Karakteristik Bioplastik Bioplastik dan Karakterisasinya 1. Bioplastik

Semakin besar bobot molekul suatu bahan semakin rendah biodegradabilitasnya. Selain bobot molekul, bentuk polimer powder, fiber atau film juga berpengaruh terhadap biodegradabilitas. Menurut Briassoulis et al. 2004 kemampuan biodegrabilitas bioplastik tergantung beberapa faktor antara lain jenis plastik dan kondisi proses pengkomposan seperti suhu dan jenis inokulum yang digunakan. Proses terjadinya biodegradasi plastik pada lingkungan alam dimulai dengan tahap degradasi kimia yaitu dengan proses oksidasi molekul, menghasilkan polimer dengan berat molekul yang rendah. Proses berikutnya adalah serangan mikroorganisme dan aktivitas enzim intracellular dan extracellular Latief 2001. Pemecahan polimer berawal dari bermacam prosesgaya fisik dan biologi. Proses fisik seperti pemanasanpendinginan, pembekuan, atau pengeringan dapat menyebabkan perubahan mekanik seperti pecahnya polimer. Polimer sintetik seperti polikarbonat juga dapat didepolimerasi oleh enzim mikroba dengan menyerap monomer-monomer masuk ke dalam sel dan didegradasi Goldberg 1995. Pada umumnya peningkatan berat molekul akan menurunkan kemampuan degradasi polimer oleh mikroorganisme. Tingginya berat molekul menghasilkan penurunan kelarutan yang membuat polimer sulit untuk dipecahkan oleh mikroba karena bakteri membutuhkan substrat untuk diasimilasi melalui membran seluler dan kemudian didegradasi oleh enzim seluler. Ada dua jenis enzim termasuk aktif dalam degrasi biologi polimer yaitu depolimerasi ekstraseluler dan intraseluler Gu et al. 2000. Selain sifat hidrofobik, bahan aditif, proses produksi, struktur polimer, derajat kritalinitas, morfologi dan berat molekul bahan plastik, kecepatan biodegradasi polimer komposit juga dipengaruhi oleh kandungan bahan alami pada polimer tersebut. Sifat biodegradabilitas dari plastik berbasiskan pati sangat tergantung dari rasio kandungan pati. Semakin besar kandungan pati, maka semakin tinggi tingkat biodegradabilitasnya Pranamuda 2001. Arvanitoyannis et al. 1998 melaporkan persentase kehilangan bobot bioplastik berbahan baku LDPEpati beras 6040 sebesar 6,2 setelah dikubur selama 60 hari. Nilai tersebut lebih besar bila dibandingkan dengan bioplastik yang mengandung pati beras 10 dan 20 yaitu 1,9 dan 3,6.

2.2. Modifikasi Pati Tapioka

Tapioka merupakan pati yang berasal dari umbi singkong melalui proses penggilingan umbi singkong, dekantasi, pemisahan ampas dengan konsentrat, pengendapan dan pengeringan Dziedzic dan Kearsley 1995. Komponen utama dari tapioka adalah pati 73,3-84,9 yang terdiri dari amilosa sebanyak 17 dan amilopektin 83. Selain itu, tapioka juga mengandung lemak sebesar 0,08-1,54, protein 0,03-0,06, dan abu 0,02-0,33 Rickard et al. 1991. Pati merupakan biopolimer alami dengan komponen utama kelompok glukosa yakni amilosa dan amilopektin. Pati memiliki tingkat kristalinitas 15- 45. Pemanfaatan pati dalam pembuatan plastik dikarenakan keunggulan- keunggulan yang dimiliki pati, yakni sifatnya yang dapat diperbarui, penahan yang baik untuk oksigen, ketersediaan yang melimpah, harga murah dan mampu terdegradasi. Pati memiliki stabilitas termal dan minimum interference dengan sifat pencairan yang cukup untuk membentuk produk dengan kualitas yang baik. Campuran polimer hidrokarbon dan pati sering digunakan untuk menghasilkan lembaran dan film berkualitas tinggi untuk kemasan. Pembuatan film dari 100 pati sulit untuk diproses saat kondisi mencair melting Nolan- ITU 2002. Komposit atau campuran plastik berbasiskan pati memiliki sifat mekanis yang lemah seperti kekuatan tarik, kekuatan mulur, kekakuan, perpanjangan putus, stabilitas kelembaban yang rendah serta melepaskan molekul pemlastis dalam jumlah kecil dari matriks pati Zhang et al. 2007. Modifikasi pati, penggunaan compatibilizer, reinforcement, serta perbaikan kondisi proses, diharapkan mampu menjadikan pati sebagai material substitusi plastik konvensional. Pati termoplastik dihasilkan melalui pemrosesan pada suhu dan gesekan tinggi sehingga pati bersifat termoplastik dan bisa dicetak. Pembentukan pati termoplastis dipengaruhi oleh kondisi proses dan formulasi bahan yang digunakan. Faktor-faktor ini dijelaskan pada Gambar 2.3. Selama proses termoplastik, air akan masuk dalam pati dan bahan pemlastis akan berperan sangat signifikan. Bahan pemlastis akan membentuk ikatan hidrogen dengan pati, sehingga terjadi reaksi antara gugus hidroksil dan molekul pati yang membuat pati menjadi lebih plastis. Dalam kondisi normal, air yang ditambahkan 10-20 dan secara opsional dapat ditambahkan pelarut dan bahan aditif yang lain Morawietz 2006. Gambar 2.3 Faktor-faktor yang berpengaruh dalam pembentukan pati termoplastik Morawietz 2006. Karakteristik rheologi TPS pada sifat gel ditunjukan dengan nilai modulus elastiselastisitas yang lebih tinggi dibandingakan dengan young moduluskekakuan. Sifat tersebut disebabkan adanya jaringan elastis dalam matriks film yang lebih lunak Rodriguez-Gonzalez et al. 2004. Keelastisan dalam daerah tersebut disebabkan ikatan kimia atau fisik. Struktur jaringan elastis dihubungkan dengan sifat kristalinitas yang dihasilkan dari reaksi kompleks antara amilosa dengan lipid Della Valle et al. 1998. Pembentukan ikatan komplek antara amilosa-elmusifier memodifikasi respon viskoelastis pada pati kentang Conde-Petit dan Escher 1995. Daerah kristalinitas dibuat selama ikatan komplek amilosa-elmusifier membentuk jaringan elastis yang dapat berubah dari cair ke padat seperti modifikasi sifat viskoelastis Conde-Petit dan Escher 1995. Pati termoplastik lebih tahan terhadap deformasi dikarenakan adanya bahan pemlastis dan destrukturisasi granular yang menyebabkan deformasi hanya akan terjadi di sepanjang matriks dimana tegangan stress diberikan, sehingga kerusakan permanen bisa diminimalkan Ishiaku et al. 2002. Pati termoplastik memilik keunggulan dalam hal kemudahan proses, morfologi akhir yang lebih baik dan penyebaran partikel yang lebih merata dengan adanya proses destrukturisasi. Namun demikian, pati termoplastis sensitif terhadap air, memungkinkan terjadinya migrasi bahan pemlastis dan rekristalisasi berlebih akan memberikan sifat rapuh Huneault Li 2007. Modifikasi secara kimia maupun pengkayaan kandungan amilosa juga akan mempengaruhi sifat fisik dan mekanik pati termoplastik. Hasil penelitian Chaudhary et al. 2009 menunjukkan bahwa perbedaan kandungan amilosa dan waktu aging mempengaruhi signifikan sifat Modulus Young’s, kekuatan tarik maksimum, elongasi dan penyerapan air. Hasil pengukuran tensile stress dan strain pada termoplastik berbahan baku tepung jagung menunjukkan bahwa pati dengan modifikasi hydroxypropylated dengan kandungan amilosa 80 mempunyai kekuatan film yang kuat dan ulet bila dibandingkan dengan pati tanpa modifikasi. Hasil perlakuan interaksi antara kandungan amilosa dan waktu aging pada pengkuran modulus young’s menunjukan bahwa kandungan amilosa 0 waxy maize mempunyai nilai modulus young’s tertinggi pada penyimpanan 1,7 dan 14 hari. Pada TPS dengan kandungan amilosa 28 mempunyai nilai modulus young’s paling rendah pada semua hari penyimpanan. Pada kandungan amilosa 50 dan 80 nilai modulus young’s tidak berbeda signifikan. Tingginya nilai modulus young’s pada waxy maize karena molekul amilopektin banyak bercabang pada struktur dan derajat percabangan lebih banyak De Graaf et al. 2003. Meningkatnya nilai kekuatan tarik dan perpanjangan putus seiring meningkatnya kandungan amilosa pada TPS. Hal tersebut dikarenakan interaksi antara rantai amilosa dan rantai cabang amiopektin meningkat serta peningkatan pembentukan struktur double helix pada amilosa dan diluar ramtai amilopektin Van Soest dan Borger 1997.

2.3. Polietilen PE

Polietilen PE merupakan polimer yang mempunyai struktur molekul sederhana dan saat ini banyak digunakan sebagai bahan pembuat plastik. Polietilen pertama kali diproduksi secara komersial pada tahun 1939 Nicholson 2006. PE diproduksi dengan proses densitas sedang dengan nilai 0,945 g cm -3 . Nicholson 2006. Menurut Chanda dan Roi 2007 sifat-sifat polietilen adalah : 1 penampakannya bervariasi dari transparan, berminyak sampai keruh translusid tergantung proses pembuatan dan jenis resin; 2 fleksible sehingga mudah dibentuk dan mempunyai daya rentang yang tinggi; 3 heat seal dapat dikelim dengan panas, sehingga dapat digunakan untuk laminasi dengan bahan lain. Titik leleh 120 o C; 4 tahan asam, basa, alkohol, deterjen dan bahan kimia, kedap terhadap air, uap air dan gas, serta dapat digunakan untuk penyimpanan beku hingga suhu -50 o C; 5 mudah lengket sehingga sulit dalam proses laminasi, tapi dengan bahan antiblok sifat ini; 6 dapat dicetak; 7 kemasan polietilen banyak digunakan untuk mengemas buah-buahan, sayur-sayuran segar, roti, produk pangan beku dan tekstil. Jenis polietilen yang banyak digunakan adalah LDPE, HDPE dan LLDPE. Menurut Chanda dan Roy 2007 berdasarkan densitasnya, maka plastik polietilen dibedakan atas : a. Polietilen densitas rendah LDPE= Low Density Polyethylene LDPE dihasilkan dengan cara polimerisasi pada tekanan tinggi, mudah dikelim dan harganya murah. Dalam perdagangan dikenal dengan nama alathon, dylan dan fortiflex. Kekakuan dan kuat tarik dari LDPE lebih rendah daripada HDPE modulus Young 20.000-30000 psi, dan kuat tarik 1200-2000 psi, tapi karena LDPE memiliki derajat elongasi yang tinggi 400-800 maka plastik ini mempunyai kekuatan terhadap kerusakan dan ketahanan untuk putus yang tinggi. Titik lelehnya berkisar antara 105-115 o C. LDPE memiliki nilai densitas antara 0,910-0,925 gcm 3 dan derajat kristalinitas 50 Osborn dan Jenkins, 2008. LDPE biasa digunakan untuk film, mangkuk, botol dan wadahkemasan. b. Polietilen Densitas Tinggi HDPE = High Density Polyethylene HDPE dihasilkan dengan cara polimerisasi pada tekanan dan suhu yang rendah 10 atm, 50-70 o C. HDPE lebih kaku dibanding LDPE, tahan terhadap suhu tinggi sehingga dapat digunakan untuk produk yang akan disterilisasi. Dalam perdagangan dikenal dengan nama alathon, alkahtene, blapol, carag, fi-fax. HDPE mempunya titik leleh melting point antara 128 o C -135 o C, kuat tarik antara 15-45 MPa dan perpanjangan putus 50-900. HDPE memiliki nilai densitas antara 0,945-0,965 gcm 3 dan derajat kristalinitas 80 Osborn dan Jenkins, 2008, sedangkan menurut Chanda dan Roy 2007 HDPE memiliki densitas 0,958 gcm 3 dan kristalinitas 80. HDPE mengandung sedikit rantai cabang. Percabangan dapat terjadi karena ada reaksi samping intrisik untuk mekanisme polimerisasi tertentu. HDPE mempunyai kristalinitas tinggi. Adanya indek refraksi antara kristalin dan amorph maka HDPE film bersifat kurang transparan disbanding LLDPE atau LDPE. Apabila HDPE dibuat stetching film, maka HDPE menjadi lebih birefringent. b. Linear-low-density polyethylene LLDPE LLDPE adalah kopolimer etilen dengan sejumlah kecil butana, heksana atau oktana, sehingga mempunyai cabang pada rantai utama dengan interval jarak yang teratur. LLDPE lebih kuat daripada LDPE dan sifat heat sealing-nya juga lebih baik Struktur molekul LLDPE berbeda signifikan dengan LDPE. LDPE mempunyai struktur bercabang, sedangkan LLDPE mempunyai struktur linier dengan sejumlah besar cabang-cabang pendek. Secara umum, LLDPE diproduksi pada temperatur dan tekanan yang lebih rendah oleh kopolimerisasi etilen dan beberapa alpa olefin yang lebih tinggi seperti butane, heksana dan otena. LLDPE memiliki nilai densitas antara 0,918-0,923 gcm 3 Osborn dan Jenkins, 2008, sedangkan menurut Chanda dan Roy 2007 LLDPE memiliki densitas antara 0,92-0,94 gcm 3 dan kristalinitas 50. LLDPE dan LDPE mempunyai sifat rheologi atau aliran leleh yang unik. LLDPE kurang sensitif terhadap shear disebabkan oleh distribusi berat molekulnya yang lebih sempit dan percabangan rantai yang lebih pendek. Selama proses ekstrusi, LLDPE lebih kental, sehingga LLDPE lebih sulit diproses daripada LDPE dengan indeks alir lelehan yang sama. LLDPE mempunyai derajat kristalinitas dan densitas yang lebih rendah daripada HDPE. Perbedaan LDPE, LLDPE dan HDPE dapat dilihat pada Table 2.3. Tabel 2.3. Jenis-jenis polietilen Jenis PE Struktur Rantai Densitas gcm 3 Kristalinitas Proses LDPE Bercabang 0,912-0,94 50 Tekanan tinggi LLDPE Liniersedikit cabang 0,92-0,94 50 Tekanan rendah HDPE Linier 0,958 90 Tekanan rendah Sumber : Chanda dan Roy 2007

3. BAHAN DAN METODE

3.1. Bahan dan Alat

Bahan pembuat bioplastik adalah tapioka dengan merk dagang “Orang Tani”, gliserol teknis sebagai plastisizer, akuades, dikumil peroksida sebagai katalis, maleat anhidrat sebagai bahan pembuat compatibilizer. Jenis resin polietilen plastik yang digunakan adalah Linier Low Density Polyethylene LLDPE UF181051 dengan spesifikasi masa jenis densitas 0,919-0,923 gcm 3 dan melt flow indeks MFI 0,8-1,2, High Density Polyethylene HDPE SF5007 dengan spesifikasi masa jenis densitas 0,948-0,951 gcm 3 dan medium load melt indeks MLHI 13-17 yang diperoleh dari PT Chandra Asri,. Untuk pembuatan pati termoplastik peralatan yang digunakan adalah baker gelas, neraca analitik, alat pengaduk, rheomix 3000 HAAKE, dan hydraulic hot press, sedangkan untuk pembuatan compatibilizer LLDPE-g-MA dan HDPE-g- MA dan bioplastik peralatan yang digunakan adalah neraca analitik dan Twin Screw Exstruder HAAKE. Morfologi pati termoplastik dianalisis menggunakan Scanning Electron Microscope SEM tipe VE-8800 Low Voltage Keyence, Co., Osaka, Jepang. Kristalinitas tapioka dan pati termoplastik dianalisis menggunakan Difraktometer sinar X tipe ultima IV. Pengukuran dilakukan pada selang 2Ө 4-32° pada 40 kV, 20 mA dan kecepatan 2° per menit. Peralatan yang digunakan untuk menganalisis karakteristik pati termoplastik, compatibilizer dan bioplastik adalah Fourier Transform Infra-Red Spectrofotometer FT-IR tipe Bruker 27, densimeter, melt flow meter, Differential Scanning Calorimetry DSC, Lloyd’s Universal Testing Instrument Auto Strain N0. 216 tipe YZ-Yasuda Seiki, dan WVTR tester dan O 2 TR tester MOCON.

3.2. Waktu dan Tempat

Penelitian ini dilaksanakan mulai bulan Januari 2011 sampai Agustus 2012. Persiapan bahan baku dan uji biodegrabilitas bioplastik dilakukan di Laboratorium Teknologi Kimia, Departemen Teknologi Industri Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian, IPB. Analisis proksimat, kadar pati dan water holding capacity WHC tapioka dan pati termoplastik dilakukan di laboratorium PAU-IPB, Pembuatan pati termoplastis dan bioplastik dilakukan di laboratorium Litbang Pertamina, Pulogadung – Jakarta Timur. Analisis gugus fungsi dilakukan di laboratorium Biofarmaka-IPB. Analisis densitas dilakukan di laboratoriun polimer PT. Chandra Asri, Banten. Analisis indeks kecepatan alir dan permeabilitas oksigen dilakukan di laboratorium Material Testing Kasetsart University, Thailand dan analisis mekanik dan permeabilitas uap air di Balai Besar Kimia dan Kemasan, Jakarta.

3.3. Metode Penelitian

Penelitian ini terdiri dari empat tahap yaitu pembuatan pati termoplastik, pembuatan compatibilizer LLDPE-g-MA dan HDPE-g-MA, pembuatan bioplastik dan pengujian stabilitas bioplastik pada berbagai suhu penyimpanan. Sebelum pembuatan pati termoplastik, tepung tapioka dikeringkan dengan oven pada suhu 50 o C selama 5-8 jam dan kemudian dilakukan karakteristik. Karakteristik tapioka yang diamati adalah kadar air AOAC 1995, kadar abu AOAC 1999, kadar protein AOAC 1995, kadar lemak AOAC 1995, kadar karbohidrat AOAC 1995, kadar pati Metode Somogy Nelson, dan water holding capacity WHC. Analisa fisik yang diamati adalah bentuk dan ukuran granula pati metode mikroskop cahaya terpolarisasi, kristalinitas dan morfologi Lampiran 1.

3.3.1. Pembuatan Pati Termoplastik

Proses pembuatan pati termoplastik TPS sebagai berikut Gambar 3.1: pencampuran pertama dilakukan antara gliserol 25 vb pati dan air akuades 15 vb pati selama 5 menit. Kemudian campuran akuades dan gliserol ditambahkan ke dalam bahan baku dan dilakukan pengadukan hingga terhomogenisasi sempurna. Aging dilakukan selama 8 hari agar campuran akuades dan gliserol dapat terserap sempurna ke dalam bahan baku sehingga dapat memberikan efek positif terhadap pati termoplastis yang dihasilkan. Campuran diproses dalam rheomix pada suhu barrel 90 o C dengan kecepatan 50 rpm selama 15 menit. Bongkahan hasil rheomix kemudian diperkecil ukurannya menggunakan blendergrinder. Parameter yang diamati adalah kadar air, kadar abu, kadar pati, water holding capacity, morfologi, gugus fungsi, densitas, titik leleh, derajat kristalinitas dan sifat mekanik kuat tarik, perpanjangan putus dan ketahanan bentur Lampiran 1 dan 2. Gambar 3.1 Proses pembuatan pati termoplastik Modifikasi Zhang et al. 2007

3.3.2. Pembuatan Compatibilizer LLDPE-g-MA dan HDPE-g-MA

Pada tahap ini dilakukan pembuatan compatibilizer LLDPE-g-MA dan HDPE-g-MA dengan cara mencampurkan antara maleat anhidrat dengan konsentrasi 2,5, 5, 7,5 bb polimer, dikumil perioksida 0,1 bb polimer dan LLDPEHDPE. Pencampuran dilakukan dalam Twin Screw Extruder pada suhu barrel 150-150-150-150-150ºC dengan kecepatan rotor 75 rpm. Setelah itu, compatibilizer yang dihasilkan akan dibentuk menjadi pelet menggunakan alat pelletizer dan kemudian dikeringkan. Pelet compatibilizer ± 20 g dibuat menjadi lembaran film menggunakan alat hydraulic hot press. Suhu dan tekanan yang digunakan pada alat hydraulic hot press adalah 140ºC dan 200 kgcm 2 . Lembaran Tapioka Campuran gliserol-akuades Gliserol 25 Akuades 15 Pencampuran 5 menit Pengadukan 10-15 menit Campuran tapioka-gliserol-akuades Pati termoplastikTPS Pencampuran dalam rheomix 90 C, 50 rpm, 15 menit Aging 8 hari Pengecilan ukuran film dengan rata-rata ketebalan 450-500 µm dipotong untuk disesuaikan dengan pengujian termal, fisik dan mekanik. Proses pembuatan compatibilizer LLDPE-g- MA dan HDPE-g-MA dapat dilihat pada Gambar 3.2. Parameter yang diamati adalah titik leleh ASTM D 3418, 1991, gugus fungsi, indeks kecepatan alir ASTM D 1238, 1991, densitas, sifat mekanik ASTM D 882-10, 1991 dan derajat grafting DG Lanthong et al. 2006 Lampiran 2. Gambar 3.2 Diagram alir pembuatan compatibilizer LLDPE-g-MA dan HDPE-g-MA Modifikasi Shujun et al. 2005. Rancangan percobaan pada tahap ini menggunakan rancangan acak lengkap faktorial yang terdiri dari dua faktor, yaitu konsentrasi maleat anhidrat yang digunakan dengan tiga taraf 2,5, 5, 7,5 faktor A dan jenis resin plastik yang digunakan dengan dua taraf LLDPE dan HDPE faktor B dengan dua ulangan. Apabila terdapat pengaruh nyata dilanjutkan dengan uji Duncan’s Multiple Range Test DMRT pada jenjang nyata 5. Model umum rancangan percobaan yang digunakan dalam tahap ini adalah sebagai berikut: Y ijk = μ + A i + B j + AB ij + ε ijk Y ijk = nilai pengamatan akibat pengaruh konsentrasi maleat anhidrat taraf ke-i dan jenis resin yang digunakan taraf ke-j pada ulangan ke-k k = 1, 2  = rata-rata umum A i = pengaruh kosentrasi maleat anhidrat pada taraf ke-i i = 2,5, 5, 7,5 B i = pengaruh jenis resin yang digunakan pada taraf ke-j j= LLDPE, HDPE Maleat Anhidrida 2,5; 5 ; 7,5 Dikumil peroksida 0,1 HDPE atau LLDPE Ekstrusi 150 C, 75 rpm Compatibilizer LLDPE-g-MA Compatibilizer HDPE-g-MA Pelletizer Pengeringan 100 o C, 60 menit