## PENDAHULUAN
Polimer nanokomposit adalah suatu kelas dari material polimer dengan menggunakan sistem penguat dari partikel lempung berukuran nano ( nanometric-sized clay particles ) dengan hanya kuantitas kecil (< 5%) [1]. Bahan lempung ini ternyata dapat meningkatkan kekuatan mekanis dan ketahanan
Akreditasi LIPI Nomor : 536/D/2007 Tanggal 26 Juni 2007

## SINTESIS DAN KARAKTERISASI ORGANOCLAY SEBAGAI PENGUAT MATERIAL NANOKOMPOSIT BERBASIS LEMPUNG LOKAL
Seto Roseno dan Agus Hadi S. W. Pusat Teknologi Material (PTM) - BPPT Gedung BPPT 2, Lantai 22, Jl.M.H. Thamrin No.8, Jakarta 10340

## ABSTRAK
SINTESIS DAN KARAKTERISASI ORGANOCLAY SEBAGAI PENGUAT MATERIAL NANOKOMPOSIT BERBASIS LEMPUNG LOKAL. Riset pengembangan silika nanokomposit merupakan suatu awal dari tahapan menuju penguasaan nanoteknologi dalam rangka upaya meningkatkan daya saing produk lokal. Organoclay hasil sintesis dari bahan lempung montmorillonit alam Indonesia digunakan sebagai bahan dasar penyusun pembuatan material nanokomposit polimer yang akan diaplikasikan sebagai material komponen otomotif. Dalam penelitian ini telah dilakukan proses pembuatan organoclay dengan aktivasi asam menggunakan HCl dengan konsentrasi dan variasi waktu aktivasi tertentu yang kemudian ditambahkan surfaktan terpilih. Karakteristik morfologi organoclay hasil sintesis didapat dengan melakukan pengujian XRD , FT-IR , TGA dan dibandingkan karakteristiknya dengan organoclay bentone SD-1. Analisis terhadap spektrum FT-IR menunjukkan organoclay hasil sintesis maupun bentone SD-1 memiliki kemiripan yang tinggi untuk senyawa organik yang digunakan. Analisis terhadap Difraktometer XRD untuk organoclay hasil sintesis menunjukkan karakteristik instensitas serapan yang berbeda dengan clay alam dan terjadi peningkatan jarak antar lapis akibat interkalasi molekul organik yaitu dari semula 15,03 Å pada clay alam, akibat masuknya surfaktan pada antar lapis clay maka jarak antar lapisnya menjadi 39,18 Å untuk organoclay alam hasil sintesis. Dari analisis termogravimetri dapat disimpulkan organoclay hasil sintesis mulai mengalami kehilangan massa dalam jumlah yang cukup signifikan pada suhu 180 o C yang puncaknya pada suhu sekitar 220 o C. Total massa yang hilang pada proses tersebut hingga mencapai sekitar 30 %berat.
Kata kunci : Organoclay , Nanokomposit, Bentone SD-1, Spektrum FT-IR , Difraktogram XRD , Termogravimetri

## ABSTRACT
SYNTHESIS AND CHARACTERIZATION OF ORGANOCLAY AS REINFORCEMENT TO LOCAL CLAY BASED POLYMER NANOCOMPOSITE. Research and development in silica based nanocomposite material has been the beginning phase towards national capacity to produce nanocomposite with improved local product competitiveness. Synthesized organoclay derived from Indonesian montmorillonite clay was used as reinforcement material of polymer nanocomposite that will be further applied to make automotive components.  In this research, fabrication process of organoclay by means of acid activation using HCl at certain concentration level and activation time variable which was then added with chosen surfactant was carried out. Morphological properties of synthesized organoclay was obtained by undertaking XRD, FT-IR, and TGA analysis which was then compared to those of organoclay bentone SD-1. FT-IR spectra analysis shows that both synthesized organoclay and bentone SD-1 have large similarity in terms of organic compounds being used. On the contrary, the synthesized organoclay has different absorbed intensity as compared to that of natural clay and there is an increase in the interlayer d-space gallery from 15.03 Å of the natural clay to 39.18 Å for the synthesized organoclay, as indicated by XRD spectra analysis. Furthermore, it can be concluded from thermogravimetry analysis that the synthesized organoclay started to experience significant mass degradation  at the temperature of 180 o C  and continued to degrade and reached its peak mass loss of  30 % weight at 220 o C.
Key words : Organoclay, Nanocomposite, Bentone SD-1, FT-IR spectra, XRD Difractogram, themogravimetry
panas polimer dengan cukup tinggi yaitu pada sifat mekanis (nilai modulus dan kekuatan), ketahanan panas ( thermal stability/fire resistance ), dan sifat daya hambat ( barrier properties ).
Selama ini, ketertarikan utama dalam pemanfaatan bahan lempung untuk peningkatan kinerja bahan polimer adalah dengan memecah agregat partikel lempung menjadi individual partikel untuk membentuk polimer berpenguat filler berukuran mikro seperti yang ditunjukkan Gambar 1. Munculnya keunggulan sistem penguat pada material silika nanokomposit terutama disebabkan oleh besarnya wilayah antarfasa ( interfacial area ) per unit volume atau berat fasa terdispersi. Salah satu potensi menarik yang penting untuk dikaji adalah sifat mineral lempung ( clay ) dari silikat nanolayer (tebal satu lapis silikat lempung kurang lebih sebesar 0,7 nm) memiliki kemampuan dispersi dengan aspek rasio yang tinggi.
Meskipun demikian hambatan utama dalam sintesa bahan lempung yang dapat digunakan sebagai material penguat nanokomposit adalah secara alamiah permukaan bahan lempung ( clay )   memiliki sifat hidrofilik yang dapat menghambat kemampuan dispersi lapisan silikat nanolayer bahan lempung yang dimasukkan dalam bahan polimer.
Untuk meningkatkan kompatibilitas antara bahan lempung ( clay ) dan bahan polimer yang dipakai, maka dilakukan fungsionalisasi permukaan lempung dengan menggunakan semacam surfaktan, sehingga mengubah sifat permukaan lempung  menjadi hidrofobik.
General Motors dan Basell telah mengumumkan pembuatan komponen pijakan kaki ( step assistant component ) pada kendaraan GMC Safari dan Chevrolet Astro Vans dengan menggunakan material poliolefin-silika nanokomposit [2]. Sementara, baru-baru ini Noble polymers juga telah mengembangkan suatu komponen otomotif yaitu struktur penopang kursi belakang ( structural seat backs ) pada kendaraan Honda Acura yang dibuat dari  bahan polipropilen-silika nanokomposit [3].
Dengan alasan mendasar inilah, penelitian sistematis dalam silika nanokomposit bermatriks polimer telah meningkat dengan pesat beberapa tahun belakangan ini dan sangat penting untuk dilakukan
di tanah air. Potensi sumber daya alam Indonesia dalam penyediaan bahan mentah berupa bahan lempung  sangat besar dan terbuka untuk suatu penelitian yang dalam.
Beberapa surfaktan (sebagai clay modifier ) akan digunakan untuk menghasilkan bahan organoclay berbasis lempung lokal yang akan berfungsi menjadi penguat material nanokomposit. Organoclay yang dihasilkan kemudian dianalisis untuk mengetahui karakteristik morfologinya sehingga dapat diketahui pengaruhnya pada karakteristik  mekanis, fisik, dan termis material nanokomposit. Diharapkan dengan pengembangan nanokomposit ini akan dihasilkan suatu kelas material baru berbasis lempung lokal dengan dispersi fasa ultrafine yang memiliki orde beberapa nanometer yang akan membuat bahan komposit ini memiliki nilai kompetitif berupa sifat yang unik, yang tidak dimiliki oleh material komposit dan polimer konvensional yang dapat menawarkan suatu peluang teknologi dan nilai ekonomi dan ekologi yang tinggi.

## METODE PERCOBAAN

## Bahan
Clay alam, bentone SD-1,  larutan ammonium asetat, larutan asam klorida, larutan asam sulfat, aquades,  NaOH, Kalium Bromida, dan surfaktan CTMABr.

## Alat
Oven, ball mill , hot plate stirer , saringan 200 mesh , termometer, pH meter, tabung sentrifugal, spektrofotometer inframerah Shimadzu FT-IR 8201, XRD difraktometer sinar-X Shimadzu XRD-6000, thermogravimeter Seiko.

## Cara Kerja
Dalam penelitian ini, pembuatan organoclay dilakukan dengan melakukan aktivasi asam terhadap bahan clay menggunakan HCl dengan konsentrasi pada suhu tertentu dan variasi waktu. Optimasi terhadap jumlah surfaktan yang diberikan pada clay teraktivasi asam dilakukan dengan memperhatikan besarnya kapasitas tukar kation clay . Organoclay dibuat dari clay teraktivasi asam dengan karakteristik terbaik menggunakan surfaktan yang berbeda panjang rantai karbon dan gugus fungsionalnya. Kondisi suhu optimum pemberian ion surfaktan menggunakan data sekunder dari literatur.
Karakterisasi menggunakan XRD , FT-IR , dan TGA terhadap organoclay diharapkan mampu memverifikasi karakteristiknya dan menghasilkan organoclay yang tepat sebagai bahan penguat nanokomposit.
Gambar 1 . Prinsip fabrikasi komposit konvensional terhadap nanokomposit [1]
Sintesis dan Karakterisasi Organoclay Sebagai Penguat Material Nanokomposit Berbasis Lempung Lokal (Seto Roseno)
Pembuatan Clay Teraktivasi Asam
Clay dimasukan dalam 250 mL larutan asam sulfat bersuhu 90 o C dan diaduk selama 6 jam. Larutan asam sulfat yang terkandung dalam larutan memiliki prosentase berat yang sama dengan berat clay yang dimasukkan. Clay teraktivasi dipisahkan melalui penyaringan dan dicuci beberapa kali menggunakan aquadest hingga bebas ion sulfat. Sampel dikeringkan pada suhu 80 o C selama 72 jam, dan dihaluskan hingga lolos saringan 200 mesh .
Pembuatan Organoclay
Untuk setiap 5 gram clay teraktivasi asam dimasukan ke dalam 100 mL larutan yang mengandung 410 mmol surfaktan CTMA Br dengan suhu 60 o C. Suspensi ini diaduk selama 4 jam. Produk dipisahkan melalui penyaringan dan padatan dicuci menggunakan aquadest beberapa kali kemudian dikeringkan pada suhu ruang. Padatan ini kemudian dikeringkan kembali pada suhu 80 o C selama 48 jam. Setelah itu dihaluskan hingga lolos saringan 200 mesh.

## Pengujian Organoclay
Organoclay hasil sintesis dianalisis menggunakan spektroskopi FT-IR , XRD , dan TGA . Analisis terhadap data-data tersebut diharapkan dapat memberikan informasi mengenai karakteristik organoclay hasil sintesis untuk kemudian dibandingkan datanya dengan karakteristik morfologi dan stabilitas termal bentone SD-1 sebagai produk organoclay yang telah ada di pasaran  yang digunakan sebagai tolak ukur.
Untuk keperluan analisis FT-IR dilakukan pencampuran 2 mg sampel dengan 200 mg KBr dan kemudian dibuat pelet. Pengukuran dilakukan pada bilangan gelombang 400 cm -1 hingga 4000 cm -1 menggunakan spektrofotometer inframerah Shimadzu FT-IR 8201.
Pengukuran difraksi sinar-X ( XRD ) menggunakan difraktometer sinar-X Shimadzu XRD -6000 yang memiliki lampu Cu K α = 1,54A, dioperasikan pada 40 kV dengan slit divergensi = 0,05 derajat, slit pantulan = 1 derajat dan slit penerima = 0,3 mm. Sampel padatan diletakan pada holder terbuat dari gelas. Pengambilan data pada daerah 2 θ dari 1,5 derajat hingga 10 derajat dengan
kecepatan 2 derajat/menit, data direkam setiap 0,05 derajat dalam waktu setiap 0,6 detik.
Pengukuran TGA ( Thermo Gravimetri Analysis ) menggunakan thermogravimeter Seiko. Sebanyak 6 mg sampel dipanaskan dengan laju kenaikan suhu 5 o C/menit dengan gas alir nitrogen sebesar 260 mL/menit. Pengambilan data dari suhu 30 o C hingga 500 o C.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Data spektroskopi FT-IR diharapkan dapat memberikan informasi adanya gugus-gugus fungsional organoclay dan interaksi antara surfaktan dengan clay . Spektrum FT-IR pada Gambar 3 dibawah menunjukkan puncak-puncak serapan yang khas untuk bilangan gelombang 702 cm -1 hingga 840 cm -1 , 1469,7 cm -1 , 2850 cm -1 dan 2920 cm -1 , serta 3929 cm -1 . Puncak-puncak serapan yang berbeda ditunjukkan oleh spektrum FT-IR organoclay dan clay alam. Sementara itu, puncak serapan dengan kemiripan yang tinggi ditunjukkan oleh spektrum FT-IR organoclay hasil sintesis dengan organoclay bentone SD-1. Serapan pada bilangan gelombang 702 cm -1 hingga 840 cm -1 , 1469,7 cm -1 , 2850 cm -1 dan 2920 cm -1 merupakan serapan khas untuk gugus alifatik yang berasal dari senyawa alkana [4].
Kuatnya intensitas serapan pada bilangan gelombang  2850 cm -1 dan 2920 cm -1 mengindikasikan panjangnya rantai alkana yang disebabkan oleh vibrasi gugus –CH 2 - dan –CH 3 . Serapan pada bilangan gelombang  3929 cm -1 menunjukkan adanya gugus amina quartener pada sampel yang diperiksa baik untuk organoclay hasil sintesis maupun organoclay bentone SD-1.
Gambar 2 . Organoclay hasil sintesis
Gambar 3 . Spektrum FT-IR organoclay bentone SD-1, organoclay hasil sintesis ( organo synth ) dan clay alam
Perkiraan penataan dan orientasi surfaktan di antar lapis clay serta pengaruhnya terhadap morfologi clay diharapkan dapat diberikan dari analisis terhadap data XRD .  Gambar 4 dibawah menunjukkan difraktometer XRD yang mengindikasikan orientasi dan morfologi organoclay . Puncak-puncak difraktometer XRD untuk organoclay hasil sintesis dan bentone SD-1 menunjukkan karakteristik instensitas serapan yang berbeda dengan clay alam. Bentone SD-1 memiliki dua puncak serapan kuat dan satu serapan lemah.
Sedangkan organoclay hasil sintesis menunjukkan dua puncak serapan kuat dan untuk clay alam hanya menunjukkan satu serapan kuat. Perbedaan yang paling khas untuk Difraktometer XRD organoclay dengan clay alam adalah tidak munculnya intensitas serapan di daerah 2è sekitar 5,8 untuk organoclay , dimana puncak ini menunjukkan jarak antar lapis pada clay alam jika dihitung menggunakan hukum Brag .
Tidak munculnya puncak serapan di daerah ini pada organoclay mengindikasikan peningkatan jarak antar lapis akibat interkalasi molekul organik. Jarak antar lapis mula-mula pada clay alam adalah 15,03 Å, akibat masuknya surfaktan pada antar lapis clay maka jarak antar lapisnya menjadi 39,18 Å untuk organoclay hasil sintesis dan 34,19 Å untuk bentone SD-1.
Besarnya jarak antar lapis clay secara tidak langsung juga menunjukkan orientasi molekul organik pada antar lapis. Seperti diketahui dari eksperimen yang pernah dilakukan untuk lapisan surfaktan dalam bentuk lapisan tunggal, ganda dan pseudo -tiga berturut-turut memiliki jarak antar lapis sebesar 13,2 Å; 18,0 Å dan 22,7 Å, sedangkan untuk struktur lereng parafin, jarak antar lapisnya lebih tinggi [5]. Gambar 4 diatas menunjukkan jarak antar lapis untuk organoclay hasil
sintesis dan bentone SD-1 lebih besar dari 22,7 Å, sehingga dapat disimpulkan bahwa orientasi surfaktan pada organoclay hasil sintesis adalah berstruktur lereng parafin. Jarak antar lapis organoclay hasil sintesis yang lebih besar dari bentone SD-1 mengindikasikan orientasi surfaktan yang lebih tegak dan diduga mendekati vertikal.
Untuk mengamati kemampuan surfaktan dalam mempertahankan jarak antar lapis clay , digunakan metode analisis termogravimetri seperti yang diperlihatkan pada data TGA . Gambar 5 dibawah menunjukkan perilaku perbedaan stabilitas termal untuk masing-masing sampel clay yang diamati. Penurunan kurva menunjukkan pengurangan berat akibat hilangnya massa selama perlakuan termal.
Pengurangan massa total terbesar terjadi setelah dipanaskan hingga 500 o C yaitu pada organoclay bentone SD-1. Hal ini mengindikasikan besarnya komponen organik yang hilang selama pemanasan yakni hilang sekitar 45 %berat. Organoclay hasil sintesis menempati urutan kedua dengan massa yang hilang sekitar 40% dari berat mula-mula. Pola hilangnya massa organoclay berbeda dengan clay alam. Organoclay hasil sintesis memiliki tiga kali penghilangan massa, sedangkan clay alam dan clay teraktivasi alam hanya sekali. Hilangnya massa pada suhu sekitar 100 o C untuk sampel clay alam, clay teraktivasi asam dan organoclay hasil sintesis diduga merupakan kontribusi dari keberadaan fraksi yang dapat hilang karena pengaruh interaksi antara gas nitrogen sebagai pembawa dan suhu [6] diduga dalam sampel yang diamati adalah hilangnya air dari clay . Sedangkan dua kali kehilangan berat pada suhu di atas 200 o C adalah berasal dari hilangnya molekul organik yang berinteraksi dengan clay .
Gambar 4 . Difraktogram XRD organoclay bentone SD-1, organoclay hasil sintesis ( OC synth ), dan clay alam
Gambar 5 . Termogram TGA bentone SD-1, clay teraktivasi (ac 1.0), organoclay hasil sintesis (acoc 1.0), dan clay alam (bentonit).
Organoclay hasil sintesis mulai mengalami kehilangan massa dalam jumlah yang cukup signifikan pada suhu 180 o C yang puncaknya pada suhu sekitar 220 o C. Total massa yang hilang pada proses tersebut hingga mencapai sekitar 30 %berat dan sekitar 10% berikutnya pada suhu sekitar 280 o C. Massa yang hilang dengan puncak massa yang hilang sekitar 30 %berat diduga berasal dari senyawa organik yang berada di luar antar lapis clay , sedangkan massa yang hilang sekitar 10% diduga berasal dari surfaktan yang berada di antar lapis clay . Sedangkan bentone SD-1 mulai mengalami pengurangan berat pada suhu  220 o C dan puncaknya pada suhu 280 o C yang mencapai kehilangan massa sekitar 30%, yang pengurangan massanya berlanjut untuk yang kedua pada suhu sekitar 370 o C dengan massa yang hilang sekitar 15%. Hilangnya massa pada suhu sekitar 280 o C diduga kontribusi dari molekul organik yang ada di permukaan sedangkan yang hilang pada suhu 370 o C berasal dari molekul organik pada antar lapis clay .
Pola penghilangan massa yang mirip antara organoclay hasil sintesis dan bentone SD-1 menunjukkan pola interaksi yang mirip akibat interaksi antara molekul organik pada permukaan clay dan pada antar lapis clay . Molekul organik yang berada pada permukaan organoclay hasil sintesis lebih mudah dilepaskan yakni pada suhu sekitar 180 o C sedangkan untuk bentone SD-1 pada temperatur sekitar 220 o C diduga akibat keberadaan molekul air pada organoclay hasil sintesis yang mempercepat proses pelepasan senyawa dari permukaan clay .

## KESIMPULAN
Organoclay sebagai penguat material nanokomposit berbasis lempung lokal telah berhasil dibuat dengan melakukan aktivasi asam pada clay alam. Karakteristik morfologi organoclay hasil sintesis didapat dengan melakukan pengujian XRD, FT-IR, TGA . Analisis terhadap spektrum FT-IR organoclay baik untuk hasil sintesis maupun bentone SD-1 kemiripan yang tinggi untuk senyawa organik yang digunakan. Analisis terhadap Difraktometer XRD untuk organoclay hasil sintesis dan bentone SD-1 menunjukkan karakteristik instensitas serapan yang berbeda dengan clay alam dan terjadi peningkatan jarak antar lapis akibat interkalasi molekul organik yaitu dari semula 15,03 Å pada clay alam, akibat masuknya surfaktan pada antar lapis clay maka jarak antar lapisnya menjadi 39,18 Å untuk organoclay alam hasil sintesis. Dari analisis termogravimetri (analisis TGA ), dapat disimpulkan organoclay hasil sintesis mulai mengalami kehilangan massa dalam jumlah yang cukup signifikan pada suhu 180 o C yang puncaknya pada suhu sekitar 220 o C. Total massa yang hilang pada proses tersebut hingga mencapai sekitar 30 %berat. Massa yang hilang ini diduga berasal dari senyawa organik yang berada di luar antar lapis clay , sedangkan massa yang
hilang sekitar 10% diduga berasal dari surfaktan yang berada di antar lapis clay . Secara umum, dari hasil analisis data TGA dapat disimpulkan bahwa molekul organik yang diberikan pada clay terdistribusi menjadi dua bagian. Bagian permukaan dan bagian antar lapis clay , yang keduanya memiliki stabilitas termal yang berbeda.

## DAFTAR ACUAN
[1]. GAO, F., Clay/Polymer Composites : The Story, Materials Today , Nottingham, UK, (2004) 50-51 [2]. COX, H., et all ., Nanocomposites Systems for Automotive Applications, Presented at 4 th World Congress in Nanocomposites, EMC, San Francisco, USA, (2004)
[3]. PATTERSON, T., Forte Nanocomposites-Our Revolutionary Breakthrough, Presented at 4 th World Congress in Nanocomposites, EMC, San Francisco, USA, (2004)
[4]. SILVERSTEIN, R.M., WEBSTER, F.X., and KIEMLE, D.J., Spectrometric Identification of Organic Compounds, John Wiley & Sons, (2005) 72-110
[5]. LeBARON, P., WANG, Z. and PINNAVIA, T., Appl. Clay Sci., 15 (1999) 11-29
[6]. TAKEYAMA, T., and QUINN, F.X., Thermal Analysis, Fundamentals and Applications to Polymer Science, Second Edition , John Wiley &
Sons, New York,(1999)