BAB 1 PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang - Pembuatan Nanokomposit Menggunakan Polikaprolakton/Nanokristal Selulosa yang Diisolasi dari Tongkol Jagung (Zea mays L)
BAB 1 PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
subsektor tanaman pangan. Sumbangan jagung terhadap produk domestik bruto (PDB) terus meningkat setiap tahun, sekalipun pada saat krisis ekonomi. Pada tahun 2000, kontribusi jagung dalam perekonomian nasional mencapai Rp 9,4 trilyun dan pada tahun 2003 meningkat menjadi Rp 18,2 trilyun. Kondisi demikian mengindikasikan besarnya peranan jagung dalam memacu pertumbuhan subsektor tanaman pangan dan perekonomian nasional secara umum (Zubachtirodin, 2007).
Menurut Shofianto (2008), tongkol jagung adalah tempat pembentukan lembaga dan gudang penyimpanan makanan untuk pertumbuhan biji. Jagung mengandung kurang lebih 30% tongkol jagung sedangkan sisanya adalah kulit dan biji. Limbah pertanian (termasuk tongkol jagung), mengandung selulosa (40-60%), hemiselulosa (20-30%), dan lignin (15- 30%). Jumlah limbah tersebut dapat dikatakan sangat banyak dan akan menjadi sangat potensial jika dapat dimanfaatkan secara tepat.
Selulosa merupakan biopolimer yang berlimpah di alam yang bersifat dapat diperbaharui, mudah terurai, tidak beracun, dan juga merupakan polimer karbohidrat yang tersusun atas
β-D glukopiranosa dan terdiri dari tiga gugus hidroksi per anhidro glukosa menjadikan selulosa memiliki derajat fungsionalitas yang tinggi. Sebagai materi yang dapat diperbaharui, selulosa dan turunannya dapat dipelajari dengan baik. Bahan dasar selulosa telah digunakan lebih dari 150 tahun dalam berbagai macam aplikasi, seperti makanan, produksi kertas, biomaterial, dan dalam bidang kesehatan (Coffey et al, 1995).
Nanokristal selulosa adalah suatu material yang dapat diperbarui dalam banyak aplikasi berbeda, seperti dalam bidang kimia, makanan, farmasi, dan lain-lain. Karena memiliki dimensi skala nanometer dan sifat intrinsik fisikokimia maka nanokristal selulosa dapat digunakan sebagai agen penguat yang memberikan sifat yang baik pada nanokomposit (Peng et al, 2011).
Polycaprolactone (PCL) merupakan salah satu poliester biodegradable yang menarik dan banyak digunakan. Hal ini dapat digunakan dalam aplikasi biomedis yang berbeda seperti pembuatan scaffold pada rekayasa jaringan dan pengontrol pergerakan obat serta tujuan ortopedi (Wang et al, 2005). Akan tetapi penggunaan PCL secara umum dan luas masih terbatas. Hal ini disebabkan karena biaya yang relatif mahal, temperatur leleh yang PCL berbasis nanokomposit. Faktanya, penambahan sejumlah kecil pengisi berukuran nanometer pada PCL dapat memperbaiki sifat mekanik dan termal, terutama temperatur distorsi panas. Beberapa pengisi berukuran nanometer baik sintetis maupun mineral telah dipelajari, tetapi ketertarikan lebih mengacu pada bio-nanokomposit sebagai penguat karena kelimpahan, mudah diperbaharui, dan sifat mekanik yang baik, selulosa menjadi sumber untuk penyiapan bionanokomposit (Gea et al, 2010).
Nanokomposit merupakan bidang yang cukup baru di Indonesia bahkan di dunia sekalipun, apalagi nanokomposit yang seluruhnya terbuat dari bahan terbarukan (renewable). Dikatakan nanokomposit karena salah satu komponen yang digunakan memiliki ukuran berkisar 1-100 nm. Pemanfaatan teknologi bio-nanokomposit dengan menggunakan bahan baku dari sumber hayati seperti selulosa dan biopolimer menjadi bidang baru yang sangat porspektif untuk dikembangkan di Indonesia. Penggunaan bionanokomposit untuk keperluan industri otomotif, elektronik, dan rumah tangga diharapkan mampu menjadi solusi ketergantungan terhadap minyak bumi sebagai bahan baku pengganti produk plastik yang ketersediannya terus menurun dengan harga yang relatif meningkat. Produk bionanokomposit mempunyai sifat yang biodegradable sehingga dalam penggunaannya dapat mengurangi beban pencemaran lingkungan akibat limbah plastik konvensional yang sulit terdegradasi secara biologis dan dapat menggunakan bahan yang terbarukan (renewable resources) seperti nata decoco, limbah biomasa yang mengandung lignoselulosa yang sangat melimpah di Indonesia (Subiyanto, 2010).
Silverio et al (2012) telah meneliti ekstraksi dan karakterisasi nanokristal selulosa dari tongkol jagung sebagai penguat pada pembuatan nanokomposit dengan menggunakan matriks polyvinyl alcohol (PVA) dengan menggunakan H
2 SO 4 48,84%, dengan variasi waktu hidrolisis yaitu 30, 60, dan 90 menit serta variasi berat nanokristal selulosa 3, 6, dan 9% berat. Hasil menunjukkan bahwa waktu hidrolisis 60 menit, variasi berat 9% menunjukkan hasil terbaik yaitu memiliki kekuatan tarik sebesar 50 MPa ketika diberikan beban sebesar 1
o
KN (101,9368 kgf), stabilitas termal sebesar 185 C, dan derajat kristalinitas sebesar 83,7%.
Dari uraian diatas, penulis bermaksud mengisolasi α-selulosa yang berasal dari tongkol jagung, dimana
α-selulosa tersebut diisolasi dengan menggunakan metode asam untuk menghasilkan nanokristal selulosa yang selanjutnya dijadikan filler pada pembuatan melalui uji tarik, SEM, dan TGA.
1.2.Perumusan Masalah
Adapun permasalahan dalam penelitian ini adalah : 1.
Apakah α-selulosa dapat disolasi dari tongkol jagung.
2. Apakah nanokristal selulosa dapat dihasilkan melalui hidrolisis α-selulosa dengan menggunakan H SO 48,84%.
2
4 3.
Bagaimana sifat mekanik, morfologi, dan kekuatan thermal dari nanokomposit polimer yang dihasilkan dari PCL/NCC.
1.3 Pembatasan Masalah
Penelitian ini mengambil batasan – batasan sebagai berikut : 1.
Jenis tongkol jagung yang digunakan adalah Zea mays L.
2.
α-selulosa yang digunakan diisolasi dari tongkol jagung yang berasal dari pemipilan biji jagung yang didapatkan dari pabrik kilang jagung sepakat kelompok tani dusun 3 desa Bekulap kecamatan Selesai kabupaten Langkat.
3. Isolasi nanokristal selulosa dari α-selulosa dilakukan melalui hidrolisis asam dengan menggunakan H SO 48,84%.
2
4
4. Dalam penelitian ini digunakan perbandingan Polikaprolakton dan nanokristal selulosa yaitu (100% : 0%), (90% :10%), (80% :20%), (70%:30%), (60% :40%), (50% :50%) (dalam 10 gram).
1.4 Tujuan Penelitian 1.
Untuk mengetahui apakah α-selulosa telah berhasil diisolasi dari tongkol jagung. Bagaimana hasil nanokristal selulosa yang dihasilkan dengan metode hidrolisis menggunakan H
2 SO 4 48,84%.
3. Untuk mengetahui sifat mekanik, morfologi, dan kekuatan termal dari nanokomposit polimer PCL/NCC yang dihasilkan.
1.5 Manfaat Penelitian
Penelitian ini diharapkan dapat memberikan informasi tentang bahan pengisi pada nanokomposit sehingga menghasilkan nanokomposit yang memiliki sifat kimia dan mekanik yang lebih baik dengan menggunakan nanokristal selulosa yang diisolasi dari
α-selulosa yang berasal dari limbah tongkol jagung yang sampai sekarang masih merupakan limbah padat yang belum banyak dimanfaatkan sehingga menghasilkan nanokomposit yang merupakan material yang menjanjikan dimasa mendatang.
1.6 Lokasi Penelitian
Adapun tempat yang menjadi lokasi pada penelitian ini yaitu: 1.
Pembuatan α-selulosa dan nanokristal selulosa dilakukan di Laboratorium Ilmu Dasar FMIPA USU.
2. Pembuatan nanokomposit PCL/NCC dan analisa sifat mekanik di Laboratorium Polimer jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik USU.
3. Analisa FT-IR dilakukan di Laboratorium Kimia Organik FMIPA UGM.
4. Analisa transmisi elektron microscopy (TEM) di Laboratorium TEM jurusan Kimia FMIPA UGM.
5. Analisa permukaan scanning eletron microscopy (SEM) di Laboratorium Rekayasa Material Banda Aceh.
6. Analisa kekuatan termal thermogravimetry analysis (TGA) di Laboratorium Politeknik Negeri Lhoksumawe.
1.7 Metodologi Penelitian
Penelitan ini bersifat eksperimental laboratorium, dimana pada penelitian ini dilakukan dalam 3 tahap :
1. Pada tahap ini adalah proses penyiapan tongkol jagung yang kemudian diisolasi untuk mendapatkan α-selulosa. Karakterisasi yang digunakan yaitu analisa dengan menggunakan FT-IR.
2. Pada tahap ini yaitu proses isolasi nanokristal selulosa melalui hidrolisis dengan menggunakan H SO 48,84 % dan dengan menggunakan sentrifugator untuk
2
4
menghilangkan bagian amorf sehingga diperoleh bentuk kristalnya. Karakterisasi yang dilakukan adalah analisa dengan menggunakan transmisi electron microscopy (TEM).
3. Pada tahap ini adalah pembuatan campuran PCL dengan NCC dengan menggunakan labu leher 2 yang dialiri dengan gas nitrogen yang disertai dengan pengadukan dan pemanasan pada suhu 120
C. Perbandingan PCL dengan NCC yaitu : (100% : 0%), (90% :10%), (80% :20%), (70%:30%), (60% :40%), (50% :50%) (dalam 10 gram) yang kemudian dituang kedalam cetakan dan ditekan dengan menggunakan hot press pada suhu 120 C selama 5 menit. Karakterisasi yang digunakan analisa kekuatan mekanik meliputi uji tarik, analisa morfologi dengan menggunakan scanning electron microscopy (SEM) dan analisa thermal menggunakan thermogravimetry analysis (TGA). Variabel –variabel yang digunakan adalah : a.
Tahap I Variabel tetap
o
Suhu (
C) Waktu (menit) Berat serbuk tongkol jagung (g) Variabel terikat: Analisa gugus fungsi dengan menggunakan FT-IR b.
Tahap II Variabel tetap
o
Suhu (
C) Waktu (menit) Konsentrasi H
2 SO 4 (%)
Variabel terikat: Analisa ukuran partikel menggunakan transmisi electron microscopy (nm)
Tahap III Variabel tetap
o
Suhu (
C) Waktu (menit) Variabel bebas: Berat polikaprolakton dan nanokristal selulosa (g) Variabel terikat: Analisa sifat mekanik dengan uji tarik (Mpa)
o
Analisa thermal dengan thermogravimetry analysis (TGA) (
C) Analisa morfologi dengan scanning electron microscopy (SEM)