SIFAT MEKANIK DAN ANALISA GUGUS NATURAL BINDER (
POLIURETHANE ALAM ) MELALUI ISOLASI LIGNIN SERBUK KAYU
SEMBARANG
ABSTRACT
Telah dilakukan penelitian pembuatan poliurethane alam dari isolasi lignin kayu sembarang, hasil menunjukkan bahwa ada peningkatan sifat mekanik dengan bertambahnya kadar toluena diisosianat, perbandingan isosinat yang baik adalah 2 : 1. Pengujian gugus C=O dari poliurethane alam menggunakan Forier Transform infra red spektroscopy dan terlihat gugus urthane dari C=O pada panjang gelombang 2270,20 cm-1.
Key word : lignin dan poliurethane alam ,‘
A. Pendahuluan
Sejalan dengan perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi saat ini, banyak bahan-bahan daur ulang yang dapat dimodifikasi menjadi barang-barang yang sangat bermanfaat bagi masyarakat. Dengan melihat kenyataan ini banyak ilmuwan dan peneliti di bidang kimia polimer mencari dan memodifikasi fungsionalisasi barang-barang bekas menjadi bernilai tinggi, dan telah banyak dihasilkan barang-barang kebutuhan manusia yang bernilai tinggi dari modifikasi tersebut, mulai dari perkakas rumah tangga, bahan bangunan, otomotif, alat industri kecil hingga alat industri berat.
Gugus hidroksil dari senyawa poliol sangat penting peranannya dalam membentuk polimer poliuretnae, oleh karena itu belakangan ini banyak peneliti telah melirik bahan baku yang banyak mengandung gugus hidroksil. Salah satu yang berkembang adalah pembuatan poliol alam dari tumbuh-tumbuhan.
Lignin dari kayu dapat digunakan sebagai natural binder atau poliurethane alam dengan harga yang relatif lebih murah dengan memanfaatkan sebuk gergajian kayu sembarang, karena diperkirakan serbuk gergajian kayu tersebut mengandung lignin yang dapat diisolasi dengan menggunakan metoda ekstraksi dan isolasi. Berbagai penelitian belakangan ini yang telah menggunakan bahan binding Wax dalam pembuatan aspal telah diteliti oleh Geopani Pallaco (2012), yang menyatakan bahwa perekat wax dapat meningkatkan sifat kekerasan aspal secara signifikan, dilain pihak dimodifikasi aspal dengan Polymer MDI reaktif untuk meningkatkan suhu yang lebih tinggi (600C) dari sampel yang dihasilkan telah juga diteliti oleh M.J. Martin-Alfonso,( 2008). Juga Demitrizol telah digunakan untuk peningkatan kekuatan aspal oleh Pelliang Cong (2012) dan karet alam dengan ikatan silang rendah telah juga dimodifikasi dengan aspal M.Eskandari (2009). Untuk menurunkan udara mkosong pada pengaspalan juga telah diteliti oleh Kyung Eui Min (2013) dengan mencampurkan aspal dengan polyoctenamer- karet melalui metode blending.
Disisi lain sintesis poliuretan, dapat dilakukan dengan lignin isolat yang direaksikan dengan diisosianat (TDI). Dimana dengan adanya diisosianat berlebih dari poliuretan hasil sintesis dapat direaksikan langsung dengan aspal yang kemudian digabungkan dengan agregat untuk pembuatan aspal modifier dan juga membentuk semi polimer jaringan
alam yang nantinya dapat digunakan sebagai penguat aspal. Diharapkan dalam penelitian ini pemanfaatan dan penggunaan lignin isolat dari kayu sembarang yang ditambahkan dengan toluena diisosianat untuk membentuk rantai uretan telah diperoleh peningkatan sifat mekanik dan thermal serta kehomogenan yang baik.
B. Cara Kerja
Preparasi Sampel
Serbuk kayu sembarang dikeringkan dan digiling, hasil gilingan dalam bentuk serbuk dengan ukuran 80 mesh. Ekstraksi dan isolasi dilakukan dengan menggunakan metoda Klason. Prosedur metoda Klason adalah :
1. Menimbang 1 ± 0,1 gram contoh kayu.
2. Mengekstraksi contoh kayu dengan etanol : benzene dengan perbandingan 1:2 selama 8 jam. Kemudian dicuci dengan etanol dan air panas lalu dikeringkan dalam oven pada suhu 105ºC.
3. Memindahkan contoh kayu kedalam gelas piala 100 ml dan menambahkan asam sulfat 72% ssebanyak 15 ml. Penambahan dilakukan secara perlahan-lahan di dalam bak perendaman sambil dilakukan pengadukan dengan batang pengaduk selama 2-3 menit.
4. Setelah terdispersi sempurna, menutup gelas piala dengan kaca arloji dan dibiarkan pada bak perendaman selama 45 menit dan sekali-kali dilakukan pengadukan.
5. Aqudest sebanyak 300-400 ml dimasukkan ke dalam Erlenmeyer 1000 ml dan contoh dipindahkan dari gelas piala secara kuantitatif. Kemudian larutan diencerkan dengan aquadest samapai volume 575 ml sehingga konsentrasi H2SO4 3%.
6. Larutan dipanaskan sampai mendidih dan dibiarkan selama 1 jam dengan pemanasan tetap dan dapat digunakan pendingin balik.
7. Kemudian membiarkanya sampai endapan lignin mengendap sempurna.
8. Larutan didekantasi dan endapan lignin dipindahkan secara kuantitatif kecawan atau kertas saring yang telah diketahui beratnya.
9. Endapan lignin dicuci sampai bebas asam dengan aquadest panas, kemudian diuji dengan kertas pH universal. 10. Cawan masir atau kertas saring beserta endapan lignin dikeringkan dalam oven dengan suhu 105ºC.
11. Untuk cara ini rendemen lignin dihitung dengan cara,
4.4.1.2.1 Kadar Kemurnian Lignin (Metoda Klason)
Ke dalam gelas piala ukuran 100 ml dimasukkan sebanyak 0,5 gram lignin yang telah dikeringkan dalam oven pada suhu 105ºC selama 4 jam. Kemudian dilarutkan dengan 15 ml H2SO4 72% dengan perlahan-lahan dan sambil
diaduk dengan batang pengaduk selama 2-3 menit. Menutup dengan kaca arloji dan biarkan selama 2 jam. Hasil reaksi dipindahkan dalam labu erlenmeyer ukuran 500 ml. Diencerkan dengan aquadest sampai 400 ml, lalu direfluks selama 4
4.4.1.2.2 Penentuan Bilangan Hidroksi Pada Lignin
Analisis ini dilakukan terhadap isolat lignin yang diisolasi dari kayu pinus merkusii (Pinus merkusii jungh et
de vriese). Adapun cara kerja penentuan bilangan hidroksi adalah sebagai berikut.
1. Botol tahan tekanan dan panas disiapkan seperlunya untuk penentuan blanko dan sampel.
2. Dipipet 20 ml reagent asetilasi yang dibuat dengan mencampurkan 127 ml asam asetat anhidrat dengan 1000 ml piridin.
3. Dua buah botol disiapkan untuk penentuan blanko dan kedalam botol lain dimasukkan sejumlah sampel sebanyak 5 gram.
4. Botol-botol tersebut ditutup dan dikocok hingga sampel tersebut larut.
5. Masing-masing botol diletakkan pada posisi yang sesuai dalam penangas minyak pada suhu 98ºC selama 1 jam (diusahakan minyak yang ditambahkan dalam bath sesuai dengan tinggi permukaan larutan dalam botol.
6. Botol – botol tersebut dikeluarkan dari bath dan dibiarkan hingga botol-botol itu dingin pada temperature kamar. 7. Bilas dengan hati-hati larutan pada penutup botol, dibilas pada dinding flask, sekitas 10-15ml aquadest.
8. Pada masing-masing botol ditambahkan potongan es yang bersih hingga sekitar setengahnya.
9. Setelah selesai didinginkan, tambahkan 2-3 tetes larutan indikator PP dan dititrasi segera dengan larutan NaOH yang terlebih dahulu distandarisasi hingga titik akhir titrasi yang ditandai oleh larutan berwarna pink.
10. Mencatat volume NaOH yang digunakan pada titrasi
Pembuatan Polurethane alam
Pembuatan poliurethane alam dilakukan dengan perbandingan lignin hasil isolasi serbuk kayu sembarang dengan bahan reakstif toluena diisosianat dengan perbandingan 1:1 dan 2 : 1.
Setelah terbentuk poliurethane alam dibuat spisimen sesuai ASTM D-146. untuk pengujian sifat mekanik dan untuk uji permukaan dan uji perubahan gugus dilakukan dengan FT-IR.
C. Hasil dan Pembahasan
Analisis Uji Tarik ( t) dan kemuluran ( ) dari Poliblen
Tabel 5.3. Uji Tarik Terhadap Campuran lignin dan PEG dengan isosianat 1:1 (isosianat = 1 dan poliol (ligin + PEG)= 1
Sampel Load Stroke
(mm/menit) lignin (%) Polietilen glikol ( %) (Kg.f) (N/m2)
9 8 7 6 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0,38 0,65 0,70 0,77 0,80 0,84 0,88 1,40 3,38 0,37 x 106 0,64 x 106 0,69 x 106 0,76 x 106 0,79 x 106 0,82 x 106 0,86 x 106 1,37 x 106 3,32 x 106 61,66 62,02 64,45 66,22 80,41 70,70 96,14 120,50 130,05
Tabel .1. Uji Tarik Terhadap Campuran lignin dan PEG dengan isosianat 2:1 (isosianat = 2 dan poliol (ligin + PEG)= 1
Sampel Load Stroke
(mm/menit)
Lignin (%) Polietilen glikol (Kg.f) (N/m2)
9 8 7 6 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0,42 0,69 0,78 0,88 0,89 0,90 0,98 1,47 3.48 0,47x 106 0,68 x 106 0,73 x 106 0,84 x 106 0,88 x 106 0,92 x 106 0,86 x 106 1,37 x 106 3,32 x 106 66,66 64.02 68,45 70,22 85.41 88,70 99,14 126,50 134,05
Campuran isosianat 2 : 1 dengan poliol yang dalam penelitian ini adalah gabungan antara lignin dan polietilen glikol 1 persen menghasilkan dikekuatan tarik yang lebih baik ini dikarenakan isosianat jauh lebih banyak dibandingkan dengan poliol dari campuran lignin dan polietilen glikol, akan tetapi dalam perbandingan ini penambahan lihgin cendrung menambahkan sifat mekanik ini mungkin lignin mengandung banyak gugus hidroksil dan sehingga jumlah berat molekul dari gabungan poliol ini semakin banyak atau tinggi . Sedangkan untuk perbandingan isosianat 1 dan poliol 1 sifat mekanik jauh lebih kecil . Hal ini sesuai dengan sifat reologi yang dijelaskan oleh Sperling 2006.
Analisa dengan spektrum infra merah ini dilakukan dengan cara mengamati frekuensi-frekuensi yang khas dari gugus fungsi spektra FTIR masing-masing sampel. Hasil spektra FTIR yang dihasilkan dapat dilihat pada gambar 4.1. Bilangan gelombang FTIR lignin isolat dapat dilihat pada tabel 4.6.
Tabel 5.1 Pita Serapan FTIR Lignin Isolat dari Kayu serbuk sembarang
Sampel Kedudukan (cm-1) Pita serapan asal
Lignin Isolat dari Kayu Serbuk sembarang
3450-3400 Rentangan OH
2940-2820 Rentangan metil dan metilen 1715-1710 Rentangan C=O tak terkonjugasi 1675-1660 Rentangan C=O terkonjugasi 1605-1600 Vibrasi cincin aromatik 1515-1505 Vibrasi cincin aromatik 1470-1460 Deformasi C-H (asimetri) 1430-1425 Vibrasi cincin aromatik 1330-1325 Vibrasi cincin siringil 1270-1275 Vibrasi cincin quaiasil 1085-1030 Deformasi C-H2 C-O
Pita serapan infra merah lignin isolate dari serbuk sembarang yang paling karakteristik terdapat pada sekitar 1510 cm-1 dan 1600 cm-1 (vibrasi cincin aromatik). Daerah bilangan gelombang yang di sebut pertama miskin dalam pita-pita tambahan dan karena itu dapat digunakan untuk mengkaji adanya lignin dalam sedian-sedian yang tak diketahui.
Hubungan yang berbeda antara intentitas pita-pita serapan pada 1520 cm-1dan 1600 cm-1 dapat digunakan untuk membedakan lignin kayu lunak dan kayu keras. Dalam senyawa model siringil tak terkonjugasi dan lignin kayu keras. Intentitas pita-pita serapan tersebut hampir sama, sedangkan dalam senyawa quaiasil tak terkonjugasi dan lignin
Identifikasi spectrum poliuretan menunjukkan bahwa pada bilangan gelombang 3292,66 cm-1 untuk gugus N-H terikat, 2872,23 cm-1 untuk gugus rentangan CH2 dan CH3 , 1715 cm-1 untuk gugus rentangan C=O tak terkonjugasi dan
1675 cm-1 untuk gugus rentangan C=O terkonjugasi, pita tajam pada 1515 cm-1 menunjukkan gugus amida CO-NR (monosubstitusi).
Ciri khas terbentuknya poliuretan dapat dilihat pada spectrum FTIR dengan hilangnya puncak NCO pada bilangan gelombang 2280 cm-1, karena gugus tersebut telah bereaksi dengan gugus OH dari poliol lignin isolate dari kayu serbuk sembarang.
Tabel 5.2 Pita Serapan FTIR Poliuretan
Sampel Kedudukan (cm-1) Pita serapan asal
Poliuretan 3295-3280 Gugus N-H terikat
2940-2820 Rentangan metil dan metilen 1715-1710 Rentangan C=O tak terkonjugasi 1675-1660 Rentangan C=O terkonjugasi 1605-1600 Vibrasi cincin aromatik
1515-1505 Gugus amida CO-NR
1470-1460 Deformasi C-H (asimetri) 1430-1425 Vibrasi cincin aromatik 1330-1325 Vibrasi cincin siringil 1270-1275 Vibrasi cincin quaiasil 1085-1030 Deformasi C-H2 C-O
D. Kesimpulan
1. Bahwa pembuatan poliurethane alam dengan kandungan isosianat berlebih dengan campuran lignin dan polietilen glikol ( 9 %) atau 2 : 1 diperoleh sifat mekanik jauh lebih baik.
2. Bahwa lignin hasil isolasi untuk membentuk poliol alam dapat digunakan untuk pembuatan poliurethane alam
Ucapan terima kasih.
Terima kasih kepada kepala Laboratorium polimer yang telah memberi fasilitas dalam penyelesaian penelitian ini dan juga terima kasih kepada lembaga penelitian Dikti dan USU yang telah memberikan dan melalui dana hibah bersaing tahun ajaran 2013.
E. DAFTAR PUSTAKA
Bandrup, J, immergut, (1998), Polimer Handbook, John Willey and Sons, Inc, Canada.
Bilmeyer,J.R., (1989), Text Book of Polymer Science, Third Edition, John Willey and Sons, New York.
Cowie, J., (1973), Polymer ChemistryPhusics of Modern Materials, International Textbook Company, Glasgow. Edward, G.,(1978), Applications of Polymer Spectroscopy, Academic Press, NewYork.
Klempner, D., (1990), Advance in Interpenetrating Polimer Networks, Volume II, University of Detroit, New Holland, USA.
Sperling, L., (1982), Introduce to physical Polymer Science, John Willey and Sons, New York. Spilane, J.J., (1989), Komoditi Karet, Kanisius,Yogyakarta.
Stanley, R., (1997). Polimer Syntesis, volume II, Academic Press, New York. Frisch, K. C. 1974. J. Appl. Pol. Sci. 22. 1143-1152.
Frisch. 1973. Advance in Urethan. Sci. and Tech. Vol.1 Technomick Publishing Co.
Frisch, K. C. and Pizzi. Wood Adhesive Chemistry and Technology. Vol. 1. New York: Ed. Marcel Deker. Hal: 289-317.
Frisch, K. C. 1969. Fundamental Chemistry and Catalysis of Polyurethane. Dalam Gunter Oertel. Polyurethane Handbook, Munich Vienna. New York: Hanser Publisher. Hal. 19-22.
Co. Frazier. C. E., Chairman. 1996. Characterization of The Wood –Isocyanate Wood Adhesive Bondine. Disertation, PhD. Virginia Huterman, A., Mai, C., dan Kharazipour, A. 2002. Modification Of Lignin For Production Of New
Compouded Materials. Abteilung for Techniche Mycology, Institut fur Forstbotanik der Universitat,
Busgewineg 2, 37077 Gottingen, Germany. Polytechnic Institute and Stae University.
Frisch, K. C. and Pizzi. Wood Adhesive Chemistry and Technology. Vol. 1. New York: Ed. Marcel Deker. Hal: 289-317.
Frisch, K. C. 1969. Fundamental Chemistry and Catalysis of Polyurethane. Dalam Gunter Oertel. Polyurethane Handbook, Munich Vienna. New York: Hanser Publisher. Hal. 19-22.
Barbara, L. I., Vina W., Yang and Les F. May 14 – 19, 2000. Bioprocessing Preservative-Treated Waste Wood. Forest Products Laboratory Madison, WI 53705. Prepared for the 31st Annual Meeting. Kona, Hawaii USA.
Bunichiroo, T., Hse, C. Y. 1998. Phenol – Urea – Formaldehyde (Puf) Co- Condensed Wood Adhesives. J. International Journal Adhesion & Adhesives 18: 69-79.
Cihat, T., Goodell, B., Anido, R. L. 2003. Bond Durability Characterization Of Preservative Treated Wood And
E-Glass/ Phenolic Composite Interfaces. J. Composites Science and Technology. 63: 979-991.
Durga, P. 2005. Adsorption Of Heavy Metals On Crosslinked Lignocatechol: A Modified Lignin Ge”. J. Reactive and Functional Polymer. 62: 129-139.
Frazier, C. E., Jianwen N. 1998. On The Occurrence Of Network Interpenetration In The Wood-Isocyanate Adhesives
Interphase. J. International Journal Adhesion & Adhesives 18: 81-87.
Hill, C. A. S., Cetin, N. S. 2000. Surface Activation Of Wood For Graft Polymerization. J. International Journal Adhesion & Adhesives 20: 71-79.
