Sifat Mekanis Komposit PP/PLA/Selulosa Terfibrilas

P Gambar 4.1 Serat pelepah sawit

4.4 Pembuatan Komposit Polipropilena dengan Komponen Penguat Pulp Pelepah Sawit (OPF) atau Pulp Ampas Akar Wangi (dVR)

4.5.2 Sifat Mekanis Komposit PP/PLA/Selulosa Terfibrilas

4.5.2.1 Keteguhan tarik, modulus tarik dan regangan maksimum komposit PP/PLA/selulosa Terfibrilasi pada Kecepatan 16.000 rpm

Keteguhan tarik komposit PP/PLA/selulosa OPF yang difibrilasi pada kecepatan 16.000 rpm dengan variasi waktu fibrilasi, yaitu: 1, 2, 3, 6, 12 menit, ditunjukkan pada Gambar 4.40. Keteguhan tarik dari PP murni dan PLA murni sebesar 31,76 N/mm2 dan 55,03 N/mm2. Sedangkan komposit PP/PLA hanya menunjukkan keteguhan tarik sebesar 11,20 N/mm2. Penurunan keteguhan tarik tersebut, disebabkan oleh PP tidak dapat bercampur dengan PLA (immicible)

akibat perbedaan polaritas antara PP dan PLA. PP merupakan polimer yang bersifat hidrofobik, sedangkan PLA cenderung bersifat hidrofilik. Ketidaksesuaian antara PP dan PLA, dapat diperbaiki dengan menambahkan agen penggandeng (coupling agent), maleated anhydride polypropylene (MAPP) (Zhang et al. 2010,

Hui et al. 2013).

Salah satu tujuan dari campuran polimer adalah menghasilkan bahan baru dengan sifat yang diinginkan (campuran dari keduanya) dengan harga yang lebih murah. Selain itu PLA yang dapat dilarutkan dengan pelarut organik, diperlukan untuk mendispersikan selulosa terfibrilasi ke dalam polimer.

Polipropilena merupakan polimer yang bersifat hidrofobik, sedangkan selulosa merupakan polimer yang bersifat hidrofilik. Prosedur yang umum dilakukan sebelum mencampurkan selulosa ke dalam polipropilena adalah dengan mengeringkan selulosa untuk mengurangi sifat hidrofiliknya dan mengecilkan ukuran selulosa agar selulosa terdispersi merata dalam polipropilena. Bengtsson et al. (2007) membentuk pulp terputihkan softwood menjadi butiran (pelet) sebelum

dicampur dengan butiran polipropilena. Wu et al. (2012) menggiling fibril batang

padi yang sudah dikering-bekukan. Sedangkan Khalid et al. (2008) menggiling

serat tandan kosong kelapa sawit yang sudah dikeringkan dalam oven. Prosedur tersebut menerapkan tahap pengeringan selulosa yang berpotensi menyebabkan terjadinya penggumpalan (agglomeration) selulosa, disebabkan terjadinya ikatan

hidrogen antara serat.

Pada penelitian ini, diameter serat selulosa diperkecil dengan proses fibrilasi kemudian mendispersikan selulosa terfibrilasi tanpa melalui proses pengeringan ke dalam larutan PLA untuk mencegah penggumpalan selulosa sebelum

61 dicampurkan dengan matriks PP. Pencampuran PP dan komposit PLA/selulosa terfibrilasi dilakukan dalam rheomix. Walaupun tanpa menggunakan MAPP,

penambahan selulosa terfibrilasi, menyebabkan peningkatan kekuatan komposit PP/PLA. Nilai keteguhan tarik komposit P/PLA/Selulosa terfibrilasi dengan berbagai variasi waktu fibrilasi berkisar antara 10,78  17,39 N/mm2. Berdasarkan analisis keragaman (ANOVA) dengan  = 0,05, waktu fibrilasi berpengaruh terhadap nilai keteguhan tarik komposit secara nyata (Lampiran 23).

Gambar 4.40 Keteguhan tarik komposit PP/PLA/selulosa pelepah sawit terfibrilasi selama 0, 1, 2, 3, 6, 12 menit, kecepatan 16.000 rpm Fibrilasi selulosa pada kecepatan 16.000 rpm selama 2 menit, menghasilkan selulosa terfibrilasi yang dapat meningkatkan keteguhan tarik komposit PP/PLA/selulosa OPF menjadi 17,39 N/mm2 atau 55,27% lebih tinggi dibandingkan dengan komposit PP/PLA. Sedangkan selulosa OPF yang difibrilasi pada kecepatan yang sama selama 3 menit menghasilkan keteguhan tarik komposit PP/PLA/selulosa OPF terfibrilasi sebesar 16,30 N/m2 atau 45,54% lebih tinggi dari komposit PP/PLA. Peningkatan keteguhan tarik tersebut disebabkan karena peningkatan aspek rasio selulosa akibat diameter selulosa menjadi lebih kecil setelah proses fibrilasi. Namun, fibrilasi selama 12 menit cenderung untuk menurunkan aspek rasio selulosa karena serat selulosa terpotong dengan lebih intensif dibandingkan penguraian serat selulosa (Gambar 4.41).

Gambar 4.41 Selulosa pelepah sawit terfibrilasi pada kecepatan 16.000 rpm: (a) 1 menit, (b) 2 menit, (c) 6 menit, (d) 12 menit, pembesaran 200x

62

Sifat mekanis dari polimer yang diperkuat serat pendek tergantung pada distribusi panjang serat dan distribusi orientasi serat (Fu dan Lauke 1996). Panjang serat kritis adalah panjang serat yang dibutuhkan untuk dapat menahan tekanan jika serat tersebut digunakan sebagai penguat dalam komposit. Jika panjang serat melebihi panjang serat kristis, maka serat akan sulit mempertahankan strukturnya akibat terjadi penumpukan serat dan serat yang saling silang selama proses pencampuran. Selain itu, masalah dispersi serat dalam polimer juga disebabkan oleh distribusi serat dalam matriks yang tidak merata (Lee dan Ryu 1999).

Pengamatan terhadap penampang melintang komposit PP/PLA/selulosa OPF terfibrilasi menunjukkan bahwa selulosa OPF terfibrilasi selama 1 menit, belum terdispersi dengan baik dalam matriks polimer. Fibrilasi selulosa OPF selama 3 menit, telah berhasil mengurai selulosa sehingga dispersinya di dalam matriks polimer menjadi lebih baik (Gambar 4.42).

Gambar 4.42 Komposit PP/PLA/selulosa pelepah sawit terfibrilasi pada kecepatan 16.000 rpm: (a) 1 menit, (b) 2 menit, (c) 3 menit, (d) 6 menit, (e) 12 menit, pembesaran 200x

Modulus tarik komposit PP dan PLA/selulosa yang difibrilasi pada kecepatan 16.000 rpm dengan variasi waktu fibrilasi, yaitu: 1, 2, 3, 6, 12 menit, ditunjukkan pada Gambar 4.43. Modulus tarik komposit PP/PLA sebesar 959 N/mm2, lebih rendah dibandingkan dengan PP murni (1.250 N/mm2) dan PLA muri (1.200 N/mm2).

Penambahan selulosa terfibrilasi, menyebabkan penurunan modulus tarik komposit. Nilai modulus tarik komposit PP/PLA/selulosa terfibrilasi dengan berbagai variasi waktu fibrilasi berkisar antara 564  1.060 N/mm2. Berdasarkan analisis keragaman (ANOVA) dengan  = 0,05, waktu fibrilasi berpengaruh terhadap nilai keteguhan tarik komposit hanya pada komposit dengan selulosa yang difibrilasi 0 dan 1 menit (Lampiran 24). Selulosa tanpa fibrilasi dan difibrilasi selama 1 menit menghasilkan komposit dengan modulus tarik lebih rendah dibandingkan dengan komposit PP/PLA. Sedangkan nilai modulus tarik komposit dengan selulosa yang difibrilasi selama 2, 3, 6, 12 menit, tidak berbeda secara statistik. Penambahan selulosa yang difibrilasi pada kecepatan 16.000 rpm selama 3 menit menghasilkan komposit dengan nilai modulus tarik komposit 1.060 N/mm2 atau 10,53% lebih tinggi dari komposit PP/PLA.

63

Gambar 4.43 Modulus tarik komposit PLA/PP/selulosa pelepah sawit terfibrilasi selama 0, 1, 2, 3, 6, 12 menit, pada kecepatan 16.000 rpm

Umumnya pengaruh dari penambahan serat pendek terhadap modulus matriks termoplastik dipengaruhi oleh beberapa parameter, di antaranya: dispersi serat, konsentrasi serat (fraksi serat), orientasi serat, aspek rasio serat dan kekakuan serat (Lopez et al. 2012). Penurunan modulus tarik disebabkan oleh

dispersi serat yang tidak merata di dalam matriks karena perbedaan sifat antara PP (hidrofobik), PLA (cenderung hidrofilik) dan selulosa (hidrofilik). Campuran polimer yang tidak sesuai menyebabkan terjadinya batas antara fase PLA dan PP, sehingga gaya yang dibebabkan pada komposit tidak dapat terdistribusi dengan efektif melewati batas (interface) antara kedua matriks, dan dapat menyebabkan

komposit menjadi mudah patah. Salah satu cara untuk mengatasi permasalahan tersebut adalah dengan menggunakan kompatibilisator (compatibilizer agent)

seperti polipropilena yang dicangkok dengan maleat anhidrida (MAPP). Kompatibilisator diharapkan dapat mengoptimalkan tegangan permukaan (interfacial tension), menstabilkan morfologi dan meningkatkan perekatan antara

fase (Ploypetchara et al. 2014).

Regangan maksimum komposit PP/PLA/selulosa pelepah sawit terfibrilasi pada kecepatan 16.000 rpm disajikan pada Gambar 4.44. Regangan maksimum suatu komposit polimer menunjukkan persentase peningkatan panjang komposit yang terjadi ketika komposit ditarik sampai batas kekuatannya (strain at tensile strength). Polimer atau komposit berbasis elastomer atau olefin regangan

maksimumnya lebih besar dari polimer atau komposit yang bersifat tegar (rigid).

Komposit dengan nilai keteguhan tarik tinggi dan regangan maksimum tinggi merupakan komposit dengan tangguh, karena mampu menahan beban dalam waktu yang cukup lama.

Nilai regangan maksimum komposit PP/PLA/selulosa terfibrilasi dengan berbagai variasi waktu fibrilasi berkisar antara 5,77  7,25 %. Berdasarkan analisis keragaman (ANOVA) dengan  = 0,05, waktu fibrilasi berpengaruh terhadap nilai regangan maksimum komposit (Lampiran 25).

64

Gambar 4.44 Regangan maksimum komposit PLA/PP/selulosa pelepah sawit terfibrilasi selama 0,1, 2, 3, 6, 12 menit, kecepatan 16.000 rpm Pada penelitian ini, regangan maksimum PP murni sebesar 18,23 %, dan setelah penambahan PLA yang bersifat getas (regangan 11,28 %), regangan maksimum dari campuran PP/PLA turun menjadi 2,98%. Adanya selulosa terfibrilasi selama 2 menit atau 3 menit ke dalam campuran PLA/PP dapat meningkatkan regangan maksimum komposit menjadi 7,25% atau 6,75%, dengan kata lain terjadi peningkatan regangan sebesar 143% atau 126% dibandingkan komposit PP/PLA.

PP merupakan polimer yang bersifat semikristalin. Adanya daerah yang bersifat amorf, menyebabkan struktur kristalin dalam PP dapat berubah (meregang) ketika terjadi pembebanan. Peregangan kristalin PP bersifat dapat balik (reversible) sampai batas tertentu. Jika regangan kristalin PP mencapai batas

tidak dapat balik, PP akan mengalami deformasi. Sedangkan PLA merupakan polimer yang bersifat getas, yang strukturnya sulit meregang jika ada pembebanan. Penambahan selulosa ke dalam PLA kemudian dicampurkan dengan PP menyebabkan sistem komposit menjadi lebih heterogen. Selulosa terfibrilasi yang bersifat semi kristalin dapat membantu menahan beban pada komposit PP/PLA/selulosa sehingga regangan maksimum meningkat.

4.5.2.2 Keteguhan tarik, modulus tarik dan regangan maksimum komposit PP/PLA/selulosa terfibrilasi atau pulp terfibrilasi

Untuk memahami pengaruh waktu fibrilasi terhadap sifat mekanis komposit, fibrilasi selulosa juga dilakukan pada kecepatan 8.000 rpm. Selain itu dilakukan juga fibrilasi terhadap pulp terputihkan pelepah sawit pada kecepatan 16.000 rpm. Keteguhan tarik komposit PP/PLA/selulosa yang difibrilasi dengan kecepatan 8.000 rpm dan 16.000 rpm serta komposit PP/PLA/pulp terputihkan yang difibrilasi dengan kecepatan 16.000 rpm selama 3, 6, 12 menit disajikan pada Gambar 4.45.

Nilai keteguhan tarik komposit PP/PLA/selulosa terfibrilasi dengan waktu fibrilasi 8.000 rpm dan 16.000 rpm berkisar antara 10,28  16,97 N/mm2.

65 Berdasarkan analisis keragaman (ANOVA) dengan  = 0.05, kecepatan fibrilasi, tidak berpengaruh terhadap nilai keteguhan tarik komposit, sedangkan waktu fibrilasi berpengaruh secara statistik (Lampiran 26).

Gambar 4.45 Keteguhan tarik komposit PP/PLA/selulosa OPF terfibrilasi dan komposit PP/PLA/pulp terputihkan OPF terfibrilasi

Nilai keteguhan tarik komposit PP/PLA/selulosa terfibrilasi dan PP/PLA/pulp terputihkan terfibrilasi dengan waktu fibrilasi 16.000 rpm berkisar antara 10,28  17,27 N/mm2. Berdasarkan analisis keragaman (ANOVA) dengan  = 0.05, jenis pengisi maupun waktu fibrilasi tidak berpengaruh terhadap nilai keteguhan tarik komposit (Lampiran 27).

Pulp terputihkan pelepah sawit terfibrilasi pada kecepatan 16.000 rpm selama 6 menit dalam komposit PP/PLA menunjukkan performa yang serupa dengan selulosa pelepah sawit terfibrilasi pada kecepatan 16.000 rpm dan 8.000 rpm pada waktu yang sama. Fibrilasi pulp terputihkan pelepah sawit selama 12 menit pada kecepatan 16.000 rpm menunjukkan keteguhan tarik yang lebih tinggi (59%) dibandingkan dengan keteguhan tarik komposit PP/PLA/selulosa terfibrilasi pada kecepatan 16.000 rpm. Kemampuan pulp terputihkan terfibrilasi untuk meningkatkan keteguhan tarik komposit, disebabkan karena pulp terputihkan mampu mempertahankan strukturnya pada arah longitudinal ketika gaya sentrifugal dari high speed blender mengurai pulp terputihkan pada arah

transversal menjadi pulp terurai dengan diameter yang lebih kecil. Dengan diameter yang lebih kecil, aspek rasio dari pulp terurai meningkat dan kemampuan untuk menahan beban dalam komposit meningkat.

Modulus tarik komposit PP/PLA/selulosa yang difibrilasi dengan kecepatan 8.000 rpm dan 16.000 rpm serta komposit PP/PLA/pulp terputihkan yang difibrilasi dengan kecepatan 16.000 rpm selama 3, 6, 12 menit disajikan pada Gambar 4.46. Nilai modulus tarik komposit PP/PLA/Selulosa terfibrilasi dengan waktu fibrilasi 8.000 rpm dan 16.000 rpm berkisar antara 872  1.348 N/mm2. Berdasarkan analisis keragaman (ANOVA) dengan  = 0,05, kecepatan fibrilasi berpengaruh terhadap nilai modulus tarik komposit, sedangkan waktu fibrilasi tidak berpengaruh secara statistik (Lampiran 28).

66

Gambar 4.46 Modulus tarik komposit PP/PLA/selulosa OPF terfibrilasi dan komposit PP/PLA/pulp terputihkan OPF terfibrilasi

Nilai modulus tarik dari komposit PP/PLA dengan pengisi selulosa pelepah sawit yang difibrilasi dengan kecepatan 16.000 rpm, lebih rendah dibandingkan dengan komposit PP/PLA/selulosa pelepah sawit terfibrilasi dengan kecepatan 8.000 rpm. Pada kecepatan fibrilasi 16.000 rpm, putaran pisau blender

menyebabkan selulosa pelepah sawit cenderung terpotong daripada terurai. Sehingga selulosa pelepah sawit yang difibrilasi dengan kecepatan 16.000 rpm memiliki aspek rasio yang rendah.

Nilai modulus tarik komposit PP/PLA/selulosa terfibrilasi dan PP/PLA/pulp terputihkan terfibrilasi dengan waktu fibrilasi 16.000 rpm berkisar antara 872  1.126 N/mm2. Berdasarkan analisis keragaman (ANOVA) dengan  = 0,05, jenis pengisi maupun waktu fibrilasi tidak berpengaruh terhadap nilai modulus tarik komposit (Lampiran 29).

Gambar 4.47 Regangan maksimum komposit PP/PLA/selulosa OPF terfibrilasi dan komposit PP/PLA/pulp terputihkan OPF terfibrilasi

67 Regangan maksimum komposit PP/PLA/selulosa yang difibrilasi dengan kecepatan 8.000 rpm dan 16.000 rpm serta komposit PP/PLA/pulp terputihkan yang difibrilasi dengan kecepatan 16.000 rpm selama 3, 6, 12 menit disajikan pada Gambar 4.47. Nilai regangan maksimum komposit PP/PLA/Selulosa terfibrilasi dengan waktu fibrilasi 8.000 rpm dan 16.000 rpm berkisar antara 2,54  7,15 %. Berdasarkan analisis keragaman (ANOVA) dengan  = 0,05, kecepatan fibrilasi, berpengaruh terhadap nilai regangan maksimum komposit, sedangkan waktu fibrilasi tidak berpengaruh secara statistik (Lampiran 30).

Nilai regangan maksimum komposit PP/PLA/selulosa terfibrilasi dan PP/PLA/pulp terputihkan terfibrilasi dengan waktu fibrilasi 16.000 rpm berkisar antara 5,19  7,15 %. Berdasarkan analisis keragaman (ANOVA) dengan  = 0,05, jenis pengisi maupun waktu fibrilasi tidak berpengaruh terhadap nilai regangan maksimum komposit (Lampiran 31).

Teknik fibrilasi untuk menghasilkan selulosa berukuran nano dari pulp basah kayu (holoselulosa dengan kadar lignin 0,1% dan alfa selulosa 72,5%) telah dilakukan oleh Uetani dan Yano (2011). Dengan menggunakan mikroskop optik, mereka menjelaskan bahwa fibrilasi slurry-pulp kayu (mengandung 0.7% pulp)

dengan kecepatan 37000 rpm menghasilkan 2 macam struktur, yaitu long-straw- pulp dengan struktur dinding sel yang masih utuh dan pulp yang sudah

terfragmentasi dengan struktur dinding sel yang robek. Kedua bentuk tersebut kemudian terurai menjadi serat berukuran nano, namun dengan mekanisme yang berbeda. Pada kecepatan putar 1 menit dan 3 menit, sebagian straw-pulp akan

mengembang dan membentuk struktur seperti balon yang semakin membesar dan akhirnya berhasil memisahkan fibril selulosa dari straw-pulp. Sedangkan fragmen

pulp, langsung memecah secara memanjang (longitudinal).

Dengan demikian teknik fibrilasi menggunakan blender berkecepatan tinggi dapat dilakukan dengan memperhatikan konsentrasi slurry pulp dan kecepatan

putar selama fibrilasi.

4.5.2.3 Sifat termal PP/PLA dan komposit PP/PLA/Selulosa Terfibrilasi

Analisis sifat termal dilakukan untuk mengetahui perubahan sifat termal contoh uji selama perlakuan panas, termasuk titik leleh dari contoh uji. Ketika contoh uji menyerap panas, kurva DSC akan menunjukkan puncak endotermik, sedangkan ketika contoh uji melepaskan panas, kurva DSC akan menunjukkan puncak eksotermik.

Termogram dari polipropilena menunjukkan titik leleh (Tm), yaitu pada suhu 167C dan titik kristalisasi (Tc), yaitu pada suhu 224 C (Gambar 4.48a). Titik transisi gelas PP tidak dapat dideteksi, karena titik transisi gelas PP homopolimer adalah pada suhu 0C [PT Tri Polyta Indonesia], sedangkan uji sifat termal dilakukan pada rentang suhu 30C  300C. Penambahan PLA amorf menyebabkan perubahan sifat termal komposit PP/PLA (Gambar 4.48b), yaitu peningkatan titik transisi gelas (58C), penurunan titik leleh (162C) dan penurunan titik kristalisasi (205C).

Perubahan sifat termal yang terjadi pada komposit PP/PLA menyebabkan perubahan sifat mekanik. Polipropilena yang sebelumnya bersifat lunak dan mudah mulur, dengan penambahan PLA, menjadi bersifat keras dan kaku. Seperti yang telah dikemukakan sebelumnya, keteguhan tarik, modulus tarik dan regangan maksimum dari PP adalah 22,50 N/mm2, 1.140 N/mm2, dan 9,81%.

68

Sedangkan keteguhan tarik, modulus tarik dan regangan maksimum komposit PP/PLA adalah 11,20 N/mm2, 959 N/mm2, dan 2,98%.

Gambar 4.48 Kurva DSC dari (a) PP homopolimer, (b) PP/PLA amorf Termogram pada Gambar 4.49 menunjukkan bahwa penambahan pulp terfibrilasi tidak banyak mempengaruhi titik leleh komposit PP/PLA/pulp terfibrilasi, namun meningkatkan titik kristalisasi (226C). Komposit PP/PLA/pulp terfibrilasi juga menunjukkan titik leleh sekunder (titik leleh setelah kristalisasi) pada suhu 283C.

Gambar 4.49 Kurva DSC dari komposit PP/PLA amorf/pulp terfibrilasi

4.6 Potensi Pengembangan Industri Komposit Polipropilena-