Rekayasa Proses Fibrilasi Selulosa Untuk Penguat Dan Pengisi Komposit Polimer

Abstract

Sifat mekanis selulosa yang kuat disebabkan oleh adanya struktur kristal dalam selulosa sehingga memungkinkan selulosa dimanfaatkan sebagai penguat dalam komposit polimer. Sumber selulosa non kayu yang tersedia dalam jumlah berlimpah di Indonesia diantaranya serat pelepah sawit (Elaeis guineensis Jacq.). Selain itu serat akar wangi (Vetiveria zizanioides Linn.), yang merupakan sumber selulosa yang berasal dari bagian akar tumbuhan, pemanfaatannya sebagai produk komposit polimer belum banyak dilakukan. Untuk mendapatkan pulp dengan kandungan selulosa tinggi, kandungan lignin rendah dan kristalinitas tinggi, diperlukan suatu tahap proses ekstraksi selulosa yang efektif. Polipropilena (PP) merupakan polimer yang banyak digunakan sebagai matriks dalam komposit polimer-serat alam untuk aplikasi dalam bidang otomotif. Secara umum selulosa atau serat alam yang digunakan sebagai pengisi dalam komposit PP perlu dikeringkan dan dikecilkan ukurannya sebelum dicampur dengan PP. Sampai saat ini, belum ada laporan mengenai penelitian yang membahas performa komposit PP-pulp soda atau pulp terputihkan pelepah sawit (oil palm frond/OPF) atau ampas akar wangi (distilled vetiver root/dVR), dalam bentuk pulp padat atau pulp terurai. Selain permasalahan ketidaksesuaian antara selulosa dan matriks polimer karena perbedaan polaritas, dispersi selulosa dalam matriks polimer masih menjadi kendala dalam menghasilkan komposit dengan sifat mekanis yang kuat. Aglomerasi selulosa yang dikeringkan menyebabkan homogenitas antara selulosa dan matriks sulit tercapai. Salah satu upaya untuk mempertahankan struktur selulosa yaitu dengan mendispersikan selulosa dalam larutan poli asam laktat (PLA) tanpa melalui proses pengeringan, sebelum mencampurkannya dengan PP. Aplikasi komposit polimer-serat alam dapat diterapkan dalam berbagai bidang, diantaranya bidang otomotif. Sebelum komposit polimer-serat alam diproduksi secara massal, diperlukan kajian mengenai potensi pengembangan industri komposit polimer-serat alam melalui analisis ketersediaan bahan baku, yaitu polipropilena dan serat pelepah sawit dan analisis permintaan pasar terhadap produk komposit polimer-serat alam untuk aplikasi di bidang otomotif. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk membandingkan karakteristik morfologi, sifat kimia dan sifat mekanik serat OPF dan dVR, mengetahui kondisi pulping optimum serat OPF dan dVR, membandingkan perubahan morfologi, kristalinitas dan gugus fungsional pulp OPF dan dVR, menghasilkan komposit PP dengan sifat mekanis yang kuat melalui penambahan pulp soda atau pulp terputihkan OPF atau dVR dalam bentuk padat atau terurai, menghasilkan komposit PP/selulosa atau pulp OPF yang difibrilasi dan didispersikan dalam PLA, menganalisis potensi pengembangan industri komposit PP/serat OPF untuk aplikasi di bidang otomotif. Diameter serat OPF lebih kecil dibandingkan diameter serat dVR. Keteguhan tarik serat OPF (76,17 MPa), lebih tinggi dari serat dVR (30,12 MPa). Modulus tarik serat OPF juga lebih tinggi (19,18 GPa) dari serat dVR (4,88 GPa). Namun regangan maksimum serat OPF (0,64%) lebih rendah dari serat dVR (3,12%). Dengan demikian serat OPF lebih kuat, kaku tapi getas dibandingkan serat dVR. Kandungan selulosa dalam serat OPF dan serat dVR hampir sama yaitu sebesar 30,60% dan 30,33%, sehingga keduanya berpotensi dimanfaatkan sebagai penguat komposit polimer. Kondisi optimum proses pulping soda serat OPF adalah pada suhu 176C, selama 2 jam 46 menit dan alkali aktif 44,78%, menghasilkan pulp soda OPF dengan kadar selulosa, kadar lignin dan kristanilitas, masing-masing sebesar 71,50%, 6,05% dan 59,83%. Kondisi optimum proses pulping soda serat dVR adalah pada suhu 170C, selama 3 jam 35 menit dan alkali aktif 35,95%, menghasilkan pulp soda dVR dengan kadar selulosa, kadar lignin dan kristalinitas, masing-masing sebesar 57,22%, 5,10% dan 49,76%. Diameter serat OPF semakin kecil setelah proses pulping, pemutihan dan pemurnian. Dengan kondisi proses yang sama, tingkat kerusakan struktur serat dVR lebih tinggi dibandingkan dengan serat OPF. Proses pulping menggunakan NaOH pada konsentrasi 5,60% untuk OPF dan 4,49% untuk dVR dapat mempertahankan alomorf selulosa I. Selulosa yang diekstrak dari serat OPF merupakan selulosa I dengan ukuran kristalit 9,23 nm dan kristalinitas 57,20%, sedangkan selulosa yang diekstrak dari serat dVR merupakan selulosa I dengan ukuran kristalit 8,28 nm dan kristalinitas 58,98%. Proses pulping, pemutihan dan pemurnian serat OPF dan dVR telah berhasil menghilangkan lignin yang dibuktikan dengan tidak munculnya puncak serapan lignin pada spektra FTIR. Sifat mekanis komposit PP/OPF lebih baik dibandingkan dengan komposit PP/dVR. Pada komposit PP/OPF, keteguhan lentur komposit dipengaruhi oleh bentuk pulp, sedangkan keteguhan tarik komposit dipengaruhi oleh jenis pulp dan bentuk pulp. Komposit PP dengan pengisi pulp terputihkan-padat OPF menunjukkan peningkatan keteguhan lentur, modulus elastisitas lentur, keteguhan tarik dan modulus elastisitas tarik sebesar 22,95%; 28,95%; 9,28% dan 56,53% lebih tinggi dibandingkan PP. Fibrilasi selulosa selama 3 menit, kecepatan 16.000 rpm, menghasilkan selulosa terfibrilasi yang dapat meningkatkan keteguhan tarik, modulus tarik dan regangan maksimum komposit PP/PLA/selulosa OPF sebesar 45,54%, 10,53% dan 126% lebih tinggi dibandingkan dengan komposit PP/PLA. Fibrilasi pulp terputihkan pelepah sawit menggunakan high speed blender pada kecepatan 16.000 rpm selama 12 menit lebih efektif dibandingkan dengan fibrilasi selulosa OPF pada kecepatan dan waktu yang sama, karena keteguhan tarik, modulus tarik dan regangan maksimum komposit PP/PLA/pulp terputihkan terfibrilasi lebih tinggi dibandingkan dengan komposit PP/PLA/selulosa terfibrilasi. Namun penggunaan matriks gabungan PP dan PLA memerlukan bahan penggandeng (coupling agent) karena antara PP dan PLA saling tidak mencampur (immicible). Produksi komposit PP-serat OPF secara massal berpotensi untuk dilakukan karena didukung oleh potensi ketersediaan serat OPF dan polipropilena, namun perlu diintegrasikan dengan pabrik pengolahan kelapa sawit dan menjalin kerjasama dengan mitra industri otomotif yang siap menggunakan produk komposit yang dihasilkan.