1. Kuat Tarik dan Perpanjangan Putus
Salah satu sifat fisik suatu polimer yang sering diujikan untuk mengetahui kualitasnya, terutama golongan plastik, adalah kuat tarik. Kuat
tarik didefinisikan sebagai besarnya gaya yang dapat ditahan oleh suatu materi sampai materi tersebut putus. Kekuatan tarik diukur dengan
menarik polimer pada arah yang berlawanan Stevens, 2001. Hasil pengukuran kuat tarik dan perpanjangan putus bioplastik dengan
konsentrasi PEG 400 10, 20, dan 30 berturut-turut dapat dilihat pada Lampiran 8, Lampiran 9, dan Lampiran 10. Kurva hasil pengukuran kuat
tarik bioplastik yang dihasilkan dapat dilihat pada Gambar 6.
0,067 0,071
0,083
0,01 0,02
0,03 0,04
0,05 0,06
0,07 0,08
0,09
10 20
30 40
Konsentrasi PEG 400 Ku
a t T
a ri
k M
Pa
Gambar 6. Kurva hubungan konsentrasi PEG 400 dengan kuat tarik Polimer PHB yang sebelumnya kaku dan rapuh, setelah
penambahan pemlastis akan menjadi lunak dan plastis. Pemlastis akan mengisi rongga antar molekul PHB dan mengubah gaya antar molekul
PHB, sehingga kerapatannya turun. Pemlastis membuat kerapatan antar molekul PHB menjadi berkurang dan gaya antar molekul sejenis kohesi
PHB menjadi lebih kecil. Nilai kuat tarik dari bioplastik yang dihasilkan terlihat meningkat
dengan bertambahnya konsentrasi pemlastis. Nilai kuat tarik untuk
bioplastik PEG 400 10, 20, dan 30 berturut-turut adalah 0,067 ± 0,040 MPa; 0,071 ± 0,016 MPa; dan 0,083 ± 0,058 MPa. Peningkatan nilai
kuat tarik ini terjadi karena adanya interaksi antara molekul PHB dengan molekul PEG 400.
Interaksi antara molekul PHB dan PEG 400 diduga berupa ikatan hidrogen. Pendugaan tersebut didasarkan atas gugus fungsional dari
masing-masing molekul. Molekul PEG memiliki gugus fungsional hidroksil OH sedangkan molekul PHB memiliki gugus fungsional
hidroksil OH dan karboksil C=O. Ikatan hidrogen merupakan salah satu contoh yang paling umum dari gaya yang berperan pada pengikatan
suatu molekul dan tergolong dalam gaya van der Waals. Gaya yang berperan dalam pengikatan molekul ini lebih kecil kekuatannya daripada
ikatan kimia kovalen dan ikatan ion. Walaupun kecil, gaya van der Waals memiliki pengaruh yang nyata terhadap sifat fisik dan thermal suatu
molekul. Menurut Companion 1991, peranan gaya van der Waals yang penting hanya dalam menjelaskan interaksi antara molekul dan antara
atom yang orbitalnya jenuh, maksudnya adalah orbital yang tidak memungkinkan terjadinya ikatan kovalen.
Mekanisme kerja zat pemlastis adalah dengan mengisi rongga- rongga antar molekul polimer sehingga menjadi pelumas internal dan
mengubah gaya antar molekul polimer Nur et al., 2002. Gambar 7
memperlihatkan cara kerja pemlastis sebagai pelumas internal suatu polimer. Interaksi antara pemlastis dan polimer dapat berupa gaya tarik
elektrostatis seperti gaya van der Waals. Kemampuan suatu atom untuk menarik elektron pada kulit
terluarnya disebut elektronegatifitas. Sifat ini berhubungan erat dengan jumlah proton suatu atom dan jari-jari atom. Semakin banyak proton dan
semakin kecil jari-jari atom, maka elektronegatifitas atom tersebut akan semakin tinggi. Ikatan hidrogen terjadi antara atom hidrogen dengan atom
yang memiliki elektronegatifitas tinggi seperti N, O, dan F. Tidak seperti gaya van der Waals lainnya, ikatan hidrogen membentuk arah tertentu.
Ikatan hidrogen bersifat elektrostatik dan dapat terjadi antar molekul
maupun intra molekul Companion, 1991. Mekanisme pembentukan ikatan hidrogen antara molekul PHB dengan molekul PEG 400 dapat
dilihat pada Gambar 8.
A B
Gambar 7. Skema kerja pemlastis Nur et al., 2002
Keterangan: A polimer tanpa pemlastis, rantai polimer bersifat kaku. B dengan penambahan pemlastis yang mengisi rongga antar
molekul polimer dan mengubah gaya antar molekul, membuat plastik menjadi lebih lembut.
Gambar 8. Pembentukan ikatan hidrogen secara umum antara PHB dan PEG 400 modifikasi Companion 1991, Darusman 1999, dan
Nur et al. 2002.
Pemlastis pelumas internal
Bobot molekul PEG dapat dihitung dengan menggunakan rumus BM = 44n+18 gmol. Polietilen glikol PEG 400 memiliki kisaran bobot
molekul 380-420 gmol. Dari rumus dan kisaran bobot molekul PEG 400 tersebut dapat diperkirakan berapa nilai n dari suatu molekul PEG. Nilai n
dari PEG 400 dengan rumus tersebut dapat diketahui antara 8,23-9,14 atau n=9, sehingga rumus molekul PEG 400 adalah C
18
H
38
O
10
dan bobot molekulnya 414 gmol. Dengan n=9 maka dapat dikatakan bahwa PEG
400 merupakan suatu oligomer dari etilen oksida. Dari Gambar 8 dapat diperkirakan bahwa ikatan hidrogen dapat
mencapai puncak efektifitasnya bila gugus karboksil dari molekul PHB dapat terikat semua dengan gugus hidroksil dari molekul PEG. Setiap
senyawa memiliki jumlah partikel tertentu pada setiap gramnya. Jumlah partikel suatu zat dapat dihitung dengan mengalikan mol zat yang
bersangkutan dengan bilangan Avogadro. Setiap 1 gram PEG akan memiliki jumlah partikel sekitar 1414 x 6,02 · 10
23
= 1,45 · 10
21
partikel. Pada saat konsentrasi PEG dalam bioplastik sebesar 10, gugus karboksil
PHB belum semuanya berikatan hidrogen dengan gugus hidroksil PEG. Dengan bertambahnya konsentrasi maka semakin banyak pula jumlah
partikel PEG di dalam bioplastik dan semakin banyak juga ikatan hidrogen yang terbentuk. Ikatan hidrogen memang tidak sekuat ikatan kovalen,
namun untuk memutuskannya tetap membutuhkan energi. Hal inilah yang menyebabkan kenaikan kuat tarik dari bioplastik seiring dengan naiknya
konsentrasi pemlastis PEG 400. Pada konsentrasi PEG tertentu, tidak akan ada lagi ikatan hidrogen yang terbentuk dengan molekul PHB. Pada
kondisi tersebut dapat dikatakan bahwa bioplastik PHB telah jenuh terhadap penambahan pemlastis PEG 400.
Molekul PEG 400 dan PHB merupakan molekul rantai lurus. Molekul PEG 400 akan tersusun sedemikian rupa sehingga kedua gugus
hidroksil OH dari ujung PEG 400 berinteraksi melalui ikatan hidrogen dengan gugus karboksil C=O molekul PHB pada panjang rantai yang
sama dengan PEG 400 yaitu n=1 dan n=9. Gugus OH molekul PEG 400 berikutnya akan berikatan hidrogen dengan gugus karboksil PHB pada
n=10 sampai n=18, begitu seterusnya sampai ujung rantai molekul PHB habis. Dengan menggunakan basis perhitungan 0,27 g PHB yang
digunakan serta nilai n molekul PHB berkisar antara 100-30.000 Randall et al., 2001, maka selanjutnya dapat diperkirakan kebutuhan PEG 400
agar berikatan hidrogen secara teoritis dengan molekul PHB. Perhitungan kebutuhan teoritis PEG 400 dalam pembuatan bioplastik dapat dilihat pada
Lampiran 11. Gambar 9 menunjukkan bagaimana molekul PEG 400 terorientasi akibat ikatan hidrogen dengan molekul poli-HB.
O H
CH
3
O O
CH
3
O O
CH
3
O O
CH
3
O O
CH
3
O O
CH
3
O O
CH
3
O O
CH
3
O O
CH
3
O O
CH
3
O O
CH
3
O OH
O H
O O
O O
O O
O O
OH
O H
OH n
9
Gambar 9. Mekanisme gugus hidroksil molekul PEG 400 berikatan hidrogen dengan gugus karboksil PHB modifikasi
Companion, 1991
Tanda panah dari atom H ke atom O menunjukkan arah tarikan elektrostatik dari atom yang lebih positif ke arah atom yang lebih negatif.
Dari hasil perhitungan pada Lampiran 11 diketahui bahwa molekul PEG 400 dapat berinteraksi melalui ikatan hidrogen secara optimal pada
konsentrasi 34 bb. Hal ini menunjukkan bahwa pada konsentrasi PEG 400 30 yang merupakan konsentrasi PEG 400 terbaik pada penelitian ini,
sudah mendekati kebutuhan konsentrasi PEG 400 teoritis. Perhitungan pada Lampiran 11
merupakan hitungan kasar seberapa banyak molekul PEG 400 yang dibutuhkan secara teoritis, sehingga gugus
hidroksilnya dapat berikatan hidrogen dengan gugus karboksil dari molekul PHB. Perhitungan tersebut didasarkan pada kisaran panjang rantai
suatu molekul PHB atau banyaknya monomer penyusun 1 molekul PHB menurut Randall
et al. 2001, yaitu nilai kisaran n = 100 – 30.000. Perhitungan yang lebih akurat dapat dilakukan apabila diketahui berapa
n=1 n=9
Poli-HB
PEG 400
jumlah molekul PHB dan bobot molekul rata-rata dari PHB yang digunakan.
Dari pengukuran nilai kuat tarik juga dapat secara langsung didapatkan nilai perpanjangan putus dari bioplastik yang diuji. Nilai ini
merupakan persentase perubahan panjang bioplastik pada saat diregangkan sampai putus. Kurva hasil pengukuran nilai perpanjangan putus dapat
dilihat pada Gambar 10.
0,376 0,763
0,881
0,2 0,4
0,6 0,8
1
10 20
30 40
Konsentrasi PEG 400 P
e rp
anj a
n g
an P u
tu s
Gambar 10. Kurva hubungan konsentrasi PEG 400 dengan perpanjangan putus
Perpanjangan putus merupakan perubahan panjang material sampai material tersebut putus akibat menerima gaya regangan pada pengujian
kuat tarik. Menurut Hammer di dalam Paul dan Newman 1978, prinsip kerja pemlastis adalah membentuk interaksi molekuler dengan rantai
polimer, sehingga kecepatan respon viskoelastis pada polimer meningkat dan mobilitas molekuler rantai polimer meningkat pula.
Peningkatan konsentrasi PEG 400 dilihat pada Gambar 10 dapat meningkatkan nilai perpanjangan putus dari bioplastik PHB. Bioplastik
dengan PEG 400 10 memiliki nilai perpanjangan putus sebesar 0,376 ± 0,119; bioplastik dengan PEG 400 20 memiliki nilai perpanjangan
putus sebesar 0,763 ± 0,244; dan bioplastik dengan penambahan PEG 400 30 memiliki nilai perpanjangan putus terbesar yaitu 0,881 ± 0,326.
Peningkatan konsentrasi PEG 400 berarti pula meningkatkan jumlah partikel PEG yang dapat berinteraksi dengan polimer PHB. Keberadaan
molekul PEG yang lebih merata menyebabkan mobilitas polimer PHB menjadi lebih tinggi dan meningkatkan kecepatan viskoelastis polimer
apabila menerima gaya dari luar, sehingga nilai perpanjangan putusnya semakin meningkat.
2. Densitas
Kategori