Penguatan Sifat Mekanis Komposit Poliasam Laktat dan Selulosa Mikrofibril Terasetilasi-Terlaktilasi
i
PENGUATAN SIFAT MEKANIS KOMPOSIT
POLIASAM LAKTAT DAN SELULOSA MIKROFIBRIL
TERASETILASI-TERLAKTILASI
REZA ADITYA NUGRAHA
DEPARTEMEN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2013
iii
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Penguatan Sifat
Mekanis Komposit Poliasam Laktat dan Selulosa Mikrofibril TerasetilasiTerlaktilasi adalah benar karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan
belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber
informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak
diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam
Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut
Pertanian Bogor.
Bogor, Oktober 2013
Reza Aditya Nugraha
NIM G44090101
ABSTRAK
REZA ADITYA NUGRAHA. Penguatan Sifat Mekanis Komposit Poliasam
Laktat dan Selulosa Mikrofibril Terasetilasi-Terlaktilasi. Dibimbing oleh
SUMINAR S ACHMADI dan LISMAN SURYANEGARA.
Komposit polimer asam laktat (PLA) yang diperkuat dengan 10% selulosa
mikrofibril (MFC) termodifikasi telah berhasil dibuat. Modifikasi MFC
diperlukan guna meningkatkan kompatibilitas dengan PLA dalam membentuk
komposit. Pada penelitian ini, MFC diasetilasi parsial dengan derajat substitusi 1
dan selanjutnya dicangkok dengan laktida melalui polimerisasi pembukaan cincin.
Hasil asetilasi dan pencangkokan dibuktikan dengan spektrum inframerah.
Berdasarkan pencirian sifat termal menggunakan kalorimetri pemayaran
diferensial, diketahui bahwa MFC termodifikasi mampu meningkatkan suhu
transisi kaca dan mempercepat kristalisasi PLA. Selain itu, dari pengukuran sifat
mekanis diketahui bahwa MFC termodifikasi membentuk jaringan perkolasi dan
bertindak sebagai pengisi dalam matriks PLA. Hal tersebut dibuktikan dengan
meningkatnya sifat-sifat mekanik PLA ketika diperkuat dengan MFC
termodifikasi, yaitu panjang putus (1.1% menjadi 1.8%), kuat tarik (14.9 MPa
menjadi 25.7 MPa), dan modulus elastisitas (1.7 GPa menjadi 2.1 GPa).
Kata kunci:
asetilasi parsial, pencangkokan laktida, poliasam laktat, selulosa
mikrofibril.
ABSTRACT
REZA ADITYA NUGRAHA. Mechanical Properties Improvement of Composite
of Polylactic Acid and Acetylated-Lactylated Microfibrillated Cellulose.
Supervised by SUMINAR S ACHMADI and LISMAN SURYANEGARA.
The composites based on polylactic acid (PLA) reinforced with 10%
modified microfibrillated cellulose (MFC) has been succesfully prepared.
Modification of MFC was needed to increase its compatibility with PLA in the
composite formation. In this experiment, MFC was modified with partial
acetylation (degree of substitution: 1) and further grafted with lactide monomers
through ring-opening polymerization. The result of acetylation and grafting were
verified by infrared spectra. Thermal characterization carried out using differential
scanning calorimetry measurements showed that the presence of modified MFC
increased the temperature of glass transition and accelerated the crystallization of
PLA. In addition, mechanical properties measurements showed that the modified
MFC formed percolation network and acted as a fillers within the PLA matrix. It
was showed by enhancement in elongation at break (1.1% to 1.8%), tensile
strength (14.9 MPa to 25.7 MPa), and modulus of elasticity (1.7 GPa to 2.1 GPa).
Keywords: lactide grafting, microfibrillated cellulose, partial acetylation,
polylactic acid.
PENGUATAN SIFAT MEKANIS KOMPOSIT
POLIASAM LAKTAT DAN SELULOSA MIKROFIBRIL
TERASETILASI-TERLAKTILASI
REZA ADITYA NUGRAHA
Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Sains
pada
Departemen Kimia
DEPARTEMEN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2013
Judul Skripsi : Penguatan Sifat Mekanis Komposit Poliasam Laktat dan SeIuIosa
Mikrofibril Terasetilasi -TerIaktiIasi
: Reza Aditya Nugraha
Nama
: G44090101
NIM
Disetujui oleh
Prof Ir Suminar S Achmadi, PhD
Pembimbing I
Dr Lisman Suryanegara, MAgr
Pernbim bing II
Dr Eti Rohaed, MS
PIh. Ketua Departemen
Tanggal Lulus:
23
OCT 2013
Judul Skripsi : Penguatan Sifat Mekanis Komposit Poliasam Laktat dan Selulosa
Mikrofibril Terasetilasi-Terlaktilasi
Nama
: Reza Aditya Nugraha
NIM
: G44090101
Disetujui oleh
Prof Ir Suminar S Achmadi, PhD
Pembimbing I
Dr Lisman Suryanegara, MAgr
Pembimbing II
Diketahui oleh
Dr Eti Rohaeti, MS
Plh. Ketua Departemen
Tanggal Lulus:
PRAKATA
Segala puji bagi Allah SWT yang telah memberikan rahmat dan hidayahNya kepada penulis sehingga penulis akhirnya dapat menyelesaikan karya ilmiah
yang berjudul “Penguatan Sifat Mekanis Komposit Poliasam Laktat dan Selulosa
Mikrofibril Terasetilasi-Terlaktilasi”. Karya ilmiah ini disusun berdasarkan
penelitian yang dilaksanakan pada bulan Maret hingga September 2013 di
Laboratorium Kimia Organik, Departemen Kimia, Institut Pertanian Bogor dan
Laboratorium Biomaterial LIPI, Cibinong. Tak lupa shalawat serta salam semoga
selalu tercurah kepada Sang Motivator sepanjang masa, suri tauladan, dan idola
penulis, yaitu Nabi Muhammad SAW yang telah banyak memberikan motivasi di
dalam hati penulis.
Penulis mengucapkan terima kasih atas semua bimbingan, dukungan, dan
kerja sama yang telah diberikan oleh Ibu Prof Ir Suminar S Achmadi, PhD selaku
pembimbing I dan Bapak Dr Lisman Suryanegara, MAgr selaku pembimbing II.
Di samping itu, penghargaan penulis sampaikan kepada Bambang Utoro (Bapak),
Nur Laily (Mama), Amalia Ramadhani (Adik), Dessy Afni Avianti, SPt, dan
seluruh keluarga atas segala doa, dukungan, kasih sayang, kesabaran, diskusi dan
saran berkaitan dengan penelitian. Terima kasih juga kepada rekan-rekan tim riset
selulosa, Kimia angkatan 46, TPB B18, staf Laboratorium Organik, staf
Departemen Kimia IPB, Keluarga Besar Imasika IPB, dan staf LIPI Biomaterial
atas bantuan yang telah diberikan selama penulis melakukan penelitian, serta
Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi, Kementerian Pendidikan dan Kebudayaan
yang telah memberikan beasiswa BBM kepada penulis.
Penelitian ini disponsori oleh Kementerian Riset dan Teknologi melalui
Program Kompetitif Material Maju, LIPI, yang diraih oleh Dr Lisman
Suryanegara, MAgr.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat. Terima kasih.
Bogor, Oktober 2013
Reza Aditya Nugraha
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL
DAFTAR GAMBAR
DAFTAR LAMPIRAN
PENDAHULUAN
METODE
Alat dan Bahan
Prosedur
HASIL DAN PEMBAHASAN
Poliasam Laktat
Selulosa Mikrofibril
Selulosa Mikrofibril Termodifikasi
Sifat Termal
Sifat Mekanik
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Saran
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
RIWAYAT HIDUP
vii
vii
vii
1
2
2
2
5
5
5
7
8
10
11
11
12
12
14
18
DAFTAR TABEL
1 Serapan inframerah pada MFC murni dan MFC termodifikasi
2 Hasil analisis pengukuran dengan DSC
3 Hasil uji kekuatan mekanis menggunakan UTM
8
10
10
DAFTAR GAMBAR
1
2
3
4
5
6
Struktur kimia cincin laktida (A) dan poliasam laktat (B)
Struktur kimia L-(−)-asam laktat (A) dan D-(+)-asam laktat (B)
Morfologi MFC dengan perbesaran 1000× (A) dan 5000× (B)
Struktur ikatan hidrogen antarserat MFC
Spektrum perbandingan MFC murni dengan MFC termodfikasi
Termogram DSC
5
5
6
6
8
9
DAFTAR LAMPIRAN
1
2
3
4
Diagram alir penelitian
Sampel dan produk yang digunakan dalam penelitian
Data penentuan kadar asetil (KA) dan derajat substitusi (DS)
Hasil pengujian sifat mekanis menggunakan UTM
14
15
16
17
PENDAHULUAN
Dalam beberapa tahun terakhir, konsep green chemistry, green material, dan
ekologi industri di bidang polimer telah dikembangkan. Konsep ini bertujuan
menjawab permasalahan lingkungan dan menipisnya persediaan minyak bumi.
Poliasam laktat (PLA) merupakan salah satu polimer yang ramah lingkungan yang
berpotensi sebagai bahan alternatif pengganti plastik berbasis minyak bumi.
Bahan bakunya yang dapat diperbarui, energi produksinya yang rendah, dan biaya
produksinya yang dapat bersaing dengan polimer sintetik lain menjadikan PLA
sebagai sumber poliester yang paling banyak digunakan di dunia industri (Goffin
et al. 2011).
Berdasarkan sifatnya, PLA memiliki sifat mekanis yang baik sehingga
memudahkan penggunaannya dalam teknik pembuatan serat dan film, ekstrusi dan
thermoforming, dan injection molding. Namun, sifatnya yang rapuh, kestabilan
dan ketahanan panas yang rendah, serta laju kristalisasi yang lambat membuat
penerapannya terbatas di dunia industri (Braun et al. 2012). Beberapa penelitian
melaporkan penambahan selulosa mikrofibril (MFC) dapat meningkatkan sifatsifat PLA (Oksman et al. 2003; Nakagaito et al. 2009).
Pada aplikasinya, MFC banyak dijadikan sebagai pengisi dalam matriks
biopolimer seperti PLA dan dijadikan komposit yang sepenuhnya alami.
Ukurannya yang kecil (10-9−10-6 m) menjadikan serat ini lebih efektif sebagai
penguat dibandingkan dengan serat lain (Angles dan Dufresne 2001) dan
berpotensi sebagai bahan penguat pada industri otomotif, bangunan, komputer,
dan produk-produk lainnya. Pembentukan komposit yang diperkuat MFC dapat
memberikan keuntungan di antaranya dari segi sifat fisik, termal, dan mekanis
(Oksman et al. 2006). Namun, sifat hidrofilik MFC menyebabkan bahan ini
kurang terdispersi dalam matriks PLA yang bersifat hidrofobik sehingga terbentuk
agregasi MFC. Adanya aglomerasi yang bersifat ireversibel akibat ikatan hidrogen
yang kuat menyebabkan MFC ini tetap terdispersi dalam air. Hal ini membuat
komposit yang terbentuk memiliki stabilitas panas yang rendah (Goffin et al.
2011). Oleh sebab itu, beberapa modifikasi kimia dilakukan dengan tujuan
meningkatkan kompatibilitasnya.
Asetilasi parsial pada selulosa bakterial dengan rentang derajat substitusi
(DS) 0.04−2.77 telah dilaporkan oleh Kim et al. (2002). Hasilnya memperlihatkan
bahwa asetilasi terjadi pada permukaan selulosa bakterial dan tidak merusak
morfologi serat tersebut. Ifuku et al. (2007) telah memodifikasi permukaan serat
nanoselulosa bakterial yang diasetilasi dengan beragam tingkatan DS. Asetilasi
dinyatakan mampu meningkatkan berbagai sifat serat nanoselulosa bakterial dan
efektif menurunkan sifat higroskopis. Hal ini mengakibatkan serat nanoselulosa
kompatibel dengan bahan hidrofobik lainnya seperti matriks PLA.
Pendekatan yang berbeda dalam menurunkan hidrofilisitas dilaporkan oleh
Goffin et al. (2011), yaitu mencangkok permukaan nanoselulosa dengan matriks
poliester menggunakan metode polimerisasi pembukaan cincin L-laktida yang
dilanjutkan pencampuran dengan PLA untuk membentuk komposit. Toluena
digunakan sebagai pelarut dan Sn(Oct) 2 sebagai katalis dalam polimerisasi
pembukaan cincin. Hasil pencirian sifat termal menunjukkan modifikasi tersebut
2
mampu meningkatkan kompatibilitas nanoselulosa dengan matriks polimer yang
secara tidak langsung meningkatkan kekuatan komposit yang terbentuk.
Dari segi pembuatan komposit PLA-MFC, Iwatake et al. (2008)
melakukannya dengan 2 metode, yaitu pencampuran secara langsung dan
pencampuran dengan bantuan pelarut organik. Berdasarkan pencirian sifat
mekanis, metode pencampuran dengan bantuan pelarut organik menghasilkan
komposit PLA-MFC yang lebih baik daripada komposit yang dibuat dengan
metode pencampuran secara langsung.
Penelitian ini bertujuan menghasilkan perbaikan sifat mekanis komposit
PLA dengan MFC termodifikasi agar dapat terdispersi secara merata. Asetilasi
parsial memungkinkan gugus hidroksil yang hidrofilik pada struktur MFC
tersubstitusi sebagian dengan gugus asetil yang hidrofobik sehingga MFC dapat
kompatibel dengan bahan hidrofobik lainnya seperti matriks PLA. Produk
asetilasi ini disebut MFC-asetat. Proses selanjutnya adalah pencangkokan MFCasetat dengan monomer laktida. Monomer laktida diharapkan dapat tumbuh
sebagai PLA pada struktur tulang punggung MFC ketika dibuat menjadi komposit
dan diharapkan mampu meningkatkan sifat termal dan mekanik dari produk
komposit.
METODE
Penelitian ini terbagi dalam 3 tahap, yaitu tahap pembuatan selulosa asetat,
kopolimerisasi pencangkokan, dan pembuatan komposit. Sifat fisik dan mekanik
dari produk komposit dievaluasi dengan universal testing machine (UTM),
kalorimetri pemayaran diferensial (DSC), mikroskopi elektron pemayaran (SEM),
dan spektrofotometer inframerah transformasi Fourier (FTIR).
Alat dan Bahan
Alat-alat analitis yang digunakan pada penelitian ini ialah DSC-60A, hot
pressed dan UTM AG-IS 50kN (Shimadzu), SEM Evo50 (Zeiss), dan
spektrofotometer FTIR (Spectrum one, Perkin Elmer).
Bahan-bahan yang digunakan antara lain sampel MFC (Daicel Chemistry,
Jepang), monomer laktida (Sigma-Aldrich), katalis Sn(Oct) 2 (Sigma-Aldrich), dan
PLA H-400 (Toyota).
Prosedur
Penentuan Kadar Air (AOAC 2007)
Cawan porselen dikeringkan pada suhu 105 °C selama 30 menit lalu
didinginkan dalam desikator dan ditimbang. Sebanyak 1 g contoh MFC
dimasukkan ke dalam cawan dan dipanaskan pada suhu 105 °C selama 5 jam,
kemudian didinginkan dalam eksikator dan ditimbang sampai diperoleh bobot
konstan. Kadar air ditetapkan berdasarkan penentuan bobot kering contoh,
dilakukan sebanyak 3 kali ulangan.
3
Kadar air (%) =
�−�
× 100%
�
Keterangan:
A = Bobot contoh sebelum dikeringkan (g)
B = Bobot contoh setelah dikeringkan (g)
Asetilasi MFC (Modifikasi Arifin 2004)
Sebanyak 10 g MFC basah diperas menggunakan serat kanebo hingga air
dalam MFC merembes keluar. Sampel MFC kemudian dimasukkan ke dalam
erlenmeyer dan ditambahkan 50 mL etanol sambil diaduk selama 30 menit.
Campuran yang diperoleh selanjutnya disaring menggunakan penyaring vakum.
Prosedur yang sama dilakukan kembali dengan mengganti etanol dengan aseton
dan asam asetat glasial. Setelah dianggap terbebas dari air, sampel tersebut ditetesi
katalis asam (CH 3 COOH:H 2 SO 4 95−97% (v/v) = 100:1) sebanyak 12 mL dan
didiamkan selama 1 menit. Selanjutnya, sampel ditetesi anhidrida asetat secara
perlahan sebanyak 15 mL dengan buret. Suspensi diaduk dengan batang pengaduk
kaca hingga mengental, lalu didiamkan selama 90 menit (dimulai ketika anhidrida
asetat ditambahkan). Proses asetilasi tersebut dihentikan dengan menambahkan 3
mL larutan asam asetat glasial:air suling (2:1) dan didiamkan selama 30 menit
(diaduk dengan kecepatan sedang agar campuran merata). Sampel MFC yang
telah terasetilasi kemudian didispersikan ke dalam air suling sebanyak 500 mL
dengan pengadukan yang sangat kuat. Produk yang diperoleh kemudian disaringvakum dengan corong Büchner dan dicuci dengan NaHCO 3 1 N hingga tidak
terbentuk lagi gelembung gas CO 2 . Kemudian serat tersebut dicuci dengan air
suling hingga netral (pH 6.5−7) dan disaring-vakum hingga air tidak lagi menetes.
Sampel MFC-asetat tersebut disimpan dalam tabung kaca bertutup rapat.
Penentuan Kadar Asetil dan DS (ASTM 1991)
Sampel MFC-asetat yang telah dikeringkan (1 g) dimasukkan ke dalam
erlenmeyer 250 mL kemudian ditambahkan 40 mL etanol. Setelah sampel basah,
selanjutnya ditambah 40 mL NaOH 0.5 N dan dikocok. Campuran ini selanjutnya
dipanaskan dalam penangas goyang (shaker bath) selama 2 jam pada suhu 60 oC.
Setelah itu, sampel didinginkan pada suhu kamar dan didiamkan selama 3 hari.
Kemudian ke dalam erlenmeyer ditambahkan 2−3 tetes indikator fenolftalein dan
diaduk hingga warna merah muda merata. Sampel selanjutnya dititrasi dengan
larutan HCl 0.5 N hingga warna merah muda menghilang dan titran dilebihkan
sebanyak 1 mL HCl 0.5 N dari titik ekuivalennya. Sampel didiamkan selama 1
hari. Kemudian, larutan dititrasi dengan NaOH 0.5 N hingga warna merah muda
muncul dan tidak hilang selama pengocokan sekitar 15 menit. Perlakuan yang
sama dilakukan pada blangko, yaitu larutan dengan MFC murni. Persentase kadar
asetil dihitung menggunakan rumus
Kadar asetil (%) = [(D-C) N a + (A-B) N b ] × 4.305/W
Keterangan:
A = Volume NaOH yang terpakai untuk titrasi sampel (mL)
B = Volume NaOH yang terpakai untuk titrasi blangko (mL)
C = Volume HCl yang terpakai untuk titrasi sampel (mL)
4
D =
Na =
Nb=
W=
Volume HCl yang terpakai untuk titrasi blangko (mL)
Normalitas HCl (N)
Normalitas NaOH (N)
Bobot kering sampel (g)
Derajat substitusi sampel ditentukan dengan menggunakan rumus:
DS =
3.86 × Kadar Asetil (%)
102.40−Kadar Asetil (%)
Pencangkokan MFC-asetat dengan Monomer Laktida Menggunakan Metode
Polimerisasi Pembukaan Cincin (Modifikasi Goffin et al. 2011)
Sampel MFC-asetat yang telah didapat sebelumnya dengan DS ±1 direndam
dengan aseton lalu dikeringkan bersama toluena dengan teknik
sentrifugasi. Sampel yang telah tersuspensi dalam toluena dimasukkan ke
dalam labu reaksi berleher tiga dan diaduk menggunakan pengaduk bermagnet di
bawah aliran gas nitrogen. Kemudian labu reaksi tersebut direndam
dalam penangas air dan dipanaskan hingga 80 oC. Setelah itu, 1 g monomer Llaktida murni (yang sebelumnya telah dilarutkan ke dalam toluene
panas) ditambahkan ke dalam labu reaksi yang didalamnya terdapat suspensi
MFC-asetat.
Sejumlah
katalis
Sn(Oct) 2
(2%
dari
bobot monomer) ditambahkan ke labu reaksi dengan menggunakan jarum yang
telah disterilkan. Polimerisasi dilakukan selama selama 24 jam, kemudian
dihentikan dengan menambahkan beberapa tetes larutan HCl encer (0.1 M).
Produk kopolimerisasi cangkok diperoleh dengan pengendapan menggunakan
metanol dingin dan disaring.
Pembuatan Komposit (Modifikasi Suryanegara et al. 2009)
Sejumlah MFC (10% bobot komposit) yang telah dimodifikasi diinklusi
dalam etanol selama 15 menit, kemudian disaring. Selanjutnya, etanol diganti
menggunakan aseton dan diklorometana dengan proses inklusi yang sama.
Masing-masing proses diulangi sebanyak 3 kali. Setelah itu, sejumlah PLA (90%
bobot komposit) dilarutkan dalam diklorometana menggunakan alat homogenizer
untuk memperoleh suspensi yang terdispersi dengan baik. Suspensi yang
terbentuk kemudian diaduk dalam gelas piala dan secara bertahap MFC
termodifikasi ditambahkan ke dalam suspensi pada suhu ruang. Setelah selesai,
campuran diaduk terus menerus selama 1 jam. Campuran MFC-diklorometanaPLA dibentangkan pada suatu wadah dan diuapkan dalam lemari asam pada suhu
ruang selama 12 jam yang diikuti dengan pengeringan vakum pada suhu 50 oC
selama 8 jam. Selanjutnya, komposit yang telah kering ditimbang bobotnya dan
dipotong hingga berbobot rerata ± 1 cm2. Pada proses selanjutnya, komposit
diremas (kneaded) dengan alat laboplastomil pada suhu 160 °C, kecepatan 40 rpm
selama 8 menit. Proses selanjutnya, komposit dicetak menjadi lembaran kecil
menggunakan hot pressed pada suhu 180 °C selama 14 menit (prapemanasan 6
menit, penekanan 3 menit (tekanan 400 Pa), dan pendinginan 5 menit.
5
HASIL DAN PEMBAHASAN
Poliasam Laktat
Poliasam laktat (PLA) merupakan polimer termoplastis yang berpotensi
sebagai bahan alternatif pengganti polimer berbasis minyak bumi karena memiliki
kekakuan dan kekuatan yang baik (Suryanegara et al. 2009) serta bahan bakunya
dapat dihasilkan dari sumber-sumber pertanian. Polimer ini secara umum dapat
disintesis dengan 2 teknik polimerisasi, yaitu polimerisasi pembukaan cincin dari
laktida (Gambar 1) dan polimerisasi kondensasi langsung. Pada penelitian ini
dipilih teknik polimerisasi pembukaan cincin laktida dengan bantuan katalis
Sn(Oct) 2 . Teknik ini dipilih karena mampu menghasilkan polimer berbobot
molekul lebih tinggi daripada polimer yang dihasilkan dengan teknik kondensasi
secara langsung. Selain itu, teknik ini paling umum digunakan di industri. Polimer
ini dapat berbentuk semikristalin atau amorf, bergantung pada bentuk unit
penyusunnya, yaitu asam laktat, tipe L-(−)-asam laktat dan D-(+)-asam laktat
(Gambar 2). PLA yang mengandung lebih dari 93% tipe L-(−)-asam laktat adalah
semikristalin, sedangkan PLA dengan kandungan L-(−)-asam laktat hanya 50–
93% adalah amorf (Auras et al. 2004).
Gambar 1 Struktur kimia cincin laktida (A) dan poliasam laktat (B)
Gambar 2 Struktur kimia L-(−)-asam laktat (A) dan D-(+)-asam laktat (B)
Selulosa Mikrofibril
MFC merupakan selulosa yang telah mengalami hidrolisis asam (Goffin et
al. 2011) dan pemrosesan secara mekanis pada penghomogen bertekanan tinggi
dan menjadi agregat kecil (Carlmark et al. 2012). Menurut Chakraborty et al.
(2006), MFC memiliki diameter serat mencapai 0.1−1 µm dan panjang minimum
5−50 µm. Berdasarkan analisis morfologi menggunakan SEM (Gambar 3) dengan
6
perbesaran 1000× dan 5000× terlihat ukuran diameter serat beragam, yaitu
111.7−157.9 nm, sedangkan panjangnya sulit diukur karena setiap serat saling
membelit menyerupai jaring sehingga sulit untuk menentukan ujung dari setiap
serat.
A
B
Gambar 3 Morfologi MFC dengan perbesaran 1000× (A) dan 5000× (B)
Molekul selulosa membentuk mikrofibril yang berupa daerah kristalin
diselingi daerah amorf dengan proporsi bergantung pada sumber didapatkannya
selulosa tersebut. Selain itu, senyawa ini memiliki struktur yang teratur berupa
polimer linear akibat unit ulangan β-D-glukopiranosa yang saling berikatan
melalui ikatan β (1-4). Tiga gugus hidroksil pada posisi C2 dan C3 (gugus
hidroksil sekunder) serta OH pada C6 (gugus hidroksil primer) menyebabkan
adanya ikatan hidrogen secara intra- dan antarmolekul (Gambar 4) sehingga serat
selulosa memiliki kuat tarik yang tinggi dan tidak larut dalam kebanyakan pelarut.
Namun, ketiga gugus tersebut juga menyebabkan selulosa memiliki karakter
hidrofilik yang kuat. Hal ini dibuktikan dengan MFC yang digunakan dalam
penelitian ini dapat memiliki kadar air mencapai 90%. Ciri hidrofilik yang kuat ini
yang menyebabkan MFC kurang terdispersi secara merata dalam matriks PLA.
Ikatan hidrogen
Gambar 4 Struktur ikatan hidrogen antarserat MFC
7
Selulosa Mikrofibril Termodifikasi
Pada penelitian ini MFC dimodifikasi dalam 2 tahapan, yaitu tahap asetilasi
parsial dan kopolimerisasi cangkok; wujud fisik setiap produk ditampilkan pada
Lampiran 2. Tahapan asetilasi merupakan modifikasi MFC secara kimia yang
digunakan untuk mengubah sifat tertentu berdasarkan strukturnya. Pada tahapan
ini terjadi proses asetilasi secara parsial, yaitu atom hidrogen pada gugus-gugus
hidroksil MFC hanya sebagian yang disubstitusi dengan gugus asetil sehingga
diharapkan dapat meningkatkan kompatibilitasnya terhadap polimer lain yang
umumnya bersifat hidrofobik seperti PLA dan memiliki kekuatan yang baik.
Terjadinya reaksi asetilasi secara parsial pada MFC-asetat dapat dibuktikan
dengan nilai derajat substitusi (DS) yang dapat ditentukan dengan teknik titrasi.
Berdasarkan hasil penentuan kadar asetil dan derajat substitusi (Lampiran 3)
MFC-asetat yang didapatkan bernilai DS sebesar ±1. Ifuku et al. (2007)
menyebutkan bahwa selulosa asetat memiliki nilai DS optimum 0.2−0.6, dengan
daerah kristalin pada selulosa hanya mengalami sedikit perubahan dan jumlah
ikatan hidrogen antarserat selulosa hanya sedikit menurun. Pada penelitian ini
DS
PENGUATAN SIFAT MEKANIS KOMPOSIT
POLIASAM LAKTAT DAN SELULOSA MIKROFIBRIL
TERASETILASI-TERLAKTILASI
REZA ADITYA NUGRAHA
DEPARTEMEN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2013
iii
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Penguatan Sifat
Mekanis Komposit Poliasam Laktat dan Selulosa Mikrofibril TerasetilasiTerlaktilasi adalah benar karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan
belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber
informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak
diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam
Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut
Pertanian Bogor.
Bogor, Oktober 2013
Reza Aditya Nugraha
NIM G44090101
ABSTRAK
REZA ADITYA NUGRAHA. Penguatan Sifat Mekanis Komposit Poliasam
Laktat dan Selulosa Mikrofibril Terasetilasi-Terlaktilasi. Dibimbing oleh
SUMINAR S ACHMADI dan LISMAN SURYANEGARA.
Komposit polimer asam laktat (PLA) yang diperkuat dengan 10% selulosa
mikrofibril (MFC) termodifikasi telah berhasil dibuat. Modifikasi MFC
diperlukan guna meningkatkan kompatibilitas dengan PLA dalam membentuk
komposit. Pada penelitian ini, MFC diasetilasi parsial dengan derajat substitusi 1
dan selanjutnya dicangkok dengan laktida melalui polimerisasi pembukaan cincin.
Hasil asetilasi dan pencangkokan dibuktikan dengan spektrum inframerah.
Berdasarkan pencirian sifat termal menggunakan kalorimetri pemayaran
diferensial, diketahui bahwa MFC termodifikasi mampu meningkatkan suhu
transisi kaca dan mempercepat kristalisasi PLA. Selain itu, dari pengukuran sifat
mekanis diketahui bahwa MFC termodifikasi membentuk jaringan perkolasi dan
bertindak sebagai pengisi dalam matriks PLA. Hal tersebut dibuktikan dengan
meningkatnya sifat-sifat mekanik PLA ketika diperkuat dengan MFC
termodifikasi, yaitu panjang putus (1.1% menjadi 1.8%), kuat tarik (14.9 MPa
menjadi 25.7 MPa), dan modulus elastisitas (1.7 GPa menjadi 2.1 GPa).
Kata kunci:
asetilasi parsial, pencangkokan laktida, poliasam laktat, selulosa
mikrofibril.
ABSTRACT
REZA ADITYA NUGRAHA. Mechanical Properties Improvement of Composite
of Polylactic Acid and Acetylated-Lactylated Microfibrillated Cellulose.
Supervised by SUMINAR S ACHMADI and LISMAN SURYANEGARA.
The composites based on polylactic acid (PLA) reinforced with 10%
modified microfibrillated cellulose (MFC) has been succesfully prepared.
Modification of MFC was needed to increase its compatibility with PLA in the
composite formation. In this experiment, MFC was modified with partial
acetylation (degree of substitution: 1) and further grafted with lactide monomers
through ring-opening polymerization. The result of acetylation and grafting were
verified by infrared spectra. Thermal characterization carried out using differential
scanning calorimetry measurements showed that the presence of modified MFC
increased the temperature of glass transition and accelerated the crystallization of
PLA. In addition, mechanical properties measurements showed that the modified
MFC formed percolation network and acted as a fillers within the PLA matrix. It
was showed by enhancement in elongation at break (1.1% to 1.8%), tensile
strength (14.9 MPa to 25.7 MPa), and modulus of elasticity (1.7 GPa to 2.1 GPa).
Keywords: lactide grafting, microfibrillated cellulose, partial acetylation,
polylactic acid.
PENGUATAN SIFAT MEKANIS KOMPOSIT
POLIASAM LAKTAT DAN SELULOSA MIKROFIBRIL
TERASETILASI-TERLAKTILASI
REZA ADITYA NUGRAHA
Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Sains
pada
Departemen Kimia
DEPARTEMEN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2013
Judul Skripsi : Penguatan Sifat Mekanis Komposit Poliasam Laktat dan SeIuIosa
Mikrofibril Terasetilasi -TerIaktiIasi
: Reza Aditya Nugraha
Nama
: G44090101
NIM
Disetujui oleh
Prof Ir Suminar S Achmadi, PhD
Pembimbing I
Dr Lisman Suryanegara, MAgr
Pernbim bing II
Dr Eti Rohaed, MS
PIh. Ketua Departemen
Tanggal Lulus:
23
OCT 2013
Judul Skripsi : Penguatan Sifat Mekanis Komposit Poliasam Laktat dan Selulosa
Mikrofibril Terasetilasi-Terlaktilasi
Nama
: Reza Aditya Nugraha
NIM
: G44090101
Disetujui oleh
Prof Ir Suminar S Achmadi, PhD
Pembimbing I
Dr Lisman Suryanegara, MAgr
Pembimbing II
Diketahui oleh
Dr Eti Rohaeti, MS
Plh. Ketua Departemen
Tanggal Lulus:
PRAKATA
Segala puji bagi Allah SWT yang telah memberikan rahmat dan hidayahNya kepada penulis sehingga penulis akhirnya dapat menyelesaikan karya ilmiah
yang berjudul “Penguatan Sifat Mekanis Komposit Poliasam Laktat dan Selulosa
Mikrofibril Terasetilasi-Terlaktilasi”. Karya ilmiah ini disusun berdasarkan
penelitian yang dilaksanakan pada bulan Maret hingga September 2013 di
Laboratorium Kimia Organik, Departemen Kimia, Institut Pertanian Bogor dan
Laboratorium Biomaterial LIPI, Cibinong. Tak lupa shalawat serta salam semoga
selalu tercurah kepada Sang Motivator sepanjang masa, suri tauladan, dan idola
penulis, yaitu Nabi Muhammad SAW yang telah banyak memberikan motivasi di
dalam hati penulis.
Penulis mengucapkan terima kasih atas semua bimbingan, dukungan, dan
kerja sama yang telah diberikan oleh Ibu Prof Ir Suminar S Achmadi, PhD selaku
pembimbing I dan Bapak Dr Lisman Suryanegara, MAgr selaku pembimbing II.
Di samping itu, penghargaan penulis sampaikan kepada Bambang Utoro (Bapak),
Nur Laily (Mama), Amalia Ramadhani (Adik), Dessy Afni Avianti, SPt, dan
seluruh keluarga atas segala doa, dukungan, kasih sayang, kesabaran, diskusi dan
saran berkaitan dengan penelitian. Terima kasih juga kepada rekan-rekan tim riset
selulosa, Kimia angkatan 46, TPB B18, staf Laboratorium Organik, staf
Departemen Kimia IPB, Keluarga Besar Imasika IPB, dan staf LIPI Biomaterial
atas bantuan yang telah diberikan selama penulis melakukan penelitian, serta
Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi, Kementerian Pendidikan dan Kebudayaan
yang telah memberikan beasiswa BBM kepada penulis.
Penelitian ini disponsori oleh Kementerian Riset dan Teknologi melalui
Program Kompetitif Material Maju, LIPI, yang diraih oleh Dr Lisman
Suryanegara, MAgr.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat. Terima kasih.
Bogor, Oktober 2013
Reza Aditya Nugraha
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL
DAFTAR GAMBAR
DAFTAR LAMPIRAN
PENDAHULUAN
METODE
Alat dan Bahan
Prosedur
HASIL DAN PEMBAHASAN
Poliasam Laktat
Selulosa Mikrofibril
Selulosa Mikrofibril Termodifikasi
Sifat Termal
Sifat Mekanik
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Saran
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
RIWAYAT HIDUP
vii
vii
vii
1
2
2
2
5
5
5
7
8
10
11
11
12
12
14
18
DAFTAR TABEL
1 Serapan inframerah pada MFC murni dan MFC termodifikasi
2 Hasil analisis pengukuran dengan DSC
3 Hasil uji kekuatan mekanis menggunakan UTM
8
10
10
DAFTAR GAMBAR
1
2
3
4
5
6
Struktur kimia cincin laktida (A) dan poliasam laktat (B)
Struktur kimia L-(−)-asam laktat (A) dan D-(+)-asam laktat (B)
Morfologi MFC dengan perbesaran 1000× (A) dan 5000× (B)
Struktur ikatan hidrogen antarserat MFC
Spektrum perbandingan MFC murni dengan MFC termodfikasi
Termogram DSC
5
5
6
6
8
9
DAFTAR LAMPIRAN
1
2
3
4
Diagram alir penelitian
Sampel dan produk yang digunakan dalam penelitian
Data penentuan kadar asetil (KA) dan derajat substitusi (DS)
Hasil pengujian sifat mekanis menggunakan UTM
14
15
16
17
PENDAHULUAN
Dalam beberapa tahun terakhir, konsep green chemistry, green material, dan
ekologi industri di bidang polimer telah dikembangkan. Konsep ini bertujuan
menjawab permasalahan lingkungan dan menipisnya persediaan minyak bumi.
Poliasam laktat (PLA) merupakan salah satu polimer yang ramah lingkungan yang
berpotensi sebagai bahan alternatif pengganti plastik berbasis minyak bumi.
Bahan bakunya yang dapat diperbarui, energi produksinya yang rendah, dan biaya
produksinya yang dapat bersaing dengan polimer sintetik lain menjadikan PLA
sebagai sumber poliester yang paling banyak digunakan di dunia industri (Goffin
et al. 2011).
Berdasarkan sifatnya, PLA memiliki sifat mekanis yang baik sehingga
memudahkan penggunaannya dalam teknik pembuatan serat dan film, ekstrusi dan
thermoforming, dan injection molding. Namun, sifatnya yang rapuh, kestabilan
dan ketahanan panas yang rendah, serta laju kristalisasi yang lambat membuat
penerapannya terbatas di dunia industri (Braun et al. 2012). Beberapa penelitian
melaporkan penambahan selulosa mikrofibril (MFC) dapat meningkatkan sifatsifat PLA (Oksman et al. 2003; Nakagaito et al. 2009).
Pada aplikasinya, MFC banyak dijadikan sebagai pengisi dalam matriks
biopolimer seperti PLA dan dijadikan komposit yang sepenuhnya alami.
Ukurannya yang kecil (10-9−10-6 m) menjadikan serat ini lebih efektif sebagai
penguat dibandingkan dengan serat lain (Angles dan Dufresne 2001) dan
berpotensi sebagai bahan penguat pada industri otomotif, bangunan, komputer,
dan produk-produk lainnya. Pembentukan komposit yang diperkuat MFC dapat
memberikan keuntungan di antaranya dari segi sifat fisik, termal, dan mekanis
(Oksman et al. 2006). Namun, sifat hidrofilik MFC menyebabkan bahan ini
kurang terdispersi dalam matriks PLA yang bersifat hidrofobik sehingga terbentuk
agregasi MFC. Adanya aglomerasi yang bersifat ireversibel akibat ikatan hidrogen
yang kuat menyebabkan MFC ini tetap terdispersi dalam air. Hal ini membuat
komposit yang terbentuk memiliki stabilitas panas yang rendah (Goffin et al.
2011). Oleh sebab itu, beberapa modifikasi kimia dilakukan dengan tujuan
meningkatkan kompatibilitasnya.
Asetilasi parsial pada selulosa bakterial dengan rentang derajat substitusi
(DS) 0.04−2.77 telah dilaporkan oleh Kim et al. (2002). Hasilnya memperlihatkan
bahwa asetilasi terjadi pada permukaan selulosa bakterial dan tidak merusak
morfologi serat tersebut. Ifuku et al. (2007) telah memodifikasi permukaan serat
nanoselulosa bakterial yang diasetilasi dengan beragam tingkatan DS. Asetilasi
dinyatakan mampu meningkatkan berbagai sifat serat nanoselulosa bakterial dan
efektif menurunkan sifat higroskopis. Hal ini mengakibatkan serat nanoselulosa
kompatibel dengan bahan hidrofobik lainnya seperti matriks PLA.
Pendekatan yang berbeda dalam menurunkan hidrofilisitas dilaporkan oleh
Goffin et al. (2011), yaitu mencangkok permukaan nanoselulosa dengan matriks
poliester menggunakan metode polimerisasi pembukaan cincin L-laktida yang
dilanjutkan pencampuran dengan PLA untuk membentuk komposit. Toluena
digunakan sebagai pelarut dan Sn(Oct) 2 sebagai katalis dalam polimerisasi
pembukaan cincin. Hasil pencirian sifat termal menunjukkan modifikasi tersebut
2
mampu meningkatkan kompatibilitas nanoselulosa dengan matriks polimer yang
secara tidak langsung meningkatkan kekuatan komposit yang terbentuk.
Dari segi pembuatan komposit PLA-MFC, Iwatake et al. (2008)
melakukannya dengan 2 metode, yaitu pencampuran secara langsung dan
pencampuran dengan bantuan pelarut organik. Berdasarkan pencirian sifat
mekanis, metode pencampuran dengan bantuan pelarut organik menghasilkan
komposit PLA-MFC yang lebih baik daripada komposit yang dibuat dengan
metode pencampuran secara langsung.
Penelitian ini bertujuan menghasilkan perbaikan sifat mekanis komposit
PLA dengan MFC termodifikasi agar dapat terdispersi secara merata. Asetilasi
parsial memungkinkan gugus hidroksil yang hidrofilik pada struktur MFC
tersubstitusi sebagian dengan gugus asetil yang hidrofobik sehingga MFC dapat
kompatibel dengan bahan hidrofobik lainnya seperti matriks PLA. Produk
asetilasi ini disebut MFC-asetat. Proses selanjutnya adalah pencangkokan MFCasetat dengan monomer laktida. Monomer laktida diharapkan dapat tumbuh
sebagai PLA pada struktur tulang punggung MFC ketika dibuat menjadi komposit
dan diharapkan mampu meningkatkan sifat termal dan mekanik dari produk
komposit.
METODE
Penelitian ini terbagi dalam 3 tahap, yaitu tahap pembuatan selulosa asetat,
kopolimerisasi pencangkokan, dan pembuatan komposit. Sifat fisik dan mekanik
dari produk komposit dievaluasi dengan universal testing machine (UTM),
kalorimetri pemayaran diferensial (DSC), mikroskopi elektron pemayaran (SEM),
dan spektrofotometer inframerah transformasi Fourier (FTIR).
Alat dan Bahan
Alat-alat analitis yang digunakan pada penelitian ini ialah DSC-60A, hot
pressed dan UTM AG-IS 50kN (Shimadzu), SEM Evo50 (Zeiss), dan
spektrofotometer FTIR (Spectrum one, Perkin Elmer).
Bahan-bahan yang digunakan antara lain sampel MFC (Daicel Chemistry,
Jepang), monomer laktida (Sigma-Aldrich), katalis Sn(Oct) 2 (Sigma-Aldrich), dan
PLA H-400 (Toyota).
Prosedur
Penentuan Kadar Air (AOAC 2007)
Cawan porselen dikeringkan pada suhu 105 °C selama 30 menit lalu
didinginkan dalam desikator dan ditimbang. Sebanyak 1 g contoh MFC
dimasukkan ke dalam cawan dan dipanaskan pada suhu 105 °C selama 5 jam,
kemudian didinginkan dalam eksikator dan ditimbang sampai diperoleh bobot
konstan. Kadar air ditetapkan berdasarkan penentuan bobot kering contoh,
dilakukan sebanyak 3 kali ulangan.
3
Kadar air (%) =
�−�
× 100%
�
Keterangan:
A = Bobot contoh sebelum dikeringkan (g)
B = Bobot contoh setelah dikeringkan (g)
Asetilasi MFC (Modifikasi Arifin 2004)
Sebanyak 10 g MFC basah diperas menggunakan serat kanebo hingga air
dalam MFC merembes keluar. Sampel MFC kemudian dimasukkan ke dalam
erlenmeyer dan ditambahkan 50 mL etanol sambil diaduk selama 30 menit.
Campuran yang diperoleh selanjutnya disaring menggunakan penyaring vakum.
Prosedur yang sama dilakukan kembali dengan mengganti etanol dengan aseton
dan asam asetat glasial. Setelah dianggap terbebas dari air, sampel tersebut ditetesi
katalis asam (CH 3 COOH:H 2 SO 4 95−97% (v/v) = 100:1) sebanyak 12 mL dan
didiamkan selama 1 menit. Selanjutnya, sampel ditetesi anhidrida asetat secara
perlahan sebanyak 15 mL dengan buret. Suspensi diaduk dengan batang pengaduk
kaca hingga mengental, lalu didiamkan selama 90 menit (dimulai ketika anhidrida
asetat ditambahkan). Proses asetilasi tersebut dihentikan dengan menambahkan 3
mL larutan asam asetat glasial:air suling (2:1) dan didiamkan selama 30 menit
(diaduk dengan kecepatan sedang agar campuran merata). Sampel MFC yang
telah terasetilasi kemudian didispersikan ke dalam air suling sebanyak 500 mL
dengan pengadukan yang sangat kuat. Produk yang diperoleh kemudian disaringvakum dengan corong Büchner dan dicuci dengan NaHCO 3 1 N hingga tidak
terbentuk lagi gelembung gas CO 2 . Kemudian serat tersebut dicuci dengan air
suling hingga netral (pH 6.5−7) dan disaring-vakum hingga air tidak lagi menetes.
Sampel MFC-asetat tersebut disimpan dalam tabung kaca bertutup rapat.
Penentuan Kadar Asetil dan DS (ASTM 1991)
Sampel MFC-asetat yang telah dikeringkan (1 g) dimasukkan ke dalam
erlenmeyer 250 mL kemudian ditambahkan 40 mL etanol. Setelah sampel basah,
selanjutnya ditambah 40 mL NaOH 0.5 N dan dikocok. Campuran ini selanjutnya
dipanaskan dalam penangas goyang (shaker bath) selama 2 jam pada suhu 60 oC.
Setelah itu, sampel didinginkan pada suhu kamar dan didiamkan selama 3 hari.
Kemudian ke dalam erlenmeyer ditambahkan 2−3 tetes indikator fenolftalein dan
diaduk hingga warna merah muda merata. Sampel selanjutnya dititrasi dengan
larutan HCl 0.5 N hingga warna merah muda menghilang dan titran dilebihkan
sebanyak 1 mL HCl 0.5 N dari titik ekuivalennya. Sampel didiamkan selama 1
hari. Kemudian, larutan dititrasi dengan NaOH 0.5 N hingga warna merah muda
muncul dan tidak hilang selama pengocokan sekitar 15 menit. Perlakuan yang
sama dilakukan pada blangko, yaitu larutan dengan MFC murni. Persentase kadar
asetil dihitung menggunakan rumus
Kadar asetil (%) = [(D-C) N a + (A-B) N b ] × 4.305/W
Keterangan:
A = Volume NaOH yang terpakai untuk titrasi sampel (mL)
B = Volume NaOH yang terpakai untuk titrasi blangko (mL)
C = Volume HCl yang terpakai untuk titrasi sampel (mL)
4
D =
Na =
Nb=
W=
Volume HCl yang terpakai untuk titrasi blangko (mL)
Normalitas HCl (N)
Normalitas NaOH (N)
Bobot kering sampel (g)
Derajat substitusi sampel ditentukan dengan menggunakan rumus:
DS =
3.86 × Kadar Asetil (%)
102.40−Kadar Asetil (%)
Pencangkokan MFC-asetat dengan Monomer Laktida Menggunakan Metode
Polimerisasi Pembukaan Cincin (Modifikasi Goffin et al. 2011)
Sampel MFC-asetat yang telah didapat sebelumnya dengan DS ±1 direndam
dengan aseton lalu dikeringkan bersama toluena dengan teknik
sentrifugasi. Sampel yang telah tersuspensi dalam toluena dimasukkan ke
dalam labu reaksi berleher tiga dan diaduk menggunakan pengaduk bermagnet di
bawah aliran gas nitrogen. Kemudian labu reaksi tersebut direndam
dalam penangas air dan dipanaskan hingga 80 oC. Setelah itu, 1 g monomer Llaktida murni (yang sebelumnya telah dilarutkan ke dalam toluene
panas) ditambahkan ke dalam labu reaksi yang didalamnya terdapat suspensi
MFC-asetat.
Sejumlah
katalis
Sn(Oct) 2
(2%
dari
bobot monomer) ditambahkan ke labu reaksi dengan menggunakan jarum yang
telah disterilkan. Polimerisasi dilakukan selama selama 24 jam, kemudian
dihentikan dengan menambahkan beberapa tetes larutan HCl encer (0.1 M).
Produk kopolimerisasi cangkok diperoleh dengan pengendapan menggunakan
metanol dingin dan disaring.
Pembuatan Komposit (Modifikasi Suryanegara et al. 2009)
Sejumlah MFC (10% bobot komposit) yang telah dimodifikasi diinklusi
dalam etanol selama 15 menit, kemudian disaring. Selanjutnya, etanol diganti
menggunakan aseton dan diklorometana dengan proses inklusi yang sama.
Masing-masing proses diulangi sebanyak 3 kali. Setelah itu, sejumlah PLA (90%
bobot komposit) dilarutkan dalam diklorometana menggunakan alat homogenizer
untuk memperoleh suspensi yang terdispersi dengan baik. Suspensi yang
terbentuk kemudian diaduk dalam gelas piala dan secara bertahap MFC
termodifikasi ditambahkan ke dalam suspensi pada suhu ruang. Setelah selesai,
campuran diaduk terus menerus selama 1 jam. Campuran MFC-diklorometanaPLA dibentangkan pada suatu wadah dan diuapkan dalam lemari asam pada suhu
ruang selama 12 jam yang diikuti dengan pengeringan vakum pada suhu 50 oC
selama 8 jam. Selanjutnya, komposit yang telah kering ditimbang bobotnya dan
dipotong hingga berbobot rerata ± 1 cm2. Pada proses selanjutnya, komposit
diremas (kneaded) dengan alat laboplastomil pada suhu 160 °C, kecepatan 40 rpm
selama 8 menit. Proses selanjutnya, komposit dicetak menjadi lembaran kecil
menggunakan hot pressed pada suhu 180 °C selama 14 menit (prapemanasan 6
menit, penekanan 3 menit (tekanan 400 Pa), dan pendinginan 5 menit.
5
HASIL DAN PEMBAHASAN
Poliasam Laktat
Poliasam laktat (PLA) merupakan polimer termoplastis yang berpotensi
sebagai bahan alternatif pengganti polimer berbasis minyak bumi karena memiliki
kekakuan dan kekuatan yang baik (Suryanegara et al. 2009) serta bahan bakunya
dapat dihasilkan dari sumber-sumber pertanian. Polimer ini secara umum dapat
disintesis dengan 2 teknik polimerisasi, yaitu polimerisasi pembukaan cincin dari
laktida (Gambar 1) dan polimerisasi kondensasi langsung. Pada penelitian ini
dipilih teknik polimerisasi pembukaan cincin laktida dengan bantuan katalis
Sn(Oct) 2 . Teknik ini dipilih karena mampu menghasilkan polimer berbobot
molekul lebih tinggi daripada polimer yang dihasilkan dengan teknik kondensasi
secara langsung. Selain itu, teknik ini paling umum digunakan di industri. Polimer
ini dapat berbentuk semikristalin atau amorf, bergantung pada bentuk unit
penyusunnya, yaitu asam laktat, tipe L-(−)-asam laktat dan D-(+)-asam laktat
(Gambar 2). PLA yang mengandung lebih dari 93% tipe L-(−)-asam laktat adalah
semikristalin, sedangkan PLA dengan kandungan L-(−)-asam laktat hanya 50–
93% adalah amorf (Auras et al. 2004).
Gambar 1 Struktur kimia cincin laktida (A) dan poliasam laktat (B)
Gambar 2 Struktur kimia L-(−)-asam laktat (A) dan D-(+)-asam laktat (B)
Selulosa Mikrofibril
MFC merupakan selulosa yang telah mengalami hidrolisis asam (Goffin et
al. 2011) dan pemrosesan secara mekanis pada penghomogen bertekanan tinggi
dan menjadi agregat kecil (Carlmark et al. 2012). Menurut Chakraborty et al.
(2006), MFC memiliki diameter serat mencapai 0.1−1 µm dan panjang minimum
5−50 µm. Berdasarkan analisis morfologi menggunakan SEM (Gambar 3) dengan
6
perbesaran 1000× dan 5000× terlihat ukuran diameter serat beragam, yaitu
111.7−157.9 nm, sedangkan panjangnya sulit diukur karena setiap serat saling
membelit menyerupai jaring sehingga sulit untuk menentukan ujung dari setiap
serat.
A
B
Gambar 3 Morfologi MFC dengan perbesaran 1000× (A) dan 5000× (B)
Molekul selulosa membentuk mikrofibril yang berupa daerah kristalin
diselingi daerah amorf dengan proporsi bergantung pada sumber didapatkannya
selulosa tersebut. Selain itu, senyawa ini memiliki struktur yang teratur berupa
polimer linear akibat unit ulangan β-D-glukopiranosa yang saling berikatan
melalui ikatan β (1-4). Tiga gugus hidroksil pada posisi C2 dan C3 (gugus
hidroksil sekunder) serta OH pada C6 (gugus hidroksil primer) menyebabkan
adanya ikatan hidrogen secara intra- dan antarmolekul (Gambar 4) sehingga serat
selulosa memiliki kuat tarik yang tinggi dan tidak larut dalam kebanyakan pelarut.
Namun, ketiga gugus tersebut juga menyebabkan selulosa memiliki karakter
hidrofilik yang kuat. Hal ini dibuktikan dengan MFC yang digunakan dalam
penelitian ini dapat memiliki kadar air mencapai 90%. Ciri hidrofilik yang kuat ini
yang menyebabkan MFC kurang terdispersi secara merata dalam matriks PLA.
Ikatan hidrogen
Gambar 4 Struktur ikatan hidrogen antarserat MFC
7
Selulosa Mikrofibril Termodifikasi
Pada penelitian ini MFC dimodifikasi dalam 2 tahapan, yaitu tahap asetilasi
parsial dan kopolimerisasi cangkok; wujud fisik setiap produk ditampilkan pada
Lampiran 2. Tahapan asetilasi merupakan modifikasi MFC secara kimia yang
digunakan untuk mengubah sifat tertentu berdasarkan strukturnya. Pada tahapan
ini terjadi proses asetilasi secara parsial, yaitu atom hidrogen pada gugus-gugus
hidroksil MFC hanya sebagian yang disubstitusi dengan gugus asetil sehingga
diharapkan dapat meningkatkan kompatibilitasnya terhadap polimer lain yang
umumnya bersifat hidrofobik seperti PLA dan memiliki kekuatan yang baik.
Terjadinya reaksi asetilasi secara parsial pada MFC-asetat dapat dibuktikan
dengan nilai derajat substitusi (DS) yang dapat ditentukan dengan teknik titrasi.
Berdasarkan hasil penentuan kadar asetil dan derajat substitusi (Lampiran 3)
MFC-asetat yang didapatkan bernilai DS sebesar ±1. Ifuku et al. (2007)
menyebutkan bahwa selulosa asetat memiliki nilai DS optimum 0.2−0.6, dengan
daerah kristalin pada selulosa hanya mengalami sedikit perubahan dan jumlah
ikatan hidrogen antarserat selulosa hanya sedikit menurun. Pada penelitian ini
DS