Polimer Komposit Apri Heri Iswanto Jurusan Kehutanan Fakultas Pertanian Universitas Sumatera Utara
PENDAHULUAN Seiring dengan laju pertumbuhan penduduk yang semakin pesat, kebutuhan akan kayu sebagai bahan bangunan semakin meningkat. Kondisi hutan yang ada sekarang ini sulit untuk memenuhi peningkatan permintaan kebutuhan kayu tersebut. Dari data Forest Watch Indonesia dikemukakan bahwa laju pengurangan hutan di Indonesia sekitar 2 juta hektar/tahun. Beberapa alternatif telah dikembangkan dalam rangka mengatasi hal tersebut. Dengan memanfaatkan perkembangan teknologi telah diciptakan produk-produk turunan dari kayu seperti papan partikel, papan semen, papan serat, complay, dll. PAPAN PARTIKEL Maloney (1993) mengemukakan bahwa papan partikel adalah salah satu jenis produk komposit/panel kayu yang terbuat dari partikel-partikel kayu atau bahan-bahan berlignoselulosa lainnya, yang diikat dengan perekat atau bahan pengikat lain kemudian dikempa panas. Dikemukakan juga bahwa berdasarkan kerapatannya, papan partikel dapat dibagi kedalam 3 golongan yaitu: a. Papan partikel berkerapatan rendah (Low Density Particleboard), yaitu papan mempunyai kerapatan kurang dari 0,4 g/cm3 b. Papan partikel berkerapatan sedang (Medium Density Particleboard), yaitu papan partikel yang mempunyai kerapatan antara 0,4-0,8 g/cm3 c. Papan partikel berkerapatan tinggi (Hight Density Particleboard), yaitu papan partikel yang mempunyai kerapatan lebih dari 0,8 g/cm3 Beberapa faktor yang mempengaruhi sifat papan partikel antara lain: a. Jenis kayu b. Tipe bahan baku c. Tipe partikel d. Binder Resin yang umum digunakan dalam komposisi papan adalah Urea Formaldehyde (UF) dan Phenol Formaldehyde (PF). PF cocok dipakai untuk produk tipe eksterior, sedangkan UF disukai karena murah, mudah penanganannya dan cepat mengeras ketika dikempa. USA mensyaratkan penggunaan jenis resin untuk papan, pada resin urea dipakai 6-10%, sedangkan liquid phenol 5-7%. Melamin resin atau kombinasi MelaminUrea resin dapat dipakai untuk membuat produk yang tahan terhadap cuaca, sedangkan Melamin-Phenolic digunakan di Eropa untuk tipe papan eksterior. e. Jumlah dan distribusi lapisan f. Aditif Aditif dapat ditambahkan pada pembuatan papan. Aditif yang banyak digunakan yaitu parafin untuk menghasilkan papan yang tahan terhadap penyerapan air. Konsentrasi normal yang digunakan yaitu 0,5-1%. Pada Hardboard, aditif oil based digunakan untuk tempering. Bahan aditif lain yang juga dapat ditambahkan yaitu fire reterdant.
1 e-USU Repository ©2005 Universitas Sumatera Utara
g. Kadar air lapik h. Pelapisan partikel i. Profil kerapatan j. Particle Alignment Partikel seperti fiber dan flake dapat diatur arahnya untuk menghasilkan panil dengan bending strength dan stiffnes yang tinggi. Dua rasio yang harus dimengerti ketika mempertimbangkan orientasi yaitu pertama Slenderness Ratio yang merupakan rasio panjang terhadap tebal. Suatu partikel dengan rasio > 1 akan memiliki panjang lebih besar dari tebalnya. Yang kedua Aspect Ratio yaitu rasio panjang terhadap lebar. POLIMER Pada umumnya kelemahan papan partikel sebagai bahan bangunan adalah stabilitas dimensinya yang rendah sehingga kebanyakan hanya dipakai sebagai interior. Dalam rangka mengatasi kelemahan tersebut dilakukan beberapa pengembangan penelitian dengan menggunakan perekat termoplastik seperti Polyprophylene (PP). Polyethylene (PE) dan Polystyrene (PS). Polyolefin termasuk kedalamnya Polyprophylene (PP), Polyethylene (PE), Low Density Polyethylene (LDPE), High Density Polyethylene (HDPE) dan Polystyrene (PS) merupakan resin termoplastik yang biasa digunakan dalam kehidupan sehari-hari baik sebagai pembungkus maupun komoditi lain. Menurut Osswald dan Menges (1996) dalam Mulyadi (2001), secara garis besar plastik dapat dibedakan atas dua tipe, yaitu plastik yang bersifat Thermoplastic dan plastik yang bersifat Thermoset. Thermoplastic adalah plastik yang dapat dilunakkan berulang kali (recycling) dengan menggunakan panas. Thermoplastic merupakan polimer yang akan menjadi keras apabila didinginkan. Jika dipanaskan, material ini memiliki kemampuan untuk mengalir atau mencair kembali. Polymer thermoplatic dapat dibagi menjadi dua kelas utama yaitu polimer amorphous dan semi crystalline. Sebaliknya polimer semi-crystalline, penelitian sinar X terhadap polimer menunjukkan bahwa dalam bahan polimer terdapat daerah yang di dalamnya rantai-rantai polimer tersusun secara teratur. Di atas suhu pelelehan bagian semi-crystalline akan berubah menjadi cairan yang kental sehingga memungkinkan polimer mampu mengalir. Dengan demikian polimer ini dapat dibentuk dengan teknik yang biasa dipakai untuk thermoplastic. Misalnya ketika polimer melunak, dapat disuntikkan kedalam pencetak dan dibiarkan mengeras untuk membentuk barang yang diinginkan. Akan tetapi manakala polimer telah mendingin, bahan akan mempunyai kekenyalan karena ditengah rantainya terdapat bagian amorphous, tetapi ujung rantainya berkristal contohnya High Density Polyethylene (HDPE), Low Density Polyethylene (LDPE), Polyprophylene (PP), polyamide dan polytetrafluoroethylene (Cowd,1991; Osswald dan Menges, 1996 dalam Mulyadi, 2001). Menurut Shields (1970) dalam Gunara (1993) disebutkan bahwa perekat thermoplastic secara garis besar dapat dibedakan menjadi dua yaitu perekat thermoplastic yang berupa resin dan perekat thermoplastic dengan bahan dasar karet. Perekat thermoplastic resin seperti polyamide, vinyl, polymer acrylic dan turunan lain dari selulosa atau berasal dari produk alami seperti resin, shellak, oleoresin dan lilin mineral. Sedangkan perekat thermoplastic dengan bahan dasar rubber (karet) adalah karet alam dan elastomer sintetis seperti polychloroprene (neoprene), butyl, styrene-butadine dan acrylonitrile-butadine. Gillsepie (1984) dalam Gunara (1993) menyatakan bahwa perbedaan kadar resin perekat memberikan pengaruh yang sangat nyata terhadap sifat-sifat mekanik bahan yang
2 e-USU Repository ©2005 Universitas Sumatera Utara
direkat. Semakin tinggi kadar resin suatu perekat, semakin tinggi nilai Modulus of Elasticity (MOE) dan Modulus of Rupture (MOR) dari bahan yang direkat setelah dilakukan pengujian keteguhan rekat. Namun Haygreen dan Bowyer (1996) mengemukakan bahwa untuk alasan ekonomis tidak diinginkan untuk menggunakan perekat yang lebih banyak daripada yang diperlukan untuk memperoleh sifat-sifat yang di inginkan. Ogorkiewicz (1970) dalam Gunara (1993) mengatakan bahwa sifat mekanik dari bahanbahan thermoplastic dipengaruhi oleh beberapa faktor diantaranya temperatur, waktu pembuatan, lingkungan dan bahan penyusun. Peningkatan temperatur dan waktu pembebanan yang semakin lama cenderung menurunkan tegangan yang dihasilkan. Demikian juga halnya dengan kondisi lingkungan yang tidak sesuai, seperti kehadiran zat-zat kimia tertentu akan mereduksi keteguan mekanik dari bahan-bahan thermoplastic. Pada tahun 1955 Professor Natta dalam Mulyadi (2001) menemukan bahwa dengan menggunakan katalis Ziegler Natta, polymer khas ruang (stereospesific) prophylene dapat dihasilkan dengan keteraturan tinggi dalam konfigurasi polimernya. Polyprophylene termasuk jenis plastik olefin dan merupakan polimer dari propylene. Dikembangkan sejak tahun 1950 dengan berbagai nama dagang seperti : bexphane, dynafilm, luparen, escon, ole fane, profax. Bost (1980) dalam Syarief et al. (1989) menyatakan bahwa sifat-sifat utama dari Polyprophylene yaitu 1. Ringan ( Kerapatan 0,9 g/cm3), mudah dibentuk, tembus pandang dan jernih dalam bentuk film. 2. Mempunyai kekuatan tarik lebih besar dari Polyethylene (PE). Pada suhu rendah akan rapuh, dalam bentuk murni pada suhu –300C mudah pecah sehingga perlu ditambahkan Polyethylene atau bahan lain untuk memeperbaiki ketahanan terhadap benturan. 3. Lebih kaku dari PE dan tidak gampang sobek sehingga lebih mudah dalam penanganannya. 4. Permeabilitas uap air rendah, permeabilitas gas sedang 5. Tahan terhadap suhu tinggi sampai dengan 1500C 6. Titik lelehnya cukup tinggi pada suhu 1700C 7. Tahan terhadap asam kuat, basa dan minyak. Tidak terpengaruh oleh pelarut pada suhu kamar kecuali HCl 8. Pada suhu tinggi Polyprophylene akan bereaksi dengan benzene, siklena, toluena, terpentin dan asam nitrat kuat. Karakteristik Polyprophylene menurut Bost (1980) dalam Syarief et al. (1999) adalah sebagai berikut :
3 e-USU Repository ©2005 Universitas Sumatera Utara
Tabel 1. Karakteristik Polyprophylene Deskripsi
Polyprophylene
Densitas pada suhu 20 C (gr/cm3)
0,90
Suhu melunak (0C)
149
0
Titik lebur ( C)
170
Kristalinitas (%)
60-70
Indeks fluiditas
0,2-2,5 2
Modulus of elasticity (kg/cm )
11000-13000
Tahanan volumetrik (Ohm/cm2)
1017
Konstanta dielektrik (60-108 cycles)
2,3
Permeabilitas gas
-
Nitrogen
4,4
Oksigen
23
Gas karbon
92
Uap air
600
ADITIF Polyolefin bersifat hidrofobik dan non polar, jika digunakan sebagai perekat pada papan partikel diharapkan dapat memperbaiki sifat fisis dan mekanis produk yang dihasilkan. Di lain hal kayu bersifat hidrofilik dan polar, sehingga penggabungan kedua hal tersebut akan menghasilkan produk yang tidak kompak dan memiliki sifat mekanis kurang baik. Untuk mengatasi perlu penambahan bahan aditif (compatibilizer dan inisiator) dalam pembuatan papan partikel dari kedua jenis bahan yang berbeda sifatnya ini. Aditif dapat meningkatkan ikatan antara thermoplastic dan komponen kayu (Youngquist. 1999). Febrianto et al. (1999) menyatakan bahwa pada Polyprophylene dapat ditambahkan compatibilizer (bahan untuk meningkatkan kekompakan) untuk membentuk ikatan antara pengisi (tepung kayu) dengan perekat. Dari Scaning Electron Micrograph memperlihatkan patahanpatahan tarikan pada komposit yang dibuat dari tepung kayu dan plastik tanpa compatibilizer, tepung kayu cenderung menggumpal seperti bundelan dan penyebarannya tidak merata keseluruh perekat. Umumnya terbentuk lubang dan jarak disekitar serat dan serat seperti tertarik-tarik. Ini mengindikasikan adhesi yang rendah, kesesuaian (compatibility) yang rendah, miskin kontak dan transfer tegangan antara fase yang lebih rendah. Afiniti dan adhesi antara thermoplastik dan kayu sangat rendah, sehingga untuk mengatasi hal ini diberikan suatu compatibilizer untuk material polimer. MAH dapat diberikan pada polymer seperti Polyprophylene, Polyethylene (PE), Acrylonitrile Butadine Styrene copolymer (ABS) untuk membentuk modifikasi polimer MAH dengan kehadiran peroxide. Gaylord dan Metha (1982) mengemukakan beberapa jenis inisiator yaitu Dicumyl peroxide (DCP), Tert-Butyl Peroxy Benzoat, Benzoyl Peroxide (BP) dan Dimethyl Formamide (DMF). Kemudian Takase, dkk (1989) mengemukakan bahwa ada beberapa macam katalis yaitu Maleic anhydride (MAH), Glycidylmethacrylate (GMA), serta Hydroxyethylmethacrylate (HEMA). Menurut Bremner (1993), bahwa peroxide organik memiliki peranan penting sebagai inisiator dari mekanisme degradasi radikal bebas dalam Polyethylene untuk memodifikasi struktur dan
4 e-USU Repository ©2005 Universitas Sumatera Utara
sifat polimer. Satu dari sekian banyak peroxide yang terkenal yaitu Dicumil peroxide (DCP). DCP sangat efektif dalam mengintroduksi cabang rantai panjang menjadi linier polyethylene. Pada konsentrasi rendah mampu dengan baik mengubah distribusi berat molekuler. Pada konsentrasi tinggi menyebabkan terjadinya ikatan silang Polyethylene. Peran DCP disini adalah sebagai inisiator pada reaksi maleoylation antara rantai Polyprophylene dengan maleic group dari Maleic anhydride. Febrianto (1999) mengemukakan bahwa DCP sebagai inisiator memiliki karakteristik seperti dapat bereaksi pada suhu tinggi (1800C), memiliki sensitivitas oksigen yang rendah dibandingkan dengan peroxide group carboxyl serta sensitif pada asam. Tensile strength, breaking elongation dan modulus young dari komposit meningkat seiring dengan peningkatan konsentrasi radikal inisiator dalam hal ini DCP yang optimal. Han (1990), mengemukakan bahwa inisiator diperlukan dalam pembuatan papan partikel berbahan baku limbah serbuk kayu dan limbah plastik Polyprophylene, karena tanpa adanya inisiator maka kinerja dari compatibilizer dalam hal ini Maleic anhydride hanya bisa terjadi reaksi esterifikasi dengan gugus OH dari serbuk gergaji sedangkan reaksi maleoylasi dengan Polyprophylene tidak terjadi. Menurut Gaylord and Maiti (1973), Maleic Anhydride (MAH) berhasil dipolimerisasikan dibawah pengaruh sinar gamma, sinar ultraviolet yang dihasilkan dari photosensitizer, getaran gelombang, katalis radikal bebas berkonsentrasi tinggi dan piridin tipe dasar. Gaylord and Metha (1982) mengemukakan bahwa katalis radikal heterogen sambungan kopolimerisasi dari MAH pada suspensi LDPE didalam Anhydryde acetat menghasilkan ikatan silang MAHKandungan film LDPE yang siap menghasilkan pasangan PE makroradikal dengan Poly-MAH radikal. Hal ini telah terbukti bahwa kation intermediet berperan besar dalam katalis radikal dan pelarutan homopolymerisasi dari MAH. Han (1990) mengemukakan bahwa MAH yang memodifikasi Polyprophylene (MPP) dikatakan sebagai compatibilizer. Dari suatu pengamatan bahwa MPP yang berperan sebagai compatibilizer didalam komposit rupanya terlokalisir pada interface antara Refine Ground Pulp (RGP) yang merupakan filler dan matriks polymer (PP) sehingga meningkatkan adhesi antara dua bagian tersebut. Ikatan kimia antara MPP dan RGP yang terbentuk akan berperan penting dalam meningkatkan sifat mekanikal komposit Peranan MAH menyebabkan terjadinya ikatan silang (esterifikasi) dengan gugus OH pada serbuk gergaji, sedangkan reaksi antara Maleic anhydride dengan Polyprophylene akan menghasilkan reaksi Maleoylation.
BEBERAPA PENELITIAN POLIMER KOMPOSIT Beberapa penelitian mengenai pembuatan papan partikel dari limbah serbuk gergaji dan plastik Polyprophylene daur ulang ini telah dilakukan oleh Mulyadi (2001), putri (2002), dan Iswanto (2002). Dari penelitian tersebut diperoleh hasil sebagai berikut:
5 e-USU Repository ©2005 Universitas Sumatera Utara
Tabel 2. Perbandingan sifat fisis-mekanis papan partikel dari limbah serbuk kayu sengon dan Polyprophylene daur ulang dengan standar JIS A 5908 (1994) No
Parameter sifat fisis- mekanis
Papan partikel standar JIS A 5908 (1994)
Papan partikel dengan (WF/PP): 50/50(%), 20 mesh
1
Kerapatan (kg/cm3)
0,4-0,9
0,73
2
Kadar air (%)
5-13
4,00
3
Daya serap air (%)
-
8,50
4
Pengembangan tebal (%)
Maks 12
1,60
5
MOR (kg/cm2)
Min 82
79,68
6
2
MOE (Kg/cm )
Min 20400
9291
7
Internal bond (Kg/cm2)
Min 1,5
5,25
8
Kuat pegang sekrup (Kg)
Min 31
43
Keterangan : WF = Wood Flour Sumber: Mulyadi (2001) Tabel 3. Perbandingan sifat fisis-mekanis papan partikel dari limbah serbuk kayu sengon dan Polyprophylene daur ulang menggunakan compatibilizer dengan standar JIS A 5908 (1994) No
Parameter sifat fisismekanis
1
Kerapatan (kg/cm3)
0,4-0,9
0,77
2
Kadar air (%)
5-13
1,37
3
Daya serap air (%)
-
7,92
4
Pengembangan (%)
Maks 12
2,07
Min 82
95,03
Min 20400
11141,14
Min 1,5
3,30
Min 31
78,90
5
tebal
Papan partikel standar JIS A 5908 (1994)
Papan partikel pada level konsentrasi MAH 6%
2
6 7 8
MOR (kg/cm ) MOE (kg/cm2) Internal bond (kg/cm2) Kuat (kg)
pegang
sekrup
Sumber: Putri (2002)
6 e-USU Repository ©2005 Universitas Sumatera Utara
Table 4. Sifat Fisis Papan Partikel Pada Berbagai Tingkat Konsentrasi Dicumyl Peroxide (DCP) Parameters 0 0.72 1.10 4.97 17.74 1.13 1.77
3
Density (g/cm ) Moisture content (%) Water arbsoption 2H (%) Water arbsoption 24H (%) Thickness swelling 2H (%) Thickness swelling 24H (%) Sumber: Iswanto (2002)
DCP Concentration (%) 5 10 15 20 0.68 0.74 0.72 0.74 1.05 0.94 0.82 0.97 3.33 2.89 2.43 2.92 13.32 10.93 8.34 8.93 0.91 0.58 0.42 0.97 1.43 1.04 0.69 1.19
25 0.74 1.03 3.91 11.41 1.11 1.42
Tabel 5. Sifat Mekanis Papan Partikel Pada Berbagai Tingkat Konsentrasi Dicumyl Peroxide (DCP) Parameters Modulus of rupture (kg/cm2) Modulus of elasticity) (kg/cm2) Internal bond (kg/cm2) Kuat Pegang Sekrup (kg/cm2) Sumber: Iswanto (2002)
0 70.75 8886 1.07 35
DCP concentration (%) 5 10 15 20 93.25 107.44 125.62 101.25 9563 12760 15352 12047 1.54 1.87 3.47 2.42 57.8 61.4 67.6 64.2
25 80.00 9171 1.45 48.2
Dari hasil pengembangan teknologi papan partikel ini diharapkan bahwa papan partikel yang semula hanya dipergunakan sebagai produk interior dapat berubah fungsi menjadi produk ekstrerior sehingga dapat mensubstitusi kebutuhan kayu sebagai bahan konstriksi. Daftar Pustaka Bremner, T and A. Rudin. 1993. Peroxide Modification ofLinier Low-Density Polyethylene: a comparison of Dialkyl Peroxides. J.Appl.Polym, sci:49: 785-798 Cowd, M.A. 1991. Kimia Polimer. Diterjemahkan oleh Drs. Harry Firman, M.Pd. Penerbit ITB. Bandung. Febrianto, F. 1999. Preparation and Properties Enhancement of Moldable Wood –Biodegradable Polymer Composites. Doctoral Dissertation Graduate School of Agriculture, Kyoto University. Not Published Febrianto, F. M.Yoshooka, Y. Nagai, M. Mihara and N. Shiraishi. 1999. Composites of Wood and Trans-1,4-Isoprene Rubber: Mechanical, Physical and Flow Behavior. J. Wood Sci:45: 38-45 Gaylord, NG and S. Maiti. 1973. Participation of Excitid Species in Radical Catalyzed Homopolymerization of Maleic Anhydride. J. Polym. Sci. Polym Letter Ed: 11:253-256 Gaylord, NG ang M. Metha. 1982. Role of Homopolymerization in The Peroxydecatalyzed Reaction of Maliec Anhydride and Polyethylene in The absence of solvent. Ibid 20:481-486
7 e-USU Repository ©2005 Universitas Sumatera Utara
Gunara, N. 1993. Pengaruh Berat Labur Beberapa Perekat Termoplastik terhadap Keteguhan Rekat Kayu Perupuk (Lophopetalum Spp). Skripsi fakultas Kehutanan IPB. Tidak Dipublikasikan Han, Gyu-Seong. 1990. Preparation and Physical Properties of Moldable Wood-plastic Composites. Doctoral dissertation Graduate School of Agriculture, Kyoto University. Not Published Haygreen, J.G dan J.L Bowyer. 1989. Hasil Hutan dan Ilmu Kayu: Suatu Pengantar. Diterjemahkan oleh Dr. Ir. Sutjipto A. Hadikusumo. Gajah Mada University Press. Yogyakarta Iswanto, A.H. 2002. Peningkatan Mutu Papan partikel Dengan Menggunakan Dicumyl Peroxide (DCP) Sebagai Inisiator. Skripsi Fakultas Kehutanan IPB. Tidak dipublikasikan Maloney, T.M. 1993. Modern Particle Board and Dry Process Fiberboard Manufacturing. Miller Freeman, inc Sanfransisco Mulyadi. 2001. Sifat-Sifat Papan Partikel Dari Limbah Kayu dan Plastik. Skripsi Fakultas Kehutanan IPB. Tidak dipublikasikan Putri, M.D. 2002. Peningkatan Mutu Papan Partikel Dari Limbah Serbuk Gergaji Kayu Sengon (Paraserianthes falcataria) dan Limbah Plastik Polyprophylene: Peranan Maleic Anhydride Sebagai Compatibilizer. Skripsi Fakultas Kehutanan IPB. Tidak Dipubikasikan Syarief, R; Santausa, S dan Isyana, St. 1989. Teknologi Pengemasan Pangan. Laboratorium Rekayasa Proses Pangan. PAU Pangan dan Gizi. IPB, Bogor Takase. S, Shiraishi. N. 1989. Studies on Composite from Wood and Polyprophylene II. J. Appl Polym sci: 37 : 645-659 Youngquis. 1999. Wood-Based Composites and Panel Product. Wood Hand Book : Wood as an Engineering Material. Forest Product Society, USA
8 e-USU Repository ©2005 Universitas Sumatera Utara
