Pengaruh (3-Glycidyloxypropyl) trimethoxysilane Sebagai Hybrid Filler
Terhadap Sifat Mekanik dan Water Adsorption Biokomposit Recycle
Polipropilena/Serat Tandan Kosong Kelapa Sawit
Ozi Adi Saputra
1*, Wahyu Eko Prasetyo
1, Edi Pramono
1, Desi Suci Handayani
1,Kurnia
1, Septi Pujiasih
1and Ichsan Arifagama
11Jurusan Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Sebelas Maret, Jl. Ir. Sutami 36A, Surakarta 57126 Indonesia
*E-mail: [email protected]
ABSTRAK
Telah dilakukan modifikasi biokomposit polipropilena/tandan kosong kelapa sawit (PP/TKS) dengan penambahan (3-Glycidyloxypropyl) trimethoxysilane (GPTMS) sebagai hybrid filler. Metode pembuatan komposit PP/TKS+GPTMS dilakukan dalam xilena mendidih dengan menggunakan benzoil peroksida sebagai inisiator. Analisa FTIR (Fourier Transform Infra Red) menunjukkan adanya pergeseran bilangan gelombang pada spektra komposit PP/TKS+GPTMS dari raw materialnya menunjukkan bahwa adanya interaksi kimia pada masing-masing material. Pengujian mekanik meliputi Tensile Strenght (TS), Elongasi (% E), Modulus Young (MY) dilakukan dengan mengacu pada metode ASTM D-638. Keberadaan 20% GPTMS dalam biokomposit PP/TKS ternyata mampu meningkatkan nilai TS maupun MY masing-masing 13,17 MPa dan800,3 MPa. Analisa Water Adsorption (WA) menunjukkan keberadaan GPTMS ternyata mampu memperlambat penyerapan air pada biokomposit PP/TKS, akan tetapi mengalami kenaikan %WA pada hari ke-6 perendaman.
Kata Kunci: GPTMS, recycle polipropilena, TKS, biokomposit, hybrid filler
ABSTRACT
Modification of polypropylene/empty fruit bunch (PP/EFB) biocomposites with the addition of (3-Glycidyloxypropyl) trimethoxysilane (GPTMS) as a hybrid filler has been carry out. Manufacturing of PP/EFB+GPTMS composites was performed in the boiling xylene with the presence of benzoyl peroxide as an initiator. FTIR (Fourier Transform Infra Red) analysis showed a shift of wave number in the PP/TKS+GPTMS composites spectra from the raw materials, indicated that a chemical interaction betwen the materiasl. Mechanical testing includes Tensile Strength (TS), elongation (% E), Young's modulus (MY) conducted in accordance with ASTM D-638 method. The presence of 20% GPTMS in PP/EFB biocomposites was able to increase the value of TS and MY by 13.17 MPa and 800,3 MPa, respectively. Water Adsorption (WA) analysis showed the presence of GPTMS was able to slow the absorption of water in PP/EFB biocomposites, but increased significantly on the 6th day of immersion.
Keyword: GPTMS, recycle polypropylene, EFB, biocomposites, hybrid filler PENDAHULUAN
Penggunaan plastik khususnya jenis polipropilena (PP) dalam kehidupan dapat dikatakan meningkat. Data produksi polipropilena pada 2008 mencapai 13,04 juta ton atau 22,0% dari total produksi plastik [1]. Di Indonesia, konsumsi polipropilena sebagai plastik air minum dalam kemasan (AMDK) mencapai 17,9 miliar liter pada 2011 dan diperkirakan akan mengalami peningkatan tiap tahunya [2]. Melimpahnya konsumsi plastik ini akan berdampak pada lingkungan karena polipropilena merupakan plastik non-degradable [3,4]. Oleh karena itu, dalam industri-industri plastik perlu dikembangkan
suatu material plastik yang ramah lingkungan sehingga tidak akan menggangu kelestarian lingkungan.
Penggunaan serat selulosa sebagai filler dalam pembuatan plastik degradable telah banyak dilakukan [5-7]. Penambahan selulosa kedalam matrik polipropilena selain dapat meningkatkan kekuatan mekanik dari material tersebut, juga dapat memberikan efek degradasi pada plastik. Peneliti sebelumnya telah mengembangkan suatu material plastik degradable dengan penambahan filler serat selulosa dari tandan kosong kelapa sawit (TKS) [8]. Keberadaan TKS dalam matrik PP ternyata mampu meningkatkan persentase dari water
adsorbtion. Akan tetapi, kelemahan dari material biokomposit ini adalah peningkatan dari daya penyerapan airnya sangat besar sehingga jika diaplikasikan pada bidang transportasi maupun teknologi packaging maka akan menurunkan waktu pemakaian dari material tersebut. Oleh karena itu, perlu dilakukan modifikasi pada material biokomposit tersebut untuk memperlambat daya penyerapan air sehingga akan memperpanjang daya pakai, selain degradable.
Penggunaan senyawa pore modifier seperti (3- glycidyloxypropyl)trimethoxysilane (GPTMS), perlu dilakukan [9]. Keberadaan senyawa ini dalam biokomposit PP/TKS diharapkan akan memperkecil pori, sehingga akan memperlambat masuknya air dalam sistem sehingga proses pembusukan akan lebih lama. Oleh karena itu, pada penelitian ini akan membahas pengaruh dari penambahan GPTMS sebagai hybrid filler terhadap sifat mekanik maupun water adsorbtion dari biokomposit PP/TKS.
METODE PENELITIAN Bahan
Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah limbah AMDK (Surakarta), serat TKS (LIPI Serpong), (3- glycidyloxypropyl) trimethoxysilane (GPTMS) yang diperoleh dari Sigma Aldrich, p-xylene (Merck), NaOH (Merck), Aseton (Merck), etanol (Merck), maleat anhidrid (Merck), benzoil peroksida (BPO), dan divinil benzene (DVB).
Peralatan
Alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah labu leher tiga, pengaduk magnetik, kompor listrik, penangas minyak, vacum, dan alat-alat gelas lainnya. Sedangkan instrumen yang digunakan adalah FTIR (Fourier
Transform Infra Red) Prestige 21
SHIMADZU, dan UTM (Universal Testing Machine) Ray-Ran M500-50CT.
Prosedur
Preparasi raw material
Limbah AMDK yang diperoleh dibersihkan dan dipotong-potong dengan ukuran 2 x 5 mm2. Sedangkan serat TKS dialkalisasi
dengan larutan NaOH 40% selama 24 jam.
Serat TKS dicuci sampai pH netral dan dikeringkan dalam oven selama 24 jam pada suhu 50 OC.
Pembuatan Master Batch (MB)
biokomposit PP/TKS+GPTMS
Pembuatan MB biokomposit dilakukan dalam xilena mendidih (120-140 OC) selama
1 jam. Adapun komposisi pada pembuatan biokomposit PP/TKS+GPTMS ditunjukkan oleh Tabel 1. Sebanyak 70% w/w limbah PP dimasukkan kedalam reaktor sampai meleleh dan diikuti dengan penambahan BPO sebagai oksidator dan DVB sebagai crosslink agent. Setelah melarut, 30% w/w serat TKS serta variasi GPTMS (0, 5, 10, 15 dan 20% terhadap berat total) ditambahkan ke dalam sistem.
Tabel I. Komposisi pembuatan biokomposit
PP/TKS+GPTMS Formula Not-asi Komposisi (%) PP TKS GPTMS PP/TKS F1 70 30 0 PP/TKS+GPTM S5% F2 70 30 5 PP/TKS+GPTM S10% F3 70 30 10 PP/TKS+GPTM S15% F4 70 30 15 PP/TKS+GPTM S20% F5 70 30 20 Pembuatan Biokomposit PP/TKS+GPTMS Pembuatan biokomposit dilakukan dalam Hot Press Hydraulic dengan suhu percetakan 180 OC dan tekanan ± 120 Bar. Sebanyak ±
10 gram MB diletakkan dalam cetakan kemudian dilakukan proses pre-heating selama 3 menit. Setelah meleleh, MB dicetak selama 10 menit dan dilanjutkan dengan proses pendinginan sampai temperatur dibawah 80 OC.
Karakterisasi-karakterisasi Biokomposit PP/TKS+GPTMS
Karakterisasi yang dilakukan adalah analisis gugus fungsi dengan FTIR, dimana masing-masing raw material (PP, TKS dan GPTMS) dan biokomposit PP/TKS+GPTMS dianalisis dengan menggunakan serbuk KBr sebagai background.
Analisa sifat mekanik meliputi tensile strength (TS), % elongasi (%E) dan modulus
young (MY) dilakukan dengan menggunakan UTM Ray-Run M500-50CT. Data yang diperoleh berupa gaya perpatahan (N) dan elongasi saat perpatahan (mm) dioleh dengan mengikuti metode ASTM D-638 untuk memperoleh data TS (MPa), E (%) dan MY (MPa).
Pengujian Water Adsorbtion (WA) dilakukan untuk mengetahui pengaruh GPTMS terhadap penyerapan air pada biokomposit PP/TKS. Sampel ditimbang untuk mengetahui berat awal (Wo), kemudian direndam dalam air. Perubahan berat dari sampel (ΔW) dicatat setiap 24 jam sampai dengan 6 hari. Hasil yang diperoleh kemudian dioleh dengan persamaan 1 untuk mendapatkan nilai WA (%).
% 𝑊𝐴 =∆𝑊
𝑊𝑜× 100% (1)
HASIL DAN PEMBAHASAN
Analisis Gugus Fungsi
Analisa kualitatif dengan menggunakan FTIR bertujuan untuk mengetahui terbentuknya biokomposit PP/TKS maupun PP/TKS+GPTMS dengan melihat munculnya atau hilangnya serapan pada bilangan gelombang tertentu atau terdapatnya pergeseran bilangan gelombang dari spektra raw materialnya. Teknik analisa ini telah banyak digunakan untuk mengetahui secara kualitatif perekatan alami dari suatu komposit [10,11].
Gambar 1. Menunjukkan spektra FTIR dari biokomoposit PP/TKS (A). Adanya pergeseran dari serapan hidroksi pada TKS menjadi 3445,01 cm-1 dan pergeseran
serapan khas –CH streaching dari PP pada rentang 2839,34 sampai 2960,86 cm-1
menunjukkan bahwa secara analisa kualitatif biokomposit PP/TKS telah terbentuk.
Gambar. 1 Spektra FTIR (A) PP/TKS, (B)
PP dan (C) TKS
Gugus siloksan (Si-O) pada GPTMS memiliki serapan di bilangan gelombang 910,44 cm-1. Akan tetapi, pada spektra
biokomposit yang ditunjukkan oleh Gambar 2. terjadi pergeseran bilangan gelombang menjadi 889,83 cm-1.
Gambar. 2 Spektra FTIR (A)
PP/TKS+GPTMS dan (B) GPTMS.
Terjadinya pergeseran bilangan gelombang ini dimungkinkan karena adanya interaksi kimia antara GPTMS dengan gugus hidroksi pada TKS sehingga menyebabkan terdapatnya pergeseran kimia dari gugus siloksan. Gambar 3. menunjukkan kemungkinan interaksi kimia dari gugus hidroksi pada TKS dengan gugus oksirena pada GPTMS.
Gambar. 3 Prediksi kemungkinan interaksi
kimia TKS dengan GPTMS
Sifat Mekanik komposit PP/TKS+GPTMS
Analisa sifat mekanik meliputi Tensile Strength (TS), Elongasi (%E), dan Modulus Young (MY) dilakukan untuk mengetahui pengaruh dari penambahan GPTMS sebagai hybrid filler pada biokomposit PP/TKS. Tabel 2. menunjukkan karakter mekanik dari biokomposit PP/TKS dengan penambahan GPTMS.
Tabel II. Sifat mekanik komposit
PP/TKS+GPTMS Not-asi Sifat Mekanik TS (MPa) E (%) MY (MPa) F1 9,74 ± 0,52 0,46 ± 0,004 349,3 ± 20,95 F2 11,49 ± 1,18 0,32 ± 0,052 607,4 ± 51,15 F3 11,56 ± 0,80 0,34 ± 0,009 565,8 ± 54,74 F4 8,79 ± 0,69 0,23 ± 0,018 645,9 ± 1,69 F5 13,17 ± 0,66 0,28 ± 0,061 800,3 ± 113
Adanya penambahan GPTMS pada biokomposit PP/TKS berdampak pada nilai TS, % E dan MY. Secara umum, peningkatan konsentrasi GPTMS menyebabkan nilai TS maupun MY juga semakin meningkat. Hal ini terjadi karena jaringan siloksan pada biokomposit PP/TKS dapat mengalami croslinking sehingga akan meningkatkan sifat mekanik dari material tersebut [12, 13]. Keberadaan jaringan siloksan dalam sistem juga berdampak pada elastisitas dari material biokomposit PP/TKS. Adanya senyawa crosslinking dalam komposit akan menyebabkan kekakuan pada komposit tersebut meningkat, sehingga dapat menurunkan elastisitas dari material [14].
Sifat Water Adsorption (WA) Komposit PP/TKS+GPTMS
Gambar 2. Menunjukkan persentase kemampuan biokomposit PP/TKS dalam menyerap air. Keberadaan GPTMS ternyata mampu memperlambat penyerapan air pada biokomposit PP/TKS. Akan tetapi, setelah dilakukan perendaman pada hari ke-6 terjadi peningkatan drastis terhadap persentase Water Adsorption. Hal ini dimungkinkan karena akibat struktur jaringan siloksan tidak mampu lagi untuk menahan masuknya air pada biokomposit, sehingga pada tingkat kelembapan yang sangat ekstrim terjadi peningkatan yang ekstrim pula.
Gambar. 4 Grafik %WA terhadap lama
perendaman.
KESIMPULAN
Modifikasi biokomposit PP/TKS dengan penambahan hybrid filler GPTMS ternyata mampu meningkatkan TS maupun MY, akan tetapi berdampak pada penurunan %E. Selain itu, keberadaan GPTMS juga mampu memperlambat penyerapan air pada biokomposit PP/TKS, tetapi tetap memberikan sifat degradable pada plastik tersebut. Fakta ini dapat menjadikan komposit PP/TKS+GPTMS memiliki potensi untuk diaplikasikan pada bidang transportasi maupun teknologi packaging.
UCAPAN TERIMA KASIH
Terimakasih kami ucapkan kepada Direktorat Jenderal Perguruan Tinggi (Dikti) atas kepercayaannya kepada kami untuk mendanai penelitian kami ini. Kami menyadari bahwa tanpa ada bantuan dalam bentuk materi ini, penelitian ini tidak akan berlangsung.
1. Anonim, 2009, Plastic Waste Management Institute, Japan.
2. Karina, S., 2012, okezone.com, 02/052015.
3. Deng, H., Reynolds, C.T., Cabrera, N.O., Barkoula, N.M., Alcock, B., dan Peijs, T., 2010, Composites: Part B. 41, 268-275. 4. Pudjiastuti, Wiwik, Listyarini, A., dan
Sudirman, 2012, Jurnal Riset Industri, 6, 1, 51-60.
5. Mohanty, A. K., Khan, M. A., and Hinrichsen, G., 2000, Composites Science and Technology, 60, 1115-1124. 6. Du, Y., Zhang, J., Xue, Y., Lacy Jr, T. E., Toghiani, H., Horstemeyer, M. F., and Pittman Jr, C. U., 2010, Forest Products Journal. 60, 514-521.
7. Bledzki, A. K., Fink, H. P., and Specht, K., 2004, Journal of Applied Polymer Science, 93, 2150-2156.
8. Saputra, O. A., Pramono, E., Rinawati, L., Mustofa, R. E., and Susanti, T. D., Alchemy, In Progress
9. Chao, A. C.. 2008, Journal of Membrane Science, 311, 306–318.
10. Osman, H., Ismail, H., Mustapha, M., 2010, Journal of Composite Materials, 44, 12, 1477-1491.
11. Felix, J. M., Gatenholm, P., 1991, Journal of Applied Polymer Science, 42, 609-620 12. Gireesh, K. B., Jena, K. K., Allaudin, S., Radhika, K. R., Narayan, R., dan Raju, K. V. S. N., 2010, Progres in Organic Coating, 68, 165-172.
13. Lee, T. J., Kwon, S. H., Kim, B. K., 2014, Progress in Organic Coating, 77, 1111-1116.
14. Barletta, M., Pezzola, S., Puopolo, M., Tagliaferri, V., dan Vesco, S., 2014, Material and Design, 54, 924-933.
