0404: Bahruddin dkk.
MT-61
PEMANFAATAN LIMBAH FLY ASH PABRIK KELAPA SAWIT SEBAGAI FILLER SUBSTITUSI UNTUK MATERIAL KARET ALAM TERMOSET: PENGARUH NISBAH FLY ASH/CARBON BLACK DAN KADAR COUPLING AGENT MALEATED NATURAL RUBBER Bahruddin 1) Lili Saktiani 1) Yanuar 1) Rahmat Satoto 2) 1) Lembaga Penelitian Universitas Riau Kampus Bina Widya KM. 12,5 Jl. Raya Subrantas Pekanbaru 28293 Telepon (0761) 567093 e-Mail:
[email protected] 2) Pusat Penelitian Fisika Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia Jl. Sangkuriang Bandung 40135 Telepon (0761) 2503052 e-Mail:
[email protected] Disajikan 29-30 Nop 2012
ABSTRAK Fly ash (FA) merupakan salah satu limbah padat yang dihasilkan pada proses pembakaran cangkang sawit di boiller pada pabrik kelapa sawit (PKS). Diperkirakan bahan ini berpotensi digunakan sebagai filler untuk meningkatkan sifat karet termoset (KT) berbasis karet alam (natural rubber atau NR) karena banyak mengandung unsur silika, yaitu lebih dari 50%. Tujuan penelitian ini adalah menentukan morfologi dan sifat KT yang diperkuat dengan filler FA di samping carbon black (CB). Penelitian dilakukan dengan menggunakan filler 30 phr (per hundred rubber). Nisbah massa filler hibrid FA/CB yang digunakan 100/0; 70/30; 50/50; 30/70; dan 0/100 dengan ukuran partikel FA 200 mesh. Proses mastikasi dilakukan dengan menggunakan roll mill pada suhu kamar dan kecepatan putar roll 20 rpm. Sebagai bahan curative digunakan sulfur dengan kadar 3 phr. Sebagai plastisizer digunakan parafin 2,5 phr. Kadar coupling agent maleated natural rubber (MNR) divariasikan 0; 2; 3 dan 5 phr. Proses vulkanisasi dilakukan pada suhu 150 °C dan tekanan 50 kgf/cm2. Pengujian sampel KT meliputi morfologi dan sifat tensile. Hasil penelitian memperlihatkan bahwa sifat dan morfologi KT terbaik yang menggunakan filler FA, diperoleh pada nisbah FA/CB 30/70 dan kadar MNR 3 phr. Produk KT tersebut memenuhi spesifikasi teknis komersial beberapa jenis produk akhir dari karet, seperti ban dan sol sepatu. Kata Kunci: Fly ash, karet alam, maleated natural rubber, morfologi, sifat tensile
I.
PENDAHULUAN
Motivasi utama dari penelitian ini adalah untuk memanfaatkan bahan-bahan limbah padat pabrik kelapa sawit (PKS) sebagai bahan subtitusi filler komersial yang dapat digunakan dalam industri karet alam (sering disingkat dengan NR atau natural rubber) dan mengembangkan NR menjadi produk-produk baru yang bernilai ekonomi sekaligus ramah lingkungan. Hal ini didorong oleh kenyataan bahwa Indonesia adalah negara penghasil NR
terbesar kedua di dunia setelah Thailand dengan produksi 2,84 juta ton tahun 2010, dan diperkirakan akan menjadi negara penghasil NR terbesar di dunia pada tahun 2020 [1]. Konsumsi bahan ini terus meningkat seiring peningkatan kebutuhan ban kenderaan (±70%) dan non ban lainnya (±30%), seperti: sol sepatu, balon, alas kaki, kondom dan lain-lain. Perluasan areal penggunaan NR akan meningkatkan konsumsi NR Indonesia, dan pada gilirannya akan meningkatkan kesejahteraan petani Indonesia, khususnya petani karet.
0404: Bahruddin dkk.
MT-62 Produk-produk komersial yang dibuat dari karet alam biasanya dalam bentuk karet vulkanisat atau karet termoset (KT). Material KT merupakan suatu produk yang berbahan dasar karet dengan penambahan filler yang tahan terhadap suhu ekstrim, memiliki ketahanan terhadap bahan-bahan kimia, bersifat tahan air, memiliki ketahanan terhadap sinar UV dan tidak mudah terdegradasi [2]. Penelitian-penelitian terdahulu, seperti yang dilakukan oleh Alexander dkk [3] dan Hildayati dkk [4] telah menunjukkan bahwa penambahan filler silika sangat berpengaruh pada sifat mekanik dan morfologi produk KT yang dihasilkan. Nasution [5] juga menunjukkan bahwa penggunaan abu sekam padi yang mengandung kadar silika tinggi juga dapat meningkatkan sifat kekerasan dan ketahanan abrasi KT. Saowapark [6] juga menunjukkan bahwa penggunaan filler hibrid CB/silica dapat meningkatkan sifat mekanik produk KT. Penelitian yang sudah Penulis lakukan juga menunjukkan bahwa penggunaan abu terbang sawit (FA) sebagai filler dapat meningkatkan sifat tensile dari karet termoset [7]. Bahan FA merupakan salah satu limbah padat yang dihasilkan pada proses pembakaran cangkang sawit dalam unit boiler di pabrik kelapa sawit (PKS). Bahan ini banyak mengandung unsur silika, yaitu sekitar 50% (Bahruddin dkk, 2012). Pemanfaatan FA sebagai filler sangat potensial mengingat ketersediaannya yang cukup besar dan berkesinambungan. Seperti di Propinsi Riau, saat ini terdapat sekitar 150 PKS yang menghasilkan sekitar 100.000 ton FA/tahun [8]. Permasalahan yang masih perlu diselesaikan secara teknologi adalah bagaimana menjadikan bahan FA tersebut kompatibel dengan bahan NR. Hal tersebut perlu dicarikan solusinya sehingga dapat dihasilkan suatu material KT dengan spesifikasi teknis yang dapat diterima secara komersial. Jika hal ini dapat dicapai, akan berdampak sangat positif dalam mengurangi biaya produksi material KT dan sekaligus membantu mengurangi permasalahan limbah FA dari PKS. Penelitian ini bertujuan untuk meningkatkan morfologi dan sifat material karet alam termoset (KT) dengan menggunakan limbah padat pabrik sawit, yaitu abu sawit atau fly ash (FA). Fokus kajian meliputi: penentuan nisbah FA/CB yang dapat menghasilkan sifat dan morfologi KT optimal; dan penentuan kadar coupling agent maleated natural rubber (MNR) yang optimal. Bahan MNR digunakan sebagai coupling agent karena dapat meningkatkan sifat antar muka dan adhesi filler dengan matriks polimer [9].
II.
METODOLOGI
Penelitian dilakukan dengan tahapan: penyiapan filler FA, penyiapan coupling agent maleated natural rubber (MNR), penyiapan sampel KT dan pengujian. Penyiapan MNR dilakukan dengan metode sebagaimana sudah dipublikasikan oleh Rika Wati dkk [10].
Penyiapan Filler Fly Ash Bahan FA diperoleh dari pabrik Crude Palm Oil (CPO) yang berada di Sorek, Riau (PT. Sarikat Putra Riau) dari sisa pembakaran cangkang dan sabut sawit dalam boiler yang jatuh dalam dumper dust collector. Bahan FA terlebih dahulu disaring agar didapatkan ukuran yang diinginkan. Ukuran partikel FA yang digunakan dalam penelitian ini adalah 200 mesh. Bahan FA terlebih dahulu dibakar dalam furnace pada suhu 400 °C untuk meningkat kadar silikanya (menjadi 64,71%). Filler hibrid dipersiapkan dengan mencampurkan FA dengan carbon black N330 pada nisbah massa tertentu. Penyiapan Sampel Karet Termoset Sampel karet termoset dibuat dalam dua tahapan, yaitu pembuatan kompon dan proses vulkanisasi kompon. Tahapan proses pembuatan kompon diperlihatkan pada Tabel 1. Tabel 1. Tahapan proses pencampuran material dalam roll mill Kuantitas Menit Aktivitas (phr) keMastikasi karet 100 0 Penambahan plastisizer 2,5 15 Penambahan filler 30 15 Penambahan ZnO 5 25 Penambahan asam 3 29 stearat Penambahan TMQ 1 33 Penambahan MBTS 0,6 37 Penambahan Sulfur 3 41 Penghentian proses 45 * Nisbah filler hibrid divariasikan untuk tiap sampel Proses vulkanisasi kompon dilakukan pada alat hot press pada suhu 150 °C dan tekanan 50 kgf/cm2 selama 10 menit. Sampel yang terbentuk berupa lembaran (slab) yang merupakan karet alam termoset (KT). Pengujian Sampel Pengujian sampel KT meliputi morfologi menggunakan scanning electron microscopy (SEM) dan uji tensile menggunakan universal testing machine (UTM). Pengujian SEM dilakukan pada permukaan patahan sampel. Untuk menghindari perubahan bentuk permukaan fasa ketika dipatahkan, sampel terlebih dahulu direndam dalam nitrogen cair. Selanjutnya sampel dilapisi dengan emas selama 4 menit dengan kuat arus ion 10 mA (ketebalan ± 300 Ao), menggunakan JEOL Fine Coat (Ion Sputter). Pelapisan tersebut dilakukan untuk menghindari timbulnya muatan elektrostatik dari sampel pada saat pengujian. Hasil pengujian SEM berupa mikrograf yang digunakan untuk
0404: Bahruddin dkk.
MT-63
mengamati morfologi campuran (distribusi fasa dan interaksi antar fasa). Sifat mekanik yang diuji adalah tensile strenght, elongation at break dan elastic modulus. Sebelum dilakukan pengujian, terlebih dahulu slab yang dihasilkan dari hot press dipotong menjadi spesimen uji yang ukurannya disesuaikan dengan standar yang digunakan (yaitu ISO 5272 type 5A), menggunakan punching machine. Selanjutnya seluruh spesimen disimpan dalam suatu kantong kedap udara pada suhu 25 oC sampai waktu pengujian dilakukan. Pengujian sifat tensile dilakukan menggunakan beban 100 kgf dan laju 500 mm/menit.
FA/CB 30/70 (Gambar 2). Lemahnya interaksi antar fasa tersebut diperkirakan disebabkan oleh kecenderungan molekul-molekul silika dalam FA yang memiliki gugus hidroksil membentuk ikatan hidrogen antar molekul silika atau material kimia lainnya yang bersifat polar. Hal ini juga menyebabkan fasa FA cenderung teraglomerasi dalam matriks NR, meskipun masih dapat terdistribusi relatif merata dalam matriks NR.
(a)
(a)
(b) Gambar 2. Mikrograf Sampel KT dengan Filler Hibrid FA/CB 50/50: (a) Distribusi Fasa Filler; (b) Interaksi Fasa Filler dan Fasa Karet
(b) Gambar 1. Mikrograf Sampel KT dengan Filler FA 30 phr: (a) Distribusi Fasa FA; (b) Interaksi Fasa FA dan Fasa Karet
III.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Morfologi Hasil analisis morfologi sampel KT memperlihatkan bahwa fasa FA dapat terdistribusi relatif merata dalam matriks NR, namun interaksi antar fasanya masih kurang baik, yang ditandai oleh adanya ruang kosong sekitar partikel filler (Gambar 1). Hal yang hampir sama juga terlihat untuk sampel KT dengan penggunaan filler hibrid
Distribusi filler dalam matriks NR dan interaksi antar fasanya sangat mempengaruhi sifat mekanik material KT [11]. Di samping itu, ukuran partikel filler FA juga sangat mempengaruhi sifat mekanik material tersebut [7]. Oleh karena itu, meskipun sifat tensile yang diperoleh pada penelitian ini relatif sudah cukup baik, namun masih memungkinkan untuk ditingkatkan lagi dengan cara memperbaiki kinerja ketiga faktor tersebut. Penggunaan coupling agent MNR pada penelitian ini seharusnya dapat meningkatkan interaksi fasa FA dan fasa NR. Hal ini dikarenakan coupling agent tersebut merupakan molekul yang mempunyai rantai utama poli-isoprena yang non-polar dan gugus anhidrida yang polar, sebagaimana diperlihatkan berikut ini [12]:
0404: Bahruddin dkk.
MT-64
Rantai utama molekul tersebut mudah larut dalam fasa NR yang merupakan poli-isoprena juga, sedangkan gugusnya dapat mengikat fasa FA yang polar. Namun dari analisis morfologi sebagaimana diperlihatkan pada Gambar 1 dan 2, belum memperlihatkan morfologi sebagai mana diharapkan. Diperkirakan hal ini disebabkan oleh proses pencampuran yang belum sempurna. Sifat Tensile Pengaruh kadar MNR terhadap sifat tensile material KT diperlihatkan pada Gambar 3. Sifat tensile strength KT yang diperoleh berkisar antara 5-18 Mpa (Gambar 3a). Sifat tensile strength pada penelitian ini lebih rendah dibandingkan hasil penelitian Wang dkk [11]; Saowapark [6] dan Alexander dkk [3]. Sedangkan sifat elongation at break lebih tinggi, yaitu berkisar antara 11001500%. Sifat tensile strength lebih tinggi yang diperoleh peneliti-peneliti tersebut diperkirakan karena menggunakan filler silica dan coupling agent komersil yang lebih homogen komposisinya. Selain itu, mareka juga menggunakan internal mixer yang dapat menghasilkan campuran yang lebih homogen. Pencampuran bahan menggunakan internal mixer membutuhkan biaya lebih mahal dibandingkan dengan roll-mill. Hasil penelitian ini lebih baik dibandingkan dengan yang diperoleh Isaac dan Augustina [13]. Mareka menggunakan filler bubuk kulit kerang yang mengandung banyak komponen kapur. Komponen tersebut merupakan jenis filler tidak aktif, sedangkan FA yang digunakan dalam penelitian ini tergolong jenis filler aktif yang dapat meningkatkan sifat mekanik polimer. Sifat elastic modulus yang diperoleh pada penelitian ini berkisar antara 0,5-1,13 MPa. Nilai tersebut lebih tinggi dibanding yang diperoleh Wang dkk [11]. Hal ini disebabkan oleh adanya komponen CB dalam filler hibrid yang dapat meningkatkan sifat elastic modulus karena interaksi yang baik antara CB dan NR. Namun nilainya tidak konsisten karena dipengaruhi oleh adanya peningkatan kerapatan ikatan crosslink yang dihasilkan dari proses vulkanisasi dan pengubahan ikatan polisulfida menjadi ikatan mono dan disulfida [6]. Sifat elastic modulus yang besar mengindikasikan material KT yang dihasilkan adalah kuat dan keras, sedangkan jika kecil mengindikasikan bersifat lebih elastis dan kurang kuat. Material KT yang diinginkan adalah yang memiliki sifat elastic modulus yang tinggi.
Sifat mekanik yang diperoleh dari penelitian ini, meskipun sifat elongation at break dan elastic modulus lebih baik dari peneliti lain, relatif masih rendah dan kurang stabil. Diperkirakan hal ini disebabkan oleh distribusi MNR dan bahan aditif lainnya yang kurang merata dalam matriks NR akibat proses pencampuran yang belum sempurna. Penyebab lainnya adalah peningkatan kerapatan ikatan crosslink yang dihasilkan dari proses vulkanisasi dan pengubahan ikatan polisulfida menjadi ikatan mono dan disulfida [6].
(a)
(b)
(c) Gambar 3. Pengaruh Kadar MNR terhadap Tensile KT
Sifat
0404: Bahruddin dkk. Waktu vulkanisasi yang lama juga mempengaruhi sifat mekanik KT. Sifat mekanik akan menurun jika waktu vulkanisasi terlalu lama. Waktu vulkanisasi yang lama ini menyebabkan NR terdegradasi membentuk cincin sulfida ataupun modifikasi rantai lainnya yang dapat menyebabkan penurunan sifat vulkanisat [14]. Material KT yang dihasilkan pada penelitian ini, meskipun belum optimal, sudah memenuhi Standar Nasional Indonesia (SNI) untuk beberapa aplikasi produk, diantaranya untuk bahan sol sepatu (tensile strength min. 5 MPa dan elongation at break minimum 100%) dan ban dalam kendaraan bermotor (tensile strength minimum 11,8 MPa dan elongation at break minimum 500%).
IV.
KESIMPULAN
Diperoleh bahwa penggunaan FA sebagai filler yang terbaik adalah pada nisbah FA/CB 30/70 dan kadar MNR 3 phr. Material ini dapat digunakan sebagai bahan baku untuk pembuatan produk karet, seperti pembuatan sol sepatu (SNI 12-0172-1987), ban dalam kenderaan bermotor (SNI 06-15421984) dan ban luar kenderaan bermotor (SNI 06-2700-2002).
UCAPAN TERIMA KASIH Penulis menyampaikan terima kasih kepada Menteri Negara Riset dan Teknologi yang telah membiayai penelitian ini pada Tahun Anggaran 2012. Ucapan terima kasih juga disampaikan kepada Tri Meilika Weni, Rika Wati, Muhammad Isra, Maradona dan Andri Mulia, mahasiswa Teknik Kimia Universitas Riau, yang telah turut membantu penelitian ini.
DAFTAR PUSTAKA [1]
[2]
[3]
[4]
[5]
Honggokusumo, S., (2010), Produktivitas Kebun Karet Indonesia Rendah, http:// beritasore.com, Tanggal Akses: 27 November 2010. Graham dan Zhang, (2008), Rubber Products – Vulcanizate Rubber, http://www.chinamould.com, Tanggal Akses: 18 Februari 2011. Alexander, M., P. Kurian., dan E. T. Thachil., (2007), Effectiveness of Cardanol as Plasticizer for Silica-Filled Natural Rubber, Proquest Science Journals, Vol. 23, No. 1, pp 43-45. Hildayati, Triwikantoro, Heny. F., dan Sudirman, (2009), Sintesis dan Karakteristik Bahan Komposit Karet AlamSilika, Prosiding Seminar Nasional Pascasarjana, Institut Teknologi Sepuluh November, Surabaya. Nasution, H. D. U., (2009), Pengaruh Temperatur Vulkanisasi Terhadap Nilai Kelenturan (Schwatz Value/VRS) Benang karet PT. Industri Karet Nusantara, Karya Ilmiah, Universitas Sumatera Utara, Medan.
MT-65 [6]
[7]
[8] [9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
Saowapark, T, (2005), Reinforcement of Natural Rubber with Silica/Carbon Black Hybrid Filler, Thesis, Mahidol University, Bangkok. Bahruddin, Zulfansyah, dan Lili Saktiani, (2012), Morfologi dan Sifat Karet Alam Vulkanisat yang Diperkuat denganFiller Hibrid Carbon Black/Abu Sawit, Teknobiologi, Vol. 3, No. 1, pp 25-30. PTPN, (2011), Material Balance Pengolahan Kelapa Sawit, Pekanbaru. Machado, A. V dan J. A. Covas, (2000), Monitoring Polyolefin Modification along the Axis of a Twin-Screw Exstruder II Maleic Anhydride Grafting, Journal of Polymer Science: Part A, Vol. 38, pp 3919-3932. Rika Wati, Irdoni HS, dan Bahruddin, (2012), Modifikasi Karet Alam menjadi Maleated Natural Rubber melalui Proses Grafting dengan Kadar Maleat Anhidrida dan Temperatur Bervariasi, Prosiding Seminar Nasional Teknologi Petro dan Oleokimia, Pekanbaru. Wang, M. J., P. Zhang., dan K. Mahmud., (2001), Carbon-Silica Dual Phase Filler, A New Generation Reinforcing Agent For Rubber, Rubber Chemistry and Technology, Vol. 74, No. 1, pp 124-128. Nakason, C., Saiwari, S., Kaesaman, A., (2006), Thermoplastic Vulcanizates Based on Maleated Natural Rubber/Polypropylene Blends: Effect of Blend Ratios on Rheological, Mechanical, and Morphological Properties, Polymer Engineering and Science, Vol. 46, pp 594-600. Isaac, O. I., dan A. E. Augustina., (2011), Studies on Mechanical and End-Use Properties of Natural Rubber Filled with Snail Shell Powder, Materials Sciences and Application, Vol. 2, pp 802-810. Ghosh, P., S. Katare., P. Patkar., J.M. Caruthers, dan V. Venkatasubramanian, (2003), Sulfur Vulcanization of Natural Rubber For Benzothiazole Accelerated Formulations: From Reaction Mechanisms to A Rational Kinetic Model, Rubber Chemistry and Technology, Vol. 76, No. 3, pp 592-694.
