ABSTRAK
Studi ini mengeksplorasi bagaimana langkah penyaringan campuran serat selulosa limbah dan serat halus (WCFF) memengaruhi kinerja komposit polipropilena (PP) yang dimuat WCFF dan apakah pemisahan serat halus dari serat menawarkan manfaat tambahan. Sampel WCFF diperkecil ukurannya, dan empat rentang ukuran pengisi yang berbeda diayak menggunakan serangkaian ukuran mata jaring dari 4 hingga 0,85 mm. Komposit WCFF/PP kemudian dikomponkan pada pemuatan WCFF 20% berat menggunakan ekstruder sekrup kembar. Penggabungan WCFF meningkatkan kekuatan tarik menjadi 41,28 MPa dan modulus menjadi 3207 MPa, yang masing-masing menghasilkan peningkatan sebesar 28% dan 38%. Yang menarik, peningkatan terbesar dikaitkan dengan kasus WCFF yang tidak diayak, dan serat WCFF yang diayak hanya memberikan peningkatan marjinal dibandingkan PP murni. Keunggulan WCFF tanpa saringan disebabkan oleh penguatan sinergis serat hibrida dan serat halus serta pemeliharaan serat yang lebih panjang dalam sistem. Namun, regangan putus dan kekuatan impak PP menurun setelah penambahan WCFF. Selain itu, viskositas kompleks dan modulus penyimpanan meningkat seiring dengan peningkatan ukuran pengisi, karena terbentuknya jaringan perkolasi yang lebih efektif. Kristalinitas PP menunjukkan ketergantungan yang relatif kuat pada penyaringan, di mana sampel WCFF dengan pengisi rasio aspek pendek meningkatkan kristalinitas secara signifikan. Ditemukan juga bahwa suhu awal degradasi WCFF meningkat setelah dimasukkan ke dalam PP. Studi ini menunjukkan bahwa bahan baku selulosa limbah dapat digunakan sebagai penguat tanpa penyaringan tambahan untuk memproduksi komposit berkinerja tinggi dan hemat biaya.

1 Pendahuluan, Motivasi, dan Keadaan Terkini
Penggunaan kembali bahan apa pun termasuk bahan penguat berbasis bio berdampak signifikan pada pengurangan biaya dan konsumsi energi yang lebih sedikit, dibandingkan dengan bahan aslinya [ 1 , 2 ]. Untuk tujuan ini, limbah industri seperti abu terbang, serat mahkota nanas, karet remah, bubuk kulit kenari, dan koran daur ulang telah diperkenalkan ke sistem polimer untuk menyiapkan komposit polimer [ 3 – 6 ]. Salah satu sumber penguat berbasis selulosa yang signifikan adalah limbah pabrik kertas, yang merupakan campuran serat dan bahan halus. Saat ini, campuran serat selulosa dan bahan halus (WCFF) limbah tidak didaur ulang dan dibuang ke tempat pembuangan sampah atau dibakar. Tanpa langkah-langkah daur ulang yang tepat, WCFF merupakan peluang yang hilang untuk pemulihan sumber daya dan pemanfaatan material yang berkelanjutan. Bahan-bahan ini berpotensi menemukan aplikasi di berbagai industri, sehingga mengurangi permintaan akan sumber daya murni dan meminimalkan dampak lingkungan. Dengan mendaur ulang WCFF, nilai inherennya sebagai sumber bahan selulosa dapat dimanfaatkan untuk menghasilkan bio-komposit, bahan isolasi, produk kertas, dan banyak lagi. Selain itu, daur ulang WCFF sejalan dengan prinsip ekonomi sirkular, di mana sumber daya tetap digunakan selama mungkin, dan limbah diminimalkan melalui pengelolaan sumber daya yang efisien.

Di antara berbagai aplikasi potensial, pemanfaatan WCFF untuk mengembangkan komposit polimer yang diperkuat serat alam tampak menjanjikan, karena komposit tersebut telah dikembangkan dengan baik menggunakan serat alam murni. Namun, keberadaan gugus hidrofilik seperti  OH dalam selulosa membuatnya kurang kompatibel dengan polimer hidrofobik seperti polipropilena (PP) dan polietilena (PE). Telah dilaporkan bahwa kurangnya interaksi antarmuka antara serat penguat dan matriks polimer menghasilkan sifat mekanis komposit yang lebih rendah. Untuk mengatasi masalah ini, berbagai teknik kompatibilisasi, seperti perawatan permukaan serat dan penggunaan agen penggandeng, telah dilaporkan. Baru-baru ini, Maurya et al. [ 7 ] menyajikan tinjauan komposit hibrida PP yang diperkuat serat alam yang relevan secara industri, dengan mempertimbangkan serat sisal, rami, kenaf, rami, dan sabut kelapa. Secara keseluruhan, mereka menemukan bahwa perawatan kimia lebih disukai daripada perawatan fisik, karena interlock mekanis adalah satu-satunya mekanisme pemindahan beban dalam kasus terakhir. Lebih jauh lagi, perawatan kimia (misalnya, silana, alkali-silana, alkali, asetilasi) menyesuaikan permukaan serat dan meningkatkan kompatibilisasi pada antarmuka serat alami dan matriks polimer. Perawatan alkali adalah teknik yang paling banyak digunakan untuk perawatan kimia serat alami untuk fabrikasi komposit [ 8 ]. Misalnya, El-Abbassi et al. [ 9 ] merendam serat alfa dalam air garam (35 g/L) selama 24 jam pada 60°C, diikuti dengan perawatan 10% NaOH. Para penulis melaporkan peningkatan 18% dalam kekuatan tarik untuk komposit PP yang diperkuat serat 30 wt.%. Mirip dengan perawatan kimia, kompatibilisasi adalah rute menjanjikan lainnya yang telah digunakan secara luas untuk meningkatkan interaksi antara permukaan serat alami dan matriks polimer [ 7 ]. Lu et al. [ 10 ] menyatakan bahwa bahan apa pun yang mengurangi energi antarmuka antara dua fase terpisah atau meningkatkan dispersi serat dalam matriks dapat disebut sebagai kompatibilizer. Isosianat monofungsional dan maleat anhidrida yang dicangkokkan PP (MA-g-PP) merupakan kompatibilizer umum. MA-g-PP mendorong esterifikasi dan/atau ikatan hidrogen antara gugus  OH dari serat dan gugus -MA dari MA-g-PP. Keterikatan rantai antara MA-g-PP dan PP juga ditunjukkan selama kompatibilisasi karena penggabungan MA-g-PP dalam serat alami dan sistem komposit polimer [ 7 ]. Dalam penelitian lain, MA-g-PP [ 11 ], MA-g-stirena-etilena-butilena-stirena (SEBS) [ 12 ] dan MA-g-etilena-propilena karet (EPR) [ 4] juga telah dilaporkan sebagai kompatibilizer untuk fabrikasi komposit PP yang diperkuat dengan serat bambu, serat sisal, dan daun nanas, masing-masing. Semua komposit ini menunjukkan peningkatan kekuatan tarik dan modulus dengan menggabungkan kompatibilizer. Selain itu, menggunakan kompatibilizer sebagai pengganti perawatan kimia atau fisik serat menghemat upaya, energi, dan biaya yang signifikan. Pada skala industri, menggunakan kompatibilizer juga akan menjadi langkah yang lebih mudah dibandingkan dengan perawatan serat. Meskipun sebagian besar laporan tentang komposit polimer yang diperkuat serat alami berfokus pada analisis kinerja mekanis, analisis reologi setelah penggabungan serat dan kompatibilizer juga penting. Ini dapat melayani tujuan ganda—mengoptimalkan pemrosesan leleh komposit dan mengevaluasi mikrostruktur komposit (misalnya, kualitas dispersi dan perkolasi) [ 13 ]. Penguatan padat secara signifikan menghambat mobilitas rantai polimer dalam keadaan leleh, yang pada gilirannya dipengaruhi oleh dispersi, modifikasi bentuk dan permukaan, dan ukuran partikel penguat [ 13 , 14 ].

Namun, penelitian terbatas telah dilaporkan tentang penggunaan limbah pabrik kertas industri sebagai agen penguat potensial dalam komposit PP. Limbah ini biasanya mengandung serat dengan rasio aspek besar serta partikel halus yang menyerupai partikel berdimensi nol (yaitu, rasio aspek sekitar satu). Oleh karena itu, penting untuk mempelajari peran penguat dari bahan selulosa limbah hibrida ini dan yang lebih penting lagi bagaimana keberadaan partikel halus dapat memengaruhi kemampuan penguat. Oleh karena itu, penelitian ini mengeksplorasi potensi WCFF terhadap komposit PP berkinerja tinggi. Fokusnya adalah pada pengujian efek penyaringan WCFF dan kompatibilizer MA-g-PP pada sifat mekanis, reologi, dan termal komposit WCFF/PP.

2 Bahan dan Metode
2.1 Bahan
Serat selulosa dan serat halus daur ulang dipasok dalam bentuk pelet oleh American Wood Fibers (AWF), Amerika Serikat. PP, mutu PRIMATOP R PPC 05030 diperoleh dari polimer AMCO. Menurut produsennya, PP memiliki kepadatan, laju aliran massa leleh (MFR pada 230°C/2,16 kg), dan kekuatan luluh tarik masing-masing sebesar 0,90 cm 3 /g, 5 g/10 menit, dan 33,44 MPa. Agen penggandeng MA-g-PP diperoleh dari polimer fungsional SK dengan nama dagang Orevac-CA100. Agen penggandeng tersebut memiliki kepadatan dan MFR sebesar 0,91 g/cm 3 dan 10 g/10 menit, dan kisaran harga yang sebanding dengan PP.

2.2 Prosedur Pembuatan
2.2.1 Praproses WCFF
Saat diterima, pelet WCFF mengalami penggilingan mekanis selama 90 detik dalam blender berkecepatan tinggi. Penggilingan ringan ini bertujuan untuk mencapai disosiasi serat yang optimal guna mempertahankan kepadatan massal yang sesuai untuk pemberian makan yang konsisten selama pemrosesan berikutnya sekaligus mencegah kerusakan serat yang signifikan. Pelet WCFF yang digiling dianalisis menggunakan MorFi Analyzer (Pichincha, Ekuador) untuk mengetahui distribusi ukurannya. Partikel dengan rasio aspek lebih besar dari satu dianggap serat, dan partikel dengan rasio aspek satu atau kurang disebut partikel halus. Analisis serat menunjukkan bahwa sekitar 55 wt.% WCFF berbentuk serat (dengan rasio aspek rata-rata sekitar 30) dan 45 wt.% sisanya adalah partikel halus. WCFF yang digiling kemudian diayak untuk mendapatkan tiga rentang ukuran yang berbeda. Tumpukan saringan dengan berbagai ukuran mata saringan digunakan, dengan bukaan terbesar di bagian atas dan terkecil di bagian bawah. Sampel dituangkan ke saringan atas, dan pengocok mekanis digunakan untuk memandu sampel melalui saringan. Sampel dikumpulkan dalam tiga rentang ukuran mata jaring: 1,7–4 mm (SF1), 0,85–1,7 mm (SF2), dan kurang dari 0,85 mm (SF3) sebagaimana diberikan dalam Tabel 1. Kumpulan WCFF kemudian menjalani proses pengeringan dua langkah yang terkendali (12 jam pada suhu 80°C dan 5 menit pada suhu 120°C) menggunakan oven konvensional. Proses ini memastikan kadar air akhir di bawah 1 wt.%, sebagaimana diukur oleh Computrac Vapor Pro XL (S/N: 42000272) Moisture Analyzer.

TABEL 1. Kode sampel dan komposisi komposit PP dan WCFF/PP.

2.2.2 Peracikan Komposit WCFF/PP
Tabel 1 memberikan kode sampel dan komposisi komposit. MA-g-PP digunakan pada kandungan optimal 3 wt.% setelah percobaan penyaringan dari 0 hingga 5 wt.% pembebanan. WCFF digunakan pada pembebanan 20 wt.%, sebagai kandungan pembebanan antara untuk menganalisis efek ukuran mata jaring. Hasil awal menunjukkan bahwa WCFF dapat diberi pembebanan hingga 40 wt.%. Peracikan semua sampel dilakukan menggunakan ekstruder sekrup kembar (Leistrtiz ZSE 18HP) dengan diameter 18 mm dan rasio L/D 40. PP dan MA-g-PP dicampur kering dan diumpankan bersama dari pengumpan, sedangkan WCFF diberi dosis dan diumpankan menggunakan pengumpan lain. Total throughput 50 g/menit dan kecepatan sekrup 300 rpm dipertahankan untuk semua komposisi komposit. Suhu ekstruder juga dijaga pada 180°C atau di bawahnya, dan ekstrudat didinginkan, melewati penangas air sebelum dipeletkan. Senyawa yang dipeletkan dikeringkan dalam oven udara yang dijaga pada suhu 80°C untuk menghilangkan kadar air sebelum diproses atau diuji lebih lanjut.

Pelet yang telah dikompres kemudian dicetak dengan kompresi (model CARVER INC. 4394.4PL3003) menjadi lembaran datar 0,62 mm di bawah tekanan 103 MPa dan suhu 180°C. Siklus kompresi berlangsung selama 8 menit, diikuti oleh pendinginan air yang dikontrol sistem hingga 20°C dalam 5 menit untuk mengendalikan laju pendinginan dan menstabilkan lembaran yang telah dicetak. Mengikuti ASTM D638 yang dimodifikasi, sampel tarik tipe V dipotong dari lembaran. Sampel mikroskopi dibuat dengan kriogenika fraktur pada sampel kecil yang dipotong dari lembaran cetakan kompresi yang sama. Untuk uji reologi, cakram melingkar berdiameter 25 mm dan tebal 2 mm disiapkan dari pelet yang telah dikompres menggunakan mesin cetak injeksi mikro Xplore IM12 pada suhu 200°C. Untuk analisis termal, pelet digunakan sebagaimana adanya.

2.2.3 Pengujian dan Karakterisasi
Morfologi permukaan fraktur komposit yang mengalami fraktur kriogenik dikarakterisasi menggunakan mikroskop elektron pemindaian (SEM, Merek: JEOL (JSM 6390)) pada tegangan percepatan 5 kV. Sebelum karakterisasi SEM, penyemprotan emas dilakukan selama 3 menit pada semua sampel menggunakan pelapis penyemprot Vacuum Desk IV.

Sifat reologi diukur menggunakan rheometer ARES G2 (TA Instruments, Seri: 4010–0218) dengan pelat paralel baja tahan karat 25 mm dan celah 1,5 mm. Pengujian dilakukan di wilayah viskoelastis linier pada regangan 5%. Sapuan frekuensi osilasi (100–0,1 rad/s) pada 170°C dan 230°C dilakukan. Indeks aliran leleh (MFI) sampel juga diukur menggunakan pengindeks aliran leleh Dynisco IM 500 sesuai dengan ASTM D1238. Setelah memuat sekitar 10 g material ke dalam silinder plastometer, material tersebut dipanaskan selama 90 detik pada 200°C. Sampel kemudian dikenakan beban seberat 2,16 kg setelah proses pemanasan awal. Massa ekstrudat diukur setiap 1 menit selama lima kali untuk menentukan nilai MFI rata-rata dalam g/10 menit untuk setiap sampel.

Sifat tarik diuji sesuai standar ASTM D638 (tipe V) pada Instron 5966 dengan sel beban 10 kN. Laju perpindahan 10 mm/menit digunakan, memberikan laju regangan nominal 1 mm/(mm menit) pada awal pengujian. Setidaknya 5 spesimen dari setiap sampel diuji, dan nilai rata-rata dan deviasi standar dari kekuatan tarik, modulus Young, dan perpanjangan putus dilaporkan. Uji impak Izod dilakukan menurut ASTM D256. Batang persegi panjang berukuran 64 × 12,7 × 3,2 mm dicetak kompresi dan dibuat takik dengan kedalaman 2,5 mm. Spesimen diamankan dalam perlengkapan uji impak pendulum dengan sisi bertakik diarahkan ke tepi pukul pendulum. Pendulum kemudian dilepaskan untuk memukul spesimen. Kekuatan impak rata-rata diukur dari lima sampel untuk setiap komposisi.

Sifat termal, yaitu kristalinitas, suhu kristalisasi, dan titik leleh diukur menggunakan kalorimetri pemindaian diferensial (DSC, Mettler Toledo DSC 3+, C151224649). Siklus pemanasan dan pendinginan diselidiki sesuai standar ASTM D3418-15. Sekitar 6 mg dari setiap sampel ditempatkan dalam panci aluminium dan dipanaskan hingga 250°C dan dipertahankan selama 5 menit untuk menghilangkan riwayat termal. Sampel kemudian didinginkan hingga −50°C. Setelah pendinginan, sampel dipanaskan lagi hingga 250°C untuk mendapatkan termogram pemanasan kedua. Kristalinitas PP dihitung menggunakan:

di mana, ∆H m adalah entalpi leleh sampel yang diuji, ∆H m ° adalah entalpi leleh PP kristal 100% (207 J/g), dan w pp adalah fraksi berat PP dalam komposit. Selain itu, untuk mempelajari stabilitas termal dan perilaku degradasi, analisis termogravimetri (TGA) dilakukan menggunakan Mettler Toledo TGA 2: CIS1224647 dari 50°C hingga 600°C pada peningkatan pemanasan 20°C/menit dalam lingkungan nitrogen.
3 Hasil dan Pembahasan
3.1 Peran MA-g-PP
Gambar 1 menunjukkan mikrograf SEM komposit WCFF/PP tanpa MA-g-PP dan dengan 3 wt.% MA-g-PP. Perbandingan kedua mikrograf SEM tersebut dengan jelas menunjukkan efek MA-g-PP. Dalam kasus tanpa MA-g-PP (Gambar 1a ), penarikan serat dan pemisahan serat dari matriks pada antarmuka terlihat. Namun, setelah 3 wt.% MA-g-PP ditambahkan (Gambar 1b ), morfologi berubah secara signifikan; tidak ada penarikan serat yang terlihat, dan antarmuka tampak tetap lebih utuh. Selain itu, penambahan 3 wt.% MA-g-PP ke sistem komposit menghasilkan keadaan dispersi dan distribusi WCFF yang lebih baik. Seperti terlihat pada Gambar 1a , komposit tanpa MA-g-PP memiliki permukaan yang lebih kasar, yang dapat dikaitkan dengan aglomerasi signifikan dari serat/serbuk selulosa halus, berbeda dengan Gambar 1b , di mana permukaannya lebih halus, karena dispersi WCFF yang lebih seragam pada kehadiran MA-g-PP. Pengamatan ini sejalan dengan laporan oleh Kim et al. [ 15 ], di mana penulis membuat komposit PP yang diperkuat serat alami dengan dan tanpa kompatibilizer dan menunjukkan bahwa komposit dengan kompatibilizer menunjukkan interaksi antarmuka yang ditingkatkan.

GAMBAR 1
Buka di penampil gambar
Kekuatan Gambar
Mikrograf SEM yang menggambarkan morfologi sampel komposit WCFF/PP yang mengalami kriogenik retak (a) tanpa MA-g-PP (sampel SF0) dan (b) dengan 3 wt.% MA-g-PP (sampel SF0-MA0).
Gambar 2 menunjukkan kurva tegangan-regangan serta kekuatan tarik dan modulus sampel PP dan PP+MA-g-PP. Baik PP maupun PP+MA-g-PP menunjukkan perilaku daktail dengan yielding, seperti yang diharapkan. Dengan penambahan 3 wt.% MA-g-PP, penurunan kekuatan tarik dan modulus PP diamati, sedangkan perpanjangan putusnya tidak bervariasi secara signifikan. PP murni menunjukkan kekuatan tarik, modulus, dan perpanjangan putus masing-masing sebesar 32,45 MPa, 2329 MPa, dan 330%, sedangkan nilai-nilai ini untuk sampel PP+MA-g-PP adalah 29,48 MPa, 2176 MPa, dan 331%, yang sesuai dengan penurunan kekuatan dan modulus masing-masing sebesar 9,1% dan 6,6%. Penurunan sifat tarik akibat penambahan MA-g-PP mungkin disebabkan oleh sifat tarik MA-g-PP yang lebih rendah dibandingkan dengan PP murni [ 16 ]. Demikian pula, Gambar 2c,d menunjukkan kurva tegangan-regangan serta kekuatan tarik dan modulus komposit WCFF/PP, masing-masing. Sampel SF0 dan SF0-MA0 adalah komposit WCFF/PP dengan dan tanpa MA-g-PP (Tabel 1 ). SF0 menunjukkan kekuatan tarik sebesar 41,29 MPa sedangkan untuk SF0-MA0 adalah 36,59 MPa, yang merupakan perbedaan sekitar 12,9%. Demikian pula, komposit dengan dan tanpa MA-g-PP menunjukkan modulus tarik masing-masing sebesar 3207 dan 2957 MPa, yang menunjukkan perbedaan sebesar 8,5%. Peningkatan kekuatan tarik dan modulus komposit WCFF/PP dengan penambahan MA-g-PP disebabkan oleh dispersi serat dan fines yang lebih baik serta peningkatan ikatan antarmuka yang dimungkinkan oleh interaksi antara gugus WCFF dan MA dari MA-g-PP. Telah dilaporkan dalam literatur bahwa gugus hidroksil dari serat alami berinteraksi dengan maleat anhidrida dan membuat ikatan ester yang kuat pada antarmuka serat dan matriks polimer [ 10 ], yang mendorong transfer beban yang lebih efektif dari matriks polimer ke serat penguat.

GAMBAR 2
Buka di penampil gambar
Kekuatan Gambar
(a) Kurva tegangan versus regangan dan (b) kekuatan tarik dan modulus PP dan PP+MA-g-PP (c) Kurva tegangan versus regangan dan (d) kekuatan tarik dan modulus komposit WCFF/PP dengan (SF0) dan tanpa MA-g-PP (SF0-MA0).
3.2 Perilaku Reologi Komposit WCFF/PP
Gambar 3a,b menunjukkan modulus penyimpanan ( G ′) dan viskositas kompleks ( η *) dari komposit PP dan WCFF/PP, yang mengungkap efek penggabungan WCFF, penambahan MA-g-PP, dan penyaringan WCFF. Meskipun menjalankan uji reologi pada 230°C mengakibatkan pencoklatan sampel, dekomposisi termal yang dahsyat tidak terjadi karena TGA menunjukkan degradasi puncak WCFF pada 355°C (Gambar 8 ). Sebaliknya, komponen selulosa mengalami modifikasi termal atau kimia yang lebih moderat selama waktu yang diperpanjang di bawah geser pada suhu tinggi ini. Busa dan rongga tidak diamati, yang mengonfirmasi bahwa 230°C tidak cukup panas untuk menyebabkan pelepasan gas. Lebih jauh, sapuan waktu pada suhu 200°C (data tidak ditampilkan) menunjukkan perubahan kurang dari 10% pada sifat reologi SF0-MA0 dan sekitar 30% perubahan pada SF0 dalam waktu 10 menit, yang kira-kira merupakan waktu yang dibutuhkan untuk menyelesaikan uji sapuan frekuensi. Penurunan yang lebih besar yang diamati pada SF0 disebabkan oleh keberadaan MA-g-PP, bukan degradasi WCFF.

GAMBAR 3
Buka di penampil gambar
Kekuatan Gambar
Modulus penyimpanan dan viskositas kompleks sebagai fungsi frekuensi menunjukkan (a) efek MA-g-PP pada komposit WCFF/PP pada suhu 170°C dan 230°C dan (b) efek ukuran partikel pada komposit WCFF/PP pada suhu 170°C dan 230°C.
Baik G ′ maupun η * lebih rendah pada 230°C, dibandingkan dengan pada 170°C untuk semua kasus, seperti yang diharapkan. Energi termal yang lebih tinggi meningkatkan mobilitas rantai polimer, mengurangi keterikatan dan interaksi antarmolekul yang bertanggung jawab atas elastisitas lelehan dan hambatan aliran. Semua sampel menunjukkan perilaku penipisan geser yang khas pada plot viskositas kompleks (Gambar 3 sisipan). Menggabungkan 20 wt.% WCFF ke dalam PP meningkatkan G ′ dan η * di seluruh sapuan frekuensi pada 170°C, dibandingkan dengan PP murni, dengan peningkatan yang kurang menonjol pada frekuensi yang lebih tinggi (Gambar 3a ). Peningkatan ini disebabkan oleh serat yang membatasi aliran rantai polimer, meningkatkan ketahanan komposit terhadap deformasi yang disebabkan oleh tegangan geser [ 17 ]. Penambahan MA-g-PP sedikit mengurangi G ′ (pada 170°C) dan η * (pada 170°C dan 230°C) dari komposit WCFF/PP (Gambar 3a ). Pengurangan ini dikaitkan dengan dispersi serat/halus yang lebih baik serta peningkatan adhesi antara matriks PP dan antarmuka WCFF, sehingga menghasilkan resistansi komposit yang lebih rendah terhadap aliran. Meskipun tidak diukur, kami berspekulasi bahwa MA-g-PP memiliki berat molekul yang lebih rendah, sehingga mengurangi keterikatan efektif dalam lelehan [ 17 – 19 ]. Pada 170°C, respons reologi berkurang pada semua frekuensi. Namun, pada 230°C, SF0 menunjukkan plateauing G ′ yang lebih jelas pada frekuensi rendah, yang menunjukkan pembentukan jaringan yang kuat dengan penambahan MA-g-PP.

Respons reologi komposit menunjukkan variasi tergantung pada ukuran partikel. Modulus penyimpanan dan viskositas tertinggi dikaitkan dengan SF1 pada kedua suhu (Gambar 3b ). SF1 memiliki serat dengan rasio aspek terbesar (Tabel 1 ). Beralih dari SF1 ke SF3, saat rasio aspek serat menurun, G ′ dan η * menurun. Perbedaan ini khususnya lebih besar pada rentang frekuensi rendah. Pada muatan pengisi tertentu (20 wt.% di sini), rasio aspek yang lebih besar memberikan jaringan perkolasi yang lebih efektif dan dengan demikian lebih tahan terhadap aliran. Selain itu, peningkatan yang diamati pada rentang frekuensi yang lebih rendah dapat dikaitkan dengan interaksi matriks serat-polimer yang tidak dapat diubah pada frekuensi rendah [ 20 ]. Meskipun SF0 (tanpa saringan) memiliki distribusi ukuran serat terluas dibandingkan dengan formulasi lain, perbedaan yang dapat diabaikan dalam perilaku reologi antara SF0 dan SF3 pada 170°C di semua frekuensi (Gambar 3b ) menunjukkan bahwa SF0 mengandung proporsi partikel berukuran SF3 yang signifikan. Pengamatan serupa dari efek rasio aspek juga telah ditunjukkan dalam sistem nanocomposite [ 21 ].

Gambar 4 mengilustrasikan hasil MFI untuk semua sampel yang diberikan dalam Tabel 1. Nilai MFI dari PP, SF0-MA0, SF0, SF1, SF2, dan SF3 diukur menjadi 2,42, 0,88, 0,88, 0,52, 0,78, dan 0,84 g/10 menit, berturut-turut. Data menunjukkan perubahan yang nyata dalam MFI ketika 20 wt.% WCFF ditambahkan ke PP, konsisten dengan data viskositas kompleks. Pencantuman MA-g-PP memiliki sedikit dampak pada karakteristik aliran komposit WCFF/PP. Selain itu, pada kandungan WCFF konstan 20 wt.%, peningkatan rentang ukuran dari SF3 ke SF1 mengakibatkan penurunan lebih lanjut dalam MFI. Tren ini kembali selaras dengan data viskositas kompleks di atas. Soleimani dkk. [ 22 ] dan Panthapulakkal dkk. [ 23 ] melaporkan penurunan MFI dengan penambahan serat karena pembatasan aliran, dan Huang et al. melaporkan penurunan MFI dengan rasio aspek serat yang mirip dengan pengamatan di sini [ 24 ].

GAMBAR 4
Buka di penampil gambar
Kekuatan Gambar
MFI komposit WCFF/PP menunjukkan efek WCFF dan ukurannya pada indeks aliran leleh PP.
3.3 Sifat Tarik Komposit WCFF/PP
Gambar 5a,b menunjukkan plot tegangan versus regangan dari PP murni dan komposit yang diperkuat 20 wt.% WCFF yang memiliki ukuran mata jaring pengayak yang berbeda, yaitu SF0, SF1, SF2, dan SF3 dari Tabel 1. PP murni menunjukkan perilaku daktail sementara semua komposit mengalami fraktur getas tanpa deformasi plastis yang signifikan. PP menunjukkan kuat tarik sebesar 32,45 MPa, sedangkan komposit SF0, SF1, SF2, dan SF3 menunjukkan kuat tarik masing-masing sebesar 41,28, 31,04, 28,15, dan 28,18 MPa (Gambar 5c ). Terlihat jelas, terutama untuk komposit dari SF1 hingga SF3, bahwa dengan menurunnya ukuran mata jaring, terjadi penurunan kuat tarik, yang disebabkan oleh rasio aspek serat yang menurun. Menariknya, komposit SF0 melaporkan kuat tarik terbesar di antara semua sampel. Diduga bahwa WCFF tanpa saringan dengan campuran partikel dan penguat berserat berfungsi sebagai komposit hibrida. Serat yang lebih besar bertindak sebagai penguat primer dengan dukungan partikel kecil sebagai partikel hibridisasi sekunder. Hasil serupa telah dilaporkan oleh Gogoi et al. [ 25 ] untuk mikrosfer kaca berongga (HGM) dan komposit PP yang diperkuat serat karbon. Dalam penelitian mereka, penulis menemukan bahwa hanya komposit PP yang diperkuat serat karbon atau HGM yang menunjukkan nilai kekuatan tarik yang lebih rendah, dibandingkan dengan campuran komposit hibrida PP yang diperkuat HGM dan serat karbon. Dalam penelitian lain, Khandelwal et al. [ 26 ] dan Sumesh et al. [ 27 ] melaporkan bahwa penggunaan pengisi nano atau mikropartikel mengurangi celah antarmuka antara serat dan matriks polimer dan membantu dalam pemindahan beban yang lebih efektif dari matriks ke serat. Oleh karena itu, dalam penelitian saat ini, komposit yang diperkuat dengan penguat tanpa saringan (kombinasi serat selulosa panjang dan selulosa halus) yang memiliki kekuatan tarik tertinggi di antara semua komposit, dapat memperoleh manfaat dari mekanisme hibridisasi ini.

GAMBAR 5
Buka di penampil gambar
Kekuatan Gambar
Pengaruh ukuran serat yang berbeda terhadap sifat tarik (a, b) tegangan tarik versus perpanjangan (c) tegangan tarik (d) modulus tarik (e, f) perpanjangan saat putus.
Seperti yang terlihat pada Gambar 5d , modulus tarik juga mengikuti tren yang sama seperti kekuatan. Modulus komposit SF0, SF1, SF2, dan SF3 diukur menjadi 3207, 2660, 2234, dan 2172 MPa, masing-masing (Gambar 4d ). Komposit SF0 dan SF1 menunjukkan modulus tarik yang lebih tinggi daripada PP murni (2330 MPa). Sekali lagi, kombinasi ukuran serat besar dan mikropartikel dalam serat yang tidak diayak menghasilkan modulus tarik tertinggi dari komposit SF0 karena efek hibridisasi positif. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5e,f , perpanjangan putus semua komposit menurun secara signifikan dibandingkan dengan kasus PP murni. Tidak ada perbedaan signifikan yang diamati antara perpanjangan putus komposit yang berbeda. Penurunan perpanjangan putus disebabkan oleh penambahan pengisi WCFF yang keras dan kaku, dengan deformabilitas rendah, yang menyebabkan sistem komposit menjadi getas dengan penurunan tajam dalam perpanjangan putus [ 28 ]. Pengamatan ini sejalan dengan data yang dilaporkan oleh berbagai peneliti, di mana penambahan serat yang keras dan kaku menyebabkan penurunan tajam dalam perpanjangan putus dan sifat impak komposit, seperti yang dirangkum dalam artikel tinjauan ini [ 29 ]. Lebih jauh lagi, keberadaan MA-g-PP juga menyebabkan penurunan perpanjangan putus (Gambar 2a ), karena efek pengaku tambahannya melalui antarmuka yang ditingkatkan. Telah dilaporkan bahwa selama perambatan retak, serat perlu putus atau menarik keluar dari matriks. Namun, keberadaan kompatibilizer meningkatkan kemungkinan putusnya serat karena adhesi antarmuka yang kuat, yang menyebabkan perpanjangan putus yang lebih rendah [ 30 ]. Hasil dan pembahasan di atas menegaskan bahwa serat yang tidak diayak mengungguli semua serat yang diayak dan meningkatkan kekuatan dan modulus PP murni masing-masing sebesar 24,2% dan 37,7%. Temuan ini menunjukkan bahwa proses pengayakan mungkin tidak diperlukan untuk pemanfaatan bahan baku selulosa limbah.

Gambar 6 menunjukkan kekuatan impak PP murni dan komposit yang dimuati 20 wt.% WCFF dengan ukuran mata saringan yang berbeda, yaitu SF0, SF1, SF2, dan SF3 seperti yang tercantum dalam Tabel 1. PP murni menunjukkan perilaku daktail dengan kekuatan impak 11,14 kJ/m 2 , sedangkan semua komposit menunjukkan kekuatan impak yang lebih rendah. Kekuatan impak SF0-MA0, SF0, SF1, SF2, dan SF3 masing-masing adalah 4,22, 5,41, 5,17, 4,64, dan 4,35 kJ/m 2 . Hasil serupa telah dilaporkan oleh Bengtsson et al. [ 31 ], di mana kekuatan impak komposit PP yang diperkuat serat selulosa secara signifikan lebih rendah daripada PP murni. Seperti yang dilaporkan, serat selulosa yang lebih kaku dan antarmuka mereka dengan matriks dapat bertindak sebagai konsentrator tegangan dalam komposit, sehingga mengurangi ketahanan material terhadap inisiasi dan pertumbuhan retak dan akibatnya mengurangi kekuatan impak [ 31 – 33 ]. Selain itu, komposit SF0 menunjukkan kekuatan impak yang lebih tinggi daripada SF0-MA0 karena penambahan kompatibilizer, seperti yang juga dilaporkan dalam Ashori et al. [ 34 ] Yang lebih menarik, sampel komposit SF1 hingga SF3 menunjukkan pengurangan kekuatan impak saat ukuran mesh WCFF berkurang. Meskipun tidak ada penelitian yang secara langsung menganalisis efek ukuran mesh WCFF, penelitian sebelumnya telah menunjukkan bahwa kekuatan impak berkurang dengan pengurangan rasio aspek serat [ 35 , 36 ].

GAMBAR 6
Buka di penampil gambar
Kekuatan Gambar
Pengaruh ukuran serat yang berbeda terhadap kekuatan impak bertakik Izod pada komposit PP.
3.4 Sifat Termal Komposit WCFF/PP
Gambar 7a,b menunjukkan termogram pendinginan dan pemanasan kedua dari komposit PP dan WCFF/PP murni, masing-masing. Demikian pula, Gambar 7c menunjukkan suhu kristalisasi puncak ( Tc ) dan kristalinitas ( X ), dihitung dari termogram pemanasan kedua. SF0, SF1, SF2, dan SF3 menunjukkan Tc masing – masing sebesar 121,1°C, 121,0°C, 121,4°C, dan 120,8°C, yang semuanya lebih rendah daripada Tc PP murni (128,7°C). Hasil serupa telah dilaporkan untuk komposit yang diperkuat debu pengamplasan kulit bunga matahari oleh Sui et al. [ 16 ]. Selain itu, tidak ada perbedaan signifikan yang diamati antara nilai Tc dari berbagai komposit WCFF/PP. Dengan kata lain, pada pemuatan WCFF tertentu (20 wt.%), ukuran pengayakan tampaknya tidak secara signifikan mempengaruhi T c komposit. Selain itu, T m PP tidak berubah secara signifikan karena penambahan WCFF. Namun, seperti yang terlihat pada Gambar 7c , secara keseluruhan, kristalinitas PP meningkat setelah penambahan WCFF, tetapi tingkat perbaikan bergantung pada ukuran pengayakan. Komposit SF3, yang diperkuat dengan ukuran mata jaring WCFF terkecil (lebih rendah dari 0,82 mm) menunjukkan kristalinitas tertinggi sebesar 54,6%, yang menunjukkan peningkatan sebesar 32,6%, dibandingkan dengan PP murni. Peningkatan kristalinitas terbesar kedua adalah untuk kasus SF0 (13,0%). Komposit yang memiliki serat dengan rasio aspek besar, yaitu SF1 dan SF2 menunjukkan nilai kristalinitas yang hanya sedikit lebih besar daripada PP.

GAMBAR 7
Buka di penampil gambar
Kekuatan Gambar
(a) Termogram pendinginan, (b) termogram pemanasan kedua, dan (c) suhu kristalisasi ( T c ) dan kristalinitas ( X ) komposit WCFF/PP.
Meskipun pengisi berpotensi bertindak sebagai agen nukleasi kristal, Sui et al. [ 16 ] telah melaporkan bahwa pengisi ditemukan juga menghalangi mobilisasi rantai makromolekul PP dan mencegah segmen makromolekul memperoleh penyelarasan teratur dalam kisi kristal. Oleh karena itu, secara keseluruhan, suhu kristalisasi dan kristalinitas komposit dua fase atau tiga fase bergantung pada persaingan antara nukleasi heterogen yang disediakan oleh penguat dan penghalang yang diciptakan olehnya selama pembentukan kristal matriks. Komposit SF3 memiliki ukuran pengisi selulosa terkecil, dan tampaknya pengisi berukuran kecil memberikan peluang yang lebih baik untuk nukleasi kristal, sedangkan efek penghalangannya selama penumpukan rantai mungkin tidak separah karena ukurannya yang lebih kecil. Jadi, ia memberikan kristalinitas tertinggi. Demikian pula, SF0, yang merupakan kasus tanpa saringan, memang mencakup sebagian besar pengisi berukuran kecil, yang memberikan peningkatan kristalinitas terbanyak kedua. Efek ukuran pengisi pada mobilitas rantai polimer juga dapat disimpulkan dari pengamatan reologi, di mana SF1 dan SF2 menunjukkan nilai viskositas yang lebih tinggi dibandingkan dengan SF0 dan SF3 (Gambar 3b ). Dalam penelitian serupa, efek panjang serat pada kristalinitas komposit PP yang diperkuat serat kaca diselidiki oleh Seong et al. [ 37 ]. Penulis melaporkan bahwa komposit yang diperkuat dengan panjang serat 2 mm menunjukkan kristalinitas yang lebih tinggi ( X  = 55,9%), dibandingkan dengan yang diperkuat dengan ukuran serat 10 mm ( X  = 52,9%).

Stabilitas termal dan perilaku degradasi komposit PP, WCFF, dan WCFF/PP dipelajari menggunakan analisis termogravimetri dan hasilnya dikumpulkan dalam Gambar 8. PP dan WCFF murni mengalami degradasi satu langkah, sedangkan komposit WCFF/PP mengikuti degradasi dua langkah (Gambar 8a ) [ 38 , 39 ]. WCFF murni menunjukkan kehilangan berat awal sekitar 5%, yang dapat disebabkan oleh penghilangan kelembapan. Pada Gambar 8b , kehilangan massa mencapai puncaknya pada sekitar 355°C, yang dikaitkan dengan degradasi selulosa, dan yang lainnya mencapai puncaknya pada sekitar 460°C, yang merupakan degradasi PP [ 40 ]. Pada komposit WCFF/PP, suhu puncak komponen WCFF dan PP tetap hampir tidak berubah. Namun, suhu awal WCFF dalam komposit meningkat dari sekitar 220°C untuk WCFF murni menjadi 282°C, yang menunjukkan peningkatan stabilitas selulosa setelah terintegrasi dalam matriks PP. Suhu awal sama untuk semua komposit, karena semuanya mengandung jumlah WCFF yang sama (20 wt.%) [ 41 ] dan ukuran pengisi tampaknya tidak memiliki efek apa pun. Telah dilaporkan bahwa suhu awal menurun dengan meningkatnya kandungan serat [ 40 ]. Pada akhir percobaan TGA, PP murni dan WCFF meninggalkan residu masing-masing sebesar 0,3% dan 12,0%, dan residu komposit sekitar 3–4 wt.%.

GAMBAR 8
Buka di penampil gambar
Kekuatan Gambar
(a) Persentase berat dan (b) kehilangan berat turunan suhu sebagai fungsi suhu untuk komposit PP, WCFF, dan WCFF/PP.
Dengan meluasnya pengembangan komposit polimer yang diperkuat serat berbasis tanaman, karya ini menjelaskan beberapa hal tentang kesesuaian penggabungan bahan dasar tanaman limbah sebagai agen penguat dalam komposit polimer. Banyak karya literatur telah melaporkan bahwa komposit yang diperkuat serat alami dapat berhasil digunakan untuk fabrikasi komponen otomotif, seperti panel pintu, jok mobil balap, sisipan, rak parsel belakang, sandaran jok, penutup ban serep, dan trim interior. Misalnya, Pradeep dkk. melaporkan sifat dan penggunaan berbagai komposit polimer untuk panel pintu yang digunakan oleh berbagai produsen mobil [ 42 ]. Dalam penyelidikan mereka, penulis menemukan bahwa Audi, Daimler Chrysler, dan Dodge melaporkan kekuatan tarik 40–50, 30–60, dan 15–26 MPa untuk aplikasi panel pintu menggunakan rami/sisal/karet poliuretan, rami/rami/kelapa/PP, dan TPO [ 42 ]. Menariknya, kekuatan tarik komposit yang dibuat dari WCFF dan PP dalam pekerjaan ini berada dalam kisaran yang sama.

4 Kesimpulan
Campuran WCFF dari industri kertas diterima dalam bentuk pelet besar dan dipisahkan menjadi bentuk berserat yang dapat diumpankan menggunakan proses penggilingan yang lembut. WCFF yang ukurannya diperkecil diayak menggunakan ukuran mata jaring yang berbeda dan diperacikan dengan PP dengan dan tanpa MA-g-PP. Peracikan dilakukan menggunakan ekstruder sekrup kembar, diikuti oleh persiapan sampel menggunakan pencetakan kompresi. Analisis morfologi menegaskan bahwa penggabungan MA-g-PP dalam komposit meningkatkan dispersi WCFF dan meningkatkan adhesi antarmuka selulosa/PP. Penggabungan 20 wt.% WCFF ke dalam PP meningkatkan modulus penyimpanan ( G ′) dan viskositas kompleks ( η *) komposit pada 170°C. Uji reologi pada suhu ekstrem 230°C mengungkapkan pengurangan G ′ dan η *, karena peningkatan mobilitas rantai polimer, seperti yang diharapkan. Pencoklatan yang diamati pada 230°C mengindikasikan beberapa tingkat modifikasi termal atau kimia selama pengujian reologi, yang menyoroti perbedaan antara pengujian reologi dinamis dan pengukuran TGA. Selain itu, peningkatan maksimum dalam G ′ dan η * diamati untuk sampel yang dimuat dengan WCFF yang tidak diayak (SF0), karena rasio aspek serat yang lebih besar dan efek sinergis dari serat dan fines. Selain itu, pengukuran MFI juga mengungkapkan bahwa kemampuan alir lelehan sedikit menurun dengan peningkatan ukuran mesh WCFF. Kekuatan tarik dan modulus tertinggi ditemukan untuk komposit yang difabrikasi menggunakan WCFF yang tidak diayak, yang menawarkan peningkatan masing-masing sebesar 28% dan 38%, dibandingkan dengan PP murni. Kinerja yang lebih baik dari WCFF yang tidak diayak, dibandingkan dengan serat yang diayak, dikaitkan dengan efek hibridisasi positif dari campuran rasio aspek besar (serat) dan rasio aspek kecil (halus). Namun, kekuatan impak komposit PP/WCFF lebih rendah daripada PP murni. Secara keseluruhan, kekuatan tarik, modulus tarik, dan kekuatan impak semuanya meningkat seiring dengan peningkatan ukuran jaring, yang dapat disebabkan oleh penyertaan lebih banyak bahan pengisi dengan rasio aspek besar.

Analisis termal menunjukkan bahwa secara keseluruhan, suhu kristalisasi PP menurun dengan diperkenalkannya 20 wt.% WCFF dan 3 wt.% MA-g-PP ke PP murni. Namun, kristalinitas PP menunjukkan ketergantungan yang relatif kuat pada penyaringan, di mana sampel WCFF yang memiliki lebih banyak pengisi yang lebih halus meningkatkan kristalinitas secara signifikan, sedangkan yang lain dengan pengisi dengan rasio aspek besar memiliki dampak minimal pada kristalinitas. Selain itu, ditemukan bahwa suhu awal degradasi WCFF meningkat secara signifikan setelah dimasukkan ke dalam matriks PP, yang menawarkan manfaat kemampuan proses leleh. Studi ini menunjukkan bahwa campuran selulosa limbah dapat digunakan sebagai penguat yang efektif tanpa penyaringan dan pemisahan tambahan untuk memproduksi komposit polimer berkinerja tinggi dan hemat biaya.