i
KARBOKSIMETILASI SELULOSA MIKROFIBRIL
GUNA MENINGKATKAN SIFAT TERMAL DAN MEKANIK
KOMPOSIT POLIASAM LAKTAT
FITRI ADILLA
DEPARTEMEN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Karboksimetilasi Selulosa Mikrofibril Guna Meningkatkan Sifat Termal dan Mekanik Komposit Poliasam Laktat adalah benar karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut Pertanian Bogor.
Bogor, Oktober 2013
Fitri Adilla
ABSTRAK
FITRI ADILLA. Karboksimetilasi Selulosa Mikrofibril Guna Meningkatkan Sifat Termal dan Mekanik Komposit Poliasam Laktat. Dibimbing oleh SUMINAR S ACHMADI dan LISMAN SURYANEGARA.
Penguatan komposit poliasam laktat (PLA) menggunakan selulosa mikrofibril (MFC) telah diketahui dapat menggantikan plastik berbasis minyak bumi yang digunakan dalam industri otomotif dan elektronik. Akan tetapi, serat selulosa yang hidrofilik sulit menyebar ke dalam matriks PLA yang hidrofobik. Oleh karena itu, dalam penelitian ini dilakukan karboksimetilasi MFC (CM-MFC) pada DS 0.1 dan 0.4 untuk meningkatkan penyebaran nanoserat ke dalam matriks PLA sehingga meningkatkan sifat termal dan mekanik komposit PLA. CM-MFC pada DS 0.1 dan 0.4 masing-masing diperoleh dari nisbah pelarut air:isopropanol (1:1 dan 0:1). Komposit PLA dibuat menggunakan pelarut organik, yang diikuti oleh peramasan dan pengempaan panas. Sifat termal dan mekanik PLA menunjukkan bahwa karboksimetilasi dalam air:isopropanol dapat mempercepat kristalisasi PLA serta meningkatkan nilai modulus elastisitas, kuat tarik, dan regangan maksimum PLA masing-masing 0.4 GPa, 9 MPa, dan 1%, dengan kandungan serat 10% (b/b). Berdasarkan informasi tersebut, komposit PLA/MFC dapat diperbaiki penyebaran dan sifatnya dengan karboksimetilasi pada DS 0.1. Kata kunci: karboksimetilasi, komposit PLA
ABSTRACT
FITRI ADILLA. Carboxymethylation of Microfibrillated Cellulose to Improve Thermal and Mechanical Properties of Polylactic Acid Composites. Supervised by SUMINAR S ACHMADI and LISMAN SURYANEGARA.
Composite of polylactic acid (PLA) reinforced with microfibrillated cellulose (MFC) could replace petroleum-based plastics for automotives and electronics purposes. Unfortunately, the hydrophilicity of nanofibers make it difficult to attain good dispersion in a hydrophobic PLA matrix. Therefore, MFC was modified to carboxymethyl-MFC (CM-MFC) with DS 0.1 and 0.4 to enhance dispersion of nanofibers in a PLA matrix, thus improve the thermal and mechanical properties of the PLA composite. CM-MFC with DS 0.1 and 0.4 were obtained under reaction conditions of water and isopropanol (1:1 and 0:1). PLA composites were prepared using organic solvent, followed by kneading and hot pressing. The thermal and mechanical properties of PLA composites showed that the carboxymethylated MFC in the solvent accelerated the crystallization of PLA and improved the modulus of elasticity, tensile strength, and maximum strain by 0.4 GPa, 9 MPa, and 1%, respectively, at a fiber content of 10 (b/b)%. Based on these information, the dispersion and properties of PLA/MFC composites were enhanced using carboxymethylation at DS 0.1.
Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains
pada
Departemen Kimia
KARBOKSIMETILASI SELULOSA MIKROFIBRIL
GUNA MENINGKATKAN SIFAT TERMAL DAN MEKANIK
KOMPOSIT POLIASAM LAKTAT
FITRI ADILLA
DEPARTEMEN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR
Judul Skripsi : Karboksimetilasi Selulosa Mikrofibril Guna Meningkatkan Sifat Termal dan Mekanik Komposit Poliasam Laktat
Nama : Fitri Adilla NIM : G44090057
Disetujui oleh
Prof Ir Suminar S Achmadi, PhD Pembimbing I
Dr Lisman Suryanegara, MAgr Pembimbing II
Diketahui oleh
Prof Dr Dra Purwantiningsih Sugita, MS Ketua Departemen
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah S(B/B) atas rahmat dan karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan karya ilmiah yang berjudul
―Karboksimetilasi Selulosa Mikrofibril Guna Meningkatkan Sifat Termal dan Mekanik Komposit Poliasam Laktat‖. Karya ilmiah ini disusun berdasarkan penelitian yang dilaksanakan pada bulan Maret hingga September 2013 di Laboratorium Kimia Organik, Departemen Kimia, Institut Pertanian Bogor, dan Laboratorium Biomaterial, Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia.
Penulis mengucapkan terima kasih atas semua bimbingan, dukungan, dan kerja sama yang telah diberikan oleh Ibu Prof Ir Suminar S. Achmadi, PhD selaku pembimbing I dan Bapak Dr Lisman Suryanegara, MAgr selaku pembimbing II. Di samping itu, penghargaan penulis sampaikan kepada Drs Muhammad Farid, MSi atas diskusi dan saran berkaitan dengan penelitian. Terima kasih juga kepada Bapak Sabur dan Ibu Yenni atas bantuan yang telah diberikan selama penulis melakukan penelitian di Laboratorium Kimia Organik. Ungkapan terima kasih juga disampaikan kepada Ayah, Ibu, serta keluarga, atas segala doa dan kasih sayangnya. Ucapan terima kasih kepada Panji, Ajeng, Resty, dan Reza yang telah memberikan semangat dalam menyusun karya ilmiah ini.
Penelitian ini disponsori oleh Kementerian Riset dan Teknologi melalui LIPI dalam Program Kompetitif Material Maju pada tahun 2013 yang diraih oleh Dr Lisman Suryanegara, MAgr.
Semoga karya ilmiah ini dapat bermanfaat.
Bogor, Oktober 2013
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL vi
DAFTAR GAMBAR vi
DAFTAR LAMPIRAN vi
PENDAHULUAN 1
METODE 2
Bahan dan Alat 2
Prosedur 2
HASIL DAN PEMBAHASAN 4
Morfologi Serat MFC 4
Ciri-ciri CM-MFC 5
Sifat Termal PLA dan Kompositnya 6
Penguatan MFC dan Modifikasinya terhadap Sifat Mekanik Komposit PLA8
SIMPULAN DAN SARAN 9
Simpulan 9
Saran 10
DAFTAR PUSTAKA 10
LAMPIRAN 13
DAFTAR TABEL
1 Serapan MFC dan modifikasinya 6
2 Sifat-sifat termal pada PLA dan kompositnya 7
DAFTAR GAMBAR
1 Morfologi MFC yang diuji menggunakan SEM 5
2 Spektrum IR pada karboksimetil-MFC dengan DS 0.1 dan 0.4 6 3 Perbandingan termogram DSC pada PLA dan kompositnya 7 4 Perbandingan kekuatan mekanik pada PLA dan kompositnya 9
DAFTAR LAMPIRAN
1
Bagan alir penelitian 122 Karboksimetilasi MFC 13
1
PENDAHULUAN
Poliasam laktat (PLA) merupakan biopolimer yang terbuat dari bahan baku pertanian yang dapat diperbarui. PLA berpotensi menggantikan plastik berbasis minyak bumi karena sifat kekakuan dan kekuatannya yang baik (Mathew et al. 2006). Akan tetapi, sifatnya yang tidak tahan panas, regas, dan proses kristalisasi lambat dapat membatasi aplikasi yang lebih luas untuk PLA (Suryanegara et al. 2009; Hughes et al. 2012). Untuk memperbaiki sifat-sifat tersebut digunakan selulosa sebagai penguat matriks PLA. Hal ini karena selulosa memiliki kekuatan dan kekakuan yang tinggi, murah, densitas rendah, biodegradabel, dan memproduksi emisi CO2 rendah (Siro dan Plackett 2010).
Beberapa tahun terakhir, telah dikembangkan serat selulosa berukuran nano sebagai penguat matriks polimer, yaitu selulosa mikrofibril (MFC) dengan kisaran diameter 10˗˗100 nm dan sebagian berukuran mikrometer. Keunggulan MFC dibandingkan dengan serat selulosa adalah pemuaian termal yang sama rendahnya dengan kuarsa dan bentuknya seperti jaringan selaput (Iwatake et al. 2008; Nakagaito et al. 2009; Suryanegara et al. 2009). Produksi MFC diperoleh dengan perlakuan mekanis, yaitu penyeratan dan homogenisasi tekanan tinggi (Siro dan Plackett 2010; Lavoine et al. 2012).
Iwatake et al. (2008) membuat komposit PLA/MFC dengan 2 metode, yaitu metode pencampuran langsung dan metode pelarut organik; setelah tahap tersebut dilakukan peramasan (kneading). Hasil yang didapat dari metode pelarut organik dan peramasan adalah MFC tersebar secara merata ke dalam matriks PLA sehingga nilai modulus Young dan kuat tariknya meningkat masing-masing 40 dan 25% tanpa menurunkan regangan pada kandungan serat 10% (b/b), sedangkan pada metode pencampuran langsung komposit tidak menunjukkan peningkatan nilai modulus Young bahkan nilai regangan dan kuat tariknya menurun hingga 10% dibandingkan dengan PLA murni. Hal tersebut disebabkan oleh terjadinya aglomerasi pada MFC, sehingga dalam penelitian ini digunakan metode pelarut organik dan peramasan. Namun, perbedaan sifat antara MFC yang hidrofilik dan PLA yang hidrofobik membuat keduanya tidak kompatibel sehingga penyebarannya kurang merata (Frone et al. 2013).
Guna mengatasi kompatibilitas antara MFC dan PLA, perlu dilakukan modifikasi kimia pada selulosa. Tingaut et al. (2009) memodifikasi MFC dengan cara asetilasi untuk meningkatkan kompatibilitas komposit PLA/MFC. Gugus asetil dapat mengurangi ikatan hidrogen di antara MFC sehingga hidrofilisitasnya menurun dan menghasilkan penyebaran yang lebih baik ke dalam matriks PLA. Di samping itu, Bondenson dan Oksman (2007) meningkatkan penyebaran selulosa nanomisai (cellulose nanowhisker) ke dalam matriks PLA dengan menambahkan surfaktan anionik (5, 10, dan 20% (b/b)). Hasilnya menunjukkan bahwa penyebaran selulosa, nilai kuat tarik, dan regangan patahnya meningkat. Dalam penelitian ini dilakukan cara lain untuk membuat MFC dapat kompatibel dan tersebar secara merata ke dalam matriks PLA, yaitu melalui karboksimetilasi MFC (CM-MFC) secara parsial. Karboksimetilasi dilakukan melalui 2 tahap, yaitu aktivasi dengan NaOH dan eterifikasi dengan asam monokloroasetat.
2
substitusi (DS) 0.4 mampu membengkak dalam air berkat sifat anioniknya (Adinugraha et al. 2005; Rachtanapun et al. 2012). Selain itu, CM-MFC dapat menyebabkan serat-serat menjadi bermuatan tinggi dan memudahkannya untuk berliberasi (Aulin et al. 2009). Su et al. (2010) telah membuktikan bahwa karboksimetilasi selulosa (CMC) dapat meningkatkan kuat tarik (σy dan σb)
matriks isolasi protein kedelai (SPI) dengan kandungan CMC (0˗˗40% (b/b)) berturut-turut sebesar 5.2˗˗11.6 dan 4.9˗˗17.2 MPa. Peningkatan nilai tersebut mengindikasikan bahwa belitan molekul dan reaksi antara SPI dan CMC meningkatkan kuat tarik komposit. Selain itu, komposit SPI/CMC memiliki transisi kaca tunggal (single Tg) pada 75˗˗100 °C sehingga kompatibilitasnya dikatakan baik.
Nogi et al. (2006) menyatakan bahwa asetilasi dengan DS 0.17 pada selulosa bakteri (BC) nanoserat dapat memperkuat nanokomposit, sedangkan Ifuku et al. (2007) menyatakan bahwa asetilasi dengan DS 0.23˗˗0.6 pada BC nanoserat menghasilkan sedikit perubahan kristalinitas. Sedikit karboksimetilasi pada selulosa dapat meningkatkan sifat-sifat kekuatan (Fengel dan Wegener 1995), sehingga DS yang digunakan dalam penelitian ini adalah 0.1 dan 0.4. Oleh karena itu, dengan memprioritaskan sifat anioniknya, CM-MFC diharapkan dapat tersebar dengan baik ke dalam matriks PLA sehingga sifat termal dan mekanik komposit PLA meningkat. Penelitian ini bertujuan memodifikasi MFC dengan cara karboksimetilasi parsial menjadi CM-MFC untuk dievaluasi pengaruhnya pada sifat termal dan mekanik komposit PLA.
METODE
Bahan dan Alat
Bahan yang digunakan adalah PLA dan MFC. PLA dengan nama dagang Lacea H-400 BM 200.000 diperoleh dari Mitsui Chemicals Inc. Selulosa mikrofibril (MFC) dengan nama dagang Celish KY-100G diperoleh dari Industri Kimia Daicel, Ltd., Jepang. Sampel MFC mengandung serat 10% (b/b).
Instrumen analisis yang digunakan adalah peramas (kneader) Rheumix;
ultra-turrax IKA® T25 digital, rotor IKA® EUROSTAR; spektrofotometer inframerah transformasi Fourier (FTIR); mesin pengujian universal (UTM), kalorimeter pemayaran diferensial (DSC),mikroskop elektron pemayaran (SEM).
Prosedur
Penelitian ini terdiri atas 3 tahap, yaitu karboksimetilasi MFC pada DS 0.1 dan 0.4, penyiapan komposit PLA/CM-MFC, dan analisis morfologi serat serta sifat termal dan mekanik komposit PLA/CM-MFC. Bagan alir penelitian ini dapat dilihat pada Lampiran 1.
Karboksimetilasi MFC (Modifikasi Ibrahim et al. 2011)
3
70%). Karboksimetilasi MFC dilakukan melalui 2 tahap. Pertama adalah proses alkalisasi, yaitu sebanyak 4 g MFC (basis kering) disuspensikan ke dalam 80 mL isopropanol:air (1:0 dan 1:1) dan ditambahkan 16 mL NaOH 20% tetes demi tetes, lalu diaduk selama 1 jam. Kedua adalah proses eterifikasi, yaitu sebanyak 5.2 g asam monokloroasetat dilarutkan ke dalam 12 mL isopropanol:air (1:0 dan 1:1) dan ditambahkan ke dalam campuran reaksi tetes demi tetes, lalu campuran diaduk kembali selama 3 jam pada suhu 50 °C. Campuran kemudian disaring dan fase padatnya disuspensikan ke dalam 120 mL metanol 70% dan dinetralisasi dengan asam asetat glasial. Suspensi difiltrasi, lalu dicuci sebanyak 4 kali dengan etanol masing-masing 160 mL. Proses ini dilakukan duplo dan produknya disatukan.
Karakterisasi CM-MFC dengan Analisis FTIR dan DS (ASTM D 1439-03 2005)
Sampel untuk analisis FTIR dikeringkan pada suhu 150 °C selama 3 jam. Sementara untuk analisis, DS sebanyak 4 g sampel dan 75 mL etanol 95% diaduk selama 5 menit, lalu ditambahkan 5 mL asam nitrat dan dipanaskan sampai mendidih. Pengadukan dilanjutkan selama 10 menit. Setelah diaduk, larutan didekantasi dan dicuci dengan 80 mL etanol 80% (60 °C) sebanyak 5 kali menggunakan pompa vakum. Selanjutnya, presipitat dicuci dengan sedikit metanol anhidrat untuk menghilangkan alkohol, lalu difiltrasi. Hasil penyaringan dikeringkan pada suhu 105 °C selama 3 jam dan didinginkan dalam desikator selama 30 menit.
Sebanyak 0.2˗˗0.3 g CMC kering ditambahkan 20 mL air dan 5 mL NaOH 0.3 N dengan agitasi. Larutan dipanaskan sampai mendidih selama 15˗˗20 menit. Setelah produk larut, campuran dititrasi dengan HCl 0.3 N. Indikator fenolftalein ditambahkan untuk mengamati perubahan warna dari merah muda ke tak-berwarna. Derajat substitusi dihitung dengan persamaan di bawah ini:
A = ; DS =
Keterangan:
A =mL ekuivalen asam per gram sampel
B =volume NaOH yang ditambahkan (mL)
C =konsentrasi NaOH (N)
D =volume HCl yang dibutuhkan (mL)
E =konsentrasi HCl (N)
F =bobot CMC (g)
162= bobot molekul unit glukosa anhidrat
58 = kenaikan bobot molekul unit glukosa anhidrat untuk setiap substitusi gugus karboksimetil
Penyiapan Komposit PLA/CM-MFC (Modifikasi Suryanegara et al. 2009)
4
selama 15 menit dan difiltrasi. Proses tersebut dilakukan sebanyak 3 kali masing-masing untuk etanol dan aseton, dan 2 kali untuk diklorometana. Kemudian presipitat yang diperoleh dicampur ke dalam 45 g PLA yang telah dilarutkan sempurna ke dalam 300 mL diklorometana. Campuran diaduk selama 1 jam, lalu dituang di atas nampan sampai pelarut menguap pada suhu ruang dalam lemari asam semalaman. Selanjutnya, komposit dikeringkan dalam oven pada suhu 50 °C semalaman.
Komposit yang telah kering ditimbang bobotnya, lalu dipotong kecil˗kecil
(± 1 cm2) untuk dilanjutkan ke tahap homogenisasi dengan peramasan menggunakan Rheumix pada suhu 160 °C dengan kecepatan 40 rpm selama 8 menit. Selanjutnya komposit dikempa panas pada suhu 180 °C dengan tekanan 400 Pa selama 3 menit.
Uji Morfologi Permukaan
Morfologi serat MFC diamati menggunakan SEM di Puslitbang Kehutanan. Sampel dipreparasi dengan mendispersikan MFC ke dalam air, lalu serat yang terdispersi diteteskan di atas tube yang telah diberi perekat. Kemudian serat dikeringkan pada suhu 105 °C selama 24 jam, dan selanjutnya dilapisi dengan emas di Laboratorium Zoologi LIPI, Cibinong.
Pengujian Sifat Termal
Kekuatan termal PLA dan kompositnya diukur menggunakan DSC di Akademi Kimia Analisis, Bogor. Dalam pengukuran, gas nitrogen dialirkan dengan laju alir 50 mL/menit dilakukan pada kisaran suhu 27˗˗200 °C dengan laju 5 °C/menit menggunakan ± 5 mg PLA dan kompositnya. Sifat-sifat termal seperti suhu transisi kaca (Tg), suhu kristalisasi dari keadaan dingin (Tcc), dan suhu leleh (Tm) merupakan hasil dari DSC dengan pengamatan pemanasan.
Pengujian Sifat Mekanik
Kekuatan mekanik PLA dan kompositnya diukur menggunakan UTM di Laboratorium Biomaterial LIPI. Sampel dipotong menjadi beberapa spesimen dengan ukuran panjang 60 mm, lebar 5 mm, dan tebal 1 mm. Informasi yang diperoleh dari pengujian ini adalah regangan maksimum (%), kuat tarik (MPa), dan modulus elastis (GPa), yang semua hasilnya ditunjukkan dengan nilai rata-rata dari 3 kali pengukuran.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Morfologi Serat MFC
5
MFC ke dalam air tidak homogen dan tingginya densitas gugus OH pada permukaan serat yang dapat memperkuat interaksi dan mendorong terjadinya aglomerasi (Zimmermann et al. 2004).
Gambar 1 Morfologi MFC yang diuji menggunakan SEM
Ciri-ciri CM-MFC
Perbedaan hidrofilisitas membuat komposit yang terbuat dari PLA dan MFC tidak kompatibel, sehingga dilakukan modifikasi parsial MFC dengan cara karboksimetilasi. Reaksi antara selulosa alkali dan reagen eterifikasi pada suhu 50 °C adalah
Sel-OH + ClCH2COOH + 2NaOH Sel-OCH2COONa + NaCl + 2H2O
CM-MFC dengan DS 0.1 diperoleh dengan pelarut air dan isopropanol, sedangkan CM-MFC dengan DS 0.4 diperoleh dengan medium isopropanol. Data hasil karboksimetilasi dan perhitungan nilai DS dapat dilihat pada Lampiran 2. Hal ini menunjukkan bahwa peningkatan nisbah isopropanol dapat meningkatkan nilai DS pada CMC. Isopropanol dapat menaikkan konsentrasi NaOH di sekitar selulosa karena NaOH tidak dapat larut dalam isopropanol. Dengan cara ini, isopropanol membantu proses penetrasi dan transformasi pada struktur selulosa membentuk Na-selulosa. Selain itu, meningkatnya kadar isopropanol dapat mengubah struktur kristal pada selulosa (Pushpamalar et al. 2006), sehingga pada DS 0.4 material berwujud serbuk halus dan pada DS 0.1 tetap berwujud serat basah.
Selain DS, spektrum IR juga membuktikan telah terbentuk gugus karboksmetil berdasarkan serapannya. Gambar 2 menunjukkan spektrum IR pada CM-MFC dengan DS 0.1 dan 0.4. Berdasarkan hasil tersebut, CM-MFC pada DS 0.1 memiliki intensitas serapan yang lebih rendah dibandingkan dengan CM-MFC pada DS 0.4. Hal ini mengindikasikan bahwa semakin besar nilai DS, intensitas serapan pada CM-MFC semakin tinggi. Adapun data serapan pada MFC dan modifikasinya terdapat pada Tabel 1. Menurut Adinugraha et al. (2005), gugus
6
karboksil dan garamnya memiliki bilangan gelombang sekitar 1600˗˗1640 cm-1 dan 1400˗˗1450 cm-1. Pada CM-MFC 0.4, gugus ˗OH selulosa telah tersubstitusi dengan gugus karboksimetil yang diindikasikan dengan munculnya puncak serapan pada gugus C=O, ˗O˗, dan ˗CH2. Pada CM-MFC 0.1, gugus ˗OH selulosa
tetap dikatakan telah tersubstitusi oleh gugus karboksimetil, walaupun puncak serapan gugus C=O tidak muncul (1642.53 cm-1). Hal ini karena munculnya puncak serapan pada gugus ˗O˗ dan ˗CH2, serta telah teruji secara kuantitatif
dengan penentuan DS.
Gambar 2 Spektrum IR pada karboksimetil-MFC dengan DS 0.1 dan 0.4 Tabel 1 Serapan MFC dan modifikasinya
Gugus fungsi Bilangan gelombang (cm
-1
Sifat Termal PLA dan Kompositnya
Sifat termal PLA dengan keberadaan MFC dan modifikasinya diamati menggunakan DSC. Termogram DSC dengan sistem pemanasan pada PLA dan kompositnya memperlihatkan nilai Tg, Tcc, dan Tm, dengan PLA yang digunakan adalah amorf (Gambar 3). Adapun data dari termogram DSC dapat dilihat pada Tabel 2. Nilai Tg pada PLA/MFC sedikit lebih rendah dibandingkan dengan PLA murni (48.36 °C vs 49.85 °C), sedangkan nilai Tg pada PLA/CM-MFC sedikit lebih tinggi dibandingkan dengan PLA murni (50.94 °C dan 49.96 °C vs 49.85 °C). Perilaku yang sama juga diamati oleh Mathew et al. (2006), yang mengindikasikan bahwa komposit PLA/CM-MFC mengalami relaksasi. Relaksasi ialah tertundanya kondisi polimer menjadi rubbery, yang dengan demikian modifikasi komposit PLA ini lebih memungkinkan untuk digunakan sebagai polimer dalam komponen otomotif karena meningkatkan ketahanan panas PLA.
4 00 0.0 3 00 0 2 00 0 1 50 0 1 00 0 4 50 .0
Bilangan Gelombang (cm-1)
7
Gambar 3 Perbandingan termogram DSC pada PLA dan kompositnya Tabel 2 Sifat-sifat termal pada PLA dan kompositnya
8
komposit PLA/CM-MFC 0.4 (105.09 °C) lebih tinggi dibandingkan dengan PLA murni (100.13 °C). Ini pertanda bahwa karboksimetilasi dalam medium isopropanol dapat menurunkan kristalinitas PLA karena dapat menghilangkan peran MFC sebagai nucleating agent. Rachtanapun et al. (2012) melaporkan bahwa karboksimetilasi dapat menurunkan kristalinitas selulosa, semakin banyak gugus OH yang tersubstitusi, kristalinitasnya akan semakin rendah.
Hasil Tm yang diperoleh juga sama dengan Tcc, yaitu komposit PLA/CM-MFC 0.1 lebih rendah, sedangkan komposit PLA/CM-MFC 0.4 lebih tinggi daripada PLA murni. Semakin rendah nilai Tm akan semakin baik, karena
mempercepat proses injection molding. Berdasarkan ketiga parameter tersebut, komposit PLA/CM-MFC 0.1 berpotensi untuk menggantikan plastik berbasis minyak bumi.
Penguatan MFC dan Modifikasinya terhadap Sifat Mekanik Komposit PLA
Sifat mekanik PLA yang diperkuat oleh MFC dan modifikasinya diukur berdasarkan uji tariknya. Gambar 4 menunjukkan perbadingan kekuatan mekanik antara PLA dan kompositnya yang ditunjukkan oleh 3 parameter, yaitu regangan maksimum (%), kuat tarik (MPa), dan modulus elastisitas (GPa). Rata-rata nilai dari 3 kali pengulangan tertera di Lampiran 3. Komposit PLA/CM-MFC 0.1 menghasilkan kekuatan mekanik tertinggi dengan nilai regangan maksimum dan kuat tarik tertinggi dibandingkan dengan PLA dan kompositnya, serta nilai modulus elastisitasnya sama seperti komposit PLA/MFC. Adapun peningkatan nilai regangan maksimum, kuat tarik, dan modulus elastisitas pada komposit PLA/CM-MFC 0.1 masing-masing sebesar 82, 60, dan 24% dibandingkan dengan PLA murni, sedangkan peningkatan kekuatan mekanik pada komposit PLA/MFC dibandingkan dengan PLA murni berturut-turut adalah 18, 25, dan 24%. Selain itu, peningkatan kuat tarik pada komposit PLA/CM-MFC 0.1 juga lebih besar daripada peningkatan kuat tarik pada komposit PLA/MFC yang dihasilkan oleh Iwatake et al. (2008), yaitu 25%. Hal ini mengindikasikan bahwa karboksimetilasi MFC pada DS 0.1 dapat meningkatkan sifat mekanik PLA karena serat dapat menyebar dengan baik ke dalam matriks PLA sehingga kompatibilitasnya meningkat.
Akan tetapi, komposit PLA/CM-MFC 0.4 mengalami penurunan drastis terhadap sifat mekanik PLA karena memiliki nilai regangan maksimum, kuat tarik, dan modulus elastisitas yang terendah dibandingkan dengan PLA murni dan kompositnya. Penurunan nilai-nilai tersebut berturut-turut adalah 40, 75, dan 41% dibandingkan dengan PLA murni. Karboksimetilasi pada DS 0.4 mengubah permukaan serat menjadi struktur yang halus (Pushpamalar et al. 2006) sehingga menimbulkan aglomerasi serat-serat yang membuat penyebarannya tidak merata ke dalam matriks PLA sehingga PLA menjadi lebih regas. Serat-serat yang teraglomerasi ini mungkin merupakan akibat dari penggunaan isopropanol saat modifikasi yang dapat mengubah struktur serat MFC.
9
PLA/MFC. Nakagaito et al. (2009) juga telah berhasil membuat komposit PLA/MFC dengan penyebaran yang lebih baik dan meningkatkan kuat tarik, modulus elastisitas, dan regangan maksimum sampai kandungan serat 90% (b/b), yaitu dengan prosedur yang sama untuk pembuatan kertas.
Gambar 4 Perbandingan kekuatan mekanik pada PLA dan kompositnya
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Modifikasi komposit PLA/MFC dengan cara karboksimetilasi MFC dapat meningkatkan penyebaran nanoserat ke dalam matriks PLA pada DS 0.1. Pada DS tersebut, modifikasi komposit juga dapat meningkatkan sifat mekanik dan termal
0
PLA PLA/MFC PLA/CM-MFC 0.1 PLA/MFC 0.4
R
PLA PLA/MFC PLA/CM-MFC 0.1 PLA/MFC 0.4
Kua
PLA PLA/MFC PLA/CM-MFC 0.1 PLA/MFC 0.4
10
PLA, yaitu proses kristalisasinya menjadi lebih cepat dan kuat tariknya meningkat sehingga memungkinkan untuk memperbaiki kompatibilitas dan sifat komposit PLA/MFC. Sebaliknya, karboksimetilasi MFC dengan DS 0.4 menurunkan kompatibilitas komposit PLA/MFC dan sifat termal/mekanik komposit PLA. Aglomerasi nanoserat menjadi penyebab utama dalam tidak meratanya penyebaran ke dalam matriks PLA sehingga komposit menjadi lebih regas dan tidak tahan panas dibandingkan PLA.
Saran
Pengujian seperti dynamic mechanical analysis (DMA) dan thermal mechanical analysis (TMA) perlu dilakukan untuk lebih mengetahui pengaruh MFC dan modifikasinya terhadap sifat termal dan mekanik komposit PLA, bila diaplikasikan ke otomotif dan elektronik. DMA menentukan kuat tarik nanokomposit saat dipanaskan pada suhu 60˗˗80 °C, sedangkan TMA menentukan pemuaiannya.
DAFTAR PUSTAKA
[ASTM] American Society for Testing and Materials. 2005. Analytical method for determining degree of substitution in the Product. Document CK-G06 Edition, 05: D-1439-03.
Adinugraha MP, Marseno DW, Haryadi. 2005. Synthesis and characterization of sodium carboxymethylcellulose from cavendish banana pseudo stem (Musa cavendishii Lambert). Carbohydr Polym. 62(2):164-169. doi: 10.1016/j.carbpol.2005.07.019.
Aulin C, Ahola S, Josefsson , ishino , irose , sterberg , gberg . 2009. Nanoscale cellulose films with different crystallinities and mesostructures—Their surface properties and interaction with water.
Langmuir 25(13):7675-7685. doi:10.1021/la900323n.
Bondenson D, Oksman K. 2007. Dispersion and characteristics of surfactant modified cellulose whiskers nanocomposites. Compos Interface. 14(7-9):617-630. doi:10.1163/156855407782106519.
Fengel D, Wegener G. 1995. Kayu: Kimia, Ultrastruktur, Reaksi-reaksi. Sastrohamidjojo H, penerjemah; Prawirohatmodjo S, editor. Yogyakarta (ID): UGM Pr. Terjemahan dari: Wood: Chemistry, Ultrastructure, Reactions. Ed ke-1.
Frone AN, Berlioz S, Fran J, Chailan O, Panaitescu DM. 2013. Morphology and thermal properties of PLA–cellulose nanofibers composites. Carbohydr Polym. 91(1):377-384. doi:10.1016/j.carbpol.2012.08.054.
Hughes J, Thomas R, Byun Y, Whiteside S. 2012. Improved flexibility of thermally stable poly-lactic acid (PLA). Carbohydr Polym. 88(1):165-172. doi:10.1016/j.carbpol.2011.11.078.
11
characterization and biological activity. Carbohydr Polym. 83(1):94-115. doi: 10.1016/ j.carbpol.2010.07.026.
Ifuku S, Nogi M, Abe K, Handa K, Nakatsubo F, Yano H. 2007. Surface modification of bacterial cellulose nanofibers for property enhancement of optically transparent composites: dependence on acetyl-group DS.
Biomacromolecules. 8(6):1973-1978. doi: 10.1021/bm070113b.
Iwatake A, Nogi M, Yano H. 2008. Cellulose nanofiber-reinforced polylactic acid.
Compos Sci Technol. 68(9):2103-2106. doi:10.1016/j.carbpol.2010.07. 026. Lavoine N, Desloges I, Dufresne A, Bras J. 2012. Microfibrillated cellulose–Its
barrier properties and applications in cellulosic materials: a review.
Carbohydr Polym. 90(2):735-764. doi:10.1016/j.carbpol.2012.05.026. Mathew AP, Oksman K, Sain M. 2006. The effect of morphology and chemical
characteristics of cellulose reinforcements on the crystallinity of polylactic acid. J Appl Polym Sci. 101(1):300-310. doi:10.1002/app.23346.
Nakagaito AN, Fujimura A, Sakai T, Hama Y, Yano H. 2009. Production of microfibrillated cellulose (MFC)-reinforced polylactic acid (PLA) nanocomposites from sheets obtained by a papermaking-like process.
Compos Sci Technol. 69(7-8):1293-1297. doi:10.1016/j.compscitech.2009. 03.004.
Nogi M, Abe K, Handa K, Nakatsubo F, Ifuku S, Yano H. 2006. Property enhancement of optically transparent bionanofiber composites by acetylation. Appl Phys Lett. 89(1):123-233. doi: 10.1063/1.2403901.
Pushpamalar V, Langford SJ, Ahmad M, Lim YY. 2006. Optimization of reaction conditions for preparing carboxymethyl cellulose from sago waste.
Carbohydr Polym. 64(2):312-318. doi:10.1016/j/carbpol.2005.12.003. Rachtanapun P, Luangkamin S, Tanprasert K, Suriyatem R. 2012. Carboxymethyl
cellulose film from durian rind. L(B/B) - Food Sci Technol. 48(1):52-58. doi: 10.1016/j.l(b/b).2012.02.029.
Siro I, Plackett D. 2010. Microfibrillated cellulose and new nanocomposite materials: a review. Cellulose. 17(3):459-494. doi:10.1007/s10570-010-9405-y.
Su JF, Huang Z, Yuan XY, Wang XY, Li M. 2010. Structure and properties of carboxymethyl cellulose/soy protein isolate blend edible films crosslinked by Maillard reactions. Carbohydr Polym. 79:145-153. doi:10.1016/j.carbpol.2009. 07.035.
Suryanegara L, Nakagaito AN, Yano H. 2009. The effect of crystallization of PLA on the thermal and mechanical properties of microfibrillated cellulose-reinforced PLA composites. Compos Sci Technol. 69(7-8):1187-1192. doi: 10.1016/j.compscitech.2009.02.022.
Tingaut P, Zimmermann T, Lopez-Suevos F. 2009. Synthesis and characterization of bionanocomposites with tunable properties from poly(lactic acid) and acetylated microfibrillated cellulose. Biomacromolecules. 11(2):454-464. doi: 10.1021/bm901186u.
12
Lampiran 1 Bagan alir penelitian
MFC KA 90%
MFC KA 70%
Diperas kanebo
Karboksimetilasi MFC
Alkalisasi NaOH
Eterifikasi MCA Karboksimetil-MFC
(CM-MFC)
Analisis FTIR Analisis DS
Pembuatan komposit PLA/MFC modifikasi
Proses peramasan komposit
Proses pengempaan-panas komposit
Analisis morfologi, sifat termal dan mekanik komposit
Analisis DSC Analisis UTM
13
Lampiran 2 Karboksimetilasi MFC
Bobot karboksimetil-MFC
Isopropanol: air
MFC setelah diperas Karboksimetil-MFC (CM-MFC)
KA
Kadar air pada MFC dan karboksimetil-MFC
Sampel Bobot (g) KA Standardisasi NaOH dengan asam oksalat
Ulangan Asam oksalat Volume NaOH (mL) Konsentrasi
NaOH (N)
Volume (mL) Konsentrasi (N) Awal Akhir Terpakai
1 10.00 0.3019 0.00 10.60 10.60 0.2848
Ulangan Boraks Volume HCl (mL) Konsentrasi
NaOH (N)
Volume (mL) Konsentrasi (N) Awal Akhir Terpakai
1 10.00 0.3001 0.00 11.10 11.10 0.2704
2 10.00 0.3001 11.20 22.30 11.10 0.2704
14
Lanjutan Lampiran 2 Contoh perhitungan:
N boraks =
= 0.3001 g
N HCl = =
= 0.2704 N DS pada karboksimetil-MFC
Sampel Bobot
kering (g)
Konsentrasi (N) Volume (mL)
A DS
NaOH HCl NaOH HCl
CM-MFC 0.1 0.2028 0.2848 0.2704 5.00 4.80 0.6217 0.11
CM-MFC 0.4 0.2347 0.2848 0.2704 5.00 3.40 2.1501 0.40
Contoh perhitungan:
A =
=
= 0.6217
DS =
=
15
Lampiran 3 UTM pada PLA dan kompositnya
Ukuran dimensi pada PLA
Ukuran dimensi pada komposit PLA/MFC
Kode
Kekuatan mekanik pada komposit PLA/MFC
16
Lanjutan Lampiran 3
Ukuran dimensi komposit PLA/CM-MFC 0.1
Kode sampel Ketebalan
(mm)
Lebar (mm)
Panjang yang teruji (mm)
PLA/CM-MFC0.11 1.0100 5.3000 40.0000
PLA/CM-MFC0.12 1.0100 5.3100 40.0000
PLA/CM-MFC0.13 1.0500 5.3200 40.0000
Kekuatan mekanik pada komposit PLA/CM-MFC 0.1
Kode sampel Gaya
maks (N)
Display maks (mm)
Regangan maks (%)
Kuat tarik (MPa)
Modulus elastis (GPa)
Tegangan maks (MPa)
PLA/CM-MFC0.11 129.8130 0.7150 1.7875 24.2505 2.1952 24.2504
PLA/CM-MFC0.12 129.6560 0.8125 2.0313 24.1756 1.9191 24.1756
17
Lanjutan Lampiran 3
Ukuran dimensi pada komposit PLA/CM-MFC 0.4
Kode sampel Ketebalan
(mm)
Lebar (mm)
Panjang yang teruji (mm)
PLA/CM-MFC0.41 1.1300 4.9900 40.0000
PLA/CM-MFC0.42 1.1000 5.0400 40.0000
PLA/CM-MFC0.43 1.1600 4.9600 40.0000
Kekuatan mekanik pada komposit PLA/CM-MFC 0.4
Kode sampel Gaya
maks (N)
Display maks (mm)
Regangan maks (%)
Kuat tarik (Mpa)
Modulus elastis (Gpa)
Tegangan maks (Mpa)
PLA/CM-MFC0.41 23.9063 0.1530 0.3825 4.2397 1.4632 4.2397
PLA/CM-MFC0.42 20.9375 0.2530 0.6325 3.7766 0.8541 3.7766
18
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Jakarta pada tanggal 19 Maret 1991 dari Ayah Alm. Zainal Arifin dan Ibu Siti Sundari. Penulis merupakan anak kedua dari 2 bersaudara. Penulis menyelesaikan sekolah di SMAN 67 pada tahun 2009. Pada tahun yang sama, penulis diterima di Institut Pertanian Bogor pada Program Studi Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam.
