## ANALISIS BRUNNAEUR EMMET TELLER (BET) TOPOGRAFI
PERMUKAAN SERAT RAMI ( Boehmeria nivea ) UNTUK MEDIA PENGUATAN PADA BAHAN KOMPOSIT
Eko Marsyahyo Peneliti  Jurusan Teknik Mesin-Institut Teknologi Nasional Malang E-mail: marsyahyo@yahoo.co.uk

## Abstrak
Serat  rami  (Boehmeria  nivea)  merupakan  salah  satu  jenis  serat  alam  yang  memiliki kekuatan  sangat  tinggi  dan  telah  dimanfaatkan  untuk  aplikasi  non-struktural  khususnya untuk  bahan  baku  kertas  dan  industri  tekstil.  Penelitian  ini  akan  mengungkap  dan membahas  serat  rami  yang  berpeluang  sebagai  bahan  penguatan  pada  komposit  dan diharapkan akan mampu bersaing dengan serat buatan/sintetis. Serat rami diteliti dengan melibatkan  aspek-aspek  dasar  yakni  porositas,  luas  permukaan  dan  volume  pori-pori menggunakan metode BET (Brunnaeur-Emmet-Teller) Hasil yang diperoleh adalah serat rami memiliki  ukuran  pori-pori  permukaan  rata-rata  berkisar  antara  20 – 500  Angstrom yang dikelompokkan dalam material mesopores. Ukuran pori-pori yang dimiliki serat rami tersebut  mendukung  kompatibilitas  antara  serat-matrik  disamping  kompleksitas  struktur ikatan  kimia  permukaan  serat,  yakni  terjadinya  ikatan  mekanis  interlocking  atau mechanical bonding antara permukaan serat dengan matrik di daerah interface.

## Abstract
Ramie  (Boehmeria  nivea),  as  natural  fiber,  is  one  of  the  strongest  cellulose  fiber available  today,  has  been exploited  for  non-structural  application  especially  in  paper  and textile industry. This paper will examine and reveal the ramie fiber as a candidate material for composite reinforcement and hopefully can compete with synthetic fibers. Examination of ramie fiber covered some fundamental aspects such as porosity, surface area and volume of porosity using Brunnaeur-Emmet-Teller (BET) method. From the result, it showed that ramie fiber has porosity range in 20-500 Angstrom and categorised into mesopores fibers in average.  Beside  the  complexity  of    chemical  interactions,  this  pores  lead  to  better compatibility  to  polymer  as  a  matrix  and build  a  mechanical  interlocking  or  mechanical bonding between fiber surface and the matrix in their interfacial region.
Keywords: ramie fiber, surface topografi, BE

## 1. PENDAHULUAN
Perkembangan  material  teknik  dewasa ini  mengarah  pada  penemuan  dan eksploitasi  bahan-bahan  alam  atau biomaterial  berbasis  selulosa  yang memiliki aspek menguntungkan  baik
dari  segi  teknologi,    ekonomi  maupun lingkungan  [1].  Untuk  mencapai keuntungan  tersebut,  penelitian  yang berkelanjutan  diperlukan  agar  informasi tentang bahan-bahan  berbasis  natural
dapat  terdefinisi  dan  dimanfaatkan seluas-luasnya  terutama  untuk  aplikasi struktural. Rami ( Boehmeria nivea ) yang merupakan  bahan  penghasil  serat selulosa diyakini  memiliki sifat mekanis paling  tinggi  dan  sangat  berpeluang untuk  dimanfaatkan  sebagai    media penguatan  pada  bahan  komposit  [2]. Pemahaman  komposit  rami  tidak  hanya melibatkan sifat makanis saja tetapi juga sifat  kimia  dan  interaksinya  dengan bahan matrik sebagai media pengikat [3]. Penelitian mendasar adalah mengungkap topografi  permukaan  serat  yang  juga memiliki  interaksi  langsung  dengan matrik.  Topografi  permukaan  serat merupakan  salah  satu  faktor  yang diyakini  mampu  meningkatkan  unjuk kerja  komposit  terutama  berkaitan dengan kompatibilitas daerah permukaan kontak antara  serat  dan  matrik  atau disebut interfacial region [4].
Gambar  1. Kompleksitas  daerah interfacial antara  serat,  matrik  dan  media sizing (Sumber: Drzal, 1999)

## 2. TINJAUAN PUSTAKA
Menurut  Kolpachevskaya  dkk  [5], melakukan investigasi tentang modifikasi serat  dan  hubungannya  dengan  matrik sebagai  media  pengikat  yakni  memiliki cara  interaksi  a).  mekanisme sorption yakni  hubungan  antar  molekul  serat, matrik dan media perlakuan  yang saling menyerap atau mengikat secara fisika, b). mekanisme  kimiawi  yakni  reaksi  kimia antar  gugus  fungsi  yang  dimiliki  serat, matrik  dan  media  perlakuan  sehingga terjadi  modifikasi  kimia  di  daerah interface, dan c). mekanisme fisika yakni terjadinya  mampu-basah  ( wettability ) antar permukaan serat, matrik dan media perlakuan. Ketiga  interaksi  saling berperan  atau  dapat  disebut  interaksi physicochemical mechanism .
Untuk  mengamati  interaksi  daerah interface
serat-matrik  maka  perlu diketahui  apakah  serat  rami  memiliki topografi  permukaan  sehingga  mampu memberikan  interaksi  optimal  dengan matrik. Salah satu cara untuk mengetahui topografi  bahan-bahan  padat  adalah dengan  menerapkan  teori  desorpsi- adsorpsi  yakni  perilaku  kemampuan permukaan padat dalam menyerap media a dsorbate (media  yang  diserap)  jika permukaan padat tersebut memiliki pori- pori.  Pori-pori  yang  dimiliki  serat  akan menunjang  interaksi physicochemical dengan  matrik  sehingga  menghasilkan adhesive  bonding yang  optimal  [6]. Belgacem  dan  Gandini  [3]  menjelaskan model  interaksi  kimia  antara  permukaan serat  dan  matrik  yang  telah  mengalami perlakuan silane
(methyltrimethoxysilane )
seperti ditunjukkan pada gambar 2 berikut.
Gambar 2. Interaksi kimia antara permukaan serat  dengan  media  perlakuan silane . Permukaan serat selulosa menghasilkan  perubahan  gugus  fungsi yang  terbentuk  yakni  OH  dan  Si bercabang  diharapkan  mampu  mengikat molekul  matrik  di  daerah interface . Selain  ikatan  kimia,  permukaan  serat berbasis selulosa juga ditengarai oleh [7] memiliki
ikatan mekanis yakni mechanical  interlocking karena  struktur pori-pori serat.
Hasil perhitungan Packham (tabel
1) menunjukkan hubungan antara ukuran radius  pori-pori  suatu  permukaan micropores dengan  jarak  kemampuan penetrasi
matrik polystyrene menghasilkan  korelasi  semakin  besar ukuran  pori-pori  semakin  dalam kemampuan  penetrasi  matrik  sehingga terbentuk ikatan mekanis interlock .
Tabel 1.  Hasil perhitungan Packham [8] Radius porositas (mikrometer) Jarak penetrasi kedalaman serat (mikrometer) 1000 220 10 22 1 7 0,1 2,2 0,001 0,7 (Sumber: www.umaine.edu )
Ukuran pori-pori dikelompokkan dalam tiga kategori yakni a). Micropores, pori-pori dengan ukuran kurang dari 20 Angstrom,
b). Mesopores: 20 – 500 Angstrom dan c). Macropores : lebih dari 500 Angstrom [9]. Model  pori pori  yang  dimiliki  oleh permukaan
padat secara ideal diilustrasikan sebagai berikut [9].
Gambar 3. Model ideal pori-pori terjadinya mechanical interlocking serat- matrik (Sumber: www. roymech.co.uk).
Molekul gas N 2 Permukaan serat padat
Ikatan interlocking terjadi  antara  matrik dan  permukaan  serat  yang  memiliki topologi  tidak  teratur  ( irregular ). Ketidakteraturan  permukaan  serat  akan menghasilkan  kemampuan  rekat  serat- matrik  yang  disebut  perilaku lock  and key .

## 3. LANDASAN TEORI
Pengujian  luas  permukaan  serat spesifik  dan  volume  porositas  serat dilakukan  menggunakan  uji Brunauer- Emmet-Teller  (BET)  surface  area [10]; [11]. Cara kerja BET adalah penyerapan gas Nitrogen oleh permukaan serat pada kondisi isothermal dan  vakum.  Cara kerja  diilustrasikan  seperti  gambar berikut [12].
Gambar 4. Penyerapan molekul gas Nitrogen oleh permukaan serat padat (Sumber: Mihranyan, 2005, hal. 15)
Sedangkan  analogi  daripada  kerja mesin  BET  dalam  menentukan  luasan permukaan serat penampang dan volume porositas adalah sebagai berikut [10]:
mol M N a m W A N s A 2 . .  (1)
T R mol V ads V P liq V . . .  (2)
dengan:
A s : luas permukaan serat, m 2
V liq :  volume  pori-pori  yang  terisi  gas terkondensasi, m 3
N A :  bilangan  Avogadro  6,023.  10 23
mol -1
A N2 : luas penampang molekul nitrogen
= 16,2 A
V ads :  volume  gas  yang  terserap  serat, m 3 W m : berat media adsorbate , g P,R  dan  T:  standar  tekanan  dan temperatur ruang vakum
Berat adsorbate W m dihitung dari persamaan  linier BET-plot yakni  grafik hasil  uji  BET    yang  diperoleh  dari penyerapan  media  adsorbate  (nitrogen, N 2 )  pada  tekanan  relatif  P/Po  yang memiliki  rentang  antara  0,05 – 0,3. Harga W m akan  menentukan  luas permukaan, volume dan ukuran pori-pori serat.
b a W m   1 (3)
dengan a adalah slope dan b intercept linier BET-plot .
Sedangkan  harga  konstanta a dan b diperoleh  dari  grafik  linier  BET-plot hasil uji BET absorbsi gas Nitrogen.
Menurut  Rochery  dkk  [13]  melalui  uji BET  permukaan  berpori  yang  memiliki diameter  porositas  dan  luas  permukaan spesifik  yang  lebih  besar  menunjukan sejauh  mana  penetrasi  resin  sebagai
Start
Finish
media  perekat  mampu  meningkatkan interlocks dan  kehandalan  rekat  pada permukaan  yang  kasar  dan  tidak  teratur ( surface irregularity ).

## 4. CARA PENELITIAN

## 4.1 Bahan
Serat  rami  yang  diperoleh  dari  hasil panen dan dekortikasi dari daerah Garut. Bahan  serat  dikenai  perlakuan  awal yakni  pencucian  dengan  larutan  alkali NaOH  5%.  Serat  dikeringkan  di  dalam oven  listrik  yang  kemudian  dihitung moisture content dan densitas. Selanjutnya  serat  dikenai  perlakuan lanjut  menggunakan  media  pelarut ethanol , acetone dan silane (trimethoxymethyl) dengan  cara  dicelup selama  1,  2  dan  3  jam.  Serat  hasil perlakuan disimpan di
dalam
antimoisture-box dengan  kelembaban relatif  dikontrol  kurang  dari  50%.
Topografi  permukaan  serat  diuji  dengan prosedur
Brunnaeur  Emmet  Teller (BET).

## 4.2 Prosedur uji BET
Pengujian dilakukan di laboraturium  Analisis  dengan  Instrumen (ADIN)  di  jurusan  Teknik  Kimia-UGM. Mesin  yang  digunakan  dilengkapi software  penganalisa  yakni High  speed gas  sorption  analyser versi  7.11 Quantachrome  instruments .  Serat  yang akan  diuji  harus  bebas  dari  air  yakni dengan  cara  di  vakum  selama  kurang lebih 10 jam.Hasil uji BET berupa grafik hubungan  antara  P/Po  dan  transformasi BET.  Dari  grafik  tersebut  hasil-hasilnya berupa  luasan  permukaan,  ukuran-pori
dan  volume  total  pori-pori  dapat langsung  diperoleh.  Jika  hasil  grafik ransformasi  BET  tidak  menunjukkan respon  linier  maka  harus  dihitung minimal tiga titik hubungan P/Po dengan transformasi  BET  yang  menunjukkan respon  linier.  Cara  perhitungan  adalah sebagai berikut.
Define properties of adsorbate media as ideal gas( Nitrogen) for adsorption equillibrium to ramie fiber surface porosity as absorben solid media
Linier BET-plot, P/Po VS. BET transform, to obtain C. P/Po ≤ 0,3 for monolayer , at least 3  point of P/Po linier region for P/Po range 0,05 - 0,35 vs BET Transform, y = a x + b
Calculate Wm from C, Wm= 1/( a + b ), a slope and b intercept
Check relative error from C, see table for BET relative error. C>>,  relative error<<
Calculate Atot BET - surface area
Calculate Vliq
Calculate radius pores, Vliq/Atot in Angstrom or 1 Angstrom = 0,1 nm
Classified the pores : 1). Macropores: >500 A, 2). Mesopores 20-500 A and 3). Micropores <20 A
Gambar 5. Diagram perhitungan ukuran pori-pori serat
Hasil  perhitungan  dikonfirmasi dengan  harga  konstanta  BET-C  yang menunjukkan  kesalahan  relatif  dari respon  P/Po  dan  transformasi  BET. Harga  konstanta  BET-C  ditabelkan berikut.  Semakin  tinggi  harga  C mengindikasikan  semakin  valid  hasil pengukuran tersebut.

## Tabel 2. Harga konstanta C-BET
Konstanta C Kesalahan relatif (%) 1 70 10 19 50 4 100 2 1000 0,2 Tak terhingga 0
(Sumber: Quantachrome instrumens, HSGA ver.
7.11, hal. 67)

## 5. Hasil dan Pembahasan
Hasil uji berupa linier BET-plot pengaruh lama  perlakuan  dan  penggunaan  media pelarut ethanol,  aceton dan silane terhadap ukuran pori-pori, luas permukaan dan volume pori-pori spesifik menghasilkan  grafik  linier  BET-plot tipikal  serapan  Nitrogen  hingga  kondisi saturasi pada tekanan relatif P/P0 antara 0,05 – 0,35 Pa.

## BET RAGREEN
y = 234,24x + 244,21 R 2 = 0,9804 360 560 760 960 1160 1360 1560 0,051 0,711 0,148 0,202 0,252 P/P0 1/ [W (P 0/ P) -1 )] 6(a) serat RAGREEN BET RANOH5 y = 3000.3x + 1538.4 R 2 = 0.9979 1800.25 2000.25 2200.25 2400.25 2600.25 2800.25 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 P/P0 1/ [W 9P O/ P) -1 )] 6(b) Serat RANOH5 RAMOL60 y = 4981,4x + 918,75 R 2 = 0,9999 1250 1500 1750 2000 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 P/P0 1/ [W (P 0/ P) -1 )] 6(c) Serat RAMOL60
BET RAMETON60 y = 9377,7x + 27,623 R 2 = 0,9993 480 680 880 1080 1280 1480 1680 1880 2080 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 P/P0 1/ [W 9P 0/ P) -1 )] 6(d) Serat RAMETON60
Gambar 6. Linier BET- plot serat rami untuk menentukan slope dan
intercept
Hasil  perhitungan  slope  dan  intercept diperoleh  harga  berat  media  adsorban
Wm sekaligus  dihitung  luas  permukaaan spesifik  dan  volume  spesifik  pori-pori menggunakan  persamaan  (1)  dan  (2). Hasil perhitungan ditabelkan berikut ini.
Tabel 3. Hasil uji BET
JENIS SERAT BET-C HITUNG BET PORI2 Pore volume spk, Surface area spk, Radius, Angstrom Diameter, Angstrom E-3 cc/g m^2/g RAGREEN 1,959 4,023 8,047 0,134 0,740 RANOH5 1,093 7,681 15,363 1,796 0,767 RAMEK60 2,810 22,698 45,397 3,720 3,928 RAMEK120 7,534 50,181 100,362 3,154 1,303 RAMEK180 19,385 34,526 69,052 0,638 0,383 RAMOL60 6,422 58,834 117,668 3,118 0,591 RAMOL120 1,985 25,375 50,750 2,439 1,052 RAMOL180 10,220 17,958 35,915 1,573 0,957 RAMETON60 340,489 65,723 131,447 2,228 0,370 RAMETON120 11,975 66,712 133,425 1,800 0,487 RAMETON180 13,841 28,017 56,035 1,325 0,980 RASILA60 15,940 9,786 19,571 1,800 3,019 RASILA120 1332,610 20,239 40,478 0,800 2,524 RASILA180 13,001 59,499 118,998 2,200 22,400
Tabel 3. Hasil uji BET menunjukkan  harga konstanta BET yang memiliki kesalahan relatif kurang dari 2% adalah RAMETON60 dan RASILA120. RAMEK180, RAMOL180, RAMETON120, RAMETON180, RASILA60 dan RASILA180 memiliki  kesalahan  relatif  pengukuran  kurang  dari  20%  Sedangkan  serat RAGREEN,  RANOH,  RAMEK60,  RAMEK120,  RAMOL60  dan RAMOL180 mengindikasikan kesalahan relatif diatas 20%.
Ukuran diameter pori-pori dikelompokkan sebagai berikut: 1. mikroporous:RAGREEN,  RANOH5 dan RASILA60
2. mesoporous:RAMEK60,
RAMEK120,RAMEK180, RAMOL60,RAMOL120, RAMOL1180,RAMETON60, RAMETON120,RAMETON180, RASILA120 dan RASILA180
3. makroporous: tidak ada.
Ukuran  diameter  relatif  terbesar  adalah RAMOL60, RAMETON60, RAMETON120 dan RASILA180. Menurut  perhitungan  Packham  ukuran pori-pori serat diatas 100 Angstrom atau rata-rata  0,01  mikron  dapat  ditembus oleh matrik cair sampai kedalaman lebih dari  0,7  mikron (catatan:  1  nm  =  10 Angstrom  =  0,001  mikron).  Struktur serat  tunggal  rami  rata-rata  memiliki ukuran  diameter  panampang  melintang sebesar  28  mikron  yang  memungkinkan sekitar  2,5%  kedalaman  pori-pori  dari ukuran  diameter  tersebut  terisi  matrik cair. Kemungkinan  ini  menghasilkan ikatan mekanis interlock antara serat dan matrik cair.
Prosedur BET ini mengasumsikan bahwa serat memiliki lapisan tunggal
( monolayer ) dan bentuk pori-pori adalah silinder sehingga kemungkinan jika serat memiliki  sususan multilayer dan  bentuk pori-pori  tidak  silinder  maka  berimbas pada  hasil  konstanta  C  yang  rendah. Dengan  prosedur  yang  sama,  Bismarck dkk [9] mengasumsikan bahwa serat flax, jute dan hemp adalah monolayer dan non-porous  solid dan  hasilnya  tidak
berbeda  dengan  rami  tetapi  dengan perlakuan  alkali  10%  menunjukkan peningkatan harga konstanta C
dibandingkan  dengan  alkali  5%.
Perbedaan harga konstanta C (antara 8 –
72) ditengarai juga akibat dekortikasi dan reaksi kimiawi yang terjadi di permukaan serat.

## 6. KESIMPULAN
Hasil uji  BET  untuk  mengetahui  dan membuktikan  topografi  permukaan  serat rami  disimpulkan  bahwa  rami  memiliki tekstur  permukaan  yang  beragam.
Ukuran diameter pori-pori rami rata-rata dikategorikan dalam
kelompok mesoporous yakni  berkisar  antara  20 – 500  Angstrom.  Penetrasi  matrik  cair diprediksi  mampu  menembus  pori-pori hingga  kedalaman  0,7  mikron  untuk menghasilkan ikatan mekanis interlocking di  daerah interfacial serat- matrik. Meskipun beberapa hasil uji BET menunjukkan  kesalahan  relatif  yang tinggi,  hal  ini  disebabkan  oleh kompleksitas  permukaan  serat  yang belum  diketahui  apakah monolayer atau multilayer yang  berkaitan  dengan penetrasi media adsorbat sesuai prosedur BET  yakni  gas  nitrogen  yang  harus mengalami  kondensasi  pada monolayer dengan tekanan relatif P/Po antara 0,05 - 0,3 pada kondisi vakum.

## DAFTAR ACUAN
1. Y.Chen,  L.  Chiparus,I.  Sun,  D.V. Negulescu,  T.A.  Calamari.  Natural Fibers  for  Automotive  Nonwoven
Composites, J.Industrial Textiles, vol. 35 no.. 47 (2005), Sage Publ
2. D.H.  Muller,  A.  Krobjilowski. New Discovery  in  the  Properties  of Composite  Reinforced  with  Natural Fibers ,  Journal  of  Industrial  Textiles, vol.33, no.2 (2003) pp.111-130  Sage Publ. 3. M.N.Belgacem,  A.  Gandini. The Surface  Modification  of  Cellulose fibers  for  Use  as  Reinforcing  in Composite materials ,  Composite interfaces,  vol.12    (2005)  pp,  41-75,
VSP publ.
4. Drzal,  L.T. Chemical,  Physical  and Mechanical  Methods  of  Fiber-Matrix Adhesion and Interphase Characterization in Composite , Electron  Beam  Curing  Workshop (1999), Oak Ridge. 5. N.V Kolpachevskaya., V.M.Gorchakova,B.A. Izmailov, V.A. Batalenkova. Development of Technology  for  High  Strength Nonwoven Materials, Fibre Chemistry,  vol.  38,  no.2  (2006). Springer Science 6. G.J  Price,  M.L.Pastor,  A.N.  Towo, M.P.    Ansell,  D.  Packham.  Shear
Strength at Sisal Fiber-Polyester Resin
Interfaces:  Use  of  Inverse  Gas Chromatography
to
Study
Pretareatment  effects,  Composites interfaces, vol. 14, no. 14  (2007) VSP
7. Vick,    C.B.,  Adhesive  Bonding  of Wood  Materials,  Wood  Handbooks- Wood    as  Engineering  Materials,
Forest Products Laboratory, Madison, 1999,ch.9., pp.1-23.
8. [Gardner lecture notes,
http//:,www.umaine.edu/adhesion/gar dener: tanggal akses 12 Januari 2004 9. [Adhesive Bonding http//:,www.roymech.co.uk,  tanggal akses 8 Februari 2005. 10. Anon., Quantachrome Instruments , High speed gas sorption analyzer,    User  manual  book  ver.
7.11, pp.64-72, 2001.
11. A.  Bismarck,  I.A.  Askargota,  J. .Springer,  T.  Lampke,  B.Wielege,  A. Stamboulis,, I. Shenderovich, H.Limbach, Surface  Characterization of flax, hemp and Cellulosic; Surface properties  and  the  Water  uptake Behavior ,  Polymer  Composites,  vol.
23., no.5 ( 2002) ,pp. 872-894.
12. Mihranyan,  A.., Engineering  of
Native  Cellulose  Structure  for Pharmaceutical  Application ,  laporan disertasi,  Uppsala  Univ.,  ISBN  91- 554-6130-1, Swedia. 2005 13. M.  Rochery,  I.  Vroman,  C. Campagne. Coating of Polyester with Poly(dimethylsiloxane)-and Poly(tetramethylene  oxide)  based Polyurethane,  J.of  Industrial  Textiles, vol. 35, no.3 (2006) ,Sage Publ.