79531218 Aplikasi Biokomposit Sebagai Particleboard

S-2 TEKNIK METALURGI DAN MATERIAL UNIVERSITAS INDONESIA

Biokomposit

Aplikasi Biokomposit sebagai Particleboard

M.Ekaditya Albar - 0806331683

Desember 2011

CONFI

DENTA

L

2

Universitas Indonesia

Aplikasi Biokomposit sebagai Particleboard

1. Biokomposit

Semakin meningkatnya kebutuhan manusia di berbagai aspek kehidupan

membuat berbagai pengamat lingkungan khawatir dengan semakin tingginya

penggunaan bahan-bahan berbasis plastik (petroleum based materials) yang

sudah diketahui selama ini sangat sulit terurai oleh lingkungan. Dengan adanya

permasalahan tersebut, muncul berbagai ide tentang penggunaan biobased

material untuk menggantikan material berbasis plastik tersebut. Penggunaan

material yang berbasis alam atau alami ini tidak lain karena melimpahnya

berbagai sumber material tersebut di sekitar kita. Penggunaan material berbasis

alam atau alami ini juga sekaligus mendukung program green energy yang

diharapkan bisa meminimalisasi penggunaan energi (hemat energi) sekaligus

mengurangi limbah dan emisi CO2 di lingkungan sekitar. Penggunaan material

yang berasal dari alam ini juga dapat mengembangkan sektor pertanian yang

merupakan mata pencaharian utama di negara-negara Asia, terutama Indonesia.

Salah satu material yang termasuk biobased material dan mengalami

perkembangan pesat saat ini adalah material biokomposit.

Komposit merupakan material yang mengandung dua jenis atau lebih

material atau fasa yang ketika dipadukan memiliki sifat yang sangat berbeda

dengan sifat material-material penyusunnya secara individual. Secara umum,

komposit mengandung penguat sebagai fasa yang kaku, kuat, biasanya

berbentuk serat dan melekat dengan matriks. Matriks sendiri merupakan fasa

yang lebih lemah dibandingkan dengan fasa penguat (reinforce). Fungsi

keberadaan matriks dalam komposit adalah mentransmisikan beban yang

diberikan melalui mekanisme tegangan geser pada antarmuka (interface) ke

arah penguat dan melindungi fasa penguat tersebut dari pengaruh lingkungan

dan kerusakan mekanis[1-2]

.

Biokomposit adalah kombinasi dari serat alam (biofibers) seperti serat

kayu (kayu keras atau lunak) atau serat selain kayu (serat gandum, kenaf, rami,

goni, sisal dan flax) dengan matriks yang biasanya terbuat dari polimer[3]

.

Berdasarkan pengertian tersebut, biofibers merupakan komponen penting dari

CONFI

DENTA

L

3


material biokomposit. Material yang berserat ini merupakan turunan dari serat

pohon, tumbuhan atau semak-semak sehingga disebut biofibers. Komposit

alam atau biofibers saat ini berperan sebagai material alternatif dari komposit

serat gelas (glass fiber composite). Biofibers ini terus berkembang pesat

sebagai aditif pada material termoplastik[4]

. Pengembangan terhadap material

biokomposit ini terus berkembang terutama riset mengenai antarmuka

(interface) biokomposit, desain biokomposit, proses fabrikasi biokomposit dan

proses karakterisasinya.

Aplikasi biokomposit secara umum sudah banyak digunakan sejak lama.

Biokomposit paling banyak digunakan pada bidang medis atau kesehatan

dimana biokompatibitas menjadi isu penting dari material ini. Selain bidang

medis, biokomposit juga banyak digunakan pada bidang industri bangunan,

industri struktural dan non-struktural[5]

. Penggunaan serat alam dalam berbagai

aplikasi tersebut disesuaikan dengan kekuatan mekanis (stiffness dan tensile

strength) dari masing-masing serat alam sesuai kebutuhannya. Kriteria

pemilihan serat alam sebagai penguat pada biokomposit adalah sebagai

berikut[6]

:

Elongasi saat failure

Stabilitas termal

Adhesi antara serat dan matriks

Dynamic behavior

Long time behavior

Harga dan ongkos produksi

2. Keunggulan dan Kekurangan Biokomposit

Keunggulan penggunaan biokomposit (biofibers) dalam beberapa aplikasi

seperti yang telah disebutkan sebelumnya sebagai pengganti komposit serat

gelas (glass fiber composite) adalah sebagai berikut[5]

:

Aspek lingkungan

Serat tumbuhan merupakan sumber energi yang terbarukan. Proses

produksinya pun membutuhkan energi yang lebih rendah. Serat alam juga

tidak mengemisikan CO2 serta mudah untuk diolah kembali.

CONFI

DENTA

L

4


Aspek biologi

Serat alam merupakan produk organik sehingga kemungkinan iritasi

terhadap kulit saat dipakai sangat kecil. Hal ini berbeda dengan penggunaan

serat gelas yang kadang dapat menimbulkan iritasi saat digunakan.

Aspek produksi

Serat alam bersifat non-abrasif dan memiliki sifat mampu bentuk

(formability) yang baik.

Aspek berat (weight)

Serat alam memiliki berat yang lebih ringan dibandingkan serat kaca

(kerapatan massa serat alam setengah dari kerapatan massa serat gelas).

Aspek ekonomi

Serat alam memiliki harga yang lebih murah jika dibandingkan dengan serat

gelas.

High specific strength

Tabel 1. Perbandingan kekuatan mekanis serat alam dengan serat buatan[5,7]

Jenis serat Modulus Young (GPa) UTS (MPa) Strain to Failure (%)

E-Glass 76 2000 2.6

HS carbon 230 3400 3.4

KevlarTM 130 3000 2.3

Flax 50 - 70 500 - 900 1.3 - 3.3

Hemp 30 - 60 310 - 750 2 - 3

Jute 27.6 393 773 1.7 1.8

Serat alam yang digunakan sebagai biokomposit ini juga memiliki beberapa

kekurangan, seperti[3]

:

Dimensional instability

Adanya perubahan dimensi, terutama pada ketebalan dan koefisien ekspansi.

Moisture absorption

Biokomposit umumnya menyerap kelembaban yang berasal dari

lingkungannya. Hal ini dikarenakan adanya gugus hidroksil dan oksigen

sehingga moisture dapat terikat melalui ikatan hidrogen.

CONFI

DENTA

L

5


Biological resistance

Proses biodegradability dari biokomposit terkait dengan adanya organisme

yang memiliki enzim khusus untuk menghidrolisis rantai karbon yang

terkandung dalam polimer dari biokomposit.

Ultraviolet resistance

Adanya degradasi oleh sinar ultraviolet pada produk-produk biokomposit

yang digunakan secara outdoor. Hal ini dikarenakan adanya lignin yang

berhubungan dengan pemudaran warna.

Fire resistance

Biokomposit biasanya ditambahkan dengan fire retardant pada dinding

serat alam agar memiliki ketahanan terhadap api.

3. Aplikasi Biokomposit sebagai Particleboard

Particleboard adalah produk panel komposit yang mengandung partikel

selulosa dengan berbagai ukuran yang terikat dengan resin sintetik atau binder

di bawah pengaruh suhu dan tekanan[8]

. Particleboard merupakan salah satu

jenis biokomposit non-struktural dimana komposit jenis ini tidak menanggung

beban saat digunakan. Particleboard merupakan salah satu dari tiga jenis panel

yang ada selain fiberboard dan mineral-bonded panels [5]

. Standar produk dan

sertifikasi dari produk particleboard diatur dalam ANSI A208.1. Standar ini

mengklasifikasikan particleboard berdasarkan kerapatan massanya,

kekuatannya, karakteristik dimensinya serta sifat fisik dan mekanisnya[8]

.

Gambar 1. Particleboard dan tekstur permukaannya [8]

Geometri dari partikel, kualitas resin, kerapatan massa dari board dan

proses manufaktur sangat mempengaruhi hasil particleboard beserta

penggunaannya. Dalam beberapa kasus, adanya penambahan aditif untuk

meningkatkan performance dari particleboard seperti stabilitas dimensi,

CONFI

DENTA

L

6


meningkatkan ketahanan terhadap api dan ketahanan terhadap moisture.

Particleboard banyak digunakan sebagai furniture, floor underlayment, home

construction, cabinet, stair threads, shelving, table tops, vanities, speakers,

sliding doors, lock blocks, interior signs, displays, table tennis, pool tables,

electronic game consoles, paneling, kitchen worktops, dan beberapa produk

lainnya [9-10]

.

Gambar 2. Aplikasi particleboard pada furniture rumah tangga [8]

Particleboard umumnya terbuat dari partikel kayu seperti wood chips,

hasil sisa gergaji, atau bahkan debu gergaji. Pada awalnya, particleboard

digunakan sebagai pengganti dari kayu konvensional dan kayu tripleks karena

lebih murah dan ringan. Kekurangan dari particleboard adalah terlalu mudah

mengalami ekspansi dan discoloration karena pengaruh moisture, khususnya

apabila particleboard tidak dilapisi dengan suatu pelapis.

Terus berkembangnya permasalahan keterbatasan keberadaan hutan di

muka bumi menyebabkan mulai banyaknya industri yang tertarik untuk

menggunakan sisa-sisa pertanian sebagai bahan baku particleboard untuk

menggantikan serat kayu[11]

. Serat gandum mengandung serat dengan jumlah

yang banyak dan memiliki potensi untuk menggantikan kayu dalam proses

fabrikasi particleboard. Keuntungan penggunaan serat gandum sebagai

particleboard adalah karena kekakuan, kekuatan, lebih bersifat insulatif dan

low cost [12]

.

Jenis resin yang banyak atau umum digunakan sebagai adhesif adalah urea

formaldehyde (UF), phenol formaldehyde (PF), dan methylene diphenyl

diisocyanate (MDI)[13]

. Namun, semakin ketatnya regulasi mengenai

penggunaan produk yang mengandung formaldehyde[14]

dan keterbatasan

sumber petrokimia menyebabkan mulai munculnya berbagai adhesif yang

berasal dari sumber yang terbarukan. Protein kacang kedelai mulai

CONFI

DENTA

L

7


dipertimbangkan sebagai solusi dari penggunaan binder berbasis petroleum

karena jumlahnya yang melimpah, mampu diperbarui, biodegradability dan

sifat feasibility. Adhesif yang berasal dari kacang kedelai ini sendiri merupakan

bahan utama dalam pembuatan tripleks (plywood). Protein kedelai ini saat ini

mulai bisa menggantikan peran resin UF atau PF untuk mengurangi emisi dari

formaldehyde pada proses pembuatan particleboard. Performa dari adhesif ini

bergantung pada dispersi dan rentangan (unfolding) dari protein ini di dalam

solution. Adanya rentangan dari protein ini dapat meningkatkan area kontak

dan interaksi dengan substrat[15]

.

Berbagai proses finishing juga diperlukan untuk mendapatkan

particleboard dengan kualitas yang melebihi papan konvensional. Salah satu

proses treatment terhadap particleboard adalah dengan melakukan overlaying

atau coating dengan cat, tinta, varnish, veneers, laminates, impregnated papers

dan foils. Tujuan utama pelapisan ini adalah untuk mengurangi absorpsi dari air

dan kelembaban[16]

. Salah satu penelitian yang membahas masalah treatment

ini dilakukan oleh Gokay Nemli et al untuk mengetahui efek pelapisan

permukaan terhadap sifat particleboard sekaligus memilih jenis pelapisan yang

cocok untuk aplikasi interior. Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa proses

Continuous Press Laminates (CPL) dan veneer kayu dapat meningkatkan sifat

mekanis dan mengurangi ketebalan akibat pembengkakan dibandingkan

berbagai proses coating lainnya[17]

. Oleh karena itu, proses CPL ini dapat

dipilih sebagai proses coating untuk aplikasi dengan kondisi humidity yang

tinggi.

4. Fabrikasi Biokomposit sebagai Particleboard

Dalam proses fabrikasi particleboard konvensional, partikel kayu atau

flakes dicampur dengan resin dan dibentuk menjadi sebuah lembaran (sheet).

Partikel kayu ini pada awalnya harus dikeringkan terlebih dahulu lalu

dipisahkan antara ukuran yang oversize dan undersize. Ketika partikel kayu

dan resin telah dicetak bersama membentuk lembaran, maka selanjutnya

lembaran ini akan ditekan untuk mengurangi ketebalan sehingga mudah

dipindahkan. Selanjutnya particleboard ini ditekan lagi dengan tekanan 2 3

CONFI

DENTA

L

8


MPa dan suhu antara 140oC dan 220

oC. Dengan adanya pengaruh tekanan dan

suhu ini, particleboard akan terbentuk dan mengeraskan adhesifnya. Semua

tahapan ini harus dilakukan secara terkontrol untuk memastikan hasil dengan

ukuran yang tepat, kerapatan massa dan konsisitensi dari board yang

dihasilkan. Papan tersebut lalu didinginkan, dipotong dan diampelas. Papan ini

dapat dijual sebagai raw board atau dalam bentuk board yang telah ditambah

veneer kayu atau laminate surface.

Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya, penggunaan kayu dan berbagai

turunannya sebagai bahan baku particleboard terus dikritisi karena semakin

terbatasnya keberadaan hutan di muka bumi ini. Oleh karena itu, berbagai

produk sisa pertanian mulai digunakan sebagai material pengganti[11]

. Dasar

pemikiran penggunaan material alternatif ini juga didasarkan karena

melimpahnya produk pertanian di sekitar kita, terutama di negara-negara Asia

dimana pertanian menjadi mata pencaharian utama. Oleh karena itulah

pengembangan material biokomposit terus berkembang dari masa ke masa.

Gambar 3. Grafik perkembangan biokomposit dalam beberapa aplikasi[5]

Berbagai penelitian yang dilakukan untuk mencari material pengganti dari

serat kayu sebagai pengisi dalam particleboard terus ditemukan dan

dikembangkan. Berbagai material pengganti tersebut difabrikasi dengan

metode yang tidak jauh berbeda dengan metode fabrikasi particleboard

konvensional. Yang membedakan hanyalah pada material penyusunnya.

Particleboard berbasis jerami padi[18]

Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa performa dari particleboard sangat

bergantung terhadap ukuran partikel dari jerami padi yang dikontrol dari

CONFI

DENTA

L

9


proses pencacahan oleh hammer-mill. Ketebalan swelling, penyerapan air

dan ekspansi linear dari particleboard menurun seiring dengan kenaikan

ukuran partikel. Komposisi optimal dari penelitian ini adalah penggunaan

4% polymeric diphenylmethane diisocyanate (pMDI) dan ukuran jerami

padi sebesar 3.18 mm.

Gambar 4. Jerami padi sebagai serat pada particleboard[18]

Particleboard berbasis jerami gandum[19]

Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa sifat mekanis, penyerapan air,

ketebalan swelling dan kandungan moisture memberikan hasil yang sangat

baik. Particleboard yang dibuat dari bleached straw memberikan performa

mekanis yang lebih baik dibanding jerami yang tidak dilakukan treatment.

Adhesif berbasis protein kacang kedelai menunjukkan kekuatan mekanis

yang sama atau lebih tinggi daripada resin dari UF untuk konstruksi indoor

dan furniture. Oleh karena itu, protein kacang kedelai dapat digunakan

sebagai pengganti resin UF yang tidak mengemisikan racun seperti pada

UF.

Gambar 5. Jerami gandum sebagai serat pada particleboard[19]

Particleboard berbasis jerami gandum dan intisari jagung[20]

Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa particleboard yang terbuat dengan

komposisi 70% jerami gandum, 4% methylene diphenyl diisocyanate (MDI)

dan 30% batang jagung serta 10% NaOH memberikan tensile strength dan

compressive strength tertinggi. Nilai kekuatan mekanis ini lebih tinggi pada

CONFI

DENTA

L

10


penggunaan partikel berukuran besar dibandingkan dengan penggunaan

partikel dengan ukuran kombinasi besar dan kecil. Nilai kekuatan mekanis

ini juga meningkat seiring dengan peningkatan kerapan massa. Peningkatan

kerapatan massa dari 0.30 gr/cm3 menjadi 0.34 gr/cm

3 dapat meningkatkan

kekuatan tarik dari 2.11 MPa menjadi 3.24 MPa dan meningkatkan

kekuatan tekan dari 3.01 MPa menjadi 4.29 MPa.

Particleboard berbasis serat Pinus pinaster[21]

Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa penggunaan needle litter dari

pohon Pinus pinaster sebagai pengisi particleboard menurunkan sifat

mekanis dan meningkatkan ketebalan swelling secara signifikan. Peneliti

juga menyimpulkan bahwa three-layer particleboard dapat diproduksi dari

serat pohon Pinus pinaster.

Particleboard berbasis serat Pinus pinea L.[22]

Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa penambahan partikel pinus

meningkatkan ketahanan terhadap air pada panel dan sangat mengurangi

emisi dari formaldehyde. Namun, sifat fleksural dan kekuatan ikatan internal

menurun seiring dengan peningkatan partikel pinus pada panel. Penggunaan

partikel pinus ini dapat dipertimbangkan sebagai material alternatif

pengganti material kayu dengan sifat-sifat ketebalan swelling, absorpsi air

dan emisi formaldehyde yang rendah.

CONFI

DENTA

L

11


5. Daftar Referensi

1. Paul A Fowler. (2006). Biocomposites: technology, environmental

credentials and market forces. Journal of the Science of Food and

Agriculture.

2. Matthews FL, Rawlings RD. (1994). Composite Materials: Engineering

and Science. Chapman & Hall.

3. Mahsa Golbabaie. (2006). Application of Biocomposites in Building

Industry. University of Guelph.

4. Amar Mohanty, Manjusri Misra. Natural Fibers, Biopolymers, and

Biocomposites.

5. Ramesh S Sharma, Dr.V.P.Raghupathy. Review of Recent Trends &

Developments in Biocomposites.

6. Ulrich Riedel, Jorg Nickel. High Performance Applications of Plant Fibres

in Aerospace and Related Industries. German Aerospace Center (DLR),

Germany.

7. Michaeli W, Wegener M. (1990). Einfuerhrung in die Technologie der

Faserverbundwekstoffe. Carl Hanser, Munich.

8. Composite Panel Association. Particleboard. Canada.

www.pbmdf.com/Particleboard

9. Gokay Nemli, Ibrahim Ozturk. (2006). Influences of Some Factors on the

Formaldehyde Content of Particleboard. Building and Environment 41

pp. 770-774.

10. Anonymous. (1996). Particleboard-from start to finish. Gaithersburg:

National Particleboard Association.

11. Sampathrajan, A., Vijayaraghavan, N.C., Swaminathan, K.R. (1992).

Mechanical and thermal properties of particleboards made from farm

residues. Bioresour. Technol. 40, 249-251. 12. Parker, P. (1997). A summary report on building materials produced from

wheat straw. Inorg-Bonded Wood Fiber Composite Mater. 5, 47-48. 13. Zucaro, J., Reen, R. (1995). The second forest: filling the wood source gap

while creating the environmental performance board of the 21st century.

Developing composites from wheat straw. In: Proceedings of the 29th

CONFI

DENTA

L

12


International Symposium of Washington State University on Particleboard /

Composite Materials, pp. 225-231. 14. Sauter, S.L. (1996). Developing composites from wheat straw. In:

Proceedings of the 29th International Symposium of Washington State

University on Particleboard / Composite Materials, pp. 197-214. 15. Lambuth, A.L. (1994). Protein adhesive for wood. Handbook of Adhesive

Technology. Marcel Dekker, New York, pp. 259-282. 16. Vansteenkiste R. (1981). Surface treatment of wood based panels. Seminar

on wood based panels and furniture industries, Beijing, China. 17. Gokay Nemli, Yalcin Ors. (2004). The choosing of suitable decorative

surface coating material types for interior end use applications of

particleboard. Construction and Building Materials 19, pp. 307-312. 18. Xianjun Li, Zhiyong Cai. (2009). Selected properties of particleboard

panels manufactured from rice straws of different geometries. Bioresource

Technology 101, pp. 4662-4666. 19. Xiaoqun Mo, Enzhi Cheng. (2002). Physical properties of medium-density

wheat straw particleboard using different adhesives. Industrial Crops and

Products 18, pp. 47-53. 20. Donghai Wang, Xiuzhi S. Sun. (2001). Low density particleboard from

wheat straw and corn pith. Industrial Crops and Products 15, 43-50. 21. Gokay Nemli, Aytac Aydin. (2005). Evaluation of the physical and

mechanical properties of particleboard made from the needle litter of Pinus

pinaster Ait. Industrial Crops and Products 26, 252-258. 22. Umit Buyuksari, Nadir Ayrilmis. (2009). Evaluation of the physical,

mechanical properties and formaldehyde emission of particleboard

manufactured from waste stone pine (Pinus pinea L.) cones. Bioresource

Technology 101, 255-259.

CONFI

DENTA

L

Documents

79531218 Aplikasi Biokomposit Sebagai Particleboard