Sintesis Hidrotermal Nanopartikel Seng Oksida Dan Aplikasinya Sebagai Pengisi Nanokomposit Berbasis Pati Tapioka
SINTESIS HIDROTERMAL NANOPARTIKEL SENG
OKSIDA DAN APLIKASINYA SEBAGAI PENGISI
NANOKOMPOSIT BERBASIS PATI TAPIOKA
YANDI ANDIYANA
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2016
PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA*
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis berjudul “Sintesis Hidrotermal
Nanopartikel Seng Oksida dan Aplikasinya Sebagai Pengisi Nanokomposit
Berbasis Pati Tapioka” adalah benar karya saya dengan arahan dari komisi
pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi
mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan
maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan
dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir disertasi ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut
Pertanian Bogor.
Bogor, April 2016
Yandi Andiyana
NIM F251114011
RINGKASAN
YANDI ANDIYANA. Sintesis Hidrotermal Nanopartikel Seng Oksida dan
Aplikasinya Sebagai Pengisi Nanokomposit Berbasis Pati Tapioka. Dibimbing
oleh NUGRAHA EDHI SUYATMA dan SULIANTARI.
Nanopartikel seng oksida (NP-ZnO) telah menarik perhatian yang cukup
besar dalam bidang kemasan pangan karena mampu meningkatkan sifat
fungsional film kemasan, termasuk karakteristik fisik dan mekanik. Peningkatan
tersebut sangat penting dalam pengembangan kemasan biodegradable karena
polimer alam memiliki karakteristik barrier dan sifat mekanik yang lemah
sehingga aplikasinya sebagai kemasan pangan menjadi terbatas. Inkorporasi
nanopartikel telah diketahui dapat digunakan sebagai teknik yang sangat baik
untuk mengatasi kelemahan film berbasis bahan alam dan meningkatkan
karakteristiknya.
Sintesis nanopartikel menggunakan metode hidrotermal memberikan
beberapa keuntungan yaitu menggunakan peralatan sederhana, prosedur satu
tahap, dapat digunakan untuk berbagai bahan kimia, kebutuhan energi yang lebih
rendah, waktu reaksi cepat, hasil partikel dengan ukuran sub-mikron hingga nano,
partikel dengan kemurnian tinggi, homogenitas yang baik dan distribusi ukuran
partikel yang sempit. Meskipun memiliki banyak keunggulan, belum ada laporan
dalam penelitian kemasan pangan yang memanfaatkan NP-ZnO hasil sintesis
hidrotermal untuk memperkuat karakteristik film kemasan. Tujuan utama dari
penelitian ini adalah untuk mensintesis nanopartikel NP-ZnO dengan metode
hidrotermal yang relatif sederhana dan untuk mengevaluasi sifat fisik dan
mekanik dari film nanokomposit berbasis pati tapioka yang diinkorporasikan
dengan NP-ZnO hasil sintesis hidrotermal tersebut.
NP-ZnO dibuat dengan metode hidrotermal pada suhu rendah (80°C)
selama 2 jam menggunakan bahan awal seng nitrat dan natrium hidroksida serta
pektin sebagai capping agent. NP-ZnO hasil sintesis hidrotermal (0, 0.5% dan 1%,
b/b terhadap pati tapioka) dimasukkan ke dalam film pati tapioka dengan gliserol
sebagai pemlastis (0, 20%, b/b terhadap pati tapioka). Berdasarkan analisis ukuran
partikel (Particle Size Analyzer, PSA), ukuran rata-rata NP-ZnO hasil sintesis
hidrotermal sebanding dengan nanopartikel komersial. Inkorporasi NP-ZnO hasil
sintesis hidrotermal tersebut ke dalam film pati tapioka dapat secara signifikan
mengurangi kapasitas penyerapan air dan laju transmisi uap air serta
meningkatkan nilai kuat tarik dan elongasi dari film komposit. Hasil tersebut
membuktikan bahwa NP-ZnO yang disintesis dengan metode hidrotermal
memiliki potensi untuk digunakan sebagai pengisi nano (nanofiller) untuk
memperbaiki sifat fisik dan mekanik film polimer berbasis bahan alam.
Kata kunci: Film Pati, Nanofiller, Nanokomposit, Nanopartikel Seng Oksida,
Sintesis Hidrothermal.
SUMMARY
YANDI ANDIYANA. Hydrothermal Synthesis of Zinc Oxide Nanoparticles and
its Application as Filler for Tapioca Starch Based Nanocomposite. Supervised by
NUGRAHA EDHI SUYATMA and SULIANTARI.
Zinc oxide nanoparticles (ZnO-NPs) has attracted considerable interests in
the field of food packaging because it can improve the functional properties of
packaging films, including the physical and mechanical characteristics. This
improvement is important in the development of biodegradable packaging since
natural polymer has the poor barrier and mechanical properties so that its
application as food packaging is limited. Incorporation of nanoparticles have been
known as a good technique to overcome the weaknesses of films based on natural
materials and improve its characteristics.
The synthesis of nanoparticles using hydrothermal method provides
several advantages, namely using simple equipment, one step procedure, can be
used for a variety of chemicals, lower energy requirements, faster reaction time,
produce particles with sub-micron to nano size with high purity, good
homogeneity and narrow particle size distribution. Although it has many
advantages, there are no reports in the research of packaging which utilizes
hydrothermal synthesis to produce ZnO-NPs and to strengthen the packaging film
characteristics. The main objective of this study was to synthesize ZnO-NPS with
a simple hydrothermal method and to evaluate the physical and mechanical
properties of nanocomposite films based on tapioca starch which incorporated
with the hydrothermally synthesized ZnO-NPs.
ZnO-NPs were synthesized by hydrothermal method at low temperature
(80°C) for 2 hours using zinc nitrate and sodium hydroxide a starting material as
well as pectin as capping agent. Hydrothermally synthesized ZnO-NPs (0, 0.5%
and 1%, w/w of the tapioca starch) incorporated into the film tapioca starch with
glycerol as a plasticizer (0, 20%, w/w of the tapioca starch). Based on Particle
Size Analyzer (PSA), the average size of hydrothermally synthesized ZnO-NPs
were comparable with commercial nanoparticles. Incorporation of hydrothermally
synthesized ZnO-NPs into tapioca starch films can significantly reduce water
absorption capacity and water vapor transmission rate and increase tensile
strength and elongation of the composite film. These results prove that the ZnONPs synthesized by hydrothermal method have the potential to be used as
nanofiller to improve the physical and mechanical properties of neutral based
polymer films.
Keywords: Hydrothermal Synthesis, Nanocomposite, Nanofiller, Starch film,
Zinc Oxide Nanoparticles
© Hak Cipta Milik IPB, Tahun 2016
Hak Cipta Dilindungi Undang-Undang
Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan
atau menyebutkan sumbernya. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan,
penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau
tinjauan suatu masalah; dan pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan
IPB
Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya tulis ini
dalam bentuk apa pun tanpa izin IPB
SINTESIS HIDROTERMAL NANOPARTIKEL SENG
OKSIDA DAN APLIKASINYA SEBAGAI PENGISI
NANOKOMPOSIT BERBASIS PATI TAPIOKA
YANDI ANDIYANA
Tesis
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Magister Sains
pada
Program Studi Ilmu Pangan
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2016
Penguji pada Ujian Tesis: Dr Elvira Syamsir, STP, MSi
Judul Tesis : Sintesis Hidrotermal Nanopartikel Seng Oksida dan Aplikasinya
Sebagai Pengisi Nanokomposit Berbasis Pati Tapioka
Nama
: Yandi Andiyana
NIM
: F251114011
Disetujui oleh
Komisi Pembimbing
Dr Nugraha Edhi Suyatma, STP, DEA
Ketua
Dr Dra Suliantari, MS
Anggota
Diketahui oleh
Ketua Program Studi
Ilmu Pangan
Dekan Sekolah Pascasarjana
Prof Dr Ir Ratih Dewanti-Hariyadi
Dr Ir Dahrul Syah, MSc Agr
Tanggal Ujian: 12 April 2016
Tanggal Lulus:
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan hanya kepada Allah subhanahu wa ta’ala
atas segala karunia-Nya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Shalawat dan
salam semoga tercurah kepada Nabi Muhammad SAW. Tema yang dipilih dalam
penelitian yang dilaksanakan sejak bulan Februari 2014 sampai November 2015 ini
ialah nanopartikel seng oksida, dengan judul “Sintesis Hidrotermal Nanopartikel Seng
Oksida dan Aplikasinya Sebagai Pengisi Nanokomposit Berbasis Pati Tapioka”.
Penulisan karya ilmiah ini tidak terlepas dari dukungan dan do’a banyak pihak. Oleh
karena itu, penulis sampaikan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada:
1. Dr Nugraha Edhi Suyatma STP, DEA selaku dosen ketua komisi pembimbing
yang telah bersedia meluangkan waktu untuk memberikan bimbingan, bantuan,
serta nasehat kepada penulis selama perkuliahan, penelitian, dan penyelesaian
tugas akhir.
2. Dr Dra Suliantari MS selaku dosen komisi pembimbing yang senantiasa
meluangkan waktu untuk memberikan bimbingan selama penulis melakukan
penelitian hingga penyusunan tugas akhir.
3. Dr Elvira Syamsir STP, MSi atas kesediaannya untuk menjadi dosen penguji.
4. Dr Ir Dahrul Syah, MScAgr selaku Dekan Sekolah Pascasarjana IPB.
5. Prof Dr Ir Ratih Dewanti-Hariyadi, selaku ketua Program Studi Ilmu Pangan IPB.
6. Seluruh staf pengajar di Departemen Ilmu dan Teknologi Pangan IPB.
7. Seluruh teknisi dan laboran di Laboratorium Departemen ITP untuk kerja
samanya selama penulis melakukan penelitian.
8. Keluarga tercinta, Ibu Eli K. Listiani dan Bapak Kurnia yang merupakan orang
tua penulis, Bunga Primasari selaku istri penulis, Cagar Alim Bunayya sebagai
anak penulis, Ibu Sukeksi dan Bapak Rizal Mustansyir yang merupakan mertua
penulis serta adik-adik Ria Andriani dan Astri Dianti, terima kasih tak terhingga
atas kasih sayang, dukungan dan do’a yang senantiasa diberikan kepada penulis.
9. Rekan-rekan mahasiswa Ilmu Pangan IPB atas kebersamaan selama perkuliahan
dan penelitian.
10. Semua pihak yang telah membantu yang tidak bisa penulis tuliskan satu per satu.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.
Bogor, April 2016
Yandi Andiyana
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL
vii
DAFTAR GAMBAR
vii
DAFTAR LAMPIRAN
vii
1 PENDAHULUAN
Latar Belakang
Perumusan Masalah
Tujuan Penelitian
Manfaat Penelitian
Ruang Lingkup Penelitian
2 TINJAUAN PUSTAKA
Nanopartikel seng oksida (NP-ZnO)
Metode sintesis NP-ZnO
NP-ZnO sebagai pengisi nano (nanofiller) pada bionanokomposit
1
1
2
3
3
3
3
3
5
10
3 METODE
Waktu dan Tempat
Bahan
Alat
Metode Penelitian
Sintesis NP-ZnO dengan metode hidrotermal
Analisis ukuran partikel
Persiapan bionanokomposit pati tapioka/NP-ZnO
Analisis kapasitas absorpsi air
Analisis laju transmisi uap air
Analisis sifat mekanik
Analisis morfologi
Analisis Data
13
13
13
13
13
13
13
14
14
14
15
15
15
4 HASIL DAN PEMBAHASAN
Karakteristik NP-ZnO
Ukuran partikel
Karakteristik bionanokomposit pati tapioka/NP-ZnO
Kapasitas absorpsi air
Laju transmisi uap air
Sifat mekanik
Morfologi
15
15
15
17
17
17
19
20
5 SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Saran
21
21
21
DAFTAR PUSTAKA
22
LAMPIRAN
26
RIWAYAT HIDUP
33
DAFTAR TABEL
1
2
3
4
5
Penelitian-penelitian sintesis hidrotermal NP-ZnO
Peningkatan sifat fisik dan mekanik komposit dengan inkorporasi NP-ZnO
Ukuran dan PDI NP-ZnO hidrotermal dan komersial
Kapasitas absorpsi air film bionanokomposit pati tapioka/NP-ZnO
Laju transmisi uap air film bionanokomposit pati tapioka/NP-ZnO
7
10
15
17
17
DAFTAR GAMBAR
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Beberapa struktur morfologis NP-ZnO
Tiga jenis struktur kristal NP-ZnO
Metode sintesis nanopartikel seng oksida (MCP)
Metode sintesis nanopartikel seng oksida (PVS)
Reaktor tabung stainless steel untuk sintesis hidrotermal
Mekanisme reaksi pembentukan struktur NP-ZnO melalui sintesis
hidrotermal
Skema reaksi, nukleasi dan agregasi NP-ZnO dan agregasi dalam
sintesis hidrotermal
Beberapa konfigurasi nanopartikel dalam lingkungan kering dan
terdispersi dalam larutan
Ilustrasi teori-teori plastisasi: lubrisitas, gel dan volume bebas
Diagram permeasi uap atau gas melalui film
Skema mekanisme penghambatan laju uap air (water vapor) dan gas
pada matriks polimer tanpa dan dengan inkorporasi nanomaterial
Nilai kuat tarik film pati tapioka yang diinkorporasikan dengan NPZnO dengan dan tanpa penambahan gliserol
Nilai elongasi film pati tapioka yang diinkorporasikan dengan NP-ZnO
dengan dan tanpa penambahan gliserol
Hasil SEM film kontrol (a), pati tapioka/NP-ZnO (b) dan pati
tapioka/NP-ZnO + gliserol (c) dengan perbesaran 5000x dan 7500x
4
4
5
6
6
8
8
9
12
18
18
19
20
20
DAFTAR LAMPIRAN
1
2
3
4
5
Data kimia senyawa seng oksida
Status GRAS senyawa seng oksida dan gliserol (gliserin)
Data analisis PSA
Analisis statistik
Data kuat tarik dan elongasi film bionanokomposit
26
26
27
27
32
1 PENDAHULUAN
Latar Belakang
Seng oksida merupakan senyawa anorganik dengan rumus molekul ZnO
berbentuk padatan (bubuk) berwarna putih dan bersifat tidak larut dalam air
(NCBI 2016, Lampiran 1). Dalam bidang pangan, ZnO terkategori secara umum
sebagai senyawa yang aman (Generally Recognized as Save, GRAS) (FDA 2015,
Lampiran 2). Dalam bentuk nanopartikel, seng oksida telah menarik perhatian
yang cukup besar dalam bidang kemasan pangan. Sejumlah penelitian telah
menunjukkan bahwa nanopartikel seng oksida (NP-ZnO) mampu meningkatkan
sifat fungsional film kemasan. Sebagai contoh, inkorporasi NP-ZnO ke dalam film
pektin mampu memperkuat sifat fungsional seperti kapasitas antimikroba,
kekuatan mekanik dan sifat penghalang (barrier) (Suyatma et al. 2014). Dengan
kapasitas antimikroba, NP-ZnO memiliki potensi untuk dimanfaatkan dalam
pengembangan kemasan antimikroba yang mampu memperpanjang umur simpan
produk pangan (Espitia et al. 2012). Sementara itu, peningkatan karakteristik fisik
dan mekanik merupakan faktor sangat penting dalam pengembangan kemasan
biodegradable karena polimer alam memiliki karakteristik barrier dan sifat
mekanik yang lemah sehingga aplikasinya sebagai kemasan pangan seperti buah,
sayur, minuman dan jenis pangan lain menjadi terbatas (Sorrentino et al. 2007).
Inkorporasi nanopartikel telah diketahui dapat digunakan sebagai teknik yang
sangat baik untuk mengatasi kelemahan film berbasis bahan alam dan
meningkatkan karakteristiknya (Peelman et al. 2013).
NP-ZnO telah dilaporkan dapat meningkatkan sifat fisik dan mekanik
seperti kapasitas absorpsi air, laju transmisi uap air, kuat tarik dan elongasi dari
berbagai bahan biodegradable seperti selulosa asetat (Pittarate et al. 2011), metil
selulosa (Espitia et al. 2013), polikaprolakton (Elen et al. 2012), asam polilaktat
(Murariu et al. 2011; Pantani et al. 2013), poli (eter eter keton) (Diez-Pascual et
al. 2014), poli (3-hidroksibutirat) (Diez-Pascual dan Diez-Vicente, 2014) dan pati
dari berbagai sumber misalnya kacang (Ma et al. 2009; Yu et al. 2009), sagu
(Nafchi et al. 2013; Alebooyeh et al. 2012) dan tapioka (Marvizadeh et al. 2014).
Pada penelitian-penelitian tersebut, nanopartikel yang digunakan adalah NP-ZnO
komersial.
Secara komersial, terdapat dua metode sintesis NP-ZnO yang paling umum
digunakan, yaitu pemrosesan mekanokimiawi (Mechanochemical Processing,
MCP) dan sintesis fisik uap (Physical Vapour Synthesis, PVS). Metode MCP
menggunakan bola penggilingan (ball mill) konvensional untuk mengurangi
ukuran partikel yang dilanjutkan dengan reaksi kimia pada suhu 170-380°C,
sedangkan metode PVS menggunakan energi plasma untuk menghasilkan uap
pada suhu tinggi. Dengan pertimbangan kebutuhan energi yang besar dan
penggunaan berbagai bahan kimia, maka banyak penelitian dilakukan untuk
mencari alternatif metode sintesis nanopartikel yang lebih hemat energi dan ramah
lingkungan. Sejumlah metode yang telah dikembangkan dan diketahui dapat
digunakan untuk memproduksi nanopartikel adalah pengendapan terkendali, solgel, emulsi, dekomposisi termal dan sintesis hidrotermal (Espitia et al. 2012;
Kołodziejczak-Radzimska dan Jesionowski 2014; Tsuzuki 2009).
2
Menurut Byrappa dan Adschiri (2007), sintesis nanopartikel menggunakan
metode hidrotermal memberikan beberapa keuntungan yaitu menggunakan
peralatan sederhana, prosedur satu tahap, dapat digunakan untuk berbagai bahan
kimia, kebutuhan energi yang lebih rendah, waktu reaksi cepat, hasil partikel
dengan ukuran sub-mikron hingga nano, partikel dengan kemurnian tinggi,
homogenitas yang baik dan distribusi ukuran partikel yang sempit. Dengan
keunggulan tersebut, teknik hidrotermal telah digunakan dalam banyak penelitian
untuk mensintesis NP-ZnO dengan morfologi yang berbeda dan telah diterapkan
pada berbagai aplikasi teknologi seperti sel surya (Rao dan Dutta 2008), perangkat
pemancar cahaya (Ng et al. 2010), fotokatalis (Sanatgar-Delshade et al. 2011),
sensor kelembaban (Pal et al. 2012), detektor H2O2 (Wayu et al. 2013) dan filter
sinar UV (Suchanek 2009). Meskipun memiliki banyak keunggulan, belum ada
laporan dalam penelitian kemasan pangan yang memanfaatkan NP-ZnO hasil
sintesis hidrotermal untuk memperkuat karakteristik film kemasan.
Salah satu polimer alam yang banyak dimanfaatkan sebagai kemasan
pangan adalah pati. Menurut Sorrentino et al. (2007), pati merupakan bahan baku
berasal dari banyak tanaman yang ketersediaannya melimpah, relatif murah, dapat
diperbaharui dan terurai sempurna di alam. Dalam sistem pengemasan pangan,
terdapat banyak peluang pemanfaatan film berbasis pati. Sebagai film atau
kantung, pati dapat digunakan sebagai bahan pengemas buah-buahan, sayursayuran, makanan ringan (snacks) atau produk pangan kering lain. Di antara
sekian banyak jenis pati, Kim et al. (2015) menyatakan bahwa pati tapioka
memiliki karakteristik pembentuk film (film-forming) yang baik dan memiliki
permeabilitas gas yang lebih rendah dibanding film berbasis pati lainnya. Akan
tetapi, film berbasis pati tapioka memiliki sifat fisik dan mekanik yang lemah
yaitu mudah menyerap air dan mudah patah (brittle). Untuk mengatasi
kekurangan tersebut, dua pendekatan yang umumnya dilakukan adalah dengan
modifikasi kimiawi atau inkorporasi bahan pendukung lain. Dibandingkan
modifikasi kimiawi, metode inkorporasi lebih banyak digunakan karena relatif
lebih sederhana.
Selain inkorporasi, penambahan pemlastis juga diperlukan untuk
memperbaiki fleksibitas film. Gliserol merupakan satu diantara pemlastis yang
paling umum digunakan dalam pembuatan film kemasan karena karena kestabilan
dan kecocokan (compatibility) dengan rantai biopolimer hidrofilik (Chillo et al.
2008).
Penelitian ini melaporkan sintesis NP-ZnO menggunakan metode
hidrotermal dan inkorporasinya sebagai nanofiller pada film berbasis pati tapioka
dengan dan tanpa penambahan gliserol. Film bionanokomposit yang dihasilkan
tersebut dikarakterisasi sifat fisik dan mekaniknya.
Perumusan Masalah
Nanopartikel ZnO telah banyak digunakan sebagai pengisi (nanofiller) dan
berperan sebagai reinforcing agent pada biokomposit, akan tetapi untuk
mendapatkan NP-ZnO yang memiliki ukuran partikel berukuran nanometer
dibutuhkan proses industri dengan energi yang cukup tinggi dan berbagai bahan
kimia. Sintesis hidrotermal dapat digunakan sebagai alternatif metode sintesis NP-
3
ZnO untuk diinkorporasikan ke film pati tapioka sehingga dapat meningkatkan
sifat fisik dan mekaniknya dengan dan tanpa penambahan pemlastis gliserol.
Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian ini adalah 1) mensintesis nanopartikel ZnO dengan
menggunakan metode hidrotermal, dan 2) inkorporasi NP-ZnO hasil sintesis
hidrotermal ke dalam film berbasis pati tapioka dengan dan tanpa pemlastis
gliserol.
Manfaat Penelitian
Manfaat yang diperoleh dari penelitian ini adalah memberikan informasi
tentang teknik sintesis nanopartikel ZnO yang lebih sederhana dengan metode
hidrotermal dan memperoleh informasi mengenai peningkatan sifat fisik dan
mekanik film berbasis pati tapioka dengan dan tanpa pemlastis gliserol yang
diinkorporasi dengan pengisi (nanofiller) NP-ZnO hasil sintesis hidrotermal.
Ruang Lingkup Penelitian
Lingkup dari penelitian ini meliputi teknik sintesis nanopartikel ZnO dengan
menggunakan metode hidrotermal, analisis ukuran NP-ZnO dan pengujian sifat
fisik dan mekanik bionanokomposit pati tapioka/NP-ZnO dengan dan tanpa
penambahan pemlastis gliserol yang terdiri dari kapasitas absorpsi air, laju
transmisi uap air, kuat tarik, elongasi dan morfologi.
2 TINJAUAN PUSTAKA
Nanopartikel Seng Oksida (NP-ZnO)
Pada umumnya, nanopartikel didefinisikan sebagai partikel dengan ukuran
1-100 nanometer (nm). Meskipun demikian, menurut Boholm dan Arvidsson
(2016), belum ada konsensus ilmiah yang secara spesifik menyepakati batas
bawah dan atas ukuran nanopartikel karena sejumlah artikel ilmiah menggunakan
alternatif ukuran yang berbeda seperti 0.2 nm sebagai batas bawah dan 200, 300
bahkan 1000 nm sebagai batas atas ukuran nanopartikel.
Nanopartikel seng oksida (NP-ZnO) merupakan salah satu jenis
nanopartikel yang telah menarik perhatian yang cukup besar dalam bidang ilmu
dan teknologi nano. NP-ZnO merupakan material multifungsional yang memiliki
kestabilan kimia yang tinggi, koefisien elektrokimia yang tinggi, rentang absorpsi
radiasi yang luas, fotostabilitas yang tinggi dan dapat membentuk struktur
morfologis satu, dua atau tiga dimensi (Gambar 1). Struktur satu dimensi NP-ZnO
merupakan struktur yang paling banyak diteliti dan dapat berbentuk seperti
batang, jarum, heliks, cincin, pita, tabung dan sabuk. Dalam struktur 2D, NP-ZnO
dapat membentuk pelat maupun lembaran, sedangkan dalam struktur 3D, NP-ZnO
4
dapat membentuk struktur seperti bunga, dandelion, kristal salju dan sebagainya
(Kołodziejczak-Radzimska & Jesionowski 2014).
Gambar 1 Beberapa struktur morfologis NP-ZnO: bunga (a), batang (b) dan
jarum (c,d) (Sumber: Kołodziejczak-Radzimska & Jesionowski 2014).
Secara kimiawi, seng oksida dapat membentuk tiga jenis kristal yaitu
rocksalt, zinc blende dan wurtzite (Gambar 2).
Gambar 2 Tiga jenis struktur kristal NP-ZnO: rocksalt (a), zinc blende (b) dan
wurtzite (c) (Sumber: Espitia et al. 2012).
Dalam ilmu material, seng oksida diklasifikasikan sebagai semikonduktor
grup II-IV yang kovalensinya berada diantara semikonduktor ionik dan kovalen.
Dengan pita energi yang lebar (3.37 eV), energi ikatan yang tinggi (60 meV),
kestabilan termal dan mekanik yang tinggi pada suhu ruang membuat seng oksida
umum digunakan untuk teknologi elektronik, optoelektronik dan laser. Dengan
karakteristik piezo dan piroelektrik menjadikan seng oksida dapat digunakan
sebagai sensor, konverter, generator energi dan fotokatalis dalam produksi
hidrogen. Dengan tingkat kekerasan, rigiditas dan konstanta piezoelektrik
menjadikan seng oksida menjadi material penting dalam industri keramik. Dengan
5
toksisitas yang rendah, biokompatibilitas dan biodegradabilitasnya, seng oksida
berpotensi untuk digunakan dalam bidang biomedis dan sistem ramah lingkungan
(Kołodziejczak-Radzimska & Jesionowski 2014).
Metode Sintesis NP-ZnO
Metode Sintesis Komersial
Secara komersial, terdapat dua metode sintesis NP-ZnO yang paling umum
digunakan. Metode pertama adalah proses secara mekanokimiawi
(Mechanochemical Processing, MCP) yang menggunakan bola penggilingan (ball
mill) konvensional untuk mengurangi ukuran partikel (Gambar 3). Pada
pemrosesan ini, prekursor seng klorida (ZnCl2), natrium klorida (NaCl) dan
natrium karbonat (Na2CO3) secara simultan digiling di dalam ball mill untuk
menghasilkan seng karbonat (ZnCO3) dan natrium klorida. Campuran produk
tersebut kemudian dipanaskan pada suhu 170-380°C yang mendekomposisi
ZnCO3 menjadi ZnO. Selanjutnya dilakukan proses pencucian dengan air
deionisasi untuk memisahkan NaCl dan diakhiri dengan pengeringan NP-ZnO.
NP-ZnO yang dihasilkan melalui proses ini umumnya memiliki ukuran 20-30 nm
tergantung pada durasi penggilingan dan suhu pemanasan yang digunakan (Espitia
et al. 2012).
Gambar 3 Metode sintesis nanopartikel seng oksida ( MCP) (Sumber: Espitia et
al. 2012).
Metode kedua adalah metode sintesis fisik uap (Physical Vapour Synthesis,
PVS) yang menggunakan energi plasma untuk menghasilkan uap pada suhu tinggi
(Gambar 4). Plasma digunakan sebagai sumber energi untuk menguapkan
prekursor padat (solid) menjadi uap. Uap tersebut kemudian direaksikan dengan
gas reaktif yang membentuk gugus molekular (molecular cluster) dengan kondisi
sangat jenuh (supersaturasi) yang diikuti dengan terbentuknya inti partikel
(nukleasi). Proses tersebut mendekomposisi prekursor menjadi atom-atom
penyusunnya. Selanjutnya, inti partikel melewati tahap pendinginan (kondensasi)
membentuk nanopartikel. Nanopartikel yang dihasilkan melalui metode ini
umumnya memiliki ukuran 8-75 nm (Espitia et al. 2012).
Tingkat kepopuleran metode sintesis nanopartikel secara komersial tidak
secara langsung berhubungan dengan superioritas teknik yang digunakan. Banyak
perusahaan produsen nanopartikel memilih teknik produksi tertentu karena alasan
historis atau aksesibilitas bahan baku. Selain kedua metode tersebut, metode lain
yang juga dapat digunakan adalah pengendapan terkendali, sol-gel, emulsi,
dekomposisi termal dan sintesis hidrotermal. Karena metode sintesis yang berbeda
6
akan menghasilkan karakteristik nanopartikel yang berbeda, maka metode sintesis
harus dipilih dengan berbagai pertimbangan termasuk biaya produksi dan aplikasi
nanopartikel (Kołodziejczak-Radzimska dan Jesionowski 2014; Tsuzuki 2009).
Gambar 4 Metode sintesis nanopartikel seng oksida (PVS) (Sumber: Espitia et al.
2012).
Metode Sintesis Hidrotermal
Menurut Byrappa & Adschiri (2007), terminologi ‘hidrotermal’ berasal
dari ilmu geologi yang awalnya digunakan untuk menjelaskan fenomena sifat air
pada suhu dan tekanan tinggi di lapisan kerak bumi yang mendorong terjadinya
pembentukan berbagai bebatuan dan mineral. Istilah tersebut kemudian digunakan
untuk rekasi kimia lain termasuk dalam sintesis partikel. Dalam sintesis partikel
tersebut, pemrosesan hidrotermal didefinisikan sebagai reaksi heterogen apapun
dalam pelarut air pada tekanan dan suhu tinggi untuk melarutkan dan
merekristalisasi material yang relatif sukar larut dalam kondisi biasa.
Gambar 5 Reaktor tabung stainless steel untuk sintesis hidrotermal (Sumber:
Byrappa & Adschiri 2007).
Pemrosesan material pada kondisi hidrotermal membutuhkan reaktor yang
tahan pelarut korosif pada suhu dan tekanan tinggi. Instrumen hidrotermal, yang
populer dikenal sebagai autoklaf, reaktor atau tabung tekanan harus bersifat inert,
mudah dirakit, anti bocor serta kuat menahan suhu dan tekanan tinggi untuk durasi
waktu yang lama. Untuk memenuhi kebutuhan tersebut, umumnya reaktor
hidrotermal setidaknya terdiri dari tabung pelindung stainless steel dengan reaktor
inert berbahan teflon (Gambar 3). Untuk kebutuhan reaksi yang lebih kompleks,
7
varian lain dari reaktor hidrotermal dapat dilengkapi dengan pengaduk (stirrer),
microwave, piston dan pendukung lainnya (Byrappa & Adschiri 2007).
Menurut Byrappa dan Adschiri (2007), sintesis nanopartikel melalui
metode hidrotermal memberikan beberapa keuntungan yaitu menggunakan
peralatan sederhana, prosedur satu tahap, dapat digunakan untuk berbagai bahan
kimia, kebutuhan energi yang lebih rendah, waktu reaksi cepat, hasil partikel
dengan ukuran sub-mikron hingga nano, partikel dengan kemurnian tinggi,
homogenitas yang baik dan distribusi ukuran partikel yang sempit. Dengan
keunggulan tersebut, teknik hidrotermal telah digunakan dalam banyak penelitian
untuk mensintesis NP-ZnO dengan morfologi yang berbeda dan telah diterapkan
pada berbagai aplikasi teknologi (Tabel 1).
Tabel 1 1
Penelitian-penelitian sintesis hidrotermal NP-ZnO
Referensi
Ukuran NP-ZnO (nm)
Aplikasi
Rao & Dutta 2008
~15
Sel surya
Suchanek 2009
60-200
Filter sinar UV
Ng et al. 2010
OKSIDA DAN APLIKASINYA SEBAGAI PENGISI
NANOKOMPOSIT BERBASIS PATI TAPIOKA
YANDI ANDIYANA
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2016
PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA*
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis berjudul “Sintesis Hidrotermal
Nanopartikel Seng Oksida dan Aplikasinya Sebagai Pengisi Nanokomposit
Berbasis Pati Tapioka” adalah benar karya saya dengan arahan dari komisi
pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi
mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan
maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan
dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir disertasi ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut
Pertanian Bogor.
Bogor, April 2016
Yandi Andiyana
NIM F251114011
RINGKASAN
YANDI ANDIYANA. Sintesis Hidrotermal Nanopartikel Seng Oksida dan
Aplikasinya Sebagai Pengisi Nanokomposit Berbasis Pati Tapioka. Dibimbing
oleh NUGRAHA EDHI SUYATMA dan SULIANTARI.
Nanopartikel seng oksida (NP-ZnO) telah menarik perhatian yang cukup
besar dalam bidang kemasan pangan karena mampu meningkatkan sifat
fungsional film kemasan, termasuk karakteristik fisik dan mekanik. Peningkatan
tersebut sangat penting dalam pengembangan kemasan biodegradable karena
polimer alam memiliki karakteristik barrier dan sifat mekanik yang lemah
sehingga aplikasinya sebagai kemasan pangan menjadi terbatas. Inkorporasi
nanopartikel telah diketahui dapat digunakan sebagai teknik yang sangat baik
untuk mengatasi kelemahan film berbasis bahan alam dan meningkatkan
karakteristiknya.
Sintesis nanopartikel menggunakan metode hidrotermal memberikan
beberapa keuntungan yaitu menggunakan peralatan sederhana, prosedur satu
tahap, dapat digunakan untuk berbagai bahan kimia, kebutuhan energi yang lebih
rendah, waktu reaksi cepat, hasil partikel dengan ukuran sub-mikron hingga nano,
partikel dengan kemurnian tinggi, homogenitas yang baik dan distribusi ukuran
partikel yang sempit. Meskipun memiliki banyak keunggulan, belum ada laporan
dalam penelitian kemasan pangan yang memanfaatkan NP-ZnO hasil sintesis
hidrotermal untuk memperkuat karakteristik film kemasan. Tujuan utama dari
penelitian ini adalah untuk mensintesis nanopartikel NP-ZnO dengan metode
hidrotermal yang relatif sederhana dan untuk mengevaluasi sifat fisik dan
mekanik dari film nanokomposit berbasis pati tapioka yang diinkorporasikan
dengan NP-ZnO hasil sintesis hidrotermal tersebut.
NP-ZnO dibuat dengan metode hidrotermal pada suhu rendah (80°C)
selama 2 jam menggunakan bahan awal seng nitrat dan natrium hidroksida serta
pektin sebagai capping agent. NP-ZnO hasil sintesis hidrotermal (0, 0.5% dan 1%,
b/b terhadap pati tapioka) dimasukkan ke dalam film pati tapioka dengan gliserol
sebagai pemlastis (0, 20%, b/b terhadap pati tapioka). Berdasarkan analisis ukuran
partikel (Particle Size Analyzer, PSA), ukuran rata-rata NP-ZnO hasil sintesis
hidrotermal sebanding dengan nanopartikel komersial. Inkorporasi NP-ZnO hasil
sintesis hidrotermal tersebut ke dalam film pati tapioka dapat secara signifikan
mengurangi kapasitas penyerapan air dan laju transmisi uap air serta
meningkatkan nilai kuat tarik dan elongasi dari film komposit. Hasil tersebut
membuktikan bahwa NP-ZnO yang disintesis dengan metode hidrotermal
memiliki potensi untuk digunakan sebagai pengisi nano (nanofiller) untuk
memperbaiki sifat fisik dan mekanik film polimer berbasis bahan alam.
Kata kunci: Film Pati, Nanofiller, Nanokomposit, Nanopartikel Seng Oksida,
Sintesis Hidrothermal.
SUMMARY
YANDI ANDIYANA. Hydrothermal Synthesis of Zinc Oxide Nanoparticles and
its Application as Filler for Tapioca Starch Based Nanocomposite. Supervised by
NUGRAHA EDHI SUYATMA and SULIANTARI.
Zinc oxide nanoparticles (ZnO-NPs) has attracted considerable interests in
the field of food packaging because it can improve the functional properties of
packaging films, including the physical and mechanical characteristics. This
improvement is important in the development of biodegradable packaging since
natural polymer has the poor barrier and mechanical properties so that its
application as food packaging is limited. Incorporation of nanoparticles have been
known as a good technique to overcome the weaknesses of films based on natural
materials and improve its characteristics.
The synthesis of nanoparticles using hydrothermal method provides
several advantages, namely using simple equipment, one step procedure, can be
used for a variety of chemicals, lower energy requirements, faster reaction time,
produce particles with sub-micron to nano size with high purity, good
homogeneity and narrow particle size distribution. Although it has many
advantages, there are no reports in the research of packaging which utilizes
hydrothermal synthesis to produce ZnO-NPs and to strengthen the packaging film
characteristics. The main objective of this study was to synthesize ZnO-NPS with
a simple hydrothermal method and to evaluate the physical and mechanical
properties of nanocomposite films based on tapioca starch which incorporated
with the hydrothermally synthesized ZnO-NPs.
ZnO-NPs were synthesized by hydrothermal method at low temperature
(80°C) for 2 hours using zinc nitrate and sodium hydroxide a starting material as
well as pectin as capping agent. Hydrothermally synthesized ZnO-NPs (0, 0.5%
and 1%, w/w of the tapioca starch) incorporated into the film tapioca starch with
glycerol as a plasticizer (0, 20%, w/w of the tapioca starch). Based on Particle
Size Analyzer (PSA), the average size of hydrothermally synthesized ZnO-NPs
were comparable with commercial nanoparticles. Incorporation of hydrothermally
synthesized ZnO-NPs into tapioca starch films can significantly reduce water
absorption capacity and water vapor transmission rate and increase tensile
strength and elongation of the composite film. These results prove that the ZnONPs synthesized by hydrothermal method have the potential to be used as
nanofiller to improve the physical and mechanical properties of neutral based
polymer films.
Keywords: Hydrothermal Synthesis, Nanocomposite, Nanofiller, Starch film,
Zinc Oxide Nanoparticles
© Hak Cipta Milik IPB, Tahun 2016
Hak Cipta Dilindungi Undang-Undang
Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan
atau menyebutkan sumbernya. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan,
penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau
tinjauan suatu masalah; dan pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan
IPB
Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya tulis ini
dalam bentuk apa pun tanpa izin IPB
SINTESIS HIDROTERMAL NANOPARTIKEL SENG
OKSIDA DAN APLIKASINYA SEBAGAI PENGISI
NANOKOMPOSIT BERBASIS PATI TAPIOKA
YANDI ANDIYANA
Tesis
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Magister Sains
pada
Program Studi Ilmu Pangan
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2016
Penguji pada Ujian Tesis: Dr Elvira Syamsir, STP, MSi
Judul Tesis : Sintesis Hidrotermal Nanopartikel Seng Oksida dan Aplikasinya
Sebagai Pengisi Nanokomposit Berbasis Pati Tapioka
Nama
: Yandi Andiyana
NIM
: F251114011
Disetujui oleh
Komisi Pembimbing
Dr Nugraha Edhi Suyatma, STP, DEA
Ketua
Dr Dra Suliantari, MS
Anggota
Diketahui oleh
Ketua Program Studi
Ilmu Pangan
Dekan Sekolah Pascasarjana
Prof Dr Ir Ratih Dewanti-Hariyadi
Dr Ir Dahrul Syah, MSc Agr
Tanggal Ujian: 12 April 2016
Tanggal Lulus:
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan hanya kepada Allah subhanahu wa ta’ala
atas segala karunia-Nya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Shalawat dan
salam semoga tercurah kepada Nabi Muhammad SAW. Tema yang dipilih dalam
penelitian yang dilaksanakan sejak bulan Februari 2014 sampai November 2015 ini
ialah nanopartikel seng oksida, dengan judul “Sintesis Hidrotermal Nanopartikel Seng
Oksida dan Aplikasinya Sebagai Pengisi Nanokomposit Berbasis Pati Tapioka”.
Penulisan karya ilmiah ini tidak terlepas dari dukungan dan do’a banyak pihak. Oleh
karena itu, penulis sampaikan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada:
1. Dr Nugraha Edhi Suyatma STP, DEA selaku dosen ketua komisi pembimbing
yang telah bersedia meluangkan waktu untuk memberikan bimbingan, bantuan,
serta nasehat kepada penulis selama perkuliahan, penelitian, dan penyelesaian
tugas akhir.
2. Dr Dra Suliantari MS selaku dosen komisi pembimbing yang senantiasa
meluangkan waktu untuk memberikan bimbingan selama penulis melakukan
penelitian hingga penyusunan tugas akhir.
3. Dr Elvira Syamsir STP, MSi atas kesediaannya untuk menjadi dosen penguji.
4. Dr Ir Dahrul Syah, MScAgr selaku Dekan Sekolah Pascasarjana IPB.
5. Prof Dr Ir Ratih Dewanti-Hariyadi, selaku ketua Program Studi Ilmu Pangan IPB.
6. Seluruh staf pengajar di Departemen Ilmu dan Teknologi Pangan IPB.
7. Seluruh teknisi dan laboran di Laboratorium Departemen ITP untuk kerja
samanya selama penulis melakukan penelitian.
8. Keluarga tercinta, Ibu Eli K. Listiani dan Bapak Kurnia yang merupakan orang
tua penulis, Bunga Primasari selaku istri penulis, Cagar Alim Bunayya sebagai
anak penulis, Ibu Sukeksi dan Bapak Rizal Mustansyir yang merupakan mertua
penulis serta adik-adik Ria Andriani dan Astri Dianti, terima kasih tak terhingga
atas kasih sayang, dukungan dan do’a yang senantiasa diberikan kepada penulis.
9. Rekan-rekan mahasiswa Ilmu Pangan IPB atas kebersamaan selama perkuliahan
dan penelitian.
10. Semua pihak yang telah membantu yang tidak bisa penulis tuliskan satu per satu.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.
Bogor, April 2016
Yandi Andiyana
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL
vii
DAFTAR GAMBAR
vii
DAFTAR LAMPIRAN
vii
1 PENDAHULUAN
Latar Belakang
Perumusan Masalah
Tujuan Penelitian
Manfaat Penelitian
Ruang Lingkup Penelitian
2 TINJAUAN PUSTAKA
Nanopartikel seng oksida (NP-ZnO)
Metode sintesis NP-ZnO
NP-ZnO sebagai pengisi nano (nanofiller) pada bionanokomposit
1
1
2
3
3
3
3
3
5
10
3 METODE
Waktu dan Tempat
Bahan
Alat
Metode Penelitian
Sintesis NP-ZnO dengan metode hidrotermal
Analisis ukuran partikel
Persiapan bionanokomposit pati tapioka/NP-ZnO
Analisis kapasitas absorpsi air
Analisis laju transmisi uap air
Analisis sifat mekanik
Analisis morfologi
Analisis Data
13
13
13
13
13
13
13
14
14
14
15
15
15
4 HASIL DAN PEMBAHASAN
Karakteristik NP-ZnO
Ukuran partikel
Karakteristik bionanokomposit pati tapioka/NP-ZnO
Kapasitas absorpsi air
Laju transmisi uap air
Sifat mekanik
Morfologi
15
15
15
17
17
17
19
20
5 SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Saran
21
21
21
DAFTAR PUSTAKA
22
LAMPIRAN
26
RIWAYAT HIDUP
33
DAFTAR TABEL
1
2
3
4
5
Penelitian-penelitian sintesis hidrotermal NP-ZnO
Peningkatan sifat fisik dan mekanik komposit dengan inkorporasi NP-ZnO
Ukuran dan PDI NP-ZnO hidrotermal dan komersial
Kapasitas absorpsi air film bionanokomposit pati tapioka/NP-ZnO
Laju transmisi uap air film bionanokomposit pati tapioka/NP-ZnO
7
10
15
17
17
DAFTAR GAMBAR
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Beberapa struktur morfologis NP-ZnO
Tiga jenis struktur kristal NP-ZnO
Metode sintesis nanopartikel seng oksida (MCP)
Metode sintesis nanopartikel seng oksida (PVS)
Reaktor tabung stainless steel untuk sintesis hidrotermal
Mekanisme reaksi pembentukan struktur NP-ZnO melalui sintesis
hidrotermal
Skema reaksi, nukleasi dan agregasi NP-ZnO dan agregasi dalam
sintesis hidrotermal
Beberapa konfigurasi nanopartikel dalam lingkungan kering dan
terdispersi dalam larutan
Ilustrasi teori-teori plastisasi: lubrisitas, gel dan volume bebas
Diagram permeasi uap atau gas melalui film
Skema mekanisme penghambatan laju uap air (water vapor) dan gas
pada matriks polimer tanpa dan dengan inkorporasi nanomaterial
Nilai kuat tarik film pati tapioka yang diinkorporasikan dengan NPZnO dengan dan tanpa penambahan gliserol
Nilai elongasi film pati tapioka yang diinkorporasikan dengan NP-ZnO
dengan dan tanpa penambahan gliserol
Hasil SEM film kontrol (a), pati tapioka/NP-ZnO (b) dan pati
tapioka/NP-ZnO + gliserol (c) dengan perbesaran 5000x dan 7500x
4
4
5
6
6
8
8
9
12
18
18
19
20
20
DAFTAR LAMPIRAN
1
2
3
4
5
Data kimia senyawa seng oksida
Status GRAS senyawa seng oksida dan gliserol (gliserin)
Data analisis PSA
Analisis statistik
Data kuat tarik dan elongasi film bionanokomposit
26
26
27
27
32
1 PENDAHULUAN
Latar Belakang
Seng oksida merupakan senyawa anorganik dengan rumus molekul ZnO
berbentuk padatan (bubuk) berwarna putih dan bersifat tidak larut dalam air
(NCBI 2016, Lampiran 1). Dalam bidang pangan, ZnO terkategori secara umum
sebagai senyawa yang aman (Generally Recognized as Save, GRAS) (FDA 2015,
Lampiran 2). Dalam bentuk nanopartikel, seng oksida telah menarik perhatian
yang cukup besar dalam bidang kemasan pangan. Sejumlah penelitian telah
menunjukkan bahwa nanopartikel seng oksida (NP-ZnO) mampu meningkatkan
sifat fungsional film kemasan. Sebagai contoh, inkorporasi NP-ZnO ke dalam film
pektin mampu memperkuat sifat fungsional seperti kapasitas antimikroba,
kekuatan mekanik dan sifat penghalang (barrier) (Suyatma et al. 2014). Dengan
kapasitas antimikroba, NP-ZnO memiliki potensi untuk dimanfaatkan dalam
pengembangan kemasan antimikroba yang mampu memperpanjang umur simpan
produk pangan (Espitia et al. 2012). Sementara itu, peningkatan karakteristik fisik
dan mekanik merupakan faktor sangat penting dalam pengembangan kemasan
biodegradable karena polimer alam memiliki karakteristik barrier dan sifat
mekanik yang lemah sehingga aplikasinya sebagai kemasan pangan seperti buah,
sayur, minuman dan jenis pangan lain menjadi terbatas (Sorrentino et al. 2007).
Inkorporasi nanopartikel telah diketahui dapat digunakan sebagai teknik yang
sangat baik untuk mengatasi kelemahan film berbasis bahan alam dan
meningkatkan karakteristiknya (Peelman et al. 2013).
NP-ZnO telah dilaporkan dapat meningkatkan sifat fisik dan mekanik
seperti kapasitas absorpsi air, laju transmisi uap air, kuat tarik dan elongasi dari
berbagai bahan biodegradable seperti selulosa asetat (Pittarate et al. 2011), metil
selulosa (Espitia et al. 2013), polikaprolakton (Elen et al. 2012), asam polilaktat
(Murariu et al. 2011; Pantani et al. 2013), poli (eter eter keton) (Diez-Pascual et
al. 2014), poli (3-hidroksibutirat) (Diez-Pascual dan Diez-Vicente, 2014) dan pati
dari berbagai sumber misalnya kacang (Ma et al. 2009; Yu et al. 2009), sagu
(Nafchi et al. 2013; Alebooyeh et al. 2012) dan tapioka (Marvizadeh et al. 2014).
Pada penelitian-penelitian tersebut, nanopartikel yang digunakan adalah NP-ZnO
komersial.
Secara komersial, terdapat dua metode sintesis NP-ZnO yang paling umum
digunakan, yaitu pemrosesan mekanokimiawi (Mechanochemical Processing,
MCP) dan sintesis fisik uap (Physical Vapour Synthesis, PVS). Metode MCP
menggunakan bola penggilingan (ball mill) konvensional untuk mengurangi
ukuran partikel yang dilanjutkan dengan reaksi kimia pada suhu 170-380°C,
sedangkan metode PVS menggunakan energi plasma untuk menghasilkan uap
pada suhu tinggi. Dengan pertimbangan kebutuhan energi yang besar dan
penggunaan berbagai bahan kimia, maka banyak penelitian dilakukan untuk
mencari alternatif metode sintesis nanopartikel yang lebih hemat energi dan ramah
lingkungan. Sejumlah metode yang telah dikembangkan dan diketahui dapat
digunakan untuk memproduksi nanopartikel adalah pengendapan terkendali, solgel, emulsi, dekomposisi termal dan sintesis hidrotermal (Espitia et al. 2012;
Kołodziejczak-Radzimska dan Jesionowski 2014; Tsuzuki 2009).
2
Menurut Byrappa dan Adschiri (2007), sintesis nanopartikel menggunakan
metode hidrotermal memberikan beberapa keuntungan yaitu menggunakan
peralatan sederhana, prosedur satu tahap, dapat digunakan untuk berbagai bahan
kimia, kebutuhan energi yang lebih rendah, waktu reaksi cepat, hasil partikel
dengan ukuran sub-mikron hingga nano, partikel dengan kemurnian tinggi,
homogenitas yang baik dan distribusi ukuran partikel yang sempit. Dengan
keunggulan tersebut, teknik hidrotermal telah digunakan dalam banyak penelitian
untuk mensintesis NP-ZnO dengan morfologi yang berbeda dan telah diterapkan
pada berbagai aplikasi teknologi seperti sel surya (Rao dan Dutta 2008), perangkat
pemancar cahaya (Ng et al. 2010), fotokatalis (Sanatgar-Delshade et al. 2011),
sensor kelembaban (Pal et al. 2012), detektor H2O2 (Wayu et al. 2013) dan filter
sinar UV (Suchanek 2009). Meskipun memiliki banyak keunggulan, belum ada
laporan dalam penelitian kemasan pangan yang memanfaatkan NP-ZnO hasil
sintesis hidrotermal untuk memperkuat karakteristik film kemasan.
Salah satu polimer alam yang banyak dimanfaatkan sebagai kemasan
pangan adalah pati. Menurut Sorrentino et al. (2007), pati merupakan bahan baku
berasal dari banyak tanaman yang ketersediaannya melimpah, relatif murah, dapat
diperbaharui dan terurai sempurna di alam. Dalam sistem pengemasan pangan,
terdapat banyak peluang pemanfaatan film berbasis pati. Sebagai film atau
kantung, pati dapat digunakan sebagai bahan pengemas buah-buahan, sayursayuran, makanan ringan (snacks) atau produk pangan kering lain. Di antara
sekian banyak jenis pati, Kim et al. (2015) menyatakan bahwa pati tapioka
memiliki karakteristik pembentuk film (film-forming) yang baik dan memiliki
permeabilitas gas yang lebih rendah dibanding film berbasis pati lainnya. Akan
tetapi, film berbasis pati tapioka memiliki sifat fisik dan mekanik yang lemah
yaitu mudah menyerap air dan mudah patah (brittle). Untuk mengatasi
kekurangan tersebut, dua pendekatan yang umumnya dilakukan adalah dengan
modifikasi kimiawi atau inkorporasi bahan pendukung lain. Dibandingkan
modifikasi kimiawi, metode inkorporasi lebih banyak digunakan karena relatif
lebih sederhana.
Selain inkorporasi, penambahan pemlastis juga diperlukan untuk
memperbaiki fleksibitas film. Gliserol merupakan satu diantara pemlastis yang
paling umum digunakan dalam pembuatan film kemasan karena karena kestabilan
dan kecocokan (compatibility) dengan rantai biopolimer hidrofilik (Chillo et al.
2008).
Penelitian ini melaporkan sintesis NP-ZnO menggunakan metode
hidrotermal dan inkorporasinya sebagai nanofiller pada film berbasis pati tapioka
dengan dan tanpa penambahan gliserol. Film bionanokomposit yang dihasilkan
tersebut dikarakterisasi sifat fisik dan mekaniknya.
Perumusan Masalah
Nanopartikel ZnO telah banyak digunakan sebagai pengisi (nanofiller) dan
berperan sebagai reinforcing agent pada biokomposit, akan tetapi untuk
mendapatkan NP-ZnO yang memiliki ukuran partikel berukuran nanometer
dibutuhkan proses industri dengan energi yang cukup tinggi dan berbagai bahan
kimia. Sintesis hidrotermal dapat digunakan sebagai alternatif metode sintesis NP-
3
ZnO untuk diinkorporasikan ke film pati tapioka sehingga dapat meningkatkan
sifat fisik dan mekaniknya dengan dan tanpa penambahan pemlastis gliserol.
Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian ini adalah 1) mensintesis nanopartikel ZnO dengan
menggunakan metode hidrotermal, dan 2) inkorporasi NP-ZnO hasil sintesis
hidrotermal ke dalam film berbasis pati tapioka dengan dan tanpa pemlastis
gliserol.
Manfaat Penelitian
Manfaat yang diperoleh dari penelitian ini adalah memberikan informasi
tentang teknik sintesis nanopartikel ZnO yang lebih sederhana dengan metode
hidrotermal dan memperoleh informasi mengenai peningkatan sifat fisik dan
mekanik film berbasis pati tapioka dengan dan tanpa pemlastis gliserol yang
diinkorporasi dengan pengisi (nanofiller) NP-ZnO hasil sintesis hidrotermal.
Ruang Lingkup Penelitian
Lingkup dari penelitian ini meliputi teknik sintesis nanopartikel ZnO dengan
menggunakan metode hidrotermal, analisis ukuran NP-ZnO dan pengujian sifat
fisik dan mekanik bionanokomposit pati tapioka/NP-ZnO dengan dan tanpa
penambahan pemlastis gliserol yang terdiri dari kapasitas absorpsi air, laju
transmisi uap air, kuat tarik, elongasi dan morfologi.
2 TINJAUAN PUSTAKA
Nanopartikel Seng Oksida (NP-ZnO)
Pada umumnya, nanopartikel didefinisikan sebagai partikel dengan ukuran
1-100 nanometer (nm). Meskipun demikian, menurut Boholm dan Arvidsson
(2016), belum ada konsensus ilmiah yang secara spesifik menyepakati batas
bawah dan atas ukuran nanopartikel karena sejumlah artikel ilmiah menggunakan
alternatif ukuran yang berbeda seperti 0.2 nm sebagai batas bawah dan 200, 300
bahkan 1000 nm sebagai batas atas ukuran nanopartikel.
Nanopartikel seng oksida (NP-ZnO) merupakan salah satu jenis
nanopartikel yang telah menarik perhatian yang cukup besar dalam bidang ilmu
dan teknologi nano. NP-ZnO merupakan material multifungsional yang memiliki
kestabilan kimia yang tinggi, koefisien elektrokimia yang tinggi, rentang absorpsi
radiasi yang luas, fotostabilitas yang tinggi dan dapat membentuk struktur
morfologis satu, dua atau tiga dimensi (Gambar 1). Struktur satu dimensi NP-ZnO
merupakan struktur yang paling banyak diteliti dan dapat berbentuk seperti
batang, jarum, heliks, cincin, pita, tabung dan sabuk. Dalam struktur 2D, NP-ZnO
dapat membentuk pelat maupun lembaran, sedangkan dalam struktur 3D, NP-ZnO
4
dapat membentuk struktur seperti bunga, dandelion, kristal salju dan sebagainya
(Kołodziejczak-Radzimska & Jesionowski 2014).
Gambar 1 Beberapa struktur morfologis NP-ZnO: bunga (a), batang (b) dan
jarum (c,d) (Sumber: Kołodziejczak-Radzimska & Jesionowski 2014).
Secara kimiawi, seng oksida dapat membentuk tiga jenis kristal yaitu
rocksalt, zinc blende dan wurtzite (Gambar 2).
Gambar 2 Tiga jenis struktur kristal NP-ZnO: rocksalt (a), zinc blende (b) dan
wurtzite (c) (Sumber: Espitia et al. 2012).
Dalam ilmu material, seng oksida diklasifikasikan sebagai semikonduktor
grup II-IV yang kovalensinya berada diantara semikonduktor ionik dan kovalen.
Dengan pita energi yang lebar (3.37 eV), energi ikatan yang tinggi (60 meV),
kestabilan termal dan mekanik yang tinggi pada suhu ruang membuat seng oksida
umum digunakan untuk teknologi elektronik, optoelektronik dan laser. Dengan
karakteristik piezo dan piroelektrik menjadikan seng oksida dapat digunakan
sebagai sensor, konverter, generator energi dan fotokatalis dalam produksi
hidrogen. Dengan tingkat kekerasan, rigiditas dan konstanta piezoelektrik
menjadikan seng oksida menjadi material penting dalam industri keramik. Dengan
5
toksisitas yang rendah, biokompatibilitas dan biodegradabilitasnya, seng oksida
berpotensi untuk digunakan dalam bidang biomedis dan sistem ramah lingkungan
(Kołodziejczak-Radzimska & Jesionowski 2014).
Metode Sintesis NP-ZnO
Metode Sintesis Komersial
Secara komersial, terdapat dua metode sintesis NP-ZnO yang paling umum
digunakan. Metode pertama adalah proses secara mekanokimiawi
(Mechanochemical Processing, MCP) yang menggunakan bola penggilingan (ball
mill) konvensional untuk mengurangi ukuran partikel (Gambar 3). Pada
pemrosesan ini, prekursor seng klorida (ZnCl2), natrium klorida (NaCl) dan
natrium karbonat (Na2CO3) secara simultan digiling di dalam ball mill untuk
menghasilkan seng karbonat (ZnCO3) dan natrium klorida. Campuran produk
tersebut kemudian dipanaskan pada suhu 170-380°C yang mendekomposisi
ZnCO3 menjadi ZnO. Selanjutnya dilakukan proses pencucian dengan air
deionisasi untuk memisahkan NaCl dan diakhiri dengan pengeringan NP-ZnO.
NP-ZnO yang dihasilkan melalui proses ini umumnya memiliki ukuran 20-30 nm
tergantung pada durasi penggilingan dan suhu pemanasan yang digunakan (Espitia
et al. 2012).
Gambar 3 Metode sintesis nanopartikel seng oksida ( MCP) (Sumber: Espitia et
al. 2012).
Metode kedua adalah metode sintesis fisik uap (Physical Vapour Synthesis,
PVS) yang menggunakan energi plasma untuk menghasilkan uap pada suhu tinggi
(Gambar 4). Plasma digunakan sebagai sumber energi untuk menguapkan
prekursor padat (solid) menjadi uap. Uap tersebut kemudian direaksikan dengan
gas reaktif yang membentuk gugus molekular (molecular cluster) dengan kondisi
sangat jenuh (supersaturasi) yang diikuti dengan terbentuknya inti partikel
(nukleasi). Proses tersebut mendekomposisi prekursor menjadi atom-atom
penyusunnya. Selanjutnya, inti partikel melewati tahap pendinginan (kondensasi)
membentuk nanopartikel. Nanopartikel yang dihasilkan melalui metode ini
umumnya memiliki ukuran 8-75 nm (Espitia et al. 2012).
Tingkat kepopuleran metode sintesis nanopartikel secara komersial tidak
secara langsung berhubungan dengan superioritas teknik yang digunakan. Banyak
perusahaan produsen nanopartikel memilih teknik produksi tertentu karena alasan
historis atau aksesibilitas bahan baku. Selain kedua metode tersebut, metode lain
yang juga dapat digunakan adalah pengendapan terkendali, sol-gel, emulsi,
dekomposisi termal dan sintesis hidrotermal. Karena metode sintesis yang berbeda
6
akan menghasilkan karakteristik nanopartikel yang berbeda, maka metode sintesis
harus dipilih dengan berbagai pertimbangan termasuk biaya produksi dan aplikasi
nanopartikel (Kołodziejczak-Radzimska dan Jesionowski 2014; Tsuzuki 2009).
Gambar 4 Metode sintesis nanopartikel seng oksida (PVS) (Sumber: Espitia et al.
2012).
Metode Sintesis Hidrotermal
Menurut Byrappa & Adschiri (2007), terminologi ‘hidrotermal’ berasal
dari ilmu geologi yang awalnya digunakan untuk menjelaskan fenomena sifat air
pada suhu dan tekanan tinggi di lapisan kerak bumi yang mendorong terjadinya
pembentukan berbagai bebatuan dan mineral. Istilah tersebut kemudian digunakan
untuk rekasi kimia lain termasuk dalam sintesis partikel. Dalam sintesis partikel
tersebut, pemrosesan hidrotermal didefinisikan sebagai reaksi heterogen apapun
dalam pelarut air pada tekanan dan suhu tinggi untuk melarutkan dan
merekristalisasi material yang relatif sukar larut dalam kondisi biasa.
Gambar 5 Reaktor tabung stainless steel untuk sintesis hidrotermal (Sumber:
Byrappa & Adschiri 2007).
Pemrosesan material pada kondisi hidrotermal membutuhkan reaktor yang
tahan pelarut korosif pada suhu dan tekanan tinggi. Instrumen hidrotermal, yang
populer dikenal sebagai autoklaf, reaktor atau tabung tekanan harus bersifat inert,
mudah dirakit, anti bocor serta kuat menahan suhu dan tekanan tinggi untuk durasi
waktu yang lama. Untuk memenuhi kebutuhan tersebut, umumnya reaktor
hidrotermal setidaknya terdiri dari tabung pelindung stainless steel dengan reaktor
inert berbahan teflon (Gambar 3). Untuk kebutuhan reaksi yang lebih kompleks,
7
varian lain dari reaktor hidrotermal dapat dilengkapi dengan pengaduk (stirrer),
microwave, piston dan pendukung lainnya (Byrappa & Adschiri 2007).
Menurut Byrappa dan Adschiri (2007), sintesis nanopartikel melalui
metode hidrotermal memberikan beberapa keuntungan yaitu menggunakan
peralatan sederhana, prosedur satu tahap, dapat digunakan untuk berbagai bahan
kimia, kebutuhan energi yang lebih rendah, waktu reaksi cepat, hasil partikel
dengan ukuran sub-mikron hingga nano, partikel dengan kemurnian tinggi,
homogenitas yang baik dan distribusi ukuran partikel yang sempit. Dengan
keunggulan tersebut, teknik hidrotermal telah digunakan dalam banyak penelitian
untuk mensintesis NP-ZnO dengan morfologi yang berbeda dan telah diterapkan
pada berbagai aplikasi teknologi (Tabel 1).
Tabel 1 1
Penelitian-penelitian sintesis hidrotermal NP-ZnO
Referensi
Ukuran NP-ZnO (nm)
Aplikasi
Rao & Dutta 2008
~15
Sel surya
Suchanek 2009
60-200
Filter sinar UV
Ng et al. 2010