SUBSTITUSI POLIPROPILENA DENGAN KHITOSAN PADA KOMPOSIT TERMOPLASTIK POLIPROPILENA-MIKROFIBRIL
TANDAN KOSONG KELAPA SAWIT
KURNIA WIJI PRASETIYO
SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR
Tesis
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains pada
Program Studi Ilmu dan Teknologi Hasil Hutan
SUBSTITUSI POLIPROPILENA DENGAN KHITOSAN PADA KOMPOSIT TERMOPLASTIK POLIPROPILENA-MIKROFIBRIL
TANDAN KOSONG KELAPA SAWIT
SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR 2012
Polypropylene-Empty Fruit Bunch Fiber of Oil Palm Microfibril Termoplastic
Composites. Under the direction of DEDE HERMAWAN, MUH. YUSRAM
MASSIJAYA dan SUBYAKTO.
The physical, mechanical properties and morphology of chitosan substitued polypropylene (PP) on polypropylene-empty fruit bunch fiber of oil
palm microfibril termoplastic composites have been studied. The effects of size
and percentation of chitosan were investigated. Results showed that the density of the composites increased with increasing chitosan content. At the optimum chitosan percentage of 10% with the smaller size of chitosan 20 mesh to 40 mesh could produced composites with density, thickness swelling and water absorption lower than control and other compositions also modulus of rupture, modulus of elasticity, tensile strength and elongation were higher than control and other
compositions. The tensile strength and elongation decreased but the modulus or
rupture from composites increased with increasing chitosan content. In all size variations and concentrations of chitosan was resulted thermoplastic composites with elongation properties above the standard minimum elongation from composites polypropylene (PP)-fiber glass (FG) applied to the components of HONDA motorcycle type LR22E PP-FG 10% Honda Engineering Standard
(HES) C 227 for 2%.
Komposit Termoplastik Polipropilena-Mikrofibril Tandan Kosong Kelapa Sawit.
Dibimbing oleh DEDE HERMAWAN, MUH. YUSRAM MASSIJAYA dan
SUBYAKTO.
Dominasi polipropilena (PP) sebagai matriks dalam komposit termoplastik menjadi salah satu kekurangan dari produk komposit termoplastik dikaitkan dengan isu lingkungan hidup dan berkurangnya cadangan minyak bumi sebagai bahan utama pembuatan polimer sintetis PP yang tidak terbarukan. Hal ini memberikan dorongan untuk mencari bahan alternatif polimer lain dari sumber daya alam terbarukan untuk substitusi PP.
Khitosan adalah suatu polisakarida yang diperoleh melalui deasetilasi
khitin yang umumnya banyak ditemukan pada kulit hewan dari marga Crustacea
seperti kepiting, rajungan dan udang. Khitosan memiliki bentuk yang spesifik, mengandung gugus amin dalam rantai karbonnya yang bermuatan positif yang berlawanan dengan polisakarida lainnya. Sifat-sifat khitosan antara lain: dalam keadaan cair sensitif terhadap kekuatan ion tinggi, daya repulsif antara fungsi amin menurun sesuai dengan fleksibilitas rantai khitosan. Penggabungan khitosan dalam ruang distabilkan oleh ikatan hidrogen di dalam dan di luar rantai. Penggabungan tersebut menghasilkan suatu molekul resisten yang tahan terhadap
stres mekanik dan kemampuan mengembangnya bertambah (Suptijah et al.,
1992).
Penggunaan khitosan sebagai pengisi dalam komposit dengan matriks PP yang diberi perlakuan kimia 3-Aminopropyltriethoxysilane (3-APE) untuk meningkatkan kompatibilitas ternyata mampu memperbaiki kuat tarik dan
Young’s modulus komposit PP-khitosan namun mengurangi elongasinya. Dari analisis FTIR dan SEM terlihat bahwa adanya 3-APE mampu meningkatkan
ikatan antara khitosan dengan PP (Husseinsyah et al., 2010). Melihat beberapa
kelebihan dari polimer khitosan di atas maka polimer khitosan bisa sebagai alternatif substitusi polimer PP serta menjadi polimer alam alternatif selain PLA dan PGA.
Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh dari substitusi PP sebagai matriks komposit menggunakan khitosan serta memperoleh komposisi terbaik dalam persentase dan ukuran dari polimer khitosan untuk substitusi polimer PP pada produk komposit termoplastik. Mengetahui apakah terbentuk ikatan kimia pada komposit setelah proses pencampuran semua bahan penyusun komposit.
Pembuatan komposit diawali dengan pembuatan pulp dari serat TKKS
menggunakan proses pulping soda dingin yang mengacu pada penelitian Gopar et
al. (2010) dimana serat (fiber bundle) TKKS dipotong-potong sekitar 2 - 3 cm
menggunakan mesin ring flaker. Serat direndam dalam larutan NaOH 4% pada
ratio (1 : 5) selama 24 jam. Dilanjutkan dengan pembuatan mikrofibril dari pulp
TKKS menggunakan mesin disc refiner. Proses pembuatan komposit termoplastik
dengan matriks PP dilakukan dengan “metode kering” yang mengacu dari hasil
penelitian Subyakto et al. (2010). Mikrofibril TKKS dibuat menjadi lembaran
Substitusi PP dengan khitosan divariasikan pada komposisi khitosan : PP (%) = 0 : 100, 10 : 90, 20 : 80, 30 : 70 dan 40 : 60 dari jumlah 45% keseluruhan PP dalam
komposit termoplastik kemudian diproses dengan alat kneader/mixer
(laboplastomill) pada suhu 180o C, 60 rpm selama 20 menit. Contoh uji komposit dibuat lembaran ukuran panjang x lebar x tebal = 11 x 11 x 0,2 cm menggunakan
mesin kempa panas (hot press) pada suhu 180ºC, tekanan 1 MPa selama 30 detik
dilanjutkan kempa dingin 10 menit (cold press) yang merujuk dari penelitian
Subyakto et al. (2010) dengan target kerapatan 1 g/cm3
Hasil penelitian menunjukkan ternyata substitusi matriks PP dengan khitosan tidak dapat menggantikan fungsi PP sebagai matriks dalam komposit yang akan memperkuat komposit karena semakin tinggi kadar khitosan menyebabkan terjadinya penurunan kekuatan komposit. Komposisi terbaik dari substitusi PP dengan khitosan yaitu pada kadar khitosan 10% dengan ukuran khitosan 20 mesh sampai 40 mesh. Substitusi PP dengan khitosan tidak menghasilkan ikatan kimia baru yang bisa dilihat dari citra FTIR terkait dengan adanya perbedaan titik lelehnya dimana PP memiliki titik leleh yang lebih rendah dibandingkan khitosan.
. Sebagai pembanding maka dibuat komposit tanpa memakai polimer khitosan (PP : MAPP : Mikrofibril TKKS (g) = 90 : 10 : 100). Data yang terkumpul untuk setiap parameter dirata-ratakan dan dibandingkan satu sama lain. Selain itu dilakukan juga analisis statistik dengan menggunakan rancangan acak lengkap percobaan faktorial.
Polypropylene-Empty Fruit Bunch Fiber of Oil Palm Microfibril Termoplastic
Composites. Under the direction of DEDE HERMAWAN, MUH. YUSRAM
MASSIJAYA and SUBYAKTO
The dominance of polypropylene (PP) as the matrix in thermoplastic composites to be one of the shortcomings of the thermoplastic composite products associated with the environment and depleting reserves of crude oil as the main ingredient manufacture PP synthetic polymers that are not renewable. This gives impetus to find alternative other polymers from renewable natural resources for the substitution of PP.
Chitosan is a polysaccharide obtained by deacetylation chitin commonly found in the skin of the genus crustacean animals such as crab and shrimp. Chitosan has a specific form, containing amine group in the positively charged carbon chain as opposed to other polysaccharides. The properties of chitosan are: in the liquid state was sensitived to high ionic strength, the repulsive energy between amine function decreased with chitosan chain flexibility. The incorporation of chitosan in space was stabilized by hydrogen bonds within and outside of the chain. The merger was resulted in a molecule that is resistant to
mechanical stress and increased deployment capability (Suptijah et al., 1992).
The use of chitosan as a filler in PP matrix composites with chemically treated 3-aminopropyltriethoxysilane (3-APE) was able to increase compatibility fix tensile strength and Young's modulus of composite PP-chitosan but reduce the elongation. FTIR and SEM analysis showed that the 3-APE improved the bond
between chitosan with PP (Husseinsyah et al., 2010). Looking at some of the
advantages from chitosan makes chitosan polymer able to substitute PP polymers as well as an alternative natural polymer likes PLA and PGA.
This study aimed to determine the effect of substitution of PP matrix composites using chitosan as well as the best gain in percentage composition and size of the polymer chitosan for PP substitution at thermoplastic composites products. In addition to investigate the presence of chemical bond formed on the composites after mixing all the ingredients making up the composites.
The composites production process begin with the manufacture of pulp fibers empty fruit bunch of oil palm using soda pulping process that draws on
research Gopar et al. (2010) where the fiber bundle of empty fruit bunch of oil
palm was cutted about 2 to 3 cm using ring flaker machines. Fibers was immersed in a solution of 4% NaOH ratio (1 : 5) for 24 hours. Proceed with the manufacture of pulp microfibrils empty fruit bunch of oil palm was used disc refiner machine. The process of making thermoplastic composites with PP matrix was carried out
with dry method which refers to the results of research Subyakto et al. (2010).
Microfibrils from empty fruit bunch of oil palm made into a fairly thin sheet of paper with a filter size of 40 mesh gauze and dried, then shredded into small size. Empty fruit bunch of oil palm microfibrils then blended with PP in comparison 50
: 45 (%) then added with 5% MAPP (referring to research Gopar et al., 2010) of
0.2 cm. This samples made using hot press machine at a temperature of 180º C, a pressure of 1 MPa for 30 seconds followed felt cool 10 minutes by cold press
machine were referred from research Subyakto et al. (2010) with a target density
of 1 g/cm3
Results showed that substitution PP matrix with chitosan could not replaced the function of PP as the matrix in the composites that will strengthen the composites because the higher levels of chitosan led to a decline in strength of the composites. Best composition of substitution PP with chitosan that is at a level of 10% chitosan with chitosan size 20 mesh to 40 mesh. PP substitution with chitosan does not produced a new chemical bonds that can be seen from the FTIR image associated with the difference in melting point where the PP has a lower melting point than chitosan.
. For comparison, it is made composites without use chitosan polymer (PP : MAPP : empty fruit bunch of oil palm microfibrils (g) = 90 : 10 : 100). The data was collected for each parameter are averaged and compared to each other. Other than that statistical analysis was also carried out using a completely randomized design factorial experiments.
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA*
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis berjudul Substitusi Polipropilena dengan Khitosan pada Komposit Termoplastik Polipropilena-Mikrofibril Tandan Kosong Kelapa Sawit 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 tesis ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut Pertanian Bogor.
Bogor, November 2012
Kurnia Wiji Prasetiyo
© Hak Cipta milik IPB, Tahun 2012
Hak Cipta dilindungi Undang-Undang
Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan atau menyebutkan sumbernya. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau tinjauan suatu masalah; dan pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan yang wajar IPB
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT atas segala karunia-Nya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Tema yang dipilih dalam penelitian yang dilaksanakan sejak bulan April sampai Juni 2012 ini adalah komposit termoplastik, dengan judul Substitusi Polipropilena dengan Khitosan pada Komposit Termoplastik Polipropilena-Mikrofibril Tandan Kosong Kelapa Sawit.
Terima kasih penulis ucapkan kepada:
1. Dr. Ir. Dede Hermawan, M.Sc sebagai ketua Komisi Pembimbing dan Prof.
Dr. Ir. Muh. Yusram Massijaya, MS serta Prof. (R). Dr. Ir. Subyakto, M.Sc sebagai anggota Komisi Pembimbing yang telah banyak membimbing dan memberikan masukan dan saran yang terkait dengan penelitian ini.
2. Prof. Dr. Ir. Yusuf Sudo Hadi, M.Agr sebagai penguji dari luar komisi pada
ujian tesis atas masukan dan pencerahan demi kesempurnaan tesis ini.
3. Kementerian Negara Riset dan Teknologi Republik Indonesia yang
memberikan Beasiswa Karyasiswa RISTEK untuk membiayai kuliah saya.
4. Bapak Prof. (R). Sulaeman Yusuf, M.Agr selaku Kepala UPT Balai Litbang
Biomaterial-LIPI atas ijin dan dukungan dalam penggunaan fasilitas kantor selama penelitian.
5. Ayahanda Mulyono dan Ibunda Siti Maryam, serta ananda Rachmat Adi
Prasetyo terima kasih setulus hati penulis ucapkan atas doa yang tiada putus.
6. Istriku tercinta Risdian Kusuma Julia, S.Hut dan anakku tersayang
Muhammad Azzam Al Fatih dan An Nida Nur Aliya, terima kasih atas doa, kasih saying, pengorbanan dan dukungannya selama menjalani studi ini.
7. Bapak Sudirman selaku staf Laboratorium Uji Polimer Puslit Fisika LIPI
yang telah membantu dalam penelitian ini.
8. Rekan-rekan kerja di Laboratorium Biokomposit dan Workshop UPT Balai
Litbang Biomaterial LIPI yang telah banyak membantu selama penelitian ini. Tesis ini dapat terselesaikan juga atas dukungan dan dorongan berbagai pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu per satu. Oleh karena itu, penulis ucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.
Bogor, November 2012
HALAMAN PENGESAHAN
Judul Penelitian : Substitusi Polipropilena dengan Khitosan pada
Komposit Termoplastik Polipropilena-Mikrofibril Tandan Kosong Kelapa Sawit
Nama : Kurnia Wiji Prasetiyo
NIM : E251100031
Program Studi : Ilmu dan Teknologi Hasil Hutan
Disetujui Komisi Pembimbing
Diketahui
Koordinator Mayor Dekan Sekolah Pascasarjana Ilmu dan Teknologi Hasil Hutan
Prof. Dr. Ir. I Wayan Darmawan, M.Sc Dr. Ir. Dahrul Syah, MSc.Agr
Tanggal Ujian: 13 November 2012 Tanggal Lulus: Prof. Dr. Ir. Muh. Yusram Massijaya, MS
Anggota
Dr. Ir. Dede Hermawan, M.Sc Ketua
DAFTAR ISI
Perumusan Masalah ... 3
Tujuan Penelitian .. ... 3
Hipotesis ... 3
Manfaat Penelitian ... 4
TINJAUAN PUSTAKA... 5
Mikrofibril dari serat alam ……… 5
Komposit termoplastik dengan mikrofibril serat alam ... 6
Khitosan sebagai polimer alam ... 8
METODOLOGI PENELITIAN ... 12
Waktu Dan Tempat Penelitian... 12
Bahan dan Alat ... 12
Persiapan Bahan, Pembuatan dan Pengujian Komposit Termoplastik ... 14
Tahap 1. Pembuatan polimer khitosan ... 14
Tahap 2.Pembuatan mikrofibril tandan kosong kelapa sawit 15 Pembuatan pulp dari serat tandan kosong kelapa sawit... 15
Pembuatan mikrofibril dari pulp serat tandan kosong kelapa sawit ... 15
Tahap 3. Pembuatan komposit ... 16
Pengujian produk komposit termoplastik ... 19
Analisis Data ... 20
HASIL DAN PEMBAHASAN ... 22
Karakteristik Fisis ... 22
Karakteristik Morfologi ... 30
Karakteristik Mekanis ... 36
Keteguhan Patah (MOR) ... 36
Modulus Elastisitas (MOE) ... 39
Kuat Tarik (Tensile Strength) ... 41
Elongasi (Elongation) ... 43
SIMPULAN DAN SARAN ... 46
Simpulan ... 46
Saran ... 46
DAFTAR PUSTAKA ... 47
LAMPIRAN ... 52
DAFTAR TABEL
Halaman
1. Karakteristik PP Homopolimer Tipe HI10HO ………... 13
2. Variasi komposisi bahan komposit termoplastik menggunakan
potongan film khitosan ukuran sekitar 6-8 mesh
yang diproses di UPT Balitbang Biomaterial-LIPI ... 17
3. Variasi komposisi bahan komposit termoplastik menggunakan
serbuk khitosan ukuran 20 mesh sampai 40 mesh yang
diproses di UPT Balitbang Biomaterial-LIPI ... 18
4. Variasi komposisi bahan komposit termoplastik menggunakan
khitosan bentuk serpihan ukuran 10 mesh produksi PT. Biotech
Surindo Cirebon ... 18
5. Standar minimum komposit (PP-FG) LR22E PP-FG HES C 225 36
DAFTAR GAMBAR
Halaman
1. Struktur polipropilena (kiri) dan struktur selulosa, khitin serta
khitosan (kanan) ………... 8
2. Reaksi-reaksi modifikasi kimia dari khitosan menghasilkan turunan khitosan ... 10
3. Tandan kosong kelapa sawit (A) dan serat TKKS (B)………. 13
4. Alat laboplastomill (A) dan kempa panas (B) ……….. 14
5. Sumber bahan baku khitosan ……… 15
6. Material untuk pembuatan komposit termoplastik ……….. 16
7. Diagram alir penelitian ……… 17
8. Material hasil proses pencampuran dengan memakai alat laboplastomill ……….. 19
9. Proses pengujian sampel komposit ………. 20
10. Perbandingan permukaan komposit PP-mikrofibril TKKS kontrol, dengan khitosan 20 mesh sampai 40 mesh (A), khitosan 10 mesh (B) dan khitosan 6 mesh sampai 8 mesh (C)……… 22
11. Citra SEM serat pulp TKKS (A dan B) dan mikrofibril TKKS dalam bentuk lembarak kertas kecil (C dan D) ……… 23
12. Hasil uji TGA untuk serbuk khitosan 20-40 mesh (atas), serpihan khitosan 10 mesh (tengah) dan film khitosan 6-8 mesh (bawah) … 24 13. Histogram kerapatan komposit termoplastik ……… 25
14. Histogram pengembangan tebal komposit termoplastik ………….. 27
15. Histogram daya serap air komposit termoplastik ………. 29
17. Spektra FTIR dari komposit kontrol (11 VII 12) dan komposit
dengan penambahan polimer khitosan pada variasi ukuran
khitosan 20-40 mesh (13 VII 12), 10 mesh (14 VII 12)
serta 6-8 mesh (12 VII 12) ... 33
18. Hasil uji TGA untuk komposit termoplastik dengan matriks PP mikrofibril TKKS dan khitosan ... 35
19. Histogram keteguhan patah dari komposit termoplastik ... 37
20. Hasil pemotretan memakai mikroskop cahaya (pembesaran 50x) permukaan patahan contoh uji komposit PP-mikrofibril TKKS kontrol, dengan khitosan 20 mesh sampai 40 mesh (A), khitosan 10 mesh (B) dan khitosan 6 mesh sampai 8 mesh (C)... 38
21. Histogram modulus elastisitas dari komposit termoplastik ... 40
22. Histogram kuat tarik komposit termoplastik ... 41
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
1. Analisis ragam kerapatan komposit ... 52
2. Uji lanjut pengaruh konsentrasi terhadap kerapatan komposit ... 52
3. Analisis ragam pengembangan tebal komposit ... 52
4. Uji lanjut pengaruh konsentrasi khitosan terhadap pengembangan
tebal komposit ... 53
5. Analisis ragam daya serap air dari komposit ... 53
6. Uji lanjut pengaruh konsentrasi khitosan terhadap daya serap air
dari komposit ... 53
7. Analisis ragam keteguhan patah (MOR) komposit ... 54
8. Uji lanjut pengaruh ukuran khitosan terhadap keteguhan
patah komposit ... 54
9. Analisis ragam modulus elastisitas komposit ... 54
10. Uji lanjut pengaruh konsentrasi khitosan terhadap modulus
elastisitas komposit ... 55
11. Analisis ragam kuat tarik komposit ... 55
12. Uji lanjut pengaruh konsentrasi khitosan terhadap kuat
tarik komposit ... 55
13. Analisis ragam elongasi komposit ... 56
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Komposit termoplastik merupakan kombinasi antara mikrofibril selulosa
atau bahan lignoselulosa dari serat alam sebagai penguat maupun pengisi dengan
polimer sintetis sebagai matriks, yang menggabungkan keunggulan dari bahan
lignoselulosa dan polimer sintetis. Keuntungan dari penggunaan serat alam untuk
produk komposit berbasis polimer sintetis dibandingkan serat sintetis maupun
plastik antara lain bersifat renewable, biodegradable, bisa didaur ulang (recyclable), tidak berbahaya bagi lingkungan dan kesehatan, memiliki sifat mekanis lebih baik, tidak menyebabkan abrasi pada alat, dan harganya lebih
murah serta kerapatan yang lebih rendah (Zimmermann et al. 2004, Oksman et al. 2003, Wambua et al. 2003, Mohanty et al. 2002, Leao et al. 1998).
Polimer sintetis termoplastik yang banyak dipakai dalam produk komposit
termoplastik dengan penguat atau pengisi mikrofibril serat alam adalah
polipropilena (PP). Polimer PP merupakan polimer hidrokarbon yang dapat diolah
pada suhu tinggi dan jenis plastik komersial yang banyak dipakai sebagai polimer
matriks dalam komposit karena relatif memiliki sifat yang lebih baik seperti tinggi
titik lelehnya, sifat mekanis dan termal yang bagus serta kerapatan rendah
dibandingkan polimer termoplastik lainnya (Husseinsyah et al., 2011).
Dominasi PP dalam komposit termoplastik menjadi salah satu kekurangan
dari produk komposit termoplastik dikaitkan dengan isu lingkungan hidup dan
berkurangnya cadangan minyak bumi sebagai bahan utama pembuatan polimer
sintetis PP yang tidak terbarukan. Adapun produksi PP tahun 2005-2008 stagnan
di 605.000 ton/tahun sedangkan kebutuhan nasional sekitar 800.000 ton/tahun.
Sehingga kekurangannya harus impor dan itu merupakan pengurangan devisa
negara. Hal ini memberikan dorongan untuk mencari bahan alternatif polimer lain
dari sumber daya alam terbarukan untuk substitusi PP.
Beberapa penelitian mencoba memperbaiki kekurangan dari polimer sintetis
PP yang tidak terbarukan dan sukar didaur ulang secara alami antara lain
acid (PLA) (Subyakto et al., 2010) atau polyglicolida (PGA) yang mampu menghasilkan komposit yang biodegradable (disebut juga “Green composites” atau “Enviromentally-friendly plastics”) yang memiliki kekuatan dan stabilitas
termal yang moderat serta bisa didaur ulang. Pemakaian polimer alam murni juga
memiliki beberapa kelemahan seperti kekuatan dan service temperature yang rendah misalnya nilai suhu glass transition sekitar 40-60o
Melihat beberapa kelemahan dari polimer alam berbasis tanaman seperti
PLA dan PGA serta isu lingkungan hidup maka penelitian ini memakai alternatif
polimer alam polisakarida berbasis non tanaman yaitu khitosan untuk substitusi
PP dalam komposit termoplastik.
C yang masih di bawah
polimer sintetis (Cheung et al., 2009).
Khitosan adalah suatu polisakarida yang diperoleh melalui deasetilasi khitin
yang umumnya banyak ditemukan pada kulit hewan dari marga Crustacea seperti kepiting, rajungan dan udang.
Menurut Suptijah et al. (1992) khitosan memiliki bentuk yang spesifik, mengandung gugus amin dalam rantai karbonnya yang bermuatan positif yang
berlawanan dengan polisakarida lainnya. Sifat-sifat khitosan antara lain: dalam
keadaan cair sensitif terhadap kekuatan ion tinggi, daya repulsif antara fungsi
amin menurun sesuai dengan fleksibilitas rantai khitosan. Penggabungan khitosan
dalam ruang distabilkan oleh ikatan hidrogen di dalam dan di luar rantai.
Penggabungan tersebut menghasilkan suatu molekul resisten yang tahan terhadap
stres mekanik dan kemampuan mengembangnya bertambah.
Khitosan memiliki sifat yang unik sebagai polisakarida yaitu tidak hanya
memiliki gugus polar yaitu gugus hidroksil yang bersifat hidrofilik seperti
umumnya polisakarida lainnya seperti pati dan selulosa. Namun khitosan juga
memiliki gugus non polar yaitu gugus amina yang bersifat hidrofobik. Dengan
adanya dua gugus ini maka dimungkinkan gugus polar dari polimer khitosan
mudah berikatan dengan gugus polar dari mikrofibril TKKS dan gugus non
polarnya juga mudah berikatan dengan gugus non polar dari PP.
Melihat beberapa kelebihan dari polimer khitosan di atas maka polimer
khitosan bisa sebagai substitusi polimer PP dalam komposit serta menjadi polimer
Perumusan Masalah
Permasalahan pertama yang menjadi fokus dalam penelitian ini adalah
bagaimana memperoleh komposit termoplastik dengan karakteristik fisis-mekanis
yang lebih tinggi setelah adanya substitusi PP dengan khitosan yang ramah
lingkungan, terbarukan dan memiliki karakteristik unik sebagai polimer. Dalam
menjawab hal tersebut dilakukan variasi persentase khitosan sebagai bahan
substitusi PP sehingga dihasilkan komposit termoplastik dengan karakteristik
yang terbaik.
Permasalahan kedua adalah salah satu faktor yang bisa mempengaruhi
homogenitas campuran bahan komposit adalah ukuran polimer khitosan. Untuk
mengetahui tingkat homogenitas yang baik maka divariasikan bentuk fisik dan
ukuran dari polimer khitosan yaitu dalam bentuk serbuk, serpihan dan film
khitosan yang kemudian akan diuji sampel kompositnya dengan SEM dan FTIR.
Tujuan Penelitian
1. Mengetahui pengaruh dari substitusi PP sebagai matriks komposit
menggunakan khitosan.
2. Memperoleh komposisi terbaik dalam persentase dan ukuran dari polimer
khitosan untuk substitusi polimer PP pada produk komposit termoplastik.
3. Mengetahui apakah terbentuk ikatan kimia pada komposit setelah proses
pencampuran semua bahan penyusun komposit.
Hipotesis
Polimer khitosan mampu mensubstitusi PP dalam komposit termoplastik
dimana semakin besar persentase dan semakin kecil ukuran khitosan akan mampu
meningkatkan karakteristik fisis, mekanis dan morfologi dari produk komposit
termoplastik.
Manfaat Penelitian
1. Menyediakan informasi mengenai karakteristik produk komposit
termoplastik polimer polipropilena-mikrofibril tandan kosong kelapa sawit
substitusi polimer sintetis PP sehingga bisa digunakan dalam bidang-bidang
tertentu seperti untuk kemasan (packaging), komponen otomotif dan produk rumah tangga.
2. Meningkatkan nilai tambah dari tandan kosong kelapa sawit dan cangkang
TINJAUAN PUSTAKA
Mikrofibril dari serat alam
Struktur tumbuhan atau kayu terdiri dari polimer karbohidrat dan tersusun
dari serat selulosa. Serat selulosa ini tersusun dari mikrofibril dalam ukuran mikro
yang memiliki kekuatan struktur yang sangat tinggi. Mikrofibril terdiri atas bagian
amorf dan bagian yang kristal dinamakan mikrowhisker. Selulosa adalah polimer polisakarida yang menjadi rangka struktur pada tumbuhan yang ketersediaannya
di alam sangat melimpah.
Salah satu sumber utama selulosa adalah dari serat tanaman yang sebagian
tersusun atas selulosa, hemiselulosa dan lignin. Semakin kecil ukuran komponen
selulosa, semakin tinggi kekuatannya. Selulosa dengan morfologi yang baru mulai
dikembangkan oleh Turbak et al. (1983) yang sekarang dikenal lebih lanjut sebagai microfibril celullose (MFC).
Mikrofibril selulosa berbentuk struktur kristal dalam rantai molekul yang
tersusun rapi memiliki modulus elastisitas sekitar 138 - 250 GPa dan keteguhan
tarik lebih dari 0,8 - 10 GPa (Zimmermann et al. 2004). Sifat mekanik ini menyamai serat aramid yang dikenal sebagai serat sintetis yang sangat kuat.
Serat pulp kayu mempunyai modulus elastisitas (modulus of elasticity) 10 GPa dan keteguhan tarik (tensile strength) 0,1 GPa (Zimmermann et al. 2004). Pembuatan MFC dari pulp melalui proses mekanik yaitu proses refining sehingga dihasilkan selulosa yang memiliki luas permukaan yang besar (Nakagaito dan
Yano, 2004). Pemanfaatannya selama ini digunakan untuk bahan aditif dalam
makanan, cat, kosmetik, dan produk medis. MFC tersebut dapat digunakan juga
untuk memperkuat polimer thermosetting dan polimer thermoplastic.
Salah satu sumber mikrofibril serat alam yang potensial adalah serat tandan
kosong kelapa sawit (TKKS). Penelitian pembuatan serat ukuran mikro
(mikrofibril) dari serat tandan kosong kelapa sawit sudah dilakukan pada berbagai
komposisi Mikrofibril TKKS sampai didapatkan kombinasi terbaik untuk
PP-Mikrofibril TKKS yang dilihat dari hasil pengujian sifat fisik-mekanik prototipe
Untuk penelitian MFC TKKS ukuran dibawah mikro telah dilakukan oleh
Astari et al. (2011) dimana dengan 30 kali proses sirkulasi dalam disc refiner
dilanjutkan 60 menit dalam mesin ultrasonik dan ultraturrax ternyata belum
mampu memfibrilasi MFC TKKS menjadi ukuran nano baik pada pulp yang
sudah diputihkan maupun belum.
Komposit termoplastik dengan mikrofibril serat alam
Komposit termoplastik dapat diartikan sebagai komposit yang terbuat dari
kombinasi polimer termoplastik dengan beberapa bahan hayati yang bisa
berfungsi sebagai penguat maupun pengisi; salah satu komponennya bisa dalam
ukuran mikro misalnya bahan lignoselulosa dalam bentuk pulp (diameter sekitar
0,1-10 mikron) untuk menghasilkan kinerja yang sinergi dari komposit tersebut.
Penggunaan mikrofibril serat alam baik kayu maupun non kayu untuk
komposit termoplastik sudah banyak dilakukan. Komposit polimer termoplastik
dengan serat ukuran mikro (mikrofibril) maupun MFC dari serat tanaman non
kayu merupakan bidang yang masih cukup baru di Indonesia sehingga masih
sangat berpotensi untuk terus dilakukan penelitian. Salah satu sumber mikrofibril
serat alam non kayu yang potensial adalah mikrofibril serat tandan kosong kelapa
sawit.
Untuk jenis polimer termoplastik yang banyak dipakai dalam produk
komposit dengan penguat atau pengisi mikrofibril serat alam antara lain
polipropilena (PP), polietilena (PE), polivinil chlorida (PVC) dan polistirene (PS).
Produk komposit dengan polimer PP, PE dan PVC biasanya sangat umum dipakai
dalam bidang konstruksi, bangunan, furnitur dan produk otomotif (Panthapulakkal
et al., 2006).
Polimer sintetis seperti PE umumnya dalam bentuk high density polyethylene (HDPE) untuk aplikasi biomedik karena bila low density polyethylene (LDPE) tidak mampu menahan suhu sterilisasi. Sedangkan PP merupakan polimer kristalin isotaktik dengan kekuatan yang tinggi, ketahanan
kimia yang baik, kekuatan moderat dan keteguhan patah yang lebih tinggi dari
Menurut Sain et al., (2005) beberapa faktor seperti ukuran serat, komposisi kimia, kerapatan, ketebalan, jumlah dan tipe bonding agent akan mempengaruhi kekuatan komposit termoplastiknya. Peningkatan ratio panjang terhadap lebar
memiliki efek yang menguntungkan terhadap semua sifat mekanis yang diukur
namun berefek negatif terhadap sifat daya serap airnya (Migneault et al., 2009). Beberapa penelitian produk komposit khusus berbasis serat dari tanaman
kelapa sawit juga telah banyak dilakukan, diantaranya komposit plastik dari
campuran polipropilena (PP) dan serbuk batang sawit (Zaini et al., 1996). Hasilnya menunjukkan bahwa dengan bertambahnya serbuk sawit (50% wt/wt)
dalam komposit plastik akan meningkatkan kekuatan tarik, regangan dan kekuatan
pukulnya.
Begitupun kekuatan komposit plastik yang berasal dari selulosa serat tandan
kosong dan PP lebih baik dibanding komposit plastik terbuat dari PP dan serbuk
tandan kosong (Khalid et al., 2008). Namun, penelitian tersebut masih menggunakan serbuk dan selulosa yang kekuatannya lebih rendah daripada serat
ukuran mikro dan MFC. Pengenduran tegangan dari komposit hibrid kombinasi
serat TKKS-serat sisal-karet alam semakin berkurang dengan semakin
bertambahnya kandungan serat TKKS (Jacob et al., 2006).
Kuat tarik dari komposit serat TKKS-karet alam mencapai maksimum pada
serat dengan panjang 6 mm dan semakin berkurang seiring bertambah panjang
serat TKSS (Joseph et al., 2006). Menurut Shinoj et al. (2011) serat TKKS juga cukup bagus karakteristik mekanik pada produk kompositnya ketika digunakan
sebagai penguat dalam matriks polimer poliuretane (PU), poliester, termoplastik
PP dan PVC, polimer aromatis polistirene maupun polimer termoset seperti PF
dan epoksi. Komposit PP-serat TKKS memiliki kuat tarik yang bagus (36 MPa)
dan impact strength (38 J/m) pada MAPP 2% (Khalid et al., 2008).
Pemakaian serat ukuran mikro dari tandan kosong kelapa sawit sebagai
penguat dalam komposit dengan polimer polipropilena (PP) juga sudah dilakukan
oleh Gopar et al. (2010), PP-MFC sisal dan bambu oleh Subyakto et al., (2010). Karakteristik mekanis (flexural strength, flexural modulus, dan flexural strain)
dari biokomposit PP-MFC TKKS yang sudah didaur ulang semakin berkurang
Hasil penelitian Kusumaningrum et al. (2011) menunjukkan bahwa komposit polimer PVA yang diperkuat dengan MFC tandan kosong kelapa sawit
(TKKS) yang sudah diputihkan melalui perlakuan ultrasonik selama 60 menit
karakteristik terbaik dibandingkan komposit dengan perlakuan lain diantaranya
kuat tarik dan elongasi meningkat sebesar 73,18% dan 335,78% serta MOE
sebesar 38,27 N/mm2
Khitosan sebagai polimer alam
.
Khitosan adalah polimer alam dengan rantai panjang glukosamin yang
dihasilkan dari deasetilisasi khitin dan merupakan salah satu sumber biopolimer
yang ada di alam dengan jumlah terbesar kedua setelah selulosa.
Gambar 1. Struktur polipropilena (kiri) dan struktur selulosa, khitin serta khitosan (kanan) (Mia, 2007)
Khitosan merupakan produk hasil perikanan yang bisa diperoleh dari
molekulnya tertentu, dalam keadaan cair sensitif terhadap kekuatan ion tinggi, dan
daya repulsif antara fungsi amin menurun sesuai fleksibilitas rantai khitosan.
Penggabungannya dalam ruang distabilkan oleh ikatan hidrogen di dalam dan di
luar rantai, menghasilkan suatu molekul resisten yang tahan terhadap stres
mekanik dan kemampuan mengembangnya bertambah (Suptijah et al., 1992). Menurut Windsor dan Barlow (1981) khitosan mampu mengikat air dan
minyak karena mempunyai gugus polar dan non polar. Sifat fleksibel dari
khitosan menjadikannya mampu membentuk konfirmasi yang kompak dan
memanjang seperti umumnya jenis polisakarida lainnya yang berbentuk
memanjang sehingga membantu daya gunanya dalam berbagai produk (Angka et al., 2000).
Menurut Kaban (2009) khitosan merupakan senyawa yang tidak larut dalam
air, larutan basa kuat, sedikit larut dalam HCl dan HNO3, dan H3PO4, dan tidak
larut dalam H2SO4
Mohanty et al. (2000) mengatakan bahwa khitosan potensial sebagai pengisi atau penguat dalam komposit polimer seperti beberapa jenis serat alam seperti
hemp, sisal dan pisang.
. Khitosan tidak beracun, mudah mengalami biodegradasi dan
bersifat polielektrolitik. Disamping itu khitosan dapat dengan mudah berinteraksi
dengan zat-zat organik lainnya seperti protein dan lemak. Oleh karena itu,
khitosan banyak digunakan pada berbagai bidang industri terapan serta industri
farmasi, kesehatan dan sebagainya seperti terlihat dalam Gambar 2.
Hasil penelitian Husseinsyah et al. (2011) menunjukkan bahwa semakin tinggi persentase pengisi (filler) khitosan dengan modifikasi kimia memakai asam acrilic dalam matriks polimer PP ternyata mengurangi kuat tarik dan elongasi
kompositnya namun meningkatkan nilai Young’s modulus serta memperbaiki adhesi dan interaksi interfacial antara khitosan dengan matriks PP.
Untuk ekstrasi khitin dari limbah cangkang udang rendemennya sebesar 20
persen, sedangkan rendemen khitosan dari khitin yang diperoleh adalah sekitar 80
persen. Maka dari itu, dengan mengekstrak limbah cangkang udang dengan
mengacu pada kapasitas produksi terpasang udang nasional sekitar 500.000 ton
per tahun dari seluruh unit pengolahan udang yang tersebar di Indonesia yang
akan diperoleh khitin sekitar 65.000 ton per tahun yang apabila diproses lagi akan
diperoleh khitosan sekitar 52.000 ton per tahun (Prasetiyo et al., 2005).
Gambar 2. Reaksi-reaksi modifikasi kimia dari khitosan menghasilkan turunan khitosan (Kaban, 2009)
Cukup banyak penelitian yang dilakukan untuk memanfaatkan khitosan baik
di Indonesia maupun di negara lain. Di Indonesia pernah dilakukan penelitian
untuk pemanfaatan khitosan sebagai anti rayap dan jamur. Penelitian lain adalah
pemanfaatan khitosan sebagai biopolimer untuk uji anti rayap (Tarmadi et al., 2006), khitosan-platisizer sebagai penguat edible film (Prasetiyo et al., 2009).
Di negara lain penelitian pemanfaatan khitosan antara lain untuk
meningkatkan decay resistance dari wood polymer composite dengan modifikasi
chitosan copper complex (CCC) (Duan et al., 2003), khitosan yang dimodifikasi dengan logam menjadi chitosan metal complex (CMC) yang memiliki kemampuan sebagai katalis untuk sintesis organik, obat-obatan, serat antimikroba
dan hidrometalurgi (Hu et al., 2000; Jiang, 2001).
Khitosan juga dimodifikasi untuk bahan pengawet yang ramah lingkungan
efektif melindungi kayu dari serangan jamur perusak dan rayap (Kobayashi et al. 1995a, 1995b; Sun 2000; Furukawa et al. 2002).
Menurut Shelma et al (2008) bahwa kuat tarik dari film khitosan untuk penutup luka meningkat secara signifikan seiring semakin banyaknya serat khitin
yang berukuran nano namun tidak terlalu berpengaruh terhadap permeabilitas
nanokompositnya. Penambahan chitosan copper complex (CCC) pada WPC tidak berpengaruh signifikan terhadap kerapatan WPC bahkan kuat tarik menurun
seiring meningkatkanya konsentrasi CCC dalam WPC (Duan et al., 2003).
Menurut Kampeerapappun et al. (2006) kuat tarik dari film komposit dapat diperbaiki dengan menambahkan khitosan dan monmorillonit (MMT). Film dari
PP yang diradiasi dengan corona discharge kemudian dicelupkan dalam larutan 1% khitosan sampai beberapa lapisan mampu berfungsi sebagai antimikroba yang
baik sehingga potensial untuk bahan pengemas (Elsabee et al., 2007).
Khitosan merupakan biopolimer yang biodegradabel di lingkungan alam.
Hal tersebut menjadikan khitosan potensial sebagai bio-filler dalam komposit untuk menggantikan beberapa material konstruksi, furnitur dan beberapa produk
plastik untuk aplikasi industri masa depan (Espert et al., 2003).
Dari hasil penelusuran literatur pendukung, belum ditemukan pemanfaatan
polimer polisakarida khitosan untuk substitusi polimer PP dalam komposit
termoplastik yang umumnya masih dominan memakai polimer termoplastik
sintetis berbasis minyak bumi seperti PP yang tidak terbarukan.
Melihat kemampuan dan karakteristik dari polimer khitosan yang selama ini
umum dipakai dalam bentuk film komposit atau campuran untuk aplikasi farmasi,
obat-obatan, kosmetik, pengawet, emulsifier dan sebagainya akan sangat memungkinkan untuk melakukan penelitian penggunaan bahan berbasis polimer
polisakarida hewani yaitu khitosan.
Khitosan dari cangkang udang ditujukan untuk substitusi polimer sintetis PP
berbasis minyak bumi yang tidak terbarukan maupun sebagai alternatif polimer
alam atau bahan pengisi yang umumnya berbasis serat tanaman dalam produk
METODOLOGI PENELITIAN
Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian ini dilakukan pada bulan April-Juni 2012. Penelitian dilakukan
dalam tiga tahap yaitu: Tahap 1. Pembuatan polimer khitosan dilakukan di UPT
Balai Litbang Biomaterial LIPI Cibinong-Bogor; Tahap 2. Pembuatan mikrofibril
tandan kosong kelapa sawit juga dilakukan di UPT Balai Litbang Biomaterial
LIPI Cibinong-Bogor; dan Tahap 3. Pembuatan komposit termoplastik di
Laboratorium Uji Polimer Puslit FISIKA LIPI Bandung.
Karakterisasi morfologi mikrofibril tandan kosong kelapa sawit dan khitosan
dengan SEM dilakukan di Laboratorium Instrumen dan Proksimat Terpadu
Puslitbang Keteknikan Kehutanan dan Pengolahan Hasil Hutan Bogor. Uji FTIR
dilakukan di Laboratorium Biofarmaka IPB Bogor. Pembuatan komposit
termoplastik polipropilena-mikrofibril tandan kosong kelapa sawit dengan
polimer khitosan dilakukan di Laboratorium Uji Polimer Puslit Fisika-LIPI
Bandung. Pengujian fisis dan mekanis dilakukan di UPT Balai Litbang
Biomaterial LIPI Cibinong, Bogor.
Bahan dan Alat
Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah serat (fiber bundle) TKKS dari pabrik pengolahan serat TKKS di Cibadak Sukabumi, khitosan
industrial grade dalam tiga variasi bentuk dan ukuran: (a) potongan film khitosan ukuran 6 mesh sampai 8 mesh (b) serbuk khitosan ukuran 20 mesh sampai 40
mesh yang diproses di UPT Balai Litbang Biomaterial-LIPI dan (c) bentuk
serpihan ukuran 10 mesh produksi PT. Biotech Surindo Cirebon; polipropilena
(PP) homopolimer tipe HI10HO dari PT. Tri Polyta Indonesia Cilegon, Banten,
maleic anhydride polypropylene (MAPP) UMEX 1001 LotNo. GI8070244 dari SANYO Chemical Industries Kyoto Japan, natrium hidroksida (NaOH), asam
A B
Gambar 3. Tandan kosong kelapa sawit (A) dan serat TKKS (B)
Tabel 1. Karakteristik PP Homopolimer Tipe HI10HO
Karakteristik Fisis ASTM Test
HI10HO
Metric Units
Melt Flow Rate (MFR) (230°C/2.16 kg) D1238 10 g/10 min
Density D792 0.903 g/cm³
Tensile yield strength at 50 mm/min D638 346 kg/cm²
Tensile yield elongation D638 13%
Flexural modulus (1% secant) at 1.3
mm/min D790A 13050 kg/cm²
Notched Izod impact strength at 23°C D256 3.6 kg-cm/cm
Hardness, Rockwell D785 R100
Deflection temperature at 0.455 MPa (4.64
kg/cm²) D648 104°C
Vicat softening temperature D1525B 152°C
Melting temperature DSC, 10 C/min, 2nd
heat D3418 163°C
Sumber: PT. Tri Polyta Indonesia (2011)
panas, cetakan komposit, FTIR, Scanning Electron Microscope (SEM) JSM 6360 LA – 20 kV dan Universal Testing Machine (UTM).
A B
Gambar 4. Alat laboplastomill (A) dan kempa panas (B)
Persiapan Bahan, Pembuatan dan Pengujian Komposit Termoplastik
Tahap 1. Pembuatan polimer khitosan
Proses pembuatan polimer khitosan mengacu pada metode yang
dikembangkan oleh Suptijah et al. (1992) yang mengatakan bahwa pada cangkang udang mengandung zat khitin sekitar 99,1 persen. Jika diproses lebih lanjut
dengan melalui beberapa tahap, akan dihasilkan khitosan, yaitu:
Cangkang udang dicuci dengan air mengalir, dikeringkan di bawah sinar
matahari sampai kering, lalu digiling sampai menjadi serbuk ukuran 40-60 mesh.
Kemudian dicampur asam klorida 1,25 N dengan perbandingan 10 : 1 untuk
pelarut dibanding cangkang udang, lalu dipanaskan pada suhu 90°C selama satu
jam. Residu berupa padatan dicuci dengan air sampai pH netral dan selanjutnya
dikeringkan dalam oven pada suhu 80°C selama 24 jam. a. Proses demineralisasi
Cangkang udang yang telah dimineralisasi kemudian dicampur dengan larutan
NaOH 3,5% dengan perbandingan antara pelarut dan residu hasil dimineralisasi 6
: 1. Selanjutnya dipanaskan pada suhu 90°C selama satu jam. Larutan lalu disaring
dan didinginkan sehingga diperoleh residu padatan yang kemudian dicuci dengan
Khitosan dibuat dengan menambahkan sodium NaOH 50% dengan
perbandingan 20 : 1 (pelarut dibanding khitin), lalu dipanaskan selama 90 menit
dengan suhu 140°C. Larutan kemudian disaring untuk mendapatkan residu berupa
padatan, lalu dilakukan pencucian dengan air sampai pH netral, kemudian
dikeringkan dengan oven suhu 70°C selama 24 jam. c. Proses deasetilisasi khitin menjadi khitosan
Gambar 5. Sumber bahan baku untuk khitosan
Tahap 2. Pembuatan mikrofibril tandan kosong kelapa sawit
Pembuatan pulp dari serat tandan kosong kelapa sawit
Pembuatan pulp dari serat tandan kosong kelapa sawit (TKKS)
menggunakan proses pulping soda dingin yang mengacu pada penelitian Gopar et al. (2010) dimana serat (fiber bundle) TKKS dipotong-potong sepanjang sekitar 2 - 3 cm menggunakan mesin ring flaker. Serat direndam dalam larutan NaOH 4% pada ratio (1 : 5) selama 24 jam. Setelah itu, serat TKKS dipisahkan dari cairan
perendamnya, dan serat dicuci sampai bersih atau sampai pH netral. Selanjutnya
serat digiling pada mesin beater hollander selama 1,5 jam sehingga menjadi pulp.
Pembuatan mikrofibril dari pulp serat tandan kosong kelapa sawit
Pembuatan mikrofibril dari pulp TKKS dilakukan dengan menggunakan
mesin disc refiner. Proses merujuk dari hasil penelitian Gopar et al. (2010) dimana pulp TKKS diencerkan dengan air pada perbandingan 1 : 60 kemudian
apakah serat sudah berukuran mikro (diameter diatas 100 nm atau 0,1 mikron
sampai 20 mikron).
Tahap 3. Pembuatan komposit
Pembuatan komposit termoplastik polipropilena-mikrofibril tandan kosong
kelapa sawit dengan polimer khitosan untuk substitusi PP
Proses pembuatan komposit termoplastik dengan matriks PP dilakukan
dengan “metode kering” yang mengacu dari hasil penelitian Subyakto et al.
(2010). Pulp dari mikrofibril TKKS dibuat menjadi lembaran kertas cukup tipis
dengan tebal 0,20-0,30 mm memakai alat penyaring kain kasa ukuran 40 mesh
dan dikeringkan, yang kemudian disobek menjadi ukuran kecil. Mikrofibril TKKS
kemudian dicampur dengan PP pada perbandingan 50 : 45 (%) yang ditambahkan
MAPP 5% sebagai coupling agent yang merujuk pada hasil penelitian Gopar et al., (2010) dari total berat komposit untuk diproses dalam mesin kneader/mixer (laboplastomill).
Substitusi PP dengan khitosan divariasikan pada komposisi khitosan : PP
(%) = 0 : 100, 10 : 90, 20 : 80, 30 : 70 dan 40 : 60 dari jumlah 45% keseluruhan
PP dalam komposit termoplastik.
Cangkang Udang
Demineralisasi :
- cangkang udang 40 - 60 mesh - cangkang udang : HCl 1,25 N = 10:1
- 90oC, 1 jam
- cuci sampai pH netral - oven 80oC, 24 jam - bilas sampai pH netral -beater hollander1,5 jam
Deproteinasi :
- hasil demineralisasi : NaOH 3,5% = 1 : 6
- 90oC, 1 jam
- cuci sampai pH netral - oven 80oC, 24 jam
- dihasilkan khitin
Deasetilisasi :
- khitin : NaOH 50% = 1 : 20 - 140oC, 90 menit
- cuci sampai pH netral - oven 70oC, 24 jam -kneader laboplastomill(180oC,
60 rpm, 20 menit)
Tahap 1. Pembuatan khitosan Tahap 2. Pembuatan mikrofibril TKKS
Tahap 3. Pembuatan komposit
Gambar 7. Diagram alir penelitian
Untuk variasi komposisi bahan komposit termoplastik secara keseluruhan
ditampilkan dalam Tabel 2,3 dan 4. dibawah ini.
Tabel 2. Variasi komposisi bahan komposit termoplastik menggunakan potongan film khitosan ukuran 6 mesh sampai 8 mesh yang diproses di UPT Balai Litbang
Tabel 3. Variasi komposisi bahan komposit termoplastik menggunakan serbuk khitosan ukuran 20 mesh sampai 40 mesh yang diproses di UPT Balai Litbang
Biomaterial-LIPI.
Tabel 4. Variasi komposisi bahan komposit termoplastik menggunakan khitosan bentuk serpihan ukuran 10 mesh produksi PT. Biotech Surindo Cirebon:
Kode
Variasi komposisi bahan komposit termoplastik dalam tabel diatas
merupakan hasil pengembangan dari penelitian sebelumnya. Setiap komposisi
diproses dengan alat kneader/mixer (laboplastomill) pada suhu 180o C, 60 rpm selama 20 menit. Setelah itu dibuat lembaran contoh uji komposit ukuran panjang
x lebar x tebal = 11 x 11 x 0,2 cm menggunakan mesin kempa panas (hot press) pada suhu 180ºC, tekanan 1 MPa selama 30 detik dilanjutkan kempa dingin 10
target kerapatan 1 g/cm3. Sebagai pembanding maka dibuat komposit tanpa
memakai polimer khitosan (PP : MAPP : Mikrofibril TKKS (g) = 90 : 10 : 100).
Gambar 8. Material hasil proses pencampuran dengan memakai alat
laboplastomill
Pengujian produk komposit termoplastik
Setelah melewati masa pengkondisian untuk pengujian selama 7 hari,
selanjutnya produk komposit yang telah dibuat siap untuk diuji. Contoh uji dibuat
dengan merujuk pada standar ASTM D 638 untuk uji kekuatan tarik (tensile strength) dan ASTM D 790 untuk uji flexural strength dengan alat Universal Testing Machine (UTM). Pengujian terhadap morfologi komposit dilakukan dengan menggunakan FTIR untuk mengetahui ikatan yang terbentuk antar gugus
kimia dari bahan dalam komposit dan SEM untuk mengetahui secara fisik apakah
khitosan tercampur dengan baik serta mengetahui tingkat homogenitas campuran.
Untuk sifat fisis komposit diukur besaran kerapatan, pengembangan tebal dan
Gambar 9. Proses pengujian sampel komposit termoplastik
Analisis Data
Analisis dilakukan terhadap data yang diperoleh dari hasil pengujian
sampel. Hal lain yang yang dianalisis yaitu pengaruh dari variasi komposisi
polimer khitosan terhadap nilai fisis dan mekanis komposit seperti tensile dan
flexural strength. Pengaruh bentuk dan ukuran polimer khitosan terhadap karakteristik mekanik dan morfologi komposit berkaitan dengan homogenitas dari
bahan komposit.
Dari hasil analisis terhadap data yang dihasilkan tersebut, akan didapatkan
informasi tentang berapa persentase terbaik dari polimer khitosan sebagai
substitusi polimer PP dalam komposit termoplastik PP-mikrofibril TKKS serta
pengaruh perbedaan ukuran fisik dari polimer khitosan terhadap homogenitas
komposit berkaitan dengan sifat fisis-mekanis dan morfologi komposit
termoplastik.
Sesuai dengan hipotesis yang dikembangkan maka model analisisnya
menggunakan rancangan faktorial dalam Rancangan Acak Lengkap (RAL)
dengan model sebagai berikut:
Yijk = µ + Ai + Bj + (AB)ij + ε
Keterangan:
ijk
Yijk
µ : nilai rata-rata umum
Ai
B
: pengaruh dari taraf ke-i faktor ukuran polimer khitosan
j
(AB)
: pengaruh dari taraf ke-j faktor konsentrasi polimer khitosan
ij
ε
: pengaruh dari interaksi antara taraf ke-i faktor ukuran polimer khitosan, taraf ke-j faktor konsentrasi polimer khitosan terhadap sifat fisis-mekanis dan morfologi komposit termoplastik
HASIL DAN PEMBAHASAN
Karakteristik Fisis
Tampilan permukaan komposit PP-mikrofibril TKKS dengan khitosan
untuk substitusi PP disajikan dalam Gambar 10. Pemotretan dilakukan dengan menggunakan mikroskop cahaya (light microscope) pembesaran 50 kali.
Kontrol A
B C
Gambar 10. Perbandingan permukaan komposit PP-mikrofibril TKKS kontrol, dengan khitosan 20 mesh sampai 40 mesh (A), khitosan 10 mesh (B), dan
khitosan 6 mesh sampai 8 mesh (C).
Secara fisik semua material penyusun komposit termoplastik sudah
tercampur pada saat proses mixing dalam laboplastomill. Namun hasil dari pencitraan dengan mikroskop cahaya pada komposit kontrol dan komposit dengan
khitosan masih terlihat mikrofibril TKKS (ditunjukkan oleh tanda →) yang belum
tercampur sempurna. Hasil pencitraan pada komposit A masih memperlihatkan
titik putih serbuk khitosan (ditunjukkan oleh tanda ↓) yang belum terdekomposisi
terdegradasi selama proses pencampuran dalam laboplastomill (ditunjukkan oleh tanda ↑). Adapun pada permukaan komposit B juga masih terlihat serpihan
khitosan (ditunjukkan oleh tanda ←) yang belum terdekomposisi sempurna.
Masih terlihatnya mikrofibril TKKS pada permukaan komposit seperti
pada Gambar 10 merupakan hal yang memungkinkan mengingat serat TKKS yang digunakan adalah serat TKKS berukuran mikro dengan diameter berkisar 10
mikrometer sampai 20 mikrometer seperti tampak pada Gambar 11.
A B
C D
Gambar 11. Citra SEM serat pulp TKKS (A dan B) dan mikrofibril TKSS dalam bentuk lembaran kertas kecil (C dan D)
Fenomena masih adanya serbuk, serpih dan film khitosan pada komposit
terkait dengan suhu dekomposisi hasil uji thermogravimetric analysis (TGA) pada khitosan bentuk serbuk dan serpih yang ternyata lebih tinggi sekitar 270o C - 320o
C (ditunjukkan oleh Gambar 12) serta film khitosan sekitar 200o C - 320o C daripada suhu kempa panas yang dipakai yaitu 180o C. Maka dengan suhu kempa
khitosan sehingga akan mengurangi tingkat homogenitas campuran dalam
komposit.
Gambar 12. Hasil uji TGA untuk serbuk khitosan 20-40 mesh (atas), serpihan khitosan 10 mesh (tengah) dan film khitosan 6-8 mesh (bawah).
270o C
200o C
320o C 320o C 270o C
Pengaruh suhu kempa panas yang rendah yaitu 180o C ternyata belum
mampu membuat khitosan terdekomposisi secara sempurna. Khitosan baru mulai
terdekomposisi pada suhu yang lebih tinggi yaitu 270o C dan sempurna pada suhu
berkisar 320o
Kemudahan antar bahan penyusun komposit dengan matriks polimer untuk
bercampur akan mempengaruhi tingkat homogenitas campuran. Homogenitas
campuran akan berpengaruh terhadap tingkat kerapatan komposit. Komposit
PP-mikrofibril TKKS dengan khitosan sebagai substitusi PP memiliki rata-rata
kerapatan diatas kerapatan target 1 g/cm
C (ditunjukkan oleh tanda ↑) sesuai hasil uji TGA dalam Gambar 12. Menurut Kaban (2009), bahwa pada saat pemanasan, khitosan cenderung untuk mengalami dekomposisi daripada meleleh. Belum terjadinya dekomposisi
dari khitosan akibat rendahnya suhu kempa panas yang dipakai membuat masih
relatif utuh bentuk dari khitosan yang bisa dilihat dari kompositnya melalui
mikroskop. Bentuk khitosan serbuk, serpih dan film masih terlihat jelas di dalam
maupun permukaan komposit termoplastik.
3
dan kerapatan komposit kontrol sebesar
1,06 g/cm3 seperti yang ditunjukkan pada Gambar 13.
Gambar 13. Histogram kerapatan komposit termoplastik
Pada semua komposit dengan variasi ukuran khitosan yang digunakan
meningkatnya persentase khitosan terhadap PP dari 10% sampai 40% (Gambar 13).
Berdasarkan analisis ragam pada taraf kepercayaan 95%, ternyata hanya
perlakuan variasi konsentrasi yang menpengaruhi kerapatan komposit sedangkan
perlakuan ukuran khitosan dan interaksi keduanya tidak berpengaruh (Lampiran
1). Uji lanjut perbandingan berganda Duncan (Lampiran 2) menunjukkan bahwa
pada konsentrasi khitosan 30% dan 40% memberikan pengaruh yang sama
terhadap kerapatan komposit namun berbeda dengan konsentrasi 0%, 10% dan
20%. Konsentrasi khitosan atas PP 0%, 10% dan 20% juga memberikan pengaruh
yang sama pada kerapatan komposit.
Dalam pembuatan komposit, berat total bahan yaitu mikrofibril TKKS,
khitosan, PP dan MAPP yang dipakai adalah sama untuk setiap papan. Adanya
kenaikan kerapatan komposit disebabkan perbedaan nilai kadar air diantara bahan
penyusun komposit. Perbedaan kadar air masing-masing bahan tersebut
berpengaruh terhadap jumlah bahan yang akan dicampurkan. Hal tersebut
menjadikan khususnya pada berat khitosan akan menjadi lebih banyak dengan
semakin besarnya persentase. Ini membuat keseluruhan bahan menjadi lebih berat
padahal volume keseluruhan bahan tetap sehingga mengakibatkan semakin
tingginya kerapatan komposit seiring naiknya persentase khitosan.
Meskipun kerapatan komposit yang dihasilkan pada penelitian ini melebihi
target, tetapi dalam analisis lebih lanjut, pengaruh kerapatan komposit dikoreksi
dengan menggunakan data kerapatan masing-masing komposit sesuai sifat yang
diuji. Dengan demikian nilai sifat fisis dan mekanis komposit dianalisis pada
kerapatan yang sama yaitu 1,0 g/cm3
Hasil pengujian pengembangan tebal setelah direndam dalam air selama
24 jam disajikan dalam Gambar 14. Komposit dengan khitosan 10 mesh memiliki nilai pengembangan tebal (PT) berkisar 0,44% sampai 1,40%. Komposit
dengan khitosan 20 mesh sampai 40 mesh nilai PT rata-rata 0,44% sampai 2,23%.
Adapun pada komposit dengan khitosan 6 mesh sampai 8 mesh sekitar 0,29%
sampai 2,20%. Rata-rata nilai PT dari komposit pada semua variasi ukuran dan
kecuali pada konsentrasi khitosan 10% dengan ukuran khitosan 3 mm sampai 4
mm.
Pengembangan tebal komposit yang masih di atas kontrol tersebut
menunjukkan bahwa khitosan yang ditambahkan untuk substitusi PP belum
mampu dalam menahan laju penyerapan air. Menurut Suptijah et al. (1992) bahwa penggabungan khitosan dengan bahan lain akan meningkatkan kemampuan
mengembangnya. Sifat khitosan yang mudah mengembang akan membuatnya
relatif cepat menyerap air. Sehingga dengan semakin tinggi konsentrasi khitosan
pada komposit mengakibatkan daya serap air relatif semakin tinggi.
Gambar 14. Histogram pengembangan tebal komposit termoplastik
Menurut Sekino et al. (1999), alasan dari ketidakstabilan dimensi suatu komposit adalah adanya perubahan bentuk partikel karena penekanan, yang terjadi
secara temporer selama pengempaan dan akan kembali ke bentuk awal ketika
partikel menyerap air atau uap air. Namun mekanisme pengembangan tebal
komposit lebih kompleks, karena dalam komposit, sebetulnya partikel diharapkan
berikatan dengan matriks, yang dapat mencegah terjadinya pengembangan tebal.
thickness recovery dari partikel yang didensifikasi, dan kerusakan dari jaringan ikatan matriksnya.
Berdasarkan analisis ragam, yang mempengaruhi besaran pengembangan
tebal hanya perbedaan konsentrasi khitosan sedangkan ukuran khitosan maupun
interaksi keduanya tidak berpengaruh (Lampiran 3).
Uji lanjut perbandingan berganda Duncan (Lampiran 4) menunjukkan
bahwa konsentrasi khitosan 40% bisa memberikan pengaruh yang berbeda nyata
terhadap kerapatan komposit dengan konsentrasi 0%, 10%, 20% dan 30%. Untuk
konsentrasi khitosan atas PP 0%, 10%, 20% dan 30% juga memberikan pengaruh
yang sama pada kerapatan komposit.
Daya serap air dari komposit yang cukup tinggi tersebut terkait dengan
material penyusun komposit yang didominasi oleh material yang mengandung
gugus hidroksil. Material penyusun seperti mikrofibril TKKS dan khitosan
memiliki sisi hidrofilik dengan adanya gugus hidroksil yang mudah menyerap air
sehingga mempengaruhi pengembangan tebal komposit.
Menurut Islam et al. (2010), penggunaan serat alam dan bahan pengisi dalam komposit sangat mempengaruhi daya serap dan pengembangan tebal
komposit terkait dengan adanya void pada serat alam. Hal ini menunjukkan bahwa
penyerapan air berlangsung terutama pada bagian mikrovoid/celah antara matriks
dengan serat alam.
Hasil pengukuran daya serap air (water absorption) disajikan dalam
Gambar 15. Daya serap air dari komposit perlu dilihat karena bahan penyusun komposit sebagian besar masih mengandung bahan yang bersifat hidrofilik
sehingga mudah menyerap air meskipun diikat dengan matriks polimer PP.
Komposit dengan khitosan 20 mesh sampai 40 mesh memiliki daya serap
air berkisar 1,03% sampai 2,95% relatif lebih rendah dibanding yang 10 mesh
sekitar 1,45% sampai 3,36% dan khitosan 6 mesh sampai 8 mesh sebesar 1,67%
sampai 2,98%.
Permasalahan yang berpengaruh terhadap pengembangan tebal dan daya
serap air dari serat tanaman yang dipakai sebagai bahan komposit termoplastik
adalah karakter polar yang tinggi sehingga mengakibatkan terjadinya
yang mudah mengembang juga mengakibatkan meningkatnya daya serap air
komposit.
Gambar 15. Histogram daya serap air komposit termoplastik
Secara statistik berdasarkan analisis ragam ternyata yang berpengaruh
terhadap daya serap air dari komposit hanya faktor konsentrasi khitosan atas PP
sedangkan ukuran khitosan dan interaksi keduanya tidak berpengaruh (Lampiran
5).
Semakin besar konsentrasi khitosan yang ditambahkan akan memperbesar
daya serap air komposit pada semua variasi ukuran khitosan seperti terlihat dalam
Gambar 15. Pada konsentrasi khitosan 10% dengan khitosan ukuran 20 mesh sampai 40 mesh dan 10 mesh memiliki nilai daya serap air lebih rendah dibanding
daya serap air komposit kontrol 0% sebesar 1,59%.
Hasil uji lanjut perbandingan berganda Duncan (Lampiran 6)
memperlihatkan fenomena yang sama antara daya serap air dengan kerapatan
komposit dimana pada konsentrasi khitosan 30% dan 40% memberikan pengaruh
0%, 10% dan 20%. Untuk konsentrasi khitosan atas PP 0%, 10% dan 20% juga
memberikan pengaruh yang sama pada daya serap air komposit.
Menurut Yang et. al (2006), peningkatan beban serat/jumlah serat dibandingkan matriks polimer sintetis dalam komposit akan meningkatkan jumlah
gugus hidroksil yang pada gilirannya akan meningkatkan penyerapan air dari
komposit. Pengurangan jumlah polimer sintetis dalam komposit berpenguat serat
alam dengan pengisi bahan organik lain bisa meningkatkan daya serap komposit
(Ashori et al., 2009).
Namun dalam penelitian Spagnol et al. (2012) untuk komposit dari nanofibril selulosa dengan khitosan yang dicangkok dengan poli asam akrilat
mampu memperbaiki kapasitas penyerapan air dan waktu menuju kadar
kesetimbangan. Sehingga dalam penambahan bahan ke dalam komposit untuk
substitusi polimer sintetis PP perlu dicari persentase optimum yang relatif mampu
mengurangi daya serap terhadap air/kelembaban. Dalam penelitian ini ternyata
pada konsentrasi khitosan 10% atas PP relatif mampu mengurangi daya serap
komposit terhadap air dibanding kontrol.
Karakteristik Morfologi
Hasil analisa foto Scanning Electron Microscope (SEM) pada sisi permukaan bekas patahan uji flexural strength digunakan untuk mengetahui lebih dalam tentang homogenitas campuran dari komposit seperti yang tertera dalam
Gambar 16. Citra SEM sudah memperlihatkan adanya penutupan/isolasi mikrofibril TKKS oleh matriks polimer PP yang relatif merata. Terkait dengan
tingginya suhu dekomposisi khitosan yaitu diatas 200o C dan 270o C - 320o C
mengakibatkan masih utuh bentuk khitosan sehingga tidak tercampur dengan
Kontrol A
B C
Gambar 16. Perbandingan citra SEM permukaan patahan sampel uji flexural strength/bagian dalam antara komposit PP-mikrofibril TKKS kontrol, dengan khitosan 20 mesh sampai 40 mesh (A), khitosan 10 mesh (B), dan khitosan 6
mesh sampai 8 mesh (C).
Pada citra SEM dalam gambar A menunjukkan adanya penutupan
mikrofibril TKKS oleh matriks PP. Citra retak pada permukaan SEM A, B dan C
memperlihatkan bahwa khitosan masih terpisah atau bercampur sempurna dengan
matriks PP yang meunjukkan lemahnya adanya ikatan permukaan (interfacial bonding) antara khitosan dan matriks PP. Hal tersebut berhubungan dengan adanya perbedaan suhu dekomposisi antara khitosan dengan PP. Suhu
dekomposisi PP homopolimer lebih rendah yaitu 170o C dibandingkan khitosan
sekitar 270o C. Adapun suhu kempa panas dalam proses pencampuran bahan dan
pembuatan komposit adalah 180o C sehingga PP akan meleleh/terdekomposisi
terlebih dahulu bercampur dengan mikrofibril TKKS sedangkan khitosan belum
terdekomposisi sehingga tidak tercampur sempurna. Matriks PP
Matriks PP
Mikrofibril TKKS
Matriks PP Mikrofibril
TKKS
Dalam citra SEM juga terlihat ada celah antara matriks PP dengan
mikrofibril TKKS maupun khitosan yang menandakan interfacial bonding yang belum kuat antar material penyusun komposit.
Dalam pengamatan citra SEM juga dijumpai adanya sedikit aglomerasi
(penggumpalan) di beberapa titik atau bidang dari komposit. Aglomerasi
mengakibatkan bentuk khitosan masih utuh di bidang tertentu dan terpisah dengan
matriks PP. Terjadinya aglomerasi tersebut akibat perbedaan suhu dekomposisi
antara bahan penyusun khususnya khitosan yang lebih tinggi dibandingkan
matriks PP, mikrofibril TKKS dan suhu kempa panas yang dipakai. Perbedaan
suhu dekomposisi menyebabkan proses pencampuran antar bahan tidak sempurna
sehingga masih ada material yang menggumpal di beberapa bidang.
Hasil spektra FTIR dari komposit termoplastik dapat digunakan untuk
identifikasi struktur senyawa dan ikatan interfase antara gugus-gugus fungsi
material penyusun komposit berdasarkan kombinasi pita serapan (energi fibrasi)
seperti dalam Gambar 17. Material penyusun komposit sebagian besar didominasi oleh mikrofibril TKKS yang banyak memiliki struktur selulosa dan
matriks polimer PP yang disubstitusi dengan polimer khitosan.
Menurut Bangyekan et al. (2006) secara struktural, khitosan mirip dengan selulosa tetapi berisi gugus NH2
Hasil uji FTIR dari komposit termoplastik dengan matriks PP dan
mikrofibril selulosa dengan penambahan polimer khitosan memunculkan beberapa
ikatan interfase pada gugus fungsi melalui pita serapan di bilangan gelombang
2130 cm
pada posisi gugus hidroksil C-2. Sehingga
memungkinkan bila ditemukan pita serapan gelombang pada spektra FTIR yang
mirip antara komposit kontrol dengan komposit yang diberi tambahan polimer
khitosan.
-1
(C=C), regangan gugus amin (N-H) pada gelombang 1638 cm-1 yang
menunjukkan kehadiran khitosan dan gugus aromatik (C-H) pada gelombang
2922 cm-1
Dalam spektra FTIR juga ditemukan regangan C-N pada gelombang 1460
cm
.
-1
dan regangan gugus hidroksil (OH-) pada gelombang 3425 cm-1 yang
gugus polar dari polimer PP. Untuk gugus aril (C-C) ditemukan pada gelombang
1510 cm-1 dan vibrasi cincin lignin guaiasil (C-O) pada gelombang 1114 cm-1.
Gambar 17. Spektra FTIR dari komposit kontrol (11 VII 12) dan komposit dengan penambahan polimer khitosan pada variasi ukuran khitosan 20-40 mesh
(13 VII 12), 10 mesh (14 VII 12) serta 6-8 mesh (12 VII
12)
Munculnya pita serapan dalam besaran gelombang yang tersebut diatas
merupakan hal yang cukup banyak ditemukan pada komposit yang menggunakan
bahan selulosa serat alam, matriks PP dan khitosan. Beberapa penelitian tersebut
antara lain yang dilakukan oleh Almeida et al. (2010) yang menunjukkan bahwa komposit film khitosan dengan selulosa sisal memiliki pita serapan gelombang
dari gugus amino di area 3400-3500 cm-1 yang ditutupi juga oleh pita serapan
gugus –OH, regangan gugus C-H pada gelombang 2929 cm-1 dan 2888-2860 cm-1
serta pita gelombang 1660 cm-1 (C=O) untuk amida I dan 1631 cm-1 (N-H) untuk
amida II sebagai indikasi hadirnya polimer khitosan.
