7111
Modifikasi Serat Kenaf (Hibiscus cannabinus L.) Menggunakan Anhidrida Propionat
Eka Marya Mistar1*, Muhammad2
1,2Program Studi Teknik Kimia, Universitas Serambi Mekkah Banda Aceh Indonesia
*Koresponden email: [email protected]
Diterima: 6 September 2023 Disetujui: 25 September 2023 Abstract
Kenaf is a local crop that has great potential as a polymer composite reinforcement. However, the main weakness in strengthening composites using kenaf fiber is its hydrophilic or water-absorbing properties. To improve composite properties, surface modification of kenaf fiber is needed to enhance the structure and chemical properties of kenaf fiber. This study aims to explore the potential of chemical modification of kenaf fiber for use in composites. Chemical modification treatment of kenaf fibers was intended to improve the hydrophobicity that the compatibility between the fiber and matrix bonds are enhanced. In this study, chemical modification of kenaf fiber was performed using propionic anhydride. The modification process was done through a three-variation of retention time; 100, 200, 300 minutes at 100 °C. This research also compared the kenaf fiber properties with and without the modification process, including the analysis of the weight percent gain and surface morphological structure. The results showed that the optimal weight gain and morphological structure was at a retention time of 200 minutes.
Keywords: kenaf, modification, composite, propionic anhydride Abstrak
Kenaf merupakan tanaman lokal yang memiliki potensi besar sebagai penguat komposit polimer. Namun, kelemahan utama dalam penguatan komposit menggunakan serat kenaf adalah sifat hidrofilik atau mudah menyerap air. Untuk meningkatkan sifat komposit, modifikasi permukaan serat kenaf diperlukan untuk peningkatan struktur dan sifat kimia serat kenaf. Penelitian ini bertujuan untuk mengeksplorasi potensi modifikasi kimia serat kenaf untuk digunakan pada komposit. Perlakuan modifikasi kimia serat kenaf bertujuan untuk meningkatkan hidrofobisitas, sehingga kompatibilitas antara ikatan serat dan matriks menjadi lebih meningkat. Dalam penelitian ini, modifikasi kimia serat kenaf dilakukan dengan menggunakan propionat anhidrida. Proses modifikasi dilakukan pada tiga variasi waktu retensi yaitu 100, 200, 300 menit pada suhu 100 °C. Penelitian ini juga membandingkan karakteristik serat kenaf sebelum dan sesudah proses modifikasi yaitu analisa pada penambahan persen berat dan struktur morfologi permukaan. Hasil penelitian menunjukkan penambahan berat dan struktur morfologi permukaan yang optimal yaitu pada waktu retensi 200 menit.
Kata Kunci ; kenaf, modifikasi, komposit, propionat anhidrida
1. Latar Belakang
Kenaf (Hibiscus cannabinus L.) adalah jenis tanaman tahunan yang biasanya tumbuh di daerah tropis. Tangkai serat lignoselulosa ini dapat tumbuh dari 5 hingga 6 m dengan kisaran diameter 2,5 hingga 3,5 cm dalam waktu 5 bulan, sehingga tingkat ketersediaannya cukup tinggi khususnya di industri berbasis serat [1]. Persentase serat kulit pohon dan serat inti dalam batang kenaf adalah sekitar 25 - 40% dan 60 - 75% dari total berat kering [2]. Selain itu, panjang rata-rata serat kulit pohon dan serat inti masing-masing sekitar 2,6 mm dan 0,6 mm. Karena kekuatan tarik dan lentur yang tinggi, serat kulit kenaf umumnya dihasilkan dari kulit kayu bagian luar. Sebagai alternatif pengganti serat sintetis, serat alami akhir-akhir ini telah digunakan sebagai pilihan potensial untuk bahan penguat komposit [3].
Serat kenaf merupakan salah satu serat alami yang paling banyak dimanfaatkan untuk produk bukan tenunan karena sifat fungsional intrinsiknya yang meliputi sifat tarik dan tahan panas yang efektif [4]. Saat ini serat alam tersebut telah digunakan sebagai bahan pilihan untuk penguatan komposit sebagai alternatif pengganti serat sintetis [5]. Potensi biodegradasi, keterbaharuan dan sifat non-toksisitas serat kenaf semakin menarik perhatian peneliti. Pemanfaatan serat kenaf sebagai bahan penguat dalam aplikasi komposit telah dipublikasikan dalam literatur [6-8]. Ariawan dkk. [9] memasukkan serat kenaf untuk penguatan komposit dan meneliti peningkatan sifat mekanik dan termal dibandingkan dengan komposit yang tidak diperkuat.
7112
Sifat degradabilitas serat komposit kenaf/epoksi juga diteliti oleh Azwa dkk. [10]. Terungkap bahwa penambahan serat kenaf pada epoksi meningkatkan stabilitas termal komposit. Selanjutnya, Bernard dkk.
[11] menyelidiki pengaruh parameter pemrosesan terhadap sifat mekanik serat kenaf yang tergabung dalam material komposit. Terungkap bahwa sifat tarik komposit meningkat sebesar 10% setelah penambahan serat kenaf ke dalam matriks.
Efisiensi dan sifat komposit dipengaruhi oleh interaksi antar muka serat dan matriks. Namun, kelemahan utama dalam penguatan komposit menggunakan serat kenaf adalah sifat hidrofilik atau mudah menyerap air. Selain itu, kompatibilitas yang rendah antara serat dan interaksi matriks hidrofobik dapat menurunkan kekuatan fisik, mekanik, dan stabilitas termal komposit. Hal ini merupakan tantangan serius bagi para peneliti dan ahli material maju. Untuk meningkatkan sifat komposit, modifikasi permukaan serat kenaf sangat diperlukan untuk peningkatan struktur dan sifat kimia serat kenaf [12]. Namun, zat pengotor dan senyawa non-polar pada serat alam dapat menghambat kompatibilitas komposit dan berpotensi mengurangi kekuatan ikatan antarmuka antara serat dan matriks. Oleh karena itu, proses modifikasi serat kenaf dengan propionat anhidrida diharapkan dapat menjadi salah satu solusi mengatasi tantangan tersebut.
2. Metode Penelitian
Pada penelitian ini, serat kenaf dengan ukuran 200 mm x 200 mm dan pelarut organik dimasukkan ke dalam alat ekstraksi soxhlet. Proses ekstraksi ini dilakukan selama 3 jam untuk menghilangkan zat ekstraktif pada serat kenaf. Kemudian serat kenaf dikeringkan dengan oven pada suhu 110 °C selama 24 jam. Sebelum ditimbang, serat kenaf ditempatkan ke dalam desikator vakum di atas gel silika selama 2 jam dan didinginkan hingga suhu kamar. Setelah itu, serat kenaf dipindahkan ke labu didih yang berisi larutan propionat anhidrida. Proses modifikasi dilakukan pada tiga variasi waktu retensi yaitu 100, 200, 300 menit pada suhu 100 °C. Penelitian ini juga membandingkan sifat karakteristik serat kenaf yang telah dimodifikasi dengan serat kenaf tanpa modifikasi. Selanjutnya, karakterisasi sifat fungsional serat kenaf meliputi persentase penambahan berat dan struktur morfologi dengan menggunakan Scanning Electron Microscope (SEM).
3. Hasil dan pembahasan
3.1 Persentase penambahan berat
Persentase penambahan berat serat kenaf dipengaruhi oleh perlakuan modifikasi anhidrida, waktu retensi, dan suhu reaksi. Seperti yang ditampilkan pada Gambar 1, serat kenaf menunjukkan penambahan berat yang signifikan seiring dengan bertambahnya waktu pada langkah awal hingga diperoleh saturasi terlepas dari perbedaan suhu. Hal ini menunjukkan bahwa penambahan berat serat dapat menghambat ikatan antar muka setelah 300 menit dan mungkin menyebabkan keretakan pada matriks yang bersebelahan [13]. Dalam profil reaksi, peningkatan WPG dicapai pada langkah awal karena reaksi relatif dari laju difusi reagen dalam antarmuka matriks serat dan gugus hidroksil fungsional [14]. Penambahan berat tersebut dapat meningkat seiring dengan meningkatnya waktu reaksi dan suhu reaksi.
Gambar 1. Persentase penambahan berat serat kenaf pada suhu 100 °C dan waktu retensi berbeda
7113
Namun, pada waktu retensi 300 menit menunjukkan penurunan WPG [15]. Seperti yang ditunjukkan pada gambar, penambahan berat secara spontan dicapai setelah serat kenaf menyebabkan penurunan berat serat kenaf seiring dengan peningkatan waktu reaksi dari 100 menit menjadi 300 menit. Penurunan berat ini akibat peningkatan suhu reaksi dapat dipengaruhi oleh penguraian bahan organik serat seperti selulosa, hemiselulosa, dan lignin [16]. Oleh karena itu, untuk mengurangi kemungkinan degradasi serat alami, suhu reaksi ideal untuk serat kenaf tidak boleh terlalu tinggi dan harus memungkinkan terjadinya reaksi yang cepat. Berdasarkan hasil yang diperoleh, suhu reaksi pada 100 °C dan waktu retensi 200 menit memberikan penambahan berat yang optimal sebesar 7.41% ± 0.37.
C2. Analisa Morfologi
Morfologi permukaan serat kenaf sebelum dan sesudah modifikasi secara kimia diamati dengan mikroskop elektron pemindaian emisi atau sering disebut sebagai FESEM. Gambar 2(a) menunjukkan morfologi permukaan serat kenaf yang sebelum modifikasi. Seperti terlihat pada gambar, serat yang tidak dimodifikasi menunjukkan permukaan yang kasar karena permukaannya dilapisi oleh pengotor dan bahan penyemen seperti lignin, pektin, zat lilin, hemiselulosa yang menutupi lapisan serat. Hal ini dapat menimbulkan lapisan pelindung pada permukaan serat kenaf [17]. Oleh karena itu, modifikasi kimia menggunakan propionat anhidrida diperlukan untuk menghilangkan kotoran pada dinding sel primer yang meningkatkan adhesi antarmuka biofiber.
Selanjutnya sifat morfologi permukaan serat kenaf yang telah dimodifikasi pada suhu reaksi 100 °C dengan waktu 200 menit disajikan pada Gambar 2(b). Pada Gambar 2(b) serat kenaf menunjukkan peningkatan pada permukaan seiring dengan bertambahnya waktu reaksi. Pada waktu 200 menit, keberadaan minyak atau lemak, zat lilin, dan bentuk pengotor lainnya berkurang seiring dengan meningkatnya suhu. Pengotor tersebut berpotensi menghambat interaksi ikatan serat-matriks. Morfologi permukaan serat kenaf propionilasi menunjukkan penurunan pengotor seperti zat anorganik, bahan non-selulosa, dan silika serta peningkatan ikatan antar muka dalam jaringan serat-matriks [18]. Hal ini berkontribusi pada peningkatan ruang kosong, yang dapat meningkatkan sifat fungsional serat sebagai bahan penguat [19].
Gambar 2. SEM serat kenaf sebelum modifikasi pada 0 menit (a) dan serat kenaf setelah proses modifikasi pada 200 menit (b).
7114
4. Kesimpulan
Modifikasi serat kenaf telah dilakukan dengan menggunakan propionat anhidrida. Sifat karakteristik persentase penambahan berat dan struktur morfologi serat kenaf sebelum dan setelah proses modifikasi telah dikaji. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa waktu retensi 200 menit pada suhu reaksi 100 °C memberikan efek yang signifikan. Setelah proses modifikasi serat kenaf, penambahan berat yang optimal sebesar 7.41% ± 0.37 dan struktur morfologi yang lebih bersih dengan berkurangnya zat pengotor pada permukaan serat kenaf.
.
5. Daftar Pustaka
[1] N. Saba, M. Jawaid, K.R. Hakeem, M.T Paridah, A. Khalina, O.Y. Alothman. 2015. Potential of bioenergy production from industrial kenaf (Hibiscus cannabinus L.) based on Malaysian perspective. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 1;42:446–59.
[2] N.I.S. Anuar,S. Zakaria, H. Kaco, C.C. Hua, W. Chunhong, H.S. Abdullah. 2018.
Physicomechanical, chemical composition, thermal degradation and crystallinity of oil palm empty fruit bunch, kenaf and polypropylene fibres: A comparatives study. Sains Malaysiana, 1;47(4):839–
51.
[3] K. Malik, F. Ahmad, E. Gunister. A Review on the Kenaf Fiber Reinforced Thermoset Composites.
Applied Composite Materials, 28, pages 491–528 (2021).
[4] T. Gurunathan, S. Mohanti, S. K. Nayak. 2015. A review of the recent developments in biocomposites based on natural fibres and their application perspectives. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, Volume 77, Pages 1-25.
[5] A.A. Oyekanmi, N. Saharudin, C.M. Hazwan, H. P. S. Abdul Khalil, N. Olaiya, C. K. Abdullah, T.
Alfatah, D. A. Gopakumar, D. Pasquini. 2021. Improved Hydrophobicity of Macroalgae Biopolymer Film Incorporated with Kenaf Derived CNF Using Silane Coupling Agent. Molecules 2021, 26, 2254.
[6] N.I.A. Razak, N.A. Ibrahim, N. Zainuddin, M. Rayung, W. Z. Saad. 2014. The influence of chemical surface modification of kenaf fiber using hydrogen peroxide on the mechanical properties of biodegradable kenaf fiber/poly (lactic acid) composites. Molecules 2014, 19, 2957–2968.
[7] N. A. M. Radzuan, D. Tholibon, A. B. Sulong, N. Muhamad, C.H. Haron. 2020. Effects of High- Temperature Exposure on the Mechanical Properties of Kenaf Composites. Polymers 2020, 12, 1643.
[8] J. Kim, D. Cho. 2020. Effects of Waste Expanded Polypropylene as Recycled Matrix on the Flexural, Impact, and Heat Deflection Temperature Properties of Kenaf Fiber/Polypropylene Composites.
Polymers 2020, 12, 2578.
[9] D. Ariawan, M. S. Salim, R. M. Taib, M. Z. A. Thirmizir, Z. M. Ishak. 2018. Interfacial characterisation and mechanical properties of heat treated non-woven kenaf fibre and its reinforced composites. Compos. Interfaces 2018, 25, 187–203.
[10] Z. Azwa, B. Yousif, Z. Azwa, B. Yousif., 2013. Characteristics of kenaf fibre/epoxy composites subjected to thermal degradation. Polym. Degrad. Stab. 2013, 98, 2752–2759.
[11] M. Bernard, A. Khalina, A. Ali, R. Janius, M. Faizal, K. Hasnah, A. Sanuddin. 2011. The effect of processing parameters on the mechanical properties of kenaf fibre plastic composite. Mater. Des.
2011, 32, 1039–1043.
[12] H. P. S. Abdul Khalil, N. L. Suraya. 2011. Anhydride modification of cultivated kenaf bast fibers:
Morphological, spectroscopic, and thermal studies. BioResources. 2011;6(2):1122–35.
[13] H. P. S.Abdul Khalil, N. L. Suraya, N. Atiqah, M. Jawaid, & A. Hassan. 2012. Mechanical and thermal properties of chemical treated kenaf fibres reinforced polyester composites:
Http://Dx.Doi.Org/10.1177/0021998312465026, 47(26), 3343–3350.
[14] G. Beck, S. Strohbusch, E. Larnøy, H. Militz, & C. Hill. 2017. Accessibility of hydroxyl groups in anhydride modified wood as measured by deuterium exchange and saponification. olzforschung, 72(1), 17–23.
[15] A. R. Mohammed, M.N. Atiqah, D. A. Gopakumar, M. R. Fazita, S. Rizal, D. Hermawan, S. Thomas,
& H.P.S. Abdul Khalil. 2019. Influence of layering pattern of modified kenaf fiber on thermomechanical properties of epoxy composites: Https://Doi.Org/10.1177/1477760619895010, 36(1), 47–62.
[16] N. G. S. Silva, T. F. Maia, & D. R. Mulinari. 2021. Effect of Acetylation with Perchloric Acid as Catalyst in Sugarcane Bagasse Waste. Https://Doi.Org/10.1080/15440478.2021.1875352.
7115
[17] M. S. Salim, D. Ariawan, M. F. Ahmad Rasyid, M. Z. Ahmad Thirmizir, R. Mat Taib, & Z. A. Mohd.
Ishak. 2019. Effect of fibre surface treatment on interfacial and mechanical properties of non-woven kenaf fibre reinforced acrylic based polyester composites. Polymer Composites, 40(S1), E214–E226.
[18] Teacă, C. A., & Tanasa, F. (2020). Wood Surface Modification—Classic and Modern Approaches in Wood Chemical Treatment by Esterification Reactions. Coatings 2020, Vol. 10, Page 629, 10(7), 629.
[19] S. Rizal, N. I. Saharudin, N. G. Olaiya, H. P. S. Abdul Khalil, M. K. M. Haafiz, I. Ikramullah, U.
Muksin, F. G. Olaiya, C. K. Abdullah, & E. B. Yahya. 2021. Functional Properties and Molecular Degradation of Schizostachyum Brachycladum Bamboo Cellulose Nanofibre in PLA-Chitosan Bionanocomposites. Molecules 2021, Vol. 26, Page 2008, 26(7).
