Karakterisasi Fourier Transform InfraRed (FTIR) dilakukan untuk mengidentifikasi gugus fungsi yang ada pada bahan baku serat batang pisang kepok (Musa acuminata x balbisiana), alfa selulosa, dan nanokristal selulosa (NCC) yang dihasilkan. Karakterisasi FTIR dan daerah absorbansi gugus fungsi dari serat batang pisang, alfa selulosa dan nanokristal selulosa (NCC) ditunjukkan pada Gambar 4.3 dan Tabel 4.1:
Gambar 4.3 Karakterisasi FT-IR dari Serat Batang Pisang, Alfa Selulosa dan Nanokristalin Selulosa
Tabel 4.1 Daerah Penyerapan Gugus Fungsi dari Serat Batang Pisang, Alfa Selulosa dan Nanokristalin selulosa
Jenis
Serat Batang Pisang Alfa Selulosa Nanokristalin Selulosa
Stretching
Stretching Gugus C-O
1028 – 985
(Liu dan Kim, 2017) 1025 1019 1011
Gambar 4.3 menunjukkan hasil analisis FTIR yang menunjukkan puncak-puncak (peak) serapan yang dapat menunjukkan gugus-gugus khusus yang terdapat pada suatu senyawa. Pada hasil pengujian ini, grafik penyerapan sampel serat batang pisang, alfa selulosa dan nanokristalin selulosa yang diperoleh mirip satu sama lain dikarenakan memiliki senyawa dasar yang sama, yaitu selulosa.
Puncak penyerapan 3318 cm-1 pada serat batang pisang, 3282 cm-1 pada alfa selulosa dan 3323 cm-1 pada nanokristalin selulosa menunjukkan adanya gugus stretching gugus O-H (3400 – 3200 cm-`). Gugus O-H pada rentang ini merujuk pada stretching OH ikatan hidrogen intramolekuler pada struktur selulosa I dan selulosa II (Haule, dkk., 2016).
Puncak penyerapan pada bilangan gelombang 2889 cm-1 untuk serat batang pisang, 2885 cm-1 untuk alfa selulosa dan 2896 cm-1 untuk nanokristalin selulosa menunjukkan adanya stretching dari gugus C-H (2900 – 2880 cm-1). Gugus metil tersebut terkandung pada segala komponen kayu, namun utamanya terdapat pada selulosa (Poletto, dkk., 2012).
Puncak penyerapan pada bilangan gelombang 2104 cm-1 pada serat batang pisang menunjukkan keberadaan ikatan rangkap tiga dari gugus karbon. Ikatan ini merupakan salah satu dari ciri khas serat lignoselulosa. (Deba, dkk., 2017).
Hilangnya puncak penyerapan tersebut pada sampel alfa selulosa dan nanokristalin selulosa menunjukkan perlakuan NaOH yang efektif pada proses delignifikasi.
Puncak penyerapan pada bilangan gelombang 1723 cm-1 pada serat batang pisang menunjukkan keberadaan grup asetil dan ester dari hemiselulosa serta ikatan ester dari grup asam karboksilat pada lignin dan hemiselulosa (1725 – 1700 cm-1). Hilangnya puncak penyerapan tersebut pada sampel alfa selulosa dan nanokristalin selulosa menunjukkan perlakuan NaOH yang efektif pada proses delignifikasi (Nandiyanto, dkk., 2019, Zheng, dkk., 2019).
menunjukkan keberadaan gugus O-H pada ketiga sampel tersebut. Gugus ini berasal dari air yang terserap oleh grup hidroksil pada selulosa (Zain, dkk., 2014, Zheng, dkk., 2019)
Puncak penyerapan 1322 cm-1 pada alfa selulosa berhubungan dengan bending O-H in-plane pada selulosa (1350-1260 cm-1). Gugus O-H yang berada pada intensitas 1335 – 1316 cm-1 menyatakan komponen selulosa, dan berhubungan dengan kandungan struktur selulosa kristal I dan selulosa amorf (Bodirlau dan Teaca, 2007).
Puncak penyerapan 1317 cm-1 pada nanokristal selulosa menunjukkan adanya wagging gugus CH2. Gugus ini menunjukkan struktur kristalin I selulosa yang membedakannya dari selulosa amorf (Lionetto, dkk., 2012; Dungani, dkk., 2016;
Zghari, dkk., 2018).
Puncak penyerapan 1238 cm-1 pada serat batang pisang menunjukkan stretching dari gugus C-O-C yang merupakan gugus khas dari struktur lignin.
Hilangnya puncak tersebut pada alfa selulosa dan nanokristalin selulosa menunjukkan perlakuan delignifikasi dengan NaOH yang efektif dalam menghilangkan lignin (Montes, dkk., 2019; Yun dan He, 2017; Yang, dkk., 2007).
Puncak 1025 cm-1 pada serat batang pisang, 1019 cm-1 pada alfa selulosa dan 1011 cm-1 pada nanokristalin selulosa menunjukkan adanya stretching gugus C-O pada grup fungsional dari ikatan glikosida dari ketiga sampel tersebut (1100 – 1000 cm-1). Selulosa merupakan homopolisakarida dari glukosa dimana semua unit terikat oleh ikatan glikosida (Ouellette dan Rawn, 2015).
Dari puncak-puncak penyerapan tersebut, sampel-sampel yang dianalisa diketahui merupakan sampel selulosa. Hemiselulosa dan lignin yang terkandung pada serat batang pisang sebagai bahan baku lignoselulosa terdegradasi secara efektif oleh proses delignifikasi dan bleaching menjadi alfa selulosa. Struktur kristalin dari alfa selulosa efektif terisolasi dari struktur amorf sebagai nanokristalin selulosa melalui proses hidrolisis asam sulfat yang ditunjukkan dari struktur kristalin I selulosa.
Tabel 4.2 dan Tabel 4.3 masing-masing menunjukkan yield alfa selulosa dari 15 gram serat batang pisang dari 10 pengulangan dan yield nanokristalin selulosa (NCC) dari 4 gram alfa selulosa.
Tabel 4.2 Yield Alfa Selulosa dari Hasil Delignifikasi Serat Batang Pisang.
Tabel 4.3 Yield Nanokristalin selulosa (NCC) dari Alfa Selulosa Suhu Hidrolisis
48,067%. Hasil ini sesuai dengan teori kadar selulosa dari serat batang pisang oleh Das, dkk., 2018, dan Rahman, dkk., 2018, yang masing-masing menyatakan 44 – 54% dan 48 – 50%.
Dari Tabel 4.3, didapat yield nanokristalin selulosa dari alfa selulosa untuk 16 variasi yang berbeda. Pada konsentrasi asam sulfat 40% dan suhu hidrolisis 45, 50, 55, dan 60°C tidak menunjukkan adanya pembentukan gel nanokristalin selulosa.
Hal ini dapat dikarenakan kondisi minimum yang diperlukan untuk mengisolasi nanokristalin selulosa adalah dengan konsentrasi asam sulfat 45 – 70 % (Ioelovich dan Leykin, 2006; Ioelovich, 2008; Ioelovich 2012; Habibi, dkk., 2010; Li dan Ragauskas, 2011) Pada konsentrasi asam sulfat 45%, suhu hidrolisis 45, 50, 55, dan 60°C masing masing menunjukkan nilai 0, 2,5, 3,75, dan 5%. Pada konsentrasi asam sulfat 50%, suhu hidrolisis 45, 50, 55, dan 60°C masing masing menunjukkan nilai 1,5, 5,25, 7, dan 25,75%. Pada konsentrasi asam sulfat 55%, suhu hidrolisis 45, 50, 55, dan 60°C masing masing menunjukkan nilai 3, 8,75, 25 dan 26,75%.
Pada penelitian ini, hidrolisis serat batang pisang dilakukan secara kimiawi melalui penambahan senyawa kimia. Senyawa natrium hidroksida (NaOH) dan kalium hidroksida (KOH) merupakan senyawa-senyawa alkali kuat yang paling sering digunakan untuk delignifikasi serat alami, dimana NaOH merupakan alternatif yang lebih ekonomis dibandingkan dengan KOH (Ilyas, dkk., 2017;
Paixao,dkk., 2013).
NCC diisolasi dengan menggunakan metode hidrolisis asam. Ketika serat selulosa diperlakukan dengan asam, asam akan berdifusi pada bagian non-kristalin dari serat selulosa dan menghidrolisis ikatan glikosida. Setelah itu, ikatan glikosida lain dalam selulosa akan terhidrolisis dan akhirnya hidrolisis terjadi pada bagian pereduksi dan pada permukaan nanokristal. Hidrolisis dari grup pereduksi dan permukaan nanokristal akan menyebabkan nanokristal menjadi bermuatan tergantung asam yang digunakan (Borjesson dan Westman, 2015).
NCC yang dihasilkan dari metode hidrolisis asam akan mengandung ion sulfat yang dapat memicu reaksi dehidrasi pada NCC yang dihasilkan. Ion sulfat
Gambar 4.4 Mekanisme Isolasi Nanokristalin Selulosa dengan Metode Hidrolisis Asam
Salah satu faktor yang mempengaruhi reaksi hidrolisis yaitu suhu reaksi, dimana suhu yang semakin tinggi akan memberikan kecepatan reaksi. Suhu hidrolisis yang rendah membutuhkan waktu reaksi yang lebih lama untuk menghasilkan NCC yang dapat membentuk suspensi yang homogen, namun reaksi dari suhu hidrolisis yang tinggi sulit dikendalikan dikarenakan degradasi yang terlalu cepat (Li, dkk., 2001).
Faktor lain yang mempengaruhi sifat dari nanokristalin selulosa adalah konsentrasi asam, dimana asam yang biasa digunakan adalah asam sulfat.
Konsentrasi asam yang terlalu tinggi akan menyebabkan reaksi kekurangan air, sedangkan konsentrasi asam yang terlalu rendah tidak akan dapat memiliki kemampuan penetrasi matriks selulosa yang cukup. Konsentrasi asam yang rendah tidak akan mampu melewati hingga bagian dalam dari selulosa, sehingga hidrolisis dari bagian amorf selulosa tidak akan berjalan efektif dan menurunkan yield dari nanokristalin selulosa (Chang, dkk., 2010).
Faktor terakhir yang mempengaruhi yield dari nanokristalin selulosa ialah perlakuan ultrasonikasi setelah hidrolisis asam. Ultrasonikasi memecah struktur serat selulosa melalui gaya hidrodinamik dari gelombang ultrasonic yang dihasilkan oleh alat ultrasound. Hal ini dapat memecah ikatan hidrogen antarserat sehingga melepas nanoselulosa kristalin (Hu, dkk., 2017).
Bagian Kristalin
Bagian Amorf Struktur Selulosa
Hidrolisis Asam
Nanokristal Individual