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.
