Serat karbon merupakan jenis serat tekstil teknis berupa susunan atom-atom karbon. Atom karbon terikat dalam struktur kristal yang memiliki derajat orientasi sejajar dengan sumbu serat.

Hal yang membuat serat karbon ini begitu istimewa adalah sifat kerjanya tinggi. Seperti ketahanan degradasi kimiawi, tahan panas, ekspansi termal rendah, dan kekuatan tarik yang sangat baik. Spesialnya lagi, serat karbon punya rasio kekuatan terhadap berat serat yang cukup tinggi. Bobot carbon fiber ini tergolong ringan tapi sifatnya sangat kuat.

Kekuatan serat karbon tak kurang dari 5000 MPa, dengan modulus hingga 250 GPa dan kerapatan volume 1,76 gram/cm ³. Oleh sebab itu, serat karbon sering dimanfaatkan dalam pembuatan komposit dan bahan penguat pada tekstil teknik. 

Salah satu aplikasi serat karbon yang terkenal ialah dalam pembuatan panel komposit untuk bagian-bagian pesawat. Serat karbon memungkinkan para insinyur mendapatkan bahan yang kuat namun ringan.

Apa Itu Lignin?

Lignin atau zat kayu merupakan salah satu komponen penyusun bagian tumbuhan yang terdapat di batang pohon dan semak. Komposisi lignin cukup bervariasi bergantung pada jenisnya.

Fungsi lignin pada batang tumbuhan yakni sebagai material pengikat komponen penyusun lain agar pohon bisa berdiri tegak. Kegunaannya tak jauh berbeda dengan semen pada konstruksi bangunan. Struktur kimia lignin sangat kompleks dengan aneka ragam pola. Gugus aromatik pada lignin dihubungkan oleh rantai alifatik dari 2 atau 3 karbon.

Ketersediaan Lignin di Industri

Dampak lingkungan dan pencemaran udara yang disebabkan oleh bahan bakar berbasis minyak bumi telah mendorong kebutuhan untuk mengembangkan sumber bahan bakar alternatif terbarukan. Bio-etanol merupakan sumber bahan bakar alternatif terbarukan yang diperoleh dari sumber non-fosil.

Energi terbarukan itu bisa diperoleh dari bahan mentah pertanian, seperti rami, tebu, kentang, singkong, dan jagung. Dalam proses ekstraksi, selulosa diubah menjadi bioetanol yaitu zat aditif bensin berbasis bio. Lignin diproduksi dalam skala besar sebagai produk sampingan utama berbahan dasar limbah proses. Sebenarnya berpotensi untuk digunakan sebagai bahan baku dalam aplikasi pengolahan bahan yang berkelanjutan.

Selain proses bioetanol, lignin juga dapat diperoleh melalui pengolahan limbah dalam lini produksi bubur kertas. Sayangnya, lignin berbahan dasar material buangan ini harus melalui tahap pencucian serta pemurnian untuk menghilangkan sisa zat kimia dan kontaminan lain.

Bahan Lignin dan Produksi Serat Karbon

Kebutuhan serat karbon kian bertambah seriring dengan perkembangan teknologi dan penerapannya pada ranah komposit serta material teknis. Saat ini, produksi serat karbon telah dilakukan secara massal menggunakan bahan baku polimer PolyAcryloNitrile (PAN) dan serat rayon.

Polyacrylonitrile sendiri merupakan material berbasis serat sintetis hasil olahan minyak bumi. Sekitar 90% serat karbon yang beredar di pasaran berbahan dasar PAN mengingat karakternya yang lebih unggul. Baik dari segi kualitas maupun kekuatan.

Hingga kini, ada banyak perusahaan yang memproduksi serat karbon berbasis PAN. Penentuan harga serat karbon bergantung pada biaya bahan baku dan proses karbonisasi.

Para peneliti di seluruh dunia masih fokus mencari bahan baku dan biaya produksi yang lebih murah. Molekul lignin memiliki struktur cincin karbon aromatik dengan kandungan karbon sebanyak 60-65%. Hal itulah yang menjadikan lignin sebagai kandidat potensial sebagai material penyusun serat karbon dari segi karakteristik kimiawi maupun ketersediaannya.

Selain itu, pembuatan serat karbon dengan bahan baku lignin dari residu proses industri akan memiliki aspek sustainability atau nilai keberlanjutan yang lebih besar.

Produksi Serat Karbon dengan Bahan Baku Lignin

Ada beberapa teknik yang bisa diterapkan dalam proses produksi serat karbon berbahan baku biopolimer lignin. Namun secara garis besar meliputi beberapa tahapan, antara lain:

1.       Proses pembentukan serat bahan baku

Pembentukan serat dilakukan dengan mekanisme pemintalan leleh atau pemintalan basah.

2.       Proses stabilisasi oksidatif

Selanjutnya serat mengalami pemanasan hingga proses karbonisasi pada suhu yang sangat tinggi 1000 ^o C pada atmosfir gas nitrogen inert. Rangkaian proses ini akan menghasilkan serat karbon berwarna hitam.

3.       Proses karbonisasi

Meski proses produksi serat karbon dari lignin menawarkan solusi keberlanjutan yang cukup baik tapi kualitasnya masih dibawah carbon fiber berbasis PAN. Guna mengatasi permasalah tersebut, peneliti asal Izmir Katip Celebi University meninjau kembali bahan baku dan rangkaian prosesnya. Ia pun berhasil menemukan cara yang cukup solutif yaitu dengan mencampurkan PAN dan Lignin.

Peneliti mengungkap bahwa kekuatan serat karbon berbasis lignin murni hanya sekitar 1-3 GPa. Kombinasi lignin dan PAN terbukti mampu meningkatkan serat hingga 3,25 GPa. Sedangkan rentang kekuatan serat karbon PAN sebesar 5 GPa. 

Meskipun kekuatan serat karbon lignin – PAN lebih rendah, tapi biaya produksinya dapat ditekan hingga 75%. Artinya serat tersebut memiliki nilai ekonomi yang jauh lebih besar melalui pemanfaatan sisa proses produksi.

Sumber: Buletin Tekstil Edisi 25