Cellulose Nanocrystal (CNC) Preparation and some Composites

Composite adalah material yang terdiri dari dua atau lebih macro constituent, beda bentuk, beda golongan material (M=Metal, C=Ceramic, P=Polymer), beda struktur kimia dan tidak larut satu dengan lainnya. Dua fungsional pada composite, yaitu: matriks (composite-matrix) dan bahan pengisi/penguat/reinforcement (composite-filler) yang umumnya berupa serat atau serbuk glass, boron, carbon. Kata “macro” maksudnya penggabungan dua atau lebih material tersebut berdasarkan aksi mekanik atau lebih tepatnya aksi fisik, bukan melalui reaksi kimiawi.

Mengapa digabungkan? Penggabungan menghasilkan sinergi kekuatan. Material yang baru memiliki sifat fisik yang melampaui gabungan kekuatan dari dua material tersebut, atau untuk mendapatkan karakter bahan yang samasekali baru. Sejarah composite dimulai sejak peradaban kuno ribuan tahun yang lalu (diperkirakan 3400 B.C.), dimana lembaran-lembaran kulit kayu dilekatkan satusama lain untuk dijadikan plywood. Kira-kira 3500 tahun yang lalu orang Mesir dan lembah Mesopotamia menggunakan campuran lumpur dan jerami untuk mendirikan bangunan yang kuat. Sekitar abad ke-11, orang-orang Mongol mempatenkan busur panah yang dibuat dari serbuk tulang, kayu dan perekat hewan dan diberikan tekanan[2]. Baru pada awal 1900-an dikembangkan polymer seperti vinyl, polystyrene, phenolic dan polyester. Walaupun senyawa-senyawa tersebut mengungguli resin alami seperti getah tanaman, gum rosin dan sejenisnya, tetapi karakternya tidak kuat. Untuk itu teknologi reinforcement mulai berkembang di tahun 1930-an oleh Owens Corning yang menciptakan fiberglass, tidak lain adalah polymer yang diperkuat serat gelas (glass fiber). Teknologi ini dikenal luas sebagai Fiberglass Reinforced Plastics (FRP).

Composite alami dapat dijumpai pada hewan dan tanaman. Kayu adalah contoh materi composite, terdiri dari serat cellulose (berperan sebagai matriks) dan lignin. Cellulose sendiri dijumpai pada serat cotton tetapi tanpa lignin, serat cotton tidaklah keras/kaku. Pada mahluk hidup, tulang hewan dan manusia juga contoh composite, terdiri dari calcium phosphate yang bahasa awamnya hydroxyapatite dan collagen (senyawa protein) sebagai bahan pengisi. Tulang kuat menyanggah tubuh, sedangkan collagen pada kuku atau sebagai komposisi rambut sifat fisiknya sungguh beda. Campuran materi concrete (semen, batu, pasir) juga termasuk composite yang kuat, tetapi dengan sifat tensile yang buruk. Dengan penambahan penguat besi/kawat beton, maka sifat tensile yang baik bisa diperoleh.

Fiberglass masih banyak dipakai sebagai material untuk body perahu speedboat, perangkat olah raga, karoseri mobil dan panel konstruksi bangunan. Pembuatan composite fiberglass melalui dua tahap, yaitu pembuatan moulding dan pembentukan bongkah fiberglass. Bahan matriks diambil dari golongan Polyester, Epoxy atau Phenol sedangkan material glass reinforcement yang digunakan umumnya terdiri dari tiga pilihan bentuk yaitu bentuk cacah (chopped), bentuk anyaman (woven) dan bentuk mikrosfer (microspheres).

Cellulose Nanocrystal (CNC)                   

CNC production-subcritical water
Image/Scientific Figure is part of the cited Journal “Industrial Crops and Products Volume 93, 25 December 2016, Pages 88-95.

Nanocrystal Cellulose potensi penggunaannya sangat luas. Secara konvensional materi ini diproduksi dengan meng-hidrolisa amorphous cellulose dengan menggunakan asam sulfat konsentrat atau dengan teknologi lebih baru yaitu dengan penanganan menggunakan fase air subcritical[7], dimana yield yang didapat nantinya lebih kecil. Metode lain dengan pertukaran kation resin-katalis hidrolisis dari selulosa[8].

Beberapa Cellulose Composite

Electrospun PS-CNC
Image/Scientific Figure is part of the cited Journal “RSC Advances 2015, Issue 63, page 50644 to 51460.”

Sisi menarik dari pembentukan material-material composite baru adalah potensinya menggantikan penggunaan polymer konvensional. Beberapa system composite seperti Polylactic Acid–Cellulose Nanocrystal (PLA/CNC) menunjukkan sifat biodegradabilitas yang sangat baik dan struktur yang kuat[6]. Ada juga process electrospinning yang menghasilkan system composite Polystyrene- Cellulose Nanocrystal (PS/CNC), beberapa karakter terlihat adalah perubahan tensile strength dan ductility serta hydrophobicity[3]. Yang lain lagi adalah system poly(glycerol sebacate urethane)- Cellulose Nanocrystal (PGSU/CNC) yang selain mudah terurai juga memiliki sifat biocompatible, untuk aplikasi dunia kedokteran, karena memiliki sifat shape-memory effects yang mendukung penggunaannya pada alat kedokteran karena minimal infasif[9].

All-cellulose composites (ACCs)

Cellulose sebagai biopolymer alami adalah kandidat kuat dalam mengkonstruksi biomaterial terbarukan yang sekaligus ramah lingkungan (renewably biodegradable biomaterial). Sebuah terminologi yang patut diingat adalah potensi cellulose sebagai monocomponent composite, dikenal dengan sebutan all-cellulose composites (ACC), yang memiliki prospek dalam mengatasi permasalahan kritis yang ditimbulkan gaya adhesi dua materi serupa, jika matriks dan reinforcement sama-sama dari golongan cellulose[4]. Ide ini pertama kali menjadi terkenal dan didiskusikan dengan sebutan cellulose self-reinforced composite oleh Nishito dkk[5]. Mereka sepakat bahwa reinforcement dan matriks material harus diambil dari sumber daya yang sama untuk aspek kemudahan daur ulangnya.

Kata kunci: biocomposite, all-cellulose composites, Cellulose Nanocrystal, water subcritical, shape-memory effects, electrospinning, cellulose self-reinforced composite, poly(glycerol sebacate urethane)

Referensi:

  1. RSC learning material, diakses bulan Juni 2018 dari URL: http://www.rsc.org/Education/Teachers/Resources/Inspirational/resources/4.3.1.pdf
  2. Rahul Reddy Nagavally. International Journal of Mechanical And Production Engineering. Volume- 5, Issue-9, Sep.-2017.
  3. Siqi Huan, Long Bai, Guoxiang Liu, Wanli Cheng and Guangping Han. RSC Advances 2015, Issue 63, page 50644 to 51460.
  4. Huber, T., Müssig, J., Curnow, O. et al. J Mater Sci (2012) 47: 1171. https://doi.org/10.1007/s10853-011-5774-3.
  5. Nishino T, Matsuda I, Hirao K (2003) Cellulose self-reinforced composite. Paper presented at the ecocomposites, University of London.
  6. Joseph K. Muiruri, Songlin Liu, Wern Sze Teo, Junhua Kong, and Chaobin He. ACS Sustainable Chem. Eng. 5, 5, 3929-3937.
  7. Lísias Pereira Novo, Julien Bras, Araceli Garcia, Naceur Belgacem, Antonio Aprigio da SilvaCurvelo. Industrial Crops and Products Volume 93, 25 December 2016, Pages 88-95.
  8. Tang, Li-rong, Huang Biao, Ou Wen, Chen Xue-rong, Chen, Yan-dan. Bioresource Technology Volume 102, Issue 23, December 2011, pages 10973-10977.
  9. Tongfei Wu, Martin Frydrych, Kevin O’Kelly, and Biqiong Chen. Biomacromolecules 15, 7, 2663-2671.