Sumber Keragaman P 1 Kuat tekan Kontrol vs komposit A1 0.0022** Kontrol vs komposit A2 0.0007** Kontrol vs komposit A3 0.0000** Kontrol vs komposit B1 0.0001** Kontrol vs komposit B2 0.0011** Kontrol vs komposit B3 0.0000** Kontrol vs komposit C1 0.0001** Kontrol vs komposit C2 0.0003** Kontrol vs komposit C3 0.0740 2 Kuat patah Kontrol vs komposit A1 0.0006** Kontrol vs komposit A2 0.0034** Kontrol vs komposit A3 0.0028** Kontrol vs komposit B1 0.0047** Kontrol vs komposit B2 0.0027** Kontrol vs komposit B3 0.0039** Kontrol vs komposit C1 0.0039** Kontrol vs komposit C2 0.0536 Kontrol vs komposit C3 0.1178
Keterangan : 1) Selang kepercayaan yang digunakan adalah 95% ( = 0.05) 2) Komposit A1 = karbon tanpa perlakuan – kadar 0.5%
3) Komposit A2 = karbon tanpa perlakuan – kadar 0.75%
4) Komposit A3 = karbon tanpa perlakuan – kadar 1.0%
5) Komposit B1 = karbon perendaman KOH 10% – kadar 0.5% 6) Komposit B2 = karbon perendaman KOH 10% – kadar 0.75%
7) Komposit B3 = karbon perendaman KOH 10% – kadar 1.0% 8) Komposit C1 = karbon perendaman KOH 20% – kadar 0.5%
9) Komposit C2 = karbon perendaman KOH 20% – kadar 0.75%
10) Komposit C3 = karbon perendaman KOH 20% – kadar 1.0% Jika P > 0.05, berarti perlakuan tidak memberikan pengaruh yang berbeda nyata terhadap peubah terikat
Jika P ≤ 0.05, berarti perlakuan memberikan pengaruh yang berbeda nyata terhadap peubah terikat
ABSTRACT
ISMAIL BUDIMAN. Development of Cement-Carbon Composite Materials
with Damage Self-Detection Capability. Under direction of AKHIRUDDIN
MADDU, GUSTAN PARI and SUBYAKTO.
Research on the manufacture of cement-carbon composite materials using carbon from coconut coir fiber has been performed. Carbonization was carried out at two phases. First it was carbonized at a temperature of 400 C for 300 minutes and continued to the second phase at variation of temperature of 700, 800, and 900 C for 45, 60 and 90 minutes. The structures of carbon was analyzed using X-Ray Diffraction (XRD), while observation of the sample surface was carried out using Scanning Electron Microscope (SEM) and the electrical conductivity was measured using LCR meter. The manufacture of cement-carbon composite materials was used carbon fiber using the carbonization temperature of 800 C for 60 minutes in three types of carbon without treatment, with a soaking at 10% and 20% solution of potassium hydroxide (KOH), and three levels of carbon content of 0.5%, 0.75% and 1.0% by weight of cement. Results showed that the cement-carbon composites with soaking at 20% KOH and 1.0% carbon content by weight of the cement has the best properties of the compressive strength (24.938 N mm-2), modulus of rupture (5.231 N mm-2) and the damage self-detection (load at the first crack is 21.0398 N).
Keywords : coconut coir fiber, carbon, cement-carbon composites, potassium hydroxide, damage self-detection
RINGKASAN
ISMAIL BUDIMAN. Pengembangan Material Komposit Semen-Karbon dengan Kemampuan Deteksi Kerusakan Diri. Dibimbing oleh AKHIRUDDIN MADDU, GUSTAN PARI dan SUBYAKTO
Material komposit semen merupakan material yang sangat penting pada infrastruktur sipil seperti gedung, jalan, dan jembatan. Pada kenyataannya material ini tidak terlepas dari kerusakan. Hal ini memerlukan pendeteksian kerusakan untuk menghindari kejadian yang tidak diinginkan. Teknologi pendeteksian kerusakan bangunan yang sudah dilakukan adalah dengan menggunakan serat optik dan terhubung dengan sistem penginderaan satelit.
Penelitian pendeteksian kerusakan bangunan ditinjau dari materialnya telah banyak dilakukan dengan menggunakan serat karbon sebagai bahan pengisi yang dapat memberikan kemampuan untuk mendeteksi kerusakan diri. Konduktivitas listrik yang baik dari material terjadi karena adanya perkolasi. Perkolasi adalah keadaan dimana serat-serat karbon yang berdekatan bersentuhan menghasilkan aliran listrik kontinyu yang menyebabkan konduktivitas listriknya naik. Material menjadi sensitif terhadap perubahan beban sehingga dapat mendeteksi perubahan ini.
Karbon komersial yang digunakan dalam pembuatan material dengan kemampuan mendeteksi kerusakan diri memiliki sifat kekuatan dan konduktivitas listrik yang tinggi. Keberadaan karbon komersial yang mahal harganya ini, kemungkinan dapat digantikan dengan membuat karbon dari kayu dan serat alam. Serat sabut kelapa dengan jumlah yang sangat berlimpah dan memiliki kekuatan yang baik dapat digunakan untuk pembuatan serat karbon dari bahan alam.
Dalam penelitian ini dibuat karbon dari serat sabut kelapa dengan dua tahapan proses yaitu proses pengarangan dengan menggunakan suhu 400 C selama 300 menit yang dilanjutkan dengan proses pemanasan pada suhu tinggi dengan variasi suhu 700, 800 dan 900 C dan waktu 45, 60 dan 90 menit. Pada serat karbon yang dihasilkan dianalisis sifat karbon, konduktivitas listrik, pola struktur dan penampakkan permukaannya. Serat karbon yang dihasilkan dengan
menggunakan suhu karbonisasi 800 C selama 60 menit digunakan dalam proses pembuatan material komposit berdasarkan analisis terhadap sifat-sifatnya.
Selanjutnya arang serat sabut kelapa dibuat menggunakan tungku karbonisasi dengan suhu 400 C selama 300 menit dan didinginkan selama 12-24 jam. Arang yang dihasilkan dibagi menjadi tiga bagian, yaitu arang tanpa perlakuan, dengan perendaman larutan KOH 10% dan perendaman larutan KOH 20% dan selanjutnya dikarbonisasi kembali dengan suhu 800 C selama 60 menit. Perendaman serat karbon dalam larutan KOH dimaksudkan untuk dapat meningkatkan konduktivitas listrik serat karbon dan kemampuan material dalam mendeteksi kerusakan diri.
Konduktivitas listrik dari serat karbon dengan perendaman larutan KOH 20% (138.030 S m-1) lebih tinggi jika dibandingkan dengan konduktivitas listrik dari serat karbon tanpa perlakuan (111.826 S m-1) dan serat karbon dengan perendaman larutan KOH 10% (112.048 S m-1). Hal ini menunjukkan perlakuan perendaman dengan larutan KOH 20% dapat lebih mengurangi senyawa-senyawa yang ada pada serat karbon, sehingga serat karbon dapat menjadi penghantar listrik yang lebih baik.
Pembuatan komposit dilakukan dengan mengaduk sebanyak 30% dari air yang digunakan, carboxy methylcellulose (CMC), serat karbon dan silica fume
sampai merata dengan mixer. Campuran dimasukkan ke dalam mixer mortar yang didalamnya telah tercampur semen dan pasir, sambil ditambahkan sisa air sebanyak 70% dari jumlah totalnya. Setelah merata adonan komposit dimasukkan ke dalam cetakan berukuran 25 x 25 x 300 mm. Setelah dikondisikan dalam suhu ruangan selama 24 jam, komposit dikeluarkan dari cetakan untuk direndam air pada bak selama 28 hari.
Pengujian yang dilakukan terhadap komposit adalah pengujian kekuatan dan pengujian deteksi kerusakan diri komposit. Untuk mengetahui pengaruh perendaman serat karbon pada larutan KOH terhadap kekuatan komposit, dilakukan analisis statistika dengan menggunakan rancangan acak lengkap (RAL). Pengujian deteksi kerusakan diri dilakukan untuk mengetahui hubungan antara beban yang diberikan terhadap konduktivitas listrik sampel. Skema pengujian
sampel mengacu kepada ASTM C293 tentang pengujian Flexural Strength
dengan metode Center Point Load.
Hasil pengujian kekuatan menunjukkan bahwa komposit semen dengan menggunakan karbon hasil perendaman larutan KOH 20% dan kandungan karbon 1.0% dari berat semen memiliki kekuatan yang terbaik, dengan nilai kuat tekan sebesar 24.938 ± 1.243 N mm-2 dan kuat patah sebesar 5.231 ± 0.470 N mm-2. Kekuatan dari komposit tersebut tidak berbeda nyata dengan kekuatan serat kontrol (komposit semen-pasir). Hal ini menunjukkan bahwa penambahan serat karbon yang dibuat dengan perendaman pada larutan KOH 20% dan kadar karbon 1.0% dari berat semen ke dalam komposit tersebut tidak mempengaruhi kekuatannya, baik kuat tekan maupun kuat patah.
Hasil pengujian pendeteksian kerusakan diri menunjukkan bahwa sampel kontrol tidak memiliki kemampuan pendeteksian diri yang baik. Hal ini ditunjukkan dengan tidak adanya peningkatan konduktivitas listrik pada saat sampel diberikan beban. Hal yang berbeda ditunjukkan komposit semen dengan menggunakan serat karbon. Pada komposit tersebut terdapat kenaikan konduktivitas pada saat terjadinya gesekan antar serat karbon di dalam komposit yang disebabkan karena adanya retakan pada komposit karena beban yang diterimanya.
Komposit semen dengan menggunakan serat karbon hasil perendaman dalam laurtan KOH 20% dan kadar karbon 1.0% dari berat semen memiliki sifat pendeteksian diri terbaik dibandingkan dengan komposit lainnya. Hal ini ditunjukkan dengan pendeteksian terhadap beban dengan nilai terkecil yang dapat memicu kenaikan konduktivitas listrik.
Kata kunci : serat sabut kelapa, karbon, komposit semen-karbon, kalium hidroksida, deteksi kerusakan diri
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Komposit dengan menggunakan semen sebagai matriksnya dapat digunakan sebagai bahan untuk struktur bangunan maupun bukan untuk struktur bangunan. Contoh penggunaannya misalnya pada infrastruktur sipil seperti bangunan gedung serta prasarana transportasi misalnya jalan, jembatan, dan
paving concrete. Meningkatnya permintaan akan bahan struktur maupun non struktur ini berpengaruh pada semakin meningkatnya kebutuhan untuk meningkatkan fungsi lain dari material ini.
Pendeteksian terhadap kerusakan bangunan sangat diperlukan. Teknologi pendeteksian kerusakan bangunan yang sudah dilakukan adalah dengan menggunakan serat optik sebagai sensor beban yang terhubung dengan sistem monitoring kerusakannya (Lau et al. 2002). Hal tersebut terkendala dalam masalah biaya pembuatan. Apalagi jika sistem tersebut digunakan untuk infrastruktur kecil seperti bangunan rumah.
Saat ini telah banyak penelitian yang dilakukan untuk pendeteksian kerusakan infrastruktur bangunan ditinjau dari materialnya sendiri. Salah satu contohnya adalah penelitian tentang pembuatan material beton yang dapat mendeteksi kerusakan diri. Penelitian tentang komposit semen-serat karbon, dalam hal ini beton, yang memiliki kemampuan untuk mendeteksi kerusakan diri dengan penguatan serat karbon (self detecting carbon reinforced concrete) mencoba menyelesaikan sekaligus masalah kekuatan dan fungsinya. Semen biasa yang juga disebut semen portland (Portland cement) diperkuat dengan serat karbon yang mempunyai sifat konduktif dan berkekuatan tinggi akan menghasilkan komposit beton yang kuat dan dapat berfungsi sebagai sensor untuk mendeteksi regangan (strain sensing), kerusakan (damage sensing), maupun suhu (temperature sensing) (Chung 2001).
Untuk meningkatkan kekuatan serta bisa berfungsi sebagai material yang dapat mendeteksi kerusakan diri, telah dikembangkan beton dengan penguatan
serat karbon (Wen et al. 2000, Wen & Chung 2001, Wang et al. 2002, Yao et al.
2003, Chen et al. 2004, Chen et al. 2005, Kelly 2006, Cerny et al. 2007, Wen & Chung 2007a, Wen & Chung 2007b, Cui et al. 2008). Penambahan serat karbon dalam jumlah yang tepat akan meningkatkan kekuatan dan konduktivitas listriknya (electrical conductivity). Besarnya penambahan serat karbon yang pernah dilakukan adalah 0.2% sampai 1.2% berdasarkan fraksi volumenya (Yao et al. 2003). Penelitian dan tinjauan komposit semen dari aspek elektronik (Chung 2001a, Chung 2001b) dan aspek piezoelektrik (Huang et al. 2009, Wen et al.
2000) telah dilakukan. Sedangkan penelitian konduktivitas listrik (electrical conductivity) dari komposit semen dengan penguatan serat karbon juga telah dilakukan (Wang et al. 2002, Wen & Chung 2007a, Chen et al. 2004).
Konduktivitas listrik meningkat seiring dengan meningkatnya fraksi volume serat karbon, demikian juga ukuran (panjang) serat karbon memberikan pengaruh meningkatkan konduktivitas listriknya. Konduktivitas listrik pada komposit semen dengan penguat serat karbon dapat dijelaskan berdasarkan teori perkolasi (percolation theory). Perkolasi adalah struktur dimana serat-serat yang berdekatan bersentuhan sehingga menghasilkan konduktivitas listrik yang kontinyu (Wen & Chung 2007a). Karena itu material akan sensitif terhadap adanya perubahan beban dan lain-lain, sehingga material bisa mendeteksi perubahan ini dan berfungsi sebagai sensor.
Serat karbon (carbon fiber) komersial dibuat dari dua macam material awal (precursor) yaitu textile precursor dan pitch precursor (Mallick 2008). Untuk textile precursor yang umum digunakan adalah polyacrylonitrile (PAN). Sedangkan pitch adalah hasil samping dari petroleum refining atau coal coking, sehingga harganya lebih murah dari PAN. Pembuatan serat karbon melalui beberapa proses seperti pemanasan, spinning, karbonisasi dan grafitisasi, sehingga membuat harga serat karbon cukup mahal. Bentuk serat karbon di pasaran ada tiga macam yaitu serat panjang, serat pendek (6-50 mm), dan serbuk (30-3000 µm).
Serat karbon komersial memiliki kekuatan yang sangat tinggi, misalnya modulus tarik antara 207 GPa – 1035 GPa. Serat karbon dari PAN mempunyai konduktivitas panas dan konduktivitas listrik yang lebih rendah dibandingkan dengan serat karbon dari pitch. Konduktivitas panas dari serat karbon PAN
sebesar 10-100 W m-1 K sedangkan dari pitch sebesar 20-1000 W m-1 °K. Konduktivitas listrik serat karbon PAN 104-105 S m-1 lebih rendah dibandingkan dengan konduktivitas listrik karbon pitch 105-106 S m-1. Modulus tarik dari serat karbon picth sangat tinggi, tetapi kekuatan tarik lebih rendah dari PAN (Mallick 2008). Karena sifat-sifat di atas, maka komposit semen dengan penguatan serat karbon biasanya yang berasal dari pitch. Chen et al. (2005) membuat komposit beton diperkuat serat karbon berasal dari pitch dengan sifat-sifat: diameter 7 µm, densitas 1.78 g cm-3, kekuatan tarik 220-240 GPa, elongation at break 1,25-1,60 %, kandungan karbon >95%, dan resistivitas listrik 10-2 - 10-3 Ω cm.
Penggunaan serat karbon komersial terutama jenis pitch untuk pembuatan komposit dengan matriks semen telah banyak dilakukan (Chen et al. 2004, Cerny
et al. 2007). Mahalnya harga serat karbon komersial baik PAN maupun pitch menyebabkan pencarian akan bahan alternatif pengganti serat karbon mulai dilakukan. Serat alam merupakan material yang potensial untuk dikembangkan sebagai bahan baku pada pembuatan komposit dengan semen sebagai matriksnya. Penelitian pemanfaatan berbagai serat alam seperti bambu, tandan kosong sawit, sisal untuk memperkuat komposit semen telah banyak dilakukan (Sulastiningsih & Subyakto 2003, Budiman et al. 2005, Budiman et al. 2006, Budiman et al. 2008, Budiman et al. 2009a, Budiman et al. 2009b). Adapun pembuatan karbon (arang) dari serat alam seperti kayu, bambu, serat sabut kelapa atau kelapa sawit juga telah banyak dilakukan (Pari & Abdurahim 2003, Pari et al.
2004, Pari et al. 2005, Pari et al. 2006a, Pari et al. 2006b, Subyakto et al 2004). Penelitian karbon dari serat alam selama ini banyak ditujukan untuk aplikasi seperti bidang kesehatan (penyerap gas-gas beracun, penyerap bau, pelindung gelombang elektromagnit), sebagai sumber energi, penjernih air, arang aktif, dan lain-lain. Konduktivitas listrik dari arang kayu sugi diteliti oleh Nishimiya et al. (1995). Dari penelitian ini didapatkan bahwa resistivitas listrik turun drastis pada suhu pengarangan 600 °C sampai 800 °C, dan arang kayu menjadi konduktor jika diarangkan pada suhu 800 °C atau lebih. Bambu yang diarangkan pada suhu 800 °C mempunyai nilai konduktansi listrik di bawah 10 Ω-1. Pada suhu karbonisasi 2200 °C didapatkan konduktansi listrik untuk bagian-bagian kelapa sawit seperti tandan kosong, pelepah, batang, dan
tempurung sebesar 272, 287, 377, dan 476 Ω-1 (Subyakto et al. 2004). Dari hasil- hasil penelitian di atas maka dapat ditarik kesimpulan bahwa arang dari serat alam yang dibuat pada suhu di atas 800 °C akan mempunyai konduktivitas listrik yang baik.
Beberapa penelitian melakukan aktivasi terhadap arang yang dihasilkan. Arang yang dibuat pada suhu rendah, direndam dengan menggunakan bahan pengaktif seperti KOH, NaOH, H3PO4, dan ZnCl2 yang berfungsi sebagai
oxidants dan dehydrating agents untuk meningkatkan kualitas arang yang dihasilkan. Selanjutnya aktivasi arang dilakukan pada suhu di atas 800 C dengan mengalirkan uap atau gas seperti uap air, gas nitrogen dan gas CO2. Pengaruh utama aktivasi arang adalah untuk membuat dan memperluas pori arang, selain untuk menghilangkan material yang terdapat pada permukaan arang berupa senyawa-senyawa hidrokarbon atau tar yang melapisi permukaannya. Aktivasi terhadap arang ini diharapkan dapat meningkatkan konduktivitas listrik arang dan material komposit yang dibuat dengan arang sebagai bahannya.
Perumusan Masalah
Permasalahan pertama dalam pembuatan komposit semen dengan penguatan serat karbon dari serat alam adalah bagaimana membuat serat karbon dari serat alam yang mempunyai sifat-sifat mendekati serat karbon komersial. Berdasarkan hal tersebut akan dibuat serat karbon dari sabut kelapa dengan proses pengarangan pada suhu rendah sampai tinggi (400-900 °C). Hasilnya akan dikarakterisasi sifat-sifat arang, struktur serat, topografi permukaan, serta sifat listriknya.
Permasalahan kedua adalah bagaimana membuat komposit semen-serat dengan sifat yang diinginkan yaitu material cerdik dan fungsional yang dapat mendeteksi kerusakan diri. Untuk itu akan dibuat komposit semen dengan penguatan serat karbon dari serat alam dengan mengamati pengaruh persentase serat karbon, campuran (pasir, silica fume, carboxy methylcellulose), serta metode pembuatannya. Komposit akan dikarakterisasi sifat-sifat fisik, mekanik, dan konduktivitas listriknya serta respon deteksinya terhadap kerusakan yang ditimbulkan oleh beban yang diberikan padanya .
Tujuan Penelitian
1. Mengetahui pola perubahan struktur dari serat sabut kelapa menjadi karbon 2. Mendapatkan kondisi suhu dan waktu karbonisasi yang optimal berdasarkan
pola struktur, penampakkan dan konduktivitas listriknya.
3. Mengetahui pengaruh perlakuan perendaman serat karbon sabut kelapa dengan larutan KOH terhadap pola struktur, penampakkan dan konduktivitas listriknya
4. Mengetahui pengaruh perlakuan perendaman serat karbon dengan larutan KOH terhadap kekuatan dan kemampuan pendeteksian kerusakan diri dari komposit semen karbon
Hipotesis
1. Proses pembentukan arang akan menimbulkan perubahan pola struktur pada serat
2. Pembedaan kandungan serat karbon pada komposit menimbulkan perbedaan sifat listrik pada kompositnya
Manfaat Penelitian
1. Menyediakan informasi mengenai sifat dan struktur sabut kelapa dan arangnya serta pemanfaatannya pada komposit semen-serat yang dapat memiliki
kemampuan pendeteksian kerusakan diri.
Karbon Komersial
Karbon merupakan unsur pokok pada semua bahan organik dari senyawa yang sangat besar dan kompleks. Unsur karbon tersebar luas di alam, ditemukan di kerak bumi dalam rasio 180 ppm, dan sebagian besar dalam bentuk senyawa. Banyak dari senyawa alami yang penting untuk produksi bahan karbon sintetik dan mencakup berbagai batubara (bitumen dan antrasit), kompleks hidrokarbon (minyak bumi, tar dan asphalt) dan gas hidrokarbon (metana dan lain-lain). Hanya dua polimorf karbon yang ditemukan di bumi sebagai mineral, yaitu grafit alam dan berlian (Pierson 1993).
Seperti yang disebutkan di atas, semua produk karbon selain berlian dan grafit alam adalah buatan manusia dan berasal dari material awal (precursor) karbon. Serat karbon komersial dibuat dari dua macam material awal yaitu textile precursor dan pitch precursor (Mallick 2008). Untuk textile precursor yang umum digunakan adalah polyacrylonitrile (PAN). Pitch adalah hasil samping dari
petroleum refining atau coal coking, sehingga harganya lebih murah dari PAN. Pembuatan serat karbon melalui beberapa proses seperti pemanasan, spinning, karbonisasi dan grafitisasi, sehingga menyebabkan harga serat karbon komersial menjadi mahal. Namun demikian, kedua jenis karbon komersial ini pun memiliki sifat mekanis dan sifat elektrik yang sangat baik. Modulus tarik serat karbon dari pitch maupun PAN berada pada kisaran nilai 207 GPa – 1035 GPa atau setara dengan 207000-1035000 N mm-2. Konduktivitas listrik serat karbon dari kedua jenis serat komersial pun cukup tinggi. Konduktivitas listrik serat karbon PAN berkisar antara 104 – 105 S m-1, sedangkan karbon pitch berkisar antara 105– 106 S m-1. Konduktivitas panas dari serat karbon PAN sebesar 10-100 W m-1 K sedangkan dari pitch sebesar 20-1000 W m-1 °K (Mallick 2008).
Pembuatan dan Karakterisasi Serat Karbon dari Kayu dan Serat Alam
Karena harga serat karbon komersial mahal, maka telah banyak dilakukan penelitian dalam mencari alternatif penggantinya. Salah satunya adalah dengan
membuat serat karbon yang berasal dari kayu dan serat alam. Pembuatan karbon dari kayu dan serat alam seperti bambu, serat sabut kelapa atau kelapa sawit telah banyak dilakukan (Pari & Abdurahim 2003, Pari 2004, Pari et al. 2004, Pari et al.
2005, Pari et al. 2006a, Pari et al. 2006b, Subyakto et al. 2004). Penelitian karbon dari serat alam selama ini banyak ditujukan untuk aplikasi seperti bidang kesehatan (penyerap gas-gas beracun, penyerap bau, pelindung gelombang elektromagnit), sebagai sumber energi, penjernih air, arang aktif, dan lain-lain. Konduktivitas listrik dari arang kayu sugi diteliti oleh Nishimiya et al. (1995). Dari penelitian ini didapatkan bahwa resistivitas listrik turun drastis pada suhu pengarangan 600 °C sampai 800 °C, dan arang kayu menjadi konduktor jika diarangkan pada suhu 800 °C atau lebih. Bambu yang diarangkan pada suhu 800 °C mempunyai tahanan listrik di bawah 10 ohms. Pada suhu karbonisasi 2200 °C didapatkan konduktansi listrik untuk bagian-bagian kelapa sawit seperti tandan kosong, pelepah, batang, dan tempurung sebesar 272, 287, 377, dan 476 Ω -1 (Subyakto et al. 2004).
Ishihara (1996) menyatakan bahwa semakin tinggi suhu karbonisasi kayu, maka kandungan karbonnya akan semakin tinggi sedangkan kandungan oksigen dan hidrogennya semakin berkurang. Hal yang sama juga terjadi dengan rendemen dari hasil karbonisasi. Semakin tinggi suhu karbonisasi, maka semakin rendah pula rendemen yang didapatkan seperti terlihat pada Tabel 1.
Tabel 1 Jumlah dan komposisi arang kayu yang dibuat dengan suhu pengarangan berbeda (Ishihara 1996)
Suhu karbonisasi
Komposisi arang Rendemen arang terhadap berat kering kayu Karbon Hidrogen Oksigen
C % % % % 200 250 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 52.3 70.6 73.2 77.7 89.2 92.2 92.8 95.7 96.1 96.6 96.4 6.3 5.2 4.9 4.5 3.1 2.6 2.4 1.0 0.7 0.5 0.4 41.4 24.2 21.9 18.1 6.7 5.2 4.8 3.3 3.2 2.9 3.2 91.8 65.2 51.4 40.6 31.0 29.1 27.8 26.7 26.6 26.8 26.1
Pembuatan karbon dari bahan alam seperti kayu ataupun serat alam dapat menghilangkan senyawa lamella tengah yang terdapat pada dinding sel ataupun mereduksi dinding sel sekundernya. Pembuatan karbon dari kayu Japanese cedar
dengan menggunakan suhu karbonisasi 700 C, menyebabkan dinding selnya tampak semakin jelas, tanpa terlihatnya senyawa lamella tengah dan dinding sel sekunder (Ishimaru et al. 2007).
Gambar 1 Gambar SEM dari dinding sel kayu (a) sebelum dan (b) setelah karbonisasi pada suhu 700 C (Ishimaru et al. 2007)
Tahapan proses karbonisasi kayu terdiri dari empat tahap (Byrne & Nagle 1997) yaitu :
1. Pada suhu 100-150 C terjadi penguapan air dan sampai dengan suhu 200 C mulai terjadi penguraian struktur hemiselulosa.
2. Pada suhu 200-240 C berlangsung reaksi eksotermik dan terjadi penguraian hemiselulosa dan selulosa yang terdekomposisi menjadi larutan pirolignat, gas
kayu dan sedikit ter. Asam pirolignat merupakan asam organic dengan titik didih rendah seperti asam cuka dan methanol, sedangkan gas kayu terdiri dari CO dan CO2.
3. Pada suhu 240-400 C terjadi proses depolimerisasi dan pemutusan ikatan C- O dan C-C dan terdegradasinya selulosa. Pada suhu 280 C lignin mulai terurai menghasilkan lebih banyak ter, larutan pirolignat dan gas CO2 menurun, sedangkan gas CO, CH4 dan H2 meningkat.
4. Pada suhu lebih dari 400 C terjadi pembentukan lapisan aromatic dan lignin masih terurai sampai suhu 500 C. Pada suhu di atas 600 C mulai terjadi proses pembesaran luas permukaan.
Salah satu serat alam yang ketersediannya sangat berlimpah ialah serat sabut kelapa yang didapatkan dari pohon kelapa (Cocos nucifera). Berdasarkan data dari Direktorat Jenderal Perkebunan Tahun 2009, baik luas areal perkebunan kelapa maupun produksi kelapanya cenderung meningkat dari tahun 1970 sampai dengan tahun 2009. Luas lahan perkebunan kelapa dan produksi buah kelapa pada tahun 1970 berturut-turut adalah 1.805.711 ha dan 1.202.902 ton. Nilai ini meningkat cukup tinggi pada tahun 2009 dengan luas lahan perkebunan kelapa dan produksi buah kelapa berturut-turut sebesar 3.800.846 ha dan 3.257.773 ton. Dengan asumsi bahwa berat serat sabut kelapa sekitar 35% dari berat buah kelapa, maka ketersedian serat kabut kelapa ini sangat memadai apabila akan digunakan