5 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Bentonit Bentonit adalah clay

BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Bentonit
Bentonit adalah clay yang sebagian besar terdiri dari montmorillonit
dengan mineral-mineral minor seperti kwarsa, kalsit, dolomit, feldspars, dan
mineral minor lainnya. Montmorillonit merupakan bagian dari kelompok smectit
dengan komposisi kimia secara umum (Mg,Ca)O.Al2O3.5SiO2.nH2O. Bentonit
berbeda dari clay lainnya karena hampir seluruhnya (75%) merupakan mineral
montmorillonit. Mineral montmorillonit terdiri dari partikel yang sangat kecil
sehingga hanya dapat diketahui melalui studi mengunakan XRD (X-Ray
Diffraction). Struktur montmorillonit memiliki konfigurasi 2:1 yang terdiri dari
dua silikon oksida tetrahedral dan satu alumunium oksida oktahedral. Pada
tetrahedral, 4 atom oksigen berikatan dengan atom silikon di ujung struktur.
Empat ikatan silikon terkadang disubtitusi oleh tiga ikatan alumunium. Pada
oktahedral atom alumunium berkoordinasi dengan enam atom oksigen atau gugusgugus hidroksil yang berlokasi pada ujung oktahedron. Al3+ dapat digantikan oleh
Mg2+, Fe2+, Zn2+, Ni+, Li+ dan kation lainnya. Subtitusi isomorphous dari Al3+
untuk Si4+ pada tetrahedral dan Mg2+ atau Zn2+ untuk Al3+ pada oktahedral
menghasilkan muatan negatif pada permukaan clay, hal ini diimbangi dengan
adsorpsi kation di lapisan interlayer (Alemdar, et. al., 2005).
5
6
Gambar 2.1 Struktur Monmorillonit (Othmer, 1964)
Adanya atom-atom yang terikat pada masing-masing lapisan struktur
montmorillonit memungkinkan air atau molekul lain masuk di antara unit lapisan.
Akibatnya kisi akan membesar pada arah vertikal. Selain itu karena adanya
pergantian atom Si oleh Al menyebabkan terjadinya penyebaran muatan negatif
pada permukaan bentonit. Bagian inilah yang disebut sisi aktif (active site) dari
bentonit dimana bagian ini dapat menyerap kation dari senyawa-senyawa organik
atau dari ion-ion senyawa logam.
2.1.1
Tipe Bentonit dan Pemanfaatannya
Berdasarkan pada sifat penyerapan dan sifat katalis yang dimiliki oleh
bentonit, bentonit banyak digunakan dalam berbagai aplikasi industri sebagai
adsorben pestisida, adsorben kotoran binatang, katalis dan penunjang katalis,
bahan pemucat (bleaching earth) dalam industri minyak sawit dan berbagai
industri farmasi. Penggunaan ini didasarkan oleh ketersediaan bentonit yang ada
di alam.
7
Di alam, bentonit terdiri atas dua jenis, yaitu natrium bentonit dan kalsium
bentonit yang keduanya dapat dibedakan dari sifat mengembang (swelling) bila
dicelupkan ke dalam air.
1. Natrium bentonit
Memiliki kemampuan mengembang delapan kali lipat bila dicelupkan ke
dalam air dan membentuk suspensi kental setelah bercampur air dengan pH
8.5 - 9.8. Dapat dimanfaatkan sebagai pengisi (filler), lumpur pemboran,
bahan pencampur dalam pembuatan cat, bahan baku farmasi dan sebagainya.
2. Kalsium bentonit
Kurang mengembang bila dicelupkan ke dalam air dan suspensinya memiliki
pH 3 - 7. Kalsium bentonit digunakan sebagai bahan pemucat warna
(bleaching earth) pada industri minyak sawit, zat pemisah pada pengilangan
minyak bumi, perusahaan bir dan sebagainya.
2.1.2
Sifat Fisik dan Kimia Bentonit
Dalam keadaan kering bentonit mempunyai sifat fisik berupa partikel
butiran yang halus berbentuk rekahan-rekahan atau serpihan yang khas seperti
tekstur pecah kaca (concoidal fracture), kilap lilin, lunak, plastis, berwarna
kuning muda hingga abu-abu, bila lapuk berwarna coklat kekuningan, kuning
merah atau coklat, bila diraba terasa licin, dan bila dimasukan ke dalam air akan
menghisap air. Sifat fisik lainnya berupa :
massa jenis
: 2,2-2,8 g/L
indeks bias
: 1,547-1,557
titik lebur
: 1330-1430oC
8
Bentonit termasuk mineral yang memiliki gugus aluminosilikat. Unsurunsur kimia yang terkandung dalam bentonit diperlihatkan pada Tabel 2.1.
Tabel 2.1. Komposisi Kimia Bentonit
Senyawa
Na-Bentonit (%)
Ca-Bentonit (%)
SiO2
61,3-61,4
62,12
Al2O3
19,8
17,33
Fe2O3
3,9
5,30
CaO
0,6
3,68
MgO
1,3
3,30
Na2O
2,2
0,50
K2O
0,4
0,55
H2O
7,2
7,22
Sumber: Puslitbang Tekmira, 2002
Partikel bentonit bermuatan negatif yang diimbangi dengan kation yang
dapat dipertukarkan dan terikat lemah (Na, Ca, Mg, atau K). Adanya kation yang
dapat dipertukarkan ini memungkinkan bentonit memisahkan logam berat dari air,
dan juga memisahkan senyawa organik kationik melalui mekanisme pertukaran
ion.
2.1.3
Organobentonit
Bentonit yang dimodifikasi (bentonit termodifikasi) oleh senyawa organik
disebut sebagai organobentonit. Organobentonit adalah bentonit yang menyerap
molekul kation dari senyawa-senyawa organik. Ada banyak pemanfaatan yang
diperoleh dengan disintesisnya organobentonit. Pestisida dan makanan hewan
merupakan sebagian kecil dari pemanfaatan organobentonit (Othmer, 1964).
9
Penambahan
kation organik yang berasal dari garam organik dapat pula
menghasilkan organobentonit yang memiliki sifat tertentu (Walid, et al., 2003).
Salah satu sifat yang merupakan suatu hal yang penting dalam pembentukan
organobentonit adalah kestabilan termal yang dimiliki oleh garam organik.
Dengan kestabilan termal yang dimiliki oleh garam organik yang selanjutnya
digunakan untuk memodifikasi sifat bentonit, diharapkan akan terbentuk bentonit
termodifikasi atau organobentonit yang memiliki kestabilan termal yang tinggi.
Salah satu sifat yang menarik dari bentonit adalah memiliki kemampuan
menyerap kation tertentu yang selanjutnya diubah menjadi kation lain dengan
menggunakan suatu pereaksi ion tertentu. Reaksi pertukaran kation ini terjadi
pada bagian sisi dari unit struktur silika aluminat sehingga tidak merubah struktur
mineral dari bentonit.
Pertukaran kation adalah reaksi reversibel dengan transfer energi rendah
dari ion antara fasa padat dan fasa cair. Metode pertukaran kation banyak
digunakan pada proses-proses yang berkaitan dengan tanah, seperti pada
pemisahan mineral tanah, adsorpsi nutrisi tanah, pemisahan senyawa elektrolit,
dan untuk mempertahankan pH tanah. Proses pertukaran kation menyebabkan
terjadinya netralisasi dari muatan negatif koloid tanah melawan muatan kation.
Kation berikatan dengan permukaan koloid melalui ikatan Van-der-Waals.
Gerakan kation pada permukaan koloid tidak terlalu kaku, tetapi karena ada energi
panas yang mempengaruhi gerakan dan menyebabkan lebih mudah bergerak dari
permukaannya, seperti gerakan belahan yang memberikan kombinasi khusus dari
ion dan permukaan koloid. Ada dua tipe permukaan, pertama yang sukar terikat
10
sehingga sulit terjadi pertukaran atau fixed cation dan yang kedua adalah tidak
terlalu sukar untuk berikatan sehingga terjadi pertukaran kation.
Gambar 2.2 Kation yang mengalami pertukaran dan tidak mengalami pertukaran
Pertukaran kation terjadi ketika ion ( ) berada dalam suatu larutan,
kemudian bergerak ke daerah belahan kation pada permukaan ( ), sehingga
terjadi proses pertukaran kation (Gambar 2.3.a). Namun apabila ion yang ada pada
permukaan terlalu sulit untuk mengalami pertukaran kation, maka pertukaran
kation tidak akan terjadi (Gambar 2.3.b).
11
Gambar 2.3 Mekanisme Pertukaran Kation
Harga kapasitas pertukaran kation dipengaruhi oleh beberapa faktor yaitu
jenis mineral, pH larutan, jenis kation, dan konsentrasi mineral. Ada beberapa
penyebab yang mengakibatkan bentonit memiliki kapasitas pertukaran kation
yaitu:
1. Karena adanya ikatan yang terputus disekeliling sisi silika-alumina sehingga
menimbulkan muatan yang tidak seimbang, dan untuk menyeimbangkannya
kembali diperlukan penyerapan kation.
2. Terjadinya substitusi alumina bervalensi tiga didalam kristal bentonit.
Proses pertukaran kation terjadi bersamaan dengan proses swelling dari
bentonit. Pada saat bentonit berada pada lingkungan air, maka ion-ion positif akan
meninggalkan matrik bentonit. Karena molekul air bermuatan polar maka molekul
air akan tertarik pada matrik bentonit dan kation akan terlepas dari bentonit.
Apabila terjadi proses balik yaitu penarikan kation oleh bentonit, molekul air yang
12
bermuatan positif akan tertarik menuju bentonit. Sehingga terjadi proses
mengembang dari bentonit yang lebih dikenal dengan sebutan swelling.
2.2
Cairan Ionik
Sejalan dengan makin kuatnya tuntutan dunia industri atas penyediaan
material baru yang handal, aman, dan ramah untuk berbagai keperluan, maka
perhatian komunitas sains internasional pada penggunaan cairan ionik sebagai
generasi baru pelarut green, material elektrolit, dan fluida teknik pada tahun-tahun
terakhir ini nampak semakin besar (Earle, et al., 2000; dan Brennecke, et al.,
2001). Sebagai elektrolit, cairan ionik digunakan pada baterai, proses pelapisan
logam dan sistem sensor (Blomgren, 2003; Bhatt, 2003; dan Buzzeo, et al., 2004).
Penggunaan cairan ionik sebagai pelarut green dapat ditemukan pada sintesis
kimia, katalisis dan biokatalisis (Olivier, et al., 2002; Vidis, et al., 2005; dan
Miao, et al., 2005). Pada bidang teknik proses, cairan ionik digunakan sebagai
fluida teknik seperti sebagai cairan pengemban panas, pelumas, pemodifikasi
organik dan kristal cair (Blake, et al., 2002; Ye, et al., 2001; Merrigan, et al.,
2000; Walid, et al., 2004; Hollbrey, 1999; dan Gordon, 1998).
2.2.1
Sejarah Cairan Ionik
Sejarah dari cairan ionik bermula dari laporan pertama pada tahun 1914
melalui preparasi etilammonium nitrat, [EtNH3]+[NO3]-. Garam ini dibentuk dari
penambahan asam nitrat ke dalam etilamin, kemudian didestilasi untuk
menghilangkan air yang terkandung dalam garam tersebut agar garam yang
dihasilkan berupa garam murni berbentuk cair pada temperatur ruangan.
13
Kebanyakan cairan ionik dibentuk dari kation yang tidak mengandung proton
asam, dan kation-kation yang umum digunakan adalah kation-kation imidazolium,
komplek polikationik amina, alkilammonium, benzotriazolium, dan sebagainya.
Pada akhir abad 1940, Frank Hurley dan Tom Weir di Rice Institute Texas
mengemukakan bahwa mereka mampu membuat semacam garam yang cair pada
suhu mendekati suhu ruangan. Mereka mencampurkan bubuk garam organik yang
dipanaskan, alkilpiridinium klorida, dengan garam aluminium klorida lain dan
menemukan bahwa kedua bubuk tersebut tercampur secara cepat dan membentuk
cairan tidak berwarna yang disebut sebagai cairan ionik.
2.2.2
Definisi Cairan Ionik
Cairan ionik adalah material yang hanya terdiri atas spesies ionik (kation
dan anion), tidak mengandung molekul netral tertentu, dan mempunyai titik leleh
relatif rendah, terletak pada suhu < 100-150 oC, walaupun umumnya pada suhu
kamar (Hagiwara, et al., 2000). Berbeda dengan garam cair (molten salt) yang
biasanya mempunyai titik leleh dan viskositas tinggi, juga sangat korosif, cairan
ionik umumnya berwujud cair pada suhu kamar, mempunyai viskositas relatif
lebih rendah dan relatif tidak mempunyai sifat korosif (Toma, et al., 2000). Cairan
ionik mempunyai rentang cair yang sangat lebar; tidak menguap (non volatile);
tidak terbakar (non flammable); stabilitas panas, kimia, dan elektrokimia yang
tinggi (dalam beberapa kasus mempunyai stabilitas termal sampai 400 °C); nilai
tekanan uap yang dapat diabaikan; kemampuan melarutkan banyak senyawa
organik dan anorganik; serta sifat kedapatlarutan (miscibility) yang beragam
dengan pelarut air dan pelarut organik (Davis, et al., 2003).
14
Sistem kation pada cairan ionik umumnya merupakan kation organik
dengan sifat ruah, seperti P-alkilposfonium, N-alkil-piridinium, S-alkilsulfo-nium,
N-alkilpirolidinium, N,N-dialkilpirazolium dan N,N-dialkilimidazolium (Olivier,
et al., 2002). Perhatian terbesar fokus riset selama ini diarahkan pada kation N,Ndialkilimidazolium, karena begitu beragamnya sifat fisikokimia
yang dapat
disediakan (Olivier, et al., 2002). Bank data dari Royal Society of Chemistry
(RSC), American Chemical Society (ACS), dan publikasi dari Elsevier
menunjukkan hal ini. Dari sekitar 83 publikasi RSC pada tahun 2002 yang
berkaitan dengan cairan ionik, 74-nya menyangkut garam imidazolium, dan
persentase yang sama didapatkan dari data publikasi pada ACS dan Elsevier
(Davis, et al., 2003).
2.2.3 Jenis - Jenis Cairan Ionik
Pada umumnya kation cairan ionik merupakan kation organik yang ruah
seperti diperlihatkan pada gambar 2.4.
[N R X H (4-X ) ] +
[SR X H (3-X ) ] +
[PR X H (4-X ) ] +
Am onium
Sulfonium
Posfonium
R2
R3
R
N
C2
N+
+
R2
N
R3
R3
R3
R4
R2
N
Thiazolium
Picolinium
Pyridinium
R4
N
N
R5
+
N
+
R2
N
R1
O
Oxazolium
R2
+
R4
N
R5
R1
R1
Triazolium
R4
S
R1
R1
Im idazolium
N
+
R1
N
+
R2
Pyrazolium
Gambar 2.4 Beberapa Jenis Kation Cairan Ionik
15
Sedangkan anion yang paling utama digunakan berupa spesi poliatomik
anorganik, biasanya PF6-, sebuah anion yang dipasangkan pada cairan ionik yang
akan stabil terhadap air, hidrofobik. Anion PF6- dan BF4- mungkin merupakan
anion yang selalu digunakan pada penelitian cairan ionik. Anion lain yang sering
digunakan diantaranya adalah triflouroasetat ([CF3CO2]-), heksafluoro antimonat
([SbF6]-), nitrat ([NO3]-), tosilat ([OTs]-), triflat ([OTf]-), bromida (Br-), klorida
(Cl-),
iodida
(I-),
perklorat
([ClO4]-),
germanium
klorida
([GeCl3]-),
bis(trifluorometil-sulfonil) imida ([NTf2]-), dialuminium heptaklorida ([Al2Cl7]-),
aluminium tetraklorida ([AlCl4]-), asetat ([CH3CO2]-), benzoat ([C6H5CO2]-), dan
sebagainya.
2.2.4 Sifat – Sifat Cairan Ionik
Cairan ionik bersifat konduktif dan memiliki tekanan uap yang sangat
rendah dibandingkan garam ionik biasanya. Sifat-sifat ini sangat berbeda dengan
material lainnya dan sangat unik. Sebagian besar cairan ionik memiliki kestabilan
termal yang tinggi, tidak mudah terbakar, rentang cair yang lebar, dan yang paling
disukai adalah kemampuannya sebagai pelarut untuk berbagai senyawa. Banyak
reaksi kimia seperti reaksi Diels-Alder dan reaksi Friedel-Crafts dapat
menggunakan cairan ionik sebagai pelarutnya. Belakangan ini, cairan ionik dapat
digunakan sebagai pelarut dalam proses biokatalisis. Kemampuannya bercampur
dengan air ataupun pelarut organik bergantung pada variasi panjangnya rantai
alkil pada kation ataupun mengganti berbagai jenis anionnya, oleh karena itu
cairan ionik sering disebut sebagai tailor made solvents. Cairan ionik dapat pula
16
difungsikan sebagai asam, basa atau ligan, dan sebagai garam prekursor dalam
preparasi senyawa karben.
Sifat kestabilan termal dan titik leleh dari cairan ionik bergantung pada
komponen penyusunnya (kation dan anion). Sebagai contoh, kestabilan termal
untuk betain bis(trifluorometansulfonil)imida terprotonasi sekitar 534 K
sedangkan N-butil-N-metil pitolidinium bis(trifluorometansulfonil)imida berkisar
diatas 640 K.
2.2.5 Toksisitas Cairan Ionik
Berhubung sifatnya yang non-volatil (tidak mudah menguap), sehingga
penggunaan cairan ionik sangat efektif dalam mereduksi komponen atau
kontaminan yang lepas ke lingkungan. Cairan ionik memiliki dampak yang kecil
terhadap lingkungan dan kesehatan manusia, sehingga cairan ionik dinobatkan
sebagai green chemistry. Adapun untuk menentukan sifat toksisitas ini digunakan
nematoda yaitu Caenorhabditis elegans. C. Berbagai macam cairan ionik diamati.
[C4mim]Cl tidak memberikan efek merugikan terhadap C. Elegans dengan
konsentrasi 1-5 mg/mL. Selain itu juga didapatkan bahwa [C4mim]Cl bukan racun
akut.
2.2.6
Aplikasi Potensial Cairan Ionik
Banyak sekali penggunaan cairan ionik dalam proses kimia. Beberapa
diantaranya akan diuraikan pada bagian ini.
2.2.6.1 Reaksi Kimia
Cairan ionik dapat digunakan dalam reaksi hidrogenasi, hidroformilasi,
isomerisasi, dimerisasi, alkilasi, reaksi Diels-Alder, dan reaksi koupling Heck-
17
Suzuki. Beberapa dari kajian tersebut bisa didapatkan dari review Welton (1999),
dan banyak lagi (Seddon, 1999). Para peneliti menemukan bahwa kecepatan
reaksi dan selektivitasnya menjadi lebih baik dengan digunakannya cairan ionik
sebagai pelarut ketimbang pelarut organik konvensional. Bahkan ditemukan juga
cairan ionik yang digunakan dalam reaksi biokatalisis. Kemudian juga digunakan
sebagai katalis homogen. Katalis homogen memiliki selektifitas yang lebih baik
dari pada yang heterogen, tetapi pemisahannya selalu menjadi masalah. Namun
dengan cairan ionik akan lebih mudah memisahkannya karena pelarut ini tidak
mudah menguap.
Cairan ionik juga bisa digunakan sebagai kontrol reaksi, menstabilkan
kepolaran dalam reaksi. Banyak senyawa, baik polar maupun nonpolar, larut baik
dalam cairan ionik (Blanchard dan Brennecke, 2001). Hal itu yang membuat
cairan ionik berpotensi digunakan dalam reaksi multifasa menjadi hanya dalam
satu fasa. Semua hal di atas adalah alasan-alasan yang mendukung cairan ionik
digunakan sebagai pelarut.
2.2.6.2 Pemisahan Cairan
Pengaturan kation, anion dan substituennya bisa digunakan untuk
merancang kelarutan senyawa dalam cairan ionik. Hal ini bisa digunakan dalam
pemisahan cairan. Konsep ini disampaikan oleh Fadeev dan Meagher (2001),
yang memisahkan alkohol dari media fermentasi.
2.2.6.3 Elektrolit/Sel Bahan Bakar
Cairan ionik memiliki sifat-sifat yang menarik sehingga bisa diterapkan
dalam baterai atau sel bahan bakar, termasuk juga jendela elektrokimia dengan
18
konduktivitas tinggi dan operasi pada rentang suhu luas, serta konstanta dielektrik
yang rendah.
Kemudian juga kesukaran menyala dan ketidak-mudahan menguap
membuatnya aman. Terapan ini adalah yang paling banyak diteliti tentang cairan
ionik. Beberapa peneliti meneliti penggunaan cairan ionik dan gel polimer –
elektrolit cairan ionik, baterai lithium-cairan ionik dan juga penggunaan sebagai
sel fotovolta.
2.2.6.4 Pelumas
Ditemukan bahwa cairan ionik bisa melapisi logam, polimer dan
permukaan anorganik. Dengan kestabilan pada suhu tinggi maka cairan ionik bisa
digunakan sebagai pelumas pada proses suhu tinggi dan atau tekanan rendah.
Namun baru sedikit peneliti yang mengaplikasikan cairan ionik sebagai pelumas.
2.2.6.5 Fluida Penghantar Panas
Karakteristik dari fluida penghantar panas adalah rentang cair yang besar
dan kestabilan termal yang baik. Beberapa cairan ionik, contohnya garam
dialkilimidazolium, memiliki karakteristik itu. Lalu, cairan ionik memiliki potensi
untuk bersaing dengan fluida penghantar panas yang berbasis organik sintesis atau
senyawa berbasis silikon yang ada dipasaran. Parameter penting dalam fluida
penghantar panas adalah bilangan Prandtl, contohnya rasio viskositas kinematik
sampai difusitas termal. Bedasarkan hasil pengukuran menunjukkan bahwa
kapasitas kalor cairan ionik sama dengan minyak hidrokarbon dan pelarut organik
konvensional (contohnya 1-2 Jg-1K-1). Tetapi secara umum kerja dari kapasitas
19
kalor harus didukung konduktivitas termal, korosifitas, toksisitas, kecepatan
dekomposisi sebagai fungsi temperatur dan efek ketidakmurnian (seperti air).
2.2.6.6 Cairan Ionik sebagai Pemodifikasi Organik
Cairan ionik bisa juga digunakan sebagai pemodifikasi organik.
Pemodifikasi organik cairan ionik ini mempunyai kelebihan dibandingkan dengan
pemodifikasi-pemodifikasi yang lainnya. Hal ini dikarenakan sifat dari cairan
ionik dapat disesuaikan dengan mengubah struktur kation dan anionnya. Sifatsifat cairan ionik seperti sifat termal, kestabilan elektrokimia, daya hantar ionik,
dan kekentalan bisa diatur tergantung dari kation maupun anion yang
menyusunnya.
Pemodifikasi organik biasa digunakan untuk memodifikasi bentonit secara
organik. Pada sistem ini, pemodifikasi dengan rantai alkil panjang dapat terikat
bagian ujungnya pada permukaan bentonit melalui interaksi gaya Coulomb
dengan layer yang bermuatan negatif (Hackett dkk., 1998).
2.2.7
Pemodifikasi Organik Berbasis garam Fatty Imidazolinium
Kation N-kuartener berbasis amonium yang selama ini digunakan sebagai
pemodifikasi organik mempunyai banyak kelemahan karena mengalami
dekomposisi pada suhu sekitar 200 °C, jauh di bawah suhu pemrosesan
kebanyakan nanokomposit polimer-silikat yakni pada suhu di atas 250 oC (Wang,
et al., 2003). Didasari oleh stabilitas termalnya yang rendah, peneliti dan praktisi
dewasa beralih pada
kation dari cairan ionik seperti kation imidazolium
tersubstitusi yang memiliki kestabilan termal relatif lebih tinggi (Kato dan Usuki,
2000). Kation imidazolium juga mudah untuk dimodifikasi strukturnya, sehingga
20
akan didapatkan beragam struktur dengan beragam sifat hidrofobisitas dan
kompatibilitasnya dengan polimer (Wang, et al., 2003).
Kation imidazolinium 2 mempunyai struktur dan fungsi yang sangat mirip
dengan kation imidazolium 1, berbeda hanya pada gugus substituen pada N3 dan
adanya ikatan rangkap pada sistem lingkar imidazolium. Garam imidazolinium ini
dapat disintesis dari asam lemak (Bajpai, dan Tyagi, 2006; Tyagi, et al., 2007) dan
pada penelitian ini akan digunakan sebagai pemodifikasi organik yang memiliki
sifat fisikokimia (terutama stabilitas termal) yang unggul untuk pemrosesan
nanokomposit polimer-silikat.
Gambar 2.5 Struktur Kation Imidazolium 1 dan Imidazolinium 2
2.3
Nanokomposit
Tuntutan membuat segala sesuatu menjadi ringan dan kuat adalah hal yang
wajar di era teknologi seperti saat ini. Misalnya, tuntutan menghasilkan mobil
berbobot ringan. Hal ini mendorong produsen komponen mencari material baru
21
yang lebih ringan dari logam, tapi memiliki kekuatan lebih baik. Untuk itu,
material komposit dipandang sebagai alternatif pengganti material logam karena
bobotnya sangat ringan tetapi superkuat.
Bidang material nanokomposit akhir-akhir ini mendapat perhatian serius
dari para ilmuwan. Berbagai penelitian pun terus dilakukan, mengacu pada ide
yang sangat sederhana, yaitu menyusun sebuah material yang terdiri atas blokblok partikel homogen dengan ukuran nanometer.
Hasil penelitian tersebut sungguh mengejutkan. Sebuah material baru lahir
dengan sifat-sifat fisis yang jauh lebih baik dari material penyusunnya. Hal ini
memicu perkembangan material nanokomposit di segala bidang dengan
memanfaatkan ide yang sederhana itu.
Salah satu contoh yang terkenal dan terjadi dengan sendirinya di alam
adalah tulang. Tulang memiliki ’’bangunan’’ nanokomposit yang bertingkattingkat, yang terbuat dari tablet keramik dan ikatan-ikatan organik. Partikelpartikel nanokomposit tersebut memiliki struktur, komposisi, dan sifat yang
berbeda-beda. Hal ini memberikan fungsi yang beragam.
Dengan demikian, material ini menjadi multiguna, yang pada akhirnya
didapatkan material baru yang memiliki beberapa fungsi dalam waktu sama dan
dapat digunakan dalam beberapa aplikasi.
Dari sinilah para ilmuwan mulai memikirkan berbagai cara untuk
memperoleh material nanokomposit, karena material tersebut memiliki beberapa
keunggulan dibandingkan dengan material konvensional.
22
Kata komposit memiliki pengertian luas dan berbeda-beda, mengikuti
situasi dan perkembangan bahan itu sendiri. Gabungan dua atau lebih bahan
merupakan suatu konsep yang diperkenalkan untuk menerangkan definisi
komposit. Meski demikian, definisi ini terlalu umum. Pasalnya komposit
merangkum semua bahan termasuk plastik yang diperkuat dengan serat, logam
alloy, keramik, kopolimer, plastik berpengisi, atau apa saja campuran dua bahan
atau lebih untuk mendapatkan bahan baru.
Sedangkan nanokomposit dapat dianggap struktur padat dengan dimensi
berskala nanometer yang berulang pada jarak antarbentuk penyusun struktur yang
berbeda. Material-material dengan jenis seperti itu terdiri atas padatan anorganik
yang tersusun atas komponen organik.
Selain itu, material nanokomposit dapat pula terdiri atas dua atau lebih
molekul anorganik/organik, dalam beberapa bentuk kombinasi dengan pembatas
antarkeduanya minimal satu molekul atau memiliki ciri berukuran nano.
Contoh nanokomposit yang ekstrim adalah media berporos, koloid, gel,
dan kopolimer. Ikatan antarpartikel yang terjadi pada material nanokomposit
memainkan peran penting dalam peningkatan dan pembatasan sifat material.
Partikel-partikel yang berukukuran nano itu mempunyai luas permukaan interaksi
yang tinggi. Makin banyak partikel yang berinteraksi, makin kuat pula material.
Inilah yang membuat ikatan antarpartikel makin kuat, sehingga sifat mekanik
materialnya bertambah. Namun penambahan partikel-partikel nano tidak
selamanya akan meningkatkan sifat mekaniknya. Ada batas tertentu yang mana
saat dilakukan penambahan, kekuatan material justru makin berkurang. Aplikasi
23
baru kemajuan kini telah mendorong peningkatan permintaan bahan komposit.
Perkembangan iptek mulai menyulitkan bahan konvensional seperti logam untuk
memenuhi keperluan aplikasi baru.
Bidang angkasa luar, perkapalan, otomotif, maupun industri pengangkutan
merupakan contoh aplikasi yang memerlukan bahan-bahan yang memiliki density
rendah, tahan karat, kuat, kokoh, dan tegar. Pembuatan material nanokomposit
dapat dilakukan dengan melakukan pendekatan-pendekatan yang mudah dan
kompleks. Salah satunya adalah menggunakan pendekatan simple mixing.
2.4
Nanokomposit Polimer-Silikat
Nanokomposit adalah kombinasi antara beberapa material dengan
perbedaan sifat pada skala nanometer. Nanometer (nm) adalah satu per seribu juta
meter. Sebagai perbandingan, satu helai rambut manusia berukuran 80 nm, sel
darah merah berukuran sekitar 7 nm dan molekul air berukuran 0,3 nm
(Kornmann, et al,. 1998; Xie, et al,. 2003). Kajian tentang skala nano berada pada
rentang 100 nm sampai dengan ukuran atom (0,2 nm). Pada skala tersebut sifat
dari suatu material akan sangat berbeda dengan material pada skala yang lebih
besar.
Beberapa meterial dengan sifat-sifat tertentu dapat dipadukan manjadi
suatu material yang memiliki sifat tertentu. Berbagai macam material yang
dipadukan memiliki sifat yang unik, seperti meningkatnya kestabilan termal dan
meningkatnya sifat mekanik. Pada umumnya perubahan sifat yang terjadi pada
proses pembentukan nanokomposit adalah sifat kimia dan sifat fisika. Ada
24
beberapa metode yang dapat digunakan untuk menghasilkan suatu nanokomposit
yaitu interkalasi lelehan, interkalasi in situ, dan eksfoliasi atau adsorpsi.
(Aphiwantrakul, et al,. 2005).
Polimer nanokomposit merupakan paduan polimer dengan sejumlah kecil
material yang berada pada rentang ukuran nanometer. Polimer nanokomposit
disintesis dengan tujuan meningkatkan sifat penghalang (terhadap gas oksigen
misalnya), tahan terhadap api, dan meningkatkan kekuatan mekaniknya. Sifat-sifat
tersebut dapat diaplikasikan dalam penggunan panel listrik, material pelapis pada
kendaraan-kendaraan mewah (Kornmann, et al,. 1998), barang-barang elektronik
(Xie, et al,. 2003; dan Mohanty, et al,. 2007)), bahan bangunan, serta dalam
industri pengemasan.
Salah satu polimer nanokomposit yang sangat menarik yaitu nanokomposit
polimer-silikat. Nanokomposit polimer-silikat telah dikenal sebagai salah satu dari
material teknik yang sangat menarik karena memiliki sifat yang unik. Sifat dasar
nanokomposit seperti sifat mekanik dan sifat termalnya dapat ditingkatkan
melebihi sifat polimer murninya. Pembentukan nanokomposit polimer-silikat
dapat diklasifikasikan kedalam tiga jenis utama yang didasarkan pada perbedaan
dispersi bentonit di dalam matriks polimer seperti diperlihatkan pada gambar 2.6.
25
Silikat
Berlapis
Polimer
a. Mikrokomposit
Polimer
Polimer
b.Nanokomposit Eksfoliasi
c Nanokomposit Interkalasi
Gambar 2.6 Morfologi dari Mikrokomposit, Nanokomposit Tereksfoliasi, dan
Nanokomposit Terinterkalasi
Tipe yang pertama adalah komposit konvensional (Gambar 2.6.a), dimana
bentuk dari komposit ini berupa lapisan–lapisan bentonit yang membentuk suatu
kumpulan mikropartikel atau taktoid. Tipe yang kedua adalah nanokomposit
terinterkalasi (Gambar 2.6.c). Dalam tipe ini jarak lapisan dalam dari lapisan
bentonit diperluas oleh penyisipan polimer ketika lapisan bentonit tersebut masih
memiliki sifat asalnya. Tipe yang terakhir yaitu nanokomposit tereksfoliasi
(exfoliated nanocomposite) (Gambar 2.6.b). Tipe nanokomposit ini merupakan
lapisan bentonit yang dilepaskan sebagai suatu lapisan individu dan tersebar
secara acak dalam matriks polimer.
26
Untuk menghasilkan suatu nanokomposit polimer-silikat yang memiliki
kestabilan termal yang tinggi, diperlukan silikat yang telah termodifikasi. Salah
satu modifikasi silikat untuk menghasilkan silikat termodifikasi dengan kestabilan
termal yang tinggi yaitu menggunakan pemodifikasi organik yang juga memiliki
kestabilan termal yang tinggi (Walid, et al, 2003).