236 RANCANG BANGUN PERALATAN DEKOMPOSISI

RANCANG BANGUN PERALATAN DEKOMPOSISI SERBUK / SERAT KAYU
Aryo Satito
Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Semarang
Jl. Prof. H Sudarto, S.H. Tembalang, Semarang 50275
Email : [email protected]
Abstrak
Tujuan dari proses dekomposisi terhadap serbuk atau serat kayu dilakukan untuk
menghilangkan lapisan lignin dan hemiselulosa yang ada. Dalam komposit kayu plastik,
lapisan ini harus dihilangkan karena menjadi media tumbuh bagi jamur yang dapat merusak
ikatan adhesi antara serbuk kayu sebagai materal pengisi dan plastic HDPE sebagai material
pengikat pada komposit kayu palstik. Umumnya bahan kimia alkali keras yang limbahnya
dapat mencemari lingkungan digunakan untuk proses dekomposisi. Agar lingkungan tidak
tercemar oleh limbah bahan kimia dan proses dekomposisi tetap dapat dilakukan maka
digunakan metode steam explosion decomposition. Metode yang digunakan dalam penelitian
hibah bersaing tahun pertama ini adalah studi literatur dan eksplorasi jurnal untuk mengetahui
berbagai jenis metode dekomposisi yang ada, untuk kemudian merancang serta
merealisasikan peralatan steam explosion sederhana yang mudah dan aman dioperasikan dan
dilanjutkan dengan uji kinerja peralatan. Peralatan dekomposisi dengan metode steam
explosion yang telah selesai direalisasikan memiliki kapasitas 5 kilogram serbuk/serat kayu
setiap kali proses. Tekanan uap yang dihasilkan peralatan dekomposisi mencapai 10 MPa,
temperatur uap 240 °C dengan pemakaian daya listrik 2 kW. Dalam proses dekomposisi,
tekanan yang digunakan adalah maksimum 0,5 MPa dengan temperatur proses 180 °C.
Kata kunci : komposit kayu plastik, dekomposisi, lignin, lignoselulosa
PENDAHULUAN
a. Latar Belakang
Kebutuhan panel pelapis dinding yang berfungsi sebagai isolator pencegah
temperatur dalam ruang terinduksi panas luar ruangan semakin lama semakin meningkat
seiring dengan meningkatnya penggunaan pengatur udara dan juga pemakaian peralatan
audio rumahtangga di masyarakat. Panel pelapis dinding yang ada saat ini kebanyakan
terbuat dari material sintetis yang tidak dapat didaur ulang. Dengan volume limbah kayu
yang dihasilkan industri penggergajian kayu terdiri dari bagian kulit (Jawa: sebretan)
sebesar 20 %, potongan kecil sebesar 14 %, dan serbuk gergajian yang mencapai 11 % (
Satito, 2012). Bagian kulit dan potongan kecil kayu seringkali masih dapat dimanfaatkan
untuk bahan baku aneka kerajinan, sedangkan serbuk gergajian pada umumnya hanya
dibakar atau dibuang begitu saja.
Sementara di sisi lain dari kemajuan teknologi, kebutuhan bahan baku plastik juga
terus meningkat. Konsekuensi dari semakin banyaknya pemakaian bahan baku plastik
adalah terus meningkatnya jumlah limbah plastik di alam. Salah satu jenis material plastik
yang paling banyak digunakan saat ini adalah High Density Polyethylene (HDPE) karena
PROSIDING SENTRINOV Vol. 001, Tahun 2015 | ISSN: 2477 – 2097
236
memiliki kemampuan untuk didaur ulang. HDPE juga merupakan kontributor limbah
terbesar di alam. Menurut Biro Pusat Statistik, pada tahun 2007 jumlah prosentase limbah
plastik HDPE di Indonesia mencapai 62 % dari total limbah plastik yang ada (sumber :
bps.go.id). Untuk itu, limbah HDPE harus dimanfaatkan untuk dibuat menjadi material
komposit kayu plastik.
Dalam penelitian terapan terdahulu, yaitu “Aplikasi Teknologi
Liquid Phase
Sintering Pada Limbah Kayu Dan Plastik Untuk Menciptakan Material Baru,
(Satito,2010)” yang menjadi dasar penelitian ini, telah dilakukan upaya pemanfaatan
limbah kayu yang berupa serbuk gergajian dan limbah plastik yang dapat didaur ulang
menjadi sebuah material baru dalam bentuk komposit plastik dan kayu. Hasil dari
penelitian terapan tersebut adalah diperolehnya komposisi jumlah serbuk kayu dan
plastik, temperatur proses, serta tekanan proses
yang paling sesuai untuk
kebutuhan pembuatan panel komposit kayu plastik yang dapat digunakan sebagai
pengganti ubin dan dinding dalam rumah.
Agar kualitas panel komposit kayu plastik ini menjadi lebih baik, maka perlu
dilakukan sebuah proses awal yang dikenal sebagai pre-impregnation process , yaitu
proses pelapisan material yang akan dijadikan pengisi dengan sebagian kecil material
pengikat komposit ( German, 1994). Proses ini juga dapat mereduksi kebutuhan energi
panas yang dibutuhkan pada saat proses liquid phase sintering plastik berlangsung.
Dalam proses pre-impregnation ini dihasilkan butiran-butiran (pellet) serbuk kayu dan
plastik untuk bahan baku pembuatan panel komposit kayu plastik. Selain daripada itu,
proses pre-impregnation juga meningkatkan kemampuan permukaan butiran serbuk kayu
dalam mengikat plastik, sehingga kayu lebih terlindungi dari air maupun jamur. Penelitian
yang mengkaji proses pre-impregnation telah dilakukan
dalam penelitian terapan
berjudul : “Rancang Bangun Mesin Pembuat Butiran Pellet Sebagai Proses PreImpregnation Bahan Baku Komposit Kayu Plastik Untuk Meningkatkan Kualitas Produk
Panel Komposit (Satito, dkk.2013). Pada penelitian tersebut, digunakan bahan alkali
keras (NaOH) sebesar 10% sebagai pelarut lignin dan lignoselulosa yang merupakan
bagian yang tidak dikehendaki dalam pembuatan komposit kayu plastik karena dapat
menjadi media tumbuh jamur pada komposit. Penggunaan NaOH sebagai bahan pelarut
lignin dan lignoselulosa harus dihindari karena limbahnya dapat mencemari
lingkungan.
PROSIDING SENTRINOV Vol. 001, Tahun 2015 | ISSN: 2477 – 2097
237
b. Tujuan
Tujuan khusus dari penelitian ini adalah untuk menghasilkan panel pelapis dinding
dan lantai berbahanbaku komposit kayu plastik yang material pengisi kompositnya adalah
serbuk / serat kayu yang telah melalui proses dekomposisi yang ramah lingkungan. Secara
spesifik tujuan khusus dari penelitian ini adalah menghasilkan prototipe mesin
dekomposisi serbuk/serat kayu dari lignin dan hemiselulosa dengan menggunakan uap air
pada tekanan dan temperature tertentu dan juga menghasilkan bahan baku utama pengisi
(filler) komposit kayu plastik berupa serbuk / serat kayu yang bebas dari lignin dan
hemiselulosa.
Guna mendapatkan penguasaan teknologi pembuatan komposit kayu plastik yang
aman dan ramah lingkungan serta, penelitian diutamakan pada proses pembuatan serbuk
/ serat kayu bahan baku komposit yang telah didekomposisi dari lignin dan hemoselulosa
dengan demikian fokus utama penelitian ini adalah realisasi peralatan dekomposisi serbuk
/ serat kayu dengan metode steam explosion. Sedangkan untuk mendapatkan pemahaman
karakteristik peralatan dekomposisi terhadap proses pembuatan komposit kayu plastik
secara komperhensif, penelitian dilanjutkan pada :
a) Penerapan tekanan
b) Temperatur uap air
c) Waktu penekanan
yang dipakai untuk mendekomposisi lignin dan hemiselulosa dari serbuk / serat kayu
yang sesuai dengan penelitian sebelumnya. Dan keseluruhan tahapan penelitian ini akan
memberikan tiga luaran terukur sebagai kontribusi, yaitu:
a) Prototipe unit peralatan dekomposisi serbuk / serat kayu dengan metode steam
explosion
b) Data-data teknis dari prototype peralatan yang dibuat, dan
c) Publikasi ilmiah pada journal.
c. Target inovasi dan Penerapan Penelitian
Target inovasi dari penelitian ini adalah mampu membuat prototipe unit peralatan
dekomposisi serbuk / serat kayu dengan metode steam explosion. Hasil dari peralatan ini
adalah material pengisi komposit kayu plastik yang panel kompositnya dapat digunakan
untuk pelapis dinding dan lantai. Harga peralatan dekomposisi serbuk / serat kayu dengan
metode steam explosion
akan relatif murah, sehingga dapat dijangkau oleh para
pengusaha IKM yang berminat. Dengan demikian kesejahteraan para pengusaha IKM dan
PROSIDING SENTRINOV Vol. 001, Tahun 2015 | ISSN: 2477 – 2097
238
pekerja
akan
meningkat.
Sedangkan
penerapan
hasil
penelitian
ini
adalah
memperkenalkan kepada para pengusaha IKM tentang inovasi material yang baru dan
sarana praktikum bagi Perguruan Tinggi yang sesuai.
Hasil-hasil dari penelitian juga dapat dijadikan acuan dan merupakan pengembangan
IPTEK di bidang komposit kayu plastik.
METODE PENELITIAN
Penelitian yang sudah dilakukan
Penelitian yang sudah dilakukan sebagai langkah awal rangkaian penelitian Hibah
Bersaing ini adalah penelitian untuk mendapatkan komposisi antara serbuk kayu dan
serbuk plastik HDPE. Hasil penelitian awal ini adalah :
- Bahan penelitian
: serbuk kayu, serbuk HDPE, NaOH
- Peralatan penelitian : Hot press machine, Mesin Pembuat Butiran Pellet Sebagai
Proses Pre-Impregnation Bahan Baku Komposit Kayu Plastik
- Lokasi penelitian
: Lab. Uji Bahan Politeknik Negeri Semarang
- Luaran penelitian
:
a.
Komposisi terbaik dari serbuk kayu dan serbuk plastic HDPE pada komposit
kayu plastik
b.
Peralatan / mesin pre impregnation pembuat butiran pellet bahan baku komposit
kayu plastic.
c.
Laporan yang berisi tentang data-data proses pre impregnation dan komposisi
material matriks dan material filler komposit kayu plastic.
d.
Indikator capaian :
-
Perbandingan 70% serbuk kayu dan 30% serbuk HDPE merupakan
komposit dengan penampilan terbaik
-
Proses preimpregnation awal dapat meningkatkan sifat mekanis dan sifat
fisik komposit.
a. Penelitian Tahun I, Rancang Bangun Prototipe Peralatan Dekomposisi Serbuk /
Serat Kayu dengan metode Steam Explosion
PROSIDING SENTRINOV Vol. 001, Tahun 2015 | ISSN: 2477 – 2097
239
Metode :
Rancang
b
Lingkungan :
Material :
Lab. Pemesinan
- serbuk kayu
Manusia:
Tim peneliti :
Peralatan :
Problem :
Pembuatan mesin
dekomposisi
serbuk/serat kayu
dari lignin dan
hemiselulosa agar
proses pengikatan
matriks komposit
terhadap filler
komposit menjadi
- Mesin steam explosion
Gambar 1: Diagram permasalahan pada penelitian rancang bangun peralatan
dekomposisi serbuk / serat kayu
Langkah Penelitian
‐ Melakukan survei peralatan elektrik boiler sebagai pembangkit uap yang dibutuhkan
‐ Melakukan survei peralatan penunjang rancangbangun
‐ Merancang mesin electric steam boiler sederhana untuk menghasilkan uap air.
‐ Merancang mesin steam explosion untuk dekomposisi serbuk / serat kayu
‐ Realisasi rancangan mesin steam explosion
‐ Uji coba kinerja dan hasil prototipe mesin
‐ Penyusunan makalah dan laporan akhir.
Bahan yang digunakan untuk uji kinerja peralatan dalam penelitian ini adalah :
‐ Serbuk kayu dari aneka jenis kayu komersial dengan ukuran rerata ASTM mesh 80
‐ Serat kasar bamboo
‐ Serat kasar rami
Peralatan yang dipergunakan untuk merealisasi rancangan
‐ Peralatan pemesinan (misal: mesin bubut, frais, gerinda, las, dll)
‐ Alat ukur, mesin uji universal
Lokasi penelitian adalah di Laboratorium Pemesinan Politeknik Negeri Semarang
dengan luaran penelitian berupa prototipe mesin steam explosion unit yang dilengkapi
dengan electric boiler berkapasitas produksi total 50 kg uap/jam dengan daya 2 kW dan
unit steam explosion dengan kapasitas proses dekomposisi serbuk sebesar 5 kg / proses.
PROSIDING SENTRINOV Vol. 001, Tahun 2015 | ISSN: 2477 – 2097
240
Dimensi peralatan dekomposisi serbuk dan serat kayu ini adalah panjang 1600 mm, lebar
800 mm dan tinggi 800 mm. Peralatan dekomposisi serbuk dan serat kayu juga dilengkapi
dengan 1 unit thermo controller, 1 set safety valve, 1 unit quick release valve untuk
melepaskan tekanan uap secara cepat, dan 2 unit pressure gage pengukur tekanan uap air.
HASIL DAN PEMBAHASAN
a. Peralatan dekomposisi serbuk dan serat kayu dengan metode steam explosion
Prototipe peralatan dekomposisi serbuk dan serat kayu ini menggunakan tekanan dan
temperatur yang ada pada uap air untuk menghilangkan lapisan lignin dan lapisan
hemiselulosa yang selalu terdapat pada setiap serat kayu dan serbuk kayu merupakan
potongan kecil dari serat kayu.
Dengan kemampuan menghasilkan tekanan uap sampai dengan 10 MPa dan
temperatur uap sampai 240 °C, maka prototpe peralatan ini akan dapat mendekomposisi
berbagai serat kayu, termasuk serat bambu dan serat rami.
0, 2
6 menit 6 menit
50 menit
6 menit
7 kali
Explosion
Tekanan [ MPa]
Cara pendekomposisian serat kayu dapat dilihat pada grafik proses berikut..
0
Waktu [menit]
Gambar 2. Grafik proses dekomposisi serat kayu dengan temperatur uap 180 °C
Tekanan uap air yang digunakan untuk mendekomposisi serat kayu hanya sebesar
0,2 MPa (maksimum) dengan temperatur uap yang hanya setinggi 180 °C. Kondisi kerja
peralatan dekomposisi ini jauh berada dibawah kapasitas electric steam boiler yang
tersedia. Sehingga daya listrik yang digunakan juga akan berada dibawah 2 kW.
Pada tekanan yang lebih rendah ( 0,175 MPa), peralatan dekomposisi ini juga dapat
digunakan untuk mengurai serat bambu dengan sangat mudah. Sehingga apabila
dibutuhkan, peralatan dekomposisi ini juga dapat dipakai untuk memproduksi serat
bambu yang panjang.
b. Uji kinerja peralatan dekomposisi serbuk dan serat kayu dengan metode steam
explosion
PROSIDING SENTRINOV Vol. 001, Tahun 2015 | ISSN: 2477 – 2097
241
Hasil uji kinerja peralatan dekomposisi terhadap beberapa jenis serbuk dan serat kayu
dapat dilihat pada table berikut.
Tabel 1
Hasil uji kinerja peralatan dekomposisi serbuk dan serat kayu
Temperatur
Tekanan
Waktu
Jenis Kayu
dekomposisi
dekomposisi
dekomposisi
Jati
175 °C
0, 18 MPa
120 menit
Bangkirai
185 °C
0,19 MPa
135 menit
Kamper
170 °C
0,17 MPa
115 menit
Waru
160 °C
0,12 MPa
90 menit
Bambu
180 °C
0,15 MPa
110 menit
Rami
165 °C
0,14 MPa
105 menit
Dari Tabel 1 diatas dapat dilihat bahwa temperature dekomposisi berbagai jenis
kayu tidak melebihi 180 °C, hal ini dikarenakan tujuan dekomposisi serat hanya untuk
menghilangkan lignin dan hemiselulosa. Apabila pemanasan mencapai maksimum 230
°C yang akan terjadi adalah selulosa serat pun akan terdekomposisi total.
Kondisi ini juga sesuai dengan pendapat Matsuoka, et al, yang tertuang dalam tabel
berikut
Tabel 2
Tabel temperatur dekomposisi serat kayu
Temperatur
Target dekomposisi
dekomposisi
Selulosa
230 °C
Hemiselulosa
160 °C
Lignin
130 °C
(sumber : Matsuoka, et al, 2008)
SIMPULAN
Dari serangkaian penelitian rancang bangun ini dapat diperoleh simpulan sebagai berikut
1. Bahan pengisi panel komposit kayu plastik yang berupa serbuk kayu yang
didekomposisi secara ramah lingkungan dapat dihasilkan dengan menggunakan
peralatan dekomposisi serbuk kayu. Sarana untuk mendekomposisi serbuk kayu
adalah uap air bertekanan rendah, sehingga ketika uap air bekas proses
dekomposisi dilepas ke udara sekitar, tidakm akan mencemari lingkungan.
PROSIDING SENTRINOV Vol. 001, Tahun 2015 | ISSN: 2477 – 2097
242
2. Prototipe peralatan dekomposisi serbuk kayu dengan metode steam explosion
telah berhasil direalisasikan dalam penelitian ini dengan spesifikasi peralatan
sebagai berikut :
a. ukuran fisik peralatan
: 1600 x 800 x 800 (mm.)
b. daya listrik untuk steam boiler : 2 kW, dengan kapasitas produksi uap 50
kg/jam.
c. kapasitas unit steam explosion : 5 kg serbuk kayu per proses.
d. peralatan pendukung
: 1 unit digital thermo controller
1 unit steam pressure safety valve
1 unit quick release valve
1 set kerangka pendukung peralatan beroda.
Dengan berhasilnya penelitian rancang bangun peralatan dekomposisi serbuk atau
serat kayu yang ramah lingkungan dan mudah dioperasikan ini, maka tujuan utama dari
penelitian Hibah Bersaing yang direncanakan sebanyak 3 tahap pelaksanaan akan dapat
dicapai sesuai target waktu yang direncanakan.
DAFTAR PUSTAKA
Couch, G., 2004, Wood and Plastic “Join Forces” To Create High-Tech Material, Vol.3,
Issue2, FPL Public Affair Specialist, USDA Forest Product Laboratory, U.S.
Gardner, Douglas J., Lucas Andrusyk., Gloria S. Oporto., “ Wood plastic composites
manufactured from hot water extracted wood”, Proceedings of the 51st
International Convention of Society of Wood Science and Technology November
10-12, 2008 Concepción, CHILE
Gibson, Ronald F., 1994, "Principles of Composites Material Mechanics", McGraw-Hill,
Inc., New York.
Matsuoka, Kaho., Kazuya Okubo.,Toru Fuji.,2008,”High homogenization yechnique for
micro fibrillated bacteria cellulose to fabricate electric testing prove disk”,
Doshisha University, Kyoto.
Matthews, F.L., and Rawlings, R.D.,1994, Composite Materials : Engineering and
Science. Fist Edition, Chapman and Hall Publishers, 2-6 Boundary Raw, London
Min, X.U., and Shuai, L.I.,2007, Impact of Coupling Agent on Properties of Wood-Plastic
Composites, Higher Education Press and Springer-Verlag
Okamoto, T., Takatani, M., Kitayama. T.,2000., Wood-Plastic Composite Added with
Steam-Exploded Wood Flour , 3rd International Wood and Natural Fibre
Composites Symposium, Kassel, Germany.
Purwanto D, Samet, Mahfuz, dan Sakiman. 1994., Pemanfaatan Limbah Industri Kayu
lapis untuk Papan Partikel Buatan secara Laminasi. DIP Proyek Penelitian dan
PROSIDING SENTRINOV Vol. 001, Tahun 2015 | ISSN: 2477 – 2097
243
Pengembangan Industri. Badan Penelitian dan Pengembangan Industri.
Departemen Perindustrian. Banjar Baru.
Rude, E. F., 2007, Evaluation of Coupling Mechanisms in Wood Plastic
Composites., (Thesis), Department of Mechanical and Materials Engineering.,
Washington State University
Satito, Aryo. 2012., Pengujian Sifat Mekanis Komposit Serbuk Kayu Dan Plastik High
Density Polyethylene (HDPE).Jurnal Rekayasa Mesin, vol.7/no.1, April 2012. p 1925
Satito, Aryo. 2013., “ Rancang Bangun Mesin Pembuat Butiran Pellet sebagai proses PreImpregnation Bahan Baku Komposit Kayu Plastik Untuk Meningkatkan Kualitas
Produk Panel Komposit”,Laporan Penelitian Terapan DIPA Politeknik Negeri
Semarang.
Setyawati,D. 2003., Sifat Fisis dan Mekanis Komposit Serbuk Kayu Plastik Polipropilena
Daur Ulang. [Thesis]. Program Pascasarjana Institut Pertanian Bogor. Bogor
Stark, N.M., and Rowlands, R.E.,2002, “ Charracteristic Evaluation of Wood Fiber
Characteristic on Mechanical Properties af Wood / Polypropylene
Composites.,Wood and Fiber Science.,Vol.35-2003
PROSIDING SENTRINOV Vol. 001, Tahun 2015 | ISSN: 2477 – 2097
244