Fungsi Polimer Alami: Terbentuknya Dimensi Baru dalam Kimia Lignoselulosa

KARYA TULIS

Fungsi Polimer Alami: Terbentuknya Dimensi Baru dalam Kimia Lignoselulosa

Disusun Oleh: APRI HERI ISWANTO, S.Hut, M.Si NIP. 132 303 844

DEPARTEMEN KEHUTANAN FAKULTAS PERTANIAN UNIVERSITAS SUMATERA UTARA 2008

Apri Heri Iswanto : Fungsi Polimer Alami : Terbentuknya Dimensi Baru dalam Kimia Lignoselulosa, 2008 USU e-Repository © 2009

KATA PENGANTAR

Puji syukur pada Allah SWT atas segala nikmat dan karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan karya tulis mengenai “Fungsi Polimer Alami: Terbentuknya Dimensi Baru dalam Kimia Lignoselulosa “. Tulisan ini merupakan terjemahan dari Functional Natural Polymers: A New Dimensional Creativity in Lignocellulosic Chemistry Bab I dari Buku Chemical Modification of Lignocellulosic Materials karya David N.S. Hon. Penulis

berharap

semoga karya tulis ini dapat memberikan tambahan informasi dibidang modifikasi kimia kayu. Akhirnya penulis tetap membuka diri terhadap kritik dan saran yang membangun dengan tujuan untuk menyempurnakan karya tulis ini.

Desember, 2008

Penulis


DAFTAR ISI

Halaman KATA PENGANTAR ......................................................................................i DAFTAR ISI.....................................................................................................ii DAFTAR TABEL.............................................................................................iii DAFTAR GAMBAR........................................................................................iv PENDAHULUAN ............................................................................................1 PERUBAHAN DUNIA ....................................................................................1 SUMBER DAN SIFAT MATERIAL LIGNOSELULOSA.............................2 SIFAT KIMIA DAN REAKTIVITAS .............................................................4 PRODUK YANG DIMODIFIKASI SECARA KIMIA...................................6 KESIMPULAN DAN PROSPEK DIMASA MENDATANG.........................8 REFERENSI .....................................................................................................9


DAFTAR TABEL

No 1

Keterangan

Halaman

Komposisi Kimia Material Lignoselulosa (%)


2

DAFTAR GAMBAR

No

Keterangan

Halaman

1,2

Lokasi potensial untuk reaksi kimia pada selulosa dan lignin

6

3

Produk reaksi yang dipengaruhi oleh parameter modifikasi

6


PENDAHULUAN Selama ini manusia telah mengenal material lignoselulosa, khususnya kayu. Berdasarkan catatan sejarah diketahui kayu telah menjadi salah satu sumberdaya alam yang sangat bermanfaat bagi manusia.

Hal tersebut dikarenakan kayu adalah

sumberdaya yang mudah tersedia dan sesuai untuk berbagai jenis penggunaan. Sejak awal terbentuknya permukiman, manusia merasa perlu dan menerapkan pengetahuan dan keahlian untuk memanfaat bahan selulosa seperti kayu untuk pembuatan senjata, perabot rumah tangga, peralatan, material bangunan dan bahan bakar. Pada tingkatan dasar hal-hal tersebut memuaskan kebutuhan manusia seperti perumahan, sandang, dan pertahanan. Fakta tersebut mendukung pernyataan “ man has no older or deeper debt than that which he owes to trees and wood” [1] dan “ a culture is no better than its woods” [2]. Meskipun pada masa sekarang terjadi perubahan teknologi secara cepat didunia, produk kayu dan material lignoselulosa lain tetap digunakan untuk memenuhi berbagai kebutuhan manusia dengan berbagai cara.

Tanpa adanya sumberdaya

terbaharukan ini, tidak hanya kehidupan sosial budaya yang terpengaruh, namun juga akan merubah perekonomian suatu negara. Sumberdaya hutan secara umum menjadi contoh perhatian yang menarik. Sumberdaya ini semakin meningkatkan perhatian pada setiap waktu dalam sejarah. PERUBAHAN DUNIA Meskipun produk kayu dianggap memainkan peranan penting, penggantian kayu dengan produk turunan petrochemical memberikan pengaruh yang sangat serius pada akhir tahun 1950an. Timbulnya karbon dan stainlesstel yang tinggi, adanya struktur alumunium alloy, logam organik, keramik, komposit plastik dan material teknis yang lain telah mengakibatkan penurunan secara nyata terhadap pemasaran produk turunan lignoselulosa. Adanya krisis energi dan bahan baku yang terjadi pada tahun 1973, nilai intrinsik dari material selulosa (biomassa) menjadi dikenal dan diperhatikan konsep serta penggunaanya. Material lignoselulosa semakin mendapat perhatian dari waktu kewaktu meskipun bukan merupakan bagian vital dari sumber energi pada sebagian besar negara seperti batubara dan minyak. Dengan sedikit penjelasan ini, industri hasil hutan setuju bahwa untuk menangani hal tersebut industri harus mampu bersaing dengan biaya rendah, sumberdaya tak terbaharukan namun mampu menghasilkan produk turunan. Konfirmasi kesepakatan umum yaitu bahwa industri


hasil hutan tidak dapat bertahan apabila masih berpedoman pada “wood is good”. Inovasi teknik, pemasaran dan pengelolaan telah terjadi dalam industri hasil hutan disepanjang sejarahnya.

Kesempatan industri pinggiran sekarang untuk dapat

mempercepat langkah berinovasi.

Beberapa inovasi modifikasi kimia telah siap

memperbaiki kinerja dan perluasan kesempatan pasar bagi material lignoselulosa.

SUMBER DAN SIFAT MATERIAL LIGNOSELULOSA Produk utamanya adalah biomassa, dimana secara umum didefinisikan sebagai material dari tanaman asli daratan (7), diperkirakan terdapat biomassa kurang lebih 172 milyar ton/tahun dengan kandungan material lignoselulosa sebesar 82% pada hutan. Kayu merupakan komponen yang terpenting. Material lignoselulosa yang lain termasuk limbah pertanian, tanaman air, rumput-rumputan, dan substansi lainnya. Material-material tersebut memiliki komposisi kimia yang unik sebagaimana sifat fisis, kimia dan mekanisnya.

Material tersebut terdiri dari beberapa selulosa utama,

hemiselulosa, lignin, dan sejumlah kecil bahan ekstraktif.

Beberapa sumber

lignoselulosa yang penting disajikan pada Tabel 1. Tabel 1. Komposisi Kimia Material Lignoselulosa (%) Sumber Lignoselulosa

Selulosa

Hemiselulosa

Lignin

Ekstraktif

Hardwood

43-47

25-35

16-24

2-8

Softwood

40-44

25-29

25-31

1-5

Abaca

63,72

5-10

21,83

1,6

Ampas tebu

40

30

20

10

Coir

32-43

10-20

43-49

4,5

Tongkol Jagung

45

35

15

5

Batang Jagung

35

25

35

5

Cotton

95

2

0,9

0,4

Flax (retted)

71,2

20,6

2,2

6

Flax (unretted)

62,8

12,3

2,8

13,1

Hemp

70,2

22,4

5,7

1,7

Henequen

77,6

4-8

13,1

3,6

Istle

73,48

4-8

17,37

1,9

Jute

71,5

13,6

13,1

1,8

Kenaf

36

21,5

17,8

2,2

Ramie

76,2

16,7

0,7

6,4

Sisal

73,1

14,2

11

1,7


Sunn

80,4

10,2

6,4

3

Wheat straw

30

50

15

5

Sebagai produk alami yang berasal dari mahluk hidup, material lignoselulosa dikarakterisasi dengan derajat keragaman dan variability yang cukup tinggi pada sifatnya.

Material lignoselulosa tersedia dalam berbagai bentuk dan memiliki

penampakan yang menarik, tidak ada lignoselulosa yang dihasilkan oleh material nonkayu yang lain. Fakta bahwa kayu memiliki sifat yang sangat kuat dan mudah dikerjakan dengan menggunakan mesin dengan konsumsi energi yang rendah, menyebabkan kayu menjadi material bangunan yang ideal. Warna yang menarik dan kumpulan serat yang bagus mudah untuk dipotong dan dibuat menarik dan digunakan secara luas untuk furnitur yang baik. Kelebihan lain dari kayu adalah adanya material pori lignoselulosa yang dapat digunakan untuk mengisolasi panas dan listrik, menghambat kontraksi dan ekspansi panas, dan memiliki sifat akustik yang baik. Rasio kekuatan –berat serat lignoselulosa kayu sangat tinggi jika dibandingkan dengan hampir semua fiber dari sumber selulosa yang lain.

Dengan sifat tersebut,

lignoselulosa lebih menarik jika dibandingkan dengan produk lain. Kayu dan produk bentukannya seperti kayu lapis, papan partikel, papan flake, dan papan untai dapat bertahan ketika digunakan atau dijaga pada kondisi tertentu. Beberapa bangunan kuil dari kayu yang dibangun dijepang pada 1300 tahun yang lalu masih berada pada kondisi yang bagus, dan gereja di pegunungan Norway yang terbuat dari kayu pada 800 tahun yang lalu masih dapat bertahan pada suhu yang ekstrim. Meskipun karakter yang sempurna tersebut material lignoselulosa juga mengalami beberapa permasalahan.

Kebanyakan dari bahan lignoselulosa relatif bersifat

higroskopis. Kelembabannya akan turun dan naik tergantung pada temperatur dan kelembaban relatif atmosfir disekelilingnya. Penyusutan kayu terjadi karena kayu penurunan kadar air pada kondisi dibawah TJS sebaliknya pengembangan kayu terjadi dengan semakin meningkatnya kadar air. Ketidakstabilan dimensi ini merupakan salah satu kerugian dari penggunaan kayu untuk berbagai produk. Mudahnya kayu untuk terbakar juga sebagai salah satu kelemahan. Kayu dan produk berbahan kayu juga sensitif dengan cuaca seperti cahaya matahari, kelembaban, polusi udara dapat menjadi pemicu terjadinya perubahan warna, retak, dan kerusakan permukaan. Agen perusak biologi juga dapat menyerang kayu dan mengakibatkan pewarnaan, pelunakan dan


jamur.

Beberapa kerusakan dapt disebabkan oleh jamur, marine borer, kumbang

penggerek dan bakteri yang menyebabkan kerusakan pada log yang disimpan. Produk turunan dari bahan lignoselulosa selain kayu juga memiliki sifat yang hampir sama. SIFAT KIMIA DAN REAKTIVITAS Material lignoselulosa mengandung selulosa, hemiselulosa, dan lignin. Polimerpolimer ini memiliki beberapa gugus fungsi aktif yang mudah untuk bereaksi [3,8]. Prof. Meshitsuka dan Isogay akan menjelaskan secara detail struktur kimia polimer tersebut pada bab II. Pada bab tersebut juga dibahas struktur fase solid dari selulosa, derajat polimerisasi, dan ikatan kimia. Secara singkat potensi ikatan untuk reaksi kimia pada material lignoselulosa dan lignin disajikan pada Gambar 1 dan 2. Ikatan reaksi atau gugus fungi merupakan hidroksil primer dan sekunder, karbonil, karboksil (ester), karbon-karbon, ether dan ikatan asetal. Gugus yang mengandung etilen dan sulfur jugan dapat ditemukan pada lignin. Setiap pereaksi yang mampu bereaksi dengan gugus fungsi ini dapat diaplikasikan pada kayu dan literatur yang ada memberikan banyak contoh [8-12]. Selanjutnya berdasarkan macam gugus fungsi, eterifikasi, esterifikasi, alkilasi, hidroksi alkilasi, graft copolimerisasi, cross linking dan oksidasi telah dilakukan untuk menghasilkan berbagai produk untuk berbagai penggunaan. Berdasarkan sifat produk arah dari reaksinya akan bervariasi. Meskipun jenis kayu, kerapatan, dan ketebalan memainkan peranan penting pada perlakuan kimia, reaksi kimia juga sangat ditentukan oleh distribusi gugus fungsi reaktif dari kayu serta aksesibilitas dan kereaktivannya (Gambar 3). Sistem reaksi dan media juga perlu dipertimbangkan untuk tujuan tertentu.

Pengkondisian sistem seharusnya dibatasi

dengan reaksi permukaan atau bulk, dengan daerah amorf atau kristalin dan pengkondisian rekasi seharusnya dilakukan dalam sistem yang homogen atau heterogen sebagamana disajikan pada Gambar 3. Variasi ini berpengaruh terhadap keseragaman reaksi produk pada kayu yang dimodifikasi.

Pada bab 3 Prof. Lai

menggambarkan faktor utama yang mempengaruhi reaktivitas dan aksesibilitas selulosa, hemiselulosa dan lignin pada kondisi asam dan basa yang dimodifikasi. Selama modifikasi kimia tersebut, degradasi kimia sering terjadi secara simultan. Beberapa produk skala industri dibuat dari kayu dan material lignosesulosa. Kondisi optimal untuk reaksi tersebut telah ditetapkan oleh peneliti dari kalangan


pendidikan ataupun industri.

Selanjutnya untuk penggunaan bahan kimia untuk

mendesain kembali produk kayu atau material selulosa dengan sifat yang superior merupakan isu utama modifikasi kimia kayu pada abad 21. Selain pertimbangan kondisi modifikasi kimia yang sangat hati-hati, hal yang juga penting adalah pengembangan produknya yang berhubungan dengan sifat asli dari material yang akan digunakan (nilai estetika, sentuhan alami, sifat mekanis, fisik dan kimia), sifat pengolahan dari produk baru (kimia dan mekanis) serta aplikasi sifat produk baru (meliputi sifat performa, estetika, dan pemeliharaan).

Dengan referensi dari sifat

produk tersebut, satu hal yang seharusnya menjadi pertimbangan menurut parameter evaluasi antara lain: keteguhan tarik, keteguhan tekan;modulus elastisitas, modulus tarik dan modulus tekan; kerapatan; stabilitas panas; konduktifitas listrik;dapat terdegradasi oleh organisme perusak;ketahanan terhadap cuaca; dan stabilitas dimensi. Kriteria untuk seleksi produk akhir sharusnya meliputi penampakan visual, kompatibilitas, mudah dikerjakan, berat, harga, kualitas, pemeliharaan, performa dan kemampuan fasilitas proses dan material.

Gambar 1 dan 2. Lokasi potensial untuk reaksi kimia pada selulosa dan lignin


Gambar 3. Produk reaksi yang dipengaruhi oleh parameter modifikasi

PRODUK YANG DIMODIFIKASI SECARA KIMIA Dari diskusi sebelumnya, diketahui bahwa hampir semua material lignoselulosa bersifat higroskopis, sehingga menyebabkan ketidakstabilan dimensi.

Untuk

mengatasi permasalahan tersebut, beberapa teknik telah dikembangkan, teruama pada 10 ahun terkahir. Aktifitas untuk mengatasi masalah tersebut akan dibahas oleh Dr. Matsuda pada bab 6dan Dr kiguchi pada bab 8. Pada tulisan Dr Matsuda, akan didiskusikanbeberapa prosedur esterifikasi dan etherifikasi secara detail serta penekanan pada penggunaan produknya. Sedangkan pada tulisan Dr Kiguchi akan didiskusikan mengenai proses pengaktifan permukaan dan termoplastik dari permukaan kau melalui etherifikasi. Sifat ikatan sendiri dan beberapa aplikasi kayu yang dimodifikasi permukaan akan direview lebih lanjut. Kayu dan produk yang berbahan dasar kayu memliki sifat yang sensitif terhadap perubahan cuaca. Modifikasi kimia terhadap permukaan kayu diharapkan dapat menyediakan kayu yan memiliki resistensi terhadap kondisi tersebut, lebih lanjut Plackett akan membahas pada bab 11. Karena material lignoselulosa merupakan biomaterial, maka material tersebut memiliki sifat biodegradable. Pada beberapa daerah, penggunaan produk yang resistan terhadap mikrobiologi sangat diperlukan. Dengan penggunaan modifikasi kimia yang unik sifat kemudahan untuk didegradasi dapat ditingkatkan. Pada bab 14 Profesor Takahashi menulis mengenai kegiatannya pada daerah tersebut. Produk yang ditrunkan dari material lignoselulosa seperti juga kayu menunjukkan beberapa atau bahkan sangat sedikit sifat yang sama. Material lignoselulosa dari golongan non kayu dapat juga


diberi perlakuan modifikasi kimia untuk meningkatkan sifat fisis dan kimia.

Dr

Rowell mendiskusikan metode untuk melakukan modifikasi dan karakterisasi produk berbahan dasar produk pertanian pada bab 9 dan 12. Sebagai tambahan juga Dr. Nakano juga mediskusikan beberapa metode untuk karakterisasi fisis dari kayu yang dimodifikasi secara kimia pada Bab 10. Hasil diskusi tersebut menekankan pada mobilitas molekuler dan sifat kelenturan dari komponen kayu yang dimodifikasi secara kimia. Sifat viscoelastis dari produk akhir juga akan dibahas oleh Dr Norimoto pada Bab 13. Telah diakui bahwa kayu, selulosa dan lignin terdiri dari sejumlah sifat yang beragam dimana sifat tersebut sulit untuk dipisahkan tersendiri. Juga telah diketahui bahwa material tersebut terkadang tidak sesuai dengan sifat yang diharapkan dan terkadang perlu untuk engubah material tersebut menjadi produk baru dengan melibatkan reaksi kimia didalamnya.

Reaksi tersebut umumnya bertujuan untuk

meningkatkan atau memodifikasi sifat kimia maupun struktur material lignoselulosa serta membuatnya menjadi produk yang sesuai untuk tujuan tertentu. Dr. Shiraishi dkk melakukan transformasi kayu dan material lignoseulosa menjadi produk yang inovatif. Mereka menggunakan berbagai metode pemutusan rantai untuk membuat kayu dalam bentuk cair. Aktifitas tersebut akan dibahas lebih detail pada Bab 7. Produk baru yang berasal dari selulosa dan lignin akan dibahas pada Bab 4 (Hon) dan 5 (Meister). Pada Bab 5, Dr. Meister mendiskusikan modifikasi hubungan panas atau deomposisi kimia lignin untuk menghasilkan berbagai produk baru. Dia juga mendiskusikan penyiapan dan penggunaan sambungan potensia dari kopolimer lignin. Berdasarkan sekilas materi yang dikemukakan oleh penulis, sangat jelas bahwa para scientist didunia telah bekerja keras untuk menimgkatkan sifat, performa, dan penggunaankay dan material lignoselulosa lainnya. Peneliian mdifikasi kimia elah dikembangkan dan terus dilanjutkan. Modifikasi kimia, khususnya menyambungkan struktur molekul molekuler dari material lignoselulosa

memerlukan usaha yang keras dalam rangka pembuatan

material polimeric untuk aplikasi teknologi. Dengan penggunaan reaksi kimia yang sesuai , produk baru dengan sifat gabungan alami dan buatan akan menempati posisi penting.


KESIMPULAN DAN PROSPEK DI MASA MENDATANG Sampai saat ini penelitian mengenai lignoselulosa dihadapkan pada era terobosan penelitian yang baru. Hal tersebut memungkinkan penggunaan berbagai jenis material lignoselulosa, kayu berkualitas rendah dan serbuk gergaji serta produk lignin bernilai rendah. Upaya penelitian mengenai lignoselulosa dan selulosa merupakan cara untuk menghasilkan produk baru, bagi konstruksi transportasi, plastik, serat, pengepakan dan aplikasi medis. Beberapa aktifitas utama dalam modifikasi kimia kayu, selulosa dan lignin merupakan karakteridtik utama dari buku ini. Modifikasi kimia dari material lignoselulosa mawakili tingkatan yang bagus dalam inovasi akademis dan industri. Meskipun perkembangan yang luarbiasa telah dibuat dalam rangka menghubungkan pengertian struktur dan kimia dari bahan baku seperti juga perubahan parameter modifikiasi, juga perubahan yang terjadi. Produk lignoselulosa yang dimodifikasi secara kimia, harus dapat ersaing dengan material teknik yang lain dalam rangka memberikan andil pada pangsa pasar.

Dimasa mendatang penggunaan material

lignoselulosa dan derajat efisiensinya dalam pemanfaatan lignoselulosa sangat ditentukan oleh keberlanjutan penelitian dan pengembangan. Selama kurang lebih 15 tahun, perkembangan yang tak terduga terjadi pada pengembangan material teknik baru dari sisa lignoselulosa.

Material ini meliputi, komposit polimer kayu, kayu

termoplastik, dan perekat dari liquida kayu, hal tersebut membuka kemumgkinan adanya teknik baru.

Meskipun para ilmuwan telah berhasil dalam melakukan

modifikasi lignoselulosa dengan sifat yang unik, hal tersebut tentunya tidak berarti bahwa produk tersebut akan sukses dipasaran. Teknologi kimia yang dipergunakan dan efektifitas biaya dari produk hasil modifikasi, serta proses yang ramah lingkungan belum dilakukan secara komersil dalam skala besar.

Penanganan tersebut dimasa

mendatang memerlukan kemampuan dari ahli kimia, biokimia, insinyur dan ahli material dalam rangka memperluas pengetahuan mengenai bahan baku terbarukan. Mereka berkesempatan untuk mengembangkan dan memperbaiki produk secara ekonomi dan lingkungan. Hal ini memberikan pola pikir masa depan yang tidak hanya tergantung pada suplai produk dari fosil (minyak, batubara, gas alam) dan produk geologi (besi, alumnium, batu, pasir, dll)


REFERENSI 1.

M. Bramwell (ed). The International Book of Wood. Simon and Schuster, New York, 1976. 2. W.H Auden. Woods. Listener, Dec. 11(1952). 3. D.N.S. Hon. Polym. News 17:102(1992). 4. Proceedings of The International Symposium on Chemical Modification of Wood. Kyoto, Japan, May 17-18. 1991. 5. Proceeding of Chemical Modification of Lignocellulosics. Pacific Rim Bio Based Composites Symposium. Rotorua, New Zealand, November 7-8. 1992. 6. Proceeding of Second Pacific Rim Bio Based Composites Symposium, Vancouver, Canada, November 6-9. 1994 7. Productivity of World Ecosystem, 5th Symp. Proc. Gen. Assembly Spec. Comm. Int. Biol. Prog. International Biological Program, National Research Council, National Academy of Science, Washington, D.C. 1975. 8. D.N.S. Hon and N. Shiraishi (eds). Wood and Cellulosic Chemistry, Marcel Dekker, New York. 1991, p. 1020. 9. D. Fengel and G. Wegener. Wood: Chemistry, Ultrastructure and Reaction. Walter de Gruyter, Berlin. 1984, p. 613. 10. K.V. sarkanen and C.H. Ludwig (eds). Lignin. Wiley Interscience, New York. 1971, p. 916. 11. N.M. Bikales and L. segal (eds). Cellulose and Cellulose Derivatives. Wiley Interscience, New York. 1971. Parts IV and V. D.N.S. Hon (ed.). Graft Copolymerization of Lignocellulosic Materials (ACS Symposium Series 187). American Chemical Society, Washington, D.C. 1981.


Fungsi Polimer Alami: Terbentuknya Dimensi Baru dalam Kimia Lignoselulosa

Recommend Documents