BAB 1 PENDAHULUAN
1.1 Latar belakang
Perekat atau adesif adalah suatu zat atau bahan yang memiliki kemampuan untuk mengikat dua buah benda berdasarkan ikatan permukaan (Blomquist, dkk., 1983; Forest Product Society, 1999). Adesif menjadi bagian yang tidak terpisahkan dari kehidupan modern saat ini. Aktifitas pengepakan, pembangunan, automobil, kedokteran gigi, medis, barang–barang konsumer, dan industri makanan. Semua aktifitas tersebut mengandalkan sepenuhnya pada material adesif. Penggunaan adesif dalam teknologi hingga hari ini terus tumbuh dengan cepat di seluruh dunia dan penelitian dalam pengetahuan polimer terus berkembang pesat, untuk menghasilkan berbagai ragam adesif baru (Hon dan David, 2003). Adesif merupakan salah satu bahan utama yang sangat penting dalam industri pengolahan kayu, khususnya komposit. Dari total biaya produksi kayu yang dibuat dalam berbagai bentuk dan jenis kayu komposit, lebih dari 32% adalah biaya perekatan (Sellers, 2001). Adesif selalu bermasalah. Pati dan protein yang menjadi pilihan utama sebagai bahan adesif memiliki kesulitan untuk bertahan dalam jangka panjang terutama terhadap air dan jamur (Lambuth, 2003).
Adesif alami merupakan alternatif pengganti adesif berbahan dasar minyak dan gas bumi tetapi sifat perekatannya masih kurang baik. Adesif berbahan formaldehid merupakan adesif sintetis yang bahan bakunya diperoleh sebagai hasil olahan minyak dan gas bumi yang tidak dapat diperbaharui. Formaldehid dapat menyebabkan emisi formaldehid yaitu reaksi alergi manusia terhadap bahan kimia yang terdapat pada material konstruksi terutama formaldehid atau zat kimia lain sebagai bahan adesif yang diaplikasikan pada bangunan atau perabot. Adesif berbahan dasar minyak dan gas bumi seperti formaldehid memiliki sifat perekatan
2
yang baik tetapi ketersediaannya semakin terbatas dan sebagian mengandung zat kimia yang dapat menyebabkan pencemaran lingkungan (Maloney, 1993).
Pengutamaan pemanfaatan bahan baku dari alam daripada bahan baku sintetis merupakan isu lingkungan yang sudah lama berkembang termasuk pengembangan bahan baku adesif. Hal ini berkaitan dengan beberapa kelebihan bahan baku alam seperti lebih ramah lingkungan dan potensinya yang cukup banyak dan dapat diperbaharui. Saat ini kecendrungan pengembangan adesif adalah adesif yang sedikit atau tidak mengandung formaldehid serta perekat yang sedikit atau tidak menggunakan pelarut berbahan dasar air sehingga dampak negatif terhadap lingkungan akan berkurang. Penelitian dan pengembangan mengenai adesif terus dilakukan untuk mengeksplorasi adesif alami baru yang kualitasnya tinggi dan dampak negatif terhadap lingkungan yang rendah. Kelemahan adesif sintetis seperti urea formaldehid (UF), phenol formaldehid (PF), dan melamin formaldehid (MF) adalah ketersediaan sumber bahan baku adesif yang semakin berkurang dan timbulnya emisi formaldehid dari produk material hasil perekatan terhadap lingkungan. Emisi formaldehid dapat menyebabkan gejala pusing, sakit kepala, dan insomnia. Karena kegiatan pembangunan minyak dan gas bumi yang terus-menerus maka kemungkinan sumber minyak dan gas bumi semakin lama semakin berkurang bahkan habis sehingga perlu bahan pengganti dalam pembuatan adesif (Umemura, 2006).
Santoso (1995) menggunakan lignin sebagai bahan baku adesif dengan kadar metoksil dan kadar abu rendah namun memiliki kadar hidroksil fenolik yang cukup besar. Lignin dengan ciri tersebut di atas dapat dibuat sebagai bahan adesif dengan formaldehid melalui reaksi hidroksimetilasi untuk mengurangi ketergantungan terhadap kebutuhan adesif sintesis sebagai hasil olahan asal minyak bumi yang merupakan sumber daya tidak terbarukan, mengurangi pencemaran lingkungan, dan menekan biaya adesif. Santoso (2010) juga memanfaatkan lignin dan tanin untuk bahan alternatif adesif kayu. Lubis (2012) menggunakan tepung pati yang berasal dari tumbuh-tumbuhan seperti jagung, kentang, singkong, sagu, gandum, beras, dan
3
kedelai sebagai adesif. Gunorubon (2012) menggunakan boraks untuk menghasilkan adesif berbasis pati ubi kayu.
Pati memiliki sifat hidrofobik yang tinggi. Peningkatan sifat mekanik seiring dengan peningkatan gaya adesi sehingga permukaannya berinteraksi dan terikat dengan matriks. Sifat hidrofobik yang tinggi menjadi masalah dalam hal kompatibilitas dan adesi dengan serat selulosa (Mahlberg dan Paajanen, 2001). Hal ini menyebabkan komposit tidak kuat karena sifat mekanik (kompatibilitas) rendah. Menurut Rowell (2004) dan Schut (1997) bahwa kompabilitas yang rendah disebabkan gaya adesi antara matriks dan pengisi (serat selulosa) tidak kuat karena sifat kepolarannya berbeda. Sedangkan menurut Laurent (1996), Chang dan Simonsen (2006) bahwa adesi yang terjadi antara gugus hidrofilik yang polar (serat selulosa) dan gugus hidrofobik matriks polimer yang non polar (pati sagu batang sawit) menjadi masalah untuk proses pengolahannya. Karkmaker (1991) mengatakan bahwa lignoselulosa yang hidrofilik tidak dapat menempel dengan baik dengan matriks yang hidrofobik.
Nanokomposit dapat meningkatkan ketahanan dan permeabilitas. Prinsip dari pembuatan nanokomposit adalah adanya ikatan-ikatan yang terjadi antara atom C, O, dan atom lainnya karena ikatan sudah dilakukan mulai dari ukuran nanometer sehingga akan menghasilkan material yang lebih kuat pada saat menjadi material yang berukuran besar (Subiyanto, 2006). Ada 2 (dua) material mendasar penyusun komposit yaitu matriks dan penguat. Fungsi utama matriks adalah melindungi komposit dari gangguan luar berupa tekanan, suhu, mentransfer beban yang diterima komposit kepada penguat yang digunakan sehingga membuat material lebih kuat, dan mengikat penguat sesuai dengan yang diinginkan. Bahan yang biasa digunakan sebagai penguat adalah serat, baik serat alami maupun serat sintetis (Pandey, dkk., 2009).
Pada tahun 1985 lebih dari 1,6 milyar kg pati digunakan sebagai bahan adesif Hal ini menjadikan pati sebagai material adesif yang sangat penting (Hon dan David, 2003). Tanaman sawit yang berusia 25 tahun akan diremajakan sehingga
4
menimbulkan limbah organik dari pohon sawit. Untuk mengurangi dan juga memberi nilai tambah pada batang maupun tandan kosong sawit tersebut berbagai upaya telah dilakukan termasuk memanfaatkan sagu dari batang sawit menjadi bahan adesif organik. Limbah dari batang sawit tersebut jika dibakar maka akan mencemarkan udara dan dapat menyebabkan peningkatan pemanasan global.
Limbah padat pohon sawit berupa batang/kayu sawit dan pelepah kelapa sawit yang dihasilkan masing-masing 2.257.281 dan 514.480 ton/tahun. Pada tahun 2006-2010 ada kenaikan areal tanaman kelapa sawit yang diremajakan yaitu rata-rata setiap tahunnya 89.965 Ha (Ridwansyah, 2006). Pada batang sawit terdapat pati sagu sebesar 4,7% dengan kadar air 10,65% dari total 2 meter pertama dari pucuk batang sawit. Komposisi pati sawit memiliki kadar lemak 0,37%, abu 0,68%, dan serat 1,78%, kandungan amilosanya 28,76%. Pati sawit memiliki suhu gelatinisasi 72oC dan derajat putihnya 83,02%. Kejernihan pasta 15,4%T lebih kecil dari pati komersial. Pola amilografi pati sawit dikategorikan pati normal, memiliki viskositas akhir yang lebih tinggi dari pati komersial yang mengindikasikan pati sawit lebih mudah mengalami retrogradasi dan sangat baik diaplikasikan sebagai bahan adesif (Ridwansyah dkk., 2012). Ekstraksi pati sawit tidak hanya memberi kontribusi ekonomis saja tetapi juga dapat memperluas aplikasi penggunaan serat bebas pati (61,01%) sehingga dapat menambah keanekaragaman pemanfaatan limbah batang sawit (Azemi, dkk., 1999). Kandungan pati yang tinggi pada batang sawit ada pada bagian atas (Guritno dan Darnoko, 2003).
Turunan adesif dari pati dapat diimprovisasi secara signifikan dengan penambahan boraks menuju: (1) peningkatan viskositas, (2) pengolahan menjadi lebih mudah, dan (3) memperbaiki sifat–sifat fluida (Baumann dan Conner, 2003). Pengaruh boraks pada sifat mekanik dan biodegradabilitas film campuran antara pati sagu dan polivinil alkohol bahwa nilai optimum dari kekuatan tarik dan perpanjangan pada patahan dari film diperoleh dengan penambahan 8% (w/w) boraks.
5
Boraks meningkatkan perpanjangan pada patahan film campuran pati sagu - PVA dan juga memberi improvisasi kekuatan tarik film (Widiarto, 2005).
Boraks sangat terkenal semenjak banyak oknum masyarakat yang menyalahgunakannya pada makanan untuk tujuan pengawetan pada makanan. Boraks adalah bahan pengawet kayu dan antiseptik pengontrol kecoa. Fungsinya hampir sama dengan pestisida. Boraks dapat terkonversi menjadi natrium borat dan asam borik. Natrium borat dan asam borik jika masuk ke dalam tubuh dan bercampur dengan produksi sperma maka akan merusak testis dan fertilitas pria. Asam borik menghasilkan efek developmental yaitu menurunkan berat badan, malformasi, dan kematian di dalam keturunan hewan yang sedang mengandung yang diberi asam borik melalui mulut sehingga boraks tidak diizinkan penggunaannya untuk modifikasi pati pangan (Anonim, 2007).
Boraks (dinatrium tetraborate dekahidrat atau disingkat sebagai DSTB) dalam jumlah kecil natrium hidroksida digunakan sebagai aditif untuk adesif berbasis pati. Boraks berfungsi meningkatkan viskositas dan sebagai stabilizer daya rekat. Ketika digunakan dalam adesif, boraks ditambahkan hingga 10% pati kering sebelum pati dimasak. Natrium hidroksida ditambahkan secukupnya untuk merubah boraks menjadi natrium metaborat, yang mana ada senyawa boron aktif di dalam bahan pengental. Metaborat mampu menyangkutkan 2 (dua) molekul pati sekaligus untuk membentuk suatu kompleks. Jika penambahan natrium hidroksida ditambahkan, senyawa kompleks akan memisah; viskositas suspensi akan mulai menurun dengan peningkatan natrium hidroksida (Baumann dan Conner, 2003).
Penambahan pengisi dapat meningkatkan sifat mekanik, elektrik, termal, optik, dan sifat-sifat pemrosesan dari polimer dan mengurangi biaya produksi. Peningkatan sifat-sifat matriks tergantung pada banyak faktor termasuk aspek rasio dari bahan pengisi, derajat dispersi dan orientasi dalam matriks, dan adesi pada antarmuka matriks – bahan pengisi (Makadia, 2000). Ukuran partikel mempunyai hubungan secara langsung dengan permukaan per gram pengisi. Semakin kecil ukuran partikel semakin tinggi interaksi antara pengisi dan matriks polimer (Ismail,
6
2000). Penambahan bahan pengisi menghasilkan peningkatan spesifik dalam sifat mekanik dan sifat fisik matriks. Perlakuan dari bahan memungkinkan menjadi pendukung mekanisme beberapa pengisi membentuk ikatan kimia dengan matriks sebagai penguat (Ketan, 2002). Luas permukaan dapat ditingkatkan dengan keberadaan permukaaan yang berpori pada permukaan pengisi sehingga polimer mampu menembus masuk ke dalam permukaan yang berpori saat proses pencampuran (Kohls dan Beaucage, 2002). Secara umum upaya penguatan bahan pengisi dipengaruhi oleh 3 (tiga) ciri utama yaitu ukuran partikel dan luas permukaan, bentuk dan struktur permukaan, serta aktifitas dan sifat-sifat kimia permukaan. Pengisi sekaligus penguat pada umumnya mempunyai ukuran partikel yang kecil, permukaan yang aktif secara kimia. Permukaan yang memiliki pori dan bentuk yang tidak seragam dapat meningkatkan daya ikat (Hanafi, dkk. 2005).
Penggunaan serat yang lebih liat mempunyai kekuatan yang lebih baik dibandingkan dengan serat kaca ataupun serat alamiah. Faktor lain yang juga sangat penting yaitu posisi geometri pengisi atau serat yaitu perbandingan antara panjang serat dengan diameter serat dan volume pengisi. Umumnya semakin kecil ukuran partikel pengisi atau semakin tinggi perbandingan aspek geometri maka semakin baik pengisi tersebut maka akan meningkatkan sifat mekanik komposit yang dihasilkan. Selain itu, pengolahan kimia yang dilakukan baik untuk fasa matriks maupun fasa penguat atau kedua–duanya maka akan meningkatkan keserasian antara kedua fasa penguat melalui peningkatan kekuatan antar muka dan seterusnya akan meningkatkan sifat mekanik komposit yang dihasilkan (Callister, 2007).
Penambahan 2% berat Al2O3 ukuran nanometer di dalam adesif epoksi
memberi kekuatan rekat tertinggi yaitu hampir 4 (empat) kali lebih tinggi dibandingkan dengan yang tanpa modifikasi (Zhai, dkk., 2007). Kehadiran 2% berat nanozeolit alam memberikan uji tarik nanokomposit tertinggi sebesar 8 MPa sedangkan tanpa nanozeolit alam sebesar 6,6 MPa (Bukit, 2011). Penambahan bentonit 2,5 – 3,5% berat dan ukuran partikel 200 – 300 mesh pada nanokomposit
7
berbasis poliester menghasilkan uji tarik statis, regangan pada saat putus dan impak/pukulan yang sangat baik (Rihayat, 2015).
Selulosa yang berasal dari tandan kosong sawit (TKS) mengandung lignoselulosa dengan komponen utama selulosa (49,95%), lignin (16,46%), dan hemiselulosa (22,84%). TKS merupakan limbah industri pengolahan sawit sebesar 10 juta ton/tahun di Indonesia (Loebis, 2008). Karena ikatan hidrogen antara molekul selulosa tidak mudah diputus maka selulosa tidak larut di dalam pelarut yang paling umum sehingga tidak dapat digunakan sebagai adesif. Sebagai gantinya maka selulosa dikonversikan kepada beragam turunan yang dapat digunakan dalam formulasi adesif. Selulosa tidak dapat larut dalam air, memberikan struktur kaku kepada dinding sel kayu, dan seratnya lebih tahan terhadap hidrolisis daripada pati. Reaktivitas selulosa bergantung kepada strukturnya. (Baumann dan Conner, 2003). Selulosa menjadi salah satu alternatif bahan adesif alami. Namun diperlukan perlakuan lebih lanjut agar pori yang terdapat dalam ikatan–ikatan permukaan dua atau lebih bahan yang direkatkan menjadi lebih kuat (Lambuth, 2003). Sifat yang terkandung pada selulosa antara lain sifat mekanik yang baik, densitas yang rendah, dan kemampuan terurai tergantung pada sifat selulosa yang digunakan (Zimmerman, dkk., 2005).
Penggunaan nanokristal selulosa sebagai penguat pada pembuatan nanokomposit dengan menggunakan poli styreneco-butil akrilat (poli (S-co-BUA). Sejak saat itu banyak penggunaan bahan nanokomposit dikembangkan dengan menggabungkan nanokristal selulosa kepada berbagai matriks polimer. Sifat nanokomposit selulosa tergantung pada jenis dan karakteristik nanokristal selulosa dan matriks polimer yang digunakan baik polimer alam maupun sintesis (Samir, dkk., 2005). Nanoselulosa dapat menjadi inovasi polimer dalam penelitian dan aplikasi. Struktur supramolekul yang luar biasa dan karakteristik produk yang luar biasa, molekul yang tinggi dan kristalinitas selulosa yang tinggi dengan kadar air hingga 99% sehingga nanoselulosa memerlukan perhatian yang tinggi di bidang aplikasi selulosa (Souza, dkk., 2010). Kekuatan mekanik serta daya tahan matriks pati juga
8
dapat ditingkatkan dengan penambahan nanoselulosa sebagai pengisi untuk menghasilkan adesif nanokomposit untuk substrat kayu. Penggunaan nanokristal selulosa (NKS) sebagai penguat menjadikan bahan ukuran nanometer mampu meningkatkan kinerja adesif kayu. Nanoselulosa positif mempengaruhi kekuatan polimer. Pengaruh kekuatan NKS untuk pembentukan struktur jaringan di atas ambang perkolasi yang dihasilkan dari ikatan hidrogen (Kaboorani, dkk., 2012).
Data Kementerian Pertambangan dan Energi Propinsi Sumatera Utara tahun 2003 bahwa komposisi zeolit alam dari Kecamatan Sarulla Kabupaten Tapanuli Utara Sumatera Utara adalah 60,16% SiO2, 4,20% Fe2O3, dan 14,25% Al2O3. Harahap
(2006) menemukan deposit zeolit alam sebanyak 3.340.000 ton persis di pinggir jalan lintas antara Sarulla – Sipirok. Aini dan Indriati (2007) menggunakan zeolit sebagai pengisi kertas untuk menggantikan kaolin. Chen, dkk. (2011) menambahkan zeolit pada sisi luar karton bergelombang sehingga karton lebih tahan terhadap kelembaban dan membantu sisi dalam bertahan lebih lama. Zeolit adalah nama umum untuk kelompok zeolit yang mana kristal- kristalnya merupakan aluminosilikat logam alkali dan alkali tanah yang mengandung air. Zeolit adalah zat berpori dengan pori-pori berskala nanometer. Berdasarkan latar belakang tersebut maka dilakukan penelitian dengan topik: “Modifikasi Pati Sagu Batang Sawit sebagai Matriks Adesif Nanokomposit dengan Nanokristal Selulosa dan Nanozeolit Alam Sarulla Sumatera Utara”. Pemanfaatan pati sagu yang terdapat pada batang sawit sebagai matriks adesif pati nanokomposit belum pernah dilakukan selama ini. Hal ini ditujukan agar tidak mengurangi ketersediaan sumber pati untuk pangan dan untuk mengurangi penggunaan formaldehid sebagai bahan adesif yang selama ini menimbulkan pencemaran udara melalui emisi formaldehid. Pati sagu batang sawit dimodifikasi dengan pemodifikasi seperti boraks untuk meningkatkan kekentalannya dan ketahanannya terhadap air dan jamur. Pengisi seperti selulosa perlu diolah menjadi kristal karena bentuk kristal lebih teratur dibandingkan terhadap bentuk amorf (α-selulosa) sehingga lebih sulit untuk terdegradasi. Partikel pengisi selulosa dan zeolit diupayakan berukuran nanometer bertujuan untuk memperluas permukaaan
9
penampang partikel sehingga bidang sentuh terhadap matriks menjadi lebih luas untuk dapat memperluas kesempatan berinteraksi dengan permukaaan matriks (pati sagu batang sawit). Penambahan pengisi nanokristal selulosa dan nanozeolit ke dalam matriks adesif juga belum pernah dilakukan sebelumnya. Hal tersebut ditujukan untuk meningkatkan daya rekat adesif dan daya resistansi adesif terhadap kelembaban dan termal. Pemanfaatan limbah perkebunan sawit berupa batang sawit dan tandan kosong sawit yang berasal dari Kecamatan Pematang Jaya Kabupaten Langkat serta zeolit alam yang ada di Kecamatan Sarulla Kabupaten Tapanuli Utara sebagai bahan penelitian mampu menggali potensi dan meningkatkan nilai jual (ekonomi) sumber daya alam Propinsi Sumatera Utara. Penambahan bahan pengisi/penguat nanokristal selulosa dan nanozeolit kedalam matriks adesif pati nanokomposit merupakan sesuatu hal yang baru dari penelitian ini yang diperoleh dari pemanfaatan sumber daya alam Sumatera Utara.
1.2 Rumusan Masalah
Permasalahan–permasalahan pada penelitian ini adalah:
1. Bagaimanakah mendapatkan sagu pati dari batang sawit sebagai matriks adesif?
2. Bagaimanakah mendapatkan NKS dari TKS dan NZ dari zeolit alam Sarulla sebagai bahan pengisi adesif?
3. Bagaimanakah menghasilkan adesif pati nanokomposit untuk kayu dan peran boraks?
4. Bagaimanakah ketahanan termal adesif untuk kayu yang divariasikan sebagai adesif tanpa penambahan boraks, NKS dan NZ, adesif dengan penambahan boraks tanpa penambahan NKS dan NZ, adesif dengan penambahan boraks dan NKS, adesif dengan penambahan boraks dan NZ. (uji FT-IR, rekat, SEM, TGA, dan DSC)
10
1.3 Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah sebagai berikut:
1. Menghasilkan adesif pati nanokomposit untuk kayu yang bersifat ramah lingkungan dengan menggunakan matriks pati sagu BS yang dimodifikasi dengan boraks dan bahan pengisi NKS dan NZ.
2. Membandingkan sifat mekanik, fisika, dan kimia dari variasi adesif pati nanokomposit yang dihasilkan.
1.4 Manfaat Penelitian
Manfaat dari penelitian ini adalah:
1. Pati sagu BS dapat digunakan sebagai sumber pati pada pembuatan adesif pati nanokomposit untuk mengurangi penggunaan pati bahan pangan sebagai bahan adesif pati.
2. Produk penelitian dapat diproduksi secara masal sebagai produk adesif komersil.
1.5 Urgensi Penelitian
Penambahan bahan pemodifikasi pada pati sagu batang sawit akan menyebabkan peningkatan sifat adesif pati dan meningkatkan pemanfaatan sumber daya alam Sumatera Utara khususnya tanaman sawit dan zeolit alam menjadi lebih optimal.
1.6 Metodologi Penelitian
Penelitan ini bersifat eksperimental laboratorium dimana pada penelitian ini dilakukan dalam beberapa tahap:
1. Pada tahap pertama adalah proses penyediaan pati sagu BS yang diperoleh dari proses ekstraksi BS dan presipitasi pati sagu BS. Karakterisasi yang digunakan yaitu analisa dengan menggunakan FT-IR.
2. Pada tahap kedua yaitu proses penyediaan NKS melalui isolasi selulosa dari TKS yang dilanjutkan dengan penyediaan NKS melalui hidrolisis selulosa dengan
11
menggunakan H2SO4 49% dan dengan menggunakan sentrifuse untuk
menghilangkan bagian amorf sehingga diperoleh bentuk kristalnya. Karakterisasi yang dilakukan adalah analisa dengan menggunakan FT-IR dan SEM.
3. Pada tahap ketiga adalah proses penyediaan NZ dari proses ballmill zeolit alam Sarulla Kabupaten Tapanuli Utara Sumatera Utara. Karakterisasi yang digunakan yaitu XRD dan PSA.
4. Pada tahap keempat adalah penyediaan boraks, NaOH 0,1 N dan HCl 0,1 N. 5. Pada tahap kelima yaitu proses pencampuran (blending) untuk memperoleh variasi
adesif pati nanokomposit yaitu adesif, adesif dengan penambahan boraks, adesif dengan penambahan boraks+pengisi. Pengisi yaitu NKS dan NZ masing –masing divariasikan 1%, 2%, 3%, 4%, 5%. Karakterisasi yang digunakan meliputi analisa kekuatan mekanik dengan uji rekat, analisa gugus fungsi menggunakan Fourier Transform Infrared (FT-IR), analisa morfologi dengan menggunakan Scanning Electron Microscopy (SEM), analisa termal menggunakan Thermogravimetry Analysis (TGA) dan Differential Scanning Calorimetry (DSC).
6. Pada tahap keenam yaitu uji standar mutu SNI adesif untuk kayu dari adesif pati nanokomposit yang dihasilkan.
