ModifikasiClay (Bentonit) MenjadiPenguat Material Nanokomposit

1. Introduction

Clay (bentonit)adalahsalahsatu sumber daya alam yangmelimpah di Indonesia,namunbelum dimanfaatkan secara maksimal. Padaumumnya clay hanyauntukpembuatangenting,batubata, dan barang-barangkerajinanlainnya.Seiringperkembanganzamandanteknologimaka clay tersebutdapatdipakaisebagaifiller yang berukuran nano, yang seringdisebut dengannanofiller.Nanofillerinidapat dimasukkanke dalamsuatu material polimer yang dapatmenghasilkan material nanocomposite denganpeningkatan beberapa sifat dasar polimertersebut,seperti sifat mekanik, sifat ketahanan termal, ketahanan terhadap bahan kimia dan sifat bakar (flammability).

Clay memilikibentukagglomerates yang sulit untuk mendispersikannya secara baik.Olehkarenaitu untuk menghasilkan homogenitas antara clay dengan polimer, dimana claybersifat hidrofilik(menarik air) dan polimer bersifat hidrofobik(menolak air), maka sifat hidrofilik yang terdapatpada clay dapatdimodifikasi dengancara mengunakan surfaktan kationik untuk menghasilkan organofilikpermukaansilikatmelaluireaksiion exchange. Olehsebabitu diperlukan bahan aditifyangmempunyai pembawa sifat kompatibilizer diantara keduannya. Kompatibilizer yang digunakanumumnya adalah oligomer yang dapat bersenyawa dengan bahan bersifat hidrofilik,dimana dapat dengan mudah bercampur dengan PP dan dapat juga bersenyawa denganbahan yang bersifat hidrofobic yang dapat kompatibel dengan clay.

2. Bentonit

Bentonit adalah istilah pada lempung yang mengandung monmorillonit dalam duniaperdagangan dan termasuk kelompok dioktohedral. Penamaan jenis lempung tergantung dari penemu atau peneliti, misal ahli geologi, mineralogi, mineral industri dan lain-lain.

Bentonit dapat dibagi menjadi 2 golongan berdasarkan kandungan alu-munium silikat hydrous, yaitu activated clay dan fuller's Earth. Activated clay adalah lempung yang kurang memiliki daya pemucat, tetapi daya pemucatnya dapat ditingkatkan melalui pengolahan tertentu. Sementara itu, fuller's earth digunakan di dalam fulling atau pembersih bahan wool dari lemak.

Sedangkan berdasarkan tipenya, bentonit dapatdibagi menjadi duajenis, yaitu :

2.1 Tipe Wyoming (Na-bentonit – Swelling bentonite)Na bentonit memiliki daya mengembang hingga delapan kali apabila dicelupkan ke dalam

air, dan tetap terdispersi beberapa waktu di dalam air. Dalam keadaan kering berwarna putih atau cream, pada keadaan basah dan terkena sinar matahari akan berwarna mengkilap.

Perbandingan soda dan kapur tinggi, suspensi koloidal mempunyai pH: 8,5-9,8, tidak dapat diaktifkan, posisi pertukaran diduduki oleh ion-ion sodium (Na+).

2.2 Mg, (Ca-bentonit – non swelling bentonite)Tipe bentonit ini kurang mengembang apabila dicelupkan ke dalam air, dan tetap

terdispersi di dalam air, tetapi secara alami atau setelah diaktifkan mempunyai sifat menghisap yang baik. Perbandingan kandungan Na dan Ca rendah, suspensi koloidal memiliki pH: 4-7. Posisi pertukaran ion lebih banyak diduduki oleh ion-ion kalsium dan magnesium. Dalam keadaan kering bersifat rapid slaking, berwarna abu-abu, biru, kuning, merah dan coklat. Penggunaan bentonit dalam proses pemurnian minyak goreng perlu aktivasi terlebih dahulu.

Endapan bentonit Indonesia tersebar di P. Jawa, P. Sumatera, sebagian P. Kalimantan dan P. Sulawesi, dengan cadangan diperkirakan lebih dari 380 juta ton, serta pada umumnya terdiri dari jenis kalsium (Ca-bentonit) .Beberapa lokasi yang sudah dan sedang dieksploitasi, yaitu di Tasikmalaya, Leuwiliang, Nanggulan, dan lain-lain. Indikasi endapan Na-bentonit terdapat di Pangkalan Brandan; Sorolangun-Bangko; Boyolali.

Na-bentonit dimanfaatkan sebagai bahan perekat, pengisi (filler), lumpur bor, sesuai sifatnya mampu membentuk suspensi kental setelah bercampur dengan air. Sedangkan Ca-bentonit banyak dipakai sebagai bahan penyerap.Untuk lumpur pemboran, bentonit bersaing dengan jenis lempung lain, yaitu atapulgit, sepiolit dan lempung lain yang telah diaktifkan.

Dengan penambahan zat kimia pada kondisi tertentu, Ca-bentonit dapat dimanfaatkan sebagai bahan lumpur bor setelah melalui pertukaran ion, sehingga terjadi perubahan menjadi Na-bentonit dan diharapkan terjadi peningkatan sifat reologi dari suspensi mineral tersebut Agar mencapai persyaratan sebagai bahan lumpur sesuai dengan spesifikasi standar, perlu ada penambahan polimer. Hal itu dapat dilakukan melalui aktivasi bentonit untuk bahan lumpur bor.

Berbeda dengan Na-bentonit, Ca-ben-tonit tidak memiliki sifat mengembang yang baik sebab tidak adanya ion Na+ di dalam kesatuan sel pada kisi kristal montmorilonit. Pemakaian Ca-bentonit pada dasarnya sama dengan pemakaian lempung yang tergolong fuller’s earth, antara lain untuk lumpur pemboran, pencuci dan pembersih minyak bakar, minyak goreng, industri obat-obatan, kimia, kertas, keramik dan lainnya. Tetapi pemanfaatan yang utama adalah untuk pembuatan sodium bentonit sintetis, dan  bahan baku pembuatan lempung aktif.

Pemakaian Ca-bentonit untuk bahan pembuatan sodium bentonit lebih banyak keuntungan daripada jenis lempung lain, kecuali lempung asam, terutama saat penggerusan, penyaringan dan pengeringan. Ca-bentonit  memiliki sifat pertukaran ion yang baik dan menghasilkan produk sampingan yang berharga, yaitu bahan pemutih sintetis precipitated calcium carbonate (PCC).

Biasanya, bahan yang digunakan mempunyai kelembaban sekitar 33 % dan ukuran butir 5 cm. Bahan lalu dikeringkan hingga kelembaban antara 3-10 %, selanjutnya digerus dengan ukuran butir mencapai 90 – 100 mesh.

3.PengolahanBentonit

Hasil penggalian endapan bentonit dari tambang berupa bongkah-bongkah, (raw material) diangkut dengan truk ke pabrik untuk diolah melalui beberapa tahapan proses, yaitu penghancuran, pemanasan, penggilingan dan pengayakan.

3.1 Pengembangan  bentonit

Bentonit mempunyai sifat menyerap sebab ukuran partikel koloidnya  amat kecil dan memiliki kapasitas permukaan ion yang tinggi.Pengembangan bentonit disebabkan oleh adanya penggantian isomorphous pada lapisan oktohedral (Mg oleh Al) dalam menghadapi kelebihan muatan di ujung kisi-kisinya. Adanya gaya elektrostatis yang mengikat kristal pada jarak 4,5o dari permukaan cukup kuat untuk mempertahanan ion di per-mukaan unit-unitnya, dan tetap men-jaga unit itu tidak saling merapat.Bila dicampur air akan mengembang, maka jarak antara unit makin melebar dan lapisannya membentuk serpihan, serta memiliki permukaan luas jika dalam zat pengsuspensi.

3.2Aktivasi bentonit

Aktivasi bentonit  bertujuan untuk me-naikkan daya adsorpsi dan memperoleh sifat bentonit yang diinginkan.Montmorillonit memiliki struktur ber-tingkat dan kapasitas pertukaran ion yang aktif di bagian dasar.  Oleh karena itu, strukturnya dapat diganti seperti struktur bagian dasar, yaitu dengan penambahan asam agar terjadi penggantian ion-ion K+, Na+ dan Ca+2 dengan H+ dalam ruang interlamelar, dan akan melepaskan ion-ion Al+3, Fe+3

dan Mg+2 dari kisi strukturnya sehingga lempung lebih aktif.Aktivasi bentonit sangat dipengaruhi oleh konsentrasi asam. Biasanya dipakai asam

sulfat.  Faktor lain yang perlu diperhatikan adalah sifat dasar, distribusi ukuran pori, keasaman, dan nilai SiO2 atau Al2O3 dari endapan bentonit. Faktor-faktor tersebut tergantung juga pada komposisi mineral lempung bentonit dan cara aktivasi.

3.1.1 Aktivasi dengan pemanasanPada proses penjernihan minyak sawit dengan bentonit sebagai absorben

memperlihatkan bahwa bentonit mulai aktif menyerap warna pada suhu 80o – 130 oC. Tingkat kejernihan tidak begitu besar setelah suhu mencapai 140-150 oC, bahkan cenderung menurun. Pada proses pemucatan minyak kedele penghilangan warna minimum yang dilakukan pada suhu sekitar 100o C.

3.1.2 Pengaruh waktuPengontrolan minyak dengan tanah pemucat sangat dipengaruhi oleh waktu. Pada

kondisi suhu, tekanan, dan jumlah tanah pemucat yang sama menunjukkan bahwa hasil penghilangan warna maksimum pada temperatur tertentu, dan cenderung menurun bila kontak diperpanjang. Penurunan pemucatan karena daya serap lempung akan habis.

3.1.3 Pengaruh tekananProses penghilangan warna dari bahan pemucat dipengaruhi juga oleh luas permukaan

tanah pemucat yang dikontakkan dengan minyak. Dengan menurunkan tekanan pori-pori tanah pemucat sampai tekanan atmospir, bentonit akan terdeareasi, sehingga luas permukaan akan lebih besar. Tekanan yang umum dilakukan di industri-industri adalah 5,077 mm Hg.

3.3 Aktivasi bentonit untuk lumpur bor

Aktivasi bentonit untuk lumpur bor adalah proses merubah Ca-bentonit menjadi Na-bentonit dengan cara penambahan senyawa alkali, yaitu sodium karbonat (NaCO3) dan sodium hidroksida (NaOH). Dengan aktivasi ini diharapkan terjadi perubahan sifat hidrasi, dispersi, reologi, swelling, dan sifat lainnya dari bentonit, sehingga dapat digunakan untuk lumpur bor.

4. KetahananTermal

Daripenelitian yang dilakukanoleh(Teuku Rihayat dan Suryani 2010)[4]yangmenggunakansurfaktan PP-g-MA untukmengujiantaraPP murni (pure PP) dan PP/ claynanokomposit (1, 3 dan 5 % berat) yang ditunjukkanolehKurva analisa Thermogravimetric analysis (TGA)padaGambar 1. Lajudegradasidarikeseluruhan PP/clay nanokompositlebihlambatjikadibandingkandengan PP murni.Hasilinimenyatakanadanyapeningkatankestabilan thermal dari PP karena clay memiliki material anorganik yang mencegah proses percepatanpemanasan yang mengakibatkanpembatasanpergerakandegradasiselnajutnya. Temperatur onset pada PP/clay nanocomposit 1% terjadipadatemperatur 351oC sedangkan PP/clay nanocomposit 5% padatemperatur 375oC yang menunjukkanbahwananokomposit 5% ketahananthermalnyalebihbaikjikadibandingkandengan yang 1%.

Gambar 1 Kurva TGA dari PP murni dan PP/ Clay Nanokomposit 1, 3, 5 % berat[4]

5. Efeksuhupembakaranterhadapkekuatan clay

(M. Abdullah 2009)melakukanrisetdenganmengggunakanperpaduan clay denganbubukkarbondaritempurungkelapa.Hasilpenelitiantersebutditunjukkanpadagambar 2, semua kurva tersebut tampak bahwa kekuatan keramik mula-mula meningkat dengan bertambahnya fraksi karbon, kemudian menurun setelah mencapai kekuatan maksimum pada fraksi karbon sekitar 0,05 – 0,1 w/w.Tanpa karbon, ruang antar partikel clay berupa ruang kosong. Gaya ikat yang terbentuk hanya gaya ikat antar partikel clay. Dengan menambahkan sedikit karbon, partikel-partikel karbon mulai mengisi ruang antar partikel clay. Akibatnya muncul ikatan baru yang bekerja pada partikel clay, yaitu ikatan antara partikel clay dan ikatan antara partikel clay dan partikel karbon. Jika karbon ditambah lebih lanjut maka makin banyak terbentuk ikatan antara partikel clay dan partikel karbon sehingga kekutan keramik makin meningkat. Dari semua data pengamatan pada tampak jelas bahwa kekuatan maksimum (puncak dari kurva stress) bertambah dengan meningkatnya suhu. Dalam rentang suhu percobaan antar 500oC sampai 900oC diperolehbahwa kekuatan maksimum dicapai pada suhu 900oC. Peningkatan suhupada pembakaran lebih lanjut di atas 900oC tidak dilakukan karena suhu 900oC adalah suhu yang biasa digunakan para pengrajin keramik tradisional untuk membakar keramik. Yang menjadipoin adalah bagaimana mereduksi suhu pembakaran keramik hingga di bawah 900 oC.

Gambar 2Kekuatan clay yang dibuatpadaberbagaisuhupembakaran(a) 500 C, (b) 600 C, (c) 750 C, dan (d) 900 C[3]

Referensi

[1] Syuhadadkk, Modifikasi Bentonit (Clay) menjadi Organoclay dengan PenambahanSurfaktan, Jurnal Nanosains & NanoteknologiISSN 1979-0880, 2009.[2] Roseno, Setodkk, Sintesis dan Karakterisasi Organoclay Sebagai Penguat MaterialNanokomposit Berbasis Lempung Lokal, LIPI, 2007.[3] Abdullah, M. dkk, Sintesis Keramik Berbasis Komposit Clay-Karbon dan KarakterisasiKekuatan Mekaniknya, Jurnal Nanosains & NanoteknologiISSN 1979-0880, 2009.[4] Rihayat, Teukudkk, Pengolahan dan Pengujian Sifat Termal Polipropilen – ClayNanokomposit, Seminar Teknik Kimia Soehadi Reksowardojo 2010, 2010.