Biokomposit filler nanopartikel serat kulit rotan sebagai material pengganti komposit sintetis fiber glass pada komponen kendaraan bermotor
BIONANOKOMPOSIT FILLER NANOPARTIKEL SERAT
KULIT ROTAN SEBAGAI MATERIAL PENGGANTI
KOMPOSIT SINTETIS FIBER GLASS PADA KOMPONEN
KENDARAAN BERMOTOR
SITI NIKMATIN
Disertasi
Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Doktor pada
Program Studi Ilmu Keteknikan Pertanian
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2012
PERNYATAAN MENGENAI DISERTASI DAN
SUMBER INFORMASI
Dengan ini saya menyatakan bahwa disertasi Bionanokomposit Filler
Nanopartikel Serat Kulit Rotan sebagai Material Pengganti Komposit Sintetis
Fiber Glass pada Komponen Kendaraan Bermotor adalah karya saya dengan
arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apapun kepada
perguruan tinggi manapun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya
yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis
lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian
akhir disertasi ini.
Bogor, Mei 2012
Siti Nikmatin
NIM. F164090021
ABSTRACT
SITI NIKMATIN, Bionanocomposite of Polypropylene Reinforced Cellulose
Nanoparticles Biomass of Rattan Synthetic Substitute Composite by Motorcycle.
Supervised by Y. ARIS PURWANTO, TINEKE MANDANG, AKHIRUDIN
MADDU AND SETYO PURWANTO.
The technology of bionanocomposite development in Indonesia had a good
prospects. This is due to the availability of natural resources, especially
agricultural products and waste which abundant and can be obtained throughout
the year. The rattan bark is one of the agricultural waste that could be used as a
source of fiber for bionanocomposite. The objective of this study was to synthesize
and characterize bionanocomposite of polypropylene reinforced cellulose
nanoparticles of rattan to be used to replace glass fiber as a filler in the
composite. Cellulose was made of rattan bark in the form of nanoparticles by
mechanical milling method, shaking, heating and ultrsonication in liquid media.
These nanoparticles was used as a bionanocomposite filler which was prossesed
by injection molding method with variation of concentration from 2% - 20%. The
XRD result from the nanoparticles bark of rattan showed β-cellulose phase with
monoclinic structure and crystal structure at 2θ = 220 (002). The density of
nanoparticles was 0.2492 g cm-3. The surface morphology was elongated like a
hollow cylinder. The size of the nanoparticles was 20 nm (TEM testing) with a
homogeneous distribution volume of 32 %. Results from EDS and AAT indicated
that bionanocomposite comprise of C, H and O as well as minerals Ca, K, Si. The
mechanical properties from bionanocomposite of polypropylene reinforced
cellulose nanoparticles of rattan was optimum at filler concentrations of 5%. The
properties that comparable to synthetic composites were modulus of elasticity,
hardness, tensile breaking elongation while, flexural strength and tensile yield
strength were lower. This was due to the aglomeration in some areas so that the
filler interphase bond was not optimal.
Keywords: Cellulose, extraction, nanoparticles, biodegradable, ultrasonication,
bionanocomposite, injection.
© 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 atau memperbanyak sebagian atau seluruh karya tulis
dalam apapun tanpa izin IPB
PRAKATA
Puji syukur kepada Allah SWT yang telah melimpahkan rahmat, hidayah
dan karunia-Nya sehingga penelitian dan penulisan disertasi dengan judul
“Bionanokomposit filler Nanopartikel Serat Kulit Rotan sebagai Material
Pengganti Komposit Sintetis Fiber Glass pada Komponen Kendaraan Bermotor”
ini telah berhasil diselesaikan.
Ucapan terima kasih dan penghargaan yang tinggi penulis sampaikan
kepada Dr. Ir. Y. Aris Purwanto, M.Sc ; Prof. Dr. Ir. Tineke Mandang, MS,
Dr. Akhirudin Maddu, S.Si, M.Si dan Dr. Setyo Purwanto, M.Eng sebagai komisi
pembimbing, atas segala ilmu pengetahuan, dorongan motivasi dan kesabaran
dalam memberikan bimbingan selama penelitian sampai penulisan disertasi ini.
Ucapan terima kasih juga penulis sampaikan kepada teman-teman di
FMIPA Departemen Fisika IPB, Teknik Mesin dan Biosistem FATETA IPB,
PTBIN PUSPIPTEK Tangerang dan PT Astra Honda Motor Jakarta atas segala
kemudahan dalam penggunaan alat penelitian, bantuan penyediaan material dan
waktu yang disediakan untuk diskusi sehingga disertasi ini dapat selesai lebih
cepat dari waktu yang direncanakan.
Ucapan terima kasih dengan menyampaikan penghargaan yang setinggitingginya, penulis persembahkan untuk suami, anak-anak (Tsabitah, Aufa, Nafis),
keluarga besar Bapak dan Ibu Sukri serta Ibu Sumiati atas dukungan dan doa yang
tiada henti.
Akhirnya kepada semua pihak yang telah banyak membantu, tiada balasan
yang dapat disampaikan melainkan doa yang tulus semoga Allah SWT membalas
amal baik yang telah diberikan agar senantiasa selalu dalam lindungan-Nya.
Jazakumullah khairun katsira. Semoga ilmu yang penulis peroleh dapat
bermanfaat untuk kemaslahatan umat dan disertasi ini dapat dikembangkan,
diaplikasikan dan bermanfaat menuju bangsa dan negara yang mandiri. Amin.
Bogor, Mei 2012
Siti Nikmatin
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Bojonegoro pada 19 Agustus 1975 sebagai anak
bungsu dari 9 bersaudara, dari pasangan H. Moch Sukri dan Hj. Sukimi.
Pendidikan sarjana ditempuh di FMIPA Jurusan Fisika UNIBRAW Malang, lulus
pada tahun 1998. Pada tahun 2002 penulis diterima di FMIPA Jurusan Material
Sciences pada Program Pacasarjana UI dengan beasiswa BPPS dari DIKTI dan
menamatkannya pada tahun 2004. Kesempatan untuk melanjutkan ke Program
Doktor di Program Studi Ilmu Teknik Pertanian Sekolah Pascasarjana IPB
diperoleh pada tahun 2009 dengan dukungan dana (beasiswa) dari BPPS DIKTI.
Penulis bekerja sebagai staf pengajar Departemen Fisika FMIPA IPB di bagian
Fisika Terapan mulai tahun 1998 sampai sekarang.
Selama mengikuti program S3, penulis telah mempresentasikan sebagian
hasil penelitian dari disertasi dan masuk pada beberapa proseeding dan jurnal
ilmiah yaitu :
1. Juli 2011, Seminar Nasional Perteta di Universitas Jember dengan judul
“Karakterisasi Selulosa Kulit Rotan sebagai Material Pengganti Fiber
Glass pada Komposit” dan dimuat pada Jurnal Agroteknologi UNEJ edisi
Volume 5, Nomor 1, 2012.
2. Oktober 2011 pada Seminar Nasional Hamburan Neutron dan Sinar X
(SNHNX) dengan judul “Analisa Struktur Kristal Nanopartikel Selulosa
Kulit Rotan sebagai Filler Bionanokomposit Dengan Difraksi Sinar-X”
dan dimuat dalam Jurnal Sains Materi Indonesia (JUSAMI) ISSN 14111098 Akreditasi LIPI No 89/AKRED-LIPI/P2MBI/5/2007 pada Juli 2012.
3. November 2011 pada The International Society for Southeast Asian
Agriculture Science (ISSAAS) dengan judul “Micro Structure and
Properties of The Bionanocomposite of Polypropylene Reinforced with
Cellulose Nanoparticles Biomass of Rattan” dan dimuat dalam proceeding
ISSAAS serta submit di CIGR Jurnal Internasional (3-3-2012).
4. Desember 2011 dimuat pada Jurnal Biofisika FMIPA-Fisika IPB dengan
judul “Analisa Struktur Mikro Pemanfaatan Limbah Kulit Rotan Menjadi
Nanopartikel Selulosa sebagai Pengganti Serat Sintetis” .
DAFTAR ISI
Halaman
DAFTAR TABEL ..................................................................................
ix
DAFTAR GAMBAR .............................................................................
x
DAFTAR LAMPIRAN ..........................................................................
xi
BAB 1. PENDAHULUAN UMUM
Latar Belakang .......................................................................................
Tujuan Penelitian ...................................................................................
Manfaat Penelitian .................................................................................
Nilai kebaharuan penelitian ...................................................................
Keterkaitan antar bab .............................................................................
BAB 2. EKSTRAKSI DAN KARAKTERISASI SERAT KULIT
ROTAN (SKR) DENGAN METODA FERMENTASI
Pendahuluan ...........................................................................................
Tinjauan Pustaka ....................................................................................
Bahan dan Metoda .................................................................................
Hasil dan Pembahasan ...........................................................................
Kesimpulan ............................................................................................
Daftar Pustaka ........................................................................................
BAB 3. SINTESA NANOPARTIKEL SKR DENGAN METODA
ULTRASONIK DAN KARAKTERISASINYA
Pendahuluan ...........................................................................................
Tinjauan Pustaka ....................................................................................
Bahan dan Metode .................................................................................
Hasil dan Pembahasan ...........................................................................
Kesimpulan ............................................................................................
Daftar Pustaka .......................................................................................
BAB 4. BIONANOKOMPOSIT BERFILLER NANOPARTIKEL
SKR DENGAN METODA INJEKSI MOLDING
1
3
3
4
5
7
10
19
22
33
34
36
38
46
50
64
64
Pendahuluan ...........................................................................................
Tinjauan Pustaka ....................................................................................
Bahan dan Metode .................................................................................
Hasil dan Pembahasan ...........................................................................
Kesimpulan ............................................................................................
Daftar Pustaka ........................................................................................
BAB 5. PEMBAHASAN UMUM ........................................................
67
70
87
89
108
108
113
BAB 6. KESIMPULAN UMUM ..........................................................
120
BAB 7. DAFTAR PUSTAKA ...............................................................
121
LAMPIRAN ...........................................................................................
126
DAFTAR TABEL
1
Kandungan kimia beberapa jenis batang rotan ..............
Halaman
11
2
Data pengujian sifat fisis dan mekanis batang rotan ......
12
3
Produksi serat alam ........................................................
18
4
23
5
Rendemen selulosa kulit rotan dengan massa awal rotan
500 g ..............................................................................
Komposisi unsur selulosa kulit rotan (hari ke-5) ...........
6
Komposisi unsur selulosa kulit rotan (hari ke-6) ...........
25
7
Komposisi unsur selulosa kulit rotan (hari ke-8) ...........
26
8
Komposisi unsur selulosa kulit rotan (hari ke-10) .........
26
9
51
12
Unsur serat kulit rotan hasil penggilingan mekanik
ukuran 1 mm ..................................................................
Komposisi unsur nanopartikel ultrasonikasi variasi
waktu ..............................................................................
Densitas nanopartikel serat kulit rotan pada variasi
waktu ultrasonikasi ........................................................
Komposisi matrik dan filler bionanokomposit ..............
13
Komposisi unsur komposit (PP + FG) ...............................
91
14
Standar karakteristik komposit (PP + FG) LR22E PP-FG
10% ................................................................................
91
15
Data refflection bragg, ACS dan regangan mikro komposit
PP + FG ...........................................................................
93
16
Komposisi unsur bionanokomposit ...............................
99
10
11
24
63
63
88
RINGKASAN
SITI NIKMATIN, Bionanokomposit Filler Nanopartikel Serat Kulit Rotan
sebagai Material Pengganti Komposit Sintetis Fiber Glass pada Komponen
Kendaraan Bermotor. Dibimbing oleh Y. ARIS PURWANTO, TINEKE
MANDANG, AKHIRUDIN MADDU DAN SETYO PURWANTO.
Pengembangan teknologi bionanokomposit di Indonesia memiliki prospek
yang sangat potensial karena ketersediaan sumber daya alam yang melimpah yaitu
hasil pertanian dan limbahnya yang dapat diperoleh sepanjang tahun. Kulit rotan
merupakan salah satu limbah pertanian yang dapat dimanfaatkan sebagai sumber
serat untuk bionanokomposit. Tujuan umum penelitian ini adalah sintesa dan
karakterisasi bionanokomposit filler nanopartikel serat kulit rotan yang dapat
digunakan untuk menggantikan fiber glass sebagai filler pada komposit. Selulosa
kulit rotan dibuat dalam bentuk nanopartikel dengan metode ultrasonikasi (f = 20
kHz, P = 130 Watt) pada media cair. Sementara itu pembuatan komposit
menggunakan metoda injeksi molding dengan matrik polipropillen dan filler serat
selulosa kulit rotan dengan variasi konsentrasi filler 2, 5, 10, 15, 20% dan variasi
ukuran filler 20 nm, 150 μm, 1mm.
Sintesa nanopartikel serat kulit rotan dan bionanokomposit diawali dengan
eksplorasi data karakteristik mikro terhadap selulosa kulit rotan yang diekstrak
dengan metode fermentasi padat Aspergillus niger yang merupakan penelitian
tahap satu. Variasi data yang dilakukan selama proses fermentasi adalah Σ spora
dan waktu fermentasi sementara itu pH dan suhu adalah konstan sesuai dengan
suhu lingkungan laboratorium. Hasil yang didapat adalah rendemen selulosa
optimum pada waktu fermentasi 10 hari dengan Σspora 3 x 108 dengan
karakteristik berstruktur kristal monoklinik pada 2θ = 22 derajat, berfasa βselulosa dengan morfologi permukaan yang berpori, memanjang, berbentuk
menyerupai silinder berongga, diselimuti lignin dan terdapat trakeida. Selanjutnya
pada penelitian tahap ke-2 dilakukan sintesa nanopartikel dengan metode
ultrasonikasi variasi waktu 1, 2, dan 3 jam. Sebelum ultrasonikasi dihasilkan serat
selulosa kulit rotan dengan ukuran 75 μm dengan metoda penggilingan mekanik
dan penyaringan. Hasil serat yang didapatkan di panaskan 100 0C, stirer 200 rpm
selama 2 jam di hot plate kemudian di ultrasonikasi. Selama proses ultrasonikasi
telah terjadi fenomena kavitasi sehingga semakin berjalannya waktu ukuran
partikel semakin mengecil dan mencapai optimum pada t u = 3 jam dengan ukuran
20 nm (pengujian TEM) pada distribusi 32% (pengujian PSA) dan memiliki
densitas 0.2 g cm-3 (pengujian piknometer). Hasil dari pengujian XRD, SEM-EDS
menunjukkan bahwa unsur penyusun utama selulosa adalah C, O dan mineral Ca,
K, Si dan merupakan material berstruktur kristal monoklinik dengan intensitas
difraksi menurun dan FWHM yang semakin melebar.
Sintesa biokomposit dengan metode injeksi molding yang merupakan tahap
ke-3 dari penelitian menggunakan variasi konsentrasi filler dan variasi ukuran
filler. Biokomposit yang dihasilkan memiliki sifat fisis mekanik optimum pada
konsentrasi filler 5% dan ukuran filler 20 nm dengan penambahan PPMA 3%.
Optimum yang dimaksud adalah berdasarkan pembanding yang merupakan
komponen sepeda motor Honda yaitu standarisasi Honda Engineering Standard
(HES). Bionanokomposit menghasilkan ikatan interfase adhesi mekanik dan
ikatan kimia pada gugus fungsi antara matrik (polipropillen) dan penguat
(nanopartikel serat kulit rotan) sehingga sifat mekanik material alam ini lebih baik
jika dibandingkan dengan komposit sintetis fiber glass yaitu pada kekuatan tarik
mulur, modulus elastisitas, kekerasan, dan ketangguhan (impak). Adanya
komponen utama C, H, dan O serta elemen pendukung berupa Ca, Cu dan K pada
nanoselulosa dapat memberikan kekuatan yang lebih baik pada bionanokomposit,
namun berdasarkan pengamatan SEM terdapat penggumpalan filler di beberapa
titik pada permukaan. Hal ini salah satu yang menyebabkan terjadinya penurunan
pada kelenturan dan kekuatan tarik.
Pengamatan selama proses injeksi molding bionanokomposit terhadap
penyusutan dimensi (moulding shrinkage) dibandingkan material sintetis adalah
penyusutan sebesar 1.86% MD dan 2.99% TD pada bionanokomposit dan 0.54%
MD dan 1.84% TD pada komposit PP-FG. Demikian juga berdasarkan pengujian
ketahanan terhadap cuaca SWOM (acceleration aging test) selama 300 jam yaitu
menunjukkan adanya perubahan warna (pudar) dan perubahan TD (transverse
direction) pada bionanokomposit. Pengukuran densitas terhadap nanopartikel
serat kulit rotan menunjukkan bahwa nano selulosa memiliki densitas yang lebih
rendah (0.2 g cm-3) dibandingkan selulosa dalam ukuran panjang (0.582 g cm-3)
dan serat gelas (2,74 g cm-3) Hal ini berdampak pada bionanokomposit yang
dihasilkan memiliki massa yang lebih ringan dibandingkan komposit sintetis.
Dari keseluruhan hasil yang didapatkan dapat disimpulkan bahwa
bionanokomposit filler nanopartikel serat kulit rotan merupakan material baru
yang bersumber dari kekayaan alam Indonesia khususnya pemanfaatan limbah
pertanian yang memiliki beberapa keunggulan dibandingkan komposit sintetis.
Diantaranya komposit ramah lingkungan dengan densitas yang kecil dan sifat
mekanik (tensile breaking elongation, impact strength, modulus elasticity,
hardness) yang lebih baik dari komposit sintetis yang saat ini digunakan pada
aplikasi komponen sepeda motor, namun masih belum bisa diterapkan untuk
mengganti atau mengurangi komposit sintetis pada industri. Hal ini dikarenakan
sifat kelenturan dan kekuatan tarik yang masih berada dibawah standar, sehingga
diperlukan penelitian lebih lanjut pada homogenisasi nanoselulosa, peningkatan
kualitas ukuran dengan frekuensi ultrasonik > 20 kHz dan dilakukannya blending
sebelum sintesa bionanokomposit dengan metode injeksi molding untuk
meningkatkan tensile strength dan flexural strength.
Kata
Kunci
:
selulosa, ekstraksi,
bionanokomposit.
nanopartikel,
ultrasonikasi,
kavitasi,
BIONANOKOMPOSIT FILLER NANOPARTIKEL SERAT
KULIT ROTAN SEBAGAI MATERIAL PENGGANTI
KOMPOSIT SINTETIS FIBER GLASS PADA KOMPONEN
KENDARAAN BERMOTOR
SITI NIKMATIN
Disertasi
Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Doktor pada
Program Studi Ilmu Keteknikan Pertanian
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2012
Penguji pada Ujian Tertutup :
Dr. Suprapedi, M.Eng (LIPI Cibinong)
Dr. Ir. Naresworo Nugroho, M.Si (Fakultas Kehutanan IPB)
Penguji pada Ujian Terbuka :
Prof. Dr. Subiyakto, M.Sc (LIPI Cibinong)
Dr. Ir. Desrial, M.Eng (Fateta-IPB)
DAFTAR GAMBAR
Halaman
1
Diagram alir keterkaitan antar bab ................................................
5
2
Struktur monokotil ........................................................................
10
3
Tanaman dan batang rotan ............................................................
11
4
Skema selulosa ..............................................................................
12
5
Struktur lignin, selulosa, dan hemiselulosa pada tanaman ...........
13
6
Skema dinding sel selulosa dan mikrofibril ...................................
14
7
Ilustrasi mikro dan mikrofibril dalam selulosa .............................
15
8
Aspergillus niger pada perbesaran mikroskop optik .....................
16
9
Pertumbuhan Aspergillus niger .....................................................
17
10
Serat sintetis fiber glass ................................................................
18
11
Diagram alir penelitian .................................................................
21
12
23
16
Rendemen selulosa pada hari ke-4, 5, 6 (a) hari ke-8 (b), hari ke10 Σspora 3 x 108 (c) dan hari ke-10 dengan Σspora 4 x 108 (d) ..
Citra SEM selulosa metode fermentasi dengan perbesaran 500X
(a) dan 1000X (b) ..........................................................................
Ikatan gugus fungsi C, H, dan O selulosa dinding sel tanaman
dalam skala atom (a) dan selulosa dinding batang sel tanaman (b)
Struktur sel bagas pada kondisi operasi dry steam (a-b) dan fresh
leaf (c,d) ........................................................................................
Citra SEM selulosa whiskers ........................................................
17
Profil XRD dari selulosa whiskers ................................................
31
18
Profil XRD dari bacterial celulloce ...............................................
31
19
Profil XRD dari selulosa bagas .....................................................
32
20
Profil XRD selulosa kulit rotan metode fermentasi ......................
21
Citra TEM selulosa kulit rotan hasil fermentasi pada perbesaran
3000 (a), 150.000 (b),dan 400 (c) .................................................
Diameter rambut (a), sel darah merah (b), DNA (c), atom (d) ....
33
41
25
Plot DSC bacterial celulloce-polylactacide nanocompsite (a) dan
sifat termal nanomaterial (b) .........................................................
Efek kuantum (a), ilustrasi perubahan sifat optik emas
disebabkan perubahan ukuran (b) .................................................
Profil XRD Tantalum ....................................................................
26
Profil
43
13
14
15
22
23
24
XRD
.........................
nanoTiO 2
pada
variasi
suhu
anniling
27
28
29
29
39
42
43
27
Aktifitas katalis nanomaterial .......................................................
43
28
44
30
Sifat mekanik nanomaterial (a) dan kekuatan tarik nanokomposit
chitosan-celulloce whiskers ..........................................................
Ultrasonikasi pada medium cair (a), fenomena kavitasi (b), dan
pengaruh ukuran terhadap surface area (c) ...................................
Diagram alir produksi nanopartikel ..............................................
31
Serat kulit rotan metode milling-shaker ........................................
50
32
Citra SEM serat kulit rotan hasil penggilingan mekanik dengan
ukuran serat 1 mm perbesaran 500 (a) dan 1000 (b) ..................
Profil XRD serat kulit rotan metode mekanik (ukuran serat 1
mm) ...............................................................................................
Profil XRD serat kulit rotan metode mekanik (ukuran serat 150
μm) ................................................................................................
Profil XRD serat kulit rotan selulosa whiskers (a), CMC, dan BC
(b) ..................................................................................................
Karakterisasi XRD nanopartikel serat kulit rotan dengan variasi
waktu ultrasonikasi 0 jam (a), 1 jam (b), dan 3 jam (c) ...............
Grafik pengaruh waktu ultrasonikasi dan ukuran partikel ............
Citra TEM nanopartikel serat kulit rotan pada prbesaran 100.000
(a), 500.000 (b) dan 400 (c) .........................................................
Citra TEM nanoserat Carbon (a) dan partikel ITO yang disintesis
dengan metode filter expantioan spray pirolysis pada suhu
reaktor 9000C (b) ...........................................................................
Citra SEM nanopartikel SKR variasi waktu ultrasonikasi 0 jam
(a), 1 jam (b), dan 3 jam (c) ..........................................................
Nanoselulosa tunicin, rami, gula, MCC, BC (a-e) dan
nanoselulosa whiskers metode freeze dried (f) ............................
Nanopartikel Carbon nanotube dengan perbesaran 15.000 (a) dan
3000 (b) .........................................................................................
Citra SEM dari matrik (a) dan SEM dari komposit epoxy-CNT
(b) ..................................................................................................
Klasifikasi material komposit berdasarkan matrik (a) dan
keuntungan, kelemahan dari berbagai matrik kompoit (b) ...........
Pembagian komposit berdasarkan penguatanya ...........................
52
Citra SEM carbon nano tube komposit berdasarkan susunan
penguatnya,Fiber (a), Laminate (b), partikel (c) ...........................
Arah penyusunan serat,serat panjang (a), serat pendek (b), dan
random (c) .....................................................................................
Pengaruh sudut penyusunan filter terhadap kekuatan tarik dan
modulus elastistas biokomposit ....................................................
Meningkatnya surface area terhadap ukuran pada partikel mikro
(a) dan partikel nano (b) ................................................................
Ikatan antar muka ..........................................................................
72
FTIR dari bionanokomposit matrik chitosan dan variasi
konsentrasi filler selulosa whiskers, CW-10 (a), CW-20 (b), CW30 (c), selulosa whiskers (d) .........................................................
75
29
33
34
35
36
37
38
39
40
42
43
45
46
47
48
49
50
51
52
45
49
53
53
54
56
57
58
59
60
61
61
70
71
72
73
73
74
75
53
54
Polimer termoplastik .....................................................................
Ikatan kimia polipropillen .............................................................
77
77
55
Citra SEM komposit filler fiber glass ...........................................
78
56
79
57
Kekuatan tarik dan modulus young biokomposit bermatrik
polipropillen ..................................................................................
Mesin plastik injeksi .....................................................................
58
Pengujian kekuatan tarik ...............................................................
82
59
Tegangan dan regangan biokomposit starch-MFC (Micro Fibril
Cellulose) variasi konsentrasi MFC ..............................................
Ilustrasi skematis pengujian impak dengan benda uji charpy .......
Ilustrasi skematik pembebanan impak pada benda uji charpy (a),
izod (b), dan perpatahan impak(c) ................................................
Skematis prinsip indentasi metode brinell (a) dan prinsip
indentasi metode vickers (b) .........................................................
Diagram alir penelitian ................................................................
83
90
66
Komposit sintetis PP-FG standarisasi HES (a) dan Luggage box
sepeda motor (b) ...........................................................................
Citra SEM komposit sintetis PP-FG perbesaran 100X (a) dan
perbesaran 500X (b) ......................................................................
X-ray diffraction (XRD) komposit PP + FG .................................
67
Profil FTIR komposit berfiller fiber glass ....................................
93
68
Cuplikan bionanokomposit ...........................................................
94
69
Sifat mekanik bionanokomposit terhadap konsentrasi filler .........
96
70
Profil XRD pada bionanokomposit ...............................................
97
71
Sifat mekanik bionanokomposit terhadap ukuran filler ..............
98
72
Citra SEM bionanokomposit konsentrasi 10% (a) dan
biokomposit filler 1 mm konsentrasi 10% ....................................
Penyusutan terhadap cetakan injeksi molding ..............................
99
100
60
61
62
63
64
65
73
74
75
76
77
78
79
80
Pengamatan visual pada pengujian acceleration aging test ...........
Kekuatan tarik (a) dan modulus young (b) komposit anyaman
kulit rotan dengan komposit FG terhadap standarisasi BKI dan
FRP ...............................................................................................
SNI 19–1811 standar helm pengendara sepeda motor ..................
Modulus young (a) dan kekuatan tarik (b) komposit Carbon nano
tube ................................................................................................
Citra SEM bionanokomposit nanofiber paper pada ukuran filler
serat panjang (a), ukuran filler nanopartikel (b), dan Profil XRD
nanofiber pada aplikasi Optically Transparent (c) ......................
Profil XRD komposit Carbon nanotube .......................................
FTIR bionanokomposit serat kulit rotan (a), nanopartikel SKR
(b), dan Polipropillen (c) ...............................................................
80
84
85
87
89
90
92
102
103
104
104
105
106
107
81
FTIR komposit BC-CMC .............................................................
107
82
Fenomena tegangan permukaan (a) dan gaya adhesi komposit (b)
108
83
Ikatan antara penguat dengan PPMA (a) dan ikatan antara matrik
dan PPMA (b)
109
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
1
Data penjualan sepeda motor dan jumlah motor di
Indonesia ...........................................................................
Produksi rotan di Indonesia ...............................................
127
128
5
Foto tahapan penelitian ekstraksi selulosa kulit rotan
dengan metode fermentasi Aspergillus niger ....................
Indexing pola XRD dan JCPDS selulosa kulit rotan
metode fermentasi .............................................................
Karakteristik fiber glass ....................................................
6
Pola XRD sampel nanopartikel SKR t u = 3 jam ...............
130
7
Densitas dan diameter nanopartikel serat kulit rotan .......
123
8
Pola difraksi serat kulit rotan metoda mekanik .................
123
9
132
11
Foto sintesa nanopartikel serat kulit rotan dengan metoda
ultrasonik ...........................................................................
Distribusi ukuran partikel berdasarkan pengujian PSA
(Volume, Number dan Intensity Distribution) ...................
Sifat fisika polipropillen ....................................................
12
JCPDS-ICCD polipropillen ...............................................
135
13
Suhu leleh proses termoplastik berbagai jenis polimer .....
135
14
Penggunaan berbagai jenis polimer di Indonesia ..............
135
15
Setting mesin injeksi molding ...........................................
136
16
Gambar pengujian mekanik ..............................................
137
17
Data pengujian ketangguhan metode Izod ........................
138
18
Data uji kelenturan dan kekerasan ....................................
139
19
Molding skrinkage ratio ....................................................
140
20
Pengujian tarik ..................................................................
141
21
Foto sintesa bionanokomposit metode injeksi molding .......
142
22
EDS I selulosa kulit rotan dengan metod fermentasi
(rendemen optimum) .........................................................
EDS II selulosa kulit rotan dengan metod fermentasi
(rendemen optimum) .........................................................
EDS selulosa kulit rotan dengan metoda mekanik (1
mm).....................................................................................
EDS selulosa kulit rotan dengan metoda mekanik (75
mikro)..................................................................................
143
2
3
4
10
23
24
25
128
129
130
133
134
144
145
146
26
147
27
EDS nanopartikel selulosa kulit rotan dengan waktu
ultrasonik 3 jam...................................................................
EDS bionanokomposit ukuran filler 1 mm .......................
28
EDS bionanokomposit ukuran mikro ................................
149
29
Maping unsur nanopartikel serat kulit rotan .....................
150
30
Maping unsur bionanokomposit filler nanofiber 20 nm ...
151
31
Maping unsur biokomposit filler serat kulit rotan 1 mm ...
152
148
1
BAB 1
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Tanaman penghasil selulosa merupakan komoditas penting setelah tanaman
pangan. Indonesia sebagai negara dengan keanekaragaman hayati yang luas
memiliki peluang yang besar untuk mengeksplorasi pemanfaatan bahan serat alam
sebagai penguat material komposit. Pada saat ini, semakin meningkatnya
penggunaan serat sintetis fiber glass pada berbagai industri khususnya industri
transportasi seperti door trim, luggage box, badan pesawat dan body speed boat,
dapat menimbulkan permasalahan, selain limbah anorganik yang semakin
bertambah juga bahan baku serat sintetis yang terbatas sehingga mampu
mendorong perubahan trend teknologi komposit menuju natural composite yang
ramah lingkungan (Sisworo 2009).
Rotan adalah salah satu material yang dapat dengan mudah dibengkokkan
tanpa deformasi yang nyata. Rotan merupakan komoditas hasil hutan non-kayu,
yang memberi kehidupan bagi dua juta rakyat Indonesia yang tersebar di
Kalimantan, Sulawesi dan Sumatera. Sementara itu kulit rotan adalah limbah yang
dapat direkayasa menjadi produk teknologi nasional yaitu filler nanokomposit.
Pada pemanenan, besarnya limbah kulit rotan pada penebangan secara tradisional
adalah 28.5 - 40% dan ketersediaannya sampai saat ini belum ada pemanfaatan
sebagai filler nanokomposit. Menurut Direktorat Bina Produksi Kehutanan, dari
143 juta hektar luas hutan di Indonesia, diperkirakan hutan yang ditumbuhi rotan
seluas 13.20 juta hektar. Produksi rotan alam di Indonesia mencapai 556 ribu
(2010) dan 696 ribu (2011) ton/tahun yang merupakan 85% dari produksi rotan
dunia. Sedangkan nilai ekspor rotan Indonesia pada tahun 2006 tercatat 122.782
ton, senilai $398/9 juta, tahun 2010 mencapai 526 ribu ton dan 684 ribu ton pada
tahun 2011. Pajak ekspor rotan telah menghasilkan devisa sebesar U$D
1.080.000/triwulan.
Tuntutan membuat segala sesuatu menjadi lebih ringan, superkuat, dan
memiliki sifat fisis mekanis yang lebih menguntungkan serta harga produk yang
dapat bersaing adalah hal yang wajar di era teknologi seperti saat ini. Dibidang
2
industri manufaktur komponen transportasi, khususnya sepeda motor, kebutuhan
akan komposit sintetis meningkat tajam setiap tahunnya seiring dengan
meningkatnya kebutuhan pasar akan sepeda motor. Sampai dengan tahun 2011
jumlah sepeda motor di Indonesia mencapai 69 juta dengan tingkat pertumbuhan
9 juta/tahun atau 25.000/hari (Lampiran 1). Salah satu contoh penggunaan
material komposit fiber glass yang saat ini digunakan pada produk komponen
sepeda motor adalah luggage box yang berfungsi sebagai penyimpan barang
sekaligus sebagai tumpuan beban struktur pengendara sepeda motor yang berada
tepat diatasnya. Dalam pembuatannya, satu unit luggage box membutuhkan 500 g
biji komposit, sehingga dapat digambarkan kebutuhan akan komposit sintetis yang
berbahan dasar minyak bumi dan bahaya akan global warming yang cukup besar.
Hal ini mendorong peneliti dan industri membuat material baru yang ramah
lingkungan sekaligus memiliki sifat fisis mekanis yang sebanding atau lebih baik
dari material sebelumnya dan saat ini telah dikembangkan suatu metoda yaitu
nanoteknologi. Nanoteknologi diyakini sebagai sebuah konsep teknologi yang
akan melahirkan revolusi industri baru. Beberapa cabang ilmu terapan dan medis
mengadopsi nanosains dan nanoteknologi menjadi fondasi utamanya dan tidak
diragukan, dengan teknologi yang terus berkembang, penelitian dan pengunaan
nanoteknologi akan terus bermunculan mengacu pada ide yang sangat sederhana
yaitu menyusun sebuah material yang terdiri atas blok-blok partikel homogen
dengan
ukuran
nanometer.
Impian
nanoteknologi
dibidang
komponen
transportasi, untuk dapat merekayasa atau mengubah suatu bahan dengan tingkat
fleksibilitas sama dengan yang telah dicapai manusia dalam memanipulasi data
dengan teknologi informasi, mungkin masih terasa jauh dan masih banyak
pekerjaan rumah yang harus dilakukan. Namun, dalam perkembangannya,
nanoteknologi telah memberikan warna baru dalam bidang-bidang lain khususnya
ilmu dan teknologi material bionanokomposit.
Bionanokomposit merupakan pilihan material yang sangat potensial untuk
dikembangkan dan diteliti lebih lanjut. Untuk mendapatkan material komposit
berpenguat nanopartikel serat kulit rotan yang memiliki sifat fisis mekanis
sebanding dengan komposit serat sintetis, maka diperlukan suatu teknik yang
dapat mengakselerasi pembuatan partikel nano yang homogen yaitu kombinasi
3
antara
penggilingan mekanik
(milling-shaker),
pemanasan berstirer
dan
ultrasonik. Nanopartikel ini dapat digunakan sebagai pengganti serat sintetis fiber
glass dan digunakan sebagai filler bionanokomposit yang diproses dengan metoda
injeksi molding sehingga bisa menjadi jawaban atas kebutuhan akan komposit
disegala bidang.
Tujuan Penelitian
Tujuan
penelitian
ini
secara
umum
adalah
mensintesa
dan
mengkarakterisasi material bionanokomposit filler nanopartikel serat kulit rotan,
untuk menggantikan atau mengurangi penggunaan komposit sintetis fiber glass
pada komponen sepeda motor. Tujuan umum tersebut, dilakukan dalam beberapa
tahap penelitian yang mempunyai tujuan spesifik yaitu :
1. Mendapatkan selulosa dan karakteristiknya yang diperoleh dari ekstraksi
kulit rotan dengan metode fermentasi kapang Aspergillus niger.
2. Mendapatkan suatu kondisi proses dan ukuran partikel optimum pada
sintesa nanopartikel serat kulit rotan dengan metoda ultrasonik dan
memperoleh karakteristiknya.
3. Mensintesa bionanokomposit berpenguat nanopartikel serat kulit rotan
dengan metoda injeksi molding serta memperoleh karakterisasi sifat
mekanik dan struktur mikro yang sebanding dengan standar material
komposit berserat fiber glass pada komponen sepeda motor.
Manfaat Penelitian
Berdasarkan tujuan penelitian, dapat diperoleh manfaat sebagai berikut :
1.
Mendapatkan data dasar karakteristik sifat fisik dan struktur mikro
selulosa kulit rotan yang dapat digunakan untuk aplikasi bionanokomposit.
2. Memberikan suatu pengembangan konsep alternatif terhadap pemanfaatan
limbah pertanian menjadi material baru berbasis nanoteknologi, sehingga
dapat menyediakan material dasar nanofiber ramah lingkungan untuk
menggantikan atau mengurangi penggunaan serat sintetis pada aplikasi
industri komponen sepeda motor.
3.
Menggali atau eksplorasi sumber daya alam Indonesia untuk memberikan
nilai tambah yang signifikan terhadap pembangunan industri dan
4
kemandirian bangsa khususnya di bidang rekayasa material nanoteknologi
dan komposit.
Nilai Kebaruan Penelitian
Nilai kebaruan penelitian ini terletak pada :
1. Pemanfaatan limbah kulit rotan yang diekstraksi dalam bentuk selulosa
dan identifikasi kualitas serat berdasarkan struktur mikro, kristalografi,
unsur penyusun serat dan densitas. Kebaharuan ini tertuang dalam
eksperimen, hasil dan pembahasan pada bab 2. Sebuah paper tentang selulosa
kulit rotan dengan metode bioproses telah dipresentasikan pada seminar
nasional PERTETA 2011 di UNEJ dan diterbitkan dalam jurnal agrotek
UNEJ 2011.
2. Memperkecil ukuran serat kulit rotan yang disintesa dan dikarakterisasi
dalam bentuk nanopartikel sampai orde < 100 nm dan digunakan
sebagai filler bionanokomposit untuk menggantikan fiber glass.
Kebaharuan ini tertuang dalam eksperimen, hasil dan pembahasan pada bab
3. Sebuah paper tentang analisa struktur kristal nanopartikel dengan
menggunakan XRD telah dipresentasikan pada seminar nasional SNHNX
2011 di PUSPIPTEK Serpong dan dipublikasikan dalam Jurnal Sains dan
Materi Indonesia (JUSAMI) 2012. Sementara itu paper lain dengan analisa
struktur mikro menggunakan SEM-TEM telah diterbitkan pada Jurnal
Biofisika FMIPA IPB Desember 2011.
3. Aplikasi dari bionanokomposit pada komponen sepeda motor sebagai
pengganti komposit berserat sintetis fiber glass dengan uji kualitas
standarisasi ASTM dan HES (Honda Engineering Standard). Kebaharuan ini
tertuang dalam eksperimen dan pembahasan pada bab 4. Sementara itu paper
terkait novelty ini telah dipresentasikan pada The International Society for
Southeast Asian Agriculture Science (ISSAS) dan telah diterbitkan pada
proseeding
ISSAS
2011.
Publikasi
internasional
dengan
judul
bionanocomposite of polypropylene reinforced cellulose nanoparticles
biomass of rattan synthetic substitute composite, submit di jurnal
internasional CIGR (dalam proses revisi dan accepted).
5
Keterkaitan Antar Bab
Untuk mendapatkan bionanokomposit standarisasi ASTM dan HES (Honda
Engineering Standard) pada industri komponen sepeda motor, diperlukan
penelitian dalam bentuk exsperimen di laboratorium dan beberapa pengujianpengujian yang saling terkait. Keterkaitan antar bab digambarkan secara
sederhana pada diagram alir Gambar 1.1.
BAB 1. Pendahuluan Umum
Sintesa
Eksplorasi data
selulosa kulit rotan
dengan metoda
bioproses. BAB 2.
Sintesa dan
karakterisasi
nanopartikel serat kulit
rotan dengan metoda
ultrasonik. BAB 3.
Sintesa dan karakterisasi
bionanokomposit filler
nanopartikel serat kulit rotan
metoda injeksi molding.
BAB 4.
dibandingkan
Pengujian yang meliputi
XRD, SEM-EDS, TEM
dan densitas.
Pengujian yang meliputi
XRD, FTIR, SEM-EDS
AAT, dan sifat mekanik.
Sintesa komposit filler fiber glass
standarisasi industri komponen sepeda
motor dengan metoda injeksi molding.
Gambar 1.1 Diagram alir keterkaitan antar bab penelitian.
Penyusunan disertasi ini diawali dengan bab 1 yang menjelaskan tentang
latar belakang dan tujuan secara umum pada keseluruhan proses penelitian.
Kemudian penelitian ini dibagi dalam tiga tahap yaitu tahap pertama (bab 2)
ekstraksi selulosa kulit rotan dengan metoda fermentasi media padat dengan
menggunakan kapang Aspergillus niger. Keluaran dari tahap ini dihasilkan
rendemen yang optimum pada variasi beberapa parameter yang dilakukan. Hasil
dari rendemen ini dilakukan beberapa pengujian di laboratorium sebagai
eksplorasi data selulosa kulit rotan terkait dengan struktur mikro, kristalografi dan
densitas. Data yang dihasilkan sangat diperlukan sebagai masukan (input) data
pada proses sintesa nanopartikel (tahap II).
6
Dalam Tahap II (bab 3) fokus pada pembuatan nanopartikel serat kulit rotan
dengan mengamati fenomena yang terjadi dari awal sampai akhir proses sintesa.
Metoda yang digunakan adalah ultrasonikasi. Sebelum diultrasonikasi dalam
medium cair, kulit rotan dipreparasi terlebih dahulu agar mendapatkan hasil yang
optimum. Preparasi tersebut meliputi penggilingan mekanik dengan cara milling
dan shaker kemudian dilakukan pemanasan berstirer. Keluaran dari tahap ini
adalah serat kulit rotan dengan ukuran 1 mm, 150 μm, dan 75 μm. Hanya cuplikan
yang berukuran 75 μm yang diproses dalam ultrasonikasi dan dihasilkan
nanopartikel yang berukuran < 100 nm. Pengujian yang dilakukan adalah untuk
mengetahui kualitas dari serat untuk dibandingkan dengan serat sintetis fiber
glass.
Hasil nanopartikel serat kulit rotan yang sudah kering, kemudian diproses
di tahap III (bab 4) yaitu sintesa bionanokomposit dengan metoda injeksi molding.
Tahap ini adalah tahap akhir dimana produk bionanokomposit yang dihasilkan
dalam bentuk cuplikan sesuai dengan pengujian mekanik standarisasi ASTM yang
digunakan. Demikian juga dilakukan sintesa dengan metoda injeksi molding
dengan material komposit sintetik (PP+FG) yang akan digunakan sebagai
pembanding. Semua hasil pengujian yang dilakukan pada tahap ini mengacu pada
standarisasi HES dengan perbandingan pada kerangka acuan yang digunakan
sebagai material penyusun komponen sepeda motor. Tahap akhir adalah
pembahasan umum pada bab 5 dan bab 6 sebagai kesimpulan umum dan saran.
7
BAB 2
EKSTRAKSI DAN KARAKTERISASI SELULOSA KULIT
ROTAN DENGAN METODA FERMENTASI
Pendahuluan
Latar Belakang
Indonesia memiliki potensi sumber daya alam terbarukan yang melimpah
yaitu tanaman yang mengandung serat yang sangat besar beserta limbah biomassa
pertanian. Tanaman serat menghasilkan serat alami yang tersusun atas selulosa
dan dapat dimanfaatkan untuk tujuan komersil yaitu sebagai bahan baku industri.
Pemanfaatan tanaman serat dibeberapa negara telah lama dilakukan dan
merupakan salah satu perintis industri pengolahan. Kemajuan teknologi telah
memungkinkan manusia untuk memanfaatkan serat sintetis dari polimer rantai
panjang sehingga pemanfaatan serat sintetis tersebut telah mengurangi
penggunaan tanaman serat. Hal ini dikarenakan serat sintetis yang dihasilkan
memiliki sifat seperti serat alami sedangkan penggunaan serat alami dalam jumlah
besar menemukan kendala dalam budidaya serta kualitas yang tidak seragam.
Salah satu tanaman yang memiliki potensi menghasilkan selulosa adalah
tanaman rotan. Batang rotan adalah hasil utama dari pertanian rotan sedangkan
kulit rotan merupakan limbah padat yang banyak mengandung selulosa (Sisworo
2009). Serat yang berasal dari kulit rotan merupakan sumber penghasil serat alami
baru yang dapat dimanfaatkan selain tanaman penghasil serat lain seperti kapas,
kenaf, rami dan lainnya. Selain berharga murah dan belum banyak dimanfaatkan,
kulit rotan mengandung selulosa yang dapat diekstrak dengan menghilangkan
jaringan non selulosa melalui proses fermentasi. Sampai saat ini pemanfaatan
kulit rotan masih relatif terbatas yaitu dibakar, digunakan sebagai tali yang dijual
di pasar, dan dimanfaatkan sebagai atap rumah petani rotan. Pembakaran kulit
rotan menyebabkan terjadinya pencemaran lingkungan dan pemanfaatan kulit
rotan ini masih dapat dioptimalkan sebagai serat alam pengganti serat sintetis.
Serat digunakan secara luas dalam berbagai macam industri diantaranya
industri tekstil, material konstruksi, peralatan olah raga, dan komponen eksterior
dan interior alat transportasi. Konsumsi serat sintetik dunia mencapai 150 juta ton
per tahun (Lampiran 14). Selama lima tahun terakhir, kebutuhan akan polimer di
8
Indonesia mengalami peningkatan 10% salah satunya untuk industri otomotif
(Lampiran 14). Di Indonesia tiga industri manufaktur sepeda motor terbesar
tercatat tahun 2010 memproduksi 6.217.087 unit motor dan tahun 2011
memproduksi 9.319.516 unit (Lampiran 1) dengan eksterior komponen
penyusunnya adalah serat sintetis dan polimer. Seiring dengan naiknya harga serat
sintetik akibat persediaan bahan bakar yang terbatas dan naiknya harga minyak
mentah dunia menjadikan masyarakat menyadari untuk memilih material yang
ramah lingkungan. Material serat alam kembali dipilih untuk menggantikan serat
sintetis. sehingga bahaya dari pemanasan global dapat dikurangi.
Penelitian rotan yang merupakan serat alam non kayu sebagai bahan
penguat polimer telah banyak diteliti. Jasni (1999), menyatakan bahwa batang
rotan memiliki sifat mekanik MOE 10 kg cm-2 dan MOR 421 kg cm-2 dengan
berat jenis 0.5. Menurut Jasni (2006), ditinjau dari sifak morfologi dan komposisi
kimia batang rotan berjenis semambu memiliki kandungan serat mencapai 60%
dengan komposisi kimia yang meliputi selulosa 37.36%, lignin 22.19%,
holoselulosa 70.07%, dan bahan lainnya 21.35%. Sementara itu Sisworo (2009),
telah meneliti aplikasi biokomposit berserat kulit rotan dalam bentuk anyaman
sebagai penguat polimer pada bodi kapal laut dengan hasil kekuatan tekuk 3 kg
mm-2 dan kekuatan tarik 2.1 kg mm-2.
Serat alam berukuran nano merupakan material baru yang dapat digunakan
sebagai bahan penguat polimer pada komposit sehingga kualitas komposit
meningkat. Untuk menghasilkan serat berukuran nano dengan karakterisik yang
optimal, diperlukan informasi data terkait karakteristik struktur mikro,
penggolongan fasa, komposisi unsur penyusun dan kristalografi dari selulosa kulit
rotan yang belum pernah diteliti sebelumnya. Untuk itu diperlukan suatu
teknologi dan metode yang dapat memisahkan jaringan nonselulosa tanpa
merusak selulosa itu sendiri yaitu ekstraksi selulosa kulit rotan dengan metoda
fermentasi fungi Aspergillus niger. Penelitian sebelumnya menggunakan
fermentasi Aspergilus niger pada media cair serat kudzu telah dilakukan oleh
CREATA IPB (2008). Busairi (2009), menggunakan Aspergillus niger untuk
fermentasi padat limbah kulit umbi ubi kayu dan hasilnya adalah mendapatkan
yield protein maksimum 36.78% pada produksi pakan ternak. Syamsuriputra
9
(2006), menggunakan fermentasi Aspergillus niger untuk produksi asam sitrat dari
ampas tapioka.
Sementara itu penelitian terkait dengan pemanfaatan limbah kulit rotan
dalam bentuk serat panjang, pendek dan nanopartikel sebagai penguat komposit
berbasis polimer belum pernah dilakukan oleh peneliti sebelumnya. Penelitian
limbah kulit rotan yang diekstrak menjadi selulosa dengan metoda fermentasi
dapat memberikan informasi karakteristik data dasar pada struktur mikro.
Karakterisasi ini memiliki peran yang penting terhadap proses selanjutnya yaitu
produksi nanopartikel serat kulit rotan metoda ultrasonikasi dan bionanokomposit
dengan metoda injeksi molding pada aplikasi industri komponen sepeda motor.
Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian ini adalah menghasilkan selulosa kulit rotan dengan
rendemen optimum dalam bentuk serat pendek atau panjang dengan metoda
fermentasi padat kapang Aspergillus niger dengan mendapatkan suatu kondisi
proses yang optimum pada variasi waktu dan jumlah spora selama proses
fermentasi.
Selulosa yang dihasilkan dapat memberikan informasi data dasar
karakteristik struktur mikro, fasa, komposisi unsur penyusun, kristalografi, dan
kerapatan. Data karakterisasi yang didapatkan akan digunakan sebagai masukan
pada proses sintesa nanopartikel dan penerapan aplikasinya yaitu sebagai penguat
pada bionanokomposit.
Hipotesis
Proses fermentasi padat dengan Aspergillus niger pada variasi waktu dan
jumlah spora yang optimal, diharapkan dapat membentuk enzim yang dapat
menghancurkan atau memisahkan jaringan tanaman non selulosa dan kandungan
asli serat dapat dipertahankan. Selulosa kulit rotan yang dihasilkan melalui
bioproses ini juga diharapkan memiliki densitas yang kecil, berstruktur kristal,
dengan unsur penyusun utama C, H, O dan beberapa unsur pendukung yaitu
mikro dan makro nutrien sebagai penguat selulosa.
10
Tinjauan Pustaka
Rotan
Rotan merupakan palem berduri dan hasil hutan bukan kayu yang berasal dari
bahasa melayu "raut" yang berarti mengupas atau menguliti (Gambar 2.1). Tanaman ini
berjenis famili Palmae yang tumbuh memanjat (Lepidocaryodidae). Struktur anatomi
KULIT ROTAN SEBAGAI MATERIAL PENGGANTI
KOMPOSIT SINTETIS FIBER GLASS PADA KOMPONEN
KENDARAAN BERMOTOR
SITI NIKMATIN
Disertasi
Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Doktor pada
Program Studi Ilmu Keteknikan Pertanian
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2012
PERNYATAAN MENGENAI DISERTASI DAN
SUMBER INFORMASI
Dengan ini saya menyatakan bahwa disertasi Bionanokomposit Filler
Nanopartikel Serat Kulit Rotan sebagai Material Pengganti Komposit Sintetis
Fiber Glass pada Komponen Kendaraan Bermotor adalah karya saya dengan
arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apapun kepada
perguruan tinggi manapun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya
yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis
lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian
akhir disertasi ini.
Bogor, Mei 2012
Siti Nikmatin
NIM. F164090021
ABSTRACT
SITI NIKMATIN, Bionanocomposite of Polypropylene Reinforced Cellulose
Nanoparticles Biomass of Rattan Synthetic Substitute Composite by Motorcycle.
Supervised by Y. ARIS PURWANTO, TINEKE MANDANG, AKHIRUDIN
MADDU AND SETYO PURWANTO.
The technology of bionanocomposite development in Indonesia had a good
prospects. This is due to the availability of natural resources, especially
agricultural products and waste which abundant and can be obtained throughout
the year. The rattan bark is one of the agricultural waste that could be used as a
source of fiber for bionanocomposite. The objective of this study was to synthesize
and characterize bionanocomposite of polypropylene reinforced cellulose
nanoparticles of rattan to be used to replace glass fiber as a filler in the
composite. Cellulose was made of rattan bark in the form of nanoparticles by
mechanical milling method, shaking, heating and ultrsonication in liquid media.
These nanoparticles was used as a bionanocomposite filler which was prossesed
by injection molding method with variation of concentration from 2% - 20%. The
XRD result from the nanoparticles bark of rattan showed β-cellulose phase with
monoclinic structure and crystal structure at 2θ = 220 (002). The density of
nanoparticles was 0.2492 g cm-3. The surface morphology was elongated like a
hollow cylinder. The size of the nanoparticles was 20 nm (TEM testing) with a
homogeneous distribution volume of 32 %. Results from EDS and AAT indicated
that bionanocomposite comprise of C, H and O as well as minerals Ca, K, Si. The
mechanical properties from bionanocomposite of polypropylene reinforced
cellulose nanoparticles of rattan was optimum at filler concentrations of 5%. The
properties that comparable to synthetic composites were modulus of elasticity,
hardness, tensile breaking elongation while, flexural strength and tensile yield
strength were lower. This was due to the aglomeration in some areas so that the
filler interphase bond was not optimal.
Keywords: Cellulose, extraction, nanoparticles, biodegradable, ultrasonication,
bionanocomposite, injection.
© 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 atau memperbanyak sebagian atau seluruh karya tulis
dalam apapun tanpa izin IPB
PRAKATA
Puji syukur kepada Allah SWT yang telah melimpahkan rahmat, hidayah
dan karunia-Nya sehingga penelitian dan penulisan disertasi dengan judul
“Bionanokomposit filler Nanopartikel Serat Kulit Rotan sebagai Material
Pengganti Komposit Sintetis Fiber Glass pada Komponen Kendaraan Bermotor”
ini telah berhasil diselesaikan.
Ucapan terima kasih dan penghargaan yang tinggi penulis sampaikan
kepada Dr. Ir. Y. Aris Purwanto, M.Sc ; Prof. Dr. Ir. Tineke Mandang, MS,
Dr. Akhirudin Maddu, S.Si, M.Si dan Dr. Setyo Purwanto, M.Eng sebagai komisi
pembimbing, atas segala ilmu pengetahuan, dorongan motivasi dan kesabaran
dalam memberikan bimbingan selama penelitian sampai penulisan disertasi ini.
Ucapan terima kasih juga penulis sampaikan kepada teman-teman di
FMIPA Departemen Fisika IPB, Teknik Mesin dan Biosistem FATETA IPB,
PTBIN PUSPIPTEK Tangerang dan PT Astra Honda Motor Jakarta atas segala
kemudahan dalam penggunaan alat penelitian, bantuan penyediaan material dan
waktu yang disediakan untuk diskusi sehingga disertasi ini dapat selesai lebih
cepat dari waktu yang direncanakan.
Ucapan terima kasih dengan menyampaikan penghargaan yang setinggitingginya, penulis persembahkan untuk suami, anak-anak (Tsabitah, Aufa, Nafis),
keluarga besar Bapak dan Ibu Sukri serta Ibu Sumiati atas dukungan dan doa yang
tiada henti.
Akhirnya kepada semua pihak yang telah banyak membantu, tiada balasan
yang dapat disampaikan melainkan doa yang tulus semoga Allah SWT membalas
amal baik yang telah diberikan agar senantiasa selalu dalam lindungan-Nya.
Jazakumullah khairun katsira. Semoga ilmu yang penulis peroleh dapat
bermanfaat untuk kemaslahatan umat dan disertasi ini dapat dikembangkan,
diaplikasikan dan bermanfaat menuju bangsa dan negara yang mandiri. Amin.
Bogor, Mei 2012
Siti Nikmatin
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Bojonegoro pada 19 Agustus 1975 sebagai anak
bungsu dari 9 bersaudara, dari pasangan H. Moch Sukri dan Hj. Sukimi.
Pendidikan sarjana ditempuh di FMIPA Jurusan Fisika UNIBRAW Malang, lulus
pada tahun 1998. Pada tahun 2002 penulis diterima di FMIPA Jurusan Material
Sciences pada Program Pacasarjana UI dengan beasiswa BPPS dari DIKTI dan
menamatkannya pada tahun 2004. Kesempatan untuk melanjutkan ke Program
Doktor di Program Studi Ilmu Teknik Pertanian Sekolah Pascasarjana IPB
diperoleh pada tahun 2009 dengan dukungan dana (beasiswa) dari BPPS DIKTI.
Penulis bekerja sebagai staf pengajar Departemen Fisika FMIPA IPB di bagian
Fisika Terapan mulai tahun 1998 sampai sekarang.
Selama mengikuti program S3, penulis telah mempresentasikan sebagian
hasil penelitian dari disertasi dan masuk pada beberapa proseeding dan jurnal
ilmiah yaitu :
1. Juli 2011, Seminar Nasional Perteta di Universitas Jember dengan judul
“Karakterisasi Selulosa Kulit Rotan sebagai Material Pengganti Fiber
Glass pada Komposit” dan dimuat pada Jurnal Agroteknologi UNEJ edisi
Volume 5, Nomor 1, 2012.
2. Oktober 2011 pada Seminar Nasional Hamburan Neutron dan Sinar X
(SNHNX) dengan judul “Analisa Struktur Kristal Nanopartikel Selulosa
Kulit Rotan sebagai Filler Bionanokomposit Dengan Difraksi Sinar-X”
dan dimuat dalam Jurnal Sains Materi Indonesia (JUSAMI) ISSN 14111098 Akreditasi LIPI No 89/AKRED-LIPI/P2MBI/5/2007 pada Juli 2012.
3. November 2011 pada The International Society for Southeast Asian
Agriculture Science (ISSAAS) dengan judul “Micro Structure and
Properties of The Bionanocomposite of Polypropylene Reinforced with
Cellulose Nanoparticles Biomass of Rattan” dan dimuat dalam proceeding
ISSAAS serta submit di CIGR Jurnal Internasional (3-3-2012).
4. Desember 2011 dimuat pada Jurnal Biofisika FMIPA-Fisika IPB dengan
judul “Analisa Struktur Mikro Pemanfaatan Limbah Kulit Rotan Menjadi
Nanopartikel Selulosa sebagai Pengganti Serat Sintetis” .
DAFTAR ISI
Halaman
DAFTAR TABEL ..................................................................................
ix
DAFTAR GAMBAR .............................................................................
x
DAFTAR LAMPIRAN ..........................................................................
xi
BAB 1. PENDAHULUAN UMUM
Latar Belakang .......................................................................................
Tujuan Penelitian ...................................................................................
Manfaat Penelitian .................................................................................
Nilai kebaharuan penelitian ...................................................................
Keterkaitan antar bab .............................................................................
BAB 2. EKSTRAKSI DAN KARAKTERISASI SERAT KULIT
ROTAN (SKR) DENGAN METODA FERMENTASI
Pendahuluan ...........................................................................................
Tinjauan Pustaka ....................................................................................
Bahan dan Metoda .................................................................................
Hasil dan Pembahasan ...........................................................................
Kesimpulan ............................................................................................
Daftar Pustaka ........................................................................................
BAB 3. SINTESA NANOPARTIKEL SKR DENGAN METODA
ULTRASONIK DAN KARAKTERISASINYA
Pendahuluan ...........................................................................................
Tinjauan Pustaka ....................................................................................
Bahan dan Metode .................................................................................
Hasil dan Pembahasan ...........................................................................
Kesimpulan ............................................................................................
Daftar Pustaka .......................................................................................
BAB 4. BIONANOKOMPOSIT BERFILLER NANOPARTIKEL
SKR DENGAN METODA INJEKSI MOLDING
1
3
3
4
5
7
10
19
22
33
34
36
38
46
50
64
64
Pendahuluan ...........................................................................................
Tinjauan Pustaka ....................................................................................
Bahan dan Metode .................................................................................
Hasil dan Pembahasan ...........................................................................
Kesimpulan ............................................................................................
Daftar Pustaka ........................................................................................
BAB 5. PEMBAHASAN UMUM ........................................................
67
70
87
89
108
108
113
BAB 6. KESIMPULAN UMUM ..........................................................
120
BAB 7. DAFTAR PUSTAKA ...............................................................
121
LAMPIRAN ...........................................................................................
126
DAFTAR TABEL
1
Kandungan kimia beberapa jenis batang rotan ..............
Halaman
11
2
Data pengujian sifat fisis dan mekanis batang rotan ......
12
3
Produksi serat alam ........................................................
18
4
23
5
Rendemen selulosa kulit rotan dengan massa awal rotan
500 g ..............................................................................
Komposisi unsur selulosa kulit rotan (hari ke-5) ...........
6
Komposisi unsur selulosa kulit rotan (hari ke-6) ...........
25
7
Komposisi unsur selulosa kulit rotan (hari ke-8) ...........
26
8
Komposisi unsur selulosa kulit rotan (hari ke-10) .........
26
9
51
12
Unsur serat kulit rotan hasil penggilingan mekanik
ukuran 1 mm ..................................................................
Komposisi unsur nanopartikel ultrasonikasi variasi
waktu ..............................................................................
Densitas nanopartikel serat kulit rotan pada variasi
waktu ultrasonikasi ........................................................
Komposisi matrik dan filler bionanokomposit ..............
13
Komposisi unsur komposit (PP + FG) ...............................
91
14
Standar karakteristik komposit (PP + FG) LR22E PP-FG
10% ................................................................................
91
15
Data refflection bragg, ACS dan regangan mikro komposit
PP + FG ...........................................................................
93
16
Komposisi unsur bionanokomposit ...............................
99
10
11
24
63
63
88
RINGKASAN
SITI NIKMATIN, Bionanokomposit Filler Nanopartikel Serat Kulit Rotan
sebagai Material Pengganti Komposit Sintetis Fiber Glass pada Komponen
Kendaraan Bermotor. Dibimbing oleh Y. ARIS PURWANTO, TINEKE
MANDANG, AKHIRUDIN MADDU DAN SETYO PURWANTO.
Pengembangan teknologi bionanokomposit di Indonesia memiliki prospek
yang sangat potensial karena ketersediaan sumber daya alam yang melimpah yaitu
hasil pertanian dan limbahnya yang dapat diperoleh sepanjang tahun. Kulit rotan
merupakan salah satu limbah pertanian yang dapat dimanfaatkan sebagai sumber
serat untuk bionanokomposit. Tujuan umum penelitian ini adalah sintesa dan
karakterisasi bionanokomposit filler nanopartikel serat kulit rotan yang dapat
digunakan untuk menggantikan fiber glass sebagai filler pada komposit. Selulosa
kulit rotan dibuat dalam bentuk nanopartikel dengan metode ultrasonikasi (f = 20
kHz, P = 130 Watt) pada media cair. Sementara itu pembuatan komposit
menggunakan metoda injeksi molding dengan matrik polipropillen dan filler serat
selulosa kulit rotan dengan variasi konsentrasi filler 2, 5, 10, 15, 20% dan variasi
ukuran filler 20 nm, 150 μm, 1mm.
Sintesa nanopartikel serat kulit rotan dan bionanokomposit diawali dengan
eksplorasi data karakteristik mikro terhadap selulosa kulit rotan yang diekstrak
dengan metode fermentasi padat Aspergillus niger yang merupakan penelitian
tahap satu. Variasi data yang dilakukan selama proses fermentasi adalah Σ spora
dan waktu fermentasi sementara itu pH dan suhu adalah konstan sesuai dengan
suhu lingkungan laboratorium. Hasil yang didapat adalah rendemen selulosa
optimum pada waktu fermentasi 10 hari dengan Σspora 3 x 108 dengan
karakteristik berstruktur kristal monoklinik pada 2θ = 22 derajat, berfasa βselulosa dengan morfologi permukaan yang berpori, memanjang, berbentuk
menyerupai silinder berongga, diselimuti lignin dan terdapat trakeida. Selanjutnya
pada penelitian tahap ke-2 dilakukan sintesa nanopartikel dengan metode
ultrasonikasi variasi waktu 1, 2, dan 3 jam. Sebelum ultrasonikasi dihasilkan serat
selulosa kulit rotan dengan ukuran 75 μm dengan metoda penggilingan mekanik
dan penyaringan. Hasil serat yang didapatkan di panaskan 100 0C, stirer 200 rpm
selama 2 jam di hot plate kemudian di ultrasonikasi. Selama proses ultrasonikasi
telah terjadi fenomena kavitasi sehingga semakin berjalannya waktu ukuran
partikel semakin mengecil dan mencapai optimum pada t u = 3 jam dengan ukuran
20 nm (pengujian TEM) pada distribusi 32% (pengujian PSA) dan memiliki
densitas 0.2 g cm-3 (pengujian piknometer). Hasil dari pengujian XRD, SEM-EDS
menunjukkan bahwa unsur penyusun utama selulosa adalah C, O dan mineral Ca,
K, Si dan merupakan material berstruktur kristal monoklinik dengan intensitas
difraksi menurun dan FWHM yang semakin melebar.
Sintesa biokomposit dengan metode injeksi molding yang merupakan tahap
ke-3 dari penelitian menggunakan variasi konsentrasi filler dan variasi ukuran
filler. Biokomposit yang dihasilkan memiliki sifat fisis mekanik optimum pada
konsentrasi filler 5% dan ukuran filler 20 nm dengan penambahan PPMA 3%.
Optimum yang dimaksud adalah berdasarkan pembanding yang merupakan
komponen sepeda motor Honda yaitu standarisasi Honda Engineering Standard
(HES). Bionanokomposit menghasilkan ikatan interfase adhesi mekanik dan
ikatan kimia pada gugus fungsi antara matrik (polipropillen) dan penguat
(nanopartikel serat kulit rotan) sehingga sifat mekanik material alam ini lebih baik
jika dibandingkan dengan komposit sintetis fiber glass yaitu pada kekuatan tarik
mulur, modulus elastisitas, kekerasan, dan ketangguhan (impak). Adanya
komponen utama C, H, dan O serta elemen pendukung berupa Ca, Cu dan K pada
nanoselulosa dapat memberikan kekuatan yang lebih baik pada bionanokomposit,
namun berdasarkan pengamatan SEM terdapat penggumpalan filler di beberapa
titik pada permukaan. Hal ini salah satu yang menyebabkan terjadinya penurunan
pada kelenturan dan kekuatan tarik.
Pengamatan selama proses injeksi molding bionanokomposit terhadap
penyusutan dimensi (moulding shrinkage) dibandingkan material sintetis adalah
penyusutan sebesar 1.86% MD dan 2.99% TD pada bionanokomposit dan 0.54%
MD dan 1.84% TD pada komposit PP-FG. Demikian juga berdasarkan pengujian
ketahanan terhadap cuaca SWOM (acceleration aging test) selama 300 jam yaitu
menunjukkan adanya perubahan warna (pudar) dan perubahan TD (transverse
direction) pada bionanokomposit. Pengukuran densitas terhadap nanopartikel
serat kulit rotan menunjukkan bahwa nano selulosa memiliki densitas yang lebih
rendah (0.2 g cm-3) dibandingkan selulosa dalam ukuran panjang (0.582 g cm-3)
dan serat gelas (2,74 g cm-3) Hal ini berdampak pada bionanokomposit yang
dihasilkan memiliki massa yang lebih ringan dibandingkan komposit sintetis.
Dari keseluruhan hasil yang didapatkan dapat disimpulkan bahwa
bionanokomposit filler nanopartikel serat kulit rotan merupakan material baru
yang bersumber dari kekayaan alam Indonesia khususnya pemanfaatan limbah
pertanian yang memiliki beberapa keunggulan dibandingkan komposit sintetis.
Diantaranya komposit ramah lingkungan dengan densitas yang kecil dan sifat
mekanik (tensile breaking elongation, impact strength, modulus elasticity,
hardness) yang lebih baik dari komposit sintetis yang saat ini digunakan pada
aplikasi komponen sepeda motor, namun masih belum bisa diterapkan untuk
mengganti atau mengurangi komposit sintetis pada industri. Hal ini dikarenakan
sifat kelenturan dan kekuatan tarik yang masih berada dibawah standar, sehingga
diperlukan penelitian lebih lanjut pada homogenisasi nanoselulosa, peningkatan
kualitas ukuran dengan frekuensi ultrasonik > 20 kHz dan dilakukannya blending
sebelum sintesa bionanokomposit dengan metode injeksi molding untuk
meningkatkan tensile strength dan flexural strength.
Kata
Kunci
:
selulosa, ekstraksi,
bionanokomposit.
nanopartikel,
ultrasonikasi,
kavitasi,
BIONANOKOMPOSIT FILLER NANOPARTIKEL SERAT
KULIT ROTAN SEBAGAI MATERIAL PENGGANTI
KOMPOSIT SINTETIS FIBER GLASS PADA KOMPONEN
KENDARAAN BERMOTOR
SITI NIKMATIN
Disertasi
Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Doktor pada
Program Studi Ilmu Keteknikan Pertanian
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2012
Penguji pada Ujian Tertutup :
Dr. Suprapedi, M.Eng (LIPI Cibinong)
Dr. Ir. Naresworo Nugroho, M.Si (Fakultas Kehutanan IPB)
Penguji pada Ujian Terbuka :
Prof. Dr. Subiyakto, M.Sc (LIPI Cibinong)
Dr. Ir. Desrial, M.Eng (Fateta-IPB)
DAFTAR GAMBAR
Halaman
1
Diagram alir keterkaitan antar bab ................................................
5
2
Struktur monokotil ........................................................................
10
3
Tanaman dan batang rotan ............................................................
11
4
Skema selulosa ..............................................................................
12
5
Struktur lignin, selulosa, dan hemiselulosa pada tanaman ...........
13
6
Skema dinding sel selulosa dan mikrofibril ...................................
14
7
Ilustrasi mikro dan mikrofibril dalam selulosa .............................
15
8
Aspergillus niger pada perbesaran mikroskop optik .....................
16
9
Pertumbuhan Aspergillus niger .....................................................
17
10
Serat sintetis fiber glass ................................................................
18
11
Diagram alir penelitian .................................................................
21
12
23
16
Rendemen selulosa pada hari ke-4, 5, 6 (a) hari ke-8 (b), hari ke10 Σspora 3 x 108 (c) dan hari ke-10 dengan Σspora 4 x 108 (d) ..
Citra SEM selulosa metode fermentasi dengan perbesaran 500X
(a) dan 1000X (b) ..........................................................................
Ikatan gugus fungsi C, H, dan O selulosa dinding sel tanaman
dalam skala atom (a) dan selulosa dinding batang sel tanaman (b)
Struktur sel bagas pada kondisi operasi dry steam (a-b) dan fresh
leaf (c,d) ........................................................................................
Citra SEM selulosa whiskers ........................................................
17
Profil XRD dari selulosa whiskers ................................................
31
18
Profil XRD dari bacterial celulloce ...............................................
31
19
Profil XRD dari selulosa bagas .....................................................
32
20
Profil XRD selulosa kulit rotan metode fermentasi ......................
21
Citra TEM selulosa kulit rotan hasil fermentasi pada perbesaran
3000 (a), 150.000 (b),dan 400 (c) .................................................
Diameter rambut (a), sel darah merah (b), DNA (c), atom (d) ....
33
41
25
Plot DSC bacterial celulloce-polylactacide nanocompsite (a) dan
sifat termal nanomaterial (b) .........................................................
Efek kuantum (a), ilustrasi perubahan sifat optik emas
disebabkan perubahan ukuran (b) .................................................
Profil XRD Tantalum ....................................................................
26
Profil
43
13
14
15
22
23
24
XRD
.........................
nanoTiO 2
pada
variasi
suhu
anniling
27
28
29
29
39
42
43
27
Aktifitas katalis nanomaterial .......................................................
43
28
44
30
Sifat mekanik nanomaterial (a) dan kekuatan tarik nanokomposit
chitosan-celulloce whiskers ..........................................................
Ultrasonikasi pada medium cair (a), fenomena kavitasi (b), dan
pengaruh ukuran terhadap surface area (c) ...................................
Diagram alir produksi nanopartikel ..............................................
31
Serat kulit rotan metode milling-shaker ........................................
50
32
Citra SEM serat kulit rotan hasil penggilingan mekanik dengan
ukuran serat 1 mm perbesaran 500 (a) dan 1000 (b) ..................
Profil XRD serat kulit rotan metode mekanik (ukuran serat 1
mm) ...............................................................................................
Profil XRD serat kulit rotan metode mekanik (ukuran serat 150
μm) ................................................................................................
Profil XRD serat kulit rotan selulosa whiskers (a), CMC, dan BC
(b) ..................................................................................................
Karakterisasi XRD nanopartikel serat kulit rotan dengan variasi
waktu ultrasonikasi 0 jam (a), 1 jam (b), dan 3 jam (c) ...............
Grafik pengaruh waktu ultrasonikasi dan ukuran partikel ............
Citra TEM nanopartikel serat kulit rotan pada prbesaran 100.000
(a), 500.000 (b) dan 400 (c) .........................................................
Citra TEM nanoserat Carbon (a) dan partikel ITO yang disintesis
dengan metode filter expantioan spray pirolysis pada suhu
reaktor 9000C (b) ...........................................................................
Citra SEM nanopartikel SKR variasi waktu ultrasonikasi 0 jam
(a), 1 jam (b), dan 3 jam (c) ..........................................................
Nanoselulosa tunicin, rami, gula, MCC, BC (a-e) dan
nanoselulosa whiskers metode freeze dried (f) ............................
Nanopartikel Carbon nanotube dengan perbesaran 15.000 (a) dan
3000 (b) .........................................................................................
Citra SEM dari matrik (a) dan SEM dari komposit epoxy-CNT
(b) ..................................................................................................
Klasifikasi material komposit berdasarkan matrik (a) dan
keuntungan, kelemahan dari berbagai matrik kompoit (b) ...........
Pembagian komposit berdasarkan penguatanya ...........................
52
Citra SEM carbon nano tube komposit berdasarkan susunan
penguatnya,Fiber (a), Laminate (b), partikel (c) ...........................
Arah penyusunan serat,serat panjang (a), serat pendek (b), dan
random (c) .....................................................................................
Pengaruh sudut penyusunan filter terhadap kekuatan tarik dan
modulus elastistas biokomposit ....................................................
Meningkatnya surface area terhadap ukuran pada partikel mikro
(a) dan partikel nano (b) ................................................................
Ikatan antar muka ..........................................................................
72
FTIR dari bionanokomposit matrik chitosan dan variasi
konsentrasi filler selulosa whiskers, CW-10 (a), CW-20 (b), CW30 (c), selulosa whiskers (d) .........................................................
75
29
33
34
35
36
37
38
39
40
42
43
45
46
47
48
49
50
51
52
45
49
53
53
54
56
57
58
59
60
61
61
70
71
72
73
73
74
75
53
54
Polimer termoplastik .....................................................................
Ikatan kimia polipropillen .............................................................
77
77
55
Citra SEM komposit filler fiber glass ...........................................
78
56
79
57
Kekuatan tarik dan modulus young biokomposit bermatrik
polipropillen ..................................................................................
Mesin plastik injeksi .....................................................................
58
Pengujian kekuatan tarik ...............................................................
82
59
Tegangan dan regangan biokomposit starch-MFC (Micro Fibril
Cellulose) variasi konsentrasi MFC ..............................................
Ilustrasi skematis pengujian impak dengan benda uji charpy .......
Ilustrasi skematik pembebanan impak pada benda uji charpy (a),
izod (b), dan perpatahan impak(c) ................................................
Skematis prinsip indentasi metode brinell (a) dan prinsip
indentasi metode vickers (b) .........................................................
Diagram alir penelitian ................................................................
83
90
66
Komposit sintetis PP-FG standarisasi HES (a) dan Luggage box
sepeda motor (b) ...........................................................................
Citra SEM komposit sintetis PP-FG perbesaran 100X (a) dan
perbesaran 500X (b) ......................................................................
X-ray diffraction (XRD) komposit PP + FG .................................
67
Profil FTIR komposit berfiller fiber glass ....................................
93
68
Cuplikan bionanokomposit ...........................................................
94
69
Sifat mekanik bionanokomposit terhadap konsentrasi filler .........
96
70
Profil XRD pada bionanokomposit ...............................................
97
71
Sifat mekanik bionanokomposit terhadap ukuran filler ..............
98
72
Citra SEM bionanokomposit konsentrasi 10% (a) dan
biokomposit filler 1 mm konsentrasi 10% ....................................
Penyusutan terhadap cetakan injeksi molding ..............................
99
100
60
61
62
63
64
65
73
74
75
76
77
78
79
80
Pengamatan visual pada pengujian acceleration aging test ...........
Kekuatan tarik (a) dan modulus young (b) komposit anyaman
kulit rotan dengan komposit FG terhadap standarisasi BKI dan
FRP ...............................................................................................
SNI 19–1811 standar helm pengendara sepeda motor ..................
Modulus young (a) dan kekuatan tarik (b) komposit Carbon nano
tube ................................................................................................
Citra SEM bionanokomposit nanofiber paper pada ukuran filler
serat panjang (a), ukuran filler nanopartikel (b), dan Profil XRD
nanofiber pada aplikasi Optically Transparent (c) ......................
Profil XRD komposit Carbon nanotube .......................................
FTIR bionanokomposit serat kulit rotan (a), nanopartikel SKR
(b), dan Polipropillen (c) ...............................................................
80
84
85
87
89
90
92
102
103
104
104
105
106
107
81
FTIR komposit BC-CMC .............................................................
107
82
Fenomena tegangan permukaan (a) dan gaya adhesi komposit (b)
108
83
Ikatan antara penguat dengan PPMA (a) dan ikatan antara matrik
dan PPMA (b)
109
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
1
Data penjualan sepeda motor dan jumlah motor di
Indonesia ...........................................................................
Produksi rotan di Indonesia ...............................................
127
128
5
Foto tahapan penelitian ekstraksi selulosa kulit rotan
dengan metode fermentasi Aspergillus niger ....................
Indexing pola XRD dan JCPDS selulosa kulit rotan
metode fermentasi .............................................................
Karakteristik fiber glass ....................................................
6
Pola XRD sampel nanopartikel SKR t u = 3 jam ...............
130
7
Densitas dan diameter nanopartikel serat kulit rotan .......
123
8
Pola difraksi serat kulit rotan metoda mekanik .................
123
9
132
11
Foto sintesa nanopartikel serat kulit rotan dengan metoda
ultrasonik ...........................................................................
Distribusi ukuran partikel berdasarkan pengujian PSA
(Volume, Number dan Intensity Distribution) ...................
Sifat fisika polipropillen ....................................................
12
JCPDS-ICCD polipropillen ...............................................
135
13
Suhu leleh proses termoplastik berbagai jenis polimer .....
135
14
Penggunaan berbagai jenis polimer di Indonesia ..............
135
15
Setting mesin injeksi molding ...........................................
136
16
Gambar pengujian mekanik ..............................................
137
17
Data pengujian ketangguhan metode Izod ........................
138
18
Data uji kelenturan dan kekerasan ....................................
139
19
Molding skrinkage ratio ....................................................
140
20
Pengujian tarik ..................................................................
141
21
Foto sintesa bionanokomposit metode injeksi molding .......
142
22
EDS I selulosa kulit rotan dengan metod fermentasi
(rendemen optimum) .........................................................
EDS II selulosa kulit rotan dengan metod fermentasi
(rendemen optimum) .........................................................
EDS selulosa kulit rotan dengan metoda mekanik (1
mm).....................................................................................
EDS selulosa kulit rotan dengan metoda mekanik (75
mikro)..................................................................................
143
2
3
4
10
23
24
25
128
129
130
133
134
144
145
146
26
147
27
EDS nanopartikel selulosa kulit rotan dengan waktu
ultrasonik 3 jam...................................................................
EDS bionanokomposit ukuran filler 1 mm .......................
28
EDS bionanokomposit ukuran mikro ................................
149
29
Maping unsur nanopartikel serat kulit rotan .....................
150
30
Maping unsur bionanokomposit filler nanofiber 20 nm ...
151
31
Maping unsur biokomposit filler serat kulit rotan 1 mm ...
152
148
1
BAB 1
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Tanaman penghasil selulosa merupakan komoditas penting setelah tanaman
pangan. Indonesia sebagai negara dengan keanekaragaman hayati yang luas
memiliki peluang yang besar untuk mengeksplorasi pemanfaatan bahan serat alam
sebagai penguat material komposit. Pada saat ini, semakin meningkatnya
penggunaan serat sintetis fiber glass pada berbagai industri khususnya industri
transportasi seperti door trim, luggage box, badan pesawat dan body speed boat,
dapat menimbulkan permasalahan, selain limbah anorganik yang semakin
bertambah juga bahan baku serat sintetis yang terbatas sehingga mampu
mendorong perubahan trend teknologi komposit menuju natural composite yang
ramah lingkungan (Sisworo 2009).
Rotan adalah salah satu material yang dapat dengan mudah dibengkokkan
tanpa deformasi yang nyata. Rotan merupakan komoditas hasil hutan non-kayu,
yang memberi kehidupan bagi dua juta rakyat Indonesia yang tersebar di
Kalimantan, Sulawesi dan Sumatera. Sementara itu kulit rotan adalah limbah yang
dapat direkayasa menjadi produk teknologi nasional yaitu filler nanokomposit.
Pada pemanenan, besarnya limbah kulit rotan pada penebangan secara tradisional
adalah 28.5 - 40% dan ketersediaannya sampai saat ini belum ada pemanfaatan
sebagai filler nanokomposit. Menurut Direktorat Bina Produksi Kehutanan, dari
143 juta hektar luas hutan di Indonesia, diperkirakan hutan yang ditumbuhi rotan
seluas 13.20 juta hektar. Produksi rotan alam di Indonesia mencapai 556 ribu
(2010) dan 696 ribu (2011) ton/tahun yang merupakan 85% dari produksi rotan
dunia. Sedangkan nilai ekspor rotan Indonesia pada tahun 2006 tercatat 122.782
ton, senilai $398/9 juta, tahun 2010 mencapai 526 ribu ton dan 684 ribu ton pada
tahun 2011. Pajak ekspor rotan telah menghasilkan devisa sebesar U$D
1.080.000/triwulan.
Tuntutan membuat segala sesuatu menjadi lebih ringan, superkuat, dan
memiliki sifat fisis mekanis yang lebih menguntungkan serta harga produk yang
dapat bersaing adalah hal yang wajar di era teknologi seperti saat ini. Dibidang
2
industri manufaktur komponen transportasi, khususnya sepeda motor, kebutuhan
akan komposit sintetis meningkat tajam setiap tahunnya seiring dengan
meningkatnya kebutuhan pasar akan sepeda motor. Sampai dengan tahun 2011
jumlah sepeda motor di Indonesia mencapai 69 juta dengan tingkat pertumbuhan
9 juta/tahun atau 25.000/hari (Lampiran 1). Salah satu contoh penggunaan
material komposit fiber glass yang saat ini digunakan pada produk komponen
sepeda motor adalah luggage box yang berfungsi sebagai penyimpan barang
sekaligus sebagai tumpuan beban struktur pengendara sepeda motor yang berada
tepat diatasnya. Dalam pembuatannya, satu unit luggage box membutuhkan 500 g
biji komposit, sehingga dapat digambarkan kebutuhan akan komposit sintetis yang
berbahan dasar minyak bumi dan bahaya akan global warming yang cukup besar.
Hal ini mendorong peneliti dan industri membuat material baru yang ramah
lingkungan sekaligus memiliki sifat fisis mekanis yang sebanding atau lebih baik
dari material sebelumnya dan saat ini telah dikembangkan suatu metoda yaitu
nanoteknologi. Nanoteknologi diyakini sebagai sebuah konsep teknologi yang
akan melahirkan revolusi industri baru. Beberapa cabang ilmu terapan dan medis
mengadopsi nanosains dan nanoteknologi menjadi fondasi utamanya dan tidak
diragukan, dengan teknologi yang terus berkembang, penelitian dan pengunaan
nanoteknologi akan terus bermunculan mengacu pada ide yang sangat sederhana
yaitu menyusun sebuah material yang terdiri atas blok-blok partikel homogen
dengan
ukuran
nanometer.
Impian
nanoteknologi
dibidang
komponen
transportasi, untuk dapat merekayasa atau mengubah suatu bahan dengan tingkat
fleksibilitas sama dengan yang telah dicapai manusia dalam memanipulasi data
dengan teknologi informasi, mungkin masih terasa jauh dan masih banyak
pekerjaan rumah yang harus dilakukan. Namun, dalam perkembangannya,
nanoteknologi telah memberikan warna baru dalam bidang-bidang lain khususnya
ilmu dan teknologi material bionanokomposit.
Bionanokomposit merupakan pilihan material yang sangat potensial untuk
dikembangkan dan diteliti lebih lanjut. Untuk mendapatkan material komposit
berpenguat nanopartikel serat kulit rotan yang memiliki sifat fisis mekanis
sebanding dengan komposit serat sintetis, maka diperlukan suatu teknik yang
dapat mengakselerasi pembuatan partikel nano yang homogen yaitu kombinasi
3
antara
penggilingan mekanik
(milling-shaker),
pemanasan berstirer
dan
ultrasonik. Nanopartikel ini dapat digunakan sebagai pengganti serat sintetis fiber
glass dan digunakan sebagai filler bionanokomposit yang diproses dengan metoda
injeksi molding sehingga bisa menjadi jawaban atas kebutuhan akan komposit
disegala bidang.
Tujuan Penelitian
Tujuan
penelitian
ini
secara
umum
adalah
mensintesa
dan
mengkarakterisasi material bionanokomposit filler nanopartikel serat kulit rotan,
untuk menggantikan atau mengurangi penggunaan komposit sintetis fiber glass
pada komponen sepeda motor. Tujuan umum tersebut, dilakukan dalam beberapa
tahap penelitian yang mempunyai tujuan spesifik yaitu :
1. Mendapatkan selulosa dan karakteristiknya yang diperoleh dari ekstraksi
kulit rotan dengan metode fermentasi kapang Aspergillus niger.
2. Mendapatkan suatu kondisi proses dan ukuran partikel optimum pada
sintesa nanopartikel serat kulit rotan dengan metoda ultrasonik dan
memperoleh karakteristiknya.
3. Mensintesa bionanokomposit berpenguat nanopartikel serat kulit rotan
dengan metoda injeksi molding serta memperoleh karakterisasi sifat
mekanik dan struktur mikro yang sebanding dengan standar material
komposit berserat fiber glass pada komponen sepeda motor.
Manfaat Penelitian
Berdasarkan tujuan penelitian, dapat diperoleh manfaat sebagai berikut :
1.
Mendapatkan data dasar karakteristik sifat fisik dan struktur mikro
selulosa kulit rotan yang dapat digunakan untuk aplikasi bionanokomposit.
2. Memberikan suatu pengembangan konsep alternatif terhadap pemanfaatan
limbah pertanian menjadi material baru berbasis nanoteknologi, sehingga
dapat menyediakan material dasar nanofiber ramah lingkungan untuk
menggantikan atau mengurangi penggunaan serat sintetis pada aplikasi
industri komponen sepeda motor.
3.
Menggali atau eksplorasi sumber daya alam Indonesia untuk memberikan
nilai tambah yang signifikan terhadap pembangunan industri dan
4
kemandirian bangsa khususnya di bidang rekayasa material nanoteknologi
dan komposit.
Nilai Kebaruan Penelitian
Nilai kebaruan penelitian ini terletak pada :
1. Pemanfaatan limbah kulit rotan yang diekstraksi dalam bentuk selulosa
dan identifikasi kualitas serat berdasarkan struktur mikro, kristalografi,
unsur penyusun serat dan densitas. Kebaharuan ini tertuang dalam
eksperimen, hasil dan pembahasan pada bab 2. Sebuah paper tentang selulosa
kulit rotan dengan metode bioproses telah dipresentasikan pada seminar
nasional PERTETA 2011 di UNEJ dan diterbitkan dalam jurnal agrotek
UNEJ 2011.
2. Memperkecil ukuran serat kulit rotan yang disintesa dan dikarakterisasi
dalam bentuk nanopartikel sampai orde < 100 nm dan digunakan
sebagai filler bionanokomposit untuk menggantikan fiber glass.
Kebaharuan ini tertuang dalam eksperimen, hasil dan pembahasan pada bab
3. Sebuah paper tentang analisa struktur kristal nanopartikel dengan
menggunakan XRD telah dipresentasikan pada seminar nasional SNHNX
2011 di PUSPIPTEK Serpong dan dipublikasikan dalam Jurnal Sains dan
Materi Indonesia (JUSAMI) 2012. Sementara itu paper lain dengan analisa
struktur mikro menggunakan SEM-TEM telah diterbitkan pada Jurnal
Biofisika FMIPA IPB Desember 2011.
3. Aplikasi dari bionanokomposit pada komponen sepeda motor sebagai
pengganti komposit berserat sintetis fiber glass dengan uji kualitas
standarisasi ASTM dan HES (Honda Engineering Standard). Kebaharuan ini
tertuang dalam eksperimen dan pembahasan pada bab 4. Sementara itu paper
terkait novelty ini telah dipresentasikan pada The International Society for
Southeast Asian Agriculture Science (ISSAS) dan telah diterbitkan pada
proseeding
ISSAS
2011.
Publikasi
internasional
dengan
judul
bionanocomposite of polypropylene reinforced cellulose nanoparticles
biomass of rattan synthetic substitute composite, submit di jurnal
internasional CIGR (dalam proses revisi dan accepted).
5
Keterkaitan Antar Bab
Untuk mendapatkan bionanokomposit standarisasi ASTM dan HES (Honda
Engineering Standard) pada industri komponen sepeda motor, diperlukan
penelitian dalam bentuk exsperimen di laboratorium dan beberapa pengujianpengujian yang saling terkait. Keterkaitan antar bab digambarkan secara
sederhana pada diagram alir Gambar 1.1.
BAB 1. Pendahuluan Umum
Sintesa
Eksplorasi data
selulosa kulit rotan
dengan metoda
bioproses. BAB 2.
Sintesa dan
karakterisasi
nanopartikel serat kulit
rotan dengan metoda
ultrasonik. BAB 3.
Sintesa dan karakterisasi
bionanokomposit filler
nanopartikel serat kulit rotan
metoda injeksi molding.
BAB 4.
dibandingkan
Pengujian yang meliputi
XRD, SEM-EDS, TEM
dan densitas.
Pengujian yang meliputi
XRD, FTIR, SEM-EDS
AAT, dan sifat mekanik.
Sintesa komposit filler fiber glass
standarisasi industri komponen sepeda
motor dengan metoda injeksi molding.
Gambar 1.1 Diagram alir keterkaitan antar bab penelitian.
Penyusunan disertasi ini diawali dengan bab 1 yang menjelaskan tentang
latar belakang dan tujuan secara umum pada keseluruhan proses penelitian.
Kemudian penelitian ini dibagi dalam tiga tahap yaitu tahap pertama (bab 2)
ekstraksi selulosa kulit rotan dengan metoda fermentasi media padat dengan
menggunakan kapang Aspergillus niger. Keluaran dari tahap ini dihasilkan
rendemen yang optimum pada variasi beberapa parameter yang dilakukan. Hasil
dari rendemen ini dilakukan beberapa pengujian di laboratorium sebagai
eksplorasi data selulosa kulit rotan terkait dengan struktur mikro, kristalografi dan
densitas. Data yang dihasilkan sangat diperlukan sebagai masukan (input) data
pada proses sintesa nanopartikel (tahap II).
6
Dalam Tahap II (bab 3) fokus pada pembuatan nanopartikel serat kulit rotan
dengan mengamati fenomena yang terjadi dari awal sampai akhir proses sintesa.
Metoda yang digunakan adalah ultrasonikasi. Sebelum diultrasonikasi dalam
medium cair, kulit rotan dipreparasi terlebih dahulu agar mendapatkan hasil yang
optimum. Preparasi tersebut meliputi penggilingan mekanik dengan cara milling
dan shaker kemudian dilakukan pemanasan berstirer. Keluaran dari tahap ini
adalah serat kulit rotan dengan ukuran 1 mm, 150 μm, dan 75 μm. Hanya cuplikan
yang berukuran 75 μm yang diproses dalam ultrasonikasi dan dihasilkan
nanopartikel yang berukuran < 100 nm. Pengujian yang dilakukan adalah untuk
mengetahui kualitas dari serat untuk dibandingkan dengan serat sintetis fiber
glass.
Hasil nanopartikel serat kulit rotan yang sudah kering, kemudian diproses
di tahap III (bab 4) yaitu sintesa bionanokomposit dengan metoda injeksi molding.
Tahap ini adalah tahap akhir dimana produk bionanokomposit yang dihasilkan
dalam bentuk cuplikan sesuai dengan pengujian mekanik standarisasi ASTM yang
digunakan. Demikian juga dilakukan sintesa dengan metoda injeksi molding
dengan material komposit sintetik (PP+FG) yang akan digunakan sebagai
pembanding. Semua hasil pengujian yang dilakukan pada tahap ini mengacu pada
standarisasi HES dengan perbandingan pada kerangka acuan yang digunakan
sebagai material penyusun komponen sepeda motor. Tahap akhir adalah
pembahasan umum pada bab 5 dan bab 6 sebagai kesimpulan umum dan saran.
7
BAB 2
EKSTRAKSI DAN KARAKTERISASI SELULOSA KULIT
ROTAN DENGAN METODA FERMENTASI
Pendahuluan
Latar Belakang
Indonesia memiliki potensi sumber daya alam terbarukan yang melimpah
yaitu tanaman yang mengandung serat yang sangat besar beserta limbah biomassa
pertanian. Tanaman serat menghasilkan serat alami yang tersusun atas selulosa
dan dapat dimanfaatkan untuk tujuan komersil yaitu sebagai bahan baku industri.
Pemanfaatan tanaman serat dibeberapa negara telah lama dilakukan dan
merupakan salah satu perintis industri pengolahan. Kemajuan teknologi telah
memungkinkan manusia untuk memanfaatkan serat sintetis dari polimer rantai
panjang sehingga pemanfaatan serat sintetis tersebut telah mengurangi
penggunaan tanaman serat. Hal ini dikarenakan serat sintetis yang dihasilkan
memiliki sifat seperti serat alami sedangkan penggunaan serat alami dalam jumlah
besar menemukan kendala dalam budidaya serta kualitas yang tidak seragam.
Salah satu tanaman yang memiliki potensi menghasilkan selulosa adalah
tanaman rotan. Batang rotan adalah hasil utama dari pertanian rotan sedangkan
kulit rotan merupakan limbah padat yang banyak mengandung selulosa (Sisworo
2009). Serat yang berasal dari kulit rotan merupakan sumber penghasil serat alami
baru yang dapat dimanfaatkan selain tanaman penghasil serat lain seperti kapas,
kenaf, rami dan lainnya. Selain berharga murah dan belum banyak dimanfaatkan,
kulit rotan mengandung selulosa yang dapat diekstrak dengan menghilangkan
jaringan non selulosa melalui proses fermentasi. Sampai saat ini pemanfaatan
kulit rotan masih relatif terbatas yaitu dibakar, digunakan sebagai tali yang dijual
di pasar, dan dimanfaatkan sebagai atap rumah petani rotan. Pembakaran kulit
rotan menyebabkan terjadinya pencemaran lingkungan dan pemanfaatan kulit
rotan ini masih dapat dioptimalkan sebagai serat alam pengganti serat sintetis.
Serat digunakan secara luas dalam berbagai macam industri diantaranya
industri tekstil, material konstruksi, peralatan olah raga, dan komponen eksterior
dan interior alat transportasi. Konsumsi serat sintetik dunia mencapai 150 juta ton
per tahun (Lampiran 14). Selama lima tahun terakhir, kebutuhan akan polimer di
8
Indonesia mengalami peningkatan 10% salah satunya untuk industri otomotif
(Lampiran 14). Di Indonesia tiga industri manufaktur sepeda motor terbesar
tercatat tahun 2010 memproduksi 6.217.087 unit motor dan tahun 2011
memproduksi 9.319.516 unit (Lampiran 1) dengan eksterior komponen
penyusunnya adalah serat sintetis dan polimer. Seiring dengan naiknya harga serat
sintetik akibat persediaan bahan bakar yang terbatas dan naiknya harga minyak
mentah dunia menjadikan masyarakat menyadari untuk memilih material yang
ramah lingkungan. Material serat alam kembali dipilih untuk menggantikan serat
sintetis. sehingga bahaya dari pemanasan global dapat dikurangi.
Penelitian rotan yang merupakan serat alam non kayu sebagai bahan
penguat polimer telah banyak diteliti. Jasni (1999), menyatakan bahwa batang
rotan memiliki sifat mekanik MOE 10 kg cm-2 dan MOR 421 kg cm-2 dengan
berat jenis 0.5. Menurut Jasni (2006), ditinjau dari sifak morfologi dan komposisi
kimia batang rotan berjenis semambu memiliki kandungan serat mencapai 60%
dengan komposisi kimia yang meliputi selulosa 37.36%, lignin 22.19%,
holoselulosa 70.07%, dan bahan lainnya 21.35%. Sementara itu Sisworo (2009),
telah meneliti aplikasi biokomposit berserat kulit rotan dalam bentuk anyaman
sebagai penguat polimer pada bodi kapal laut dengan hasil kekuatan tekuk 3 kg
mm-2 dan kekuatan tarik 2.1 kg mm-2.
Serat alam berukuran nano merupakan material baru yang dapat digunakan
sebagai bahan penguat polimer pada komposit sehingga kualitas komposit
meningkat. Untuk menghasilkan serat berukuran nano dengan karakterisik yang
optimal, diperlukan informasi data terkait karakteristik struktur mikro,
penggolongan fasa, komposisi unsur penyusun dan kristalografi dari selulosa kulit
rotan yang belum pernah diteliti sebelumnya. Untuk itu diperlukan suatu
teknologi dan metode yang dapat memisahkan jaringan nonselulosa tanpa
merusak selulosa itu sendiri yaitu ekstraksi selulosa kulit rotan dengan metoda
fermentasi fungi Aspergillus niger. Penelitian sebelumnya menggunakan
fermentasi Aspergilus niger pada media cair serat kudzu telah dilakukan oleh
CREATA IPB (2008). Busairi (2009), menggunakan Aspergillus niger untuk
fermentasi padat limbah kulit umbi ubi kayu dan hasilnya adalah mendapatkan
yield protein maksimum 36.78% pada produksi pakan ternak. Syamsuriputra
9
(2006), menggunakan fermentasi Aspergillus niger untuk produksi asam sitrat dari
ampas tapioka.
Sementara itu penelitian terkait dengan pemanfaatan limbah kulit rotan
dalam bentuk serat panjang, pendek dan nanopartikel sebagai penguat komposit
berbasis polimer belum pernah dilakukan oleh peneliti sebelumnya. Penelitian
limbah kulit rotan yang diekstrak menjadi selulosa dengan metoda fermentasi
dapat memberikan informasi karakteristik data dasar pada struktur mikro.
Karakterisasi ini memiliki peran yang penting terhadap proses selanjutnya yaitu
produksi nanopartikel serat kulit rotan metoda ultrasonikasi dan bionanokomposit
dengan metoda injeksi molding pada aplikasi industri komponen sepeda motor.
Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian ini adalah menghasilkan selulosa kulit rotan dengan
rendemen optimum dalam bentuk serat pendek atau panjang dengan metoda
fermentasi padat kapang Aspergillus niger dengan mendapatkan suatu kondisi
proses yang optimum pada variasi waktu dan jumlah spora selama proses
fermentasi.
Selulosa yang dihasilkan dapat memberikan informasi data dasar
karakteristik struktur mikro, fasa, komposisi unsur penyusun, kristalografi, dan
kerapatan. Data karakterisasi yang didapatkan akan digunakan sebagai masukan
pada proses sintesa nanopartikel dan penerapan aplikasinya yaitu sebagai penguat
pada bionanokomposit.
Hipotesis
Proses fermentasi padat dengan Aspergillus niger pada variasi waktu dan
jumlah spora yang optimal, diharapkan dapat membentuk enzim yang dapat
menghancurkan atau memisahkan jaringan tanaman non selulosa dan kandungan
asli serat dapat dipertahankan. Selulosa kulit rotan yang dihasilkan melalui
bioproses ini juga diharapkan memiliki densitas yang kecil, berstruktur kristal,
dengan unsur penyusun utama C, H, O dan beberapa unsur pendukung yaitu
mikro dan makro nutrien sebagai penguat selulosa.
10
Tinjauan Pustaka
Rotan
Rotan merupakan palem berduri dan hasil hutan bukan kayu yang berasal dari
bahasa melayu "raut" yang berarti mengupas atau menguliti (Gambar 2.1). Tanaman ini
berjenis famili Palmae yang tumbuh memanjat (Lepidocaryodidae). Struktur anatomi