1
BAB 1 PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Bentonit merupakan sumber daya mineral yang sangat melimpah di Indonesia dan tersebar dibeberapa lokasi yaitu di Pulau Jawa, Sumatera, Kalimantan dan Sulawesi dengan jumlah cadangan lebih dari 380 juta ton. Ini merupakan asset yang sangat potensial dan harus dimanfaatkan sebaik-baiknya (Syuhada dkk, 2009). Bentonit merupakan istilah dalam dunia perdagangan untuk lempung yang mengandung monmorillonit dan termasuk dalam kelompok dioktohedral. Kandungan utama bentonit adalah mineral monmorillonit (85%) dengan rumus kimia M x (Al 4x Mg x )Si 8 O 20 (OH) 4 .nH 2 O
(Riyanto dkk, 1994). Kandungan lain dalam bentonit
merupakan pengotor dari beberapa jenis mineral seperti kwarsa, ilit, kalsit, mika dan klorit. Mineral bentonit ini memiliki diameter kurang dari 2 μm dengan struktur 3 layer yang terdiri dari 2 layer silika tetrahedral dan satu layer sentral oktahedral. Montmorillonit (MMT) adalah kelompok mineral filosilikat yang memiliki kemampuan untuk mengembang serta kemampuan untuk diinterkalasi dengan senyawa organik membentuk material komposit organik-anorganik. Selain itu mineral ini juga mempunyai kapasitas penukar kation yang tinggi sehingga ruang antarlapis MMT mampu mengakomodasi kation dalam jumlah yang besar serta menjadikan MMT sebagai material yang unik (Ogawa dkk, 1992). Berdasarkan sifat fisiknya, MMT dapat dibagi menjadi dua kelompok, yaitu: Na-montmorillonit dan Camontmorillonit. Na-montmorillonit memiliki kandungan Na+ yang besar pada antar lapisnya. dan memiliki sifat mudah mengembang bila direndam dalam air serta akan terbentuk suspensi bila didispersikan ke dalam air. Untuk Ca-montmorillonit, kandungan Ca2+ dan Mg2+ relatif lebih banyak bila dibandingkan dengan kandungan Na+. Ca-montmorillonit memiliki sifat sedikit menyerap air dan jika didispersikan kedalam air akan cepat mengendap atau tidak terbentuk suspensi. Oleh karena itu,
1 Universitas Sumatera Utara
2
Na-montmorillonit sering disebut dengan montmorillonit mengembang dan Camontmorillonit disebut dengan montmorillonit tidak mengembang (Wijaya dkk, 2004). Sampai saat ini pengolahan bentonit menjadi MMT masih terbatas, terutama dari bentonit alam Aceh. Penelitian yang sudah dilakukan terhadap bentonit Aceh hanya sebatas penelitian tentang pemanfaatan bentonit seperti untuk pembuatan katalis (Ramli, dkk, 2003), untuk uji aktivitasnya pada reaksi kimia (Lubis, 2007) dan bentonit yang digunakan hanya bentonit dari salah satu daerah di Aceh Utara. Oleh karena itu, perlu dilakukan pengolahan dan karakterisasi bentonit tersebut mengingat Aceh merupakan daerah yang banyak mengandung bentonit yang mencapai 2.618.224.030,20 ton (Pusat Sumber daya geologi Aceh, 2009) dan penyebarannya ada di beberapa kabupaten di wilayah Aceh yang sampai saat ini belum dimanfaatkan secara optimal (Zulfikar,dkk, 2006; Kaelani, dkk, 2007; Lutviansori, dkk, 2007; Putra dkk, 2009 ). MMT sekarang ini merupakan mineral yang menjadi perhatian dan merupakan mineral yang sangat berharga. MMT banyak digunakan dalam berbagai aplikasi industri karena memiliki aspek rasio yang tinggi, morfologi dalam bentuk plate, kandungannya yang berlimpah dan hanya membutuhkan biaya rendah dalam proses pengolahannya. Lapisan silikatnya yang dapat diinterkalat dan dieksfoliasi menjadikannya banyak digunakan sebagai pengisi nanokomposit untuk meningkatkan sifat nanokomposit tersebut (Qin, et. all, 2004). Pada beberapa tahun terakhir, permintaan untuk bahan rekayasa canggih dalam berbagai aplikasi, seperti sektor otomotif, kedirgantaraan dan bangunan terus meningkat yang menyebabkan peneliti untuk terus mencari material baru atau mengembangkan bahan yang sudah ada, yang berdasarkan pada analisis biaya, pengembangan teknik dan persyaratan kinerja. Hubungan kekuatan dan berat material adalah salah satu aspek kunci dari pemilihan bahan, dan nanokompositlah yang memiliki kemungkinan besar bisa memberi bentuk sederhana, pemilihan material untuk matrik dan penguat dengan biaya rendah, dan aplikasi yang bermanfaat dari
Universitas Sumatera Utara
3
sudut pandang ekonomi (Dobrzański, 2012). Ini didukung oleh perkembangan dari ilmu dan teknologi nano yang sangat cepat, terutama karena ketersediaan strategi baru untuk mensintesis nanomaterial. Ikatan antar partikel yang terjadi pada material nanokomposit memainkan peran penting dalam peningkatan dan pembatasan sifat material. Banyak peneliti yang telah melakukan penelitian mengenai penggunaan pengisi ukuran nano untuk meningkatkan
sifat polimer. Hasilnya terbukti bahwa
pengisi nano dapat meningkatkan sifat mekanik (Hasegawa dkk, 1998 dan Bureau, 2001), sifat fire retardant (Manias, 2001), sifat termal ( Zanetti dkk, 2001; Fatimah dkk, 2006), sifat barrier (Lange dkk, 2003; Pannirselvam et.all., 2008) dan dalam banyak penelitian polimer nanokomposit, mereka menggunakan MMT sebagi pengisi. Banyak penelitian tentang penambahan MMT dalam PP nanokomposit yang sudah dilakukan juga menunjukkan bahwa MMT dapat meningkatkan beberapa sifat nanokomposit tersebut seperti halnya dengan pengisi ukuran nano, diantaranya juga dapat meningkatkan sifat termal ( Leszczynska, 2007), meningkatkan sifat mekanik (Ding, et. all., 2005 ; Kim, dan Hoang, 2006 ; Sharma, 2009, ; Castel, 2010; Drozdov, 2010 ; Kord, et.all., 2011 dan Barleany, 2011), meningkatkan sifat fire retardancy (Wang, et all, 2011), meningkatkan derajat degradasi (Shi., et.all., 2007). Penggunaan MMT bentuk nanokomposit untuk berbagai material memang sangat tepat karena partikel MMT ini sebagian besar tersebar dalam bentuk platelet yang terpisah-pisah. Ketika bentuk eksfoliasi dibentuk, sifat mekanik dan rheologi nanokomposit meningkat secara dramatis bila dibandingkan dengan polimer murni (Cipriano dkk, 2009). Penambahan vitamin E selain MMT dalam penelitian ini untuk meningkatkan kestabilan dari nanokomposit, seperti beberapa penelitian sebelumnya telah menggunakan antioksidan atau stabilizer untuk menstabilkan nanokomposit dari berbagai pengaruh lingkungan (Therias, et all., 2005). Penggunaan antioksidan atau stabilizer dalam
poliolefin secara komersial dalam rangka untuk memberikan
kestabilan secara efektif untuk polimer baik selama pemrosesan dan fabrikasi atau
Universitas Sumatera Utara
4
untuk stabilitas jangka panjang pada saat produk polimer yang dikenakan dalam berbagai lingkungan misalnya cahaya, panas dan UV dan faktor eksternal lainnya, seperti tekanan dan efek pemakaian (Bauer dkk, 1997). Menurut laporan dari ahli futurologists, konsumsi plastik akan terus meningkat hingga 2020, dengan tingkat permintaan mencapai 300 juta ton, yang menunjukkan peningkatan 16% dibandingkan dengan 2010 (Dobrzański, 2012). Dan polipropilena (PP) merupakan salah satu plastik yang paling banyak digunakan untuk berbagai keperluan dan dalam jumlah yang sangat besar. tetapi polipropilena ini mempunyai beberapa keterbatasan baik dari sifat kimia atau sifat fisika, sehingga aplikasi dari PP juga terbatas (Pannirselvam et.all., 2008). Sifat PP yang non polar, menyebabkan penggunaannya sangat terbatas dengan teknologi yang ada (Hejazi et.all., 2010). Untuk mengatasi keterbatasan ini, PP umumnya difungsionalisasi dengan berbagai monomer termasuk glisidil metakrilat (GMA) dan maleat anhidrida (MA) (Kim, 2007 ; Dong, et.all., 2010,. Disamping itu, PP juga mempunyai kelemahan pada kekuatannya yang rendah dan hanya tahan pada suhu rendah. Untuk mengatasi masalah ini, beberapa peneliti juga telah mencoba memperbaiki sifatnya dengan pendekatan nano teknologi sehingga dapat meningkatkan stabilitas termalnya (Bao et.all., 2007). Keterbatasan lain dari polipropilena pada penggunaannya sebagai kemasan (Karian, 2003),
(Vasile, 2000), dimana PP kurang resistensi terhadap gas (gas
barrier). PP memiliki sifat penghalang terhadap uap air yang sangat baik, tetapi mudah diresapi oleh oksigen, karbon dioksida, dan hidrokarbon. Banyak cara untuk meningkatkan sifat barrier gas dari PP terhadap gas bumi yang melibatkan baik penambahan plastik penghalang yang lebih tinggi melalui struktur multilayer (coekstrusi) atau dengan memperkenalkan pengisi dengan aspek rasio tinggi dalam matriks polimer. Namun, dengan cara co-extrusion alami ini melibatkan proses sangat kompleks dan mahal. Untuk mendapatkan nanokomposit, lapisan silikat dari MMT dapat dicampur dengan PP dengan menggunakan interkalasi mencair. Namun, karena perbedaan
Universitas Sumatera Utara
5
polaritas antara PP dan clay, maka sulit untuk mendapatkan struktur eksfoliasi dari filler dalam matrik polimer selama proses ekstrusi. Upaya yang dilakukan untuk meningkatkan pencampuran clay dalam PP adalah dengan menggunakan oligomer fungsional sebagai kompatibiliser. Usuki et.all., (1997), pertama sekali melaporkan pendekatan baru untuk mempersiapkan PP nanokomposit yang menggunakan oligomer fungsional (PP-OH) dengan gugus polar OH sebagai kompatibiliser. Beberapa studi lain juga melaporkan penggunaan polipropilena-graft-maleat anhidrida (PP-g-MA) sebagai kompatibiliser (Liu dkk, 2001). Metode ini sering disebut dengan maleation, yang merupakan salah satu metode yang paling banyak digunakan untuk polimer fungsional, terutama dalam pengolahan reaktif. Disamping modifikasi dari PP, montmorillonit yang akan digunakan juga dimodifikasi dengan dengan rantai alkil organik panjang; yang disebut lapisan organo-silikat modifikasi (OMLS) atau, organo-clay.. Perlakuan organik dari clay ini akan mengubah montmorillonit yang hidrofilik
menjadi hidrofobik, sehingga
memungkinkan montmorillonit berinteraksi antarmuka dengan beberapa matriks polimer yang berbeda. Tanpa perlakuan organik ini, montmorillonit tidak akan pernah menyebar ke polimer dan tetap sebagai partikel berukuran mikron, dan hanya sebagai pengisi biasa. Senyawa organik yang paling umum digunakan adalah alkilamonium, yang memiliki berbagai panjang rantai dan adanya gugus fungsi, bisa sebagai amina primer, amina sekunder, amina tersier atau amina kuarterner. Alkilammonium, sampai saat ini sangat sukses dalam sintesis dan dalam pengembangan bahan polimer nanokomposit. (Morgan, 2007). MMT yang akan digunakan dari penelitian ini adalah hasil dari pengolahan bentonit alam Aceh dan telah diambil dari tiga kabupaten yang berbeda yaitu Desa Pantanlah Kecamatan Rime Gayo, Kabupaten Bener Meriah yang merupakan salah satu daerah di Propinsi Nanggroe Aceh Darussalam (NAD) yang mempunyai bentonit dengan ketebalan 1 m luas 20 Ha dan mempunyai sumber daya hipotik sebesar 520.000 ton (Putra dkk, 2009). Tempat kedua yaitu Desa Teupin Reusep Kecamatan Muara Batu juga merupakan salah satu daerah di Aceh Utara yang mempunyai
Universitas Sumatera Utara
6
bentonit terbanyak dengan sumber daya terukur 10.858.948,1 ton (Kusnadi dkk, 1987). Sedangkan bentonit dari desa Jaboi Kecamatan Sukajaya, Kabupaten Sabang merupakan bentonit yang terdapat disekitar gunung berapi (Pusat Sumber Daya Geologi Aceh, 2009). Penelitian dilakukan dengan beberapa pengujian untuk menyelidiki karakteristik kimia, fisika dari bentonit alam daerah Aceh sehingga menjadi montmorillonit nanopartikel dan akan digunakan sebagai filler nanokomposit PP-MMT. Beberapa uji yang telah dilakukan untuk menganalisa interaksi pengisi montmorillonit nanopartikel dengan matrik PP adalah FT-IR, uji morfologi menggunakan SEM, uji struktur menggunanakan XRD, uji termal TG-DTA, dan uji tarik untuk mengetahui sifat mekanisnya nanokomposit.
1.2 Permasalahan 1. Bagaimanakah proses pengolahan dan karakteristik kimia dan fisika dari bentonit alam dari ketiga daerah di Aceh sehingga menjadi montmorillonit nanopartikel. 2. Bagaimanakah proses pengolahan dan interaksi dari polipropilena-montmorillonit daerah Aceh dengan adanya PP-g-MA sebagai kompatibilizer dan oktadecylamine sebagai pemodifikasi MMT. 3. Bagaimanakah karakteristik kimia, fisika, mekanis dan degradasi termal dari nanokomposit polipropilena-montmorillonit dari ketiga daerah tersebut.
. 1.3 Tujuan Penelitian Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengolah dan mengkarakterisasi montmorillonit dari bentonit alam dari ketiga daerah di Aceh
sehingga dapat
digunakan sebagai pengisi nanokomposit polipropilena-montmorillonit dengan adanya PP-g-MA sebagai kompatibilizer dan oktadecylamine sebagai pemodifikasi MMT.
Universitas Sumatera Utara
7
1.4 Manfaat Penelitian Diharapkan dengan adanya penelitian ini akan didapatkan informasi mengenai karakterisasi montmorillonit dari bentonit alam dari ketiga daerah di Aceh sehingga dapat dimanfaatkan sebagai pengisi nanokomposit polipropilena-montmorillonit untuk berbagai aplikasi.
Universitas Sumatera Utara
