Production process of bioplastic from thermoplastic starch and polyethylene

REKAYASA PROSES PRODUKSI BIOPLASTIK

BERBAHAN BAKU PATI TERMOPLASTIK

DAN POLIETILEN

Waryat

SEKOLAH PASCASARJANA

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

BOGOR

2013

PERYATAAN MENGENAI DISERTASI DAN

SUMBER INFORMASI

Dengan ini saya menyatakan bahwa disertasi yang berjudul Rekayasa Proses Produksi Bioplastik Berbahan Baku Pati Termoplastik dan Polietilen adalah karya saya dengan arahan komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir disertasi ini.

Bogor, Juli 2013

Waryat F361080111

ABSTRACT

WARYAT. Production Process of Bioplastic from Thermoplastic Starch and Polyethylene. Under direction of MUHAMMAD ROMLI, ANI SURYANI, INDAH YULIASIH, AND S. JOHAN A. NASIRI.

Plastics have been used widely for packaging materials. However, plastic wastes can pollute environment because of its persistency to be biodegraded by microorganisms. Efforts have been conducted to develop environmental friendly plastic from renewable resources. Problems encountered in the manufacture of bioplastic are poor physical-mechanical properties and incompatibility between hydrophilic/polar and hydrophobic/non-polar materials. The modification of raw materials and use of compatibilizer can be applied to improve the compatibility between the two material blends. The purpose of this study is to develop a process of manufacturing bioplastic by modifying the raw material characteristics and the use of compatibilizer. This study consisted of three steps, namely preparation of thermoplastic starch, preparation of maleic anhydride (MA) grafted with LLDPE/HDPE (LLDPE-g-MA/HDPE-g-MA) and manufacturing process of bioplastic. Thermoplastic was prepared by mixing distilled water and glycerol with tapioca, and then allowed to aging for 8 days to a mixture of distilled water and glycerol can be absorbed completely into raw materials (tapioca). Grafting of maleic anhydride with LLDPE/HDPE (LLDPE-g-MA and HDPE-g-MA) was carried out in a twin screw extruder. There were three levels of maleic anhidride concentration namely 2.5%, 5%, 7.5% (w/w) and dicumyl peroxide 0.1% (w/w polymer) used in this experiment. After mixing LLDPE-g-MA and HDPE-g-MA compatibilizer with thermoplastic starch (TPS), the resulting mixtures were then extrudered with LLDPE/HDPE. Four ratios between LLDPE/HDPE and TPS were investigated namely 0:100; 20:80; 40:60; and 60:40. The plastic properties observed included melt flow rate, density, thermal, mechanical, barrier, and degradation properties. The results showed that increasing thermoplastic starch content decreased melt flow rate, melting temperature, mechanical, oxygen transmition rate properties and increased density, water vapor transmition rate and its biodegradability. The presence of LLDPE-g-MA/HDPE-g-MA compatibilizer resulted in better physical and mechanical properties of bioplastic. The compatibilizer improved surface adhesion and decreased surface tension between TPS and LLDPE/HDPE matrix. The best formulation for wrapping applications was the LLDPE-TPS with 40% of TPS and 5% MA with 6,96% of grafting degree, whereas that for plastic bag applications was HDPE-TPS with 30% of TPS and 7,5% MA with 3,21% of grafting degree. Stability tests of bioplastic TPS-LLDPE and TPS-HDPE for packaging applications at room and low temperature showed no significant changes in the mechanical properties, permeability, and morphology, and therefore the product has the ability to maintain mechanical properties at low temperature.

Keywords : bioplastic, biodegradability, compatibilizer, mechanical properties, permeability, thermoplastic starch

RINGKASAN

WARYAT. Rekayasa Proses Produksi Bioplastik Berbahan Baku Pati Termoplastik dan Polietilen. Dibimbing oleh Muhammad Romli, Ani Suryani, Indah Yuliasih dan S.Johan A. Nasiri

Penggunaan bioplastik sebagai bahan kemasan merupakan salah satu solusi memecahkan permasalahan dampak limbah yang ditimbulkan akibat pemakaian plastik konvensional. Salah satu cara pembuatan bioplastik adalah dengan mencampurkan bahan alami dengan bahan sintetik. Salah satu bahan alami yang banyak digunakan adalah pati. Pati memiliki keterbatasan sifat fisik-kimia untuk digunakan sebagai bahan baku bioplastik, oleh karena itu pati perlu dilakukan modifikasi. Salah satu cara modifikasi yang dilakukan adalah dengan merubahnya pati menjadi pati termoplastik. Selain modifikasi pati, penambahan compatibilizer diperlukan untuk meningkatkan homogenitas dan kompatibilitas campuran bahan alami dan sintetik karena kedua bahan tersebut mempunyai sifat yang berbeda. Penggunaan compatibilizer ke dalam komposit pati termoplastik/LLDPE dan pati termoplastik/HDPE diharapkan menghasilkan sifat fisik, mekanik dan permeabilitas yang tidak berbeda signifikan dengan plastik konvensional. Tujuan penelitian ini adalah untuk merekayasa proses produksi bioplastik yang dapat diaplikasikan sebagai plastik kemasan/kantong yang memiliki sifat mekanik (kuat tarik dan perpanjangan putus) sesuai standar plastik kemasan.

Penelitian diawali dari pembuatan pati termoplastik (TPS) menggunakan rheomik pada suhu 90ºC dengan kecepatan putar 50 rpm. Tahap selanjutnya adalah pembuatan compatibilizer LLDPE-g-MA dan HDPE-g-MA dengan penambahan maleat anhidrat ke dalam polimer LLDPE/HDPE menggunakan twin screw extruder pada suhu 150 ºC dan kecepatan rotor 75 rpm. Pembuatan bioplastik diawali dari pencampuran compatibilizer LLDPE-g-MA atau HDPE-g -MA dengan polimer LLDPE atau HDPE kemudian hasil campuran ditambahkan TPS. Hasil campuran kemudian dimasukkan ke dalam twin screw extruder pada suhu 130-140 ºC dan kecepatan rotor 75 rpm. Hasil campuran lalu dipotong-potong menjadi pelet kemudian dipres menggunakan hydraulic hot press. bioplastik berbentuk lembaran kemudian dianalisis sifat fisik, mekanik, permeabilitas dan biodegradabilitasnya.

Hasil modifikasi pati menunjukkan bahwa kadar air 11,97%, nilai kadar air ini tidak berlebihan. Apabila TPS memiliki kadar air tinggi mengakibatkan bioplastik hasil campuran memiliki sifat mekanik rendah dan timbul gelembung pada plastik tersebut. Derajat kristalinitas menunjukkan penurunan dari 31,45% pada tapioka ke 16,13% pada TPS. Pengaruh konsentrasi maleat anhidrat terhadap presentase grafting menunjukkan bahwa persentase grafting tertinggi didapat pada pemberian konsentrasi maleat anhidrat 5% dan 7,5% dengan presentase grafting

masing-masing 6,96% dan 6,44% untuk compatibilizer LLDPE-g-MA, sedangkan presentase grafting pada compatibilizer HDPE-g-MA adalah 4,13% dan 3,21%.

Proses pembuatan bioplastik TPS/LLDPE dan TPS/HDPE menunjukkan bahwa penambahan konsentrasi TPS cenderung meningkatkan nilai densitas. Sebaliknya semakin tinggi konsentrasi TPS, maka nilai kecepatan alir dan titik leleh semakin turun. Karakteristik mekanik (kuat tarik dan perpanjangan putus) bioplastik menunjukkan bahwa semakin tinggi konsentrasi TPS cenderung menurunkan nilai rata-rata kekuatan tarik dan perpanjangan putus bioplastik. Sifat permeabilitas menunjukkan semakin tinggi kandungan TPS, maka nilai laju perpindahan uap air semakin tinggi, sebaliknya laju perpindahan oksigen menurun.

Penambahan konsentrasi MA pada compatibilizer LLDPE-g-MA atau HDPE-g-MA dan peningkatan derajat grafting menunjukkan semakin meningkat konsentrasi MA dan derajat grafting semakin menurun nilai densitas, kecepatan alir dan titik leleh. Sifat mekanik (kuat tarik dan perpanjangan putus) menunjukkan bahwa semakin tinggi konsentrasi MA dan derajat grafting cenderung meningkatkan nilai elastisitas dan plastisitas bioplastik. Sifat permeabilitas menunjukkan , nilai WVTR semakin meningkat dengan semakin meningkatnya derajat grafting, sedangkan nilai O2TRnya menurun. Formula

terbaik adalah bioplastik berbahan baku TPS/LLDPE/compatibilizer dengan konsentrasi TPS 40%, LLDPE 60% dan compatibilizer (MA 5%/derajat grafting 6,96%), sedangkan bioplastik berbahan baku TPS/HDPE/compatibilizer adalah TPS 30%, HDPE 70% dan compatibilizer (MA 7,5%/derajat grafting 3,21%). Hasil uji biodegradabilitas bioplastik menunjukkan terjadinya penurunan sifat mekanik dan peningkatan jumlah mikroorganisme dengan semakin meningkatnya konsentrasi TPS.

Pengujian stabilitas bioplastik TPS/LLDPE dan TPS/HDPE pada suhu ruang, suhu dingin dan suhu beku menunjukkan tidak adanya perubahan signifikan pada karakteristik mekanik (kuat tarik dan perpanjangan putus), permeabilitas, dan morfologi. bioplastik memiliki kemampuan dalam mempertahankan kekuatan mekaniknya walaupun disimpan pada suhu rendah. Hal ini diduga disebabkan oleh adanya ikatan yang kuat antara molekul penyusunnya (TPS dan LLDPE atau HDPE) dengan penambahan compatibilizer.

Kata Kunci : biodegradabilitas, compatibilizer, pati termoplastik, permeabilitas, bioplastik, sifat mekanik

©Hak Cipta milik IPB, tahun 2013

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 yang wajar IPB.

Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagaian atau seluruh Karya tulis dalam bentuk apa pun tanpa izin IPB

REKAYASA PROSES PRODUKSI BIOPLASTIK

BERBAHAN BAKU PATI TERMOPLASTIK

DAN POLIETILEN

Waryat

Disertasi

Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Doktor

Pada Program Studi Teknologi Industri Pertanian

SEKOLAH PASCASARJANA

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

BOGOR

2013

Penguji pada Ujian Tertutup : 1. Dr. Ir. Titi Candra Sunarti, MSi 2. Dr. Hardaning Pranamuda

Penguji pada Ujian Terbuka : 1. Prof (Riset) Dr. Ridwan Thahir 2. Dr. Asmuwahyu Saptorahardjo

Judul Disertasi : Rekayasa Proses Produksi Bioplastik Berbahan Baku Pati Termoplastik dan Polietilen

Nama : Waryat

NIM : F361080111

Disetujui, Komisi Pembimbing

Prof. Dr. Ir. Muhammad Romli, M.Sc.St Ketua

D;]

ｾ

STI, M,Si

DEA

Anggota Anggota

S.Joh

Anggota

A. Nasiri M.Sc Ph.D

Ketua Program Studi Teknologi Industri Pertanian

Dr.

Judul Disertasi : Rekayasa Proses Produksi Bioplastik Berbahan Baku Pati Termoplastik dan Polietilen

Nama : Waryat NIM : F361080111

Disetujui, Komisi Pembimbing

Prof. Dr. Ir. Muhammad Romli, M.Sc.St Ketua

Prof. Dr. Ir. Ani Suryani, DEA Dr. Indah Yuliasih, S.TP, M.Si Anggota Anggota

S. Johan A. Nasiri, M.Sc, Ph.D Anggota

Diketahui,

Ketua Program Studi Dekan Sekolah Pascasarjana Teknologi Industri Pertanian

Dr. Ir. Machfud, MS Dr. Ir. Dahrul Syah, M.Sc.Agr

PRAKATA

Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT, atas kekuatan, rahmat, dan anugerah-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan disertasi yang berjudul Rekayasa Proses Produksi Bioplastik Berbahan Baku Pati Termoplastik dan Polietilen.

Pada kesempatan ini dengan ketulusan hati penulis menyampaikan rasa terima kasih kepada yang terhormat Bapak Prof. Dr. Ir. Muhammad Romli, MSc.St. selaku Ketua Komisi Pembimbing, Ibu Prof. Dr. Ir. Ani Suryani, DEA, Ibu Dr. Indah Yuliasih, STP, MSi dan Bapak S. Johan A. Nasiri, MSc, Ph.D selaku Anggota Komisi Pembimbing yang senantiasa memberikan bimbingan, arahan dan dorongan kepada penulis, sehingga penulis dapat menyelesaikan penyusunan proposal, pelaksanaan penelitian hingga penyusunan disertasi ini.

Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada Dr. Ir. Titi Candra Sunarti, MSi, Dr. Hardaning Pranamuda, Prof (Riset) Dr. Ridwan Thahir dan Dr. Asmuwahyu Saptorahardjo yang telah bersedia menjadi dosen penguji luar komisi pada ujian tertutup dan ujian terbuka serta memberikan masukan dan saran perbaikan untuk kesempurnaan disertasi ini.

Ucapan terima kasih penulis sampaikan kepada Ketua dan Sekretaris Program Studi Teknologi Industri Pertanian, Dekan Fakultas Teknologi Pertanian dan Sekolah Pascasarjana IPB yang telah banyak membantu dalam kelancaran studi S3 di IPB. Penulis juga menyampaikan terima kasih kepada Kepala Balai Pengkajian Teknologi Pertanian (BPTP) Jakarta yang telah memberi kesempatan dan ijin bagi penulis dalam menempuh pendidikan S-3. Ucapan terima kasih yang tak terhingga juga disampaikan kepada Kepala Balai Besar Pengkajian dan Pengembangan Teknologi Pertanian dan Kepala Badan Penelitian dan Pengembangan Pertanian atas ijin melanjutkan pendidikan yang diberikan dan dana penelitian melalui Kerjasama Kemitraan Penelitian Pertanian dengan Perguruan Tinggi (KKP3T) serta ijin mengikuti program sandwich di Kasetsart University, Thailand dalam kurun waktu Pebruari-Maret 2012.

Penulis juga ingin menyampaikan terima kasih kepada teman-teman Mahasiswa S3 TIP IPB angkatan 2008 atas persaudaraan, kerjasama dan dorongan semangat yang diberikan. Istriku Titin Kurniasih serta anak-anakku Amirul Falah dan Nasrul Hidayatullah, terima kasih atas segala kesabaran, ketabahan dan dukungan yang diberikan kepada penulis selama menempuh pendidikan S3.

Penulis menyadari bahwa karya ilmiah ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu, kritik dan saran diharapkan untuk perbaikan. Penulis mengharapkan semoga hasil penelitian ini berguna bagi perkembangan ilmu pengetahuan dan bermanfaat bagi yang membutuhkan.

Bogor, Juli 2013 Waryat

RIWAYAT HIDUP

Penulis dilahirkan di Jakarta pada tanggal 21 Pebruari 1974 sebagai anak sulung dari lima bersaudara dari pasangan M. Tarjo dan Yuli Purwanti. Penulis menyelesaikan pendidikan dasar sampai menengah di Bekasi. Pendidikan Sarjana di tempuh di Fakultas Perikanan dan Ilmu Kelautan Undip pada tahun 1992-1997. Tahun 1999, penulis diterima sebagai staf peneliti di Balai Pengkajian Teknologi Pertanian (BPTP) Jakarta dan menjadi peneliti muda dalam bidang pasca panen hasil pertanian dari tahun 2008 hingga sekarang. Kesempatan mendalami ilmu pertanian terutama di bidang pasca panen hasil pertanian diperoleh tahun 2001 di Program studi Ilmu dan Teknologi Pangan UGM Yogyakarta dan memperoleh gelar Master Pertanian pada awal tahun 2004. Tahun 2008, penulis berkesempatan melanjutkan pendidikan program Doktor di Program Studi Teknologi Industri Pertanian IPB hingga saat ini. Saat penelitian, penulis mendapatkan kesempatan melakukan penelitian di Fakultas Agroindustri-Kasetsart University, Thailand pada bulan Pebruari-Maret 2012.

Karya ilmiah yang telah dan akan diterbitkan dalam jurnal nasional maupun internasional antara lain :

1. Karakteristik Morfologi, Termal, Fisik-Mekanik dan Barrier Plastik Biodegradabel Berbahan Baku Komposit Pati Termoplastik-LLDPE/HDPE dimuat pada Jurnal Agritech Fak. Teknologi Pertanian, UGM Vol, 33 Nomor 2 Tahun 2013.

2. Using of A Compatibilizer To Improve Morphological, Physical and Mechanical Properties of Biodegradable Plastic From Thermoplastic Starch/LLDPE Blends dimuat pada International Journals of Engineering & Sciences Vol 13 (1) : 115-122 tahun 2013.

3. Karakteristik Barrier dan Biodegradabilitas Plastik Biodegradabel Berbahan Baku Komposit Pati Termoplastik-LLDPE (dalam proses review di Jurnal Teknologi Industri Pertanian, IPB).

4. Penggunaan Compatibilizer Sebagai Coupling Agent Untuk Meningkatkan Karakteristik Plastik Ramah Lingkungan Komposit Pati Termoplastik-HDPE (dalam proses review di Jurnal Kimia Indonesia).

5. Karakteristik Pati Termoplastik Sebagai Bahan Pembuat Plastik Ramah Lingkungan/Plastik Biodegradabel (dalam proses review di Jurnal Respati, Urindo).

PRAKATA

Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT, atas kekuatan, rahmat, dan anugerah-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan disertasi yang berjudul Rekayasa Proses Produksi Bioplastik Berbahan Baku Pati Termoplastik dan Polietilen.

Pada kesempatan ini dengan ketulusan hati penulis menyampaikan rasa terima kasih kepada yang terhormat Bapak Prof. Dr. Ir. Muhammad Romli, MSc.St. selaku Ketua Komisi Pembimbing, Ibu Prof. Dr. Ir. Ani Suryani, DEA, Ibu Dr. Indah Yuliasih, STP, MSi dan Bapak S. Johan A. Nasiri, MSc, Ph.D selaku Anggota Komisi Pembimbing yang senantiasa memberikan bimbingan, arahan dan dorongan kepada penulis, sehingga penulis dapat menyelesaikan penyusunan proposal, pelaksanaan penelitian hingga penyusunan disertasi ini.

Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada Dr. Ir. Titi Candra Sunarti, MSi, Dr. Hardaning Pranamuda, Prof (Riset) Dr. Ridwan Thahir dan Dr. Asmuwahyu Saptorahardjo yang telah bersedia menjadi dosen penguji luar komisi pada ujian tertutup dan ujian terbuka serta memberikan masukan dan saran perbaikan untuk kesempurnaan disertasi ini.

Ucapan terima kasih penulis sampaikan kepada Ketua dan Sekretaris Program Studi Teknologi Industri Pertanian, Dekan Fakultas Teknologi Pertanian dan Sekolah Pascasarjana IPB yang telah banyak membantu dalam kelancaran studi S3 di IPB. Penulis juga menyampaikan terima kasih kepada Kepala Balai Pengkajian Teknologi Pertanian (BPTP) Jakarta yang telah memberi kesempatan dan ijin bagi penulis dalam menempuh pendidikan S-3. Ucapan terima kasih yang tak terhingga juga disampaikan kepada Kepala Balai Besar Pengkajian dan Pengembangan Teknologi Pertanian dan Kepala Badan Penelitian dan Pengembangan Pertanian atas ijin melanjutkan pendidikan yang diberikan dan dana penelitian melalui kegiatan KKP3T serta ijin mengikuti program sandwich di Kasetsart University, Thailand dalam kurun waktu Pebruari-Maret 2012. Ucapan terima kasih juga penulis sampaikan kepada pimpinan PT. Chandra Asri yang telah memberikan izin untuk penelitian.

Penulis juga ingin menyampaikan terima kasih kepada teman-teman Mahasiswa S3 TIP IPB angkatan 2008 atas persaudaraan, kerjasama dan dorongan semangat yang diberikan. Istriku Titin Kurniasih serta anak-anakku Amirul Falah dan Nasrul Hidayatullah, terima kasih atas segala kesabaran, ketabahan dan dukungan yang diberikan kepada penulis selama menempuh pendidikan S3.

Penulis menyadari bahwa karya ilmiah ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu, kritik dan saran diharapkan untuk perbaikan. Penulis mengharapkan semoga hasil penelitian ini berguna bagi perkembangan ilmu pengetahuan.

Bogor, Juli 2013 Waryat

DAFTAR ISI

Halaman

DAFTAR TABEL ………... xxi

DAFTAR GAMBAR ……….. xxii

DAFTAR LAMPIRAN ………... xv

GLOSARIUM ………. xvi

1. PENDAHALUAN ……….. 1.1. Latar Belakang ……….. 1.2. Tujuan ……… 1.3. Lingkup Penelitian ……… 1.4. Kebaruan (Novelty) ………... 1 1 4 4 5 2. TINJAUAN PUSTAKA ……… 2.1. Bioplastik dan Karakterisasinya ... 2.1.1. Bioplastik... 2.1.2. Karakteristik Bioplastik……… 2.1.2.1. Karakteristik Mekanik ……….... 2.1.2.2. Degradasi Plastik ……… 2.2. Modifikasi Pati Tapioka………. 2.3. Polietilen (PE) ………... 7 7 7 12 12 17 21 23 3. BAHAN DAN METODE……… 3.1. Bahan dan Alat ……….. 3.2. Waktu dan Tempat ……… 3.3. Metode Penelitian ……….. 3.3.1. Pembuatan Pati Termoplastik………... 3.3.2. Pembuatan Compatibilizer LLDPE-g-MA dan HDPE- g-MA ………... 3.3.3. Pembuatan Bioplastik………... 27 27 27 28 28 29 31 3.3.4. Pengujian Bioplastik pada Berbagai Suhu Penyimpanan. 33 3.4. Analisis Nilai Tambah Tapioka ………. 33

xx

Halaman

4. HASIL DAN PEMBAHASAN………

4.1. Karakteristik Tapioka ……… 4.2. Proses Produksi dan Karakteristik Pati Termoplastik (TPS) …. 4.3. Proses Produksi dan Karakteristik Compatibilizer

LLDPE-g-MA dan HDPE-g-MA………. 4.4. Proses Produksi dan Karakteristik Bioplastik TPS/LLDPE dan TPS/HDPE……….. 4.4.1. Morfologi bioplastik………. 4.4.2. Gugus fungsi bioplastik……… 4.4.3. Densitas bioplastik………... 4.4.4. Kecepatan alir bioplastik……….. 4.4.5. Sifat termal bioplastik……….. 4.4.6. Sifat mekanik bioplastik………... 4.4.7. Sifat permeabilitas bioplastik………... 4.4.8. Karakteristik biodegradabilitas bioplastik ………... 4.5. Pengujian Stabilitas Bioplastikpada Berbagai Suhu

Penyimpanan……….. 4.6. Rekayasa Proses Produksi BioplastikTPS/LLDPE dan TPS/HDPE……….. 4.7. AnalisisNilai Tambah Tapioka sebagai Bahan Baku

Bioplastik ………... 35 35 37 42 54 57 61 63 65 68 70 79 83 94 101 102

5. SIMPULAN DAN SARAN ………

5.1. Simpulan ……… 5.2. Saran………..

105 105 106

DAFTAR PUSTAKA ……… 107

DAFTAR TABEL

Halaman

2.1 Karakteristik mekanik bioplastik dari berbagai jenis komposit…… 14 2.2 Nilai kuat tarik, modulus dan persentase perpanjangan putus pada

bioplastik pati beras/LDPE ………... 15 2.3 Jenis-jenis polietilen ……….. 25 3.1 Model perhitungan nilai tambah ……… 34 4.1 Karakteristik tapioka……… 35 4.2 Bilangan gelombang dan gugus fungsi TPS ……… 40

4.3 Karakteristik TPS ……… 40

4.4 Bilangan gelombang compatibilizer LLDPE-g-MA dan HDPE-g -MA pada konsentrasi maleat anhidrat dan jenis resin yang

berbeda ………. 44

4.5 Nilai kuat tarik dan perpanjangan putus compatibilizer LLDPE-g -MA dan HDPE-g-MA pada konsentrasi maleat anhidrat dan jenis

resin yang berbeda ……… 51

4.6 Bilangan gelombang bioplastik TPS/LLDPE dan TPS/HDPE pada konsentrasi perbandingan TPS/LLDPE atau TPS/HDPE dan

konsentrasi MA pada compatibilizer yang berbeda ……… 61 4.7 Nilai rata-rata kekuatan tarik, perpanjangan putus dan ketahanan

bentur bioplastik pada perbandingan TPS/LLDPE dan konsentrasi

MA (%) yang berbeda ……….. 71 4.8 Nilai rata-rata kekuatan tarik, perpanjangan putus dan ketahanan

bentur bioplastik pada perbandingan TPS/HDPE dan konsentrasi

MA (%) yang berbeda ……….. 71

4.9 Pengaruh perbandingan TPS/LLDPE atau TPS/HDPE dan konsentrasi MA (%) terhadap pertumbuhan koloni (skala)

Aspergillus niger dan Penicillium sp pada bioplastik ……… 89 4.10 Hasil perhitungan nilai tambah tapioka sebagai bahan baku

DAFTAR GAMBAR

Halaman

2.1 Skema interaksi antara TPRS/LDPE/MA-g-PE (Prachayawarakorn et al. 2010) ……….

10 2.2 Kurva tegangan regangan (Stevens 2007) ………. 13 2.3 Faktor-faktor yang berpengaruh dalam pembentukan pati

termoplastik (Morawietz 2006).………... 22 3.1 Proses pembuatan pati termoplastik (Modifikasi Zhang et al. 2007)…. 29 3.2 Diagram alir pembuatan compatibilizer LLDPE-g-MA dan

HDPE-g-MA (Modifikasi Shujun et al. 2005) ……….. 30 3.3 Diagram alir pembuatan bioplastikTPS-LLDPE dan TPS- HDPE ... 31 4.1 Granula pati tapioka……… 37 4.2 Pati termoplastik dalam bentuk (a) bongkahan dan (b) tepung ………. 39 4.3 Bentuk granula pati setelah aging ………. 39 4.4 Resin compatibilizer LLDPE-g-MA dan HDPE-g-MA………. 42 4.5 Pengaruh konsentrasi maleat anhidrat terhadap persentase derajat

grafting ………... 43

4.6 FT-IR spektrum (a) LLDPE-g-MA; (b) HDPE-g-MA pada konsentrasi maleat anhidrat 7,5%... 45 4.7 Pengaruh konsentrasi maleat anhidrat dan jenis resin terhadap nilai

densitas (g/cm3) compatibilizer LLDPE-g-MA dan HDPE-g-MA …… 46 4.8 Grafik hubungan derajat grafting (%) dan densitas (g/cm3)

compatibilizer LLDPE-g-MA dan HDPE-g-MA ……….. 47 4.9 Grafik hubungan nilai densitas (g/cm3) dan kecepatan alir

(g/10 menit) compatibilizer (a) LLDPE-g-MA dan (b) HDPE-g-MA... 48 4.10 Grafik hubungan nilai densitas (g/cm3) dan titik leleh (oC)

compatibilizer (a) LLDPE-g-MA dan (b) HDPE-g-MA ………... 50 4.11 Grafik hubungan densitas (g/cm3) dan kuat tarik (MPa)

compatibilizer (a) LLDPE-g-MA dan (b) HDPE-g-MA ………... 52 4.12 Grafik hubungan densitas (g/cm3) dan perpanjangan putus (%)

compatibilizer (a) LLDPE-g-MA dan (b) HDPE-g-MA ………... 53 4.13 Bioplastik campuran tapioka atau TPS dan resin LLDPE……….. 54

xxiii

Halaman

4.14 Bioplastik TPS/LLDPE (ketebalan rata-rata 450-500 µm)………….. 55 4.15 Bioplastik TPS/HLDPE (ketebalan rata-rata 100-150 µm)………….. 56 4.16 Morfologi permukaan bioplastik TPS/LLDPE

(pembesaran 100x) ………. 58

4.17 Morfologi permukaan bioplastik TPS/HDPE

(pembesaran 100x) ………. 59 4.18 Morfologi permukaan bioplastik TPS/LLDPE………. 60 4.19 FT-IR spektrum (a) TPS; b) compatibilizer LLDPE-g-MA; dan

(c) bioplastik TPS/compat.LLDPE-g-MA/LLDPE ……….. 62 4.20 Pengaruh perbandingan TPS/LLDPE dan konsentrasi MA (%)

terhadap nilai densitas (g/cm3) bioplastik ……… 64 4.21 Pengaruh perbandingan TPS/HDPE dan konsentrasi MA (%)

terhadap nilai densitas (g/cm3) bioplastik ……… 64 4.22 Pengaruh perbandingan TPS/LLDPE dan konsentrasi MA (%)

terhadap nilai kecepatan alir (g/10 menit) bioplastik ………... 66 4.23 Pengaruh perbandingan TPS/HDPE dan konsentrasi MA (%)

terhadap nilai kecepatan alir (g/10 menit) bioplastik ………... 67 4.24 Grafik hubungan nilai densitas (g/cm3) dan kecepatan alir

(g/10 menit) bioplastik TPS/LLDPE ………... 68 4.25 Pengaruh perbandingan TPS/LLDPE dan konsentrasi MA (%)

terhadap titik leleh (°C) bioplastik ………... 69 4.26 Pengaruh perbandingan TPS/HDPE dan konsentrasi MA(%)

terhadap titik leleh (°C) bioplastik ……… 69 4.27 Grafik hubungan densitas (g/cm3) dan kuat tarik (MPa) bioplastik

TPS/LLDPE ………. 75

4.28 Grafik hubungan densitas (g/cm3) dan perpanjangan putus (%)

Bioplastik TPS/LLDPE ……… 76

4.29 Pengaruh perbandingan TPS/LLDPE dan konsentrasi MA (%)

terhadap nilai WVTR (g/m2.hari) bioplastik ………... 80 4.30 Pengaruh perbandingan TPS/HDPE dan konsentrasi MA (%)

terhadap nilai WVTR (g/m2.hari) bioplastik ……… 80 4.31 Pengaruh perbandingan TPS/LLDPE dan konsentrasi MA(%)

Halaman

4.32 Pengaruh perbandingan TPS/HDPE dan konsentrasi MA(%)

terhadap nilai laju perpindahan oksigen (cc/m2.hari) bioplastik ……... 82 4.33 Pengaruh perbandingan TPS/LLDPE dan konsentrasi MA(%)

terhadap penurunan nilai kuat tarik (%) bioplastik setelah delapan

(8) minggu penguburan dalam tanah ……… 84 4.34 Pengaruh perbandingan TPS/HDPE dan konsentrasi MA(%)

terhadap penurunan nilai kuat tarik (%) bioplastik setelah delapan

(8) minggu penguburan dalam tanah ……… 85 4.35 Pengaruh perbandingan TPS/LLDPE dan konsentrasi MA (%)

terhadap nilai perpanjangan putus (%) bioplastiksetelah delapan

(8) minggu penguburan dalam tanah ……… 86 4.36 Pengaruh konsentrasi perbandingan TPS/HDPE dan konsentrasi MA

(%) terhadap penurunan nilai perpanjangan putus (%) bioplastik

selama delapan (8) minggu penguburan dalam tanah ………... 87 4.37 Hasil pengamatan kemampuan biodegrabilitas bioplastik

berbahan baku TPS/LLDPE ……… 91

4.38 Hasil pengamatan kemampuan biodegrabilitas bioplastik

berbahan baku TPS/HDPE ………. 93

4.39 Pengaruh suhu penyimpanan terhadap nilai kuat tarik (MPa)

Bioplastik TPS/LLDPE ……… 95

4.40 Pengaruh suhu penyimpanan terhadap nilai kuat tarik (MPa)

Bioplastik TPS/HDPE ……….. 96 4.41 Pengaruh suhu penyimpanan terhadap nilai perpanjangan putus

(%) bioplastik TPS/LLDPE ………. 97 4.42 Pengaruh suhu penyimpanan terhadap nilai perpanjangan putus

(%) bioplastik TPS/HDPE ……….. 97 4.43 Pengaruh suhu penyimpanan terhadap nilai WVTR (g/m2.hari)

Bioplastik TPS/LLDPE ……….. 99

4.44 Pengaruh suhu penyimpanan terhadap nilai WVTR (g/m2.hari)

Bioplastik TPS/HDPE ………. 99

4.45 Pengaruh suhu penyimpanan terhadap morfologi permukaan bioplastik TPS/LLDPE ……… 100 4.46 Pengaruh suhu penyimpanan terhadap morfologi permukaan

bioplastik TPS/HDPE ………. 100 4.47 Tahapan rekayasa proses produksi bioplastik LLDPE-g-MA dan

xxv

DAFTAR LAMPIRAN

Halaman 1. Prosedur analisa karakterisasi bahan baku ……… 117 2. Prosedur analisa karakterisasi pati termoplastis dan

bioplastik………. 121 3. Hasil analisis spektrum FTIR………. 125 4. Tabel analisis ragam dan uji lanjut (Duncan) pengaruh perlakuan

konsentrasi maleat anhidrat dan jenis resin terhadap sifat

fisik-mekanik compatibilizer LLDPE-g-MA dan HDPE-g-MA ………. 133 5. Tabel analisis ragam dan uji lanjut (Duncan) pengaruh perlakuan

konsentrasi TPS dan MA pada compatibilizer LLDPE-g-MA dan HDPE-g-MA terhadap sifat fisik, mekanik, permeabiliti dan

biodegradabilitas bioplastik TPS/LLDPE dan TPS/HDPE ………. 137 6. Tabel analisis ragam dan uji lanjut (Duncan) pengaruh suhu

penyimpanan terhadap sifat mekanik dan permeabilitas bioplastik

GLOSARIUM

Amilosa : fraksi polimer glukosa berantai lurus dengan ikatan α -1,4 glukosida.

Amilopektin : fraksi polimer glukosa rantai bercabang dengan ikatan α-1,4 glukosida pada rantai lurusnya serta ikatan α-1,6 glukosida pada percabangannya.

Amorphous : struktur sekunder polimer yang cenderung tidak beraturan (acak)

Biodegrabilitas : kemapuan degradasi matriks polimer karena aktivitas mikroorganisme yang dapat menyebabkan perubahan karakteristik matriks polimer (sifat mekanik, warna, berat molekul).

Bioplastik : plastik yang bahan bakunya berasal dari biomas yang dapat diperbarui.

Compatibilizer : bahan aditif yang berfungsi meningkatkan adhesi permukaan dan menurunkan tegangan permukaan antara dua bahan yang berbeda sifat.

Densitas : ukuran kepadatan/kerapatan molekul polimer.

Elongation : persentase perpanjangan putus suatu matriks polimer setelah ditarik.

Hidrofilik : sifat kesukaan/keterikatan suatu bahan terhadap molekul air karena mimiliki gugus hidroksil bebas yang besar. Hidrofobik : sifat menahan molekul air dari suatu matriks polimer. Melt Flow Indexs

(MFI)

: ukuran kekentalan material plastik pada saat terkena panas diatas temperatur lelehnya.

Permeabilitas : kecepatan atau laju transmisi uap air/oksigen melalui suatu unit luasan bahan dengan ketebalan dan kondisi tertentu.

Plastik

biodegradable

: plastik yang dapat digunakan layaknya seperti plastik pada umumnya, namun akan hancur terurai oleh aktivitas mikroorganisme.

Semi-kristalin : struktur sekunder polimer yang cenderung tidak beraturan

Titik leleh : temperatur yang mengindikasikan material mulai mengelami perubahan/perpindahan dari fase kristalin/semi kristalin ke fase amorf.

Tensile Impact : ukuran ketahanan benturan dari suatu produk polimer. Tensile strength : ukuran kekuatan suatu material untuk mempertahankan

GLOSARIUM

Amilosa : fraksi polimer glukosa berantai lurus dengan ikatan α -1,4 glukosida.

Amilopektin : fraksi polimer glukosa rantai bercabang dengan ikatan

α-1,4 glukosida pada rantai lurusnya serta ikatan α-1,6

glukosida pada percabangannya.

Amorphous : struktur sekunder polimer yang cenderung tidak beraturan (acak)

Biodegrabilitas : kemapuan degradasi matriks polimer karena aktivitas mikroorganisme yang dapat menyebabkan perubahan karakteristik matriks polimer (sifat mekanik, warna, berat molekul).

Compatibilizer : bahan aditif yang berfungsi meningkatkan adhesi permukaan dan menurunkan tegangan permukaan antara dua bahan yang berbeda sifat.

Densitas : ukuran kepadatan/kerapatan molekul polimer.

Hidrofilik : sifat kesukaan/keterikatan suatu bahan terhadap molekul air karena mimiliki gugus hidroksil bebas yang besar. Hidrofobik : sifat menahan molekul air dari suatu matriks polimer. Semi-kristalin : Struktur sekunder polimer yang cenderung tidak

beraturan Melt Flow Indexs

(MFI)

: ukuran kekentalan material plastik pada saat terkena panas diatas temperatur lelehnya.

Permeabilitas : kecepatan atau laju transmisi uap air/oksigen melalui suatu unit luasan bahan dengan ketebalan dan kondisi tertentu.

Titik leleh : temperatur yang mengindikasikan material mulai mengelami perubahan/perpindahan dari fase kristalin/semi kristalin ke fase amorf.

Tensile strength : ukuran kekuatan suatu material untuk mempertahankan bentuknya apabila ditarik.

Elongation : persentase perpanjangan putus suatu matriks polimer setelah ditarik.

1.

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Material plastik banyak digunakan karena sifatnya praktis, fleksibel, ringan, tahan air, dan harganya relatif murah serta terjangkau oleh semua kalangan masyarakat, selain itu plastik mudah diproduksi secara massal. Namun, plastik masih mempunyai sifat kurang menguntungkan. Limbah plastik dapat mencemari lingkungan karena plastik merupakan bahan yang sulit terdegradasi. Plastik tidak mudah hancur karena pengaruh lingkungan antara lain oleh cuaca hujan dan panas matahari maupun mikroba yang hidup dalam tanah, sehingga sampah plastik merupakan persoalan lingkungan yang harus segera ditangani.

Rata-rata setiap tahunnya orang Indonesia membuang 700 lembar kantong plastik (BPS 2011). Tingginya konsumsi plastik mengakibatkan meningkatnya volume limbah yang dihasilkan dan menimbulkan permasalahan lingkungan. Berdasarkan laporan Dinas Kebersihan Provinsi DKI Jakarta pada tahun 2011 rata-rata limbah plastik mencapai mencapai 524 ton per hari atau 7,7% dari total produksi sampah harian Jakarta.

Usaha-usaha telah dilakukan untuk mengurangi limbah plastik seperti teknologi pengolahan sampah, daur ulang dan pembakaran. Namun usaha-usaha tersebut belum secara efektif menyelesaikan persoalan yang ada. Pembakaran plastik akan menghasilkan gas CO2 yang akan semakin meningkatkan pemanasan

global. Salah satu solusi atau usaha alternatif yang akhir-akhir ini digunakan adalah penggunaan bahan baku dari alam sebagai bahan pembuat plastik yang dikenal sebagai bioplastik (Salmoral et al. 2000; Song dan Zheng 2008; Rivero et al. 2009; Pushpadass et al. 2010). Bioplastik adalah plastik yang dapat digunakan layaknya seperti plastik pada umumnya, namun plastik tersebut akan hancur terurai oleh aktivitas mikroorganisme (Avella et al. 2005). Karena sifatnya yang dapat kembali ke alam, bioplastik adalah bahan plastik yang ramah terhadap lingkungan. Selain ramah terhadap lingkungan, kelebihan bioplastik adalah bahan baku yang digunakan dapat diperbarui dan jumlahnya melimpah. Dengan

2

demikian, penelitian mengenai bioplastik menjadi sangat perlu untuk menggantikan plastik konvensional (sintetis) sebagai bahan kemasan.

Penelitian untuk membuat bioplastik telah dilakukan oleh beberapa peneliti dengan berbagai cara, antara lain modifikasi plastik sintetis dan mencampurkan plastik dengan pati yang sudah dimodifikasi (Kim dan Lee 2002; Ning et al. 2007; Pushpadass et al. 2010). Pedroso dan Rosa (2005) melakukan modifikasi pencampuran antara plastik daur ulang LDPE (recycled LDPE) dengan pati jagung yang menghasilkan peningkatan nilai young modulus (MPa) dari 220 MPa menjadi 330 MPa. Yuliasih dkk (2010) dan Permatasari (2010) melakukan penelitian pembuatan bioplastik berbasis campuran antara tapioka-onggok dan LDPE/HDPE yang menghasilkan karakteristik kemapuan degradasi mencapai 14,5-48,0%, namun plastik yang dihasilkan masih memiliki sifat mulur yang rendah (1,65%) dan warna yang coklat.

Berdasarkan bahan baku yang dipakai, pati merupakan salah satu bahan baku bioplastik seperti pati sagu, pati singkong, pati jagung dan lain-lain. Menurut Song dan Zheng (2008), penggunaan pati sebagai salah satu bahan baku pembuatan bioplastik mempunyai beberapa keuntungan antara lain harganya relatif murah, dapat terdegradasi dan dapat diperbaharui, selain itu juga berdampak rendah terhadap pencemaran lingkungan (Fang dan Hanna 2001). Tapioka atau pati singkong merupakan salah satu bahan baku pembuatan bioplastik. Produksi tapioka Indonesia mencapai 4-5 juta ton pertahun (BPS 2011). Hal yang mendorong penggunaan tapioka sebagai salah satu bahan pembuatan bioplastik adalah harganya lebih murah daripada tepung jagung dan lainnya serta ketersediannya relatif besar di Indonesia.

Pati secara umum memiliki keunggulan bila dijadikan bahan baku bioplastik yaitu permeabilitas oksigen yang cukup rendah. Namun, pati mempunyai kecenderungan menyerap air dari udara karena sifatnya yang hidrofilik. Oleh karena itu, pati sebagai bahan baku bioplastik memiliki kelemahan yaitu rendahnya sifat mekanik dan tingginya laju transmisi uap air (Prachayawarakorn et al. 2010). Untuk mengurangi kelemahan sifat mekanik pati dengan cara memodifikasi pati menjadi pati termoplastik (Thunwall et al. 2008; Pushpadass et al. 2010; Yokesahachart dan Yoksan 2011). Pati termoplastik

sebagai bahan pembuat bioplastik mempunyai keunggulan yaitu lebih tahan terhadap suhu tinggi (140-160ºC) dibandingkan pati alami (De Vlieger 2003 dalam Yokesahachart dan Yoksan 2011). Pati termoplastik lebih tahan terhadap deformasi dikarenakan adanya bahan pemlastis dan destrukturisasi granular, sehingga kerusakan permanen bisa diminimalkan (Ishiaku et al. 2002).

Pembentukan pati termoplastis dipengaruhi oleh kondisi proses dan formulasi bahan yang digunakan. Selama proses termoplastisasi, air sebagai bahan pemlastis akan masuk ke dalam pati dan berperan sangat signifikan. Bahan pemlastis akan membentuk ikatan hidrogen dengan pati, sehingga terjadi reaksi antar 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).

Pati termoplastik sebagai bahan pembuat bioplastik akan dicampur dengan resin plastik sintetik High Density polyethylene (HDPE) dan Low Linier Density polyethylene (LLDPE). HDPE dan LLDPE adalah bahan baku plastik yang mudah dibentuk ketika panas, berasal dari minyak bumi, kuat dan tidak bereaksi terhadap zat kimia lainnya. Pencampuran pati termoplastik dan resin sebagai bahan komposit bioplastik diharapkan dapat saling menutupi kelemahan sifat mekanik dan biodegradabilitas diantara keduanya (Tena-Salcido et al. 2008 dalam Escamilla et al. 2011).

Komposisi antara pati termoplastik dan resin sintetis juga menentukan sifat fisik-mekanik bioplastik yang dihasilkan. Hasil penelitian Prachayawarakorn et al. (2010) menunjukkan bahwa dengan meningkatnya konsentrasi LDPE meningkat pula nilai kekuatan tarik dan perpanjangan putus film. Menurut Pedroso dan Rosa (2005), penambahan pati mengurangi nilai indeks kecepatan alir, kekuatan tarik dan perpanjangan putus campuran pati/LDPE. Namun, perbedaan karakteristik dan sifat antara pati termoplastik dan resin menyebabkan campuran tidak kompatibel. Oleh karena itu, compatibilizer (Kaci et al. 2007; Pushpadass et al. 2010; Prachayawarakorn et al. 2010) diperlukan pada saat pencampuran sehingga keduanya dapat bercampur sempurna. Compatibilizer berfungsi meningkatkan adhesi permukaan dan menurunkan tegangan permukaan antara dua bahan yang berbeda sifat. Pembuatan compatibilizer menggunakan

4

maleat anhidrat (MA) dan sebagai inisiatornya adalah dikumil peroksida (DCP). Adanya compatibilizer (LLDPE-g-MA dan HDPE-g-MA) diharapkan campuran antara pati termoplastik dan resin sintetis (LLDPE/HDPE) lebih kompatibel dan pati termoplastik dapat terdispersi ke dalam matrik LLDPE/HDPE, sehingga bioplastik yang dihasilkan mempunyai sifat fisik mekanik yang tidak jauh berbeda dengan plastik kemasan konvensional dan mampu terdegradasi oleh lingkungan. Selain itu, proses pembuatan bioplastik sebagaimana tersebut di atas, diharapkan dapat diaplikasikan sebagai plastik kemasan yang dapat berfungsi sebagai wadah dan melindungi produk dari kerusakan karena faktor lingkungan.

1.2.Tujuan Penelitian

Tujuan umum dari penelitian ini adalah merekayasa proses produksi bioplastik yang dapat diaplikasikan sebagai plastik kemasan/kantong yang memiliki sifat mekanik (kuat tarik dan perpanjangan putus) sesuai standar plastik kemasan, sadangkan tujuan khusus penelitian ini adalah :

1. Mendapatkan karakteristik pati termoplastik yang dapat dijadikan bahan baku pembuatan bioplastik.

2. Mengetahui pengaruh maleat anhidrat dan jenis resin terhadap karakteristik compatibilizer (LLDPE-g-MA dan HDPE-g-MA) sebagai bahan baku pembuatan bioplastik.

3. Mendapatkan formula terbaik pembuatan bioplastik yang memiliki karakteristik sesuai dengan standar plastik kemasan.

4. Mengevaluasi karakteristik (mekanik, permeabilitas dan morfologi) bioplastik terpilih pada berbagai kondisi penyimpanan.

1.3. Lingkup Penelitian

Untuk mendapatkan bioplastik yang dapat diaplikasikan sebagai kemasan maka lingkup penelitian meliputi :

1. Bahan baku dan pemlastis (plasticizer) yang digunakan untuk pembuatan pati termoplastik adalah tapioka dengan merk dagang “Orang Tani”dan gliserol teknis.

2. Jenis resin polietilen yang digunakan untuk pembuatan bioplastik adalah HDPE (High Density Polyethylene) SF5007 dengan spesifikasi masa jenis

(densitas) 0,948-0,951 g/cm3 dan medium load melt indeks (MLHI) 13-17, LLDPE (Linier Low Density Polyethylene) UF181051 dengan spesifikasi masa jenis (densitas) 0,919-0,923 g/cm3 dan melt flow indeks (MFI) 0,8-1,2 yang diperoleh dari PT Chandra Asri.

3. Proses pembuatan pati termoplastik menggunakan rheomix (3000 HAAKE) pada suhu 90ºC dan kecepatan rotor 50 rpm, sedangkan proses pembuatan compatibilizer LLDPE-g-MA dan HDPE-g-MA menggunakan twin screw extruder (HAAKE) pada suhu 150ºC dan kecepatan rotor 75 rpm. Pada proses pembuatan bioplastik menggunakan twin screw extruder (HAAKE) pada suhu 130ºC-140ºC dengan kecepatan rotor 75 rpm.

4. Evaluasi karakteristik bioplastik yang dilakukan meliputi karakteristik mekanik (kekuatan tarik dan perpanjangan putus) dan laju transmisi uap air (WVTR). Kondisi suhu penyimpanan yang digunakan adalah suhu ruang (20-25ºC), suhu dingin (5-10ºC) dan suhu beku (-5 – -10ºC).

1.4.Kebaruan (Novelty)

Penelitian mengenai bioplastik telah banyak dilakukan oleh beberapa peneliti. Beberapa penelitian terdahulu yang telah dilakukan antara lain biodegradable films made from Low-Density Polyethylene (LDPE), rice starch and potato starch for food packaging applications (Arvanitoyannis et al. 1998); mechanical, thermal and morphological characterization of recycled LDPE/corn starch blends (Pedroso dan Rosa 2005); properties of thermoplastic rice starch composites reinforced by cotton fiber or low-density polyethylene (Prachayawarakorn et al. 2010); starch/polycaprolactone blends compatibilized with starch modified polyurethane (Ying et al. 2010) dan effect of compatibilizer and bamboo fiber content on the mechanical properties of PP-G-MA compatibilized polypropylene/bamboo fiber composite (Bonse et al. 2010).

Namun, penelitan-penelitian tersebut belum mengkaji atau menelaah sifat fungsional bahan aditif yang digunakan dan belum membahas secara mendalam pengaruh bahan aditif yang digunakan terhadap sifat fungsional bioplastik yang dihasilkan. Selain itu, peneltian tersebut hanya mengkaji pengaruh perlakuan (bahan baku atau aditif) terhadap sifat fisik-mekanik bioplastik. Oleh karena itu, penelitian ini dilakukan untuk berkontribusi terhadap beberapa hal yang belum

6

dilakukan oleh penelitian sebelumnya antara lain : menelaah sifat atau karakteristik fungsional bahan aditif yang digunakan (compatibilizer LLDPE-g -MA/HDPE-g-MA); menelaah pengaruh sifat fungsional compatibilizer terhadap karakteristik bioplastik yang dihasilkan; menelaah mengenai korelasi/keterkaitan antar parameter atau sifat fungsional bioplastik dan menguji serta menelaah pengaruh suhu penyimpanan terhadap stabilitas bioplastik apabila diperuntukkan sebagai plastik kemasan.

2. TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Bioplastik dan Karakterisasinya 2.1.1. Bioplastik

Pada awalnya plastik kebanyakan dibuat dari minyak bumi dan bersifat nonbiodegradable. Plastik konvensional (sintetik) mempunyai kelebihan antara lain kuat tarik dan perpanjangan putus yang tinggi, tahan tehadap air, harganya murah, dan efektivitas energi yang tinggi (Psomiadou et al. 1997). Selain itu, plastik konvensional mempunyai kestabilan fisiko-kimia yang sangat kuat sehingga plastik sangat sukar terdegradasi secara alami (Arvanitoyannis et al. 1998). Oleh karena itu, plastik konvensional dianggap tidak ramah lingkungan karena sifatnya yang tidak dapat didegradasi secara biologi di dalam tanah (Ishiaku et al. 2002). Apabila plastik ini dihancurkan dengan cara yang lain misalnya pembakaran, maka akan menghasilkan gas CO2 yang akan semakin

meningkatkan pamanasan global.

Pengembangan kemasan ramah lingkungan (bioplastik) merupakan alternatif solusi dalam menanggulangi permasalahan kemasan plastik nonbiodegradable. Plastik biodegradable adalah plastik yang dapat digunakan layaknya seperti plastik pada umumnya, namun akan hancur terurai oleh aktivitas mikroorganisme menjadi air dan gas karbondioksida atau methan (Rudnik 2007; Doi dan Fukuda 1994), sedangkan bioplastik adalah plastik yang bahan bakunya berasal dari biomass yang dapat diperbarui (renewable).

Polimer-polimer yang mampu terdegradasi memenuhi beberapa kriteria, yaitu mengandung salah satu dari jenis ikatan asetal, amida, atau ester, memiliki berat molekul dan kristanilitas rendah, serta memiliki hidrofilitas yang tinggi. Menurut Smith (2005), polimer yang dapat terdegradasi dapat diklasifikasikan menjadi dua kelompok yaitu polimer yang berasal dari alam dan polimer sintetis yaitu polimer yang berasal dari minyak mentah.

Menurut Baillie (2004) bioplastik dapat dihasilkan melalui tiga cara yaitu 1). biosintesis, seperti pada pati dan selulosa; 2). bioteknologi, seperti pada polyhydroxyl fatty acid; 3). proses sintesis kimia seperti pada pembuatan poliamida, poliester dan polivinil alkohol. Bioplastik berbahan baku dari alam

8

memiliki keunggulan ketersediaan dalam jumlah besar dan murah, namun bahan baku tersebut memiliki kelemahan dalam hal penyerapan air yang tinggi dan tidak dapat dilelehan tanpa bantuan bahan aditif (Budiman 2003). Steinbuchel (1995) melakukan studi mengenai penggunaan biosintetik, termobioplastik dan elastomer dari bahan baku yang dapat diperbaharui.

Jenis bioplastik yang banyak diteliti dan dikembangkan adalah plastik campuran dari bahan non-biodegradable dan biodegradable, misalnya polietilen dicampurkan dengan pati (Arvanitoyannis et al. 1998; Rodriguez-Gonzalez et al. 2004; Pedroso dan Rosa 2005; Rivero et al. 2009; Pushpadass et al. 2010). Pencampuran merupakan salah satu alternatif yang mungkin untuk diterapkan walaupun tidak terdegradasi sempurna. Proses pembuatan bioplastik yang berbasiskan pati dapat dilakukan dengan tiga cara yaitu : 1) mencampuri pati dengan resin sintetis (PE, LLDPE, PP) dalam jumlah kecil (10-40%) (Kim dan Lee 2002; Ning et al. 2007; Yao et al. 2008; Mengeloglu dan Karakus 2008) 2) mencampuri pati dengan turunan hasil samping minyak bumi, seperti PCL dalam komposisi yang sama (50% : 50%) dan 3) menggunakan proses ekstruksi untuk mencampur pati dengan bahan-bahan seperti protein kedelai, gliserol, alginat, lignin dan sebagainya sebagai plasticizer (Fringant et al. 1996; Da Roz et al. 2006; Sun et al. 2008).

Pencampuran polimer alami (pati termoplastik) dengan polimer sintetik (HDPE/LLDPE) akan saling menutupi kelemahan sifat fisik-kimia dan biodegradabilitas diantara keduanya. Namun, pencampuran tersebut memiliki kekurangan yaitu rendahnya homogenitas dan kompatibilitas serta rendahnya sifat mekanik polimer yang dihasilkan (Rivero et al. 2009; Prachayawarakorn et al. 2010; Wang et al. 2002). Salah satu cara untuk memperbaiki sifat fisik dan mekanik serta kompatibilitas komposit adalah menggunakan compatibilezer (Ismail dan Hairunezam 2001; Wang et al. 2002; Lopes dan Sousa 2005; Nam et al. 2010; Bonse et al. 2010).

Bahan yang digunakan untuk meningkatkan keterpaduan (compatibility) pada pencampuran dua jenis polimer yang tidak saling melarutkan (immiscible) adalah pemadu atau lebih dikenal compatibilizer (Wang et al. 2002; Prachayawarakorn et al. 2010; Akbari dan Bagheri 2012). Compatibilizer

merupakan senyawa spesifik yang dapat digunakan untuk memadukan polimer yang tidak kompatibel menjadi campuran yang stabil melalui ikatan intermolekuler (Mehta dan Jain 2007). Pada umumnya compatibilizer berfungsi sebagai interfacial agent dalam campuran polimer. Biasanya compatibilizer yang digunakan identik dengan komponen campuran atau mengandung gugus fungsi yang sesuai dengan salah satu komponen campuran. Prinsip kerja compatibilizer adalah sebagai interface yang mempengaruhi adhesi interfacial dan tegangan interfacial (Wang et al. 2002; Stevens 2007; Nam et al. 2010). Adhesi interfacial akan semakin besar dan tegangan interfacial akan turun dengan penambahan compatibilizer.

Compatibilizer yang pernah diapliksikan untuk campuran pati dan LDPE ialah asam akrilat (AA) dan maleat anhidrat (MA) (Kalambur dan Rizvi 2006; Khalaf et al. 2008; Prachayawarakorn et al. 2010). Reaksi diawali dengan inisiator seperti benzoyl peroxide (BPO) atau dicumyl peroxide (DCP). MA-functionalized polymer komersial bisa disintesis dengan penambahan MA secara langsung pada rantai polimer. Reaksi ini umumnya dilakukan pada kondisi pencairan selama ekstrusi. Maleated polymer bisa bereaksi dengan pati melalui penambahan gugus anhidrida bebas. Reaksi anhidrida dengan pati hidroksil membentuk ester yang tidak menghasilkan air selama reaksi (Kalambur dan Rizvi 2006). Campuran pati-LDPE dengan compatibilizer MA mampu. meningkatkan kekuatan tarik hingga 2 kali lipat (Pedroso dan Rosa 2005).

Penelitian penggunaan compatibilizer pernah dilakukan oleh Mehrabzadeh et al. (2009) yang menggunakan maleat anhidrat (MA) pada HDPE/clay nanokomposit. Hasil sifat mekanik (tensile modulus) menunjukan terjadi peningkatan tensile modulus pada sampel dengan 1% MA, 0,2% DCP dan 5% clay Nilai tertinggi tensile modulus terjadi pada clay 1.30TC. Hasil analisi FTIR HDPE dan HDPE-g-MA bahwa ditemukan peak-peak baru pada bilangan gelombang 1718 dan 1790 cm-1. Munculnya peak 1790 cm-1 gugus bidang karbonil (C=O) tidak simetrik pada MA, sedangkan bilangan gelombang 1718 cm

-1

gugus bidang karbonil (C=O) simetrik pada MA. Hasil penelitian Khalaf et al. (2008) pada FTIR menunjukan PE-g-MA ikatan yang sangat kuat pada bilangan gelombang 1779 cm-1 cm dan 1859 cm-1 yaitu karakteristik cyclic anhydride.

10

Ikatan pada bilangan gelombang 1221 menghubungkan bidang vibrasi C-O pada cyclic anhydride.

Prachayawarakorn et al. (2010) melakukan penelitian menggunakan maleat anhidrit (MA) dan viniltrimetoksi silane (VTMS) sebagai compatibilizer. Hasil analisis kuat tarik menunjukan bahwa terjadi peningkatan nilai kuat tarik seiring peningkatan pemberian MA. Nilai maksimum kuat tarik terjadi pada pemberian MA 3% pada kosentrasi LDPE yang berbeda. Hasil yang sama juga didapat pada pengamatan nilai modulus young’s.

Peningkatan sifat kuat tarik karena ikatan antara LDPE dan PE pada molekul MA-g-PE seperti yang terlihat pada Gambar 2.1. Kuatnya ikatan ester dapat terbentuk antara MA pada MA-g-PE dan pati beras yang bersifat hidrofilik sehingga bagian yang tidak kompatibel antara pati beras dan LDPE dapat dihubungkan dan saling memperkuat.

Gambar 2.1 Skema interaksi antara TPRS/LDPE/MA-g-PE (Prachayawarakorn et al. 2010)

Hasil yang sama juga dilakukan oleh Prachayawarakorn et al. (2010) dengan menggunakan VTMS sebagai compatibilizer. Nilai kuat tarik dan modulus young’s meningkat seiring meningkatnya pemberian dan nilai maksimum pemberian adalah 3% VTMS, sedangkan untuk nilai elongasinya menurun sampai konstan dengan jumlah pemberian VTMS yang berbeda. Peningkatan nilai kuat tarik terjadi karena ikatan kimia Si-O-pati terbentuk antara grup silanol dan grup hidroksil pada pati. Di samping itu, ikatan rangkap pada bagian vinil dalam molekul VTMS kemungkinan dihubungkan pada proses suhu tinggi kemungkinan lepas ke ikatan kimia antara vinil pada molekul VTMS dan LDPE. Selain

penggunaan compatibilizer yang berfungsi meningkatkan homogenistas dan kompatibilitas komposit polimer, plasticizer juga digunakan untuk meningkatkan fleksibilitas dan mobilitas rantai polimer.

Plasticizer adalah salah satu komponen bahan dasar pembuatan bioplastik yang berfungsi untuk mengatasi sifat rapuh lapisan plastik yang disebabkan oleh kekuatan intermolekuler ekstensif. Plasticizer atau yang disebut juga pemlastis dapat mengurangi kekuatan intermolekuler ekstensif dan meningkatkan mobilitas dari rantai polimer, sehingga fleksibilitas dan ekstensibilitas lapisan plastik meningkat (Song dan Zheng 2008). Bahan-bahan hidrofilik seperti air, poliol, oligosakarida dan asam laktat dapat digunakan sebagai plasticizer (Cuq et al. 1997; Pouplin et al. 1999).

Plasticizer meningkatkan daya aliran dan sifat termoplastik bahan plastik dengan penurunan viskositas polimer, suhu transisi gelasnya (Tg), suhu pelelehan

(Tm) dan modulus elastis produk akhir (Chanda dan Roy 2007). Pada hasil analisis DSC , Nilai Tg termoplastik berbahan baku pati gandum (TPS) menurun dari -46ºC menjadi -56°C dengan meningkatnya gliserol dari 29% ke 40% (Rodriguez-Gonzalez et al. 2004). Pada kadar air rendah (1%) suhu transisi TPS menurun tajam dari 145 ºC menjadi 70ºC dengan meningkatnya kandungan gliserol dari 14 menjadi 29% , ketika TPS mengandung 29 dan 39% gliserol menunjukan suhu transisi keduanya rendah berkisar -50°C.

Bahan pemlastis memegang peranan penting dalam pembuatan pati termoplastik. Pemlastis adalah bahan organik dengan berat molekul rendah yang ditambahkan untuk memperlemah kekakuan dari polimer, sekaligus meningkatkan fleksibilitas dan ekstensibilitas polimer (Song dan Zheng 2008). Pada umumnya bahan yang bersifat kaku disebabkan karena suhu transisi gelasnya (Tg) diatas

suhu ruang dan struktur molekul bahan yang sangat kristalin (Wade 1991). Efek penambahan pemlastis dapat atau tidak mengurangi kristalinitas polimer. Menurut hasil pengamatan Rodriguez-Gonzalez et al. (2004) pada pola X-ray diffraction antara TPS yang mengandung gliserol 40% dan 29% tidak merubah rasio fraksi kristalin ke amorphous. Adanya daerah kristalin dibuat oleh ikatan komplek amilosa-lipids yang tidak mempunyai respon yang khusus untuk sifat viskoelastis yang ditunjukkan oleh material TPS.

12

Namun demikian, adanya bahan pemlastis dapat berpengaruh negatif terhadap sifat mekanis plastik, yakni memberikan sifat soft dan weak (Kalambur dan Rizvi 2006). Menurut Gontard dan Guilbert (1993) dalam Song dan Zheng (2008) tanpa plasticizer, bahan baku tepung gandum bersifat rapuh dan sulit ditangani. Faktor yang berpengaruh dalam pemilihan bahan pemlastis diantaranya struktur molekul, polaritas, kualitas produk yang diinginkan, sifat dan biaya. Menurut Chanda dan Roy (2007), sifat plasticizer ditentukan oleh struktur kimia sebab plasticizer dipengaruhi oleh polaritas dan flexibilitas molekul.

Penggunaan pemlastis seperti gliserol lebih unggul karena tidak ada gliserol yang menguap dalam proses dibandingkan dengan dietilena glikol monometil eter (DEGMENT), etilena glikol (EG), dietilena glikol (DEG), trietilena glikol (TEG), dan tetraetilena glikol. Hal ini disebabkan titik didih gliserol cukup tinggi (290° C) jika dibandingkan dengan DEGMENT, EG, DEG, TEG dan tidak ada interaksi antara gliserol dan molekul protein dalam bahan baku plastik. Gliserol sebaiknya digunakan pada konsentrasi 20% sampai 30% karena jika berlebihan plastik akan lengket. Gliserol sesuai bila digunakan sebagai pemlastis pada pembuatan plastik berbasis pati. Ini sesuai dengan pendapat Rodriguez-Gonzalez et al. (2004) yang menyatakan bahwa penggunaan gliserol sebagai plasticizer berkisar 30%.

Hasil penelitian Mali et al. (2005) menunjukkan bahwa semakin meningkatnya kelembaban (RH) dan konsentrasi plasticizer (gliserol) maka nilai modulus young’s menurun. Hal tersebut berhubungan dengan modifikasi struktur jaringan pati ketika plasticizer ditambahkan, matriks film menjadi kurang kuat dan terjadinya pergerakan rantai polimer. Cuq et al. (1997) mengemukakan bahwa plasticizer dengan berat molekul rendah akan menghasilkan film yang lebih plastis dari pada plasticizer dengan molekul tinggi.

2.1.2. Karakteristik Bioplastik

2.1.2.1. Karakteristik Mekanik

Karakteristik bioplastik dapat dilihat dari sifat mekanik dan kemampuan biodegradasinya. Sifat mekanik didefinisikan sebagai respon sampel terhadap pembebanan dan deformasi. Sifat ini merupakan salah satu sifat yang penting untuk mengetahui kegunaan suatu plastik. Sifat mekanik polimer ditentukan oleh

proses polimerisasi, ikatan molekul, kristalinitas, kerapatan, keadaan polimer dan adanya ikatan silang antar molekul (Latief 2001). Menurut Surdia dan Saito (1985), kuat tarik dan perpanjangan putus merupakan sifat mekanik dasar dari suatu bahan yang berhubungan dengan struktur kimia plastik. Pada umumnya sifat mekanik bioplastik komposit menunjukkan peningkatan modulus, tetapi terjadi penurunan elongasi.

Stevens (2007) menyatakan bahwa kuat tarik merupakan ukuran besarnya beban atau gaya yang dapat ditahan sebelum suatu sampel rusak atau putus. Kuat tarik diukur dengan menarik polimer pada dimensi yang seragam. Tegangan tarik (σ) adalah gaya yang diaplikasilkan (F) dibagi dengan luas penampang (A). Persen pemanjangan (elongation) adalah perubahan panjang spesimen akibat gaya yang diberikan.

Kurva tegangan regangan ditunjukkan pada Gambar 2.2. Dalam sebuah kurva tegangan regangan, pada mulanya elastisitas tinggi sampai mencapai suatu titik hingga plastik mengalami deformasi. Sebelum titik deformasi, plastik akan memiiiki sifat perpanjangan yang masih dapat balik, namun setelah pada titik strain yield (maksimum) perpanjangan tidak dapat balik (deformasi) hingga pada akhirnya plastik akan patah pada titik break.

Gambar 2.2 Kurva tegangan regangan (Stevens 2007)

Kuat tarik dipengaruhi oleh bahan pemlastis yang ditambahkan dalam proses pembuatan plastik (Latief 2001). Kekuatan tarik suatu bahan timbul sebagai reaksi dari ikatan polimer antara atom-atom atau ikatan sekunder antara

14

rantai polimer terhadap gaya luar yang diberikan Baillie (2004). Kuat tarik merupakan kemampuan suata bahan dalam menahan tekanan yang diberikan saat bahan tersebut berada dalam regangan maksimal. Kekuatan peregangan menggambarkan tekanan maksimal yang dapat diterima oleh bahan atau sampel. Nilai kuat tarik yang diukur merupakan puncak grafik tekanan-regangan (Gontard dan Guilbert1993).

Pemberian gaya secara terus menerus akan menekan bahan sehingga terjadi perubahan peregangan. Pada saat tidak mampu lagi menahan gaya tekan, maka akan terjadi cracking, yaitu titik dimana deformasi permanen terjadi. Bahan yang sanggup menahan regangan besar sebelum pecah termasuk sebagai bahan ulet dan liat (Popov 1996). Karakteristik mekanik bioplastik dari berbagai komposit dapat dilihat pada Tabel 2.1.

Tabel 2.1 Karakteristik mekanik bioplastik dari berbagai jenis komposit Jenis Komposit Tensil Modulus (MPa) Elongasi (%) Kuat Tarik (MPa) Proses

PHBV/20 wt % 0/90/0 Serat nanas.

2158 3.0 46.0 Compression

TPS/16 wt % pulp kayu

320 11.0 11.0 Intensive mixer

-iompression

TPS/5 wt % clay - 57.2 3.3 Intensive mixer

-injection

TPS/20 wt % flax - - 36.4 Twin-screw

extruder-injection

PLA/20 wt % flax 5700 - 66.0 Twin-screw

extruder-injection

Isolate protein kedelai/ 20 wt % serat rami

550 10.0 17.0 Mixing-

Compression

Sumber : Baillie (2004)

Pati pada umumnya bersifat hidrofilik yang cenderung mudah untuk meyerap air. Sifat pati yang cenderung hidrofilik menyebabkan sifat fisik dan mekanik pati rendah. Oleh karena itu, cara untuk mengatasi sifat fisik-mekanik yang rendah salah satunya adalah mencampurkan pati dengan plastik sintetis (PE, PP, PET). Namun, bahan baku plastik sintetik sangat sulit terdegradasi oleh lingkungan. Diharapkan dengan pencampuran kedua komponen tersebut akan

didapatkan film/plastik dengan sifat fisik-mekanik terbaik dan mudah untuk terdegradasi.

Arvanitoyannis et al. (1998) telah melakukan penelitian tentang pencampuran antara LDPE, pati beras dan pati kentang. Hasil penelitian sifat fisik-mekanik (kuat tarik modulus dan perpanjangan putus) menunjukkan tidak tercampurnya pati secara homogen dengan LDPE yang menyebabkan nilai kuat tarik dan modulusnya cenderung rendah/menurun (Tabel 2.2), tetapi proses pencampuran masih dapat dilakukan sampai kandungan pati tidak melebihi 20%. Nilai kuat tarik dan perpanjangan putus hasil penelitian Arvanitoyannis et al. (1998) mempunyai nilai yang tidak jauh berbeda dengan nilai hasil penelitian Griffin (1994).

Tabel 2.2 Nilai kuat tarik, modulus dan perpanjangan putus pada bioplastik pati Beras/LDPE Rasio LDPE/ Pati beras Kadar Air (%) Kuat tarik (MPa) Tensile Modulus (Mpa) Perpanjangan putus (%) 100/0 95/5 95/5 95/5 90/10 90/10 90/10 80/20 80/20 80/20 70/30 70/30 70/30 70/30 60/40 60/40 60/40 0 0 3 6 0 4 9 0 9 15 0 8 12 17 0 5 12 8,34±0,72 7,89±0,51 6,30±0,21 5,12±0,18 7,52±0,48 6,01±0,39 4,83±0,44 6,88±0,38 4,65±0,29 5,20±0,32 5,76±0,29 4,29±0,33 3,90±0,25 3,32±0,30 4,96±0,27 4,17±0,28 3,52±0,31 195±17 176±18 141±12 104±9 160±19 125±12 89±7 132±11 85±7 62±5 103±9 68±6 59±7 48±6 85±6 64±5 51±4 627±40 490±29 530±35 562±40 340±23 450±33 509±38 160±13 300±21 395±35 110±12 205±18 278±25 340±30 55±6 123±11 210±18 Sumber : Arvanitoyannis et al. (1998)

Hasil pengkuran nilai WVTR yang dilakukan oleh Arvanitoyannis et al. (1998) menunjukkan bahwa kandungan pati yang tinggi pada pencampuran LDPE-pati kentang dan beras menyebabkan nilai WVTR tinggi. Meningkatnya

16

nilai WVTR disebabkan karena sifat pati yang mudah menyerap air (hidrofilik). Pada pati rantai tidak cukup padat/keras dibandingkan dengan semikristalin pda polimer sintetik dan polimer sintetik tersebut mempunyai hampaan/ruang yang sangat kecil untuk molekul air yang biasanya terjadi. Perpindahan air dari granula pati menyebabkan tingginya derajat kristalinitas dibuktikan dengan hilangnya sifat intensitas dan kejelasan pola WAXD (French 1984).

Hasil penelitian yang didapat oleh Pedroso dan Rosa (2005) yang menggunakan bahan baku campuran LDPE dan pati jagung menunjukkan bahwa nilai melt flow index (MFI) LDPE asli dan daur ulang tidak berbeda secara signifikan. Nilai MFI menurun seiring meningkatnya kandungan Pati. Pati berperan sebagai bahan pengisi yang menyebabkan meningkatnya modulus elastik bahan campuran dan viskositas larutan sehingga menurunkan nilai MFI. LDPE daur ulang/pati mempunyai nilai MFI lebih rendah dibandingkan LDPE asli/pati. Perbedaan disebabkan tingginya interaksi permukaan antara LDPE daur ulang dan pati karena grup karboksilat dan keton pada PE dapat bereaksi dengan grup karboksilat pada pati untuk membentuk ikatan diantara keduanya.

Pedroso dan Rosa (2005) juga mengukur nilai kuat tarik polimer biodegradable berbahan baku campuran pati jagung dan LDPE. Hasil yang didapat menunjukkan bahwa nilai kuat tarik pada semua formulasi LDPE/pati menurun dengan meningkatnya kandungan pati. Hal tersebut menunjukkan bahwa pati jagung berfungsi sebagai bahan pengisi yang melemahkan. Nilai kuat tarik mengalami penurunan sebesar 57%, 60% dan 74% pada campuran LDPE asli/pati pada kadar pati 30,40 dan 50% dibandingkan dengan nilai kuat tarik tanpa penambahan pati, sedangkan Penurunan pada campuran d LDPE daur ulang/pati mengalami penurunan sebesar 53%, 55% dan 71%. Penggunaan LDPE daur ulang tidak berpengaruh secara signifikan kuat tarik pada kosentrasi campuran pati 40 dan 50%. Penurunan nilai kuat tarik setelah penambahan pati ke PE disebabkan interaksi permukaan yang rendah antara komponen material campuran.

Untuk nilai modulus young’s (kekakuan film), tidak ada perbedaan signifikan antara LDPE daur ulang dan asli. Pada penambahan pati ke polimer PE, nilai modulus young menunjukkan devisiasi standar yang tinggi. Nilai modulus young meningkat pada penambahan pati 30%. Pada umumnya nilai modulus

berhubungan erat dengan bahan yang mudah patah. Untuk bahan yang mengandung pati lebih dari 30% nilai modulus young cenderung menurun, kemungkinan disebabkan kegetasan yang rendah dari pati. Pada kandungan pati 30% dan 40% yang ditambahkan ke LDPE, nilai modulus young lebih tinggi pada pencampuran dengan LDPE daur ulang. Namun, bila kandungan pati 50% ditambahkan ke LDPE, nilai modulus young lebih tinggi pada pencampuran dengan LDPE asli.

Abourto et al. (1997) mengukur nilai perpanjangan putus pada campuran LDPE/modifikasi pati menunjukkan bahwa nilai elongasi statis pada kandungan pati lebih dari 25%, bila dicampur dengan pati termoplastik nilai toleransi maksimum adalah 15%. St-Pierre et al. (1997) mencampur PE dengan pati tergelatinisasi dan termoplastik. Nilai modulus young dan kuat tarik menunjukkan penurunan yang kecil dengan meningkatnya kandungan pati. Nilai perpanjangan putus film menurun secara drastis ketika kandungan pati melebihi 10%.

2.1.2.2. Degradasi Plastik

Selain sifat fisik-mekanik, faktor lain yang harus dipertimbangkan dalam pembuatan plastik adalah kemampuan degradasi. Alasan utama membuat plastik berbahan dasar biopolimer adalah sifat alamiahnya yang dapat hancur atau dapat terdegradasi dengan mudah. Menurut Shah et al. (2008) degradasi dinyatakan sebagai perubahan sifat bahan seperti perubahan sifat mekanik, warna, mengalami keretakan/pecah dan perubahan daya kelistrikannya. Pada umumnya setelah sampah plastik dibuang ke tanah, akan mengalami proses penghancuran alami baik melalui proses fotodegradasi (cahaya matahari atau katalisator), degradasi kimiawi (air atau oksigen), biodegradasi (bakteri, jamur, alga, atau enzim) atau degradasi mekanik (angin atau abrasi). Singh dan Sharma (2008) mengklasifikasi degradasi polimer yaitu foto-oksidatif degradasi, termal degradasi, ozon degradasi, mekanik degradasi, katalis degradasi dan biodegradasi.

Foto-oksidatif degradasi adalah proses dekomposisi bahan dengan bantuan cahaya. Cahaya yang biasa digunakan adalah UV. Radiasi UV mempunyai cukup energi untuk memutus ikatan C-C (Singh dan Sharma 2008). Setiap jenis polimer plastik mempunyai panjang gelombang UV tertentu untuk memutus rantainya. Rantai polietilen dapat diputus oleh sinar UV pada panjang gelombang 300 nm,

18

sedangkan rantai polipropilen dapat diputus oleh sinar UV pada panjang gelombang 70 nm (Singh dan Sharma 2008). Menurut Mashuri (2006), ikatan rantai di dalam makromolekul mempunyai energi 300 kJ dan 500 kJ, sedangkan sinar ultra violet dari sinar matahari mempunyai panjang gelombang 400 nm yang mempunyai energi sebesar 3,03-6,06 eV. Energi ini mampu memutuskan ikatan dalam makromolekul dan membentuk radikal bebas.

Degradasi polimer yang lain adalah biodegradasi. Biodegradasi adalah perubahan biokimia suatu senyawa menjadi mineralisasi dengan bantuan mikroorganisme (Singh dan Sharma 2008). Pada kondisi aerobik, mineralisasi senyawa organik menghasilkan karbondioksida dan air, sedangkan pada kondisi anaerobik biodegradasi menghasilkan methan dan karbondioksida. Faktor-faktor yang dapat meningkatkan degradasi biopolimer antara lain hidrolisis abiotik, fotooksidasi dan ketidakhomogenan fisik polimer. Menurut ASTM D-5488-94d, biodegradasi adalah proses yang dapat menguraikan suatu bahan menjadi karbondioksida, methan, air, senyawa anorganik yang mekanisme utamanya adalah reaksi enzimatik mikroorganisme.

Beberapa metode uji untuk mengetahui biodegradasi polimer antara lain ASTM dan ISO. Degli-Innocenti et al. (2000) mengembangkan dua metode pengujian untuk mengukur degrabilitas plastik. Metode pertama meliputi prosedur laboratorium untuk pengukuran penguraian plastik dengan composting dengan cara menghitung perbedaan berat awal dan berat akhir. Metode kedua menggunakan ISO 14855 dengan penggunaan inokulum. Mohee (1998) menguji kemampuan degradasi dengan metode composting. Biodegradasi suatu polimer dapat dicirikan yaitu kehilangan berat, perubahan mekanik (kekuatan tarik dan perpanjangan putus), perubahan fisik, produksi karbondioksida, aktivitas bakteri dalam tanah dan perubahan distribusi berat molekul.

Menurut Briassoulis et al. (2004) kriteria kualitas dan kuantitas untuk menentukan karakterisasi degradasi merupakan faktor yang sangat penting. Beberapa kriteria yang dapat dijadikan dasar untuk menentukan degradasi suatu polimer menurut Briassoulis et al. (2004) antara lain 1) perubahan elongasi; perubahan elongasi terjadi bila ada perubahan pada phase amorphousnya. Perubahan elongasi berhubungan dengan perubahan kimia (pembentukan

kelompok karbonil) selama fotooksidasi (Wypych 1995); 2) derajat kristalinitas; perubahan kristalinitas selama degradasi polimer sangat berhubungan dengan perubahan kimia seperti oksidasi, adanya crosslinking dan hidrolisis (Rabek 1996); 3) berat molekul; 4) kuat tarik; dan 5) densitas. Kriteria karakteristik utama yang digunakan oleh industri untuk mengetahui degradasi PE adalah perubahan elongasinya (Briassoulis et al. 2004).

Karakteristik polimer seperti kristalinitas, berat molekul, adanya plasticizer, dan penambahan bahan aditif akan mempengaruhi tingkat degradasi plastik (Artam dan Doble 2008). Pengaruh temperatur merupakan faktor yang sangat penting dalam degradasi yang dapat meningkatkan kecepatan reaksi kimia yang dihubungkan dengan degradasi (Briassoulis dan Aristopoulou 2002). Beberapa perubahan yang terjadi dalam iradiasi polimer mempengaruhi sifat mekanik polimer. Jenis degradasi seperti hidrolisis dan oksidasi makromulekul dapat terjadi. Proses tersebut sangat tergantung pada jenis ikatan, keberadaan katalis dan temperatur (Briassoulis dan Aristopoulou 2002).

Menurut Dilara dan Briassoulis (2000), faktor-faktor penting mempengaruhi degradasi film LDPE rumah kaca adalah radiasi panas, suhu udara, RH, kekuatan mekanik dan polusi udara. Degradasi terjadi karena adanya mekanisme radikal bebas dengan skema tahapan proses inisiasi, propagasi, pemecahan rantai, dan terminasi. Radikal bebas yang dibentuk pada tahap awal, proses foto oksidasi propagasi, memberikan peningkatan proses oksidasi dengan adanya oksigen dan akhirnya memulai degradasi film PE. Proses oksidasi polimer mengakibatkan terbentuknya gugus baru dan peningkatan gugus karbonil (C=O). Peningkatan gugus karbonil memudahkan akses mikroorganisme ke dalam molekul polimer. Selain itu, pembentukan gugus karbonil dapat dijadikan sebagai laju degradasi polimer. Menurut Briassoulis et al. (2004) faktor-faktor yang mempengaruhi radiasi panas total pada degradasi LDPE antara lain panjang gelombang yang digunakan, difusi oksigen, proses dan mekanisme foto degradasi, persentase kristalinitas dan kuat tarik film.

Beberapa faktor lain yang mempengaruhi tingkat biodegradabilitas plastik setelah kontak dengan mikroorganisme, yakni sifat hidrofobik, bahan aditif, proses produksi, struktur polimer, morfologi dan berat molekul bahan plastik.

20

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 proses/gaya fisik dan biologi. Proses fisik seperti pemanasan/pendinginan, 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 LDPE/pati beras (60/40) 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

22

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 elastis/elastisitas yang lebih tinggi dibandingakan dengan young modulus/kekakuan. 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

Perlakuan N

Subset

1 2 3 4 5 6 7

C1D1 2 .000

C2D1 2 .000

C3D1 2 .000

C1D2 2 7.000

C3D2 2 10.000

C1D3 2 27.500

C2D2 2 27.500

C3D4 2 37.500

C2D3 2 47.500

C1D4 2 52.500 52.500

C2D4 2 57.500

C3D3 2 77.500

Sig. 1.000 .294 1.000 1.000 .092 .092 1.000

Keterangan :

C = konsentrasi MA; C1=2,5%; C2=5%; C3=7,5%

D = perbandingan TPS/LLDPE; D1= 0/100; D2=20/80; D3 =30/70 dan D4 = 40/60

Duncan Konsentrasi

MA _N

Subset

1 2 3

1

5,0 8 28,1250

2,5 8 36,8750

7,5 8 43,1250

Sig. 1,000 1,000 1,000

Duncan TPS/LLDPE

N

Subset

1 2 3 4

0/100 6 ,0000

20/80 6 30,8333

40/60 6 50,8333

30/70 6 62,5000

x. Tabel analisis ragam dan uji lanjut (Duncan) pengaruh perlakuankonsentrasi konsentrasi MA dan perbandingan TPS/HDPE terhadap kemampuan

biodegradabilitas (kualitatif-Penicillium sp) bioplastik

Sumber keragaman

Jumlah kuadrat

Derajat bebas

Kuadrat

tengah F hit Sig.

Perlakuan 8191,458a 11 744,678 134,378 ,000

Konsentrasi MA 1260,333 2 630,167 113,714 ,000

TPS/HDPE 5480,125 3 1826,708 329,632 ,000

Konsentrasi MA * TPS/HDPE

1451,000 6 241,833 43,639 ,000

Error 66,500 12 5,542

Total 8257,958 23

Duncan

Perlakuan

N

Subset

1 2 3 4 5 6

C1D1 2 ,0000

C2D1 2 ,0000

C3D1 2 ,0000

C2D3 2 10,0000

C2D2 2 11,0000 11,0000

C1D3 2 15,0000 15,0000

C1D2 2 16,0000

C1D4 2 22,5000

C3D2 2 27,5000

C3D3 2 42,5000

C2D4 2 52,5000

C3D4 2 52,5000

Sig. 1,000 ,065 ,065 ,055 1,000 1,000

Keterangan :

C = konsentrasi MA; C1=2,5%; C2=5%; C3=7,5%

Duncan Konsentrasi

MA _N

Subset

1 2 3

2,5 8 13,3750

5,0 8 18,3750

7,5 8 30,6250

Sig. 1,000 1,000 1,000

Duncan TPS/HDPE

N

Subset

1 2 3 4

0/100 6 ,0000

20/80 6 18,1667

30/70 6 22,5000

40/60 6 42,5000

Lampiran 6. Tabel analisis ragam dan uji lanjut (Duncan) pengaruh perlakuan

suhu penyimpanan terhadap sifat mekanik dan permeabilitas bioplastik TPS/LLDPE dan TPS/HDPE

a. Tabel analisis ragam pengaruh perlakuan suhu penyimpanan terhadap kuat tarik bioplastik TPS/LLDPE selama 5 hari penyimpanan

Sumber keragaman

Jumlah kuadrat

Derajat bebas

Kuadrat

tengah F hit Sig.

Perlakuan 2,955a 2 1,478 2,138 ,134

Suhu 2,955 2 1,478 2,138 ,134

Error 22,810 33 ,691

Total 25,765 35

b. Tabel analisis ragam pengaruh perlakuan suhu penyimpanan terhadap kuat tarik bioplastik TPS/HDPE selama 5 hari penyimpanan

Sumber keragaman

Jumlah kuadrat

Derajat bebas

Kuadrat

tengah F hit Sig.

Perlakuan ,356a 2 ,178 ,315 ,732

Suhu ,356 2 ,178 ,315 ,732

Error 18,643 33 ,565

Total 18,998 35

c. Tabel analisis ragam pengaruh perlakuan suhu penyimpanan terhadap perpanjangan putus bioplastik TPS/LLDPE selama 5 hari penyimpanan

Sumber keragaman

Jumlah kuadrat

Derajat bebas

Kuadrat

tengah F hit Sig.

Perlakuan 38,792a 2 19,396 ,064 ,938

Suhu 38,792 2 19,396 ,064 ,938

Error 10030,708 33 303,961

d. Tabel analisis ragam pengaruh perlakuan suhu penyimpanan terhadap perpanjangan putus bioplastik TPS/HDPE selama 5 hari penyimpanan

Sumber keragaman

Jumlah kuadrat

Derajat bebas

Kuadrat

tengah F hit Sig.

Perlakuan 388,584a 2 194,292 ,768 ,472

Suhu 388,584 2 194,292 ,768 ,472

Error 8349,559 33 253,017

Total 8738,143 35

e. Tabel analisis ragam pengaruh perlakuan suhu penyimpanan terhadap laju transmisi uap air bioplastik TPS/LLDPE selama 5 hari penyimpanan

Sumber keragaman

Jumlah kuadrat

Derajat bebas

Kuadrat

tengah F hit Sig.

Perlakuan ,002a 2 ,001 ,359 ,701

Suhu ,002 2 ,001 ,359 ,701

Error ,113 33 ,003

Total ,115 35

f. Tabel analisis ragam pengaruh perlakuan suhu penyimpanan terhadap laju transmisi uap air bioplastik TPS/HDPE selama 5 hari penyimpanan

Sumber keragaman

Jumlah kuadrat

Derajat bebas

Kuadrat

tengah F hit Sig.

Perlakuan ,027a 2 ,013 1,418 ,257

Suhu ,027 2 ,013 1,418 ,257

Error ,314 33 ,010