Saat ini, pemanfaatan sumber daya berkelanjutan untuk memproduksi bahan biodegradable baru telah intensif digalakkan sebagai alternatif untuk antisipasi terus menurunnya bahan baku dari sumber daya alam yang tidak terbarukan. Dalam hal ini, kelapa sawit telah muncul sebagai salah satu sumber daya alam yang paling potensial sebagai bahan produksi bahan biodegradable baru. Dari tahun 1962 hingga 2012, perkebunan kelapa sawit di seluruh dunia telah berkembang secara eksponensial menjadi sekitar 13 juta hektar menjadikannya sebagai monokultur dengan pertumbuhan tercepat di dunia. Indonesia adalah negara penghasil minyak sawit terbesar secara global, dengan hasil tahunan nasional 17 ton tandan buah segar per hektar. Namun, produksi yang masif tersebut tentunya diikuti dengan jumlah limbah yang banyak pula. Limbah perkebunan kelapa sawit didominasi oleh biomassa, seperti tandan kosong kelapa sawit (TKKS), pelepah, batang, dan mesokarp. TKKS adalah biomassa limbah padat yang dihasilkan setelah proses pengupasan tandan buah segar. TKKS terdiri dari selulosa kristal (41,3-46,5%), yang tertanam dalam matriks amorf lignin (27,6-32,5%) dan hemiselulosa (25,3-33,8%).
Saat ini, banyak peneliti telah memfokuskan pada penggunaan dan daur ulang TKKS karena potensinya yang luar biasa sebagai sumber karbon organik dan keberlanjutan dalam memproduksi bahan bernilai tambah tinggi, seperti karbon aktif, bioetanol, dan nanoselulosa. Di antara bahan tersebut, nanoselulosa telah menjadi bahan yang sedang naik daun, yang memiliki spektrum aplikasi yang luas, termasuk pengemasan makanan, rekayasa jaringan, farmasi, dan perawatan luka. Hal ini dimungkinkan karena luas permukaannya yang tinggi, hidrofilisitas, kekuatan mekanik, biokompatibilitas, biodegradabilitas, dan kurangnya toksisitas. Ini menjadi lebih menarik dengan kemampuan adhesi dan dispersi buatan yang kuat dari nanoselulosa di berbagai bahan/matriks inang, yang mengarah pada potensi penggunaan sebagai penguat dalam bahan komposit polimer.
Banyak polimer telah dipelajari sebagai suatu sistem untuk diperkuat dengan nanoselulosa, misalnya, polivinil alkohol (PVA), poliakrilamida, kitosan, dan alginat. Hasil studi telah menunjukkan peningkatan sifat mekanik yang lebih tinggi dari sistem setelah penggabungan nanoselulosa dan beberapa polimer tersebut. Studi lain melaporkan bahwa penggabungan nanoselulosa hingga 10% ke dalam matriks kitosan/poli (vinil pirolidon) meningkatkan benang penyembuhan luka dengan kekuatan tarik 39,7 ± 6,9 MPa. Penguatan nanoselulosa serupa dalam berbagai polimer campuran juga telah terbukti sebagai sistem yang potensial. Penambahan sejumlah kecil serat nanoselulosa berfilamen panjang (NCFs) ke dalam film PVA meningkatkan suhu degradasi maksimum sekitar 4 hingga 16,9 °C yang menunjukkan bahwa penambahan nanoselulosa juga dapat meningkatkan stabilitas termal film PVA.
PVA-alginat merupakan sistem hidrogel yang telah menarik banyak perhatian, terutama untuk aplikasi biomedisnya. Namun, karena sangat hidrofilik, kekuatan mekaniknya biasanya rendah, sehingga membatasi penggunaannya dalam aplikasi tertentu. Oleh karena itu, banyak upaya telah dilakukan untuk meningkatkan sifat sistem komposit berbasis PVA. Misalnya, dengan merendam komposit PVA-alginat dalam larutan berair NaCl jenuh, Hasil studi melaporkan telah menghasilkan PVA-alginat dengan kekuatan mekanik yang lebih baik (kekuatan tarik maksimum 1,34 MPa). Studi lain melaporkan sifat tarik yang lebih baik pada nanofiber campuran PVA-alginat hingga 35 MPa menggunakan metode electrospinning. Sementara itu, cross-linking PVA dan natrium alginat menggunakan glutaraldehid dan kalsium sulfat dengan adanya nanoselulosa menunjukkan tegangan tekan sampai 79,5 ± 2,35 kPa, yang 3,2 kali lebih tinggi dari hidrogel PVA/alginat murni.
Pada penelitian ini, kami melaporkan benang nanokomposit PVA-alginat yang dimodifikasi dengan nanoselulosa yang diisolasi dari TKKS. Stabilitas termal PVA-alginat dengan berbagai kandungan nanoselulosa diselidiki secara rinci sehingga menghasilkan energi aktivasi yang diamati untuk dekomposisinya. Selain itu, kekuatan tarik benang PVA-alginat-nanoselulosa dipelajari secara menyeluruh pada suhu yang berbeda. Akhirnya, stabilitas mekanik dan termal yang ditingkatkan berkorelasi dengan interaksi antara sistem nanoselulosa dan PVA-alginat. Hasil penelitian ini memberikan desain serbaguna sistem polimer yang diperkuat dengan nanoselulosa.
Hidrogel PVA-alginat adalah bahan yang menjanjikan untuk digunakan dalam aplikasi biomedis karena karakteristik yang diinginkan: biokompatibel, tahan lama, tidak beracun, dan biaya rendah. Namun, kekuatan gel yang rendah dari komposit ini membatasi penggunaannya dalam aplikasi biomedis. Penelitian ini mengembangkan peningkatan sifat mekanik dan termal benang komposit poli(vinil alkohol) PVA-alginat dengan menambahkan nanoselulosa yang diisolasi dari tandan kosong kelapa sawit berkelanjutan (TKKS). Benang komposit PVA-alginat yang diperkuat dengan nanoselulosa dibuat dengan berbagai kandungan nanoselulosa (1 berat, 2% berat, dan 5% berat). Kekuatan tarik komposit menunjukkan tren yang meningkat dengan penambahan nanoselulosa, sedangkan perpanjangan putus menunjukkan tren yang berlawanan. Selain itu, ditunjukkan bahwa degradasi termal komposit bergeser ke suhu yang lebih tinggi dengan penambahan nanoselulosa. Energi aktivasi yang diamati untuk degradasi termal yang dihitung menggunakan metode Coats-Redfern menunjukkan peningkatan yang signifikan untuk komposit yang diperkuat dengan nanoselulosa. Hasil ini menunjukkan bahwa penambahan nanoselulosa ke dalam matriks PVA-alginat meningkatkan sifat kimia dan termal hidrogel yang dihasilkan. Semua perbaikan ini dihasilkan dari ikatan hidrogen yang lebih banyak dan kuat yang dihasilkan oleh keberadaan nanoselulosa.
Benang komposit PVA-alginat yang diperkuat dengan nanoselulosa yang diisolasi dari TKKS berhasil disiapkan melalui metode pemintalan basah dengan sifat mekanik dan termal yang ditingkatkan. Nanoselulosa yang diisolasi menampilkan kompatibilitas yang baik sebagai nanofiller dalam matriks PVA “ alginat. Selain itu, struktur nanoselulosa yang khas dengan keberadaan gugus hidroksil yang melimpah memungkinkan ikatan hidrogen yang lebih banyak dan kuat dengan gugus fungsi PVA dan alginat, yang mengarah pada adhesi antar muka yang lebih kuat. Penambahan nanoselulosa yaitu 1 wt.%, 2 wt.%, dan 5 wt.% menghasilkan sifat mekanik benang komposit PVA-alginat dari 101,7 MPa menjadi 104,6 MPa, 106,4 MPa, dan 120,1 MPa. Di sisi lain, tren perpanjangan putus menunjukkan tren sebaliknya karena ikatan hidrogen yang semakin kuat meningkatkan kekakuan komposit. Saat kandungan nanoselulosa meningkat, degradasi tahap awal, T50, dan Eobs ditingkatkan, menunjukkan peningkatan stabilitas termal. Hasil kami menunjukkan bahwa nanoselulosa yang diisolasi dari TKKS memiliki potensi yang menjanjikan sebagai bahan berkelanjutan untuk memperkuat komposit polimer secara efektif.
Penulis: Muchammad Yunus, drh., M.Kes., Ph.D.
Judul Artikel: Indonesian Journal of Chemistry 2022, 22 (1), 114 “ 125
œ On the Mechanical and Thermal Properties of Poly(Vinyl Alcohol) “ Alginate Composite Yarn Reinforced with Nanocellulose from Oil Palm Empty Fruit Bunches œ
Link:
