Nama : Jonatan Tarigan NIM : 121420088 Tugas : Resume
Pengaruh Modifikasi Butirat Anhidrida terhadap Sifat Komposit Cetak 3D Asam Polilaktat Kayu
Effect of Butyric Anhydride Modification on Properties of Wood-polyactic Acid 3D-printed Composites
Pendahuluan
1. Permintaan filamen untuk printer 3D meningkat karena penggunaan printer 3D yang semakin meluas, mengakibatkan peningkatan konsumsi polimer terbatas seperti PLA (polylactic acid) dan PHB (polyhydroxybutyrate). Filamen komposit menjadi alternatif yang diperoleh dengan memperkuat polimer dengan berbagai bahan termasuk mineral dan serat alam.
2. Penambahan serat kayu atau tanaman yang dimodifikasi ke dalam matriks polimer meningkatkan sifat- sifat komposit seperti daya rekat antar muka dan sifat termal. Pengolahan serat tanaman dengan bahan penghubung silan seperti KH-550 juga meningkatkan kompatibilitas polimer PLA.
3. Bahan penguat alami yang dimodifikasi secara kimia, seperti serat kayu/tumbuhan dan selulosa mikrokristal, meningkatkan kemampuan adhesi antarmuka dengan polimer termoplastik seperti HDPE dan PP. Modifikasi kimia, misalnya dengan butirat anhidrida pada tepung kayu, diharapkan berkontribusi pada sifat filamen komposit kayu-PLA.
4. Penelitian ini bertujuan untuk memperbaiki sifat-sifat filamen komposit 3D, termasuk sifat mekanik, termal, dan ikatan antarmuka, melalui tiga tahap eksperimen yang melibatkan modifikasi tepung kayu dan produksi serta pencetakan filamen komposit untuk pengujian.
Eksperimental
BahanPinus Skotlandia ( Pinus sylvestri), butirat anhidrida, dimetilformamida, kalium karbonat, aseton, toluena, etanol, polimer polylactic acid PLA (FKUR Bioflex® F 6513, Willich, Jerman) digunakan untuk memproduksi filamen printer 3D.
Metode
1. Persiapan Tepung Kayu
Pinus Skotlandia (Pinus sylvestris) kayu digiling dalam penggiling tipe laboratorium, Kemudian tepung kayu giling diklasifikasikan menggunakan saringan getar, Partikel yang diayak (177 hingga 250 μm) dikeringkan dalam oven pada suhu 103 ± 2 °C hingga benar-benar kering.
2. Modifikasi Tepung Kayu
Tepung kayu diekstraksi dengan air murni dan kemudian diekstraksi dengan campuran toluena- aseton-etanol (4/1/1, volume/volume/volume) selama 6 jam. Tepung kayu yang telah diekstraksi disimpan dalam oven pada suhu 100 °C hingga mencapai berat kering sempurna. Kemudian didinginkan dalam desikator yang mengandung fosfor pentoksida. Tepung kayu kemudian dimodifikasi dengan butirat anhidrida, pelarut dimetilformamida (DMF), dan katalis kalium karbonat pada suhu 100
°C selama 6 jam dalam reaktor kaca. Ekstraksi air dan pelarut dilakukan untuk menghilangkan bahan kimia yang tidak bereaksi dalam tepung kayu termodifikasi (MWF). MWF dikeringkan dalam oven pada suhu 103 ± 2 °C hingga benar-benar kering kemudian didinginkan dalam desikator yang berisi fosfor pentoksida. Persen pertambahan berat (WPG) tepung kayu ditentukan berdasarkan Persamaan.
(1) setelah proses modifikasi WPG(%)=[(W2–W1)/W1]×100
Di manaW1adalah berat (g) tepung kayu kering sebelum modifikasi, danW2adalah berat (g) tepung kayu kering pasca modifikasi. Setelah dilakukan modifikasi, dihitung 16% WPG untuk tepung kayu.
3. Produksi sampel uji cetak 3D
Sampel komposit dicetakmelaluiprinter 3D (printer Sigma 3D (open source) buatan sendiri) sesuai standar ASTM D638-14 (2014) dan ASTM D790-17 (2017) untuk mengetahui sifat kuat tarik dan lentur komposit. Printer Sigma 3D (open source) dengan nosel 0,6 mm dan perangkat lunak Repetier- Host (Repetier-Host, Hot-world GmbH, versi 0.92.9, Willich, Jerman) digunakan untuk menghasilkan sampel uji. Kecepatan pencetakan 50 mm/s, ketebalan lapisan 0,3 mm, sudut raster 45°, suhu nosel 190
°C, dan parameter kepadatan pengisian 100% dipilih untuk mencetak sampel uji. untuk uji kuat tarik dan lentur. Sebelum pengujian, benda uji dikondisikan.
Diagram alir penelitian eksperimental diberikan pada Gambar 1. Pada penelitian tahap pertama, filamen diperoleh dengan mencampurkan tepung kayu dan PLA dalam ekstruder sekrup ganda. Pada penelitian tahap selanjutnya, sampel tarik setebal 3 mm (ASTM D638, Tipe IV) dan sampel lentur diproduksi menggunakan printer 3D. Enam spesimen dicetak secara terpisah pada kelembaban relatif 65 ± 5% dan suhu 23 ± 2 °C selama 7 hari.
4. Penentuan Sifat Mekanik
Sifat kekuatan tarik dan lentur komposit ditentukan berdasarkan standar ASTM (ASTM D638-14 (2014) dan ASTM D790-17 (2017)) menggunakan mesin uji universal merek 2 kN ALARGE.
5. Penentuan Sifat Termal
Analisis termogravimetri (TGA) dan analisis kalorimetri pemindaian diferensial (DSC) dari sampel cetakan 3D yang dihasilkan dilakukan menggunakan penganalisis gravimetri termal dan kalorimeter pemindaian diferensial. Pengukuran TGA dilakukan antara 25 dan 600 °C pada laju pemanasan 10
°C/menit dalam atmosfer nitrogen inert dengan laju aliran 50 mL/ menit. Selain itu, sampel dipanaskan dari 25 hingga 250 °C untuk pengukuran DSC.
6. Analisis Fourier Transform Inframerah (FTIR) Tepung Kayu
Gambar mikroskop elektron diambil untuk menyelidiki hubungan antara polimer PLA yang ditambahkan MWF dan UMWF. Permukaan pecah dari spesimen uji dipindai dengan mikroskop elektron pemindaian.
7. Analisis Statistik
Signifikansi statistik dari nilai numerik yang diperoleh dari mekanik pengujian sampel dibandingkan dengan uji Tukey setelah analisis varians (ANOVA) menggunakan program OriginPro 2019b.
Hasil dan Pembahasan
1. Analisis FTIR Tepung KayuSpektrum FTIR tepung kayu yang tidak dimodifikasi dan tepung kayu termodifikasi butirat anhidrida. MWF menunjukkan getaran regangan karbonil yang kuat (ayC=O) puncaknya pada 1740 cm-1. Selain itu, terjadi penurunan intensitas rentang panjang gelombang 3200 hingga 3600 cm-1 setelah modifikasi tepung kayu. Peningkatan intensitas puncak pada panjang gelombang 1740 cm-1dan penurunan intensitas luas puncak OH antara panjang gelombang 3200 hingga 3600 cm-1dikaitkan dengan modifikasi kimia kayu. Selain itu, puncaknya pada 1160 cm-1disebabkan oleh vibrasi ulur CO.
Reaksi esterifikasi lignoselulosa didukung oleh munculnya puncak baru pada gelombang 1162 hingga 1229 cm-1.-1rentang bilangan gelombang. Hal ini disebabkan oleh ketegangan CO pada gugus karboksil akibat esterifikasi.
2. Sifat Mekanik Sampel yang dicetak 3D
Kekuatan tarik secara umum mengalami penurunan seiring dengan penambahan tepung kayu pada polimer PLA. Modulus tarik juga mula-mula menurun dengan penambahan tepung kayu pada polimer PLA, kemudian meningkat dengan penambahan lebih lanjut, dan menunjukkan nilai yang sama dengan PLA murni. Komposit yang ditambahkan tepung kayu yang dimodifikasi (MWF) menunjukkan nilai kekuatan tarik dan modulus tarik yang lebih baik dibandingkan dengan komposit yang ditambahkan tepung kayu tidak termodifikasi (UMWF). Kekuatan lentur dan modulus lentur dari sampel cetakan 3D.
Kekuatan lentur menurun dengan penambahan tepung kayu pada polimer PLA yang rapi. Demikian pula, ditunjukkan bahwa kekuatan lentur menurun akibat penambahan tepung kayu/ serat tumbuhan ke polimer PLA. Peningkatan modulus lentur kayu dengan penambahan tepung kayu pada PLA merupakan peningkatan yang diharapkan karena tingginya modulus lentur kayu. Kekuatan lentur tertinggi (66,85 MPa) dan modulus lentur (3,07 GPa) tertinggi di antara komposit terlihat pada sampel komposit yang ditambah UMWF 10% (PS1). Selain itu, kekuatan lentur terendah (59,93 MPa) dan modulus lentur (2,57 GPa) terlihat pada 20% penambahan MWF.
3. Sifat Termal Sampel Cetak 3D
Hasil analisis termogravimetri (TG) dan kurva analisis termogravimetri turunan (DrTGA) dari sampel cetakan 3D peningkatan diamati pada suhu awal dan akhir dari komposit yang ditambahkan MWF. Serat yang dimodifikasi mulai terdegradasi pada suhu yang lebih tinggi dibandingkan serat yang tidak dimodifikasi; Hal ini menunjukkan bahwa serat yang dimodifikasi lebih stabil secara termal dibandingkan serat yang tidak dimodifikasi. Dalam penelitian ini, terdapat spekulasi bahwa degradasi komposit yang ditambahkan MWF pada suhu lebih tinggi dibandingkan dengan komposit yang ditambahkan UMWF dapat disebabkan oleh berkurangnya gugus hidroksil bebas setelah modifikasi kimia. Termogram pemanas DSC dari sampel cetakan 3D dari komposit PLA dan kayu-PLA yang rapi.
Dalam penelitian ini, terjadi perubahanTGsuhu diamati karena perubahan mobilitas rantai polimer dengan penambahan tepung kayu ke PLA. Perubahan dalamTGsuhu diperkirakan disebabkan oleh penggabungan tepung kayu dan modifikasi kimia.
4. Sifat Moefologi Komposit Cetak 3D
Dilihat dari gambar SEM bahwa komposit memiliki kekuatan yang lebih kecil terhadap tegangan karena adanya rongga yang terlihat pada penampang komposit tambahan UMWF. Dalam penelitian serupa, mikrograf SEM menunjukkan bahwa perlakuan permukaan memberikan daya rekat yang baik antara serat kenaf dan matriks PLA, dan serat terikat dengan baik dengan matriks PLA.
Kesimpulan
1. Persentase pertambahan berat (WPG) sebesar 16% diamati sebagai hasil modifikasi tepung kayu pinus Scotch dengan butirat anhidrida.
2. Berdasarkan hasil uji mekanik, terlihat bahwa sifat tarik komposit yang ditambahkan tepung kayu termodifikasi (MWF) meningkat sedangkan sifat lenturnya sedikit menurun. Hal ini diduga disebabkan oleh peningkatan WPG setelah modifikasi butirat anhidrida pada tepung kayu.
3. Diamati bahwa suhu degradasi termal meningkat sebagai akibat dari penambahan 20% MWF ke matriks polimer poli(asam laktat) (PLA).
4. Berdasarkan hasil analisis kalorimetri pemindaian diferensial (DSC), terjadi sedikit peningkatan pada suhu kristalisasi setelah modifikasi tepung kayu, sedangkan nilai yang diperoleh berdekatan pada transisi gelas dan suhu leleh.
5. Gambar pemindaian mikroskop elektron (SEM) telah menunjukkan bahwa tepung kayu memiliki ikatan antarmuka yang baik dengan matriks polimer PLA setelah modifikasi butirat anhidrida
