Modifikasi Permukaan Serat Selulosa Dengan Menggunakan GPTES

Posted by Default on November 08, 2018 in Riset Tekstil,

Kapas merupakan serat selulosa alami harganya terjangkau, biodegradable dan merupakan bahan organik paling melimpah di dunia. Berdasarkan hal tersebut, Mondal dkk (2018) telah melakukan suatu penelitian mengenai penggunaan 3-glycidoxypropyltriethoxysilane (GPTES) terhadap serat bermaterial kapas. Kapas mengandung sekitar 95-98% selulosa, dimana selulosa tersebut mengandung tiga gugus hidroksil pada tiap unit glukosa [1,2]. Serat kapas adalah salah satu serat alami yang penting yang dapat digunakan pada berbagai aplikasi dalam bahan tekstil karena ketersediaannya mudah, memiliki kepadatan yang rendah, ringan, murah, dan memiliki karakteristik ramah lingkungan [3,4].

Pada penelitian ini, Mondal dkk (2018) telah berhasil memodifikasi permukaan serat kapas dengan menggunakan zat 3-glycidoxypropyl triethoxysilane (GPTES) dalam suatu cairan ethanol-water medium.  Tujuan penelitian ini adalah untuk menambah sifat tensile strength dan softness dari serat kapas dengan cara menambahkan ikatan Si-O pada molekul kapas. Sifat penyerapan kelembapan (moisture absorption) kapas modifikasi ini juga memiliki nilai yang lebih rendah dibandingkan dengan serat kapas tanpa modifikasi.

Untuk membuat proses modifikasi lebih ekonomis, beberapa upaya telah dilakukan untuk mengetahui kondisi modifikasi optimal, yang bergantung pada konsentrasi monomer, rasio etanol-air, pH, waktu modifikasi dan suhu. Penyambungan ditentukan berdasarkan pertambagan berat. Serat yang dicangkokkan dikarakterisasi dengan analisis FTIR, SEM, XRD dan TGA. Untuk mengamati kemampuan pewarna kapas yang dimodifikasi silan, serat yang diwarnai dengan oranye reaktif-14 dan coklat reaktif-10 dan ketahanan warna untuk bercak dengan sinar matahari, sabun cuci, asam dan alkali  telah dipelajari pada penelitian ini.

Material

Serat kapas diambil dari pabrik pemintalan Keya, Dhaka, Bangladesh. Bahan kimia yang digunakan untuk fungsionalisasi adalah natrium hidroksida dari Uni-kimia (Cina), asam asetat glasial, metanol, etanol dan karbon tetraklorida dari Merck Jerman, 3-glycidoxypropyltriethoxysilane (GPTES) dari Aldrich (AS). Semua bahan kimia yang digunakan adalah kelas reagen analitik.

Pencucian Serat Kapas

Untuk mendapatkan bahan serat yang baik, pencucian alkali digunakan untuk menghilangkan senyawa non-selulosa seperti lilin, pektin, protein dari kapas dengan larutan Na2CO3 0,2% pada 750°C selama 30 menit dalam gelas dalam rasio dari 1:50. Serat kemudian dicuci bersih dengan air suling sampai netralisasi dan dikeringkan di udara terbuka selama 24 jam. Setelah itu serat dikeringkan dalam oven pada suhu 60°C selama 6 jam.

Treatment Serat Kapas Menggunakan Silane (GPTES)

Untuk mentreatment serat kapas dengan GPTES, pertama persentase yang diperlukan dari larutan silan disiapkan dengan mencampur GPTES dengan campuran etanol / air, di mana rasio serat untuk dipertahankan pada 1:50. Larutan ini dibiarkan selama 1 jam dan silanol terbentuk (Gambar-1). Larutan pH dipertahankan pada 3,5 dengan menggunakan 0,2 M asam asetat. Kemudian serat kapas dicelupkan ke dalam larutan ini dan dibiarkan selama 1,5 jam dengan berbagai suhu. Serat kapas disaring dari larutan, dan serat-serat dikeringkan di udara dan kemudian di dalam oven pada suhu 600°C hingga berat konstan.

Evaluasi Sifat Fisika dan Kimia Serat Kapas Modifikasi

Pengukuran Tensile Strength Serat Kapas

Kekuatan tarik serat kapas mentah dan silan yang dimodifikasi diuji dengan menggunakan "Portable Electronic Single Yarn Strength Tester YG021J" (Fanyuan Instrument (HF) Co., Ltd., China) untuk pengukuran kekuatan tarik serat tersebut. Beban putus ditunjukkan pada skala tester tarik dalam N/helai.

Pengukuran Moisture Content Serat Kapas

Studi penyerapan air dari serat kapas yang dimodifikasi serta serat yang tidak dimodifikasi dilakukan pada tingkat kelembaban konstan. Sampel ditempatkan pada ruang kelembaban pada 30°C selama 48 jam di mana kelembaban dipertahankan pada tingkat saturasi. Setelah itu serat dianalisis untuk menentukan moisture regain dari serat yang dimodifikasi dan tidak dimodifikasi. 

Perilaku Pengembungan Serat Kapas

Perilaku pengembungan dari serat kapas yang dimodifikasi dan tidak dimodifikasi ditentukan dengan mencelupkannya ke dalam air, metanol, dan karbon tetraklorida. Serat kapas yang diberi GPTES dan tidak dimodifikasi direndam dalam 100 mL pelarut pada 30°C selama 72 jam. Sampel disaring dan pelarut berlebih dihilangkan dengan bantuan kertas saring, kemudian berat akhir ditentukan. 

Wringkle Recovery Angle (Sudut Pulih Kekusutan)

Pengujian Wringkle Recovery Angle (Daiei Kagaku Seiki Ltd. Kyoto, Jepang) digunakan untuk menentukan sudut pemulihan kerutan. Sampel dipotong dengan ukuran 4,4 cm x 1,5 cm.

Kemudian sampel dipotong dilipat dan disimpan di bawah berat 500 g selama 5 menit. Sampel yang dilipat dimasukkan di dalam template dan ditempatkan di mesin penguji. Mesin dinyalakan dan sudut pemulihan diamati dari dial.

Mesin itu tampak seperti jam meja bundar yang besar dan memiliki sudut yang ditandai 0 (nol) hingga 180 °. Sudut 0 derajat berarti tidak ada pemulihan. Sudut lebih tinggi berarti pemulihan kusut yang lebih tinggi.

Karakterisasi Permukaan Serat Kapas Modifikasi dan Tanpa Modifikasi

Spektroskopi inframerah

Analisis spektroskopi FTIR dilakukan dengan menggunakan spektrometer inframerah Perkin Elmer Spectrum 100. Serat yang dimodifikasi silan dan KBr (potassium bromide) dikeringkan dalam oven pada suhu 105°C untuk membuatnya bebas kelembaban. Serat kapas kering dibuat menjadi bubuk menggunakan mortar-alu dan sekitar satu persen serbuk dicampur dengan KBR kering untuk membuat pelet [10]. Kemudian sampel dianalisis dalam detektor reflektansi total dilemahkan (ATR) pada kisaran 400-4000 cm^-1 pada resolusi 4 cm^-1 / menit.

Analisa Mikroskop Elektron (Analisis SEM)

Analisis serat kapas yang tanpa modifikasi dan kapas yang dimodifikasi GPTES dilakukan pada mikroskop elektron (FEI Quanta Inspect, Model: S50, Kyoto, Jepang) untuk mengamati struktur mikro dan morfologi permukaan.

Analisis termogravimetri

Analisis termogravimetri digunakan untuk menentukan tingkat dekomposisi termal dan stabilitas termal dari serat kapas yang dimodifikasi GPTES dan tanpa modifikasi. Masing-masing sampel sekitar 10 mg dipanaskan dari 30 hingga 600°C di bawah atmosfer inert (argon) pada tingkat 20°C.min^-1 dalam SEIKO-EXTAR-TG / DTA-6300 (SEIKOJapan).

Analisis XRD

Sampel dianalisis dengan difraktometer sinar-X (Bruker D8 Advanced X-ray Diffractometer, Jerman) yang beroperasi pada 40 kV dan 30 mA dengan sumber Cu-Kα. Intensitas difraksi diukur dalam kisaran 2θ sudut antara 5° dan 40°C.

Hasil dan Pembahasan

Hasil Modifikasi

Pada Gambar-2a sampai Gambar-2d menunjukkan pengaruh variabel parameter seperti konsentrasi monomer silan, rasio etanol / air, pH dan suhu pada hasil cangkokan. Gambar 2a menunjukkan efek konsentrasi monomer pada modifikasi serat kapas. Hasilnya menunjukkan bahwa persen hasil pencangkokan meningkat dengan peningkatan konsentrasi silan hingga 400% untuk GPTES. Kenaikan berat persen meningkat karena reaksi silang yang lebih tinggi antara kelompok OH selulosa kapas dan gugus OH dari siloksan pada konsentrasi yang lebih tinggi. Tingkat konversi GPTES yang mengandung gugus etoksi ke dalam gugus hidroksil reaktif oleh hidrolisis GPTES berhubungan langsung dengan konsentrasi awalnya. Tetapi pada konsentrasi yang lebih tinggi dari nilai optimum, hasil persen cangkok menurun karena meningkatnya laju homopolimerisasi dan bukan kopolimerisasi.

Gambar-2b menunjukkan bahwa persen hasil pencangkokan meningkat dengan peningkatan rasio etanol / air hingga 40:60. Di luar nilai ini, hasil pencangkokan mulai menurun. Pada rasio 40:60 etanol / air, jumlah maksimum agen silan-kopling dihidrolisis, yang merupakan kunci untuk mendominasi reaksi kimia yang dihasilkan oleh silanol ke dalam proses modifikasi. Pada persentase alkohol yang lebih tinggi dari nilai optimal, interaksi antara air dan gugus alkoksi (-OCH2CH3) selama hidrolisis terbatas. Pada konsentrasi alkohol yang lebih rendah dari nilai optimal, tingkat hidrolisis lebih rendah karena ketidaklarutan zat kopling silan [11] (Gambar 2a-2d).

Dapat dilihat pada Gambar-2c bahwa hasil persen pencangkokan meningkat dengan peningkatan nilai pH hingga 3,5 dan kemudian menurun. Ini karena fakta bahwa reaksi hidrolisis GPTES secara bertahap mencapai nilai yang lebih tinggi dengan peningkatan pH cairan hingga 3,5. Pada nilai pH ini, reaksi antara gugus silanol dan hidroksil serat terjadi dengan mudah. Di atas nilai pH ini, hidrolisis GPTES menurun secara bertahap, karena laju penurunan protonasi gugus alkoksi. Pada nilai pH lebih rendah dari 3,5, pembentukan kelompok silanol tidak berlangsung sebaik kondisi pada pH 3.5 [12].

Hasil cangkok meningkat dengan peningkatan suhu reaksi hingga 30°C untuk GPTES dan kemudian menurun dengan peningkatan suhu lebih lanjut yang ditunjukkan pada Gambar-2d. Peningkatan persen hasil cangkok hingga 30°C dapat dianggap berasal dari peningkatan tumbukan molekul antara molekul reaktan yang meningkatkan laju reaksi dan modifikasi maksimum terjadi. Penurunan persen hasil cangkokan di atas suhu optimum dapat dikaitkan dengan peningkatan energi aktivasi dan penguapan silan dari media reaksi. Akibatnya, pertambahan berat tersebut menurun [8].

Dyeing Behaviour (Sifat Celup)

Penyerapan zat warna direct pada serat kapas mentah dan kapas dimodifikasi tercantum dalam Tabel 1. Penyerapan pewarna dari serat kapas yang dimodifikasi GPTES lebih tinggi dari serat kapas dicuci yang tidak dimodifikasi dan penyerapan zat warna meningkat dengan peningkatan persen hasil pencangkokan. Modifikasi serat kapas telah meningkatkan daya serap pewarna dalam makromolekul serat kapas. Sebagai hasilnya, serat yang dimodifikasi menyerap lebih banyak zat warna daripada sampel yang tidak dimodifikasi dan penyerapan ini telah meningkatkan persentase pernyerapan pewarna pada serat kapas yang dimodifikasi (Tabel 1).

Spektroskopi FTIR

Serat kapas yang tidak dimodifikasi dan serat kapas yang dimodifikasi GPTES direkam dengan spektrofotometer (Spectrum-100, FTIR Spectrum, Perkin Elmer, Jepang) yang ditunjukkan pada Gambar-3. Gambar-3a menunjukkan spektrum serat kapas yang tidak dimodifikasi dicuci dengan Na₂CO₃ dan Gambar-3b untuk serat kapas modifikasi 400% GPTES. Spektra FTIR dari serat kapas yang dimodifikasi dan dimodifikasi silan hampir sama, karena puncak serapan diperoleh dalam spektrum untuk seluruh sampel, kecuali puncak tambahan baru dalam serat kapas yang dimodifikasi. Spektra FTIR dari serat kapas 3-glycidoxypropyl - triethoxysilane menampilkan puncak tambahan di 860 cm^-1 dan 1207 cm^-1 untuk Si-OH simetris peregangan dan Si-OC obligasi, masing-masing sebagai fungsi penyerapan silana oleh permukaan serat [13-15]. Dengan demikian, data analitik FTIR menunjukkan perlekatan fungsional monomer GPTES pada permukaan serat kapas (Gambar-3).

Thermal Behaviour (Sifat termal)

Perilaku termal dari serat kapas yang dimodifikasi dan tanpa modifikasi diperiksa dengan studi termogram TGA. Masing-masing gambar mewakili dua kurva termo gram yaitu TGA dan DTG. Dari Gambar-4a dan Gambar-4b. Pada Gambar-4 dapat dilihat bahwa terjadinya pengurangan bobot sekitar 60% pada 370°C untuk kapas yang tidak dimodifikasi dan 49,4% pada 350°C untuk kapas yang dimodifikasi GPTES. Dari kurva DTG, laju dekomposisi serat kapas yang tidak dimodifikasi lebih tinggi daripada serat kapas yang dimodifikasi GPTES. Dengan demikian, stabilitas termal serat GPTES lebih tinggi daripada serat yang tidak dimodifikasi, yang mungkin terjadi karena penggabungan agen kopling silan dengan serat selulosa (Gambar 4a dan 4b).

Morfologi Permukaan Serat

Morfologi permukaan kapas yang tidak dimodifikasi dan sampel kapas yang dimodifikasi GPTES menjadi sasaran analisis SEM. SEM dapat dengan mudah memverifikasi perbedaan antara permukaan serat kapas yang tidak dimodifikasi dan serat yang dimodifikasi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar-5a dan Gambar-5b. Hal ini dapat dilihat dari Gambar-5a dan Gambar-5b bahwa kekasaran permukaan serat kapas yang dimodifikasi GPTES lebih tinggi daripada serat kapas yang tidak dimodifikasi. Kekasaran serat yang dimodifikasi GPTES adalah karena deposisi GPTES yang tinggi pada permukaan serat setelah modifikasi. Molekul-molekul GPTES mampu berikatan silang dengan gugus hidroksil dari molekul selulosa secara efektif, terutama dalam medium asam. Akibatnya, permukaan berubah secara signifikan seperti yang ditunjukkan pada Gambar-5.

Analisis XRD

Analisis XRD adalah teknik untuk memperkirakan derajat kristalinitas dalam polimer. XRD dapat dengan mudah memverifikasi perbedaan antara serat kapas yang tidak dimodifikasi dan serat kapas yang dimodifikasi 3-Glycidoxypropyl-triethoxysilan ditunjukkan pada Gambar-6a dan Gambar-6b. Pada Gambar-6 terlihat bahwa serat kapas yang tidak dimodifikasi menunjukkan puncak yang tajam, sementara puncak yang luas ditemukan untuk serat kapas yang dimodifikasi silane. Silane yang diaplikasikan pada kapas menjadi lebih amorf sebagai konsekuensi dari hidrolisis lebih lanjut dari daerah kristal kapas [15]. Oleh karena itu, kekasaran permukaan dari serat kapas                                   3-Glycidoxypropyltriethoxysilane lebih tinggi daripada serat kapas yang tidak di-treatment.

Sifat Fisika Serat Kapas

Tabel 2 menunjukkan perilaku pengembungan serat kapas yang tidak dimodifikasi dan serat kapas modifikasi GPTES, baik untuk pelarut polar maupun nonpolar. Kemampuan pembengkakan mencerminkan hubungan antara struktur kekosongan dalam tulang punggung polimer dan ukuran molekul pelarut [16,17]. Serat kapas yang tidak dimodifikasi menunjukkan pembengkakan maksimum dengan pelarut polar seperti air dan metanol dan sedikit pembengkakan dengan pelarut nonpolar seperti CCl4. Setelah mengobati dengan agen kopling silan, ada penurunan pembengkakan dalam pelarut polar dan peningkatan pelarut nonpolar. Hal ini karena karakter serat hidrofilik yang tidak dimodifikasi. Kekuatan tarik serat kapas yang dimodifikasi lebih tinggi daripada serat kapas yang tidak dimodifikasi dan ini disebabkan oleh modifikasi serat kapas dengan agen kopling silan [18]. Sudut pemulihan kerutan dari kain katun yang dimodifikasi lebih tinggi daripada kain katun yang tidak dimodifikasi untuk kedua arah lusi dan benang pakan. Kehadiran ikatan Si-O dalam kain menunjukkan fleksibilitas tinggi menghasilkan sudut kembali kekusutan yang baik [19]. Penyerapan kelembaban menjadi lebih kecil setelah penggabungan rantai silan melalui modifikasi permukaan sehingga serat yang dimodifikasi memiliki afinitas yang lebih kecil terhadap kelembaban daripada serat asli (Tabel 2).

Kesimpulan

Pada penelitian ini, Modal dkk (2018) telah mempresentasikan hasil modifikasi kimia serat kapas dengan agen kopling silan. Kenaikan berat maksimum, dengan persentase diperoleh pada nilai optimal dari parameter reaksi, seperti konsentrasi silan, pH, rasio etanol dan suhu. Keterikatan kimia antara kelompok silanol dan hidroksil serat kapas dievaluasi dengan analisis FTIR. Serat yang dimodifikasi menunjukkan peningkatan sifat fisikokimia seperti sifat tarik, penyerapan air, pemanjangan, pemulihan kerut dan sifat stabilitas termal dibandingkan dengan serat kapas yang tidak dimodifikasi. Kapas jenis baru ini diperoleh melalui modifikasi dengan zat kopling silan yang meningkatkan aplikasi produk garmen, tekstil, dan lainnya.

References

1. Raj RG, Kokta BV (1989) Compounding of Cellulose Fibres with Polypropylene: Effect of Fibre Treatment on Dispersion in the Polymer Matrix. J Appl Polym Sci 38: 1987-1996.

2. Kazayawoko M, Balatinecz JJ, Matuana LM (1999) Surface Modification and Adhesion Mechanism in Wood Fibre-Polypropylene Composites. Journal of Material Science 34: 6189-6199.

3. Aravin PP, Bhaarathi D, Thangamani K (2011) Salt-free Dyeing- A New Method of Dyeing on Lyocell/Cotton Blended Fabrics with Reactive Dyes. Autex Research Journal 11: 14-17.

4. Singha AS, Thakur VK (2008) Fabrication and study of lignocellulosic Hibiscus sabdariffafibre reinforced polymer composities. Bioresources 3: 1173-1186.

5. Rachini A, Troedec ML, Peyratout C, Smith A (2012) Chemical modification of Hemp Fibres by silane coupling Agents. J Appl. Polym Sci 123: 601-610.

6. Singha AS, Rana AK (2012) Effect of Silane Treatment on Physicochemical properties of Lignocellulosic C. indica Fibre. J Appl Polym Sci 124: 2473-2484.

7. Salon MCB, Gerbaud G, Abdelmouleh M, Bruzzese C, Boufi S, et al. (2007) Studies of Interactions between Silane Coupling Agents and Cellulose Fibres with Liquid and Solid-state NMR. J Mag Reson Chem 45: 473-483.

8. Arkles B, Steinmetz JR, Zazyczny J, Mehta P (1992) Factors Contributing to the Stability of Alkoxysilanes in Aqueous Solution. Journal of Adhesion Science and Technology 6: 193-206.

9. Amar SS, Vijay KT (2009) Synthesis and characterizations of silane treated grewiaoptiva fibres. Intern J Polym Anal Charact 14: 301-321.

10. Mondal IH (2013) Grafting of methyl acrylate and methyl methacrylate onto jute fibre: Physico-chemical characteristics of the grafted jute. Journal of Engineered Fibres and Fabrics 8: 42-50.

11. https://en.wikipedia.org/wiki/Silane

12. Brinker CJ (1988) Hydrolysis and condensation of silicates: Effects on structure. J Non-Cryst Solids 100: 31-50.

13. Aurea N, Rangel V, Garcia L, Timoteo (2010) Spectroscopy Analysis of hemical Modification of Cellulose Fibres. Journal of Mexican Chemical Society 54: 192-197.

14. He JM, Huang YD (2007) Effect of silane coupling agents on interfacial properties of CF/PI composites. J Appl Polym Sci 106: 2231-2237.

15. Hoshino E, Wada Y, Nishizawa K (1999) Improvements in the hygroscopic properties of cotton cellulose by treatment with an endo-type cellulase from Streptomyces sp. KSM-26. J Biosci Bioeng 88: 519-525.

16. Singha AS, Shama A, Thakur VK (2008) Pressure Induced Graft Copolymerization of Acrylonitrile onto Saccharumcilliare Fibre and Evaluation of some Properties of Grafted Fibres. J Bull Mater Sci 31: 7-13.

17. Singha AS, Thakur VK (2009) Morphological, Thermal and Physico-chemical Characterizations of Surface Modified Pinus Fibres. Intern J Polym Anal Charact 14: 271-289.

18. International Standard ISO 5081-1977 (E) Textile-woven fabrics. Determination of breaking strength and elongation (Strip Method). International Organization for Standardization, Switzerland, 1977.

19. Abidi N, Hequet E, Tarimala S (2007) Functionalization of cotton fabric with vinyltrimethoxysilane. Textile Research Journal 77: 668-674.