5 Plastik biodegradabel dapat terurai secara alami disebabkan cahaya fotodegradasi,
hidrolisis degradasi kimiawi, bakterijamur, 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 kgfcm
2
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
modulusyoung modulus. Parameter-parameter tersebut dapat menjelaskan bagaimana karakteristik mekanik dari bahan film yang berkaitan dengan struktur kimianya Harris, 2001.
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-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.
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
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 spesimenbahan. 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 airgas 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 T
g
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.
9
III. METODOLOGI
3.1 ALAT DAN BAHAN
