Selasa, 19 Juni 2018

Regenerasi Material Selulosa: Suatu Pengantar

Awal abad ke-21, trend dari iptek adalah kecenderungan terhadap material ramah lingkungan, sumber daya alam dan energi yang dapat diperbaharui, serta teknik-teknik dan proses-proses berkelanjutan. Penipisan sumber daya alam yang tidak dapat diperbaharui seperti minyak bumi, batu bara dan gas pada masa yang akan datang dan polusi lingkungan yang disebabkan oleh polimer berbasis minyak bumi memotivasi peningkatan permintaan  terhadap sumber daya alam yang dapat terbaharui, antara lain dapat didegradasi, bukan berbahan petroleum, karbon netral, berdampak rendah terhadap lingkungan, hewan/manusia dan aman terhadap risiko. Tema pertemuan nasional American Chemistry Society ke-239 (2010), 240 (2011), 243 (2012), 245 (2013), 247 (2014) dan 249 (2015) secara berturut-turut adalah "Chemistry of Life, "Chemistry of Energy & Food", "Chemistry & Materials for Energy" dan "Chemistry of Natural Resources". Tema-tema tersebut dianggap sebagai petunjuk dan pedoman untuk peningkatan dan pengembangan dalam ilmu kimia di seluruh dunia, menyarankan penggunaan sumber daya alam yang dapat diperbaharui secara luas untuk menghasilkan material ramah lingkungan (enviroment-friendly) melalui pendekatan fisik tanpa reaksi kimia, untuk mencegah penggunaan atau penghasilan zat berbahaya, suatu komponen perbatasan internasional baru "green" dan prose pengembangan yang berkelanjutan. Dalam hal ini, penelitian dan pengembangan biomassa yang dapat diperbaharui dihargai tinggi oleh pemerintah, komunitas bisnis dan akademis. The Technology Road Map for Plant/Crop-based Renewable Resources 2020. yang disponsori oleh Departemen Energi Amerika Serikat, telah menargetkan untuk mencapai 10% blok bangunan dasar kimia dari sumber daya alam berbasis tumbuhan pada tahun 2020. Hal ini menyebabkan sumber daya alam yang dapat diperbaharui menjadi topik penting pada kehidupan abad ke-21. 

Pada dekade terakhir, terjadi peningkatan perhatian terhadap polimer alam dalam pengembangan produk dan bahan bakar yang ramah lingkungan dan biokompatibel, di antaranya selulosa merupakan sumber daya alam terbaharukan yang paling melimpah tersedia saat ini dan telah memperoleh perhatian khusus, dikarenakan keterbaharuannya, ketersediaannya, non toksik, keramahan terhadap lingkungan, kebiokompatibelan, kestabilan dan keterderivitabilitasan termal dan kimia. Tumbuhan menghasilkan lebih dari sepuluh milyar ton selulosa per tahun secara global, menyebabkan polisakarida ini reservoir karbon organik paling besar. Selulosa adalah rantai linier yang mengandung dua cincin anhidroglukosa ((C6H10O5)n), terikat bersama melalui sebuah oksigen yang terikat secara kovalen C1 dari cincin glukosa dan C4 dari cincin berdampingan (1-4 linkage), disebut betha 1-4 glukosida yang memberikan konformasi pita datar. Jumlah n adalah unit ulang setiap rantai yang bergantung pada sumbernya, misalnya n pada kayu kira-kira 10.000 dan pada kapas 15.000.

Konformasi panjang rantai selulosa yang relatif tinggi akibat ikatan supramolekul (molekul raksasa)  meyebabkan pelarutan selulosa menjadi sangat sulit. Oleh karena itu, pengembangan pelarut murah ramah lingkungan  untuk selulosa adalah penting untuk digunakan terhadap selulosa sebagai komponen material polimer. Umumnya, material selulosa teregenerasi bisa dipreparasi secara langsung dari larutan selulosa melalui pelarutan fisik, pembentukan dan proses regenerasi. Proses ini adalah ramah lingkungan dengan mencegah konsumsi bahan-bahan kimia karena kebanyakan agen (pelarut, koagulan, dan lain-lain) dapat diresirkulasi dan dipakai ulang. Dengan perubahan parameter regenerasi, selulosa teregenerasi beragam dalam bentuk, seperti bubuk, serat, film, hidogel, bulatan dan lain-lain. Terutama, pelarutan dan regenerasi adalah "green", bersih dan proses fisik saat pelarut selulosa "green" digunakan, menyebabkan pengembangan berkelanjutan, kelestarian alam dan perlindungan energi. Maka, selulosa teregenerasi telah menarik perhatian, karena mudah untuk memfabrikasinya, biokompatibel, dapat terbiodegradasi, stabil termal dan kimia, dan lain-lain. Akan tetapi, sulitnya melarutkan selulosa menghalangi kemajuan dan pengembangan selulosa teregenerasi. Oleh karena itu, ada suatu kepentingan untuk mengembangkan kebaruan dan teknik green untuk membuat secara fisik selulosa teregenerasi. Pelarut "green" yang telah berhasil dikembangkan untuk regenerasi selulosa adalah N-methylmorpholine-N-oxide (NMMO), cairan ion (ionic liquids), LiCl/N,N-dimethylacetamide (LiCl/DMAc), larutan berair NaOH, alkali/urea dan larutan berair NaOH/thiourea, tetra buthyl ammonium fluoride/DMSO, larutan kompleks logam, molten inorganic salt hidrat.

Regenerasi selulosa dari larutan selulosa melalui koagulasi dengan anti-pelarut atau non-pelarut adalah langkah penting untuk pembuatan dan industrialisasi material selulosa. Material yang difabrikasi secara langsung dari larutan selulosa melalui regenerasi fisika memperoleh sifat fisik dan kimia yang unggul, terbarukan dan berkelanjutan, menghasilkan dampak yang manakjubkan dan keuntungan terhadap masyarakat. Regenerasi menyediakan langkah sederhana untuk mengubah native cellulose menjadi material yang berguna dalam berbagai bentuk, seperti serat, film/membran, beads/microspheres, hidrogel/aerogel, bioplastik, dan lain-lain. Selanjutnya, perlakuan kimia dan fisika dapat diterapkan untuk mengenerasi banyak material fungsional, blend organik/selulosa, membran berpori, material biokompatibel. Oleh karena itu, teknik regenerasi dan material selulosa teregenerasi telah memainkan peran penting dalam penggunaan selulosa secara keseluruhan.

Biasanya, non-pelarut dipilih sebagai koagulan untuk regenerasi selulosa dari larutannya. Zhang dan rekan-rekannya mengembangkan serangkaian koagulan untuk meregenerasi selulosa dalam NaOH/urea yang meliputi larutan H2SO4, CH3COOH, H2SO4/Na2SO4, Na2SO4, (NH4)2SO4.H2O, C2H5OH dan (CH3)2CO, berturut-turut.

Film dan Membran Selulosa

Film transparan yang difabrikasi dari selulosa melalui metode viscose (cellophane) dan proses cuprammonium (cuprophane) masih berperan penting pada kemasan makanan, kosmetik, kemasan obat-obatan dan pressure sensitive tapes. Akan tetapi, film poliolefin digantikan oleh film selulosa di pasaran, disebabkan proses pembuatannya tidak sulit dan tidak mahal. Dibandingkan film polimer sintestik (PP dan PET), cellophane menghasilkan kekuatan tarik yang lebih besar (20-100 MPa) dan elongasi 14-40%, layaknya film Lyocell (50-300 MPa, 2-40%).

Zhang dan rekan-rekannya telah mengembangkan film selulosa yang baru melalui pelarut rendah shuhu. Larutan selulosa dalam NaOH (atau LiOH)/urea dicast pada pelat kaca untuk memberikan lembaran gel dengan ketebalan 200-300 mikrometer, dan kemudian dicelupkan pada koagulan untuk meregenerasi, diikuti pencucian, plastisasi dan pengeringan. Film yang dihasilkan memiliki struktur homegen, transimatnsi optis sempurna (90% pada 800 nm), kekuatan tarik yang baik (100 MPa) dan secara sempurna dapat terbiodegradasi di alam pada suhu sekitar 30 derajat selama satu bulan, menunjukkan aplikasi yang menjanjikan dalam bidang kemasan.

(adapted from "Recent advances in regenerated cellulose materials" by S. Wang, A. Lung and L. Zhang)


Tidak ada komentar:

Posting Komentar

Karakterisasi Material Polimer: Studi Kasus Mikrokristalin Selulosa (MCC)

Untuk mempelajari stuktur dan sifat mikrokristalin selulosa (MCC), beberapa teknik telah banyak dilakukan peneliti. Analisis-analisis te...