Pengaruh Suhu Penyimpanan Terhadap Sifat Fisik dan Mekanik Kemasan Plastik Retai

(1)

THE EFFECT OF STORAGE TEMPERATURES FOR PHYSICAL AND

MECHANICAL PROPERTIES OF RETAIL PLASTICS PACKAGING

Biantri Raynasari

Department of Agroindustrial Technology Faculty of Agricultural Technology, Bogor Agricultural University, IPB Darmaga Campus, PO Box 220, Bogor, West Java, Indonesia.

Phone 62 251 8624622, email: bian.rains@yahoo.co.id

ABSTRACT

Retail plastisc are commonly used for food and non-food packaging. Retail plastics that used for packaging of fresh product should have good physical and mechanical properties in order to keep the quality of the product. Mechanical properties of plastic packaging are seen from tensile strength and elongation percentage, while physical properties are seen from water vapour permeability and morphology surface. Plastic retail that has good mechanical properties is HDPE and HDPE perforated. Biodegradable plastic has low mechanical and physical properties because of a mixture of tapioca starch. The effect of storage temperatures are reduced the mechanical properties of HDPE and HDPE perforated, especially in low-temperature storages. While storage temperatures does not affect the mechanical properties of biodegradable plastic significantly. Based on morphology surfaces, storage in low temperature will change the surface of biodegradable plastic. Its seen from the increasing number and shape of the granules of starch on the surface of the plastic. Water vapor permeability of HDPE and HDPE perforated increased during the time of storage, while the biodegradable plastic showed a decreased.

Keywords : plastic storage, retail plastic packaging, mechanical and physical properties for packaging

(2)

BIANTRI RAYNASARI. F34070007. Pengaruh Suhu Penyimpanan Terhadap Sifat Fisik dan Mekanik Kemasan Plastik Retail. Di bawah bimbingan Indah Yuliasih. 2012.

RINGKASAN

Tujuan dari penelitian ini adalah membandingkan sifat fisik dan mekanik plastik retail yang umum digunakan serta mengetahui pengaruh suhu penyimpanan terhadap sifat fisik dan mekanik plastik retail. Plastik retail adalah plastik sekali pakai yang umum digunakan untuk mengemas produk segar. Plastik yang diteliti adalah plastik biodegradabel dengan pati tapioka sebagai bahan kompositnya, plastik HDPE, dan plastik HDPE perforated. Sifat mekanik plastik yang diamati adalah kekuatan tarik dan elongasi, sedangkan sifat fisik plastik yang diamati adalah permeabilitas uap air dan morfologi. Penelitian dilakukan dengan menyimpan plastik retail pada suhu 24-28oC, suhu 3-7oC, dan suhu (-10)-(-6)oC. Penyimpanan dilakukan selama 30 hari dengan pengujian untuk sifat mekanik setiap 2 hari sekali dan pengujian untuk sifat fisik pada hari ke-15 dan ke-30.

Pada lembaran plastik yang dihasilkan, terbentuk orientasi rantai molekul yang disebut machine direction (MD) dan cross-machine direction (CD). MD adalah orientasi rantai molekul yang searah dengan arah mesin, sedangkan CD melintang dengan arah mesin. Proses pembentukan lembaran plastik menghasilkan sifat mekanik yang lebih baik pada orientasi MD dibandingkan orientasi CD.

Plastik retail yang memiliki sifat mekanik yang baik adalah plastik HDPE perforated yang memiliki kekuatan tarik sebesar 65.21 MPa dengan elongasi 421.02% pada orientasi MD dan kuat tarik 38.71 MPa dengan elongasi 718.29% pada orientasi CD. Plastik HDPE juga memiliki sifat mekanik yang baik yaitu 64.10 MPa dengan elongasi 278.88% pada MD dan 46.66 MPa dengan elongasi 454.18% pada CD. Kekuatan tarik plastik biodegradabel tidak sebaik plastik jenis HDPE yaitu 15.74 MPa padaMD dan 6.35 pada CD, namun plastik biodegradabel memiliki nilai persen elongasi yang baik (656.54%) pada orientasi CD.

Sifat fisik plastik dilihat dari morfologi permukaan plastik dan permeabilitasnya terhadap uap air. Plastik yang digunakan sebagai bahan pengemas produk segar harus memiliki permeabilitas uap air yang rendah agar produk yang disimpan tidak cepat layu atau membusuk. Permeabilitas uap air diukur melalui laju transmisi uap air (water vapour transmission rate/WVTR). Pada pengujian permeabilitas uap air plastik retail, plastik HDPE perforated memiliki nilai WVTR paling rendah yaitu sebesar 8.99 g/m2/24jam,diikuti dengan plastik HDPE sebesar 13.10 g/m2/24jam. Plastik biodegradabel memiliki nilai WVTR paling besar yaitu 21.56 g/m2/24jam. Berdasarkan morfologi permukaan, plastik HDPE perforated dan plastik HDPE memiliki permukaan yang lebih halus dan homogen, sedangkan pada plastik biodegradabel terdapat granula pati berupa gelembung-gelembung mikroskopik pada permukaannya sehingga terlihat tidak homogen.

Suhu penyimpanan mempengaruhi sifat mekanik plastik HDPE perforated, dimana terjadi penurunan kekuatan tarik dan elongasi pada semua suhu pernyimpanan, terutama pada penyimpanan suhu (-10)-(-6)oC. Kekuatan tarik plastik HDPE juga menurun pada semua suhu penyimpanan, namun dapat mempertahankan sifat elongasinya. Sedangkan pada plastik biodegradabel, penyimpanan pada suhu 24o-28oC maupun suhu rendah tidak mempengaruhi sifat mekanik plastik secara signifikan.

Permeabilitas uap air plastik HDPE dan plastik HDPE perforated meningkat selama waktu penyimpanan. Sedangkan plastik biodegradabel menunjukkan penurunan permeabilitas uap air pada semua suhu penyimpanan. Berdasarkan morfologi permukaannya, penyimpanan pada suhu

(3)

rendah menurunkan sifat fisik plastik biodegradabel yang dilihat dari perubahan jumlah dan bentuk pada granula pati yang ada di permukaan plastik biodegradabel. Sedangkan pada plastik HDPE dan plastik HDPE perforated tidak menunjukkan perubahan pada morfologi permukaannya, yang ditunjukkan dengan permukaan yang tetap halus dan homogen.

(4)

I. PENDAHULUAN

1.1 LATAR BELAKANG

Kemasan memiliki fungsi paling mendasar yaitu mewadahi dan melindungi produk dari kerusakan sehingga lebih mudah disimpan, diangkut, dan dipasarkan. Secara umum, fungsi kemasan pada bahan pangan adalah mewadahi produk selama distribusi dari produsen hingga ke konsumen, melindungi dan mengawetkan produk, meningkatkan efisiensi, memperluas pemakaian dan pemasaran produk, menambah daya tarik produk terhadap calon pembeli, sarana informasi dan iklan, dan memberi kenyamanan bagi pemakai produk. Sebagai pelindung, kemasan berfungsi melindungi produk dari panas, kelembaban, oksigen, benturan, serta kontaminasi dari kotoran dan mikroba yang dapat menurunkan mutu produk.

Plastik merupakan bahan pengemas yang paling banyak digunakan karena sifatnya yang ringan, fleksibel, transparan, tahan air, praktis, dan harganya relatif murah dibandingkan dengan bahan pengemas lain. Plastik juga dapat dengan mudah dibentuk sesuai kebutuhan. Dewasa ini intensitas penggunaan plastik sebagai kemasan pangan maupun non pangan semakin meningkat. Peningkatan konsumsi plastik dalam negeri diperkirakan naik hingga 7-10% pada tahun 2012. Ketua Bidang Olefin Asosiasi Industri Plastik dan Olefin (INAPLAS) Suhat Miyarso menjelaskan konsumsi bahan baku plastik di Indonesia sebesar 2.6 juta ton per tahun. Bila terjadi peningkatan, maka jumlah konsumsi akan menjadi 3 juta ton per tahun (Kompas, 2008).

Jenis kantung plastik yang umum digunakan adalah plastik sintetis yang dibuat dari minyak bumi seperti polietilen. Etilen sebagai bahan baku merupakan hasil konversi hidrokarbon dari minyak bumi. Selain sifat bahan bakunya yang terbatas dan tidak dapat diperbaharui, kemampuan plastik sintetis untuk hancur di lingkungan juga sangat rendah. Plastik biodegradabel merupakan salah satu inovasi yang diciptakan untuk mengurangi jumlah pencemaran yang disebabkan sampah plastik. Plastik biodegradabel terbuat dari campuran polimer sintetis dengan bahan alami seperti pati atau selulosa.

Fungsi kemasan plastik terus berkembang seiring dengan meningkatnya gaya hidup konsumen. Bagi konsumen yang berasal dari kalangan menengah ke atas, berbelanja di supermarket dinilai lebih higienis dan praktis jika dibandingkan dengan berbelanja di pasar tradisional. Oleh karena itu semakin banyak supermarket yang menjual produk segar seperti sayur, buah, ikan, dan daging. Sebagai pengemasnya digunakan plastik berbentuk kantung sekali pakai yang disebut plastik retail. Kantung plastik didesain sederhana dan tipis namun kuat untuk mewadahi produk dalam jumlah yang banyak, terutama buah dan sayuran. Umumnya kantung plastik hanya digunakan untuk mewadahi produk selama pengangkutan dari supermarket ke rumah, namun penggunaannya bertambah menjadi wadah penyimpan dalam lemari pendingin di rumah. Hal ini disebabkan konsumen menginginkan kepraktisan tanpa harus memindahkan produk ke wadah lain.

Penyimpanan pada suhu rendah merupakan salah satu cara untuk menjaga produk pangan dari kerusakan akibat proses metabolisme pascapanen dan aktivitas mikroorganisme. Namun produk pangan mudah bereaksi terhadap perubahan suhu dan kelembaban. Perubahan ini akan mengakibatkan kerusakan fisik, kimia, maupun mikrobiologis pada produk. Kantung plastik yang digunakan sebagai pengemas produk segar harus memiliki sifat fisik dan mekanik yang baik agar dapat tetap menjaga kualitas produk yang dikemas. Bahan pengemas diharapkan dapat mempertahankan kestabilan jumlah air yang dikandung produk karena kerusakan juga dapat terjadi

(5)

2 karena kehilangan air. Umumnya hanya dengan kehilangan 5-10% air dapat menyebabkan diskolorasi, kehilangan flavor dan aroma, menurunnya nilai nutrisi seperti vitamin, meningkatnya kepekaan terhadap chilling injury dan kerusakan fisik lainnya, meningkatnya kejadian invasi patogen, dan meningkatnya laju pelayuan.

Seperti halnya dengan plastik sintetis, plastik biodegradabel diharapkan mempunyai kemampuan untuk menjadi pelindung produk yang baik, yang dapat menahan transfer uap air maupun air dari bahan pangan ke lingkungan dan sebaliknya, memiliki permeabilitas selektif terhadap gas tertentu, dan dapat mempertahankan aroma bahan pangan sehingga dapat mempertahankan mutu bahan pangan. Selain itu, plastik tersebut diharapkan mempunyai sifat mekanis yang baik sehingga dapat berfungsi sebagai pelindung makanan terhadap pengaruh mekanik dari lingkungan.

Selama waktu penyimpanan maupun pemakaiannya, plastik dapat mengalami perubahan sifatnya, baik sifatnya sebagai penahan transfer uap air maupun sifat mekaniknya. Lembaran plastik harus tahan terhadap kerusakan dan harus fleksibel sehingga tidak pecah apabila terjadi deformasi sehingga mampu memperkuat struktur bahan makanan dan melindunginya dari pengaruh lingkungan. Secara umum, karakter mekanik yang penting sebagai ukuran penentuan kualitas plastik adalah kuat tarik dan perpanjangan putus. Sifat mekanik ini menggambarkan kemampuan plastik untuk mempertahankan keutuhan dari plastik yang diaplikasikan untuk produk makanan. Oleh karena itu sebagai kemasan, plastik diharapkan dapat mempertahankan sifat fisik dan mekaniknya agar dapat tetap menjaga kualitas produk yang dikemas. Dengan adanya perubahan kondisi lingkungan, dalam hal ini penyimpanan pada suhu rendah, plastik dapat mempertahankan sifatnya sebagai pelindung kemasan.

1.2 TUJUAN PENELITIAN

Tujuan dari penelitian ini adalah :

1. Membandingkan sifat fisik dan mekanik antara kemasan plastik retail yang umum digunakan. 2. Mengetahui pengaruh suhu penyimpanan terhadap sifat fisik dan mekanik kemasan plastik

retail.

1.3 RUANG LINGKUP PENELITIAN

Ruang lingkup penelitian dibatasi pada jenis plastik retail yang terdiri dari plastik konvensional dan plastik biodegradabel. Plastik konvensional yang diteliti adalah plastik HDPE yang diproduksi oleh Crownpoly Inc. dan plastik HDPE perforated yang diperoleh dari pasar. Sedangkan plastik biodegradabel yang diteliti adalah plastik komposit pati tapioka yang diproduksi oleh PT Tirta Marta. Plastik biodegradabel yang digunakan telah diproduksi sekitar 1 bulan sebelum penelitian dimulai. Penelitian difokuskan pada penyimpanan plastik retail pada beberapa suhu penyimpanan.

(6)

II. TINJAUAN PUSTAKA

2.1 HIGH DENSITY POLYETHYLENE

(HDPE)

Polietilen adalah salah satu jenis polimer dengan rantai linear sangat panjang yang tersusun atas unit-unit terkecil (mer) yang berulang-ulang yang berasal dari monomer molekul etilen. Pada Gambar 1 ditunjukkan bahwa monomer memiliki ikatan kovalen tak jenuh (ikatan ganda) sedangkan pada mer ikatan tersebut menjadi aktif (ikatan kovalen terbuka) dengan elektron tak berpasangan (Saptono, 2008).

Gambar 1. Struktur molekul polimer polietilen (Saptono, 2008)

Polietilen adalah polimer termoplastik yang dibuat dari proses polimerisasi adisi gas etilen. Etilen diproduksi dalam industri petrokimia melalui proses steam cracking. Dalam proses pembentukannya, gas atau hidrokarbon cair (seperti nafta atau etana) dipanaskan sampai 750-950oC yang akan merangsang berbagai reaksi radikal bebas. Proses ini mengkonversi hidrokarbon jenuh menjadi hidrokarbon tak jenuh berukuran kecil seperti alkene (olefin), etene (etilen), dan propene (propilen). Etilen dipisahkan dari campuran kompleks melalui kompresi dan distilasi yang berulang (Kniel et al., 1980).

Polietilen memiliki struktur yang fleksibel sehingga mudah dibentuk dan mempunyai daya rentang yang tinggi. Penampakannya bervariasi dari transparan, berminyak, sampai keruh tergantung proses pembuatan dan jenis resin. Dengan titik leleh 120oC, polietilen dengan mudah digunakan untuk laminasi dengan bahan lain. Polietilen tahan terhadap asam, basa, alkohol, deterjen dan bahan kimia serta kedap terhadap air, uap air dan gas. Dapat digunakan untuk penyimpanan beku hingga suhu -50oC. Namun polietilen memiliki kelemahan yaitu tidak cocok untuk pengemasan bahan yang beraroma karena memiliki transmisi gas yang tinggi. Selain itu tidak sesuai digunakan untuk mengemas bahan pangan berlemak (Julianti dan Nurminah, 2006). Polietilen mempunyai kekuatan benturan dan kekuatan sobek yang baik. Plastik polietilen termasuk golongan termoplastik sehingga dapat dibentuk menjadi kantung dengan derajat kerapatan yang baik (Sacharow dan Griffin, 1970).

Ikatan antar polimer dikelompokkan menjadi dua jenis, yaitu ikatan primer dan ikatan sekunder. Ikatan primer dari suatu polimer adalah ikatan kovalen, yaitu ikatan antar atom dengan cara memakai elektron secara bersama-sama. Ikatan sekunder yang penting di dalam polimer misalnya adalah ikatan Van der Waals, ikatan hidrogen, dan ikatan ionik. Ikatan primer kovalen termasuk ikatan antar atom yang sangat kuat, jauh lebih kuat jika dibandingkan dengan ikatan-ikatan sekunder, 10 hingga 100 kalinya. Kekuatan ikatan-ikatan primer ganda antar atom karbon di dalam ethylene (C=C), misalnya besarnya adalah 721 kJ/(g.mol) sedangkan ikatan antar atom karbon dan hidrogen (C-H) adalah 436 kJ/(g.mol) (Saptono, 2008).

(7)

4 Polietilen terdiri dari daerah kristalin dan daerah amorf. Rantai molekul pada daerah kristalin ditandai dengan rantai lurus, sedangkan pada daerah amorf memiliki rantai yang bebas atau bercabang. Kombinasi daerah amorf dan kristalin ini menentukan bentuk produk yang akan dihasilkan. Polimer yang lebih amorf akan seperti karet dan memiliki sifat fisik plastik yang fleksibel. Sedangkan polimer kristalin akan sangat kaku dan keras. Polimer yang memiliki densitas tinggi akan memiliki derajat kristalinitas yang tinggi (Equistar, 2004).

Polietilen adalah jenis polimer yang memiliki sifat termoplastik yang disebabkan oleh struktur rantainya yang linear, bercabang, dan berkait (cross-linked). Polimer dari jenis ini akan bersifat lunak dan viscous pada saat dipanaskan dan menjadi keras dan kaku pada saat didinginkan secara berulang-ulang. Struktur rantai molekul berkait (cross-linked) adalah struktur rantai yang memiliki daerah elastis non-linear yang sangat besar. Rantai berkait ini berfungsi sebagai „pengingat bentuk‟ atau yang dikenal sebagai shape-memory polymer (Saptono, 2008).

Polietilen berdensitas tinggi atau HDPE adalah polietilen yang didefinisikan ASTM memiliki densitas 0.941-0.965 g/cm3(58.7-60.3 lb/ft3). Besarnya densitas HDPE ditentukan oleh jumlah komonomer yang ditambahkan pada reaktor. Tipe komonomer yang digunakan selain etilen adalah propilen, butena, heksena, dan oktena. Meningkatnya bobot molekul pada polietilen menyebabkan rantai polimer yang lebih panjang tidak lagi mengkristal dan menghasilkan penurunan kristalinitas (NBCE, 2006). Komonomer yang terlibat dalam mengontrol densitas, seperti 1-butene atau 1-hexene, menghasilkan ikatan percabangan pendek pada HDPE. Penambahan jumlah ikatan percabangan pendek ini sangat mempengaruhi kristalinitas HDPE, dimana akan menghasilkan penurunan densitas dan derajat kristalinitasnya. Satu cabang etil per 1000 atom karbon dapat menghasilkan perubahan densitas sebanyak 0.01. Oleh karena itu, densitas HDPE akan membentuk garis linear dengan kristalinitasnya (Carter, 2007).

HDPE merupakan polimer semikristalin. Derajat kristalinitas bergantung pada bobot molekul, jumlah komonomer, dan panas yang diberikan. Kristalinitas dapat meningkat karena proses pendinginan yang lambat saat pembentukan plastik. Kristalinitas HDPE berkisar antara 50-80% (NBCE, 2006). Sifat mekanik plastik dapat menurun karena adanya kandungan bahan pemlastis (plasticizer). Molekul-molekul plasticizer yang terperangkap di antara rantai polimer akan bereaksi dengan membentuk ikatan hidrogen dalam rantai polimer sehingga menyebabkan interaksi antara molekul polimer menjadi semakin berkurang namun menjadikan plastik semakin fleksibel (Gunawan et al., 2007)

Pada penelitian sebelumnya yang dilakukan Gunawan et al. (2007) menunjukkan nilai kuat tarik HDPE sebesar 416.35 kgf/cm2 atau 40.83 MPa. Penelitian yang dilakukan Equistar (2003) menyebutkan HDPE dengan densitas 0.941-0.965 g/cm3 memiliki laju transmisi uap air 0.087-0.16 g/100in2/24jam atau 1.349-2.480 g/m2/24jam.

2.2 PLASTIK BIODEGRADABEL

Biodegradabel didefinisikan sebagai kemampuan mendekomposisi bahan menjadi karbon dioksida, metana, air, komponen anorganik atau biomassa melalui mekanisme enzimatis mikroorganisme, yang bisa diuji dengan pengujian standar dalam periode waktu tertentu. Biodegradable merupakan salah satu mekanisme degradasi material, selain compostable, hydrobiodegradable, photobiodegradable,bioerodable (Nolan-ITU, 2002). Plastik biodegradabel adalah suatu material polimer yang dapat berubah ke dalam senyawa dengan berat molekulrendah dimana paling sedikit satu tahap proses degradasinya melalui metabolismeorganisme secara alami (Seal, 1994).

(8)

5 Plastik biodegradabel dapat terurai secara alami disebabkan cahaya (fotodegradasi), hidrolisis (degradasi kimiawi), bakteri/jamur, enzim (degradasi enzimatik), serta angin dan abrasi (degradasi mekanik). Menurut Sacharow dan Griffin (1970), proses terjadinya biodegradasi film kemasan pada lingkungan dimulai dengan tahap degradasi kimia yaitu dengan proses oksidasi molekul, menghasilkan polimer dengan berat molekul yang rendah. Proses berikutnya adalah serangan mikroorganisme (bakteri, jamur, alga) dan aktivitas enzim (intraselular, ekstraselular).

Berdasarkan bahan baku yang dipakai, plastik biodegradabel dikelompokkan menjadi 2 kelompok, yaitu kelompok dengan bahan baku petrokimia (non-renewable resources) dengan bahan aditif dari senyawa bioaktif yang bersifat biodegradabel, dan kelompok kedua adalah dengan keseluruhan bahan baku dari sumber daya alam terbarukan (renewable resources) seperti dari bahan tanaman pati dan selulosa serta hewan seperti cangkang atau dari mikroorganisme yang dimanfaatkan untuk mengakumulasi plastik yang berasal dari sumber tertentu seperti lumpur aktif atau limbah cair yang kaya akan bahan-bahan organik sebagai sumber makanan bagi mikroorganisme tersebut (Adam dan Clark, 2009).

Kelompok biopolimer yang menjadi bahan dasar dalam pembuatan biodegradable plastic, yaitu:

1. Campuran biopolimer dengan polimer sintetis. Bahan ini memiliki nilai biodegradabilitas yang rendah dan biofragmentasi sangat terbatas.

2. Poliester. Biopolimer ini dihasilkan secara bioteknologi atau fermentasi dengan mikroba genus Alcaligenes dan dapat terdegradasi secara penuh oleh bakteri, jamur, dan alga.

3. Polimer pertanian. Polimer pertanian diantaranya, cellophan, seluloasetat, kitin, pullulan (Latief 2001).

Plastik biodegradabel dapat dihasilkan melalui beberapa cara, salah satunya adalah biosintesis menggunakan bahan berpati atau berselulosa. Cara pembuatan plastik biodegradabel yang berbasiskan pati antara lain :

1. Mencampur pati dengan plastik konvensional (PE atau PP) dalam jumlah kecil (10-20%) 2. Mencampur pati dengan turunan hasil samping minyak bumi, seperti PCL, dalam komposisi

yang sama (50%)

3. Menggunakan proses ekstruksi untuk mencampur pati dengan bahan- bahan seperti protein kedelai, gliserol, alginate, lignin dan sebagainya sebagai plasticizer (Flieger et al., 2003).

Plastik komposit-pati merupakan campuran dua tipe material yang berbeda, yaitu (a) hidrofobik, polimer turunan minyak bumi (PE, EAA) yang diketahui sangat tahan terhadap degradasi oleh organisme hidup dan (b) hidrofilik, polimer alami (pati) yang sangat mudah untuk hancur oleh mikroorganisme (Gould et al., 1989).

Penambahan pati tapioka untuk meningkatkan sifat degradasi polietilen perlu diperhatikan. Semakin besar jumlah pati yang ditambahkan akan menurunkan sifat fisis seperti pemuluran, kekuatan tarik, ketahanan lipat, dan ketahanannya terhadap cuaca (Herminiwati dan Kusumo, 1996). Pada penelitian yang dilakukan Gunawan et al. (2007), komposit HDPE dengan 60% tapioka menghasilkan kekuatan tarik sebesar 88.31 kgf/cm2 atau 8.66 MPa. Semakin besar konsentrasi pati yang digunakan maka kekuatan tarik plastik akan semakin menurun.

2.3 SIFAT MEKANIK DAN FISIK PLASTIK

Secara umum karakteristik mekanik plastik terdiri dari kuat tarik (tensile strength), kuat tusuk (puncture strength), persen pemanjangan (elongation to break), dan elastisitas (elastic modulus/young modulus). Parameter-parameter tersebut dapat menjelaskan bagaimana karakteristik mekanik dari bahan film yang berkaitan dengan struktur kimianya (Harris, 2001).

(9)

6 Sifat mekanik suatu bahan berhubungan erat dengan strutur kimianya, terutama struktur molekul. Struktur molekul yang mempengaruhi sifat mekanik suatu bahan meliputi bentuk molekul, kekompakan molekul, kristalinitas, kekuatan ikatan molekul, dan gaya antarmolekul (Allcock dan Lampe, 1981).

Kekuatan tarik menggambarkan kekuatan tegangan maksimum spesimen untuk menahan gaya yang diberikan. Pengujian kuat tarik akan menghasilkan kurva tegangan-regangan ( stress-strain) yang ditunjukkan pada Gambar 2. Slope (kemiringan) awal yang ditunjukkan kurva tegangan-regangan merupakan nilai modulus elatisitas, yan mengukur kekakuan bahan. Tegangan tarik (stress) yang menyebabkan terjadinya bahan putus secara sempurna disebut tensile strength. Regangan pada saat bahan putus disebut strain at break (Lai dan Padua, 1997). Kurva tegangan-regangan juga menggambarkan daerah elastis dan plastis. Daerah kurva tegangan-tegangan-regangan di bawah nilai yield stress dan yield strain menunjukkan sifat bahan elastis, artinya bahan yang mengalami regangan dapat kembali ke kondisi semula bila tidak ada gaya yang diberikan (Surdia dan Saito, 1995).

Gambar 2. Kurva tegangan-regangan (stress-strain) (Billmeyer, 1971)

Kuat tarik dipengaruhi oleh plasticizer yang ditambahkan dalam proses pembuatannya. Bahan plasticizer memegang peranan penting dalam pembuatan pati termoplastis. Plasticizer adalah bahan organik dengan berat molekul rendah yang ditambahkan utuk memperlemah kekakuan dari polimer, sekaligus meningkatkan fleksibilitas dan ekstensibilitas polimer (Syamsir, 2008). Beberapa jenis plasticizer yang digunakan dalam pembuatan film adalah gliserol, polivinil alkohol, sorbitol, asam oktanoat, asam laktat, trietilen glikol, dan polietilen glikol (Julianti dan Nurminah, 2006).

Secara umum, dengan penambahan plasticizer, molekul-molekul plasticizer terletak di antara rantai ikatan biopolimer dan dapat berinteraksi dengan membentuk ikatan hidrogen dalam rantai ikatan antara polimer sehingga menyebabkan interaksi antara molekul biopolimer menjadi semakin berkurang (Purwanti, 2010). Efek penambahan plasticizer dapat mengurangi kristalinitas polimer. Namun demikian, adanya bahan plasticizer dapat berpengaruh negatif terhadap sifat mekanis plastik yaitu memberikan sifat soft dan weak (Kalambur dan Rizvi, 2006).Pada umumnya bahan yang bersifat kaku disebabkan karena suhu transisi gelasnya (Tg) di atas suhu ruang dan struktur molekul bahan yang sangat kristalin (Wade, 1991).

Sifat mekanik dan fisik dari polimer sangat dipengaruhi oleh derajat kekristalannya. Sifat-sifat mekanik yang dipengaruhi oleh derajat kekristalan adalah kekakuan (stiffness), kekerasan (hardness), dan keuletan (ductility). Sedangkan sifat fisik yang berhubungan dengan derajat kekristalan adalah sifat optik dan kerapatan (density) dari polimer. Pada Gambar 3 dapat dilihat struktur rantai molekul polietilen yang menunjukkan daerah amorf dan daerah kristalin.

(10)

7 Gambar 3. Struktur amorf dan kristalin molekul polietilen (Saptono, 2008)

Plastik dihasilkan dari proses ekstrusi resin yang ditiup menjadi lembaran film. Proses ini menghasilkan orientasi film plastik yang disebut machine direction (MD) dan cross-machine direction (CD). MD adalah orientasi rantai molekul yang searah dengan arah mesin, sedangkan CD melintang dengan arah mesin. Orientasi film plastik disebabkan arah rantai molekul plastik yang terbentuk pada proses tiup. Setelah proses tiup, ketebalan lembaran plastik diatur dengan roll pendingin. Roll akan memberikan panas yang sesuai sehingga suhu plastik akan berada dalam kondisi di bawah titik lelehnya. Pada kondisi ini, film membentang ke arah mesin dengan draw ratio 4:1 atau 10:1 (NBCE, 2007).

Secara umum sifat mekanik pada orientasi MD berbeda dengan CD. Karena ikatan molekul MD sejalan dengan arah mesin, sifat mekaniknya lebih baik dibandingkan dengan CD. Menurut Mitchell dan Saxberg (2010), orientasi film plastik akan meningkatkan sifat mekanik, barrier, dan optiknya. Orientasi tunggal pada polimer akan meningkatkan sifat mekanik seperti kekakuan dan kekuatan tarik serta sifat optik seperti kejernihan dan kehalusan permukaan (gloss). Proses peregangan plastik juga meningkatkan sifat kristalin film. Ilustrasi orientasi film plastik ditunjukkan pada Gambar 4.

machine direction cross-machine direction Gambar 4. Orientasi film plastik

Pembentukan sifat mekanik plastik yang lebih baik pada orientasi MD dibentuk setelah proses tiup. Hal ini dikemukakan Hatfield et al. (2001) yang membandingkan sifat plastik yang diambil dari hasil tiup dengan plastik yang diambil setelah menjadi gulungan. Hasilnya setelah melewati proses pendinginan dengan roll, kekuatan tarik dan transparansi plastik pada MD secara signifikan mengalami peningkatan. Hal ini dapat dilihat dari meningkatnya gloss 70% dan menurunnya haze 60% setelah proses tersebut. Sifat barrier dari plastik juga semakin baik dimana nilai transmisi uap air HDPE menurun 70%. Brown (1992) juga menambahkan bahwa orientasi MD menghasilkan kemasan yang lebih kuat, lebih cerah dan meningkatkan ketahanan terhadap uap air.

Sifat fisik plastik dapat diamati dengan melihat morfologi permukaan plastik serta mengukur permeabilitas gas dan uap air. Pengujian morfologi permukaan plastik dilakukan untuk mengetahui mikrostruktur permukaan plastik dengan menggunakan Scanning Electron Microscope (SEM). SEM adalah alat yang dapat membentuk bayangan permukaan spesimen secara

(11)

8 makroskopik. Gambar yang dihasilkan merupakan gambar topografi dengan segala tonjolan, lekukan, dan lubang pada permukaan. Gambar topografi diperoleh dari penangkapan elektron sekunder yang dipancarkan oleh spesimen/bahan. Sinyal elektron sekunder yang dihasilkan ditangkap oleh detektor kemudian diteruskan ke monitor. Selanjutnya monitor akan menghasilkan gambar khas yang menggambarkan permukaan bahan.

Sifat barrier plastik terhadap uap air dan gas ditunjukkan oleh permeabilitas, semakin besar nilainya maka akan menunjukkan bahwa plastik tersebut semakin mudah dilewati uap air dan gas. Permeabilitas plastik ditentukan dengan mengukur transmisi uap air/gas atau permean yang melewati plastik uji. Faktor lingkungan yang berpengaruh terhadap permeabilitas adalah suhu dan kelembaban. Permeabilitas uap air adalah kecepatan atau laju transmisi uap air melalui suatu unit luasan bahan yang permukaannya rata dengan ketebalan tertentu sebagai akibat dari suatu perbedaan unit tekanan uap antara dua permukaan tertentu pada kondisi suhu dan kelembaban tertentu. Permeabilitas menyangkut proses pemindahan larutan dan difusi, dimana larutan berpindah dari satu sisi film dan selanjutnya berdifusi ke sisi lainnya setelah menembus film tersebut (Krochta, 1997).

Pemahaman dasar terhadap proses perembesan gas (permeasi) dapat menjelaskan sifat barrier dari suatu polimer. Molekul permean akan bergerak melewati barrier dalam proses yang bertahap. Proses diawali dengan tabrakan antara molekul dan permukaan polimer. Kemudian molekul tersebut akan menyebar dan beradsorpsi ke dalam polimer. Di dalam polimer, permean menyebar dan berdifusi secara acak dimana energi kinetik termalnya akan mempertahankan molekul untuk tetap bergerak di antara cabang polimer. Difusi acak ini menunjukkan bahwa molekul permean akan bergerak dari sisi polimer yang kontak dengan permean berkonsentrasi tinggi menuju sisi yang kontak dengan permean berkonsentrasi rendah (Bradley, 2007).

Permeabilitas dipengaruhi oleh kecepatan dan jumlah molekul permean yang berdifusi di dalam polimer. Semakin rendah kecepatan atau jumlah molekul yang berdifusi, maka kemampuan molekul untuk melewati cabang polimer akan menurun. Difusi molekul ini akan mengalami kesetimbangan saat konsentrasi permean di kedua sisi polimer sama. Molekul-molekul permean yang kecil seperti oksigen, akan mengalami kesetimbangan dalam waktu yang lebih singkat dibandingkan molekul permean yang berukuran besar. Kondisi kesetimbangan permeasi ini akan berbeda tergantung pada jenis dan ketebalan polimer (Bradley, 2007). Permeabilitas plastik terhadap molekul-molekul kecil dipengaruhi oleh densitas. Semakin panjang, terikat, dan besar bobot molekul mengharuskan molekul-molekul kecil seperti oksigen atau air untuk mengambil jalur difusi yang lebih rumit (Carter, 2007).

Permeabilitas juga menurun dengan peningkatan kristalinitas dan orientasi molekul pada matriks polimer, dimana kristalinitas dan orientasi molekul akan menghambat lintasan permean. Polimer yang memiliki struktur molekul regular dan ikatan rantai kuat akan memiliki derajat kristalinitas yang tinggi dan struktur molekul yang orientasinya mudah. Kristalinitas tinggi menurunkan kelarutan permean di matriks polimer serta permeabilitasnya (Yam, 2007).

Plasticizer adalah bahan aditif dengan berat molekul rendah yang berfungsi meningkatkan fleksibilitas dan daya tahan polimer. Plasticizer umumnya memberikan gangguan pada interaksi rantai-rantai polimer dan menurunkan suhu transisi gelas (Tg) sehingga menyebabkan plastik semakin fleksibel namun juga meningkatkan permeabilitas film. Plasticizer yang umum digunakan untuk pembuatan film adalah sukrosa, gliserol, sorbitol, propylene glycol, polyethylene glikol, asam lemak, dan monogliserida. Pemilihan komposisi, ukuran, bentuk, dan jenis plasticizer yang tepat dapat memperbaiki sifat barrier pada film yang dihasilkan (Krochta, 2007).

(12)

III. METODOLOGI

3.1 ALAT DAN BAHAN

Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini adalah lemari es yang memiliki chiller dan freezer serta wadah plastik yang digunakan sebagai wadah penyimpan sampel. Selain itu digunakan termometer untuk memeriksa suhu penyimpanan. Pengujian dilakukan dengan menggunakan tensile strength Hounsfield H5KS, humidity chamber, dan scanning electrone microscope Zeiss EVO 50.

Bahan yang digunakan adalah plastik biodegradabel, plastik HDPE, dan plastik HDPE perforated. Plastik biodegradabel dan plastik HDPE diperoleh dari PT Tirta Marta. Plastik biodegradabel yang merupakan plastik komposit pati tapioka ini diproduksi oleh PT Tirta Marta, Cikupa, Tangerang sedangkan plastik HDPE diproduksi oleh Crownpoly Inc., Los Angeles, California.

3.2 WAKTU DAN TEMPAT PENELITIAN

Penelitian dilaksanakan mulai bulan Mei 2011 sampai Januari 2011. Penelitian ini dilakukan di PT Tirta Marta dan Laboratorium Pengemasan, Departemen Teknologi Industri Pertanian IPB. Pengujian dilakukan di Laboratorium Quality Control PT Tirta Marta dan Laboratorium Kemasan Balai Besar Kimia dan Kemasan.

3.3 METODE PENELITIAN

Pelaksanaan penelitian dapat dilihat pada Gambar 5. Penelitian terdiri dari penyimpanan sampel dan pengujian sifat kemasan.

Gambar 5. Diagram alir pelaksanaan penelitian

Pengujian WVTR dan SEM pada penyimpanan hari ke-15 dan ke-30 Pengujian kuat tarik dan elongasi

setiap 2 hari sekali

Penyimpanan dalam :

suhu 24-28oC, suhu 3-7oC, dan suhu (-10)-(-6)oC Pengujian awal : kuat tarik,

elongasi, WVTR, dan morfologi Kemasan Plastik Retail

(13)

10 a. Penyimpanan Bahan Penelitian

Penelitian dilakukan selama 30 hari dengan menyimpan plastik kemasan retail pada suhu yang berbeda. Hal ini bertujuan untuk melihat pengaruh suhu penyimpanan terhadap sifat plastik. Penyimpanan dilakukan pada suhu 24-28oC yang mewakili suhu ruang. Penyimpanan yang mewakili suhu dingin dan suhu beku dilakukan pada lemari es yang memiliki chiller dengan suhu 3-7oC dan freezer pada suhu (-10)-(-6)oC.

Selama periode penyimpanan dilakukan pengujian terhadap sifat mekanik dan sifat fisik plastik. Pengujian sifat mekanik plastik dilakukan dengan uji kuat tarik dan elongasi (perpanjangan putus). Uji ini dilakukan setiap dua hari sekali. Sedangkan untuk pengujian sifat fisik plastik dilakukan uji SEM dan uji Water Vapour Transmission Rate (WVTR). Kedua uji ini dilakukan pada hari ke-0, ke-15, dan ke-30 masa penyimpanan.

b. Pengujian Kekuatan Tarik dan Elongasi

Kekuatan tarik dan elongasi dilakukan berdasarkan standar ASTM D-638, 1991. Pengujian ini bertujuan untuk melihat perubahan yang terjadi pada kekuatan mekanik plastik setelah disimpan pada suhu rendah dengan periode penyimpanan tertentu. Pengujian kekuatan tarik dan elongasi dilakukan dengan menggunakan alat tensile strength Hounsfield H5KS. Pengujian membutuhkan sampel untuk 7 kali ulangan dengan lebar 1.5 cm dan panjang 20 cm. Hasil pengukuran berupa gaya (F) dan perpanjangan sampel dimasukkan pada rumus :

Kekuatan tarik (kgf/mm2) = �� ( ) � � �� (�)

1 kgf/mm2 = 9.80665 MPa

Perpanjangan putus (%) = �� ℎ� −��

�� x 100%

c. Pengujian Permeabilitas Uap Air

Permeabilitas uap air dilakukan dengan pengujian Water Vapor Transmission Rate dengan metode cawan ASTM E-96. Sampel dimasukkan ke dalam humidity chamber (21oC, Rh 100%) dan dibiarkan selama 24 jam. Untuk satu kali pengujian, diambil rataan dari 5 sampel. Permeabilitas tersebut diukur berdasarkan hasil pengukuran besarnya laju transmisi uap air (WVTR) dalam satuan gram per hari melalui plastik berukuran 1 m2 pada kondisi steady. Besarnya WVTR dinyatakan dengan persamaan :

WVTR = 24 .

� = 4.8 g/m

/24jam dimana :

mv = pertambahan massa (gram) t = periode penimbangan (jam)

A = luas permukaan sampel yang diuji (standar BBKK = 50 cm2 = 0.005 m2)

d. Pengujian Morfologi Permukaan Plastik

Uji morfologi permukaan dilakukan dengan teknik Scanning Electron Microscope (SEM). Hasil SEM akan menunjukkan gambar permukaan sampel dan dapat dilakukan pembesaran 200x. Selanjutnya dilakukan pemotretan dengan menggunakan film hitam putih.

(14)

IV. HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 SIFAT MEKANIK PLASTIK

Sifat mekanik plastik yang diteliti terdiri dari kuat tarik dan elongasi. Sifat mekanik diperlukan dalam melindungi produk dari faktor-faktor mekanis, seperti tekanan fisik (jatuh dan gesekan), getaran, serta benturan. Kuat tarik dan elongasi plastik diukur dengan memberikan gaya pada sampel yang diteliti. Sebagai bahan kemasan, plastik harus memiliki kekuatan tarik maupun perpanjangan putus (elongasi) yang baik karena hal ini akan berpengaruh pada kekuatan terhadap kontak fisik dengan benda lain sehingga plastik tidak mudah sobek dan lebih tahan lama. Polimer dengan kekuatan tarik dan perpanjangan putus (elongasi) yang tinggi tergolong ke dalam jenis polimer yang kuat dan liat. Apabila suatu bahan memiliki kuat tarik yang tinggi namun tidak diimbangi dengan perpanjangan putus yang tinggi, maka cenderung akan menghasilkan plastik yang mudah patah (brittle). Pada lembaran plastik yang dihasilkan, terbentuk orientasi film yang disebut machine direction (MD) dan cross-maschine direction (CD). MD adalah orientasi rantai molekul yang searah dengan arah mesin, sedangkan CD melintang dengan arah mesin.

4.1.1 Kekuatan Tarik

Kuat tarik merupakan ukuran besarnya beban atau gaya yang dapat ditahan sebelum suatu contoh rusak atau putus. Kekuatan tarik timbul sebagai reaksi dari ikatan polimer antara atom-atom atau ikatan sekunder antara rantai polimer terhadap gaya luar yang diberikan (Van, 1991). Hasil pengujian awal kuat tarik pada plastik biodegradabel adalah 16.75 MPa (MD) dan 6.35 MPa (CD), plastik HDPE 74.29 MPa (MD) dan 48.14 MPa (CD), serta plastik HDPE perforated 65.21 MPa (MD) dan 38.71 MPa (CD).

Kedua jenis plastik HDPE berada pada rentang nilai yang sama, sedangkan nilai kuat tarik plastik biodegradabel lebih rendah karena adanya campuran pati pada matriks polimernya. Keberadaan pati pada matriks polimer menyebabkan kekuatan ikatan antar polimernya menjadi lebih lemah. Jika dibandingkan dengan nilai kuat tarik jenis HDPE, plastik biodegradabel menunjukkan penurunan sekitar 69-71% untuk machine direction dan penurunan 86-89% untuk cross-machine direction. Kekuatan tarik pada orientasi MD menunjukkan hasil yang lebih baik dibandingkan pada orientasi CD. Hal ini menunjukkan orientasi mesin sangat mempengaruhi sifat mekanik plastik yang dihasilkan. Orientasi searah mesin akan meningkatkan sifat mekanik plastik yang mengakibatkan plastik tidak mudah patah.

Pengaruh suhu penyimpanan terhadap kuat tarik plastik retail pada orientasi MD dan CD ditampilkan pada Gambar 6. Selama 30 hari waktu penyimpanan, nilai kuat tarik plastik biodegradabel tidak menunjukkan perubahan yang signifikan baik pada orientasi MD maupun CD. Nilai kuat tarik yang ditemukan cenderung konstan, dengan nilai slope yang sangat kecil. Hal ini menunjukkan penyimpanan pada berbagai suhu tidak mempengaruhi nilai kuat tarik plastik biodegradabel. Kondisi ini berbeda pada penyimpanan plastik HDPE dan plastik HDPE perforated. Kedua plastik ini menunjukkan perubahan kekuatan tariknya pada semua suhu. Pada plastik HDPE perforated, penurunan kekuatan tarik paling besar ditemukan pada penyimpanan suhu rendah. Kondisi ini ditunjukkan dengan nilai slope negatif terbesar pada suhu 3-7oC yaitu -0.630(MD) dan -0.282(CD) serta pada suhu (-10)-(-6)oC dengan nilai slope -0.737(MD) dan -0.199(CD). Kondisi serupa juga ditunjukkan pada pengamatan plastik HDPE. Pada suhu 3-7oC

(15)

12 menunjukkan nilai slope -0.331(MD) dan -0.219(CD) serta pada suhu (-10)-(-6)oC dengan nilai slope -0.323(MD) dan -0.277(CD).

Machine Direction Cross-machine Direction

Plastik biodegradabel

HDPE

perforated

Keterangan : Suhu 24-28oC Suhu 3-7oC Suhu (-10)-(-6)oC Gambar 6. Grafik pengaruh suhu penyimpanan terhadap kuat tarik plastik retail

Penyimpanan pada suhu rendah menghasilkan penurunan nilai kuat tarik yang sangat besar pada orientasi MD. Penurunan nilai kuat tarik plastik HDPE perforated pada orientasi MD terlihat lebih besar jika dibandingkan dengan orientasi CD. Hal ini menunjukkan kerapatan antarmolekul

y = 0.058x + 15.86

y = -0.045x + 17.37

y = 0.021x + 16.66

0 10 20 30 40 50 60 70 80

0 5 10 15 20 25 30