Polypropylene Substitution by Chitosan on Polypropylene-Empty Fruit Bunch Fiber of Oil Palm Microfibril Termoplastic Composites
SUBSTITUSI POLIPROPILENA DENGAN KHITOSAN PADA
KOMPOSIT TERMOPLASTIK POLIPROPILENA-MIKROFIBRIL
TANDAN KOSONG KELAPA SAWIT
KURNIA WIJI PRASETIYO
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2012
SUBSTITUSI POLIPROPILENA DENGAN KHITOSAN PADA
KOMPOSIT TERMOPLASTIK POLIPROPILENA-MIKROFIBRIL
TANDAN KOSONG KELAPA SAWIT
KURNIA WIJI PRASETIYO
Tesis
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Magister Sains pada
Program Studi Ilmu dan Teknologi Hasil Hutan
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2012
ABSTRACT
KURNIA WIJI PRASETIYO. Polypropylene Substitution by Chitosan on
Polypropylene-Empty Fruit Bunch Fiber of Oil Palm Microfibril Termoplastic
Composites. Under the direction of DEDE HERMAWAN, MUH. YUSRAM
MASSIJAYA dan SUBYAKTO.
The physical, mechanical properties and morphology of chitosan
substitued polypropylene (PP) on polypropylene-empty fruit bunch fiber of oil
palm microfibril termoplastic composites have been studied. The effects of size
and percentation of chitosan were investigated. Results showed that the density of
the composites increased with increasing chitosan content. At the optimum
chitosan percentage of 10% with the smaller size of chitosan 20 mesh to 40 mesh
could produced composites with density, thickness swelling and water absorption
lower than control and other compositions also modulus of rupture, modulus of
elasticity, tensile strength and elongation were higher than control and other
compositions. The tensile strength and elongation decreased but the modulus or
rupture from composites increased with increasing chitosan content. In all size
variations and concentrations of chitosan was resulted thermoplastic composites
with elongation properties above the standard minimum elongation from
composites polypropylene (PP)-fiber glass (FG) applied to the components of
HONDA motorcycle type LR22E PP-FG 10% Honda Engineering Standard
(HES) C 227 for 2%.
Keywords: chitosan, empty fruit bunch oil palm, microfibril, PP substitution,
thermoplastic composites
RINGKASAN
KURNIA WIJI PRASETIYO. Substitusi Polipropilena dengan Khitosan pada
Komposit Termoplastik Polipropilena-Mikrofibril Tandan Kosong Kelapa Sawit.
Dibimbing oleh DEDE HERMAWAN, MUH. YUSRAM MASSIJAYA dan
SUBYAKTO.
Dominasi polipropilena (PP) sebagai matriks dalam komposit termoplastik
menjadi salah satu kekurangan dari produk komposit termoplastik dikaitkan
dengan isu lingkungan hidup dan berkurangnya cadangan minyak bumi sebagai
bahan utama pembuatan polimer sintetis PP yang tidak terbarukan. Hal ini
memberikan dorongan untuk mencari bahan alternatif polimer lain dari sumber
daya alam terbarukan untuk substitusi PP.
Khitosan adalah suatu polisakarida yang diperoleh melalui deasetilasi
khitin yang umumnya banyak ditemukan pada kulit hewan dari marga Crustacea
seperti kepiting, rajungan dan udang. Khitosan memiliki bentuk yang spesifik,
mengandung gugus amin dalam rantai karbonnya yang bermuatan positif yang
berlawanan dengan polisakarida lainnya. Sifat-sifat khitosan antara lain: dalam
keadaan cair sensitif terhadap kekuatan ion tinggi, daya repulsif antara fungsi
amin menurun sesuai dengan fleksibilitas rantai khitosan. Penggabungan khitosan
dalam ruang distabilkan oleh ikatan hidrogen di dalam dan di luar rantai.
Penggabungan tersebut menghasilkan suatu molekul resisten yang tahan terhadap
stres mekanik dan kemampuan mengembangnya bertambah (Suptijah et al.,
1992).
Penggunaan khitosan sebagai pengisi dalam komposit dengan matriks PP
yang diberi perlakuan kimia 3-Aminopropyltriethoxysilane (3-APE) untuk
meningkatkan kompatibilitas ternyata mampu memperbaiki kuat tarik dan
Young’s modulus komposit PP-khitosan namun mengurangi elongasinya. Dari
analisis FTIR dan SEM terlihat bahwa adanya 3-APE mampu meningkatkan
ikatan antara khitosan dengan PP (Husseinsyah et al., 2010). Melihat beberapa
kelebihan dari polimer khitosan di atas maka polimer khitosan bisa sebagai
alternatif substitusi polimer PP serta menjadi polimer alam alternatif selain PLA
dan PGA.
Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh dari substitusi PP
sebagai matriks komposit menggunakan khitosan serta memperoleh komposisi
terbaik dalam persentase dan ukuran dari polimer khitosan untuk substitusi
polimer PP pada produk komposit termoplastik. Mengetahui apakah terbentuk
ikatan kimia pada komposit setelah proses pencampuran semua bahan penyusun
komposit.
Pembuatan komposit diawali dengan pembuatan pulp dari serat TKKS
menggunakan proses pulping soda dingin yang mengacu pada penelitian Gopar et
al. (2010) dimana serat (fiber bundle) TKKS dipotong-potong sekitar 2 - 3 cm
menggunakan mesin ring flaker. Serat direndam dalam larutan NaOH 4% pada
ratio (1 : 5) selama 24 jam. Dilanjutkan dengan pembuatan mikrofibril dari pulp
TKKS menggunakan mesin disc refiner. Proses pembuatan komposit termoplastik
dengan matriks PP dilakukan dengan “metode kering” yang mengacu dari hasil
penelitian Subyakto et al. (2010). Mikrofibril TKKS dibuat menjadi lembaran
kertas cukup tipis dengan alat penyaring kain kasa ukuran 40 mesh dan
dikeringkan yang kemudian disobek menjadi ukuran kecil. Mikrofibril TKKS
kemudian dicampur dengan PP pada perbandingan 50 : 45 (%) yang ditambahkan
MAPP 5% (merujuk pada hasil penelitian Gopar et al., 2010) dari total berat
komposit sebagai coupling agent dalam mesin kneader/mixer (laboplastomill).
Substitusi PP dengan khitosan divariasikan pada komposisi khitosan : PP (%) = 0
: 100, 10 : 90, 20 : 80, 30 : 70 dan 40 : 60 dari jumlah 45% keseluruhan PP dalam
komposit termoplastik kemudian diproses dengan alat kneader/mixer
(laboplastomill) pada suhu 180o C, 60 rpm selama 20 menit. Contoh uji komposit
dibuat lembaran ukuran panjang x lebar x tebal = 11 x 11 x 0,2 cm menggunakan
mesin kempa panas (hot press) pada suhu 180ºC, tekanan 1 MPa selama 30 detik
dilanjutkan kempa dingin 10 menit (cold press) yang merujuk dari penelitian
Subyakto et al. (2010) dengan target kerapatan 1 g/cm3. Sebagai pembanding
maka dibuat komposit tanpa memakai polimer khitosan (PP : MAPP : Mikrofibril
TKKS (g) = 90 : 10 : 100). Data yang terkumpul untuk setiap parameter dirataratakan dan dibandingkan satu sama lain. Selain itu dilakukan juga analisis
statistik dengan menggunakan rancangan acak lengkap percobaan faktorial.
Hasil penelitian menunjukkan ternyata substitusi matriks PP dengan
khitosan tidak dapat menggantikan fungsi PP sebagai matriks dalam komposit
yang akan memperkuat komposit karena semakin tinggi kadar khitosan
menyebabkan terjadinya penurunan kekuatan komposit. Komposisi terbaik dari
substitusi PP dengan khitosan yaitu pada kadar khitosan 10% dengan ukuran
khitosan 20 mesh sampai 40 mesh. Substitusi PP dengan khitosan tidak
menghasilkan ikatan kimia baru yang bisa dilihat dari citra FTIR terkait dengan
adanya perbedaan titik lelehnya dimana PP memiliki titik leleh yang lebih rendah
dibandingkan khitosan.
Kata kunci : khitosan, komposit termoplastik, mikrofibril, persentase dan ukuran,
substitusi PP
SUMMARY
KURNIA WIJI PRASETIYO. Polypropylene Substitution by Chitosan on
Polypropylene-Empty Fruit Bunch Fiber of Oil Palm Microfibril Termoplastic
Composites. Under the direction of DEDE HERMAWAN, MUH. YUSRAM
MASSIJAYA and SUBYAKTO
The dominance of polypropylene (PP) as the matrix in thermoplastic
composites to be one of the shortcomings of the thermoplastic composite products
associated with the environment and depleting reserves of crude oil as the main
ingredient manufacture PP synthetic polymers that are not renewable. This gives
impetus to find alternative other polymers from renewable natural resources for
the substitution of PP.
Chitosan is a polysaccharide obtained by deacetylation chitin commonly
found in the skin of the genus crustacean animals such as crab and shrimp.
Chitosan has a specific form, containing amine group in the positively charged
carbon chain as opposed to other polysaccharides. The properties of chitosan are:
in the liquid state was sensitived to high ionic strength, the repulsive energy
between amine function decreased with chitosan chain flexibility. The
incorporation of chitosan in space was stabilized by hydrogen bonds within and
outside of the chain. The merger was resulted in a molecule that is resistant to
mechanical stress and increased deployment capability (Suptijah et al., 1992).
The use of chitosan as a filler in PP matrix composites with chemically
treated 3-aminopropyltriethoxysilane (3-APE) was able to increase compatibility
fix tensile strength and Young's modulus of composite PP-chitosan but reduce the
elongation. FTIR and SEM analysis showed that the 3-APE improved the bond
between chitosan with PP (Husseinsyah et al., 2010). Looking at some of the
advantages from chitosan makes chitosan polymer able to substitute PP polymers
as well as an alternative natural polymer likes PLA and PGA.
This study aimed to determine the effect of substitution of PP matrix
composites using chitosan as well as the best gain in percentage composition and
size of the polymer chitosan for PP substitution at thermoplastic composites
products. In addition to investigate the presence of chemical bond formed on the
composites after mixing all the ingredients making up the composites.
The composites production process begin with the manufacture of pulp
fibers empty fruit bunch of oil palm using soda pulping process that draws on
research Gopar et al. (2010) where the fiber bundle of empty fruit bunch of oil
palm was cutted about 2 to 3 cm using ring flaker machines. Fibers was immersed
in a solution of 4% NaOH ratio (1 : 5) for 24 hours. Proceed with the manufacture
of pulp microfibrils empty fruit bunch of oil palm was used disc refiner machine.
The process of making thermoplastic composites with PP matrix was carried out
with dry method which refers to the results of research Subyakto et al. (2010).
Microfibrils from empty fruit bunch of oil palm made into a fairly thin sheet of
paper with a filter size of 40 mesh gauze and dried, then shredded into small size.
Empty fruit bunch of oil palm microfibrils then blended with PP in comparison 50
: 45 (%) then added with 5% MAPP (referring to research Gopar et al., 2010) of
the total weight of the composites as a coupling agent in the kneader/mixer
(laboplastomill) machine. PP substitution with chitosan are varied in composition
chitosan : PP (%) = 0 : 100, 10 : 90, 20 : 80, 30 : 70 and 40 : 60 of the total 45%
from the overall PP in thermoplastic composites then processed with a kneader /
mixer ( laboplastomill) at a temperature of 180° C, 60 rpm for 20 minutes.
Composites samples were sheet from with length x width x thickness = 11 x 11 x
0.2 cm. This samples made using hot press machine at a temperature of 180º C, a
pressure of 1 MPa for 30 seconds followed felt cool 10 minutes by cold press
machine were referred from research Subyakto et al. (2010) with a target density
of 1 g/cm3. For comparison, it is made composites without use chitosan polymer
(PP : MAPP : empty fruit bunch of oil palm microfibrils (g) = 90 : 10 : 100). The
data was collected for each parameter are averaged and compared to each other.
Other than that statistical analysis was also carried out using a completely
randomized design factorial experiments.
Results showed that substitution PP matrix with chitosan could not
replaced the function of PP as the matrix in the composites that will strengthen the
composites because the higher levels of chitosan led to a decline in strength of the
composites. Best composition of substitution PP with chitosan that is at a level of
10% chitosan with chitosan size 20 mesh to 40 mesh. PP substitution with
chitosan does not produced a new chemical bonds that can be seen from the FTIR
image associated with the difference in melting point where the PP has a lower
melting point than chitosan.
Keywords: chitosan, empty fruit bunch oil palm, microfibril, PP substitution,
thermoplastic composites
PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA*
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis berjudul Substitusi Polipropilena
dengan Khitosan pada Komposit Termoplastik Polipropilena-Mikrofibril Tandan
Kosong Kelapa Sawit 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 tesis ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada
Institut Pertanian Bogor.
Bogor, November 2012
Kurnia Wiji Prasetiyo
NIM E251100031
© Hak Cipta milik IPB, Tahun 2012
Hak Cipta dilindungi Undang-Undang
Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan
atau menyebutkan sumbernya. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan,
penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau
tinjauan suatu masalah; dan pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan
yang wajar IPB
Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya tulis ini
dalam bentuk apa pun tanpa izin IPB
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT atas segala karuniaNya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Tema yang dipilih dalam
penelitian yang dilaksanakan sejak bulan April sampai Juni 2012 ini adalah
komposit termoplastik, dengan judul Substitusi Polipropilena dengan Khitosan
pada Komposit Termoplastik Polipropilena-Mikrofibril Tandan Kosong Kelapa
Sawit.
Terima kasih penulis ucapkan kepada:
1. Dr. Ir. Dede Hermawan, M.Sc sebagai ketua Komisi Pembimbing dan Prof.
Dr. Ir. Muh. Yusram Massijaya, MS serta Prof. (R). Dr. Ir. Subyakto, M.Sc
sebagai anggota Komisi Pembimbing yang telah banyak membimbing dan
memberikan masukan dan saran yang terkait dengan penelitian ini.
2. Prof. Dr. Ir. Yusuf Sudo Hadi, M.Agr sebagai penguji dari luar komisi pada
ujian tesis atas masukan dan pencerahan demi kesempurnaan tesis ini.
3. Kementerian Negara Riset dan Teknologi Republik Indonesia yang
memberikan Beasiswa Karyasiswa RISTEK untuk membiayai kuliah saya.
4. Bapak Prof. (R). Sulaeman Yusuf, M.Agr selaku Kepala UPT Balai Litbang
Biomaterial-LIPI atas ijin dan dukungan dalam penggunaan fasilitas kantor
selama penelitian.
5. Ayahanda Mulyono dan Ibunda Siti Maryam, serta ananda Rachmat Adi
Prasetyo terima kasih setulus hati penulis ucapkan atas doa yang tiada putus.
6. Istriku tercinta Risdian Kusuma Julia, S.Hut dan anakku tersayang
Muhammad Azzam Al Fatih dan An Nida Nur Aliya, terima kasih atas doa,
kasih saying, pengorbanan dan dukungannya selama menjalani studi ini.
7. Bapak Sudirman selaku staf Laboratorium Uji Polimer Puslit Fisika LIPI
yang telah membantu dalam penelitian ini.
8. Rekan-rekan kerja di Laboratorium Biokomposit dan Workshop UPT Balai
Litbang Biomaterial LIPI yang telah banyak membantu selama penelitian ini.
Tesis ini dapat terselesaikan juga atas dukungan dan dorongan berbagai
pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu per satu. Oleh karena itu, penulis
ucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.
Bogor, November 2012
Kurnia Wiji Prasetiyo
i
HALAMAN PENGESAHAN
Judul Penelitian
Nama
NIM
Program Studi
: Substitusi
Polipropilena dengan Khitosan pada
Komposit
Termoplastik
Polipropilena-Mikrofibril
Tandan Kosong Kelapa Sawit
: Kurnia Wiji Prasetiyo
: E251100031
: Ilmu dan Teknologi Hasil Hutan
Disetujui
Komisi Pembimbing
Dr. Ir. Dede Hermawan, M.Sc
Ketua
Prof. Dr. Ir. Muh. Yusram Massijaya, MS
Anggota
Prof. (R). Dr. Ir. Subyakto, M.Sc
Anggota
Diketahui
Koordinator Mayor
Ilmu dan Teknologi Hasil Hutan
Dekan Sekolah Pascasarjana
Prof. Dr. Ir. I Wayan Darmawan, M.Sc
Dr. Ir. Dahrul Syah, MSc.Agr
Tanggal Ujian: 13 November 2012
Tanggal Lulus:
ii
DAFTAR ISI
Halaman
HALAMAN PENGESAHAN.................................................................
i
DAFTAR ISI ............................................................................................
ii
DAFTAR TABEL ...................................................................................
iv
DAFTAR GAMBAR ..............................................................................
v
DAFTAR LAMPIRAN ...........................................................................
vii
PENDAHULUAN..............................................................................
1
Latar Belakang ......................................................................
1
Perumusan Masalah ..............................................................
3
Tujuan Penelitian .. ...............................................................
3
Hipotesis ...............................................................................
3
Manfaat Penelitian ................................................................
4
TINJAUAN PUSTAKA.....................................................................
5
Mikrofibril dari serat alam …………………………………
5
Komposit termoplastik dengan mikrofibril serat alam ........
6
Khitosan sebagai polimer alam ............................................
8
METODOLOGI PENELITIAN ........................................................
12
Waktu Dan Tempat Penelitian................................................
12
Bahan dan Alat .......................................................................
12
Persiapan Bahan, Pembuatan dan Pengujian Komposit
Termoplastik .........................................................................
14
Tahap 1. Pembuatan polimer khitosan .................................
14
Tahap 2.Pembuatan mikrofibril tandan kosong kelapa sawit
15
Pembuatan pulp dari serat tandan kosong kelapa sawit........
15
Pembuatan mikrofibril dari pulp serat tandan kosong
kelapa sawit ..........................................................................
15
Tahap 3. Pembuatan komposit .............................................
16
Pembuatan komposit termoplastik polipropilenamikrofibril tandan kosong kelapa sawit dengan
polimer khitosan untuk substitusi PP ..................................
16
iii
Pengujian produk komposit termoplastik .............................
19
Analisis Data ........................................................................
20
HASIL DAN PEMBAHASAN ........................................................
22
Karakteristik Fisis ................................................................
22
Karakteristik Morfologi ........................................................
30
Karakteristik Mekanis ..........................................................
36
Keteguhan Patah (MOR) ........................................................
36
Modulus Elastisitas (MOE) ...................................................
39
Kuat Tarik (Tensile Strength) .......................................
41
Elongasi (Elongation) .........................................................
43
SIMPULAN DAN SARAN .............................................................
46
Simpulan ...............................................................................
46
Saran ......................................................................................
46
DAFTAR PUSTAKA ............................................................................
47
LAMPIRAN ...........................................................................................
52
RIWAYAT HIDUP ................................................................................
57
iv
DAFTAR TABEL
Halaman
1.
Karakteristik PP Homopolimer Tipe HI10HO ………....................
2.
Variasi komposisi bahan komposit termoplastik menggunakan
13
potongan film khitosan ukuran sekitar 6-8 mesh
yang diproses di UPT Balitbang Biomaterial-LIPI ..........................
3.
17
Variasi komposisi bahan komposit termoplastik menggunakan
serbuk khitosan ukuran 20 mesh sampai 40 mesh yang
diproses di UPT Balitbang Biomaterial-LIPI ...................................
4.
18
Variasi komposisi bahan komposit termoplastik menggunakan
khitosan bentuk serpihan ukuran 10 mesh produksi PT. Biotech
Surindo Cirebon ................................................................................
18
5.
Standar minimum komposit (PP-FG) LR22E PP-FG HES C 225
36
6.
Rangkuman nilai fisis dan mekanis komposit termoplastik
45
v
DAFTAR GAMBAR
Halaman
1.
Struktur polipropilena (kiri) dan struktur selulosa, khitin serta
khitosan (kanan) ………...................................................................
2.
8
Reaksi-reaksi modifikasi kimia dari khitosan menghasilkan
turunan khitosan ...............................................................................
10
3.
Tandan kosong kelapa sawit (A) dan serat TKKS (B)…………….
13
4.
Alat laboplastomill (A) dan kempa panas (B) ……………………..
14
5.
Sumber bahan baku khitosan ………………………………………
15
6.
Material untuk pembuatan komposit termoplastik ………………..
16
7.
Diagram alir penelitian ……………………………………………
17
8.
Material hasil proses pencampuran dengan memakai alat
laboplastomill ……………………………………………………..
19
9.
Proses pengujian sampel komposit ……………………………….
20
10.
Perbandingan permukaan komposit PP-mikrofibril TKKS kontrol,
dengan khitosan 20 mesh sampai 40 mesh (A), khitosan 10 mesh
(B) dan khitosan 6 mesh sampai 8 mesh (C)………………………
11.
Citra SEM serat pulp TKKS (A dan B) dan mikrofibril TKKS
dalam bentuk lembarak kertas kecil (C dan D) ……………………
12.
22
23
Hasil uji TGA untuk serbuk khitosan 20-40 mesh (atas), serpihan
khitosan 10 mesh (tengah) dan film khitosan 6-8 mesh (bawah) …
24
13.
Histogram kerapatan komposit termoplastik ………………………
25
14.
Histogram pengembangan tebal komposit termoplastik …………..
27
15.
Histogram daya serap air komposit termoplastik ………………….
29
16.
Perbandingan citra SEM permukaan patahan sampel uji flexural
strength/bagian dalam antara komposit PP-mikrofibril TKKS
kontrol, dengan khitosan 20 mesh sampai 40 mesh (A),
khitosan 10 mesh (B) dan khitosan 6 mesh sampai 8 mesh (C)……
31
vi
17.
Spektra FTIR dari komposit kontrol (11 VII 12) dan komposit
dengan penambahan polimer khitosan pada variasi ukuran
khitosan 20-40 mesh (13 VII 12), 10 mesh (14 VII 12)
serta 6-8 mesh (12 VII 12) ...........................................................
18.
33
Hasil uji TGA untuk komposit termoplastik dengan matriks PP
mikrofibril TKKS dan khitosan .............................................
35
19.
Histogram keteguhan patah dari komposit termoplastik ..................
37
20.
Hasil pemotretan memakai mikroskop cahaya (pembesaran 50x)
permukaan patahan contoh uji komposit PP-mikrofibril TKKS
kontrol, dengan khitosan 20 mesh sampai 40 mesh (A),
khitosan 10 mesh (B) dan khitosan 6 mesh sampai 8 mesh (C)........
38
21.
Histogram modulus elastisitas dari komposit termoplastik ............
40
22.
Histogram kuat tarik komposit termoplastik ..................................
41
23.
Histogram besaran elongasi dari komposit termoplastik ...............
43
vii
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
1.
Analisis ragam kerapatan komposit .................................................
52
2.
Uji lanjut pengaruh konsentrasi terhadap kerapatan komposit ........
52
3.
Analisis ragam pengembangan tebal komposit ...............................
52
4.
Uji lanjut pengaruh konsentrasi khitosan terhadap pengembangan
tebal komposit ...............................................................................
53
5.
Analisis ragam daya serap air dari komposit ..................................
53
6.
Uji lanjut pengaruh konsentrasi khitosan terhadap daya serap air
dari komposit ..................................................................................
53
7.
Analisis ragam keteguhan patah (MOR) komposit .........................
54
8.
Uji lanjut pengaruh ukuran khitosan terhadap keteguhan
patah komposit ...............................................................................
54
9.
Analisis ragam modulus elastisitas komposit ................................
54
10.
Uji lanjut pengaruh konsentrasi khitosan terhadap modulus
elastisitas komposit .........................................................................
55
11.
Analisis ragam kuat tarik komposit ..................................................
55
12.
Uji lanjut pengaruh konsentrasi khitosan terhadap kuat
tarik komposit .................................................................................
55
13.
Analisis ragam elongasi komposit .................................................
56
14.
Uji lanjut pengaruh konsentrasi terhadap elongasi komposit ........
56
1
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Komposit termoplastik merupakan kombinasi antara mikrofibril selulosa
atau bahan lignoselulosa dari serat alam sebagai penguat maupun pengisi dengan
polimer sintetis sebagai matriks, yang menggabungkan keunggulan dari bahan
lignoselulosa dan polimer sintetis. Keuntungan dari penggunaan serat alam untuk
produk komposit berbasis polimer sintetis dibandingkan serat sintetis maupun
plastik antara lain bersifat renewable, biodegradable, bisa didaur ulang
(recyclable), tidak berbahaya bagi lingkungan dan kesehatan, memiliki sifat
mekanis lebih baik, tidak menyebabkan abrasi pada alat, dan harganya lebih
murah serta kerapatan yang lebih rendah (Zimmermann et al. 2004, Oksman et al.
2003, Wambua et al. 2003, Mohanty et al. 2002, Leao et al. 1998).
Polimer sintetis termoplastik yang banyak dipakai dalam produk komposit
termoplastik dengan penguat atau pengisi mikrofibril serat alam adalah
polipropilena (PP). Polimer PP merupakan polimer hidrokarbon yang dapat diolah
pada suhu tinggi dan jenis plastik komersial yang banyak dipakai sebagai polimer
matriks dalam komposit karena relatif memiliki sifat yang lebih baik seperti tinggi
titik lelehnya, sifat mekanis dan termal yang bagus serta kerapatan rendah
dibandingkan polimer termoplastik lainnya (Husseinsyah et al., 2011).
Dominasi PP dalam komposit termoplastik menjadi salah satu kekurangan
dari produk komposit termoplastik dikaitkan dengan isu lingkungan hidup dan
berkurangnya cadangan minyak bumi sebagai bahan utama pembuatan polimer
sintetis PP yang tidak terbarukan. Adapun produksi PP tahun 2005-2008 stagnan
di 605.000 ton/tahun sedangkan kebutuhan nasional sekitar 800.000 ton/tahun.
Sehingga kekurangannya harus impor dan itu merupakan pengurangan devisa
negara. Hal ini memberikan dorongan untuk mencari bahan alternatif polimer lain
dari sumber daya alam terbarukan untuk substitusi PP.
Beberapa penelitian mencoba memperbaiki kekurangan dari polimer sintetis
PP yang tidak terbarukan dan sukar didaur ulang secara alami antara lain
menggunakan polimer alam berbasis tanaman seperti dengan polimer polylactid
2
acid (PLA) (Subyakto et al., 2010) atau polyglicolida (PGA) yang mampu
menghasilkan komposit yang biodegradable (disebut juga “Green composites”
atau “Enviromentally-friendly plastics”) yang memiliki kekuatan dan stabilitas
termal yang moderat serta bisa didaur ulang. Pemakaian polimer alam murni juga
memiliki beberapa kelemahan seperti kekuatan dan service temperature yang
rendah misalnya nilai suhu glass transition sekitar 40-60o C yang masih di bawah
polimer sintetis (Cheung et al., 2009).
Melihat beberapa kelemahan dari polimer alam berbasis tanaman seperti
PLA dan PGA serta isu lingkungan hidup maka penelitian ini memakai alternatif
polimer alam polisakarida berbasis non tanaman yaitu khitosan untuk substitusi
PP dalam komposit termoplastik.
Khitosan adalah suatu polisakarida yang diperoleh melalui deasetilasi khitin
yang umumnya banyak ditemukan pada kulit hewan dari marga Crustacea seperti
kepiting, rajungan dan udang.
Menurut Suptijah et al. (1992) khitosan memiliki bentuk yang spesifik,
mengandung gugus amin dalam rantai karbonnya yang bermuatan positif yang
berlawanan dengan polisakarida lainnya. Sifat-sifat khitosan antara lain: dalam
keadaan cair sensitif terhadap kekuatan ion tinggi, daya repulsif antara fungsi
amin menurun sesuai dengan fleksibilitas rantai khitosan. Penggabungan khitosan
dalam ruang distabilkan oleh ikatan hidrogen di dalam dan di luar rantai.
Penggabungan tersebut menghasilkan suatu molekul resisten yang tahan terhadap
stres mekanik dan kemampuan mengembangnya bertambah.
Khitosan memiliki sifat yang unik sebagai polisakarida yaitu tidak hanya
memiliki gugus polar yaitu gugus hidroksil yang bersifat hidrofilik seperti
umumnya polisakarida lainnya seperti pati dan selulosa. Namun khitosan juga
memiliki gugus non polar yaitu gugus amina yang bersifat hidrofobik. Dengan
adanya dua gugus ini maka dimungkinkan gugus polar dari polimer khitosan
mudah berikatan dengan gugus polar dari mikrofibril TKKS dan gugus non
polarnya juga mudah berikatan dengan gugus non polar dari PP.
Melihat beberapa kelebihan dari polimer khitosan di atas maka polimer
khitosan bisa sebagai substitusi polimer PP dalam komposit serta menjadi polimer
alam alternatif selain PLA dan PGA.
3
Perumusan Masalah
Permasalahan pertama yang menjadi fokus dalam penelitian ini adalah
bagaimana memperoleh komposit termoplastik dengan karakteristik fisis-mekanis
yang lebih tinggi setelah adanya substitusi PP dengan khitosan yang ramah
lingkungan, terbarukan dan memiliki karakteristik unik sebagai polimer. Dalam
menjawab hal tersebut dilakukan variasi persentase khitosan sebagai bahan
substitusi PP sehingga dihasilkan komposit termoplastik dengan karakteristik
yang terbaik.
Permasalahan kedua adalah salah satu faktor yang bisa mempengaruhi
homogenitas campuran bahan komposit adalah ukuran polimer khitosan. Untuk
mengetahui tingkat homogenitas yang baik maka divariasikan bentuk fisik dan
ukuran dari polimer khitosan yaitu dalam bentuk serbuk, serpihan dan film
khitosan yang kemudian akan diuji sampel kompositnya dengan SEM dan FTIR.
Tujuan Penelitian
1.
Mengetahui pengaruh dari substitusi PP sebagai matriks komposit
menggunakan khitosan.
2.
Memperoleh komposisi terbaik dalam persentase dan ukuran dari polimer
khitosan untuk substitusi polimer PP pada produk komposit termoplastik.
3.
Mengetahui apakah terbentuk ikatan kimia pada komposit setelah proses
pencampuran semua bahan penyusun komposit.
Hipotesis
Polimer khitosan mampu mensubstitusi PP dalam komposit termoplastik
dimana semakin besar persentase dan semakin kecil ukuran khitosan akan mampu
meningkatkan karakteristik fisis, mekanis dan morfologi dari produk komposit
termoplastik.
Manfaat Penelitian
1.
Menyediakan
informasi
mengenai
karakteristik
produk
komposit
termoplastik polimer polipropilena-mikrofibril tandan kosong kelapa sawit
dengan polimer khitosan industrial grade dari cangkang udang untuk
4
substitusi polimer sintetis PP sehingga bisa digunakan dalam bidang-bidang
tertentu seperti untuk kemasan (packaging), komponen otomotif dan produk
rumah tangga.
2.
Meningkatkan nilai tambah dari tandan kosong kelapa sawit dan cangkang
udang.
5
TINJAUAN PUSTAKA
Mikrofibril dari serat alam
Struktur tumbuhan atau kayu terdiri dari polimer karbohidrat dan tersusun
dari serat selulosa. Serat selulosa ini tersusun dari mikrofibril dalam ukuran mikro
yang memiliki kekuatan struktur yang sangat tinggi. Mikrofibril terdiri atas bagian
amorf dan bagian yang kristal dinamakan mikrowhisker. Selulosa adalah polimer
polisakarida yang menjadi rangka struktur pada tumbuhan yang ketersediaannya
di alam sangat melimpah.
Salah satu sumber utama selulosa adalah dari serat tanaman yang sebagian
tersusun atas selulosa, hemiselulosa dan lignin. Semakin kecil ukuran komponen
selulosa, semakin tinggi kekuatannya. Selulosa dengan morfologi yang baru mulai
dikembangkan oleh Turbak et al. (1983) yang sekarang dikenal lebih lanjut
sebagai microfibril celullose (MFC).
Mikrofibril selulosa berbentuk struktur kristal dalam rantai molekul yang
tersusun rapi memiliki modulus elastisitas sekitar 138 - 250 GPa dan keteguhan
tarik lebih dari 0,8 - 10 GPa (Zimmermann et al. 2004). Sifat mekanik ini
menyamai serat aramid yang dikenal sebagai serat sintetis yang sangat kuat.
Serat pulp kayu mempunyai modulus elastisitas (modulus of elasticity) 10
GPa dan keteguhan tarik (tensile strength) 0,1 GPa (Zimmermann et al. 2004).
Pembuatan MFC dari pulp melalui proses mekanik yaitu proses refining sehingga
dihasilkan selulosa yang memiliki luas permukaan yang besar (Nakagaito dan
Yano, 2004). Pemanfaatannya selama ini digunakan untuk bahan aditif dalam
makanan, cat, kosmetik, dan produk medis. MFC tersebut dapat digunakan juga
untuk memperkuat polimer thermosetting dan polimer thermoplastic.
Salah satu sumber mikrofibril serat alam yang potensial adalah serat tandan
kosong kelapa sawit (TKKS).
Penelitian pembuatan serat ukuran mikro
(mikrofibril) dari serat tandan kosong kelapa sawit sudah dilakukan pada berbagai
komposisi PP-Mikrofibril TKKS sampai didapatkan kombinasi terbaik untuk PPMikrofibril TKKS yang dilihat dari hasil pengujian sifat fisik-mekanik prototipe
kompositnya (Gopar et al., 2010).
6
Untuk penelitian MFC TKKS ukuran dibawah mikro telah dilakukan oleh
Astari et al. (2011) dimana dengan 30 kali proses sirkulasi dalam disc refiner
dilanjutkan 60 menit dalam mesin ultrasonik dan ultraturrax ternyata belum
mampu memfibrilasi MFC TKKS menjadi ukuran nano baik pada pulp yang
sudah diputihkan maupun belum.
Komposit termoplastik dengan mikrofibril serat alam
Komposit termoplastik dapat diartikan sebagai komposit yang terbuat dari
kombinasi polimer termoplastik dengan beberapa bahan hayati yang bisa
berfungsi sebagai penguat maupun pengisi; salah satu komponennya bisa dalam
ukuran mikro misalnya bahan lignoselulosa dalam bentuk pulp (diameter sekitar
0,1-10 mikron) untuk menghasilkan kinerja yang sinergi dari komposit tersebut.
Penggunaan mikrofibril serat alam baik kayu maupun non kayu untuk
komposit termoplastik sudah banyak dilakukan. Komposit polimer termoplastik
dengan serat ukuran mikro (mikrofibril) maupun MFC dari serat tanaman non
kayu merupakan bidang yang masih cukup baru di Indonesia sehingga masih
sangat berpotensi untuk terus dilakukan penelitian. Salah satu sumber mikrofibril
serat alam non kayu yang potensial adalah mikrofibril serat tandan kosong kelapa
sawit.
Untuk jenis polimer termoplastik yang banyak dipakai dalam produk
komposit dengan penguat atau pengisi mikrofibril serat alam antara lain
polipropilena (PP), polietilena (PE), polivinil chlorida (PVC) dan polistirene (PS).
Produk komposit dengan polimer PP, PE dan PVC biasanya sangat umum dipakai
dalam bidang konstruksi, bangunan, furnitur dan produk otomotif (Panthapulakkal
et al., 2006).
Polimer sintetis seperti PE umumnya dalam bentuk high density
polyethylene (HDPE) untuk aplikasi biomedik karena bila low density
polyethylene (LDPE) tidak mampu menahan suhu sterilisasi. Sedangkan PP
merupakan polimer kristalin isotaktik dengan kekuatan yang tinggi, ketahanan
kimia yang baik, kekuatan moderat dan keteguhan patah yang lebih tinggi dari
HDPE (Cheung et al., 2009).
7
Menurut Sain et al., (2005) beberapa faktor seperti ukuran serat, komposisi
kimia, kerapatan, ketebalan, jumlah dan tipe bonding agent akan mempengaruhi
kekuatan komposit termoplastiknya. Peningkatan ratio panjang terhadap lebar
memiliki efek yang menguntungkan terhadap semua sifat mekanis yang diukur
namun berefek negatif terhadap sifat daya serap airnya (Migneault et al., 2009).
Beberapa penelitian produk komposit khusus berbasis serat dari tanaman
kelapa sawit juga telah banyak dilakukan, diantaranya komposit plastik dari
campuran polipropilena (PP) dan serbuk batang sawit (Zaini et al., 1996).
Hasilnya menunjukkan bahwa dengan bertambahnya serbuk sawit (50% wt/wt)
dalam komposit plastik akan meningkatkan kekuatan tarik, regangan dan kekuatan
pukulnya.
Begitupun kekuatan komposit plastik yang berasal dari selulosa serat tandan
kosong dan PP lebih baik dibanding komposit plastik terbuat dari PP dan serbuk
tandan kosong (Khalid et al., 2008). Namun, penelitian tersebut masih
menggunakan serbuk dan selulosa yang kekuatannya lebih rendah daripada serat
ukuran mikro dan MFC. Pengenduran tegangan dari komposit hibrid kombinasi
serat TKKS-serat sisal-karet alam semakin berkurang dengan semakin
bertambahnya kandungan serat TKKS (Jacob et al., 2006).
Kuat tarik dari komposit serat TKKS-karet alam mencapai maksimum pada
serat dengan panjang 6 mm dan semakin berkurang seiring bertambah panjang
serat TKSS (Joseph et al., 2006). Menurut Shinoj et al. (2011) serat TKKS juga
cukup bagus karakteristik mekanik pada produk kompositnya ketika digunakan
sebagai penguat dalam matriks polimer poliuretane (PU), poliester, termoplastik
PP dan PVC, polimer aromatis polistirene maupun polimer termoset seperti PF
dan epoksi. Komposit PP-serat TKKS memiliki kuat tarik yang bagus (36 MPa)
dan impact strength (38 J/m) pada MAPP 2% (Khalid et al., 2008).
Pemakaian serat ukuran mikro dari tandan kosong kelapa sawit sebagai
penguat dalam komposit dengan polimer polipropilena (PP) juga sudah dilakukan
oleh Gopar et al. (2010), PP-MFC sisal dan bambu oleh Subyakto et al., (2010).
Karakteristik mekanis (flexural strength, flexural modulus, dan flexural strain)
dari biokomposit PP-MFC TKKS yang sudah didaur ulang semakin berkurang
dengan semakin meningkatnya siklus pengempaannya (Ismadi et al., 2011).
8
Hasil penelitian Kusumaningrum et al. (2011) menunjukkan bahwa
komposit polimer PVA yang diperkuat dengan MFC tandan kosong kelapa sawit
(TKKS) yang sudah diputihkan melalui perlakuan ultrasonik selama 60 menit
karakteristik terbaik dibandingkan komposit dengan perlakuan lain diantaranya
kuat tarik dan elongasi meningkat sebesar 73,18% dan 335,78% serta MOE
sebesar 38,27 N/mm2.
Khitosan sebagai polimer alam
Khitosan adalah polimer alam dengan rantai panjang glukosamin yang
dihasilkan dari deasetilisasi khitin dan merupakan salah satu sumber biopolimer
yang ada di alam dengan jumlah terbesar kedua setelah selulosa.
Gambar 1. Struktur polipropilena (kiri) dan struktur selulosa, khitin serta
khitosan (kanan) (Mia, 2007)
Khitosan merupakan produk hasil perikanan yang bisa diperoleh dari
kulit/cangkang dan kepala udang. Sifat-sifat khitosan diantaranya adalah struktur
9
molekulnya tertentu, dalam keadaan cair sensitif terhadap kekuatan ion tinggi, dan
daya repulsif antara fungsi amin menurun sesuai fleksibilitas rantai khitosan.
Penggabungannya dalam ruang distabilkan oleh ikatan hidrogen di dalam dan di
luar rantai, menghasilkan suatu molekul resisten yang tahan terhadap stres
mekanik dan kemampuan mengembangnya bertambah (Suptijah et al., 1992).
Menurut Windsor dan Barlow (1981) khitosan mampu mengikat air dan
minyak karena mempunyai gugus polar dan non polar. Sifat fleksibel dari
khitosan menjadikannya mampu membentuk konfirmasi yang kompak dan
memanjang seperti umumnya jenis polisakarida lainnya yang berbentuk
memanjang sehingga membantu daya gunanya dalam berbagai produk (Angka et
al., 2000).
Menurut Kaban (2009) khitosan merupakan senyawa yang tidak larut dalam
air, larutan basa kuat, sedikit larut dalam HCl dan HNO 3 , dan H 3 PO 4 , dan tidak
larut dalam H 2 SO 4 . Khitosan tidak beracun, mudah mengalami biodegradasi dan
bersifat polielektrolitik. Disamping itu khitosan dapat dengan mudah berinteraksi
dengan zat-zat organik lainnya seperti protein dan lemak. Oleh karena itu,
khitosan banyak digunakan pada berbagai bidang industri terapan serta industri
farmasi, kesehatan dan sebagainya seperti terlihat dalam Gambar 2.
Mohanty et al. (2000) mengatakan bahwa khitosan potensial sebagai pengisi
atau penguat dalam komposit polimer seperti beberapa jenis serat alam seperti
hemp, sisal dan pisang.
Hasil penelitian Husseinsyah et al. (2011) menunjukkan bahwa semakin
tinggi persentase pengisi (filler) khitosan dengan modifikasi kimia memakai asam
acrilic dalam matriks polimer PP ternyata mengurangi kuat tarik dan elongasi
kompositnya namun meningkatkan nilai Young’s modulus serta memperbaiki
adhesi dan interaksi interfacial antara khitosan dengan matriks PP.
Untuk ekstrasi khitin dari limbah cangkang udang rendemennya sebesar 20
persen, sedangkan rendemen khitosan dari khitin yang diperoleh adalah sekitar 80
persen. Maka dari itu, dengan mengekstrak limbah cangkang udang dengan
mengacu pada kapasitas produksi terpasang udang nasional sekitar 500.000 ton
per tahun dari seluruh unit pengolahan udang yang tersebar di Indonesia yang
mampu menghasilkan cangkang udang sebanyak 325.000 ton per tahun, maka
10
akan diperoleh khitin sekitar 65.000 ton per tahun yang apabila diproses lagi akan
diperoleh khitosan sekitar 52.000 ton per tahun (Prasetiyo et al., 2005).
Gambar 2. Reaksi-reaksi modifikasi kimia dari khitosan menghasilkan turunan
khitosan (Kaban, 2009)
Cukup banyak penelitian yang dilakukan untuk memanfaatkan khitosan baik
di Indonesia maupun di negara lain. Di Indonesia pernah dilakukan penelitian
untuk pemanfaatan khitosan sebagai anti rayap dan jamur. Penelitian lain adalah
pemanfaatan khitosan sebagai biopolimer untuk uji anti rayap (Tarmadi et al.,
2006), khitosan-platisizer sebagai penguat edible film (Prasetiyo et al., 2009).
Di negara lain penelitian pemanfaatan khitosan antara lain untuk
meningkatkan decay resistance dari wood polymer composite dengan modifikasi
chitosan copper complex (CCC) (Duan et al., 2003), khitosan yang dimodifikasi
dengan logam menjadi chitosan metal complex (CMC) yang memiliki
kemampuan sebagai katalis untuk sintesis organik, obat-obatan, serat antimikroba
dan hidrometalurgi (Hu et al., 2000; Jiang, 2001).
Khitosan juga dimodifikasi untuk bahan pengawet yang ramah lingkungan
menjadi chitosan copper complex (CCC) dan chitosan zinc complex (CZC) yang
11
efektif melindungi kayu dari serangan jamur perusak dan rayap (Kobayashi et al.
1995a, 1995b; Sun 2000; Furukawa et al. 2002).
Menurut Shelma et al (2008) bahwa kuat tarik dari film khitosan untuk
penutup luka meningkat secara signifikan seiring semakin banyaknya serat khitin
yang berukuran nano namun tidak terlalu berpengaruh terhadap permeabilitas
nanokompositnya. Penambahan chitosan copper complex (CCC) pada WPC tidak
berpengaruh signifikan terhadap kerapatan WPC bahkan kuat tarik menurun
seiring meningkatkanya konsentrasi CCC dalam WPC (Duan et al., 2003).
Menurut Kampeerapappun et al. (2006) kuat tarik dari film komposit dapat
diperbaiki dengan menambahkan khitosan dan monmorillonit (MMT). Film dari
PP yang diradiasi dengan corona discharge kemudian dicelupkan dalam larutan
1% khitosan sampai beberapa lapisan mampu berfungsi sebagai antimikroba yang
baik sehingga potensial untuk bahan pengemas (Elsabee et al., 2007).
Khitosan merupakan biopolimer yang biodegradabel di lingkungan alam.
Hal tersebut menjadikan khitosan potensial sebagai bio-filler dalam komposit
untuk menggantikan beberapa material konstruksi, furnitur dan beberapa produk
plastik untuk aplikasi industri masa depan (Espert et al., 2003).
Dari hasil penelusuran literatur pendukung, belum ditemukan pemanfaatan
polimer polisakarida khitosan untuk substitusi polimer PP dalam komposit
termoplastik yang umumnya masih dominan memakai polimer termoplastik
sintetis berbasis minyak bumi seperti PP yang tidak terbarukan.
Melihat kemampuan dan karakteristik dari polimer khitosan yang selama ini
umum dipakai dalam bentuk film komposit atau campuran untuk aplikasi farmasi,
obat-obatan, kosmetik, pengawet, emulsifier dan sebagainya akan sangat
memungkinkan untuk melakukan penelitian penggunaan bahan berbasis polimer
polisakarida hewani yaitu khitosan.
Khitosan dari cangkang udang ditujukan untuk substitusi polimer sintetis PP
berbasis minyak bumi yang tidak terbarukan maupun sebagai alternatif polimer
alam atau bahan pengisi yang umumnya berbasis serat tanaman dalam produk
komposit termoplastik.
12
METODOLOGI PENELITIAN
Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian ini dilakukan pada bulan April-Juni 2012. Penelitian dilakukan
dalam tiga tahap yaitu: Tahap 1. Pembuatan polimer khitosan dilakukan di UPT
Balai Litbang Biomaterial LIPI Cibinong-Bogor; Tahap 2. Pembuatan mikrofibril
tandan kosong kelapa sawit juga dilakukan di UPT Balai Litbang Biomaterial
LIPI Cibinong-Bogor; dan Tahap 3. Pembuatan komposit termoplastik di
Laboratorium Uji Polimer Puslit FISIKA LIPI Bandung.
Karakterisasi morfologi mikrofibril tandan kosong kelapa sawit dan khitosan
dengan SEM dilakukan di Laboratorium Instrumen dan Proksimat Terpadu
Puslitbang Keteknikan Kehutanan dan Pengolahan Hasil Hutan Bogor. Uji FTIR
dilakukan di Laboratorium Biofarmaka IPB Bogor. Pembuatan komposit
termoplastik polipropilena-mikrofibril tandan kosong kelapa sawit dengan
polimer khitosan dilakukan di Laboratorium Uji Polimer Puslit Fisika-LIPI
Bandung. Pengujian fisis dan mekanis dilakukan di UPT Balai Litbang
Biomaterial LIPI Cibinong, Bogor.
Bahan dan Alat
Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah serat (fiber bundle)
TKKS dari pabrik pengolahan serat TKKS di Cibadak Sukabumi, khitosan
industrial grade dalam tiga variasi bentuk dan ukuran: (a) potongan film khitosan
ukuran 6 mesh sampai 8 mesh (b) serbuk khitosan ukuran 20 mesh sampai 40
mesh yang diproses di UPT Balai Litbang Biomaterial-LIPI dan (c) bentuk
serpihan ukuran 10 mesh produksi PT. Biotech Surindo Cirebon; polipropilena
(PP) homopolimer tipe HI10HO dari PT. Tri Polyta Indonesia Cilegon, Banten,
maleic anhydride polypropylene (MAPP) UMEX 1001 LotNo. GI8070244 dari
SANYO Chemical Industries Kyoto Japan, natrium hidroksida (NaOH), asam
asetat dan air.
13
A
B
Gambar 3. Tandan kosong kelapa sawit (A) dan serat TKKS (B)
Tabel 1. Karakteristik PP Homopolimer Tipe HI10HO
HI10HO
Karakteristik Fisis
ASTM Test
Metric Units
Melt Flow Rate (MFR) (230°C/2.16 kg)
D1238
10 g/10 min
Density
D792
0.903 g/cm³
Tensile yield strength at 50 mm/min
D638
346 kg/cm²
Tensile yield elongation
D638
13%
D790A
13050 kg/cm²
Notched Izod impact strength at 23°C
D256
3.6 kg-cm/cm
Hardness, Rockwell
D785
R100
Deflection temperature at 0.455 MPa (4.64
kg/cm²)
D648
104°C
D1525B
152°C
D3418
163°C
Flexural modulus (1% secant) at 1.3
mm/min
Vicat softening temperature
Melting temperature DSC, 10 C/min, 2nd
heat
Sumber: PT. Tri Polyta Indonesia (2011)
Alat yang dipakai antara lain beater hollander, ring flaker, alat pemotong
serat, ember plastik, disc refiner, oven, kneader/mixer (laboplastomill), kempa
14
panas, cetakan komposit, FTIR, Scanning Electron Microscope (SEM) JSM 6360
LA – 20 kV dan Universal Testing Machine (UTM).
A
B
Gambar 4. Alat laboplastomill (A) dan kempa panas (B)
Persiapan Bahan, Pembuatan dan Pengujian Komposit Termoplastik
Tahap 1. Pembuatan polimer khitosan
Proses pembuatan polimer khitosan mengacu pada metode
yang
dikembangkan oleh Suptijah et al. (1992) yang mengatakan bahwa pada cangkang
udang mengandung zat khitin sekitar 99,1 persen. Jika diproses lebih lanjut
dengan melalui beberapa tahap, akan dihasilkan khitosan, yaitu:
a. Proses demineralisasi
Cangkang udang dicuci dengan air mengalir, dikeringkan di bawah sinar
matahari sampai kering, lalu digiling sampai menjadi serbuk ukuran 40-60 mesh.
Kemudian dicampur asam klorida 1,25 N dengan perbandingan 10 : 1 untuk
pelarut dibanding cangkang udang, lalu dipanaskan pada suhu 90°C selama satu
jam. Residu berupa padatan dicuci dengan air sampai pH netral dan selanjutnya
dikeringkan dalam oven pada suhu 80°C selama 24 jam.
b. Proses deproteinisasi
Cangkang udang yang telah dimineralisasi kemudian dicampur dengan larutan
NaOH 3,5% dengan perbandingan antara pelarut dan residu hasil dimineralisasi 6
: 1. Selanjutnya dipanaskan pada suhu 90°C selama satu jam. Larutan lalu disaring
dan didinginkan sehingga diperoleh residu padatan yang kemudian dicuci dengan
air sampai pH netral dan dikeringkan pada suhu 80°C selama 24 jam.
15
c. Proses deasetilisasi khitin menjadi khitosan
Khitosan dibuat dengan menambahkan sodium NaOH 50% dengan
perbandingan 20 : 1 (pelarut dibanding khitin), lalu dipanaskan selama 90 menit
dengan suhu 140°C. Larutan kemudian disaring untuk mendapatkan residu berupa
padatan, lalu dilakukan pencucian dengan air sampai pH netral, kemudian
dikeringkan dengan oven suhu 70°C selama 24 jam.
Gambar 5. Sumber bahan baku untuk khitosan
Tahap 2. Pembuatan mikrofibril tandan kosong kelapa sawit
Pembuatan pulp dari serat tandan kosong kelapa sawit
Pembuatan pulp dari serat tandan kosong kelapa sawit (TKKS)
menggunakan proses pulping soda dingin yang mengacu pada penelitian Gopar et
al. (2010) dimana serat (fiber bundle) TKKS dipotong-potong sepanjang sekitar 2
- 3 cm menggunakan mesin ring flaker. Serat direndam dalam larutan NaOH 4%
pada ratio (1 : 5) selama 24 jam. Setelah itu, serat TKKS dipisahkan dari cairan
perendamnya, dan serat dicuci sampai bersih atau sampai pH netral. Selanjutnya
serat digiling pada mesin beater hollander selama 1,5 jam sehingga menjadi pulp.
Pembuatan mikrofibril dari pulp serat tandan kosong kelapa sawit
Pembuatan mikrofibril dari pulp TKKS dilakukan dengan menggunakan
mesin disc refiner. Proses merujuk dari hasil penelitian Gopar et al. (2010)
dimana pulp TKKS diencerkan dengan air pada perbandingan 1 : 60 kemudian
dimasukkan ke dalam disc refiner sebanyak 4 kali ulangan. Selanjutnya dilakukan
karakterisasi menggunakan Scanning Electron Microscope (SEM) untuk melihat
16
apakah serat sudah berukuran mikro (diameter diatas 100 nm atau 0,1 mikron
sampai 20 mikron).
Tahap 3. Pembuatan komposit
Pembuatan komposit termoplastik polipropilena-mikrofibril tandan kosong
kelapa sawit dengan polimer khitosan untuk substitusi PP
Proses pembuatan k
KOMPOSIT TERMOPLASTIK POLIPROPILENA-MIKROFIBRIL
TANDAN KOSONG KELAPA SAWIT
KURNIA WIJI PRASETIYO
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2012
SUBSTITUSI POLIPROPILENA DENGAN KHITOSAN PADA
KOMPOSIT TERMOPLASTIK POLIPROPILENA-MIKROFIBRIL
TANDAN KOSONG KELAPA SAWIT
KURNIA WIJI PRASETIYO
Tesis
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Magister Sains pada
Program Studi Ilmu dan Teknologi Hasil Hutan
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2012
ABSTRACT
KURNIA WIJI PRASETIYO. Polypropylene Substitution by Chitosan on
Polypropylene-Empty Fruit Bunch Fiber of Oil Palm Microfibril Termoplastic
Composites. Under the direction of DEDE HERMAWAN, MUH. YUSRAM
MASSIJAYA dan SUBYAKTO.
The physical, mechanical properties and morphology of chitosan
substitued polypropylene (PP) on polypropylene-empty fruit bunch fiber of oil
palm microfibril termoplastic composites have been studied. The effects of size
and percentation of chitosan were investigated. Results showed that the density of
the composites increased with increasing chitosan content. At the optimum
chitosan percentage of 10% with the smaller size of chitosan 20 mesh to 40 mesh
could produced composites with density, thickness swelling and water absorption
lower than control and other compositions also modulus of rupture, modulus of
elasticity, tensile strength and elongation were higher than control and other
compositions. The tensile strength and elongation decreased but the modulus or
rupture from composites increased with increasing chitosan content. In all size
variations and concentrations of chitosan was resulted thermoplastic composites
with elongation properties above the standard minimum elongation from
composites polypropylene (PP)-fiber glass (FG) applied to the components of
HONDA motorcycle type LR22E PP-FG 10% Honda Engineering Standard
(HES) C 227 for 2%.
Keywords: chitosan, empty fruit bunch oil palm, microfibril, PP substitution,
thermoplastic composites
RINGKASAN
KURNIA WIJI PRASETIYO. Substitusi Polipropilena dengan Khitosan pada
Komposit Termoplastik Polipropilena-Mikrofibril Tandan Kosong Kelapa Sawit.
Dibimbing oleh DEDE HERMAWAN, MUH. YUSRAM MASSIJAYA dan
SUBYAKTO.
Dominasi polipropilena (PP) sebagai matriks dalam komposit termoplastik
menjadi salah satu kekurangan dari produk komposit termoplastik dikaitkan
dengan isu lingkungan hidup dan berkurangnya cadangan minyak bumi sebagai
bahan utama pembuatan polimer sintetis PP yang tidak terbarukan. Hal ini
memberikan dorongan untuk mencari bahan alternatif polimer lain dari sumber
daya alam terbarukan untuk substitusi PP.
Khitosan adalah suatu polisakarida yang diperoleh melalui deasetilasi
khitin yang umumnya banyak ditemukan pada kulit hewan dari marga Crustacea
seperti kepiting, rajungan dan udang. Khitosan memiliki bentuk yang spesifik,
mengandung gugus amin dalam rantai karbonnya yang bermuatan positif yang
berlawanan dengan polisakarida lainnya. Sifat-sifat khitosan antara lain: dalam
keadaan cair sensitif terhadap kekuatan ion tinggi, daya repulsif antara fungsi
amin menurun sesuai dengan fleksibilitas rantai khitosan. Penggabungan khitosan
dalam ruang distabilkan oleh ikatan hidrogen di dalam dan di luar rantai.
Penggabungan tersebut menghasilkan suatu molekul resisten yang tahan terhadap
stres mekanik dan kemampuan mengembangnya bertambah (Suptijah et al.,
1992).
Penggunaan khitosan sebagai pengisi dalam komposit dengan matriks PP
yang diberi perlakuan kimia 3-Aminopropyltriethoxysilane (3-APE) untuk
meningkatkan kompatibilitas ternyata mampu memperbaiki kuat tarik dan
Young’s modulus komposit PP-khitosan namun mengurangi elongasinya. Dari
analisis FTIR dan SEM terlihat bahwa adanya 3-APE mampu meningkatkan
ikatan antara khitosan dengan PP (Husseinsyah et al., 2010). Melihat beberapa
kelebihan dari polimer khitosan di atas maka polimer khitosan bisa sebagai
alternatif substitusi polimer PP serta menjadi polimer alam alternatif selain PLA
dan PGA.
Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh dari substitusi PP
sebagai matriks komposit menggunakan khitosan serta memperoleh komposisi
terbaik dalam persentase dan ukuran dari polimer khitosan untuk substitusi
polimer PP pada produk komposit termoplastik. Mengetahui apakah terbentuk
ikatan kimia pada komposit setelah proses pencampuran semua bahan penyusun
komposit.
Pembuatan komposit diawali dengan pembuatan pulp dari serat TKKS
menggunakan proses pulping soda dingin yang mengacu pada penelitian Gopar et
al. (2010) dimana serat (fiber bundle) TKKS dipotong-potong sekitar 2 - 3 cm
menggunakan mesin ring flaker. Serat direndam dalam larutan NaOH 4% pada
ratio (1 : 5) selama 24 jam. Dilanjutkan dengan pembuatan mikrofibril dari pulp
TKKS menggunakan mesin disc refiner. Proses pembuatan komposit termoplastik
dengan matriks PP dilakukan dengan “metode kering” yang mengacu dari hasil
penelitian Subyakto et al. (2010). Mikrofibril TKKS dibuat menjadi lembaran
kertas cukup tipis dengan alat penyaring kain kasa ukuran 40 mesh dan
dikeringkan yang kemudian disobek menjadi ukuran kecil. Mikrofibril TKKS
kemudian dicampur dengan PP pada perbandingan 50 : 45 (%) yang ditambahkan
MAPP 5% (merujuk pada hasil penelitian Gopar et al., 2010) dari total berat
komposit sebagai coupling agent dalam mesin kneader/mixer (laboplastomill).
Substitusi PP dengan khitosan divariasikan pada komposisi khitosan : PP (%) = 0
: 100, 10 : 90, 20 : 80, 30 : 70 dan 40 : 60 dari jumlah 45% keseluruhan PP dalam
komposit termoplastik kemudian diproses dengan alat kneader/mixer
(laboplastomill) pada suhu 180o C, 60 rpm selama 20 menit. Contoh uji komposit
dibuat lembaran ukuran panjang x lebar x tebal = 11 x 11 x 0,2 cm menggunakan
mesin kempa panas (hot press) pada suhu 180ºC, tekanan 1 MPa selama 30 detik
dilanjutkan kempa dingin 10 menit (cold press) yang merujuk dari penelitian
Subyakto et al. (2010) dengan target kerapatan 1 g/cm3. Sebagai pembanding
maka dibuat komposit tanpa memakai polimer khitosan (PP : MAPP : Mikrofibril
TKKS (g) = 90 : 10 : 100). Data yang terkumpul untuk setiap parameter dirataratakan dan dibandingkan satu sama lain. Selain itu dilakukan juga analisis
statistik dengan menggunakan rancangan acak lengkap percobaan faktorial.
Hasil penelitian menunjukkan ternyata substitusi matriks PP dengan
khitosan tidak dapat menggantikan fungsi PP sebagai matriks dalam komposit
yang akan memperkuat komposit karena semakin tinggi kadar khitosan
menyebabkan terjadinya penurunan kekuatan komposit. Komposisi terbaik dari
substitusi PP dengan khitosan yaitu pada kadar khitosan 10% dengan ukuran
khitosan 20 mesh sampai 40 mesh. Substitusi PP dengan khitosan tidak
menghasilkan ikatan kimia baru yang bisa dilihat dari citra FTIR terkait dengan
adanya perbedaan titik lelehnya dimana PP memiliki titik leleh yang lebih rendah
dibandingkan khitosan.
Kata kunci : khitosan, komposit termoplastik, mikrofibril, persentase dan ukuran,
substitusi PP
SUMMARY
KURNIA WIJI PRASETIYO. Polypropylene Substitution by Chitosan on
Polypropylene-Empty Fruit Bunch Fiber of Oil Palm Microfibril Termoplastic
Composites. Under the direction of DEDE HERMAWAN, MUH. YUSRAM
MASSIJAYA and SUBYAKTO
The dominance of polypropylene (PP) as the matrix in thermoplastic
composites to be one of the shortcomings of the thermoplastic composite products
associated with the environment and depleting reserves of crude oil as the main
ingredient manufacture PP synthetic polymers that are not renewable. This gives
impetus to find alternative other polymers from renewable natural resources for
the substitution of PP.
Chitosan is a polysaccharide obtained by deacetylation chitin commonly
found in the skin of the genus crustacean animals such as crab and shrimp.
Chitosan has a specific form, containing amine group in the positively charged
carbon chain as opposed to other polysaccharides. The properties of chitosan are:
in the liquid state was sensitived to high ionic strength, the repulsive energy
between amine function decreased with chitosan chain flexibility. The
incorporation of chitosan in space was stabilized by hydrogen bonds within and
outside of the chain. The merger was resulted in a molecule that is resistant to
mechanical stress and increased deployment capability (Suptijah et al., 1992).
The use of chitosan as a filler in PP matrix composites with chemically
treated 3-aminopropyltriethoxysilane (3-APE) was able to increase compatibility
fix tensile strength and Young's modulus of composite PP-chitosan but reduce the
elongation. FTIR and SEM analysis showed that the 3-APE improved the bond
between chitosan with PP (Husseinsyah et al., 2010). Looking at some of the
advantages from chitosan makes chitosan polymer able to substitute PP polymers
as well as an alternative natural polymer likes PLA and PGA.
This study aimed to determine the effect of substitution of PP matrix
composites using chitosan as well as the best gain in percentage composition and
size of the polymer chitosan for PP substitution at thermoplastic composites
products. In addition to investigate the presence of chemical bond formed on the
composites after mixing all the ingredients making up the composites.
The composites production process begin with the manufacture of pulp
fibers empty fruit bunch of oil palm using soda pulping process that draws on
research Gopar et al. (2010) where the fiber bundle of empty fruit bunch of oil
palm was cutted about 2 to 3 cm using ring flaker machines. Fibers was immersed
in a solution of 4% NaOH ratio (1 : 5) for 24 hours. Proceed with the manufacture
of pulp microfibrils empty fruit bunch of oil palm was used disc refiner machine.
The process of making thermoplastic composites with PP matrix was carried out
with dry method which refers to the results of research Subyakto et al. (2010).
Microfibrils from empty fruit bunch of oil palm made into a fairly thin sheet of
paper with a filter size of 40 mesh gauze and dried, then shredded into small size.
Empty fruit bunch of oil palm microfibrils then blended with PP in comparison 50
: 45 (%) then added with 5% MAPP (referring to research Gopar et al., 2010) of
the total weight of the composites as a coupling agent in the kneader/mixer
(laboplastomill) machine. PP substitution with chitosan are varied in composition
chitosan : PP (%) = 0 : 100, 10 : 90, 20 : 80, 30 : 70 and 40 : 60 of the total 45%
from the overall PP in thermoplastic composites then processed with a kneader /
mixer ( laboplastomill) at a temperature of 180° C, 60 rpm for 20 minutes.
Composites samples were sheet from with length x width x thickness = 11 x 11 x
0.2 cm. This samples made using hot press machine at a temperature of 180º C, a
pressure of 1 MPa for 30 seconds followed felt cool 10 minutes by cold press
machine were referred from research Subyakto et al. (2010) with a target density
of 1 g/cm3. For comparison, it is made composites without use chitosan polymer
(PP : MAPP : empty fruit bunch of oil palm microfibrils (g) = 90 : 10 : 100). The
data was collected for each parameter are averaged and compared to each other.
Other than that statistical analysis was also carried out using a completely
randomized design factorial experiments.
Results showed that substitution PP matrix with chitosan could not
replaced the function of PP as the matrix in the composites that will strengthen the
composites because the higher levels of chitosan led to a decline in strength of the
composites. Best composition of substitution PP with chitosan that is at a level of
10% chitosan with chitosan size 20 mesh to 40 mesh. PP substitution with
chitosan does not produced a new chemical bonds that can be seen from the FTIR
image associated with the difference in melting point where the PP has a lower
melting point than chitosan.
Keywords: chitosan, empty fruit bunch oil palm, microfibril, PP substitution,
thermoplastic composites
PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA*
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis berjudul Substitusi Polipropilena
dengan Khitosan pada Komposit Termoplastik Polipropilena-Mikrofibril Tandan
Kosong Kelapa Sawit 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 tesis ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada
Institut Pertanian Bogor.
Bogor, November 2012
Kurnia Wiji Prasetiyo
NIM E251100031
© Hak Cipta milik IPB, Tahun 2012
Hak Cipta dilindungi Undang-Undang
Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan
atau menyebutkan sumbernya. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan,
penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau
tinjauan suatu masalah; dan pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan
yang wajar IPB
Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya tulis ini
dalam bentuk apa pun tanpa izin IPB
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT atas segala karuniaNya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Tema yang dipilih dalam
penelitian yang dilaksanakan sejak bulan April sampai Juni 2012 ini adalah
komposit termoplastik, dengan judul Substitusi Polipropilena dengan Khitosan
pada Komposit Termoplastik Polipropilena-Mikrofibril Tandan Kosong Kelapa
Sawit.
Terima kasih penulis ucapkan kepada:
1. Dr. Ir. Dede Hermawan, M.Sc sebagai ketua Komisi Pembimbing dan Prof.
Dr. Ir. Muh. Yusram Massijaya, MS serta Prof. (R). Dr. Ir. Subyakto, M.Sc
sebagai anggota Komisi Pembimbing yang telah banyak membimbing dan
memberikan masukan dan saran yang terkait dengan penelitian ini.
2. Prof. Dr. Ir. Yusuf Sudo Hadi, M.Agr sebagai penguji dari luar komisi pada
ujian tesis atas masukan dan pencerahan demi kesempurnaan tesis ini.
3. Kementerian Negara Riset dan Teknologi Republik Indonesia yang
memberikan Beasiswa Karyasiswa RISTEK untuk membiayai kuliah saya.
4. Bapak Prof. (R). Sulaeman Yusuf, M.Agr selaku Kepala UPT Balai Litbang
Biomaterial-LIPI atas ijin dan dukungan dalam penggunaan fasilitas kantor
selama penelitian.
5. Ayahanda Mulyono dan Ibunda Siti Maryam, serta ananda Rachmat Adi
Prasetyo terima kasih setulus hati penulis ucapkan atas doa yang tiada putus.
6. Istriku tercinta Risdian Kusuma Julia, S.Hut dan anakku tersayang
Muhammad Azzam Al Fatih dan An Nida Nur Aliya, terima kasih atas doa,
kasih saying, pengorbanan dan dukungannya selama menjalani studi ini.
7. Bapak Sudirman selaku staf Laboratorium Uji Polimer Puslit Fisika LIPI
yang telah membantu dalam penelitian ini.
8. Rekan-rekan kerja di Laboratorium Biokomposit dan Workshop UPT Balai
Litbang Biomaterial LIPI yang telah banyak membantu selama penelitian ini.
Tesis ini dapat terselesaikan juga atas dukungan dan dorongan berbagai
pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu per satu. Oleh karena itu, penulis
ucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.
Bogor, November 2012
Kurnia Wiji Prasetiyo
i
HALAMAN PENGESAHAN
Judul Penelitian
Nama
NIM
Program Studi
: Substitusi
Polipropilena dengan Khitosan pada
Komposit
Termoplastik
Polipropilena-Mikrofibril
Tandan Kosong Kelapa Sawit
: Kurnia Wiji Prasetiyo
: E251100031
: Ilmu dan Teknologi Hasil Hutan
Disetujui
Komisi Pembimbing
Dr. Ir. Dede Hermawan, M.Sc
Ketua
Prof. Dr. Ir. Muh. Yusram Massijaya, MS
Anggota
Prof. (R). Dr. Ir. Subyakto, M.Sc
Anggota
Diketahui
Koordinator Mayor
Ilmu dan Teknologi Hasil Hutan
Dekan Sekolah Pascasarjana
Prof. Dr. Ir. I Wayan Darmawan, M.Sc
Dr. Ir. Dahrul Syah, MSc.Agr
Tanggal Ujian: 13 November 2012
Tanggal Lulus:
ii
DAFTAR ISI
Halaman
HALAMAN PENGESAHAN.................................................................
i
DAFTAR ISI ............................................................................................
ii
DAFTAR TABEL ...................................................................................
iv
DAFTAR GAMBAR ..............................................................................
v
DAFTAR LAMPIRAN ...........................................................................
vii
PENDAHULUAN..............................................................................
1
Latar Belakang ......................................................................
1
Perumusan Masalah ..............................................................
3
Tujuan Penelitian .. ...............................................................
3
Hipotesis ...............................................................................
3
Manfaat Penelitian ................................................................
4
TINJAUAN PUSTAKA.....................................................................
5
Mikrofibril dari serat alam …………………………………
5
Komposit termoplastik dengan mikrofibril serat alam ........
6
Khitosan sebagai polimer alam ............................................
8
METODOLOGI PENELITIAN ........................................................
12
Waktu Dan Tempat Penelitian................................................
12
Bahan dan Alat .......................................................................
12
Persiapan Bahan, Pembuatan dan Pengujian Komposit
Termoplastik .........................................................................
14
Tahap 1. Pembuatan polimer khitosan .................................
14
Tahap 2.Pembuatan mikrofibril tandan kosong kelapa sawit
15
Pembuatan pulp dari serat tandan kosong kelapa sawit........
15
Pembuatan mikrofibril dari pulp serat tandan kosong
kelapa sawit ..........................................................................
15
Tahap 3. Pembuatan komposit .............................................
16
Pembuatan komposit termoplastik polipropilenamikrofibril tandan kosong kelapa sawit dengan
polimer khitosan untuk substitusi PP ..................................
16
iii
Pengujian produk komposit termoplastik .............................
19
Analisis Data ........................................................................
20
HASIL DAN PEMBAHASAN ........................................................
22
Karakteristik Fisis ................................................................
22
Karakteristik Morfologi ........................................................
30
Karakteristik Mekanis ..........................................................
36
Keteguhan Patah (MOR) ........................................................
36
Modulus Elastisitas (MOE) ...................................................
39
Kuat Tarik (Tensile Strength) .......................................
41
Elongasi (Elongation) .........................................................
43
SIMPULAN DAN SARAN .............................................................
46
Simpulan ...............................................................................
46
Saran ......................................................................................
46
DAFTAR PUSTAKA ............................................................................
47
LAMPIRAN ...........................................................................................
52
RIWAYAT HIDUP ................................................................................
57
iv
DAFTAR TABEL
Halaman
1.
Karakteristik PP Homopolimer Tipe HI10HO ………....................
2.
Variasi komposisi bahan komposit termoplastik menggunakan
13
potongan film khitosan ukuran sekitar 6-8 mesh
yang diproses di UPT Balitbang Biomaterial-LIPI ..........................
3.
17
Variasi komposisi bahan komposit termoplastik menggunakan
serbuk khitosan ukuran 20 mesh sampai 40 mesh yang
diproses di UPT Balitbang Biomaterial-LIPI ...................................
4.
18
Variasi komposisi bahan komposit termoplastik menggunakan
khitosan bentuk serpihan ukuran 10 mesh produksi PT. Biotech
Surindo Cirebon ................................................................................
18
5.
Standar minimum komposit (PP-FG) LR22E PP-FG HES C 225
36
6.
Rangkuman nilai fisis dan mekanis komposit termoplastik
45
v
DAFTAR GAMBAR
Halaman
1.
Struktur polipropilena (kiri) dan struktur selulosa, khitin serta
khitosan (kanan) ………...................................................................
2.
8
Reaksi-reaksi modifikasi kimia dari khitosan menghasilkan
turunan khitosan ...............................................................................
10
3.
Tandan kosong kelapa sawit (A) dan serat TKKS (B)…………….
13
4.
Alat laboplastomill (A) dan kempa panas (B) ……………………..
14
5.
Sumber bahan baku khitosan ………………………………………
15
6.
Material untuk pembuatan komposit termoplastik ………………..
16
7.
Diagram alir penelitian ……………………………………………
17
8.
Material hasil proses pencampuran dengan memakai alat
laboplastomill ……………………………………………………..
19
9.
Proses pengujian sampel komposit ……………………………….
20
10.
Perbandingan permukaan komposit PP-mikrofibril TKKS kontrol,
dengan khitosan 20 mesh sampai 40 mesh (A), khitosan 10 mesh
(B) dan khitosan 6 mesh sampai 8 mesh (C)………………………
11.
Citra SEM serat pulp TKKS (A dan B) dan mikrofibril TKKS
dalam bentuk lembarak kertas kecil (C dan D) ……………………
12.
22
23
Hasil uji TGA untuk serbuk khitosan 20-40 mesh (atas), serpihan
khitosan 10 mesh (tengah) dan film khitosan 6-8 mesh (bawah) …
24
13.
Histogram kerapatan komposit termoplastik ………………………
25
14.
Histogram pengembangan tebal komposit termoplastik …………..
27
15.
Histogram daya serap air komposit termoplastik ………………….
29
16.
Perbandingan citra SEM permukaan patahan sampel uji flexural
strength/bagian dalam antara komposit PP-mikrofibril TKKS
kontrol, dengan khitosan 20 mesh sampai 40 mesh (A),
khitosan 10 mesh (B) dan khitosan 6 mesh sampai 8 mesh (C)……
31
vi
17.
Spektra FTIR dari komposit kontrol (11 VII 12) dan komposit
dengan penambahan polimer khitosan pada variasi ukuran
khitosan 20-40 mesh (13 VII 12), 10 mesh (14 VII 12)
serta 6-8 mesh (12 VII 12) ...........................................................
18.
33
Hasil uji TGA untuk komposit termoplastik dengan matriks PP
mikrofibril TKKS dan khitosan .............................................
35
19.
Histogram keteguhan patah dari komposit termoplastik ..................
37
20.
Hasil pemotretan memakai mikroskop cahaya (pembesaran 50x)
permukaan patahan contoh uji komposit PP-mikrofibril TKKS
kontrol, dengan khitosan 20 mesh sampai 40 mesh (A),
khitosan 10 mesh (B) dan khitosan 6 mesh sampai 8 mesh (C)........
38
21.
Histogram modulus elastisitas dari komposit termoplastik ............
40
22.
Histogram kuat tarik komposit termoplastik ..................................
41
23.
Histogram besaran elongasi dari komposit termoplastik ...............
43
vii
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
1.
Analisis ragam kerapatan komposit .................................................
52
2.
Uji lanjut pengaruh konsentrasi terhadap kerapatan komposit ........
52
3.
Analisis ragam pengembangan tebal komposit ...............................
52
4.
Uji lanjut pengaruh konsentrasi khitosan terhadap pengembangan
tebal komposit ...............................................................................
53
5.
Analisis ragam daya serap air dari komposit ..................................
53
6.
Uji lanjut pengaruh konsentrasi khitosan terhadap daya serap air
dari komposit ..................................................................................
53
7.
Analisis ragam keteguhan patah (MOR) komposit .........................
54
8.
Uji lanjut pengaruh ukuran khitosan terhadap keteguhan
patah komposit ...............................................................................
54
9.
Analisis ragam modulus elastisitas komposit ................................
54
10.
Uji lanjut pengaruh konsentrasi khitosan terhadap modulus
elastisitas komposit .........................................................................
55
11.
Analisis ragam kuat tarik komposit ..................................................
55
12.
Uji lanjut pengaruh konsentrasi khitosan terhadap kuat
tarik komposit .................................................................................
55
13.
Analisis ragam elongasi komposit .................................................
56
14.
Uji lanjut pengaruh konsentrasi terhadap elongasi komposit ........
56
1
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Komposit termoplastik merupakan kombinasi antara mikrofibril selulosa
atau bahan lignoselulosa dari serat alam sebagai penguat maupun pengisi dengan
polimer sintetis sebagai matriks, yang menggabungkan keunggulan dari bahan
lignoselulosa dan polimer sintetis. Keuntungan dari penggunaan serat alam untuk
produk komposit berbasis polimer sintetis dibandingkan serat sintetis maupun
plastik antara lain bersifat renewable, biodegradable, bisa didaur ulang
(recyclable), tidak berbahaya bagi lingkungan dan kesehatan, memiliki sifat
mekanis lebih baik, tidak menyebabkan abrasi pada alat, dan harganya lebih
murah serta kerapatan yang lebih rendah (Zimmermann et al. 2004, Oksman et al.
2003, Wambua et al. 2003, Mohanty et al. 2002, Leao et al. 1998).
Polimer sintetis termoplastik yang banyak dipakai dalam produk komposit
termoplastik dengan penguat atau pengisi mikrofibril serat alam adalah
polipropilena (PP). Polimer PP merupakan polimer hidrokarbon yang dapat diolah
pada suhu tinggi dan jenis plastik komersial yang banyak dipakai sebagai polimer
matriks dalam komposit karena relatif memiliki sifat yang lebih baik seperti tinggi
titik lelehnya, sifat mekanis dan termal yang bagus serta kerapatan rendah
dibandingkan polimer termoplastik lainnya (Husseinsyah et al., 2011).
Dominasi PP dalam komposit termoplastik menjadi salah satu kekurangan
dari produk komposit termoplastik dikaitkan dengan isu lingkungan hidup dan
berkurangnya cadangan minyak bumi sebagai bahan utama pembuatan polimer
sintetis PP yang tidak terbarukan. Adapun produksi PP tahun 2005-2008 stagnan
di 605.000 ton/tahun sedangkan kebutuhan nasional sekitar 800.000 ton/tahun.
Sehingga kekurangannya harus impor dan itu merupakan pengurangan devisa
negara. Hal ini memberikan dorongan untuk mencari bahan alternatif polimer lain
dari sumber daya alam terbarukan untuk substitusi PP.
Beberapa penelitian mencoba memperbaiki kekurangan dari polimer sintetis
PP yang tidak terbarukan dan sukar didaur ulang secara alami antara lain
menggunakan polimer alam berbasis tanaman seperti dengan polimer polylactid
2
acid (PLA) (Subyakto et al., 2010) atau polyglicolida (PGA) yang mampu
menghasilkan komposit yang biodegradable (disebut juga “Green composites”
atau “Enviromentally-friendly plastics”) yang memiliki kekuatan dan stabilitas
termal yang moderat serta bisa didaur ulang. Pemakaian polimer alam murni juga
memiliki beberapa kelemahan seperti kekuatan dan service temperature yang
rendah misalnya nilai suhu glass transition sekitar 40-60o C yang masih di bawah
polimer sintetis (Cheung et al., 2009).
Melihat beberapa kelemahan dari polimer alam berbasis tanaman seperti
PLA dan PGA serta isu lingkungan hidup maka penelitian ini memakai alternatif
polimer alam polisakarida berbasis non tanaman yaitu khitosan untuk substitusi
PP dalam komposit termoplastik.
Khitosan adalah suatu polisakarida yang diperoleh melalui deasetilasi khitin
yang umumnya banyak ditemukan pada kulit hewan dari marga Crustacea seperti
kepiting, rajungan dan udang.
Menurut Suptijah et al. (1992) khitosan memiliki bentuk yang spesifik,
mengandung gugus amin dalam rantai karbonnya yang bermuatan positif yang
berlawanan dengan polisakarida lainnya. Sifat-sifat khitosan antara lain: dalam
keadaan cair sensitif terhadap kekuatan ion tinggi, daya repulsif antara fungsi
amin menurun sesuai dengan fleksibilitas rantai khitosan. Penggabungan khitosan
dalam ruang distabilkan oleh ikatan hidrogen di dalam dan di luar rantai.
Penggabungan tersebut menghasilkan suatu molekul resisten yang tahan terhadap
stres mekanik dan kemampuan mengembangnya bertambah.
Khitosan memiliki sifat yang unik sebagai polisakarida yaitu tidak hanya
memiliki gugus polar yaitu gugus hidroksil yang bersifat hidrofilik seperti
umumnya polisakarida lainnya seperti pati dan selulosa. Namun khitosan juga
memiliki gugus non polar yaitu gugus amina yang bersifat hidrofobik. Dengan
adanya dua gugus ini maka dimungkinkan gugus polar dari polimer khitosan
mudah berikatan dengan gugus polar dari mikrofibril TKKS dan gugus non
polarnya juga mudah berikatan dengan gugus non polar dari PP.
Melihat beberapa kelebihan dari polimer khitosan di atas maka polimer
khitosan bisa sebagai substitusi polimer PP dalam komposit serta menjadi polimer
alam alternatif selain PLA dan PGA.
3
Perumusan Masalah
Permasalahan pertama yang menjadi fokus dalam penelitian ini adalah
bagaimana memperoleh komposit termoplastik dengan karakteristik fisis-mekanis
yang lebih tinggi setelah adanya substitusi PP dengan khitosan yang ramah
lingkungan, terbarukan dan memiliki karakteristik unik sebagai polimer. Dalam
menjawab hal tersebut dilakukan variasi persentase khitosan sebagai bahan
substitusi PP sehingga dihasilkan komposit termoplastik dengan karakteristik
yang terbaik.
Permasalahan kedua adalah salah satu faktor yang bisa mempengaruhi
homogenitas campuran bahan komposit adalah ukuran polimer khitosan. Untuk
mengetahui tingkat homogenitas yang baik maka divariasikan bentuk fisik dan
ukuran dari polimer khitosan yaitu dalam bentuk serbuk, serpihan dan film
khitosan yang kemudian akan diuji sampel kompositnya dengan SEM dan FTIR.
Tujuan Penelitian
1.
Mengetahui pengaruh dari substitusi PP sebagai matriks komposit
menggunakan khitosan.
2.
Memperoleh komposisi terbaik dalam persentase dan ukuran dari polimer
khitosan untuk substitusi polimer PP pada produk komposit termoplastik.
3.
Mengetahui apakah terbentuk ikatan kimia pada komposit setelah proses
pencampuran semua bahan penyusun komposit.
Hipotesis
Polimer khitosan mampu mensubstitusi PP dalam komposit termoplastik
dimana semakin besar persentase dan semakin kecil ukuran khitosan akan mampu
meningkatkan karakteristik fisis, mekanis dan morfologi dari produk komposit
termoplastik.
Manfaat Penelitian
1.
Menyediakan
informasi
mengenai
karakteristik
produk
komposit
termoplastik polimer polipropilena-mikrofibril tandan kosong kelapa sawit
dengan polimer khitosan industrial grade dari cangkang udang untuk
4
substitusi polimer sintetis PP sehingga bisa digunakan dalam bidang-bidang
tertentu seperti untuk kemasan (packaging), komponen otomotif dan produk
rumah tangga.
2.
Meningkatkan nilai tambah dari tandan kosong kelapa sawit dan cangkang
udang.
5
TINJAUAN PUSTAKA
Mikrofibril dari serat alam
Struktur tumbuhan atau kayu terdiri dari polimer karbohidrat dan tersusun
dari serat selulosa. Serat selulosa ini tersusun dari mikrofibril dalam ukuran mikro
yang memiliki kekuatan struktur yang sangat tinggi. Mikrofibril terdiri atas bagian
amorf dan bagian yang kristal dinamakan mikrowhisker. Selulosa adalah polimer
polisakarida yang menjadi rangka struktur pada tumbuhan yang ketersediaannya
di alam sangat melimpah.
Salah satu sumber utama selulosa adalah dari serat tanaman yang sebagian
tersusun atas selulosa, hemiselulosa dan lignin. Semakin kecil ukuran komponen
selulosa, semakin tinggi kekuatannya. Selulosa dengan morfologi yang baru mulai
dikembangkan oleh Turbak et al. (1983) yang sekarang dikenal lebih lanjut
sebagai microfibril celullose (MFC).
Mikrofibril selulosa berbentuk struktur kristal dalam rantai molekul yang
tersusun rapi memiliki modulus elastisitas sekitar 138 - 250 GPa dan keteguhan
tarik lebih dari 0,8 - 10 GPa (Zimmermann et al. 2004). Sifat mekanik ini
menyamai serat aramid yang dikenal sebagai serat sintetis yang sangat kuat.
Serat pulp kayu mempunyai modulus elastisitas (modulus of elasticity) 10
GPa dan keteguhan tarik (tensile strength) 0,1 GPa (Zimmermann et al. 2004).
Pembuatan MFC dari pulp melalui proses mekanik yaitu proses refining sehingga
dihasilkan selulosa yang memiliki luas permukaan yang besar (Nakagaito dan
Yano, 2004). Pemanfaatannya selama ini digunakan untuk bahan aditif dalam
makanan, cat, kosmetik, dan produk medis. MFC tersebut dapat digunakan juga
untuk memperkuat polimer thermosetting dan polimer thermoplastic.
Salah satu sumber mikrofibril serat alam yang potensial adalah serat tandan
kosong kelapa sawit (TKKS).
Penelitian pembuatan serat ukuran mikro
(mikrofibril) dari serat tandan kosong kelapa sawit sudah dilakukan pada berbagai
komposisi PP-Mikrofibril TKKS sampai didapatkan kombinasi terbaik untuk PPMikrofibril TKKS yang dilihat dari hasil pengujian sifat fisik-mekanik prototipe
kompositnya (Gopar et al., 2010).
6
Untuk penelitian MFC TKKS ukuran dibawah mikro telah dilakukan oleh
Astari et al. (2011) dimana dengan 30 kali proses sirkulasi dalam disc refiner
dilanjutkan 60 menit dalam mesin ultrasonik dan ultraturrax ternyata belum
mampu memfibrilasi MFC TKKS menjadi ukuran nano baik pada pulp yang
sudah diputihkan maupun belum.
Komposit termoplastik dengan mikrofibril serat alam
Komposit termoplastik dapat diartikan sebagai komposit yang terbuat dari
kombinasi polimer termoplastik dengan beberapa bahan hayati yang bisa
berfungsi sebagai penguat maupun pengisi; salah satu komponennya bisa dalam
ukuran mikro misalnya bahan lignoselulosa dalam bentuk pulp (diameter sekitar
0,1-10 mikron) untuk menghasilkan kinerja yang sinergi dari komposit tersebut.
Penggunaan mikrofibril serat alam baik kayu maupun non kayu untuk
komposit termoplastik sudah banyak dilakukan. Komposit polimer termoplastik
dengan serat ukuran mikro (mikrofibril) maupun MFC dari serat tanaman non
kayu merupakan bidang yang masih cukup baru di Indonesia sehingga masih
sangat berpotensi untuk terus dilakukan penelitian. Salah satu sumber mikrofibril
serat alam non kayu yang potensial adalah mikrofibril serat tandan kosong kelapa
sawit.
Untuk jenis polimer termoplastik yang banyak dipakai dalam produk
komposit dengan penguat atau pengisi mikrofibril serat alam antara lain
polipropilena (PP), polietilena (PE), polivinil chlorida (PVC) dan polistirene (PS).
Produk komposit dengan polimer PP, PE dan PVC biasanya sangat umum dipakai
dalam bidang konstruksi, bangunan, furnitur dan produk otomotif (Panthapulakkal
et al., 2006).
Polimer sintetis seperti PE umumnya dalam bentuk high density
polyethylene (HDPE) untuk aplikasi biomedik karena bila low density
polyethylene (LDPE) tidak mampu menahan suhu sterilisasi. Sedangkan PP
merupakan polimer kristalin isotaktik dengan kekuatan yang tinggi, ketahanan
kimia yang baik, kekuatan moderat dan keteguhan patah yang lebih tinggi dari
HDPE (Cheung et al., 2009).
7
Menurut Sain et al., (2005) beberapa faktor seperti ukuran serat, komposisi
kimia, kerapatan, ketebalan, jumlah dan tipe bonding agent akan mempengaruhi
kekuatan komposit termoplastiknya. Peningkatan ratio panjang terhadap lebar
memiliki efek yang menguntungkan terhadap semua sifat mekanis yang diukur
namun berefek negatif terhadap sifat daya serap airnya (Migneault et al., 2009).
Beberapa penelitian produk komposit khusus berbasis serat dari tanaman
kelapa sawit juga telah banyak dilakukan, diantaranya komposit plastik dari
campuran polipropilena (PP) dan serbuk batang sawit (Zaini et al., 1996).
Hasilnya menunjukkan bahwa dengan bertambahnya serbuk sawit (50% wt/wt)
dalam komposit plastik akan meningkatkan kekuatan tarik, regangan dan kekuatan
pukulnya.
Begitupun kekuatan komposit plastik yang berasal dari selulosa serat tandan
kosong dan PP lebih baik dibanding komposit plastik terbuat dari PP dan serbuk
tandan kosong (Khalid et al., 2008). Namun, penelitian tersebut masih
menggunakan serbuk dan selulosa yang kekuatannya lebih rendah daripada serat
ukuran mikro dan MFC. Pengenduran tegangan dari komposit hibrid kombinasi
serat TKKS-serat sisal-karet alam semakin berkurang dengan semakin
bertambahnya kandungan serat TKKS (Jacob et al., 2006).
Kuat tarik dari komposit serat TKKS-karet alam mencapai maksimum pada
serat dengan panjang 6 mm dan semakin berkurang seiring bertambah panjang
serat TKSS (Joseph et al., 2006). Menurut Shinoj et al. (2011) serat TKKS juga
cukup bagus karakteristik mekanik pada produk kompositnya ketika digunakan
sebagai penguat dalam matriks polimer poliuretane (PU), poliester, termoplastik
PP dan PVC, polimer aromatis polistirene maupun polimer termoset seperti PF
dan epoksi. Komposit PP-serat TKKS memiliki kuat tarik yang bagus (36 MPa)
dan impact strength (38 J/m) pada MAPP 2% (Khalid et al., 2008).
Pemakaian serat ukuran mikro dari tandan kosong kelapa sawit sebagai
penguat dalam komposit dengan polimer polipropilena (PP) juga sudah dilakukan
oleh Gopar et al. (2010), PP-MFC sisal dan bambu oleh Subyakto et al., (2010).
Karakteristik mekanis (flexural strength, flexural modulus, dan flexural strain)
dari biokomposit PP-MFC TKKS yang sudah didaur ulang semakin berkurang
dengan semakin meningkatnya siklus pengempaannya (Ismadi et al., 2011).
8
Hasil penelitian Kusumaningrum et al. (2011) menunjukkan bahwa
komposit polimer PVA yang diperkuat dengan MFC tandan kosong kelapa sawit
(TKKS) yang sudah diputihkan melalui perlakuan ultrasonik selama 60 menit
karakteristik terbaik dibandingkan komposit dengan perlakuan lain diantaranya
kuat tarik dan elongasi meningkat sebesar 73,18% dan 335,78% serta MOE
sebesar 38,27 N/mm2.
Khitosan sebagai polimer alam
Khitosan adalah polimer alam dengan rantai panjang glukosamin yang
dihasilkan dari deasetilisasi khitin dan merupakan salah satu sumber biopolimer
yang ada di alam dengan jumlah terbesar kedua setelah selulosa.
Gambar 1. Struktur polipropilena (kiri) dan struktur selulosa, khitin serta
khitosan (kanan) (Mia, 2007)
Khitosan merupakan produk hasil perikanan yang bisa diperoleh dari
kulit/cangkang dan kepala udang. Sifat-sifat khitosan diantaranya adalah struktur
9
molekulnya tertentu, dalam keadaan cair sensitif terhadap kekuatan ion tinggi, dan
daya repulsif antara fungsi amin menurun sesuai fleksibilitas rantai khitosan.
Penggabungannya dalam ruang distabilkan oleh ikatan hidrogen di dalam dan di
luar rantai, menghasilkan suatu molekul resisten yang tahan terhadap stres
mekanik dan kemampuan mengembangnya bertambah (Suptijah et al., 1992).
Menurut Windsor dan Barlow (1981) khitosan mampu mengikat air dan
minyak karena mempunyai gugus polar dan non polar. Sifat fleksibel dari
khitosan menjadikannya mampu membentuk konfirmasi yang kompak dan
memanjang seperti umumnya jenis polisakarida lainnya yang berbentuk
memanjang sehingga membantu daya gunanya dalam berbagai produk (Angka et
al., 2000).
Menurut Kaban (2009) khitosan merupakan senyawa yang tidak larut dalam
air, larutan basa kuat, sedikit larut dalam HCl dan HNO 3 , dan H 3 PO 4 , dan tidak
larut dalam H 2 SO 4 . Khitosan tidak beracun, mudah mengalami biodegradasi dan
bersifat polielektrolitik. Disamping itu khitosan dapat dengan mudah berinteraksi
dengan zat-zat organik lainnya seperti protein dan lemak. Oleh karena itu,
khitosan banyak digunakan pada berbagai bidang industri terapan serta industri
farmasi, kesehatan dan sebagainya seperti terlihat dalam Gambar 2.
Mohanty et al. (2000) mengatakan bahwa khitosan potensial sebagai pengisi
atau penguat dalam komposit polimer seperti beberapa jenis serat alam seperti
hemp, sisal dan pisang.
Hasil penelitian Husseinsyah et al. (2011) menunjukkan bahwa semakin
tinggi persentase pengisi (filler) khitosan dengan modifikasi kimia memakai asam
acrilic dalam matriks polimer PP ternyata mengurangi kuat tarik dan elongasi
kompositnya namun meningkatkan nilai Young’s modulus serta memperbaiki
adhesi dan interaksi interfacial antara khitosan dengan matriks PP.
Untuk ekstrasi khitin dari limbah cangkang udang rendemennya sebesar 20
persen, sedangkan rendemen khitosan dari khitin yang diperoleh adalah sekitar 80
persen. Maka dari itu, dengan mengekstrak limbah cangkang udang dengan
mengacu pada kapasitas produksi terpasang udang nasional sekitar 500.000 ton
per tahun dari seluruh unit pengolahan udang yang tersebar di Indonesia yang
mampu menghasilkan cangkang udang sebanyak 325.000 ton per tahun, maka
10
akan diperoleh khitin sekitar 65.000 ton per tahun yang apabila diproses lagi akan
diperoleh khitosan sekitar 52.000 ton per tahun (Prasetiyo et al., 2005).
Gambar 2. Reaksi-reaksi modifikasi kimia dari khitosan menghasilkan turunan
khitosan (Kaban, 2009)
Cukup banyak penelitian yang dilakukan untuk memanfaatkan khitosan baik
di Indonesia maupun di negara lain. Di Indonesia pernah dilakukan penelitian
untuk pemanfaatan khitosan sebagai anti rayap dan jamur. Penelitian lain adalah
pemanfaatan khitosan sebagai biopolimer untuk uji anti rayap (Tarmadi et al.,
2006), khitosan-platisizer sebagai penguat edible film (Prasetiyo et al., 2009).
Di negara lain penelitian pemanfaatan khitosan antara lain untuk
meningkatkan decay resistance dari wood polymer composite dengan modifikasi
chitosan copper complex (CCC) (Duan et al., 2003), khitosan yang dimodifikasi
dengan logam menjadi chitosan metal complex (CMC) yang memiliki
kemampuan sebagai katalis untuk sintesis organik, obat-obatan, serat antimikroba
dan hidrometalurgi (Hu et al., 2000; Jiang, 2001).
Khitosan juga dimodifikasi untuk bahan pengawet yang ramah lingkungan
menjadi chitosan copper complex (CCC) dan chitosan zinc complex (CZC) yang
11
efektif melindungi kayu dari serangan jamur perusak dan rayap (Kobayashi et al.
1995a, 1995b; Sun 2000; Furukawa et al. 2002).
Menurut Shelma et al (2008) bahwa kuat tarik dari film khitosan untuk
penutup luka meningkat secara signifikan seiring semakin banyaknya serat khitin
yang berukuran nano namun tidak terlalu berpengaruh terhadap permeabilitas
nanokompositnya. Penambahan chitosan copper complex (CCC) pada WPC tidak
berpengaruh signifikan terhadap kerapatan WPC bahkan kuat tarik menurun
seiring meningkatkanya konsentrasi CCC dalam WPC (Duan et al., 2003).
Menurut Kampeerapappun et al. (2006) kuat tarik dari film komposit dapat
diperbaiki dengan menambahkan khitosan dan monmorillonit (MMT). Film dari
PP yang diradiasi dengan corona discharge kemudian dicelupkan dalam larutan
1% khitosan sampai beberapa lapisan mampu berfungsi sebagai antimikroba yang
baik sehingga potensial untuk bahan pengemas (Elsabee et al., 2007).
Khitosan merupakan biopolimer yang biodegradabel di lingkungan alam.
Hal tersebut menjadikan khitosan potensial sebagai bio-filler dalam komposit
untuk menggantikan beberapa material konstruksi, furnitur dan beberapa produk
plastik untuk aplikasi industri masa depan (Espert et al., 2003).
Dari hasil penelusuran literatur pendukung, belum ditemukan pemanfaatan
polimer polisakarida khitosan untuk substitusi polimer PP dalam komposit
termoplastik yang umumnya masih dominan memakai polimer termoplastik
sintetis berbasis minyak bumi seperti PP yang tidak terbarukan.
Melihat kemampuan dan karakteristik dari polimer khitosan yang selama ini
umum dipakai dalam bentuk film komposit atau campuran untuk aplikasi farmasi,
obat-obatan, kosmetik, pengawet, emulsifier dan sebagainya akan sangat
memungkinkan untuk melakukan penelitian penggunaan bahan berbasis polimer
polisakarida hewani yaitu khitosan.
Khitosan dari cangkang udang ditujukan untuk substitusi polimer sintetis PP
berbasis minyak bumi yang tidak terbarukan maupun sebagai alternatif polimer
alam atau bahan pengisi yang umumnya berbasis serat tanaman dalam produk
komposit termoplastik.
12
METODOLOGI PENELITIAN
Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian ini dilakukan pada bulan April-Juni 2012. Penelitian dilakukan
dalam tiga tahap yaitu: Tahap 1. Pembuatan polimer khitosan dilakukan di UPT
Balai Litbang Biomaterial LIPI Cibinong-Bogor; Tahap 2. Pembuatan mikrofibril
tandan kosong kelapa sawit juga dilakukan di UPT Balai Litbang Biomaterial
LIPI Cibinong-Bogor; dan Tahap 3. Pembuatan komposit termoplastik di
Laboratorium Uji Polimer Puslit FISIKA LIPI Bandung.
Karakterisasi morfologi mikrofibril tandan kosong kelapa sawit dan khitosan
dengan SEM dilakukan di Laboratorium Instrumen dan Proksimat Terpadu
Puslitbang Keteknikan Kehutanan dan Pengolahan Hasil Hutan Bogor. Uji FTIR
dilakukan di Laboratorium Biofarmaka IPB Bogor. Pembuatan komposit
termoplastik polipropilena-mikrofibril tandan kosong kelapa sawit dengan
polimer khitosan dilakukan di Laboratorium Uji Polimer Puslit Fisika-LIPI
Bandung. Pengujian fisis dan mekanis dilakukan di UPT Balai Litbang
Biomaterial LIPI Cibinong, Bogor.
Bahan dan Alat
Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah serat (fiber bundle)
TKKS dari pabrik pengolahan serat TKKS di Cibadak Sukabumi, khitosan
industrial grade dalam tiga variasi bentuk dan ukuran: (a) potongan film khitosan
ukuran 6 mesh sampai 8 mesh (b) serbuk khitosan ukuran 20 mesh sampai 40
mesh yang diproses di UPT Balai Litbang Biomaterial-LIPI dan (c) bentuk
serpihan ukuran 10 mesh produksi PT. Biotech Surindo Cirebon; polipropilena
(PP) homopolimer tipe HI10HO dari PT. Tri Polyta Indonesia Cilegon, Banten,
maleic anhydride polypropylene (MAPP) UMEX 1001 LotNo. GI8070244 dari
SANYO Chemical Industries Kyoto Japan, natrium hidroksida (NaOH), asam
asetat dan air.
13
A
B
Gambar 3. Tandan kosong kelapa sawit (A) dan serat TKKS (B)
Tabel 1. Karakteristik PP Homopolimer Tipe HI10HO
HI10HO
Karakteristik Fisis
ASTM Test
Metric Units
Melt Flow Rate (MFR) (230°C/2.16 kg)
D1238
10 g/10 min
Density
D792
0.903 g/cm³
Tensile yield strength at 50 mm/min
D638
346 kg/cm²
Tensile yield elongation
D638
13%
D790A
13050 kg/cm²
Notched Izod impact strength at 23°C
D256
3.6 kg-cm/cm
Hardness, Rockwell
D785
R100
Deflection temperature at 0.455 MPa (4.64
kg/cm²)
D648
104°C
D1525B
152°C
D3418
163°C
Flexural modulus (1% secant) at 1.3
mm/min
Vicat softening temperature
Melting temperature DSC, 10 C/min, 2nd
heat
Sumber: PT. Tri Polyta Indonesia (2011)
Alat yang dipakai antara lain beater hollander, ring flaker, alat pemotong
serat, ember plastik, disc refiner, oven, kneader/mixer (laboplastomill), kempa
14
panas, cetakan komposit, FTIR, Scanning Electron Microscope (SEM) JSM 6360
LA – 20 kV dan Universal Testing Machine (UTM).
A
B
Gambar 4. Alat laboplastomill (A) dan kempa panas (B)
Persiapan Bahan, Pembuatan dan Pengujian Komposit Termoplastik
Tahap 1. Pembuatan polimer khitosan
Proses pembuatan polimer khitosan mengacu pada metode
yang
dikembangkan oleh Suptijah et al. (1992) yang mengatakan bahwa pada cangkang
udang mengandung zat khitin sekitar 99,1 persen. Jika diproses lebih lanjut
dengan melalui beberapa tahap, akan dihasilkan khitosan, yaitu:
a. Proses demineralisasi
Cangkang udang dicuci dengan air mengalir, dikeringkan di bawah sinar
matahari sampai kering, lalu digiling sampai menjadi serbuk ukuran 40-60 mesh.
Kemudian dicampur asam klorida 1,25 N dengan perbandingan 10 : 1 untuk
pelarut dibanding cangkang udang, lalu dipanaskan pada suhu 90°C selama satu
jam. Residu berupa padatan dicuci dengan air sampai pH netral dan selanjutnya
dikeringkan dalam oven pada suhu 80°C selama 24 jam.
b. Proses deproteinisasi
Cangkang udang yang telah dimineralisasi kemudian dicampur dengan larutan
NaOH 3,5% dengan perbandingan antara pelarut dan residu hasil dimineralisasi 6
: 1. Selanjutnya dipanaskan pada suhu 90°C selama satu jam. Larutan lalu disaring
dan didinginkan sehingga diperoleh residu padatan yang kemudian dicuci dengan
air sampai pH netral dan dikeringkan pada suhu 80°C selama 24 jam.
15
c. Proses deasetilisasi khitin menjadi khitosan
Khitosan dibuat dengan menambahkan sodium NaOH 50% dengan
perbandingan 20 : 1 (pelarut dibanding khitin), lalu dipanaskan selama 90 menit
dengan suhu 140°C. Larutan kemudian disaring untuk mendapatkan residu berupa
padatan, lalu dilakukan pencucian dengan air sampai pH netral, kemudian
dikeringkan dengan oven suhu 70°C selama 24 jam.
Gambar 5. Sumber bahan baku untuk khitosan
Tahap 2. Pembuatan mikrofibril tandan kosong kelapa sawit
Pembuatan pulp dari serat tandan kosong kelapa sawit
Pembuatan pulp dari serat tandan kosong kelapa sawit (TKKS)
menggunakan proses pulping soda dingin yang mengacu pada penelitian Gopar et
al. (2010) dimana serat (fiber bundle) TKKS dipotong-potong sepanjang sekitar 2
- 3 cm menggunakan mesin ring flaker. Serat direndam dalam larutan NaOH 4%
pada ratio (1 : 5) selama 24 jam. Setelah itu, serat TKKS dipisahkan dari cairan
perendamnya, dan serat dicuci sampai bersih atau sampai pH netral. Selanjutnya
serat digiling pada mesin beater hollander selama 1,5 jam sehingga menjadi pulp.
Pembuatan mikrofibril dari pulp serat tandan kosong kelapa sawit
Pembuatan mikrofibril dari pulp TKKS dilakukan dengan menggunakan
mesin disc refiner. Proses merujuk dari hasil penelitian Gopar et al. (2010)
dimana pulp TKKS diencerkan dengan air pada perbandingan 1 : 60 kemudian
dimasukkan ke dalam disc refiner sebanyak 4 kali ulangan. Selanjutnya dilakukan
karakterisasi menggunakan Scanning Electron Microscope (SEM) untuk melihat
16
apakah serat sudah berukuran mikro (diameter diatas 100 nm atau 0,1 mikron
sampai 20 mikron).
Tahap 3. Pembuatan komposit
Pembuatan komposit termoplastik polipropilena-mikrofibril tandan kosong
kelapa sawit dengan polimer khitosan untuk substitusi PP
Proses pembuatan k