Nanokristalin Selulosa dari Sludge Primer untuk Penguat dan Pengisi Komposit Plastik

Abstract

Sludge merupakan limbah terbesar yang dihasilkan dari industri pulp dan kertas. Hingga saat ini pengelolaan dan pemanfaatan sludge belum optimal karena sludge dihasilkan dalam jumlah besar, memiliki kadar air tinggi, menghasilkan bau tidak sedap dan memiliki variabilitas yang besar. Potensi pemanfaatan sludge besar karena masih didominasi oleh serat. Salah satu alternatif yang memungkinkan untuk memanfaatkan limbah sludge adalah dengan menggabungkannya dengan bahan lain menjadi produk komposit, dimana serat sludge dapat berfungsi sebagai pengisi dan atau penguat komposit. Serat sludge memiliki sifat higroskopis dan mengandung bahan inorganik maka dapat menyebabkan rendahnya ikatan antara serat dengan matriks pada produk komposit plastik yang dihasilkan. Ikatan yang rendah antara serat dengan matriks dapat mempengaruhi sifat fisis-mekanis pada produk komposit. Untuk meningkatkan penggunaannya sebagai pengisi dan atau penguat, serat sludge dapat diproses lebih lanjut menjadi nanoselulosa. Penelitian ini terdiri atas empat tahap yang meliputi karakterisasi bahan baku (serat sludge), pembuatan nanoselulosa dari serat sludge, aplikasi nanoselulosa dari serat sludge sebagai bahan baku komposit plastik polivinil alkohol/PVA (reinforcement) dan matriks polipropilena/PP (high filler loading). Perlakuan hornifikasi hanya diberikan pada komposit dengan matriks PP guna mengetahui pengaruhnya terhadap interaksi (kompatibilitas) serat dan matriks. Pengujian yang digunakan meliputi sifat kimia dan mekanis untuk mengetahui kekuatan komposit dengan nanokristalin selulosa sebagai penguat dan pengisi pada produk komposit yang dihasilkan. Sementara itu untuk memperkuat analisa data mekanis digunakan pengujian struktur mikro meliputi X-ray diffraction (XRD), gugus fungsi molekul dengan alat fourier transform infrared (FTIR), morfologi permukaan dengan alat scanning electron mycroscope-energy dispersive X-ray spectroscopy (SEM-EDS), karakteristik termal dengan thermogravimetry analysis (TGA), konduktivitas listrik (LCR meter), dan sifat optik (spektrofotometer). Metode yang digunakan untuk menghasilkan nanokristal selulosa adalah secara mekanis (penggilingan) dan kimia (hidrolisis asam-ultrasonikasi). Pembuatan komposit dilakukan dengan menggunakan metode pencampuran mekanis menggunakan instrumen labo plastomill. Hornifikasi dilakukan menggunakan siklus pengeringan dan perendaman statis dengan aquades. Indikator yang dipergunakan dalam menilai kualitas nanoselulosa yang dihasilkan yaitu parameter ukuran nanoselulosa < 100 nm yang akan digunakan dalam penelitian tahap selanjutnya. Hasil penelitian menunjukkan bahwa serat sludge masih didominasi oleh serat utuh dengan ukuran yang bervariasi, yaitu berkisar antara 666.80-5,417.75 mikron dan diameter serat berkisar antara 8.34-50.04 mikron. Sludge memiliki kadar selulosa 60.37% dan kadar abu 33.47%. Perlakuan purifikasi terhadap sludge primer telah mengurangi bahan non-selulosa seperti lignin, hemiselulosa dan bahan inorganik, sehingga meningkatkan kadar selulosanya menjadi 76.34 %. Perlakuan purifikasi ini juga menyebabkan perubahan selulosa I menjadi selulosa II. Metode pembuatan nanoselulosa yang berhasil memperoleh ukuran dibawah 100 nm adalah metode grinding 20 kali dan hidrolisis asam yang dilanjutkan dengan proses ultrasonikasi. Namun pada metode grinding nanoselulosa yang dihasilkan masih cenderung heterogen, sehingga lebih efektif metode hidrolisis asam. Analisis X-Ray diffraction menunjukkan bahwa nanokristaln selulosa dari sludge primer juga merupakan selulosa tipe II. Hal ini berpengaruh terhadap sifat stabilitas panasnya yang lebih baik daripada serat sludge. Komposit dengan penguat nanokristalin selulosa meningkatkan sifat fisik dan mekaniknya (sifat konduktivitas, optik, keteguhan tarik,modulus patah dan elongasi patah). Hal ini disebabkan kompatibilitas yang baik antara nanokristal selulosa dengan matriks PVA serta perubahan tipe selulosa I menjadi selulose II pada proses purifikasi. Siklus pengeringan dan perendaman terhadap serat sludge secara berulang mampu meningkatkan sifat hidrofobik serat yang ditunjukkan oleh rendahnya nilai WRV dan nilai sudut kontak yang tinggi. Hal ini berpengaruh terhadap interaksi antara serat dengan matriks pada pembuatan komposit plastik, meskipun kompatibilitas yang baik tetap ditunjukkan oleh komposit dengan penambahan agen pengkopel.