Analisis Pengaruh Waktu Hidrolisis Terhadap Sifat Mekanis Selulosa Kristalin Dari Campuran Serbuk Gergaji Kayu Belian, Bengkirai, Jati dan Meranti
Neng Ayu Arini 1) , Mariana Bara’allo Malino 1*) , Dwiria Wahyuni 1)
1) Program Studi Fisika Jurusan Fisika FMIPA Universitas Tanjungpura Jl.Prof.Dr.H.Hadari Nawawi Pontianak *Email: marianabaraallomalino@physics.untan.ac.id

## Abstrak
Telah dilakukan penelitian untuk menganalisis pengaruh waktu hidrolisis terhadap sifat mekanis selulosa kristalin dari campuran  serbuk  gergaji  kayu  belian, bengkirai, jati dan meranti. Isolasi  selulosa kristalin dari  serbuk  gergaji  dilakukan  melalui  3  tahap  yaitu  ekstraksi,  bleaching  dan  hidrolisis  asam.  Tahap ekstraksi menggunakan  larutan alkohol-benzena (1:2) dan  larutan NaOH dengan Na 2 S.  Tahap bleaching menggunakan  hipoklorit  30%.  Sedangkan  tahap  hidrolisis  asam  menggunakan  HCl  37%  dengan  asam: selulosa yaitu 4:1. Selulosa kristalin dibuat dengan variasi waktu hidrolisis yaitu 30 menit, 45 menit dan 90  menit.  Nilai  optimum  diperoleh  dari  hasil  hidrolisis  30  menit  dengan  derajat  kristalinitas  74,49%, kekuatan  tarik  20,09  kPa,  kekuatan  putus  17,64  kPa  dan  modulus  elastisitas  1,3393  MPa.  Nilai  derajat kristalinitas berbanding lurus dengan parameter mekanis selulosa kristalin yang dihasilkan.
Kata Kunci: Selulosa kristalin, Derajat kristalinitas, Kekuatan tarik, Kekuatan putus, Modulus elastisitas
1. Latar Belakang
Produksi  total  kayu  gergajian  Indonesia mencapai  2,6  juta  m³  pertahun.  Dengan  asumsi bahwa  jumlah  limbah  yang  terbentuk  adalah 54,24%  dari  produksi  total  maka  limbah penggergajian  kayu  yang  dihasilkan  sebanyak 1,4  juta  m³  pertahun.  Angka  tersebut  relatif besar  karena  mencapai  sekitar  separuh  dari produksi  kayu  gergajian  (Pari,  2002).  Limbah kayu  pada  industri  penggergajian  terdiri  dari serbuk gergaji, sebetan dan potongan ujung.
Serbuk  gergaji  dapat  dimanfaatkan  sebagai bahan  bakar  misalnya  briket  arang  (Wijayanti, 2009)  tetapi  pembuatan  briket  arang  dari serbuk  gergaji  memerlukan  volume  dan temperatur  proses  yang  relatif  tinggi.  Serbuk gergaji  memiliki  kandungan  selulosa  sekitar 40%  (Arias  dan  Elsa,  2011)  yang  berpotensi untuk  dimanfaatkan  sebagai  bahan  pengisi. Pemanfaatan  serbuk  gergaji  sebagai  bahan pengisi  lebih  efisien  dibanding  sebagai  bahan bakar,  karena memerlukan  volume  dan temperatur  proses  yang  relatif  rendah.  Lestari (2011)  telah  melakukan  penelitian  mengenai komposit  karet  alam  dan  selulosa  kristalin  dari serbuk  gergaji.  Palangan  (2007)  menghasilkan komposit  yang  diisi  serbuk  gergaji  kayu  belian dengan kekuatan tarik sebesar 28,91 MPa.
Sifat mekanis merupakan parameter penting  bagi  penentuan  kualitas  suatu  material sebagai  bahan  pengisi.  Rosa,  dkk  (2009) mengatakan  bahwa penurunan  waktu hidrolisis meningkatkan  derajat  kristalinitas  selulosa nanokristalin  dari  serat  kelapa.  Nilai  kekuatan tarik  polipropilena  semakin  besar  apabila
derajat  kristalinitas  yang  dihasilkan  semakin besar (Sudirman, 2004).
Penelitian dilakukan dengan memanfaatkan serbuk gergaji sebagai sumber selulosa kristalin dari  4  jenis  kayu  keras  yakni  kayu  belian (Eusideroxylon zwageri), bengkirai (Shorea leavis ridl),  jati  (Tectona  grandis  l.f)  dan  meranti (Shorea  sp.)  yang  dapat  mengurangi  volume limbah  serbuk  gergaji.  Jadi  pengolahan  serbuk gergaji  sebagai  sumber  selulosa  kristalin  dapat meningkatkan nilai tambah bagi hasil sampingan  dalam  pengolahan  kayu  dan  produk kayu. Penelitian dilakukan dengan memvariasikan  waktu  hidrolisis  asam  pada serbuk  gergaji  untuk  mengetahui  pengaruh waktu  hidrolisis  pada  sifat  mekanis  selulosa kristalin yang dihasilkan.

## 2. Metodologi Alat dan Bahan
Alat-alat yang digunakan adalah ayakan 200 mesh, botol vial ukuran 150 mL, corong, flexure machine,  gelas  ukur,  grindstone  machine,  kertas saring,  kurs  porselen,  neraca  digital,  oven pemanas,  pengaduk  gelas,  pipet  ukur,  plastik wrapping,  refrigerator,  sentrifugator,  sieve shaker,  sonikator,  universal  testing  machine  dan XRD.  Bahan-bahan  yang  digunakan  adalah alkohol  (C 2 H 5 OH)  teknis,  akuades  (H 2 O), benzena  (C 6 H 12 )  p.a.,  hipoklorit  (HClO)  teknis 30%,  hydrochloric  acid  (HCl)  p.a.  37%,  natrium hidroksida  (NaOH)  p.a.,  natrium  sulfida  (Na 2 S) p.a.  dan  serbuk  gergaji  (kayu  belian,  bengkirai, jati dan meranti).

## Ekstraksi serbuk gergaji
Serbuk  gergaji  sebanyak  500  gram  (125 gram  untuk  setiap  4  jenis  kayu)  yang  sudah bersih  dan  lolos  ayakan  200  mesh  diekstraksi dengan alkohol-benzena (1:2) selama 4 jam dan dioven  pada  suhu  80 ° C  kemudian  diturunkan menjadi  suhu  40 ° C  sampai  sampel  kering. Serbuk  dibilas  dengan  air  panas  dan  air  dingin lalu dilarutkan dengan NaOH dan Na 2 S selama 2 jam. Residu dilarutkan lagi dengan NaOH panas selama  1  jam  sebanyak  2  kali  kemudian dikeringkan  ke  dalam  oven  dengan  suhu  65 ° C selama 1 jam.

## Pemutihan (Bleaching)
Bleaching  dilakukan  dengan  merendam sampel  ke  dalam  larutan  NaOH  1  gram  dan hipoklorit  30%  selama  30  menit,  proses dilakukan  sebanyak  3  kali  kemudian  disaring dan dibiarkan pada suhu kamar.

## Hidrolisis selulosa
Selulosa dihidrolisis menggunakan HCl 37% melalui  pengadukan  pada  suhu  45 ° C  dengan lama  waktu  hidrolisis  30  menit,  45  menit,  90 menit  dan  perbandingan  asam:selulosa  yaitu 4:1.  Selulosa  dikeringkan  dan  disentrifugasi pada  10.000  rpm  selama  1  jam  lalu  disonifikasi selama  30  menit.  Selulosa  didinginkan  dalam refrigerator  selama  24  jam  kemudian  disaring dan dikeringkan dalam oven.

## Pembuatan lembaran selulosa kristalin
Selulosa  kristalin  dimasukkan  ke  dalam cetakan  dan  dikempa  pada  tekanan  32  MPa menggunakan flexure machine. Lembaran selulosa  kristalin  kemudian  dipotong  dengan ukuran panjang 5 cm dan lebar 2 cm.

## Karakterisasi selulosa kristalin Uji derajat kristalinitas
Derajat kristalinitas ditentukan berdasarkan persamaan 1 (Wang, dkk., 2009).
 = 112 0
112
100%                     (1)
dengan  adalah  derajat  kristalinitas  (%), 112 adalah  intensitas  puncak  dan 0 adalah intensitas minimum dari 112 .

## Uji mekanis
Hasil  uji  tarik  selulosa  kristalin  untuk menentukan parameter mekanis. Kekuatan tarik (yield strength) diperoleh berdasarkan persamaan 2 (Lestari, 2011).
 = (2)
dengan  y adalah  kekuatan  tarik  (Pa),  F max adalah  gaya  pembebanan  maksimum  (N)  dan  A adalah  luas permukaan (m 2 ).
Kekuatan putus ditentukan dengan persamaan 3.
= 0
(3)
dengan  TS  adalah  kekuatan  putus  (Pa),  F breaking adalah  beban  saat  benda  uji  putus  (N)  dan  A 0 adalah luas permukaan awal (m 2 ). Tegangan diperoleh dari persamaan 4.
= (4)
dengan σ adalah    tegangan  (Pa),  F  adalah  gaya beban  (N)  dan  A  adalah    luas  permukaan  (m 2 ). Regangan dihasilkan oleh persamaan 5.
= = ∆ (5)
dengan ε adalah regangan,    adalah perubahan panjang  (m),  L 0 adalah  panjang  mula–mula  (m) dan ∆ L adalah pertambahan panjang (m).
Berdasarkan  persamaan  (4)  dan  (5)  maka modulus elastisitas ditentukan melalui persamaan 6.
= (6)
dengan  E  adalah  modulus  elastisitas  (Pa), σ adalah tegangan (Pa) dan ε adalah regangan.

## 3. Hasil dan Pembahasan
Isolasi Selulosa Kristalin Ekstraksi serbuk gergaji Proses
ekstraksi bertujuan untuk membersihkan  senyawa  kimia  kayu  dari  zat ekstraktif  seperti  lemak,  resin  dan  minyak. Keberhasilan proses ditandai dengan perubahan warna sampel yang dialami yaitu semakin cerah. Proses  ekstraksi  serbuk  gergaji  ditunjukkan pada Gambar 1.
Gambar 1 Ekstraksi serbuk gergaji
Proses  pelarutan  serbuk  ke  dalam  NaOH dan  Na 2 S,  kemudian  dilanjutkan  lagi  dengan NaOH bertujuan untuk menghilangkan  senyawa kimia kayu yakni hemiselulosa yang terkandung di  dalam  serbuk  gergaji.  Reaksi  yang  terjadi antara selulosa dan NaOH adalah:
C 6 H 10 O 5(s) + NaOH (aq) C 6 H 9 O 5 Na (s) + H 2 O (l) Permukaan  selulosa  mengalami  perubahan kimia  yaitu  pertukaran  ion  H - dari  molekul selulosa  dengan  ion  Na + sehingga  mereduksi gugus  hidroksil  (OH)  yang  menghasilkan selulosa  mudah  larut  dalam  air  dan  C 6 H 9 O 5 Na merupakan  selulosa  alkali  yang  membantu proses bleaching karena bersifat basa.

## Pemutihan (Bleaching) serbuk gergaji
Bleaching  bertujuan  untuk  menghilangkan zat warna pada serbuk gergaji yang berasal dari lignin.  Proses  bleaching  menggunakan  pemutih yaitu  hipoklorit  karena  mengandung  oksidator
yang    kuat  sehingga  bisa  menghilangkan  lignin.

## Bleaching  dibantu  dengan  penambahan  1  gram
NaOH  untuk  mempercepat  bleaching.  Proses bleaching serbuk gergaji dilihat pada Gambar 2.

## Gambar 2 Proses bleaching serbuk gergaji

## Hidrolisis selulosa
Selulosa  kristalin  dapat  diperoleh  dengan cara hidrolisis asam yaitu proses menghilangkan daerah  amorf  dari  selulosa.  HCl  merusak  sisa- sisa  lignin  yang  terdapat  pada  serbuk  gergaji. Selulosa yang dikehendaki yakni selulosa α yang berbentuk kristalin  berada  di  dalam  sel  lignin sehingga  sel  lignin  perlu  dirusak  untuk mengisolasi  selulosa  di  dalam  lignin.   Hidrolisis selulosa kristalin dapat dilihat pada Gambar 3.
(a)                       (b)                     (c) Gambar 3 Hidrolisis selulosa kristalin (a) 30 menit (b) 45 menit (c) 90 menit
Selulosa  yang  sudah  dihidrolisis  akan menghasilkan  selulosa  kristalin.  Hasil  cetakan selulosa kristalin ditunjukkan pada Gambar 4.
Gambar 4 Hasil cetakan selulosa kristalin

## Karakterisasi  XRD
Karakterisasi XRD bertujuan untuk
menentukan derajat kristalinitas selulosa kristalin.  Hasil  karakterisasi  XRD  selulosa kristalin  dari  serbuk  gergaji  dapat  ditunjukkan pada  Gambar  5,  sedangkan  hasil  derajat kristalinitas  selulosa  kristalin  dari  serbuk gergaji dapat dilihat pada Tabel 1.
Tabel 1 Derajat kristalinitas selulosa kristalin dari serbuk gergaji Waktu Hidrolisis (menit) Derajat Kristalinitas (%) 30 74,49 45 90 71,27 70,16 Derajat kristalinitas sebesar 74,49% menunjukkan  bahwa  struktur  rantai  selulosa pada  hidrolisis  30  menit  lebih  teratur dibandingkan hasil hidrolisis pada 45 menit dan 90  menit,  sehingga  derajat  kristalinitas  yang dihasilkan  besar.  Struktur  rantai  selulosa  pada hidrolisis  45  menit  mengalami  deformasi  yaitu terjadi  pemutusan  rantai  antar  selulosa sehingga  rantai  selulosa  menjadi  tidak  teratur. Struktur rantai selulosa pada hidrolisis 90 menit juga  mengalami  deformasi  dan  semakin  tidak teratur.
Ketidakteraturan dikarenakan penggunaan HCl selama 90 menit
mengindikasikan  terjadi  pembukaan  susunan rantai  selulosa  sehingga  mengubah  susunan rantai  polimer  dan  selulosa  lebih  mudah terdegradasi  menjadi  glukosa.  Struktur  rantai selulosa kristalin dapat dilihat pada Gambar 6.
Lignin Selulosa Gambar 6 Struktur rantai selulosa alfa (a) 30 menit (b) 45 menit (c) 90 menit Ketidakteraturan mempengaruhi hasil derajat  kristalinitas  yang  dihasilkan  karena semakin  teratur  rantai  selulosa  maka  derajat kristalinitas selulosa kristalin semakin besar.

## Parameter Mekanis Selulosa kristalin
Kekuatan  tarik  cenderung  mengalami penurunan  seiring  dengan  kenaikan  waktu hidrolisis seperti ditunjukkan pada Tabel 2.
Gambar 5 Hasil karakterisasi XRD selulosa kristalin dari serbuk gergaji 0 500 1000 1500 2000 0 10 20 30 40 50 60 70 In te n si ta s 2 θ 30 menit 45 menit 90 menit
Tabel 2 Kekuatan tarik selulosa kristalin dari serbuk gergaji Waktu Hidrolisis (menit) Kekuatan Tarik Rerata (kPa) 30 20,09 45 90 16,66 11,76
Proses  isolasi  pada  hidrolisis  30  menit menghasilkan  derajat  kristalinitas  yang  besar yaitu  74,49%  dan  menghasilkan  kekuatan  tarik sebesar  20,09  kPa.  Hal  tersebut  dikarenakan oleh  kekuatan  tarik  berbanding  lurus  dengan derajat  kristalinitas.  Nilai  kekuatan  tarik memberikan  gaya  maksimum  yang  bertujuan mengetahui  ketahanan  selulosa  kristalin  dalam menahan  gaya  yang  diberikan.  Ketahanan selulosa  kristalin  dihasilkan  dari  ikatan  antar rantai selulosa yang kuat.
Tabel 3 Kekuatan putus selulosa kristalin dari serbuk gergaji Waktu Hidrolisis (menit) Kekuatan Putus Rerata (kPa) 30 17,64 45 90 14,21 9,31
Kekuatan  putus  cenderung  mengalami penurunan  seiring  dengan  kenaikan  waktu hidrolisis seperti ditunjukkan pada  Tabel 3.  Hal tersebut  dikarenakan  oleh  keteraturan  rantai selulosa  yang  mempengaruhi  kekuatan  putus. Semakin  teratur  rantai  selulosa  maka  daerah amorf semakin kecil dan daerah kristal semakin besar.  Hal  tersebut  menyebabkan  derajat kristalinitas  yang  dihasilkan  semakin  besar. Susunan  rantai  selulosa  yang  semakin  teratur mengakibatkan pemberian gaya breaking semakin besar agar selulosa kristalin putus.
Tabel 4 Tegangan, tegangan dan modulus elastisitas selulosa kristalin dari serbuk gergaji Waktu Hidrolisis (menit) Tegangan Rerata (kPa) Regangan Rerata Modulus elastisitas Rerata (MPa) 30 20,09 0,015 1,33933 45 90 16,66 11,76 0,016 0,019 1,04125 0,61895
Modulus  elastisitas  cenderung  mengalami penurunan  pada  saat  penambahan  waktu hidrolisis  yang  dikarenakan  oleh  semakin banyak selulosa yang tidak teratur, hal ini dapat dilihat  dari  hasil  derajat  kristalinitas  selulosa kristalin  yang  rendah  seperti  ditunjukkan  pada Tabel 4.

## 4. Kesimpulan
1. Proses  isolasi  selulosa  kristalin  dari serbuk  gergaji  melalui  3  tahap  yaitu ekstraksi, bleaching dan hidrolisis asam.
2. Nilai  derajat  kristalinitas,  kekuatan tarik,  kekuatan  putus  dan  modulus elastisitas cenderung berbanding terbalik terhadap waktu hidrolisis asam. Waktu  hidrolisis  optimum  adalah selama  30  menit,  yaitu  dengan  derajat kristalinitas  sebesar  74,49%,  kekuatan tarik sebesar 20,09 kPa, kekuatan putus sebesar  17,64  kPa  dan  modulus elastisitas sebesar 1,3393 MPa.

## Daftar Pustaka
Arias,  G.  dan  Elsa  A.,  2011,  Variasi  Kondisi Operasi  Steam  Pretreatment  Sawdust (Serbuk  Kayu)  sebagai  Bahan  Baku Produksi Glukosa, ITS, Surabaya. Skrpsi.
Lestari,  S.,  2011,  Analisis  Sifat  Mekanis  dan Viskositas  Mooney  Komposit  Karet  Alam- Selulosa Kristalin, Universitas Tanjungpura,
Pontianak. Skripsi.
Palangan, W., 2007, Pengaruh Jenis  Serbuk Kayu
terhadap Sifat Mekanik Komposit Polyethylene/Serbuk Kayu, Fakultas Teknologi Industri, ITS. Surabaya. Skripsi.
Pari,  2002,  Forestry  statistic  of  Indonesia. Secretary    General  of  Forestry  1997/1998, Ministry  of  Forestry  and  Estate  Crops, Bureau of Planning, Jakarta.
Rosa, M. F.,  E. S. Medeiros, J. A. Malmonge, D. F.
Wood,  L.  H.  C.  Mattoso,  W.  J.  Orts,    dan  S. H.Imam,    2009,  Nanocomposites  Based  on Natural  Rubber  and  Cellulose  Nanocrystals from Coconut Fibers, The 11 th International Conference  on  Advanced  Materials,  Rio  de Janeiro, Brazil.
Sudirman,  2004,  Analisis  Sifat  Kekuatan  Tarik, Derajat  Kristalinitas  dan  Struktur  Mikro Komposit Polimer Polipropilena-Pasir, Jurnal sains materi  Indonesia, 1-6, issn:1411-1098.
Wang,  K.,  Jiang,  J.X.,  Xu,  F.,  dan  Sun,  R.C.,  2009, Influence  of  steaming  pressure  on  steam explosion  pretreatment  of  Lespedeza  stalks (Lespedeza crytobotrya):
Part1.
Characteristics  of  degraded  cellulose,
Polym. Degrad. Stabil. 94, 1379-1388.
Wijayanti,  D.S., 2009, Karakteristik Briket  Arang dari  Serbuk  Gergaji  dengan  Penambahan Arang  Cangkang  Kelapa  Sawit,  Fakultas Pertanian,  Universitas  Sumatra  Utara. Skripsi.