekstraksi selulosa dari serat kenaf melalui proses kimia yakni alkalisasi dan bleaching. Serat kenaf yang akan diekstrak akan dikelompokkan ke dalam tiga bagian, yaitu bagian
4 pangkal, tengah, dan ujung. Pengelompokkan tersebut bertujuan mengidentifikasi bagian manakah dari serat kenaf yang paling mudah diproses untuk mengahasilkan nanoselulosa. Tahap kedua adalah fabrikasi komposit nanofiber selulosa/pva dengan menggunakan metode electrospinning yang akan menghasilkan komposit berbentuk membran atau lembaran. PVA yang mudah larut dalam aquades digunakan sebagai bahan matriks, sedangkan larutan suspensi selulosa hasil ekstraksi dari serat kenaf merupakan bahan pengisi komposit. Pengujian secara mekanik terhadap membran komposit yang dihasilkan diharapkan dapat memberi informasi mengenai pengaruh penggunaan selulosa dalam komposit nanofiber yang dihasilkan. 1.2 Rumusan Masalah Berdasarkan latar belakang yang telah diuraikan sebelumnya, rumusan masalah yang akan dikaji lebih lanjut pada penelitian ini adalah sebagai berikut : 1. Bagian manakah dari serat kenaf yang mudah terurai dan menghasilkan selulosa berskala nano setelah diberi perlakuan alkalisasi dan bleaching. 2. Apakah penambahan selulosa sebagai bahan pengisi (filler) dengan variasi jumlah selulosa pada komposit nanofiber selulosa/pva, dapat meningkatkan kekuatan tarik komposit tersebut. 1.3 Tujuan Penelitian Berdasarkan permasalahan diatas, tujuan penelitian ini adalah : 1 Mengektrak selulosa dari serat kenaf menggunakan metode kimia dan mengidentifikasi bagian serat yang lebih mudah terurai melalui analisis struktur kimia, morfologi, dan kristalinitas menggunakan FTIR, SEM, TEM dan XRD. 2 Menghasilkan komposit nanofiber selulosa/pva dengan metode electrospinning dan menganalisis morfologi permukaannya menggunakan SEM.
5 3 Menguji sifat kekuatan tarik komposit selulosa/pva menggunakan standard uji ASTM D 638 dan mengidentifikasi pengaruh penambahan selulosa terhadap kekuatan tariknya. 1.4 Batasan Masalah Batasan masalah dalam penelitian ini, meliputi : 1. Penelitian ini hanya menggunakan bahan baku serat kenaf yang diperoleh dari Balai Penelitian Tanaman Pemanis dan Serat (Balittas), Malang, Jawa Timur dengan spesifikasi serat akan dijelaskan lebih lanjut pada sub bab Bahan Penelitian. 2. Tidak dilakukan proses optimasi konsentrasi larutan kimia, sehingga konsentrasi larutan yang digunakan pada proses alkalisasi dan bleaching dibuat tetap dan merujuk pada penelitian terdahulu. 3. Selulosa yang dicampur dengan PVA sebagai larutan umpan electrospinning berbentuk cairan suspensi selulosa (campuran aquades dan nanoselulosa). 4. Parameter electrospinning (tegangan, diamater jarum yang digunakan dan jarak antara ujung jarum dengan plat kolektor) dibuat tetap. 5. Pengujian kekuatan tarik membran hasil electrospinning mengacu pada standard uji polimer dan plastik yang dikeluarkan oleh American Society for Testing and Materials (ASTM) dengan kode D 638 yang akan dijelakan lebih lanjut pada sub bab Uji Tarik Polimer. 1.5 Manfaat Penelitian Manfaat yang diharapkan dari penelitian ini adalah sebagai berikut : 1. Mengetahui pengaruh penambahan selulosa sebagai bahan penguat komposit terhadap kekuatan tarik membran komposit. 2. Sebagai dasar penelitan lebih lanjut untuk aplikasi yang memanfaatkan nanofiber komposit selulosa/pva.
6 1.6 Sistematika Penulisan Tesis ini terdiri atas enam bab, dengan urutan penyajian, sebagai berikut : - BAB I, merupakan pendahuluan yang berisi latar belakang masalah, rumusan masalah, tujuan penelitian, batasan masalah, dan manfaat penelitian. - BAB II, berisi kajian pustaka mengenai penelitian-penelitian terdahulu terkait topik penelitian pada tesis ini. - BAB III, berisi dasar teori yang mencakup materi pendukung penelitian. - BAB IV, merupakan bab yang membahas metode penelitian mencakup alat dan bahan yang digunakan, skema penelitian, dan tahap pelaksanaan penelitian. - BAB V, memuat hasil dan pembahasan terhadap penelitian yang dilakukan. - BAB VI, memuat kesimpulan dari penelitian dan saran untuk mengembangkan penelitian ini pada penelitian selanjutnya. - Bagian akhir tesis memuat daftar pustaka berisi acuan yang digunakan selama proses penelitian dan penulisan tesis serta lampiran pendukung penelitian.