5
TINJAUAN PUSTAKA Mikrofibril dari serat alam Struktur tumbuhan atau kayu terdiri dari polimer karbohidrat dan tersusun dari serat selulosa. Serat selulosa ini tersusun dari mikrofibril dalam ukuran mikro yang memiliki kekuatan struktur yang sangat tinggi. Mikrofibril terdiri atas bagian amorf dan bagian yang kristal dinamakan mikrowhisker. Selulosa adalah polimer polisakarida yang menjadi rangka struktur pada tumbuhan yang ketersediaannya di alam sangat melimpah. Salah satu sumber utama selulosa adalah dari serat tanaman yang sebagian tersusun atas selulosa, hemiselulosa dan lignin. Semakin kecil ukuran komponen selulosa, semakin tinggi kekuatannya. Selulosa dengan morfologi yang baru mulai dikembangkan oleh Turbak et al. (1983) yang sekarang dikenal lebih lanjut sebagai microfibril celullose (MFC). Mikrofibril selulosa berbentuk struktur kristal dalam rantai molekul yang tersusun rapi memiliki modulus elastisitas sekitar 138 - 250 GPa dan keteguhan tarik lebih dari 0,8 - 10 GPa (Zimmermann et al. 2004). Sifat mekanik ini menyamai serat aramid yang dikenal sebagai serat sintetis yang sangat kuat. Serat pulp kayu mempunyai modulus elastisitas (modulus of elasticity) 10 GPa dan keteguhan tarik (tensile strength) 0,1 GPa (Zimmermann et al. 2004). Pembuatan MFC dari pulp melalui proses mekanik yaitu proses refining sehingga dihasilkan selulosa yang memiliki luas permukaan yang besar (Nakagaito dan Yano, 2004). Pemanfaatannya selama ini digunakan untuk bahan aditif dalam makanan, cat, kosmetik, dan produk medis. MFC tersebut dapat digunakan juga untuk memperkuat polimer thermosetting dan polimer thermoplastic. Salah satu sumber mikrofibril serat alam yang potensial adalah serat tandan kosong kelapa sawit (TKKS).
Penelitian pembuatan serat ukuran mikro
(mikrofibril) dari serat tandan kosong kelapa sawit sudah dilakukan pada berbagai komposisi PP-Mikrofibril TKKS sampai didapatkan kombinasi terbaik untuk PPMikrofibril TKKS yang dilihat dari hasil pengujian sifat fisik-mekanik prototipe kompositnya (Gopar et al., 2010).
6
Untuk penelitian MFC TKKS ukuran dibawah mikro telah dilakukan oleh Astari et al. (2011) dimana dengan 30 kali proses sirkulasi dalam disc refiner dilanjutkan 60 menit dalam mesin ultrasonik dan ultraturrax ternyata belum mampu memfibrilasi MFC TKKS menjadi ukuran nano baik pada pulp yang sudah diputihkan maupun belum. Komposit termoplastik dengan mikrofibril serat alam Komposit termoplastik dapat diartikan sebagai komposit yang terbuat dari kombinasi polimer termoplastik dengan beberapa bahan hayati yang bisa berfungsi sebagai penguat maupun pengisi; salah satu komponennya bisa dalam ukuran mikro misalnya bahan lignoselulosa dalam bentuk pulp (diameter sekitar 0,1-10 mikron) untuk menghasilkan kinerja yang sinergi dari komposit tersebut. Penggunaan mikrofibril serat alam baik kayu maupun non kayu untuk komposit termoplastik sudah banyak dilakukan. Komposit polimer termoplastik dengan serat ukuran mikro (mikrofibril) maupun MFC dari serat tanaman non kayu merupakan bidang yang masih cukup baru di Indonesia sehingga masih sangat berpotensi untuk terus dilakukan penelitian. Salah satu sumber mikrofibril serat alam non kayu yang potensial adalah mikrofibril serat tandan kosong kelapa sawit. Untuk jenis polimer termoplastik yang banyak dipakai dalam produk komposit dengan penguat atau pengisi mikrofibril serat alam antara lain polipropilena (PP), polietilena (PE), polivinil chlorida (PVC) dan polistirene (PS). Produk komposit dengan polimer PP, PE dan PVC biasanya sangat umum dipakai dalam bidang konstruksi, bangunan, furnitur dan produk otomotif (Panthapulakkal et al., 2006). Polimer sintetis seperti PE umumnya dalam bentuk high density polyethylene (HDPE) untuk aplikasi biomedik karena bila low density polyethylene (LDPE) tidak mampu menahan suhu sterilisasi. Sedangkan PP merupakan polimer kristalin isotaktik dengan kekuatan yang tinggi, ketahanan kimia yang baik, kekuatan moderat dan keteguhan patah yang lebih tinggi dari HDPE (Cheung et al., 2009).
7
Menurut Sain et al., (2005) beberapa faktor seperti ukuran serat, komposisi kimia, kerapatan, ketebalan, jumlah dan tipe bonding agent akan mempengaruhi kekuatan komposit termoplastiknya. Peningkatan ratio panjang terhadap lebar memiliki efek yang menguntungkan terhadap semua sifat mekanis yang diukur namun berefek negatif terhadap sifat daya serap airnya (Migneault et al., 2009). Beberapa penelitian produk komposit khusus berbasis serat dari tanaman kelapa sawit juga telah banyak dilakukan, diantaranya komposit plastik dari campuran polipropilena (PP) dan serbuk batang sawit (Zaini et al., 1996). Hasilnya menunjukkan bahwa dengan bertambahnya serbuk sawit (50% wt/wt) dalam komposit plastik akan meningkatkan kekuatan tarik, regangan dan kekuatan pukulnya. Begitupun kekuatan komposit plastik yang berasal dari selulosa serat tandan kosong dan PP lebih baik dibanding komposit plastik terbuat dari PP dan serbuk tandan kosong (Khalid et al., 2008). Namun, penelitian tersebut masih menggunakan serbuk dan selulosa yang kekuatannya lebih rendah daripada serat ukuran mikro dan MFC. Pengenduran tegangan dari komposit hibrid kombinasi serat TKKS-serat sisal-karet alam semakin berkurang dengan semakin bertambahnya kandungan serat TKKS (Jacob et al., 2006). Kuat tarik dari komposit serat TKKS-karet alam mencapai maksimum pada serat dengan panjang 6 mm dan semakin berkurang seiring bertambah panjang serat TKSS (Joseph et al., 2006). Menurut Shinoj et al. (2011) serat TKKS juga cukup bagus karakteristik mekanik pada produk kompositnya ketika digunakan sebagai penguat dalam matriks polimer poliuretane (PU), poliester, termoplastik PP dan PVC, polimer aromatis polistirene maupun polimer termoset seperti PF dan epoksi. Komposit PP-serat TKKS memiliki kuat tarik yang bagus (36 MPa) dan impact strength (38 J/m) pada MAPP 2% (Khalid et al., 2008). Pemakaian serat ukuran mikro dari tandan kosong kelapa sawit sebagai penguat dalam komposit dengan polimer polipropilena (PP) juga sudah dilakukan oleh Gopar et al. (2010), PP-MFC sisal dan bambu oleh Subyakto et al., (2010). Karakteristik mekanis (flexural strength, flexural modulus, dan flexural strain) dari biokomposit PP-MFC TKKS yang sudah didaur ulang semakin berkurang dengan semakin meningkatnya siklus pengempaannya (Ismadi et al., 2011).
8
Hasil penelitian Kusumaningrum et al. (2011) menunjukkan bahwa komposit polimer PVA yang diperkuat dengan MFC tandan kosong kelapa sawit (TKKS) yang sudah diputihkan melalui perlakuan ultrasonik selama 60 menit karakteristik terbaik dibandingkan komposit dengan perlakuan lain diantaranya kuat tarik dan elongasi meningkat sebesar 73,18% dan 335,78% serta MOE sebesar 38,27 N/mm2. Khitosan sebagai polimer alam Khitosan adalah polimer alam dengan rantai panjang glukosamin yang dihasilkan dari deasetilisasi khitin dan merupakan salah satu sumber biopolimer yang ada di alam dengan jumlah terbesar kedua setelah selulosa.
Gambar 1. Struktur polipropilena (kiri) dan struktur selulosa, khitin serta khitosan (kanan) (Mia, 2007) Khitosan merupakan produk hasil perikanan yang bisa diperoleh dari kulit/cangkang dan kepala udang. Sifat-sifat khitosan diantaranya adalah struktur
9
molekulnya tertentu, dalam keadaan cair sensitif terhadap kekuatan ion tinggi, dan daya repulsif antara fungsi amin menurun sesuai fleksibilitas rantai khitosan. Penggabungannya dalam ruang distabilkan oleh ikatan hidrogen di dalam dan di luar rantai, menghasilkan suatu molekul resisten yang tahan terhadap stres mekanik dan kemampuan mengembangnya bertambah (Suptijah et al., 1992). Menurut Windsor dan Barlow (1981) khitosan mampu mengikat air dan minyak karena mempunyai gugus polar dan non polar. Sifat fleksibel dari khitosan menjadikannya mampu membentuk konfirmasi yang kompak dan memanjang seperti umumnya jenis polisakarida lainnya yang berbentuk memanjang sehingga membantu daya gunanya dalam berbagai produk (Angka et al., 2000). Menurut Kaban (2009) khitosan merupakan senyawa yang tidak larut dalam air, larutan basa kuat, sedikit larut dalam HCl dan HNO 3 , dan H 3 PO 4 , dan tidak larut dalam H 2 SO 4 . Khitosan tidak beracun, mudah mengalami biodegradasi dan bersifat polielektrolitik. Disamping itu khitosan dapat dengan mudah berinteraksi dengan zat-zat organik lainnya seperti protein dan lemak. Oleh karena itu, khitosan banyak digunakan pada berbagai bidang industri terapan serta industri farmasi, kesehatan dan sebagainya seperti terlihat dalam Gambar 2. Mohanty et al. (2000) mengatakan bahwa khitosan potensial sebagai pengisi atau penguat dalam komposit polimer seperti beberapa jenis serat alam seperti hemp, sisal dan pisang. Hasil penelitian Husseinsyah et al. (2011) menunjukkan bahwa semakin tinggi persentase pengisi (filler) khitosan dengan modifikasi kimia memakai asam acrilic dalam matriks polimer PP ternyata mengurangi kuat tarik dan elongasi kompositnya namun meningkatkan nilai Young’s modulus serta memperbaiki adhesi dan interaksi interfacial antara khitosan dengan matriks PP. Untuk ekstrasi khitin dari limbah cangkang udang rendemennya sebesar 20 persen, sedangkan rendemen khitosan dari khitin yang diperoleh adalah sekitar 80 persen. Maka dari itu, dengan mengekstrak limbah cangkang udang dengan mengacu pada kapasitas produksi terpasang udang nasional sekitar 500.000 ton per tahun dari seluruh unit pengolahan udang yang tersebar di Indonesia yang mampu menghasilkan cangkang udang sebanyak 325.000 ton per tahun, maka
10
akan diperoleh khitin sekitar 65.000 ton per tahun yang apabila diproses lagi akan diperoleh khitosan sekitar 52.000 ton per tahun (Prasetiyo et al., 2005).
Gambar 2. Reaksi-reaksi modifikasi kimia dari khitosan menghasilkan turunan khitosan (Kaban, 2009) Cukup banyak penelitian yang dilakukan untuk memanfaatkan khitosan baik di Indonesia maupun di negara lain. Di Indonesia pernah dilakukan penelitian untuk pemanfaatan khitosan sebagai anti rayap dan jamur. Penelitian lain adalah pemanfaatan khitosan sebagai biopolimer untuk uji anti rayap (Tarmadi et al., 2006), khitosan-platisizer sebagai penguat edible film (Prasetiyo et al., 2009). Di negara lain penelitian pemanfaatan khitosan antara lain untuk meningkatkan decay resistance dari wood polymer composite dengan modifikasi chitosan copper complex (CCC) (Duan et al., 2003), khitosan yang dimodifikasi dengan logam menjadi chitosan metal complex (CMC) yang memiliki kemampuan sebagai katalis untuk sintesis organik, obat-obatan, serat antimikroba dan hidrometalurgi (Hu et al., 2000; Jiang, 2001). Khitosan juga dimodifikasi untuk bahan pengawet yang ramah lingkungan menjadi chitosan copper complex (CCC) dan chitosan zinc complex (CZC) yang
11
efektif melindungi kayu dari serangan jamur perusak dan rayap (Kobayashi et al. 1995a, 1995b; Sun 2000; Furukawa et al. 2002). Menurut Shelma et al (2008) bahwa kuat tarik dari film khitosan untuk penutup luka meningkat secara signifikan seiring semakin banyaknya serat khitin yang berukuran nano namun tidak terlalu berpengaruh terhadap permeabilitas nanokompositnya. Penambahan chitosan copper complex (CCC) pada WPC tidak berpengaruh signifikan terhadap kerapatan WPC bahkan kuat tarik menurun seiring meningkatkanya konsentrasi CCC dalam WPC (Duan et al., 2003). Menurut Kampeerapappun et al. (2006) kuat tarik dari film komposit dapat diperbaiki dengan menambahkan khitosan dan monmorillonit (MMT). Film dari PP yang diradiasi dengan corona discharge kemudian dicelupkan dalam larutan 1% khitosan sampai beberapa lapisan mampu berfungsi sebagai antimikroba yang baik sehingga potensial untuk bahan pengemas (Elsabee et al., 2007). Khitosan merupakan biopolimer yang biodegradabel di lingkungan alam. Hal tersebut menjadikan khitosan potensial sebagai bio-filler dalam komposit untuk menggantikan beberapa material konstruksi, furnitur dan beberapa produk plastik untuk aplikasi industri masa depan (Espert et al., 2003). Dari hasil penelusuran literatur pendukung, belum ditemukan pemanfaatan polimer polisakarida khitosan untuk substitusi polimer PP dalam komposit termoplastik yang umumnya masih dominan memakai polimer termoplastik sintetis berbasis minyak bumi seperti PP yang tidak terbarukan. Melihat kemampuan dan karakteristik dari polimer khitosan yang selama ini umum dipakai dalam bentuk film komposit atau campuran untuk aplikasi farmasi, obat-obatan, kosmetik, pengawet, emulsifier dan sebagainya akan sangat memungkinkan untuk melakukan penelitian penggunaan bahan berbasis polimer polisakarida hewani yaitu khitosan. Khitosan dari cangkang udang ditujukan untuk substitusi polimer sintetis PP berbasis minyak bumi yang tidak terbarukan maupun sebagai alternatif polimer alam atau bahan pengisi yang umumnya berbasis serat tanaman dalam produk komposit termoplastik.
