Analisis Sifat Termal Komposit Polipropilen-Kenaf (Bolia Onggo)

ANALISIS SIFAT TERMALKOMPOSIT POLIPROPILEN-KENAF

Holia Onggo, Wiwik Subowo dan SudinnanPusat Penelitian Fisika (P2F) - LfPf

JI. Cisitu 21/154D, Sangkuriang, Kompleks LfPL Bandung

ABSTRAK

ANALISIS SIFAT TERMAL KOMPOSIT POLIPROPILEN -KENAF Penelitian bertujuan mengevaluasistabilitas tennal dari komposit polipropilen (PP) - kenaf dan komponennya tennasukfiller loading dan keberadaancompatibilizer agent, menggunakan metode Thermogravimetry Analysis dan Differential Thermal Analysis (TG/DTA). Pengukuran TG/DTA menggunakan cuplikan sampel dengan berat 6 mg - 7 mg, kecepatan pemanasanIO°C/menit dalam atmosfer udara dengan laju alir 260 mUmenit. Hasil analisis TG/DTA diketahui bahwa kestabilantennal PP lebih besar daripada kenaf. Meningkatnya filler loading dalam komposit PP - kenaf menyebabkanstabilitas tennal menurun. Modifikasi serat kenaf dengan silicon oil belum dapat digunakan, Pemberian MaleatedAnhydrid Polypropi/ene (MAPP) dalam campuran sedikit meningkatkan stabilitas tennal komposit. Dalam pembuatankomposit PP-kenaf disarankan suhu blending antara 168°C sampai dengan 210°C dan kenafyang digunakanharus kering.

Kata kunci: Polipropilen, kenaf, komposit, thermogravimetry, differential thermal analysis, stabilitas tennal

ABSTRACT

THERMAL PROPERTIES OF POLYPROPILEN - KENAF COMPOSITES The aim of the research is to

evaluate the thennal stability of Kenaffilled Polypropilen composites and their components according to the fillerloading and the presence of compatibilizing agent, using Thermogravimetry (TG) and Differential Thermal Analysis(DTA) methods. The TG/DTA measurements were carried out using 6 -7 mg of the sample, heating rate of 10 "Cmin- \. in air atmosphere with flow rate of260 mL.min·l. In the TG ofPP, kenafandtheir composites, the thennalstability was found decrease as the filler loading increased and it was found increase when a compatibilizerMaleated Anhydrid Polypropilene (MAPP) into PP-kenaf composite. For PP-Kenaf composites making, the blendingtemperature from 163 to 210°C is recommended.

Key words: Polypropilen, kenaf, composite, thennogravimetry, differential thennal analysis, thennal stability

PENDAHULUAN

Perkembangan komposit akhir-akhir inimengarah pada bahan bahan yang recycleabilitydan renewability, menggunakan bahantermoplastik dan serat-serat alam [1]- Potensi danpemanfaatan serat kenaf di Indonesiadimungkinkan untuk bahan pengisi/penguatkomposit karena renewabillity, sudah dibudidayadan relatif murah [2]' Untuk matriks dapatdigunakan PP .yang mempunyai sifatrecycleability, sudah banyak di pasaran dandimanfaatkan untuk barang plastik [1]- Melaluipencampuran PP sebagai matriks dengan seratkenaf sebagai pengisi/penguat diharapkandiperoleh produk komposit bam yang sifatmekaniknya lebih kuat daripada produk PP itusendiri. Tingkat penguatan yang diberikan serat

dipengaruhi oleh beberapa faktor antara lain sifatserat, distribusi serat serta komposisi antaramatriks dan pengisi/penguat. Salah satukekurangan serat kenaf adalah permukaannyayang polar (hidrofilik).Kepolaran ini diakibatkankeberadaan gugus hidroksil pada permukaanserat.Bila seratdigabungke dalam polimer sepertiPP yang mempunyai sifat non polar (hidrofobik),suatu ikatan yang lemah antar kenaf dan PP akanterbentuk. Kedua sifat yang berbeda inimenyulitkan dalam pencampuran dan seringkalimenjadi penyebab kegagalan penggabungansehingga menghasilkan komposit dengan kineIjayang lemah. Untuk itu perlu dilakukan modifikasiPP atau modifikasi serat kenaf-nya. Beberapacara diantaranya adalah modifikasi secara kirnia

149

Prosiding Simposium Nasional Polimer V ISSN 1410-8720

sebelum blending perlu dilakukan karena hasilanalisis dapat berguna untuk menentukan suhuyang dipilih sehingga pada suhu tersebut terjadipencampuran tetapi tidak sampaiterjadi kerusakan [4]

pada olefin menggunakan coupling agent.Coupling agent berfungsi membantu penyebaranserat dalam PP dan menyebabkan serat melekatpada matriks. Dalam proses, penambahancouplingagent akan meningkatkan kekuatan tarikdan lentur, mengurangi absorpsi air danmemberikan suhu detleksipanasyang lebihtinggi.Salah satu jenis coupling agent yang seringdigunakan adalah Maleat AnhydridPolypropilene (MAPP) (Gambar I) yangditambahkan pada waktu pencampuran PP danserat[3]. r r j

HO-r~i-O-ro-OH

J.....e.t Jbet

~CII. 0

H H OH

(;

- ? IR-~I-o--~ I

R-r-0- ••••••••.? I

R- f;-o- Of\'"OH

Gambar 1. Rumus kimia MAPP [3]

Cara lain adalah melapis serat kenafdengan sizing agent yang mengandungsilane-based chemicals (Gambar 2).

Gambar 2. Grafting serat menggunakan sizingagent berbasis silane [3]

Penggunaan kedua cara diperkirakan dapatmenghasilkan penggabungan yang baik(Gambar 3).

Dalam pembuatan komposit termoplastikdengan serat alam sebagai pengisi atau penguatdimanaprosesnyamenggunakanpanas makasuhupencampuran (blending) menjadi sangat penting.Analisis sifat termal komponen-komponennya

150

Gambar 3. Reaksi yang diharapkan teljadi dalamkomposit [3]

Untuk barang komposit seperti rangkajendela, interior kamar mandi dan sebagainya,maka sifat termal seperti kestabilan panas dariproduk komposit juga menjadi sangat penting.Misalnya bahan interiorkamar mandi hams stabildengan adanya uap panas selama digunakanshower. Kestabilan panas dalam sistem komposityang menggunakan pengisi dari serat alam dantermoplastik sebagai matriks ditentukan olehbeberapa faktor yaitu suhu, rasio antar pengisidan matriks, dispersi dan ikatan serat denganmatriks. Suhu yang terlalu tinggi dapatmenyebabkan dekomposisi [5].

Dalam penelitian ini dipelajari sifat termalkomposit yang dibuat dari serat kenaf sebagaibahan pengisi dan polipropilen sebagai matriks.TGA adalah salah satu metode analisis termal

yang dapat digunakan untuk menganalisiskestabilan panas (thermostability) suatu contohuji pada waktu pemanasan. Kestabilan tersebutdinilai berdasarkan penurunan berat contoh ujipada waktu pemanasan. Setiap perubahan beratdideteksi oleh alat sehingga perubahannya dapatdinyatakan sebagai fungsi waktu atau suhu.Pengujian dapat pula dilakukan pada mediumudara atau nitrogen [6,7]. DTA adalah metodeuntuk menganalisis titik leleh dari suatu bahansebagai fungsi suhu. Perubahan suhu lelehmenunjukan terjadi/tidaknya ikatan silangdalamcampuran[4] ~

Analisis Sifat Termal Komposit Polipropilen-Kenaf (Holia Onggo)

Penelitian bertujuan mengevaluasistabilitas termal Komposit dari serat kenafsebagai bahan pengisi komposit PP, termasukbanyaknyafiller loading (fraksi kenaf sebagaipengisi) serta keberadaan compatibilizer agent(MAPP) dalam komposit menggunakan met6deanalisisTG/DTA,-----METODEPERCOBAAN

Bahan

PP yang digunakan dalam bentuk pelet(merk Union Polimer grade no. Y 101XX). Seratkenaf kualitas C dari PT.GAN Malang JawaTimur. Compatibilizer Agent (MAPP)merk Toyo Kasegyo M-300 KS dari Jepangdan Silicon oil (kadar air 40%) dibeli dariBrataco.

Sebelum dibuat komposit, serat kenafdiproses menggunakan alat carding dan dishnillkemudian diayak dengan saringan 60 meshmenjadi serbuk kenaf (SK). Sebagian serbukkenaf dimodifikasi dengan cara mencampurserbuk dengan silicon oil (120 gram serbukkenaf dengan 500 mL silicon oil 1%), kemudianserbuk tersebut dikeringkan pada suhu 105°Cselama 17jam (SK mod).

" Dalam penelitian ini dibuat berbagai jeniskomposit yaitu Komposit PP-kenaf; komposit PPkenaf MAPP, komposit PP-kenaf modifikasidan komposit PP-kenaf modifikasi-MAPP.Komposit dibuat menggunakan alat LaboPlastomill Mixer- Extruder yang ada di PusatPenelitianFisika LIPIBandung. Variasikomposisiserat( 40%; 50% dan 60%) tanpa dan denganmodifikasi kenaf dan penambahan MAPP).Sebelum dilakukan blending, dilakukan terlebihdahulu analisis TG/DTA dari komponennya yaituPP dan kenaf. Selanjutnya blending dilakukanpada suhu yang dapat dipilih (hasil analisisTG/DTA dari PP dan kenai); putaran 40 rpmdan waktu proses 8 menit.Komposisi komposit ( dalam % berat)

1. PP: SK = 60%: 40% ~ PP-SK 40

2. PP: SK = 50% : 50% ~ PP-SK 50

3. PP: SK = 40% : 60% ~ PP-SK 60

4. PP : SK = 60% :40%, ditambah MAPP 1%

terhadap total berat ~ PP-SK 40 Ma5. PP : SK =50% : 50% ditambah MAPP 1%

terhadap total berat ~ PP-SK 50 Ma6. PP :SK =40% : 60% ditambah MAPP 1%

terhadap to~l berat ~ PP-SK 60 Ma

7. PP: SK mod = 60% : 40% ~ PP-SK

mod 40

8. PP: SK mod = 50% : 60% ~ PP-SK

mod 50

9. PP: SK mod = 60% : 40% ~ PP-SK

mod 60

10. PP: SK mod = 60% :40%, ditambah MAPP

1% ~ PP-SK mod 40 Ma

11. PP: SK mod = 50% :60%, ditambah MAPP

1% ~ PP-SK mod 50 Ma

12. PP: SK mod =60% :40%, ditambah MAPP

1% ~ PP-SK mod 60 Ma

Karakterisasi termal

Karakterisasiterrnal dilakukanterhadap PP,SK, SKmod dan ke 12jenis komposit tersebutmenggunakanalatTG/DTAtype SSC-5000 merkSEIKO dengan sampel berupa potongan kecildengan berat 6 mg - 7 mg. Sebelum pengujian,sampel ditaruh dalam ruang pengujian selamalebih dari 2 (dua) hari untuk mendapatkankondisi standar. Percobaan dilakukan padasuhu terprogram, yaitu dalam atmosfir udara(260 mL/menit), kecepatan pemanasan10°C/menit

HASIL DAN PEMBAHASAN

Gambar"1dan Gambar 2 memperlihatkanKurva, DTG dan DTA PP dan kenaf. Terlihatbahwa pola kurva TO, DTG maupun DTA darimasing-masingjenis maupun komposisi komposittersebut berbeda satu dengan lainnya.

Kurva TG Kenaf memperlihatkan ada4 tahap perubahan berat. Tahap pertama adalahperubahan berat karena adanya penguapan airdalam serat yang dilanjutkan dengan pengeringanserat. Tahap 2 adalah perubahan berat karena

151

Prosiding Simposium Nasional Polimer V

terjadinya kerusakan awal serat kenaf

(dekomposisi I). Pada tahap ini, beberapakomponen dalam serat mengalami pemecahanrantai karbon yang diikuti dengan keluarnya zatvolatil seperti C02, hidrokarbon dan gashidrogen. Besar kecilnya sisa zat dalam proses iniditentukanstrukturkimianya Biasanyakomponendengan berat molekul yang lebih rendah akanterdegradasi lebih dahulu daripada komponendengan berat molekul tinggi. Serat kenaf secaraumum terdiridari hemiselosa, lignindan selulosaBerntmolekultertinggiadalahselulosa,selanjutnyalignin dan terendah adalah hemi selulosa. Jadiselarna proses pemanasan, kerusakan serat akandimulaidarikomponen hemiselulosa,diikuti lignindan selanjutnya selulosanya membentuk arang.Tahap 3 adalah perubahan berat yang disebabkanterjadinya reaksi oksidasi bahan sisa (arang)dalam proses dekomposisi I (menggunakanatmosfir udara kering). Dalam proses ini, adalah

Gambar 4. Kurva TG/DTA PP, dalam atmosfirudara

~!

' .•~ :C~. ,-

Gambar 5. Kurva TG/DTA serat kenaf

(dalam atmosfir udara)

152

ISSN 1410-8720

proses terbakarnya karbon menjadi abu(dekomposisi II ). ~

Tabell memperlihatkan kestabilan termalpada awal dekomposisi dari PP, kenaf dan kenafmodifikasi.

TabelI. Kestabilan termal dan titik leleh PP, serat kenaf,dan serat kenaf(modifikasi) hasil analisis TG/DTA

TGAorA

Kestabilan tenml

TItik lelebJenis bahan suhu

rmssa\\aktusuhuenergi\Wk!utertingg.!!

OC

%rrmitOCmYrrmit

PP~

167.82835

PP (udara)

238.396.822.08162.7-1.615.11

Sent kenaf

213.993219.99---(udara)

Sent kenaf

215.092.819.90---rrodifikasi

(udara)

Dari Tabel 1, terlihat bahwa kestabilantermal serat kenaf terendah. Ini disebabkan

ketidakstabilan dimensinya. Perubahan dimensikarena perubahan kadar air/kelembaban,dikarenakan adanya gugus hidroksil (OH).Kestabilan kenafyang dimoditkasi lebih kecildaripada kestabilan kenaf. Berarti silicon oil yang

digunakantidak dapat digunakan untukmodifikasi .kenaf. Suhu awal dekomposisi dari PP dalamudara paling tinggi dibandingkan dengan sampellainnya yaitu 238°C dan suhu awal dekomposisikenaf paling rendah yaitu 213,9 °C. suhu lelehPP (melting suhu) dalam atmosfir udara adalah162,7°Csedangkan dalam atmosfir nitrogen lebihtinggi yaitu 167,8 °C. Pada kenaf maupun kenafmodifikasi tidak ditemukan titik leleh. Suhu

blending yang dapat digunakan untuk proses

Tabel2. Kestabilan termal dan titik leleh PP, serat kenaf,dan komposit PP-kenafdengan variasi filler 40%, 50%dan 60% hasil analisis TG/DTA

TGADTA

Kestabilan termal

Titik lelehJenis bahan suhu

massawaktusuhuenergiwaktutertinggal

·C

%men it·CmYmen it

PP

238,396,822.08162.7-1.615.11

PP-SK40

218,596.420.40160.35.214.99

PP-SK 50

222.096,020.76161.55.815,08

PP-SK 60

225.594.321.46161.55.915.54

SKIOO

213.993.219.99.,

---

Analisis Sifat Termal Komposit Polipropilen-Kenaf (Bolia Onggo)

antara 167,8 °C sampai dengan 213,9 DC.Selanjutnya dalam pembuatan kompositdigunakan suhu blending 175°C.

Kestabilan termal dan titik le1eh PP, seratkenaf, dan komposit PP-kenaf dengan variasifiller 40 %, 50 % dan 60 % hasi1 analisisTG/DTA ditunjukkan pada Tabe12.

Dari Tabe12 terlihat, Pencampuran dengankenaf sedikit menurunkan suhu le1eh PP.

Pencampuran PP dan kenaf pada berbagaikomposisi meningkatkan suhu awal dekomposisikenai Meningkatnyafiller loading menyebabkanstablitas termal menurun, disebabkan pengisianserat kenaf dalam matriks PP menyebabkan poripada PP sehingga keutuhan matriks PP menjadirusak.

Dari Tabe1 3, terlihat bahwa MAPPmempertinggi kestabilan termal (suhu dan %massa meningkat). Terlihat pada kompositPP-SK60-Ma suhu awal dekomposisi menurun,keadaan ini diperkirakan kadar % MAPP kurangsehingga sebagian dari serat tidak berikatandengan PP. Dari tabel terlihat bahwa stabi1itasterma1 terbaik pada komposit PP-SK40-Madengan ni1aikestabilan terma197,5 %

TGADTA

Kestabilan teonal

Titik IelehJenis bahan Suhu

massawaktusuhuenergiwaktutertinggal ·c

%men it·cmVmen it

PP-SK40

218.596.420.40160.35.214.99

PP-SK 40-Ma

232.497.522.16161.55.115.60

PP-SK 50

222.096.020.76161.55.815.08

PP-SK 50-Ma

223.196.021.33161.55.015.1

PP-SK 60

225.594.321.46161.55.915.54

PP-SK 60-Ma

223.195.920.75161.64.115.0

KESIMPULAN

PP dan kenaf dapat dibuat kompositdengan penambahan MAPP dengan suhublending an tara 167,8 °C sampai dengan213,9 DC. Meningkatnya filler loadingmenyebabkanstabi1itastermal menurun. Stabilitasterma1terbaik adalah komposit yang dibuat dari

PP denganfiller loadingyaitu kenaf 40 % dandengan penambahanMAPP 1% dan Stabilitastermal yang dihasilkan sebesar 9,5 %.

UCAPANTERIMAKASIH

Kami sampaikan terima kasih kepada:PuslitFisika LIPIyang telah membiayai penelitianini. Kepada Sdri Lucia Indarti atas bantuannyapada pengambilan data TG/DTA.

DAFfAR PUS TAKA

[1]. MARDJONO SISWOSUWARNO,Perkembangan Material dan StrukturKomposit: Masalah, Tantangan dan peluang,Prosiding Seminar Sehari 70 tahun NoerMandsjoeriah Surdia, Departemen KimiaFMIPA ITB, (2003) 1-15 - 1-23

[2]. WIWIK SUBOWO, HOLIA ONGGO,Laporan Hasi/ Survai Tanaman SeratKapok, Kenaf dan Pemanfaatannya diDaerah Malang dan sekitamya; (2005)

[3].ISMARINY, Study on Natural FiberReinforced Polypropylene. Proceedings of6th International Wood Science

Symposium, (2005) 254-258[4]. ANI SUTIANI, Degradasi Poliblend

Po1istiren-Pati menggunaka BacteriPseudomonas F1uorescens. ProsidingSeminar Sehari 70 Tahun Noer

Mandsjoeriah Surdia. Departemen KimiaFMIPAITB, Bandung, (2003) 3-7 -3-11

[5]. YANG, H S., M. P.WOLCOTT, H. S. KIMand H. J. KIM, Thermal Properties ofLignocellulosicFiller-ThermoplasticPolymerBio-Composites. Journal of ThermalAnalysis and Calorimetry, 82 (1) (2005)157-160

[6]. H.-S. KIM, H.-S YANG, H.-lKIM and H.­J.PARK, ThermogravimetricAnalysisof RiceHusk Flour Filled Thermoplastic PolymerComposites. Journal of Thermal analysisand Calorimetry, 76 (2004) 395- 404

[7]. ZUBAIDI, Thermogravimetry Analyzer(FGA), Prinsip dan Penelitian pada BahanTekstil. Arena Tekstil No. 23, (1994) 1720

153