Modifikasi Serat Kenaf (Hibiscus cannabinus L.) Menggunakan Anhidrida Propionat
Eka Marya Mistar 1 *, Muhammad 2
1,2 Program Studi Teknik Kimia, Universitas Serambi Mekkah Banda Aceh Indonesia * Koresponden email : eka.marya.mistar@serambimekkah.ac.id Diterima: 6 September 2023 Disetujui: 25 September 2023

## Abstract
Kenaf is a local crop that has great potential as a polymer composite reinforcement. However, the main weakness in strengthening composites using kenaf fiber is its hydrophilic or water-absorbing properties. To improve composite properties, surface modification of kenaf fiber is needed to enhance the structure and chemical properties of kenaf fiber. This study aims to explore the potential of chemical modification of kenaf fiber for use in composites. Chemical modification treatment of kenaf fibers was intended to improve the hydrophobicity that the compatibility between the fiber and matrix bonds are enhanced. In this study, chemical modification of kenaf fiber was performed using propionic anhydride. The modification process was done through a three-variation of retention time; 100, 200, 300 minutes at 100 °C. This research also compared the kenaf fiber properties with and without the modification process, including the analysis of the weight percent gain and surface morphological structure. The results showed that the optimal weight gain and morphological structure was at a retention time of 200 minutes.
Keywords : kenaf, modification, composite, propionic anhydride

## Abstrak
Kenaf merupakan tanaman lokal yang memiliki potensi besar sebagai penguat komposit polimer. Namun, kelemahan utama dalam penguatan komposit menggunakan serat kenaf adalah sifat hidrofilik atau mudah menyerap  air.  Untuk  meningkatkan  sifat  komposit,  modifikasi  permukaan  serat  kenaf  diperlukan  untuk peningkatan  struktur  dan  sifat  kimia  serat  kenaf.  Penelitian  ini  bertujuan  untuk  mengeksplorasi  potensi modifikasi  kimia  serat  kenaf  untuk  digunakan  pada  komposit.  Perlakuan  modifikasi  kimia  serat  kenaf bertujuan  untuk  meningkatkan  hidrofobisitas,  sehingga  kompatibilitas  antara  ikatan  serat  dan  matriks menjadi  lebih  meningkat.  Dalam  penelitian  ini,  modifikasi  kimia  serat  kenaf  dilakukan  dengan menggunakan propionat anhidrida. Proses modifikasi dilakukan pada tiga variasi waktu retensi yaitu 100, 200, 300 menit pada suhu 100 °C. Penelitian ini juga membandingkan karakteristik serat kenaf sebelum dan  sesudah  proses  modifikasi  yaitu  analisa  pada  penambahan  persen  berat  dan  struktur  morfologi permukaan.  Hasil  penelitian  menunjukkan  penambahan  berat  dan  struktur  morfologi  permukaan  yang optimal yaitu pada waktu retensi 200 menit.
Kata Kunci ; kenaf, modifikasi, komposit, propionat anhidrida

## 1. Latar Belakang
Kenaf  ( Hibiscus  cannabinus  L. )  adalah  jenis  tanaman  tahunan  yang  biasanya  tumbuh  di  daerah tropis. Tangkai serat lignoselulosa ini dapat tumbuh dari 5 hingga 6 m dengan kisaran diameter 2,5 hingga 3,5 cm dalam waktu 5 bulan, sehingga tingkat ketersediaannya cukup tinggi khususnya di industri berbasis serat [1]. Persentase serat kulit pohon dan serat inti dalam batang kenaf adalah sekitar 25 - 40% dan 60 - 75% dari total berat kering [2]. Selain itu, panjang rata-rata serat kulit pohon dan serat inti masing-masing sekitar  2,6  mm  dan  0,6  mm.  Karena  kekuatan  tarik  dan  lentur  yang  tinggi,  serat  kulit  kenaf  umumnya dihasilkan dari kulit kayu bagian luar. Sebagai alternatif pengganti serat sintetis, serat alami akhir-akhir ini telah digunakan sebagai pilihan potensial untuk bahan penguat komposit [3].
Serat kenaf merupakan salah satu serat alami yang paling banyak dimanfaatkan untuk produk bukan tenunan karena sifat fungsional intrinsiknya yang meliputi sifat tarik dan tahan panas yang efektif [4]. Saat ini serat alam tersebut telah digunakan sebagai bahan pilihan untuk penguatan komposit sebagai alternatif pengganti serat sintetis [5]. Potensi biodegradasi, keterbaharuan dan sifat non-toksisitas serat kenaf semakin menarik perhatian peneliti. Pemanfaatan serat kenaf sebagai bahan penguat dalam aplikasi komposit telah dipublikasikan dalam literatur [6-8]. Ariawan dkk. [9] memasukkan serat kenaf untuk penguatan komposit dan meneliti peningkatan sifat mekanik dan termal dibandingkan dengan komposit yang tidak diperkuat.
Sifat  degradabilitas  serat  komposit  kenaf/epoksi  juga  diteliti  oleh  Azwa  dkk.  [10].  Terungkap  bahwa penambahan serat kenaf pada epoksi meningkatkan stabilitas termal komposit. Selanjutnya, Bernard dkk. [11] menyelidiki pengaruh parameter pemrosesan terhadap sifat mekanik serat kenaf yang tergabung dalam material komposit. Terungkap bahwa sifat tarik komposit meningkat sebesar 10% setelah penambahan serat kenaf ke dalam matriks.
Efisiensi  dan  sifat  komposit  dipengaruhi  oleh  interaksi  antar  muka  serat  dan  matriks.  Namun, kelemahan utama dalam penguatan komposit menggunakan serat kenaf adalah sifat hidrofilik atau mudah menyerap air. Selain itu, kompatibilitas yang rendah antara serat dan interaksi matriks hidrofobik dapat menurunkan kekuatan fisik, mekanik, dan stabilitas termal komposit. Hal ini merupakan tantangan serius bagi para peneliti dan ahli material maju. Untuk meningkatkan sifat komposit, modifikasi permukaan serat kenaf sangat diperlukan untuk peningkatan struktur dan sifat kimia serat kenaf [12]. Namun, zat pengotor dan  senyawa  non-polar  pada  serat  alam  dapat  menghambat  kompatibilitas  komposit  dan  berpotensi mengurangi kekuatan ikatan antarmuka antara serat dan matriks. Oleh karena itu, proses modifikasi serat kenaf dengan propionat anhidrida diharapkan dapat menjadi salah satu solusi mengatasi tantangan tersebut.

## 2. Metode Penelitian
Pada penelitian ini, serat kenaf dengan ukuran 200 mm x 200 mm dan pelarut organik dimasukkan ke  dalam  alat  ekstraksi  soxhlet.  Proses  ekstraksi  ini  dilakukan  selama  3  jam  untuk  menghilangkan  zat ekstraktif pada serat kenaf. Kemudian serat kenaf dikeringkan dengan oven pada suhu 110 °C selama 24 jam. Sebelum ditimbang, serat kenaf ditempatkan ke dalam desikator vakum di atas gel silika selama 2 jam dan didinginkan hingga suhu kamar. Setelah itu, serat kenaf dipindahkan ke labu didih yang berisi larutan propionat anhidrida. Proses modifikasi dilakukan pada tiga variasi waktu retensi yaitu 100, 200, 300 menit pada suhu 100 °C. Penelitian ini juga membandingkan sifat karakteristik serat kenaf yang telah dimodifikasi dengan  serat  kenaf  tanpa  modifikasi.  Selanjutnya,  karakterisasi  sifat  fungsional  serat  kenaf  meliputi persentase penambahan berat dan struktur morfologi dengan menggunakan Scanning Electron Microscope (SEM).

## 3. Hasil dan pembahasan

## 3.1 Persentase penambahan berat
Persentase penambahan berat serat kenaf dipengaruhi oleh perlakuan modifikasi anhidrida, waktu retensi, dan suhu reaksi. Seperti yang ditampilkan pada Gambar 1 , serat kenaf menunjukkan penambahan berat  yang  signifikan  seiring  dengan  bertambahnya  waktu  pada  langkah  awal  hingga  diperoleh  saturasi terlepas  dari  perbedaan  suhu.  Hal  ini  menunjukkan  bahwa  penambahan  berat  serat  dapat  menghambat ikatan antar muka setelah 300 menit dan mungkin menyebabkan keretakan pada matriks yang bersebelahan [13]. Dalam profil reaksi, peningkatan WPG dicapai pada langkah awal karena reaksi relatif dari laju difusi reagen  dalam  antarmuka  matriks  serat  dan  gugus  hidroksil  fungsional  [14].  Penambahan  berat  tersebut dapat meningkat seiring dengan meningkatnya waktu reaksi dan suhu reaksi.
Gambar 1. Persentase penambahan berat serat kenaf pada suhu 100  °C dan waktu retensi berbeda
Namun,  pada  waktu  retensi  300  menit  menunjukkan  penurunan WPG  [15].  Seperti  yang ditunjukkan  pada  gambar,  penambahan  berat  secara  spontan  dicapai  setelah  serat  kenaf menyebabkan penurunan berat serat kenaf seiring dengan peningkatan waktu reaksi dari 100 menit menjadi 300 menit. Penurunan  berat ini akibat peningkatan suhu reaksi dapat dipengaruhi oleh penguraian bahan organik serat seperti selulosa, hemiselulosa, dan lignin [16]. Oleh karena itu, untuk mengurangi kemungkinan degradasi serat alami, suhu reaksi ideal untuk serat kenaf tidak boleh terlalu tinggi dan harus memungkinkan terjadinya reaksi yang cepat. Berdasarkan hasil yang diperoleh, suhu reaksi pada 100 °C dan waktu retensi 200 menit memberikan penambahan berat yang optimal sebesar 7.41% ± 0.37.

## C2. Analisa Morfologi
Morfologi  permukaan  serat  kenaf  sebelum  dan  sesudah  modifikasi  secara  kimia  diamati dengan mikroskop elektron pemindaian emisi atau sering disebut sebagai FESEM. Gambar 2(a) menunjukkan  morfologi  permukaan  serat  kenaf  yang  sebelum  modifikasi.  Seperti terlihat  pada gambar, serat yang tidak dimodifikasi menunjukkan permukaan yang kasar karena permukaannya dilapisi  oleh  pengotor  dan  bahan  penyemen  seperti  lignin,  pektin,  zat  lilin,  hemiselulosa  yang menutupi lapisan serat. Hal ini dapat menimbulkan lapisan pelindung pada permukaan serat kenaf [17].  Oleh  karena  itu,  modifikasi  kimia  menggunakan  propionat  anhidrida  diperlukan  untuk menghilangkan kotoran pada dinding sel primer yang meningkatkan adhesi antarmuka biofiber.
Selanjutnya sifat morfologi permukaan serat kenaf yang telah dimodifikasi pada suhu reaksi 100  °C  dengan  waktu  200  menit  disajikan  pada  Gambar  2(b).    Pada  Gambar  2(b)  serat  kenaf menunjukkan  peningkatan  pada  permukaan  seiring  dengan  bertambahnya  waktu  reaksi.  Pada waktu 200 menit, keberadaan minyak atau lemak, zat lilin, dan bentuk pengotor lainnya berkurang seiring  dengan  meningkatnya  suhu.  Pengotor  tersebut  berpotensi  menghambat  interaksi  ikatan serat-matriks. Morfologi permukaan serat kenaf propionilasi menunjukkan penurunan pengotor seperti zat anorganik, bahan non-selulosa, dan silika serta peningkatan ikatan antar muka dalam jaringan  serat-matriks  [18].  Hal  ini  berkontribusi  pada  peningkatan  ruang  kosong,  yang  dapat meningkatkan sifat fungsional serat sebagai bahan penguat [19].
Gambar 2. SEM serat kenaf sebelum modifikasi pada 0 menit (a) dan serat kenaf setelah proses modifikasi pada 200 menit (b).

## 4. Kesimpulan
Modifikasi  serat  kenaf  telah  dilakukan  dengan  menggunakan  propionat  anhidrida.  Sifat karakteristik persentase penambahan berat dan struktur morfologi serat kenaf sebelum dan setelah proses modifikasi telah dikaji. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa waktu retensi 200 menit pada suhu reaksi 100 °C memberikan efek yang signifikan. Setelah proses modifikasi serat kenaf, penambahan berat yang optimal sebesar 7.41% ± 0.37 dan struktur morfologi yang lebih bersih dengan berkurangnya zat pengotor pada permukaan serat kenaf.
.
5. Daftar Pustaka
[1] N.  Saba,  M.  Jawaid,  K.R.  Hakeem,  M.T  Paridah,  A.  Khalina,  O.Y.  Alothman. 2015. Potential  of bioenergy  production  from  industrial  kenaf  (Hibiscus  cannabinus  L.)  based  on  Malaysian perspective. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 1;42:446–59.
[2] N.I.S.  Anuar,S.  Zakaria,  H.  Kaco,  C.C.  Hua,  W.  Chunhong,  H.S.  Abdullah.  2018. Physicomechanical, chemical composition, thermal degradation and crystallinity of oil palm empty fruit bunch, kenaf and polypropylene fibres: A comparatives study. Sains Malaysiana, 1;47(4):839– 51.
[3] K. Malik, F. Ahmad, E. Gunister. A Review on the Kenaf Fiber Reinforced Thermoset Composites. Applied Composite Materials, 28 , pages 491–528 (2021).
[4]   T.  Gurunathan,  S.  Mohanti,  S.  K.  Nayak.  2015.  A  review  of  the  recent  developments  in biocomposites based on natural fibres and their application perspectives. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, Volume 77, Pages 1-25.
[5]    A.A. Oyekanmi, N. Saharudin, C.M. Hazwan, H. P. S. Abdul Khalil, N. Olaiya, C. K.  Abdullah, T. Alfatah, D. A. Gopakumar, D. Pasquini. 2021.  Improved Hydrophobicity of Macroalgae Biopolymer Film  Incorporated  with  Kenaf  Derived  CNF  Using  Silane  Coupling  Agent.  Molecules  2021,  26, 2254.
[6]    N.I.A. Razak, N.A. Ibrahim, N. Zainuddin, M. Rayung, W. Z. Saad. 2014. The influence of chemical surface  modification  of  kenaf  fiber  using  hydrogen  peroxide  on  the  mechanical  properties  of biodegradable kenaf fiber/poly (lactic acid) composites. Molecules 2014, 19, 2957–2968.
[7] N. A. M. Radzuan, D. Tholibon, A. B.  Sulong, N. Muhamad, C.H. Haron. 2020. Effects of High- Temperature Exposure on the Mechanical Properties of Kenaf Composites. Polymers 2020, 12, 1643.
[8] J. Kim, D. Cho. 2020. Effects of Waste Expanded Polypropylene as Recycled Matrix on the Flexural, Impact,  and  Heat  Deflection  Temperature  Properties  of  Kenaf  Fiber/Polypropylene  Composites. Polymers 2020 , 12, 2578.
[9] D.  Ariawan,  M.  S.  Salim,  R.  M.  Taib,  M.  Z.  A.  Thirmizir,  Z.  M.  Ishak.  2018.  Interfacial characterisation and mechanical properties of heat treated non-woven kenaf fibre and its reinforced composites. Compos. Interfaces 2018, 25, 187–203.
[10]   Z.  Azwa,  B.  Yousif,  Z.  Azwa,  B.  Yousif.,  2013.  Characteristics  of  kenaf  fibre/epoxy  composites subjected to thermal degradation. Polym. Degrad. Stab. 2013 , 98, 2752–2759.
[11]   M. Bernard, A. Khalina, A. Ali, R. Janius, M. Faizal, K. Hasnah, A. Sanuddin. 2011. The effect of processing  parameters  on  the  mechanical  properties  of  kenaf  fibre  plastic  composite.  Mater.  Des. 2011 , 32, 1039–1043.
[12]   H. P. S. Abdul Khalil, N. L. Suraya. 2011. Anhydride modification of cultivated kenaf bast fibers: Morphological, spectroscopic, and thermal studies. BioResources. 2011;6(2):1122–35.
[13]   H.  P.  S.Abdul  Khalil,    N.  L.  Suraya,  N. Atiqah,  M.  Jawaid,    & A.  Hassan.  2012.  Mechanical  and thermal  properties  of  chemical  treated  kenaf  fibres  reinforced  polyester  composites: Http://Dx.Doi.Org/10.1177/0021998312465026 , 47 (26), 3343–3350.
[14]   G. Beck, S. Strohbusch, E. Larnøy, H. Militz, & C. Hill. 2017. Accessibility of hydroxyl groups in anhydride  modified  wood  as  measured  by  deuterium  exchange  and  saponification. olzforschung , 72 (1), 17–23.
[15]   A. R. Mohammed, M.N. Atiqah, D. A.  Gopakumar, M. R. Fazita, S. Rizal, D. Hermawan, S. Thomas, &  H.P.S.    Abdul  Khalil.  2019.  Influence  of  layering  pattern  of  modified  kenaf  fiber  on thermomechanical  properties  of  epoxy  composites: Https://Doi.Org/10.1177/1477760619895010 , 36 (1), 47–62.
[16]   N. G. S. Silva, T. F. Maia, & D. R. Mulinari. 2021. Effect of Acetylation with Perchloric Acid as Catalyst in Sugarcane Bagasse Waste. Https://Doi.Org/10.1080/15440478.2021.1875352 .
[17]   M. S. Salim, D.  Ariawan, M. F.  Ahmad Rasyid, M. Z. Ahmad Thirmizir, R. Mat Taib, & Z. A. Mohd. Ishak. 2019. Effect of fibre surface treatment on interfacial and mechanical properties of non-woven kenaf fibre reinforced acrylic based polyester composites. Polymer Composites , 40 (S1), E214–E226.
[18]   Teacă, C. A., & Tanasa, F. (2020). Wood Surface Modification—Classic and Modern Approaches in Wood Chemical Treatment by Esterification Reactions. Coatings 2020, Vol. 10, Page 629 , 10 (7), 629.
[19]   S. Rizal, N. I. Saharudin, N. G. Olaiya, H. P. S. Abdul Khalil, M. K. M. Haafiz, I. Ikramullah, U. Muksin, F. G. Olaiya, C. K. Abdullah, & E. B. Yahya. 2021. Functional Properties and Molecular Degradation  of  Schizostachyum  Brachycladum  Bamboo  Cellulose  Nanofibre  in  PLA-Chitosan Bionanocomposites. Molecules 2021, Vol. 26, Page 2008 , 26 (7).