Pengembangan Film Komposit Tepung Ubi Kayu Termoplastik Linear Low Density Polyethyelene
PENGEMBANGAN FILM KOMPOSIT TEPUNG UBI KAYU
TERMOPLASTIK-
LINEAR LOW-DENSITY POLYETHYLENE
(LLDPE)
SUGIARTO
SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR 2014
(2)
(3)
3
PERNYATAAN MENGENAI DISERTASI DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA*
Dengan ini saya menyatakan bahwa disertasi berjudul Pengembangan Film Komposit Tepung Ubi Kayu Termoplastik-Linear Low-Density Polyethylene (LLDPE) adalah benar karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir disertasi ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut Pertanian Bogor.
Bogor, Agustus 2014 Sugiarto NIM 0361090111
(4)
4
RINGKASAN
SUGIARTO. Pengembangan Film Komposit Tepung Ubi Kayu Termoplastik-Linear Low-Density Polyethyelene (LLDPE). Dibimbing oleh TITI CANDRA SUNARTI, INDAH YULIASIH, ANI SURYANI, dan SUTRISNO.
Plastik merupakan bahan kemasan yang banyak digunakan saat ini. Plastik memiliki keunggulan dalam hal sifat kekuatannya (kekuatan tarik, ketahanan sobek, dan ketahanan retak), bobotnya ringan, dan ketahanan terhadap bahan kimia, serta kemudahan dalam proses pembuatan kemasan, baik kemasan film maupun kemasan kaku. Sifat plastik juga mudah diatur atau dimodifikasi dengan menambahkan bahan tambahan plastik ataupun dengan mencampurnya dengan plastik jenis lain membentuk kemasan multi layer. Penggunaan plastik sebagai bahan kemasan dihadapkan pada dua permasalahan penting, yaitu masalah sampah bekas kemasan dan semakin menipisnya bahan baku plastik berupa gas dan minyak bumi.
Pengembangan bahan kemasan berbasis bahan alam yang dapat didegradasi atau bioplastik banyak dilakukan untuk mengatasi masalah sampah plastik. Salah satu bahan terbarukan untuk bioplastik adalah bahan nabati seperti tepung ubi kayu. Tepung ubi kayu merupakan sumber daya terbarukan dan bersifat dapat terurai secara alami. Penelitian pembuatan bioplastik dilakukan dengan berbagai cara, diantaranya modifikasi, dan pencampuran dengan bahan nabati seperti pati ubi kayu atau tanaman sumber pati lainnya.
Penambahan tepung ubi kayu ke dalam linear low-density polyethylene (LLDPE) akan dihadapkan pada beberapa masalah. Tepung ubi kayu dan LLDPE merupakan dua bahan yang berbeda polaritasnya sehingga sulit untuk dicampurkan dengan baik. Tepung ubi kayu memiliki sifat mekanis yang rapuh dan kaku terutama saat kehilangan kandungan airnya. Pencampuran dua bahan yang berbeda sifatnya memerlukan bahan lain sebagai bahan penyetara atau kompatibiliser (compatibilize)r atau coupling agent. Penambahan plastisiser seperti gliserol dapat memperbaiki sifat rapuh dan kaku tepung ubi kayu. Dengan demikian pembuatan film komposit tepung ubi kayu-LLDPE memerlukan bahan kompatibiliser dan pemlastis (plasticizer).
Plastisiser ditambahkan untuk memperbaiki sifat mekanis pati dan serat yang ada pada tepung ubi kayu. Penambahan plastisiser akan mengubah tepung ubi kayu menjadi tepung ubi kayu termoplastik. Kompatibiliser dapat meningkatkan ikatan permukaan dan menurunkan tegangan kedua bahan. Kompatibiliser yang banyak digunakan pada berbagai penelitian diantaranya adalah maleic anhydride dengan inisiator dikumil peroksida, asam stearat, atau bahan lain.
Formulasi tepung ubi kayu, resin LLDPE, plastisiser dan compatibilizer akan mempengaruhi sifat mekanis, permeabilitas gas, dan kemampuan pembentukan film komposit yang dihasilkan. Dengan demikian perlu dilakukan penelitian untuk mengetahui pengaruh formulasi terhadap sifat film komposit yang dihasilkan. Penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan formula film komposit dari tepung ubi kayu termoplastik dengan polietilen linier densitas rendah (LLDPE) dan karakter film komposit yang dihasilkan.
(5)
5 Pembuatan tepung ubi kayu termoplastik dilakukan dengan penambahan gliserol 30 atau 40 persen bersama air sampai kadar air campuran 25 persen. Plastisasi dilakukan pada suhu 90 oC selama 15 menit menggunakan kneading-mixing machine pada putaran 52 rpm. Sementara komponding dilakukan dengan rasio tepung ubi kayu:LLDPE sebesar 20:80, 30:70, dan 40:60 pada suhu 190 oC dengan kompatibiliser asam stearat atau palm fatty acid distillate (PFAD) 5 dan 7 persen. Pada tahap formulasi juga ditambahkan polyoxyethylene stearate. Selanjutnya film komposit dibuat dengan teknik film blowing.
Rasio tepung ubi kayu:LLDPE, dosis gliserol dan kompatibiliser pada formulasi komposit tidak berpengaruh terhadap kadar air komposit. Sementara bobot jenis komposit dipengaruhi oleh rasio tepung:LLDPE, semakin banyak tepung ubi kayu maka bobot jenis komposit semakin tinggi, sementara kompatibiliser meningkatkan indeks laju alir komposit yang dihasilkan.
Tebal film komposit dipengaruhi oleh rasio tepung:LLDPE, dan kompatibiliser. Semakin banyak tepung ubi kayu yang digunakan maka film komposit yang diperoleh semakin tebal. Dosis gliserol berpengaruh pada tebal film menggunakan PFAD sebagai kompatibiliser tetapi tidak berpengaruh pada film komposit dengan kompatibiliser asam stearat. Film yang diperoleh dengan kompatibiliser asam stearat bisa lebih tipis yaitu 260 – 310 µm dibandingkan dengan kompatibiliser PFAD 250 – 870 µm.
Hasil pengujian menunjukkan bahwa film plastik komposit memiliki nilai kuat tarik dan elongasi yang lebih kecil dibandingkan film LLDPE pada semua orientasi. Perlakuan rasio tepung ubi kayu termoplastik terhadap resin LLDPE berpengaruh nyata terhadap nilai kuat tarik dan elongasi pada orientasi machine direction dan transverse direction. Semakin tinggi jumlah tepung ubi kayu maka kuat tarik dan elongasi film komposit menurun. Dosis gliserol berpengaruh nyata terhadap nilai elongasi pada orientasi machine direction dan transverse direction. Peningkatan dosis gliserol mengakibatkan menurunnya nilai elongasi, baik pada rasio pencampuran 30:70 maupun 40:60. Dosis PFAD berpengaruh nyata terhadap nilai kuat tarik dan elongasi film sejajar arah mesin (MD) dan tegak lurus arah mesin (TD) Peningkatan dosis PFAD mengakibatkan penurunan nilai kuat tarik dan elongasi film sementara kuat tarik film komposit dengan kompatibiliser asam stearat hanya dipengaruhi oleh banyaknya tepung ubi kayu yang digunakan. Polyoxyethylene tidak memberikan pengaruh yang nyata pada kuat tarik dan sifat optis film komposit yang dihasilkan.
Komposit yang dihasilkan memiliki nilai indeks laju alir 3.39 – 5.59 g/10 menit. Film komposit yang dihasilkan memiliki kuat tarik 2.75 - 5.65 MPa dengan perpanjangan putus 21.90 - 396.18 persen pada arah MD dan kuat tarik 1.29 – 4.51 MPa dengan perpanjangan putus 21.90 – 291.09 persen pada TD. Film komposit yang dihasilkan berwarna kecoklatan dan buram.
Perlu dikaji teknik compounding dan pembuatan film komposit yang lebih sesuai untuk formulasi yang ada sehingga dapat dihasilkan komposit dan film komposit yang lebih baik.
(6)
6
SUMMARY
SUGIARTO. Development of Thermoplasticized Cassava Flour-Linear Low-Density Polyethylene Composite Film. Supervised by TITI CANDRA SUNARTI, INDAH YULIASIH, ANI SURYANI, and SUTRISNO.
Plastic packaging material is widely used today. The advantages of plastic usage are its strength properties (tensile strength, tear resistance, and crack resistance), light, and resistant to chemicals, as well as ease to be processed as packaging material. The nature of plastic is also easily adjusted or modified by adding an plastic material additives or by mixing it with other types of plastic to be formed as multi-layer packaging. The use of plastic as a packaging material is faced with two important problems, namely the problem of the waste of used packaging and the depletion of plastic raw materials such as oil and gas.
The development of natural ingredient-based packaging material that can be degraded or bioplastics is done to address the problem of plastic waste. One of it is usage renewable plant materials for bioplastics such as cassava flour. Research in the field of bioplastics manufacturing was done in various ways, including modification and mixing with vegetable materials such as starch cassava starch or other plant sources.
The addition of cassava flour into linear low-density polyethylene (LLDPE) will be faced with several problems. Cassava flour and LLDPE are two materials that have incompatible polarity so it is difficult to be mixed. Cassava flour is brittle and stiff material, especially when they loss of water content. The addition of plasticizers such as glycerol can improve brittle and rigid nature of cassava flour. Mixing of two different materials in nature require other materials compatibilizer or coupling agent. Thus the composite film making cassava flour-LLDPE material requires compatibilizser and plasticizer.
Plasticizers are added to improve the mechanical properties of starch and fiber that is in cassava flour. The addition of plasticizers will transform cassava flour into thermoplastic cassava flour. Compatibilizer can increase the surface bonding and lowers the surface tension of both materials. Compatibilizer are widely used in various studies including the maleic anhydride with dikumil peroxide as initiator, stearic acid, or other ingredients.
Formulation of cassava flour, LLDPE resin, plasticizer and compatibilizer will affect the mechanical properties, and the ability of the composite film formation. It is thus necessary to investigate the influence of formulation on the properties of the composite films. This study aimed to obtain a formula for the of thermoplastic cassava flour-linear low-density polyethylene (LLDPE) composite bag films and the film characteristics.
Thermoplastic cassava flour were prepared by adding of 30 or 40 percent glycerol to the cassava flour. Water should be added to the mixture until the moisture content of the mixture reached 25 percent. Plasticizing process were performed at 90 °C for 15 minutes using a kneading-mixing machine at 52 rpm rotation. While compound are made by using cassava flour: LLDPE ratio at 20:80, 30:70, and 40:60 at 180 °C with addition of 5 and 7 percent stearic acid or PFAD as compatibilizer. At formulation stage polyoxyethylene stearate are added. Then the compound were process in the film blowing line.
(7)
7 Cassava flour:LLDPE ratio, glycerol and compatibilizer dosage in the composite formulation did not affect the water content of the composite pellet. While the specific gravity of the composite is influenced by the ratio of cassava flour:LLDPE, the higher cassava flour gave the higher the composite specific gravity, while compatibilizer was increased the melt flow index of the composite pellet.
The composite film thickness was influenced by the flour:LLDPE ratio, and compatibilizer dose. The higher cassava flour gave the thicker composite films. Glycerol dose affected the film thickness that using PFAD as compatibilizer but had no effect on the composite film with stearic acid. Films obtained by using stearic acid as compatibilizer had 260-310 µ m thickness compared to 250-810 µm that using PFAD as compatibilizer.
The test results showed that the composite films had tensile strength and elongation values smaller than LLDPE film at all orientations. Treatment of thermoplastic cassava flour:LLDPE resin significantly affected on tensile strength and elongation values of the films. The higher cassava flour contained composite film will be more rigid and brittle so that the tensile strength and elongasinya also declined. Gycerol Dose significantly affected the elongation of the composite film. Increasing glycerol dosage gave a decreasing on elongation. PFAD dosage significantly affected the tensile strength and elongation of the composite film. Increasing dosage of PFAD gave a decreasing on tensile strength and elongation of the composite film. Polyoxyethylene had no significant effect on tensile strength and optical properties of the composite films.
The composite film had a melt flow index of 3.39 to 5.59 g/10 min, a tensile strength of 2.75 - 5.65 MPa, with elongation at break at 21.90 - 396.18 percent in the direction parallel to the machine direction (MD) and tensile strength of 1.29 to 4.51 MPa with elongation at break at 21.90 - 291.09 per cent in the the machine transverse direction. The composite film produced has a brownish in color and opaque.
Compounding and film making techniques needs to be studied to increase the pellet and film composite characteristics.
(8)
8
© Hak Cipta Milik IPB, Tahun 2014
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 ilmuah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau tinjauan suatu masalah, dan pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan IPB.
Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya tulis ini dalam bentuk apapun tanpa izin IPB.
(9)
9
SUGIARTO
Disertasi
sebagai salah satu untuk memperoleh gelar Doktor
pada
Program Studi Teknologi Industri Pertanian
SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR 2014
PENGEMBANGAN FILM KOMPOSIT TEPUNG UBI KAYU
TERMOPLASTIK-
LINEAR LOW-DENSITY POLYETHYLENE
(10)
10
Penguji pada Ujian Tertutup:
1. Prof (R) Dr Ir Nur Richana, MSi. 2. Dr Nugraha Edhi Suyatma, STP, DEA
Penguji pada Ujian Terbuka:
1. Dr Asmuwahyu Saptorahardjo 2. Dr Ir Yohanes Aris Purwanto, MSc.
(11)
11 Judul Disertasi : Pengembangan Film Komposit Tepung Ubi Kayu
Termoplastik-Linear Low-Density Polyethyelene (LLDPE) Nama : Sugiarto
NIM : F361090111
Disetujui oleh Komisi Pembimbing
Dr Indah Yuliasih, STP, MSi. Dr Ir Titi Candra Sunarti, MSi.
Anggota Ketua
Prof Dr Ir Ani Suryani, DEA Prof Dr Ir Sutrisno, MAgr.
Anggota Anggota
Diketahui oleh
Ketua Program Studi Dekan Sekolah Pascasarjana
Teknologi Industri Pertanian
Prof Dr Ir Machfud, MS Dr Ir Dahrul Syah, MScAgr.
(12)
12
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT atas karunia-Nya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Tema yang dipilih dalam penelitian ini adalah pembuatan bahan kemasan komposit dari bahan nabati dan sintetis dengan judul Pengembangan Film Komposit Tepung Ubi Kayu Termoplastik-Linear Low-Density Polyethyelene (LLDPE).
Terima kasih penulis ucapkan kepada:
1. Dr Ir Titi Candra Sunarti, MSi., Dr Indah Yuliasih, STP, MSi., Prof Dr Ir Sutrisno, MAgr., dan Prof Dr Ir Ani Suryani, DEA, selaku komisi pembimbing atas arahan dan bimbingan selama penyusunan proposal, pelaksanaan penelitian dan penyelesaian disertasi.
2. Prof (R) Dr Ir Nur Richana, MSi, dan Dr Nugraha Edhi Suyatma, STP, DEA, selaku penguji luar komisi pada ujian tertutup serta Dr Asmuwahyu Saptorahardjo, dan Dr Ir Yohanes Aris Purwanto selaku dosen penguji luar komisi pada ujian terbuka yang telah memberikan masukan dan saran untuk perbaikan disertasi.
3. Pimpinan Departemen Teknologi Industri Pertanian, FATETA-IPB, Pimpinan Fakultas Teknologi Pertanian, IPB dan Pimpinan IPB yang telah memberikan ijin melanjutkan studi.
4. Direktorat Pendidikan Tinggi Departemen Pendidikan dan Kebudayaan RI atas bantuan beasiswa BPPS dan hibah penelitian melalui skema BOPTN. 5. Bapak Stephanus Adrian, Dr Asmuwahyu Saptorahardjo, beserta Tim R&D
PT Inter Aneka Lestari Kimia dan Ir Dede Purkon (PT Lotte Titan Nusantara Chemical) atas masukan dan saran untuk perbaikan rencana penelitian.
6. PT Inter Aneka Lestari Kimia atas bantuan bahan serta penggunaan fasilitas produksi dan analisis untuk pelaksanaan penelitian
7. PT Smart Tbk. atas bantuan PFAD.
8. Rekan-rekan dosen dan tenaga pendukung di Departemen Teknologi Industri Pertanian FATETA IPB yang telah memberikan dukungan selama penulis melaksanakan tugas belajar.
9. Rivan Juniawan dan Bora Lasian Sianturi atas bantuannya dalam pelaksanaan penelitian.
10.Isteri penulis Hardian Ika Sakti, anak-anak penulis Salsabila Shafa, Farras Abiy, dan Dary Masy’al, ayah dan ibu, ayah dan ibu mertua, serta seluruh keluarga besar Poniso dan Soeharto atas segala dukungan, do’a, dan kasih sayangnya.
11.Rekan-rekan F36109: Ade Iskandar, Andes Ismayana, Christina Winarti, Ervina Meladewi, Faqih Udin, Ike Sitoresmi, Indrani, Juliza Hidayati, Kisroh Dwiyono, Meilita Sembiring, Mersi Kurniaty, Rahman Jaya, Rini Purnawati, Sidik Herman, Suharman, dan Syarifuddin terima kasih atas persaudaraan, kebersamaan, kerjasama, dan dorongan semangatnya.
Penulis menyadari karya ilimiah ini jauh dari sempurna. Kritik dan saran diharapkan untuk perbaikan diri penulis di masa datang. Penulis berharap semoga karya ilmiah ini bermanfaat.
Bogor, Agustus 2014 Sugiarto
(13)
13
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL vi
DAFTAR GAMBAR vii
DAFTAR LAMPIRAN viii
1 PENDAHULUAN 1
Latar Belakang 1
Perumusan Masalah 4
Tujuan Penelitian 5
Ruang Lingkup Penelitian 5
Kebaruan 5
2 TINJAUAN PUSTAKA 6
Ubi kayu 7
Pati termoplastik dan wood-plastic composite 8
Compatibilizer 9
Plasticizer 10
Antifog 11
3 METODE 13
Bahan 13
Alat 13
Tahapan Penelitian 13
4 HASIL DAN PEMBAHASAN 20
Karakteristik Bahan 20
Penentuan Kondisi Proses 22
Karakteristik Pelet Komposit Tepung Ubi Kayu Termoplastik-LLDPE 26
Karakteristik Film Komposit Tepung Ubi Kayu Termoplastik-LLDPE 35
Pengaruh formulasi terhadap karakter film komposit 47
5 SIMPULAN DAN SARAN 59
Simpulan 59
Saran 59
(14)
14
DAFTAR TABEL
1. Desain percobaan metoda permukaan respon 19
2. Hasil analisis proksimat tepung ubi kayu lolos ayakan 100 mesh 20
3. Karakteristik asam stearat 21
4. Komposisi PFAD 21
5. Pengaruh suhu terhadap karakter komposit 23
6. Pengaruh urutan pengumpanan terhadap karakter komposit 23
7. Pengaruh rasio tepung ubi kayu:LLDPE terhadap karakter komposit 24
8. Kadar air pelet komposit dengan kompatibiliser PFAD 26
9. Kadar air pelet komposit dengan kompatibiliser asam stearat 27
10. Specific gravity plastik komposit dengan kompatibiliser PFAD 27 11. Specific gravity plastik komposit dengan kompatibiliser asam stearat 28 12. 12 Indeks laju alir komposit (g/10 menit) dengan kompatibiliser PFAD 29 13. Indeks laju alir komposit (g/10 menit) dengan kompatibiliser asam
stearat 29
14. Parameter pengukuran Differential Scanning Calorimeter 34
15. Tebal film komposit (µ m) dengan kompatibiliser PFAD 35
16. Tebal film komposit (µ m) dengan kompatiliser asam stearat 38
17. Yellowness index dan opasitas film komposit dengan kompatibiliser
PFAD 39
18. Yellowness index dan opasitas film komposit dengan kompatibiliser
asam stearat 42
19. Hasil pengujian kuat tarik dan elongasi film komposit dengan
kompatibiliser PFAD 43
20. Hasil pengujian kuat tarik dan elongasi film komposit dengan
kompatibiliser asam stearat 43
(15)
15
DAFTAR GAMBAR
1. Struktur pati (Czigany et al. 200) 7
2. Rumus kimia amilopektin dan amilosa (Czigany et al. 2007) 8
3. Diagram alir pembuatan tepung ubi kayu termoplastik 14
4. Diagram alir proses pembuatan film komposit tepung ubi kayu
termoplastik-LLDPE 16
5. Diagram alir pembuatan film komposit untuk tahap formulasi 18
6. Produk tepung ubi kayu termoplastis dengan gliserol 30% (Juniawan
2014) 22
7. Komposit tepung ubi kayu termoplastik-LLDPE yang dihasilkan dengan kondisi proses penambahan tepung secara bersamaan (rasio 30:70, gliserol 30%, asam stearat 5%), suhu 190 oC dan waktu
komponding 20 menit (Juniawan 2014) 25
8. Grafik hubungan antara kadar air dengan specific gravity komposit 30 9. Grafik hubungan antara kadar air dengan indeks laju alir komposit 31
10. Grafik hubungan specific gravity dengan indeks laju alir 31
11. Pola kurva DSC tepung ubi kayu dan komposit 33
12. Grafik hubungan antara specific gravity dengan tebal film 36
13. Grafik hubungan antara indeks laju alir dengan tebal film 37
14. Morfologi permukaan film komposit tepung ubi kayu termoplastik-LLDPE dengan rasio tepung ubi kayu:termoplastik-LLDPE=30:70, gliserol 30 %
dan kompatibiliser asam stearat 40
15. Spektrum FTIR tepung ubi kayu dan komposit tepung ubi
kayu-LLDPE 41
16. Grafik hubungan antara specific gravity dengan kuat tarik film
komposit arah MD 44
17. Grafik hubungan antara specific gravity dengan elongasi film
komposit arah MD 45
18. Grafik hubungan antara tebal dengan kuat tarik film komposit arah
MD 46
19. Grafik hubungan antara tebal film dengan elongasi film komposit
arah MD 46
20. Kekuatan seal film plastik komposit dengan kompatibiliser asam
stearat 47
21. Profil prediksi pengaruh formulasi terhadap indes laju alir komposit 48 22. Kurva permukaan respon dan plot kontur formulasi terhadap indeks
laju alir 50
23. Profil prediksi hubungan antara formulasi dengan kuat tarik 52
24. Kurva permukaan respon pengaruh formulasi terhadap kuat tarik 53
25. Kurva prediksi pengaruh formulasi terhadap modulus Young film
komposit 54
26. Permukaan respon dan plot kontur formulasi terhadap modulus
Young 54
(16)
16
28. Profil prediksi pengaruh formulasi terhadap derajat kuning 56
29. Permukaan respon formulasi terhadap derajat kuning 56
30. Profil prediksi hubungan antara formulasi dengan opasitas 57
(17)
17
DAFTAR LAMPIRAN
1. Prosedur analisis 67
2. Hasil Analisis Varian (ANOVA) pada parameter pelet komposit 74
3. Hasil Analisis Varian (ANOVA) pada parameter film komposit 77
4. Persamaan Regresi dan koefisien determinasi hubungan antar parameter
pada pelet komposit 84
5. Persamaan regresi dan koefisien determinasi hubungan antara parameter
pelet komposit dengan parameter film komposit 85
(18)
18
DAFTAR ISTILAH
Amilopektin : fraksi polimer yang tersusun atas glukosa rantai cabang dengan ikatan α-1,4 glikosida pada rantai lurus dan ikatan α-1,6 glikosida pada percabangannya
Amilosa : fraksi polimer yang tersusun atas glukosa rantai cabang dengan ikatan α-1,4 glikosida
Amorf : struktur sekunder polimer yang tidak
beraturan (acak)
Antifog : bahan tambahan (aditif) yang berfungsi menurunkan tegangan permukaan air yang menempel pada permukaan film sehingga mencegah terbentuknya kabut pada permukaan film
Bioplastik : plastik yang bahan bakunya berasal dari biomassa
Dispersant : bahan aditif yang digunakan untuk memperbaiki kemampuan penyebaran suatu bahan (terdispersi) pada bahan lain (pendispersi
Hidrofilik : sifat suatu bahan terkait dengan polaritasnya yang tinggi sehingga lebih suka berikatan dengan molekul air
Hidrofobik : sifat suatu bahan yang disebabkan polaritasnya rendah sehingga tidak suka berikatan dengan cenderung menolak atau menahan molekul air
Indeks laju alir : ukuran kemudahan mengalir suatu bahan plastik ketika dipanaskan di atas titik lelehnya
Kompatibiliser (compatibilizer) : bahan aditif yang digunakan untuk memperbaiki interaksi antar muka antara dua yang tidak memiliki kesetaraan polaritas, sering pula disebut sebagai coupling agent.
Komponding : proses pencampuran sedemikian rupa untuk menghasilkan komposit
Kristalin : struktur sekunder polimer yang tersusun secara rapat dan beraturan
Kuat tarik (tensile strength) : ukuran kekuatan suatu bahan ketika menerima gaya tarik
LLDPE : linear low-density polyethylene, polimer polietilen densitas rendah dengan rantai cabang yang pendek
Lubricant : suatu bahan aditif yang digunakan untuk mengurangi gaya gesekan antara permukaan bahan sehingga antara keduanya
(19)
19 saling bebas dan mudah bergeser tempat (pelumas)
MD : machine direction atau arah sejajar dengan arah pembentukan film plastik pada proses film blowing
Modulus Young : suatu ukuran elastisitas suatu bahan ketika mendapat gaya tarik sebelum mencapai deformasi plastis, dinyatakan sebagai garis lurus dengan kemiringan tertentu
Opasitas : ukuran sifat optis suatu bahan untuk menahan cahaya yang melaluinya, semakin tinggi opasitas maka bahan semakin tidak tembus pandang
Plastisiser : suatu bahan aditif yang digunakan untuk meningkatkan plastisitas (kemampuan bentu) suatu bahan
Perpanjangan putus : suatu ukuran kemampuan suatu bahan bertambah panjang ketika mendapat gaya tarik sampai putus
PFAD : palm fatty acid distillad merupakan
campuran asam-asam lemak dan bahan volatil lain yang diperoleh sebagai hasil samping dari proses deodorisasi minyak sawit.
Suhu transisi gelas : suhu ketika terjadi perubahan struktur sekunder suatu bahan dari struktur kristalin menjadi struktur amorf.
Specific gravity : merupakan ukuran perbandingan densitas suatu bahan dengan densitas bahan pembanding
Termoplastik : ukuran suatu bahan mengalami perubahan bentuk (deformasi plastis) ketika mendapat perlakuan panas
Termoplastisasi : proses pengubahan sifat suatu bahan yang kaku menjadi bersifat termoplastik
Titik leleh : suhu yang mengindikasikan material mulai mengalami perubahan struktur dari fase kristalin atau semi kristalin ke fase amorf
TPS : pati yang diproses sedemikian rupa menjadi
bersifat termoplastik
TD : transverse direction atau arah tegak lurus terhadap arah pembentukan film plastik pada film blowing
Transluscent : kemampuan suatu bahan untuk meneruskan gelombang cahaya sehingga apa yang ada di balik film dapat terlihat secara samar Yellowness index : derajat kuning atau tingkat warna
(20)
20
1
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Plastik merupakan bahan kemasan yang banyak digunakan saat ini. Plastik memiliki keunggulan dalam hal sifat kekuatannya (kekuatan tarik, ketahanan sobek, dan ketahanan retak), bobotnya ringan, dan ketahanan terhadap bahan kimia, serta kemudahan dalam proses pembuatan kemasan, baik kemasan film maupun kemasan kaku (Barnetson 1996). Sifat plastik juga mudah diatur atau dimodifikasi dengan menambahkan bahan tambahan plastik ataupun dengan mencampurnya dengan plastik jenis lain sehingga membentuk kemasan multi layer. Penggunaan plastik sebagai bahan kemasan dihadapkan pada dua permasalahan penting, yaitu masalah sampah bekas kemasan dan semakin menipisnya bahan baku plastik berupa gas dan minyak bumi. Di Indonesia saja menurut data BPS (2011) setiap tahun orang Indonesia membuang 700 lembar kantong plastik sementara persentase sampah plastik di DKI Jakarta mencapai 7.7 % bobot dari total sampah harian Jakarta yang mencapai 524 ton (Dinas Kebersihan Propinsi DKI Jakarta 2011).
Pengembangan bahan kemasan berbasis bahan alam yang dapat didegradasi atau bioplastik banyak dilakukan untuk mengatasi masalah sampah plastik. Penelitian penggunaan bahan alami terbarukan diantaranya telah dilakukan diantaranya dari kacang-kacangan oleh Salmoral et al. (2000), pati sagu oleh Yuliasih (2008), gluten oleh Song dan Zheng (2008), pati termodifikasi oleh Rivero et al. (2009), dan pati Pushpadass et al. (2010), dan pati ubi kayu dan onggok Permatasari (2010). Pemanfaatan bioplastik ini selain dapat mengatasi masalah sampah plastik juga dapat mengatasi masalah bahan karena bahan bioplastik merupakan bahan yang terbarukan. Salah satu bahan terbarukan untuk bioplastik adalah bahan nabati seperti tepung ubi kayu. Tepung ubi kayu merupakan sumber daya yang terbarukan selain juga bersifat dapat terurai secara alami.
Penelitian pembuatan bioplastik dilakukan dengan berbagai cara. Modifikasi plastik sintetis dan pencampuran dengan pati termodifikasi dilakukan oleh Kim dan Lee (2002), Ning et al. (2007), Yuliasih (2008), dan Pushpadass et al. (2010). Pencampuran plastik daur ulang dengan pati jagung dilakukan oleh Pedroso dan Rosa (2005). Pencampuran polietilen dengan campuran tapioka dan onggok dilakukan oleh Permatasari (2010) dan Yuliasih et al. (2010).
Bahan baku yang dapat digunakan sebagai bahan baku bioplastik salah diantaranya adalah pati baik pati ubi kayu, pati jagung, pati sagu dan jenis pati lainnya. Penggunaan pati sebagai bahan baku memiliki keunggulan diantaranya harga yang relatif murah, dapat didegradasi, dan terbarukan (Song dan Zheng 2008) serta dampak lingkungannya rendah (Fang dan Hanna 2001). Pati yang digunakan dapat pula ditambahkan dengan serat dengan tujuan untuk memperbaiki sifat mekanis komposit yang dihasilkan.
Pati diperoleh dari tanaman sumber pati dengan cara ekstraksi. Hasil samping dari proses ekstraksi terutama adalah serat dan pada produksi pati ubi kayu atau tapioka berupa onggok. Pada beberapa penelitian, pada tapioka yang digunakan sebagai bahan baku bioplastik ditambahkan kembali onggok dengan
(21)
21 tujuan memperbaiki sifat mekanis komposit yang dihasilkan. Dengan alasan tersebut pada penelitian ini dicoba menggunakan bahan berupa tepung ubi kayu tanpa melalui ekstraksi pati sehingga dihasilkan tepung ubi kayu yang mengandung pati dan serat serta bahan-bahan lain yang terkandung di dalam umbi ubi kayu seperti sedikit protein dan lemak. Pemilihan tepung ubi kayu juga didasarkan pada produksi ubi kayu nasional yang cukup tinggi, yaitu mencapai 24 juta ton per tahun (BPS 2011).
Penambahan tepung ubi kayu ke dalam plastik konvensional seperti linear low-density polyethylene (LLDPE) akan dihadapkan pada beberapa masalah. Tepung ubi kayu dan LLDPE merupakan dua bahan yang sifatnya berlainan sehingga sulit untuk dicampurkan dengan baik. Tepung ubi kayu memiliki sifat mekanis yang rapuh dan kaku terutama saat kehilangan kandungan airnya. Penambahan plastisiser seperti gliserol dapat memperbaiki sifat rapuh dan kaku tepung ubi kayu. Pencampuran dua bahan yang berbeda sifatnya memerlukan bahan lain sebagai bahan penyetara atau kompatibiliser (compatibilizer atau coupling agent. Dengan demikian pembuatan film komposit tepung ubi kayu-LLDPE memerlukan bahan pemlastis (plasticizer) dan kompatibiliser.
Plastisiser ditambahkan untuk memperbaiki sifat mekanis pati dan serat yang ada pada tepung ubi kayu. Penambahan plastisiser akan mengubah tepung ubi kayu menjadi tepung ubi kayu termoplastik. Menurut Ishiaku et al. (2002) pati yang ditambahkan plastisiser menjadi lebih tahan terhadap deformasi dapat mengurangi kerusakan. Pati termoplastik juga lebih tahan terhadap temperatur tinggi sampai 160 oC (de Vlieger 2003 di dalam Advenainen 2003). Plastisiser yang ditambahkan membentuk ikatan dengan pati atau serat melalui reaksi antara gugus hidroksil dari plastisiser dengan gugus hidrogen pada pati atau hanya berupa ikatan hidrogen saja. Salah satu plastisiser adalah air yang dapat ditambahkan sebanyak 10-20 % dan secara opsional dapat ditambah dengan pelarut dan aditif lain (Morawietz 2006), diantaranya adalah gliserol (Corradini et al. 2007).
Pencampuran bahan nabati seperti tepung ubi kayu termoplastik dengan resin sintetis seperti LLDPE diharapkan dapat saling menutupi kelemahan sifat mekanis dan sifat lain keduanya (Tena-Salcido et al. 2008 dan Escamilla et al. 2011). Peningkatan LDPE misalnya dapat meningkatkan kuat tarik dan perpanjangan putus film komposit yang dihasilkan (Prachayawarakorn et al. 2010) sementara penambahan pati akan menurunkan indeks laju alir (MFI), kuat tarik, dan perpanjangan putus (elongasi) komposit (Pedroso dan Rosa 2005).
Geng (2005) menerangkan bahwa polimer alami dan polimer sintetik merupakan dua bahan yang tidak saling kompatibel. Hal tersebut dikarenakan polimer alami bersifat polar (hidrofilik) sedangkan polimer sintetik bersifat nonpolar (hidrofobik). Dengan demikian pencampuran pati atau tepung ubi kayu termoplastis dengan LLDPE akan sulit dilakukan karena perbedaan sifat keduanya, yaitu tepung ubi kayu yang bersifat hidrofilik dan resin LLDPE yang bersifat hidrofobik. Pencampuran keduanya memerlukan bahan kompatibiliser (Kaci et al. 2007, Pushpadass et al. 2010, dan Prachayawarakorn et al. 2010). Kompatibiliser dapat meningkatkan ikatan permukaan dan menurunkan tegangan permukaan kedua bahan. Kompatibiliser yang banyak digunakan pada berbagai penelitian diantaranya adalah maleic anhydride dengan inisiator dikumil peroksida (Yuliasih 2008, Yuliasih et al. 2010, Permatasari 2010, Waryat 2013).
(22)
22
Kedua bahan tersebut tidak tergolong sebagai bahan yang food grade sehingga penggunaannya untuk kemasan pangan seperti kemasan atmosfir termodifikasi akan terkendala regulasi dan alasan keamanan pangan.
Salah satu bahan kompatibiliser yang dapat digunakan adalah asam stearat (Kim et al. 2006). Enriquez et al. (2010) menggunakan asam stearat sebagai compatibilizer untuk membuat plastik komposit dari campuran high density polyethylene dengan sabut kelapa. Asam stearat memiliki keunggulan selain berasal dari sumber nabati yang terbarukan yaitu dihasilkan dari minyak sawit. Asam stearat telah banyak digunakan sebagai salah satu komponen bahan tambahan pangan sehingga penggunaannya sebagai kompatibiliser pada kemasan pangan tidak akan terkendala masalah regulasi keamanan pangan.
Palm fatty acid distillate (PFAD) merupakan hasil samping industri minyak goreng sawit. Komponen PFAD terutama adalah asam-asam lemak minyak sawit dan senyawa lain yang terdapat pada minyak sawit mentah selain trigliserida seperti senyawa keton dan aldehida. Berdasarkan kandungan kimianya, diduga PFAD akan memiliki efek kompatibiliser sebagaimana halnya asam stearat. PFAD juga biasa digunakan sebagai aditif yang bersifat food grade sehingga pada penelitian ini dicoba pula aplikasinya sebagai kompatibiliser.
Penggunaan film plastik LLDPE untuk kemasan buah dan sayur segar dihadapkan pada kendala rendahnya permeabilitas uap air film LLDPE. Permeabilitas uap air yang rendah menyebabkan tertahannya uap air hasil respirasi buah dan sayur pada permukaan dalam film kemasan sehingga terbentuk lapisan seperti kabut. Terbentuknya kabut menyebabkan berkurangnya nilai estetika dari buah dan sayur terkemas serta mendorong peningkatan pertumbuhan mikroorganisme yang dapat mempercepat kerusakan buah dan sayur.
Pembentukan kabut dapat dikurangi dengan menambahkan bahan antifog berupa surfaktan. Surfaktan ini akan mengikat uap air yang menempel pada permukaan film kemasan kemudian mendifusikannya melalui film kemasan dan melepaskannya ke lingkungan luar. Dengan demikian selain mencegah pembentukan kabut, penambahan surfaktan sebagai antifog juga meningkatkan permeabilitas uap air dari film kemasan sehingga menekan penumpukan air di dalam kemasan dan pada akhirnya dapat memperpanjang umur pajang dari buah dan sayur yang terkemas di dalamnya.
Surfaktan yang sesuai untuk penggunaan sebagai antifog pada film plastik adalah surfaktan non-ionik dengan nilai HLB (hydrophilic-liphophilic balance) rendah, yaitu sekitar 4. Surfaktan dengan HLB rendah akan cenderung bersifat hidrofobik sehingga akan terikat lebih baik pada resin LLDPE yang bersifat hidrofobik dibandingkan dengan air. Dengan demikian surfaktan ini akan tetap tertahan di dalam matriks LLDPE dan tidak terbawa air berdifusi menuju bagian luar kemasan sehingga efek antifog-nya akan tetap terjaga.
Formulasi tepung ubi kayu, resin LLDPE, plastisiser dan kompatibiliser akan mempengaruhi sifat mekanis, permeabilitas gas, dan kemampuan pembentukan film komposit yang dihasilkan. Dengan demikian perlu dilakukan penelitian untuk mengetahui pengaruh formulasi terhadap sifat film komposit yang dihasilkan.
Penelitian yang dilakukan para peneliti sebelumnya pada umumnya dilakukan dengan menggunakan rheomix untuk melakukan plastisasi pati atau campurannya, twin screw extruder untuk pembuatan komposit dengan skala kecil,
(23)
23 sementara film komposit dibuat menggunakan metoda kempa panas (hot press). Penelitian dilakukan pada skala pilot plant agar diperoleh gambaran pemanfaatan hasil penelitian untuk aplikasi industri plastik. Pembuatan tepung ubi kayu termoplastik dan komposit tepung ubi kayu termoplastik-LLDPE dilakukan dengan menggunakan kneading-mixing machine berkapasitas 4 kg seperti yang digunakan industri plastik untuk membuat masterbatch plastik sementara pembuatan film komposit dilakukan dengan menggunakan film blowing line seperti yang digunakan industri plastik untuk membuat kantong film plastik.
Perumusan Masalah
Pengurangan sampah plastik dan penggunaan plastik sintetis coba dilakukan dengan membuat film komposit tepung ubi kayu-LLDPE. Harapan dari pembuatan film komposit ini adalah didapatnya film komposit dengan sifat mekanis yang baik dan memiliki kemampuan terdegradasi secara biologis sehingga efek negatif sampah plastik bagi lingkungan dapat dikurangi. Kemampuan biodegradasi ini disumbangkan oleh penggunaan tepung ubi kayu di dalam komposit. Adanya kandungan tepung ubi kayu ini diharapkan juga mendorong percepatan degradasi bagian LLDPE-nya sehingga mengurangi efek buruk bagi lingkungan.
Penggunaan tepung ubi kayu diharapkan dapat diperoleh film komposit yang baik karena masih mengandung serat disamping pati sebagai komponen terbesarnya. Serat pada tepung ubi kayu diharapkan dapat memperbaiki kuat tarik film komposit yang dihasilkan. Penggunaan asam stearat atau campuran asam-asam karboksilat dari minyak sawit (PFAD) diharapkan dapat menghasilkan komposit yang memiliki sifat mekanis yang baik sesuai untuk penggunaan sebagai kemasan buah dan sayur, tergolong sebagai bahan kemasan yang food grade atau memenuhi kriteria GRAS (generally recognized as safe), juga dapat mengurangi ketergantungan terhadap bahan kompatibiliser impor seperti maleic anhydride dan dikumil peroksida. Asam stearat dan PFAD merupakan bahan yang biasa digunakan dalam industri pangan dan kosmetika sehingga penggunaannya sebagai kompatibiliser akan aman untuk kemasan pangan. Keunggulan lain dari asam stearat dan PFAD adalah terbarukan karena keduanya merupakan produk nabati.
Pada komposit ditambahkan surfaktan non-ionik berupa polyoxyethylene stearate dengan nilai HLB 4 untuk meningkatkan permeabilitas uap air film komposit yang dihasilkan. penambahan surfaktan ini untuk mengantisipasi pengembangan dan aplikasi lebih lanjut film komposit tepung ubi kayu termoplastik-LLDPE sebagai kemasan buah dan sayur segar pada kondisi atmosfir termodifikasi.
Untuk aplikasi kantong film, pengujian komposit dan film komposit yang dilakukan meliputi sifat termal, mekanis, dan optis. Sifat termal yang diuji adalah indeks laju alir (MFI, melt flow indeks), sifat mekanis adalah kuat tarik dan perpanjangan putus atau elongasi, sementara sifat optis yang diuji adalah yellowness index (derajat kuning) dan opasitas film. Pengujian sifat termal ini bermanfaatan untuk melihat kemampuan komposit untuk diproses dengan teknik
(24)
24
film blowing. Pengukuran sifat mekanis dan optis bermanfaat untuk menentukan potensi aplikasi film komposit yang dihasilkan.
Tujuan Penelitian
Penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan formula optimum film komposit tepung ubi kayu termoplastik-LLDPE dan karakteristiknya. Secara khusus tujuan penelitian ini adalah:
1. Mendapatkan kondisi proses pembuatan tepung ubi kayu termoplastik dan film komposit tepung ubi kayu termoplastik-LLDPE.
2. Mendapatkan formula (rasio tepung ubi kayu:LLDPE, plastisiser, dan kompatibiliser) film komposit tepung ubi kayu termoplastik-LLDPE dan karakteristiknya.
3. Mendapatkan formula optimum untuk menghasilkan film komposit yang memenuhi kriteria sebagai bahan kantong belanja (grocery bag).
Ruang Lingkup Penelitian
Ruang lingkup penelitian pembuatan film komposit tepung ubi kayu termoplastik-LLDPE ini dibatasi pada:
1. Bahan baku tepung ubi kayu dengan bahan plastisiser gliserol dengan kompatibiliser yang digunakan adalah asam stearat dan PFAD, dan surfaktan polyoxyethylene stearate.
2. Pengujian yang dilakukan meliputi kadar air, specific gravuty, dan indeks laju alir untuk komposit, sementara untuk film komposit meliputi sifat mekanis (kuat tarik dan perpanjangan putus) dan sifat optis (yellowness index dan opasitas).
Kebaruan
Kebaruan dari penelitian ini meliputi kondisi proses pembuatan pelet dan film komposit tepung ubi kayu termoplastik-LLDPE, persamaan pengaruh formulasi bahan yang digunakan terhadap karakteristik film komposit tepung ubi kayu termoplastik-LLDPE, analisis hubungan keterkaitan antar parameter karakteristik film komposit tepung ubi kayu termoplastik-LLDPE serta formula optimum dengan karakteristik film komposit tepung ubi kayu termoplastik-LLDPE.
(25)
25
2
TINJAUAN PUSTAKA
Polimer konvensional pada umumnya dibuat dari minyak bumi seperti misalnya poliolefin. Plastik berbasis poliolefin banyak digunakan untuk bahan kemasan dan keperluan lain karena murah, kuat, tahan terhadap pelarut, tahan air, dan tahan terhadap physical aging (penurunan sifat fisik). Ketahanan plastik poliolefin tersebut selain menjadi keunggulan ternyata juga menjadi masalah lingkungan jangka panjang. Pada tahun 2002, diduga 41 % produksi plastik digunakan oleh industri kemasan dan 47 %-nya adalah untuk kemasan pangan (Ray dan Bousmina 2005).
Bahan kemasan berbahan baku minyak bumi pada umumnya bersifat non-recycleable atau secara ekonomi tidak layak untuk recycle sehingga menumpuk sebagai sampah yang tidak dapat didegradasi. Mikroba yang terdapat di tanah tidak mampu mendegradasi plastik konvensional (Mueller 2006) sehingga sampah plastik bertahan dalam waktu lama sebagai pencemar lingkungan (Shimano 2001). Penimbunan sampah menyebabkan gangguan pada penduduk di sekitarnya dan semakin mahal dan sulit dilakukan karena penolakan masyarakat yang tinggal di sekitar lokasi TPA (tempat pembuangan akhir).
Pengolahan kembali plastik merupakan salah satu penyelesaiannya. Namun pengolahan kembali plastik memiliki kelemahan berupa penurunan sifat fisik-mekanisnya (Scott 2000). Sampah plastik juga dapat dibakar menggunakan incinerator, namun cara ini menimbulkan masalah emisi gas rumah kaca serta gas-gas beracun yang dihasilkan selama pembakaran, misalnya pada pembakaran PVC dihasilkan furan dan dioksin (Jayasekara et al. 2005).
Pengolahan secara biologis seperti pengomposan dapat menjadi alternatif lain dalam penanganan sampah kemasan. Pada pengolahan secara biologis ini mikroba dimanfaatkan untuk mendegradasi biomassa mengikuti siklus karbon secara alami (Scott 2000). Namun demikian cara ini tidak mungkin dilakukan pada poliolefin dan plastik sintetis lainnya karena sifatnya yang tidak dapat didegradasi secara biologis, bahkan keberadaan sampah plastik dapat menekan perkembangan dan aktivitas mikroba pengurai di dalam tanah. Dengan demikian perlu dilakukan pembuatan plastik yang dapat dikomposkan dengan cara modifikasi secara kimia atau mencampur dengan polimer alami seperti pati, poli asam laktat (PLA), atau selulosa (Vroman and Tighzert 2009) yang dikenal sebagai biopolimer.
Biopolimer menjadi semakin penting peranannya karena tidak berpengaruh buruk pada lingkungan dan kenaikan harga minyak bumi. Polimer biodegradable didefinisikan sebagai polimer yang dapat didekomposisi menjadi karbondioksida, metana, air, senyawa anorganik, atau biomassa yang mekanismenya terutama disebabkan oleh aksi enzimatis dari mikroorganisme yang dapat diukur melalui pengujian yang standar pada periode waktu tertentu yang menggambarkan kondisi pembuangan. Standar Eropa dan Amerika mendefinisikannya secara lebih detil mengenai persyaratan klasifikasi polimer biodegradable dengan memberi batasan yaitu dapat didegradasi secara biologis 90 % selama 180 hari untuk campuran atau kopolimer dan 60 % untuk homopolimer pada periode waktu yang sama.
(26)
26
Plastik biodegradable dapat dikelompokkan ke dalam tiga kategori, yaitu campuran, komposit, dan modifikasi material dasar. Campuran merupakan hasil pencampuran dua atau lebih polimer yang mungkin miscible atau immiscible, kompatibel atau tidak kompatibel, misalnya campuran pati dengan polietilen. Komposit adalah matriks polimer yang diberikan bahan pengisi atau fase sekunder seperti partikel silika, karbon atau serat alami yang didispersikan di dalamnya (Maniar 2004). Modifikasi suatu bahan dasar adalah cara yang umum dan dapat dilakukan secara batch menggunakan reaktor atau menggunakan proses ekstrusi, seperti yang dilakukan pada pati. Polimer pati termoplastik dapat dibuat secara ekonomis dari berbagai sumber pati dapat diklasifikasikan sebagai polimer biodegradable.
Ubi kayu
Ubi kayu (Manihot esculenta) merupakan tanaman sumber pati yang dihasilkan di berbagai daerah di Indonesia. Ubi kayu mudah tumbuh di lahan yang kurang subur dengan produktivitas yang baik sehingga penyebaran penanamannya sangat luas. Produksi ubi kayu Indonesia stabil bahkan sedikit meningkat dari 21.76 ton pada tahun 2008 menjadi 21.99 juta ton pada tahun 2009 (BPS 2011).
Umbi ubi kayu mengandung sekitar 25-28 % pati dan 10 % serat. Pada pengolahan ubi kayu menjadi tapioka, dapat diperoleh sekitar 20-25 % tapioka dan sekitar 11 % onggok (Dziedzic dan Kearsley 1995 dan Supriyati 2009). Umbi ubi kayu juga mengandung sedikit lemak, protein, dan abu, bahkan komponen ini masih terdapat pada tapioka sebagai hasil ekstraksinya, yaitu sebesar 0.08-1.54 % lemak, 0.03-0.06 protein dan 0.02-0.33 % abu (Rickard et al. 1991).
Gambar 1 Struktur pati (Czigany et al. 2007)
Pati tersusun dari dua kelompok polimer glukosa, yaitu amilosa dan amilopektin. Amilosa merupakan polimer glukosa yang memiliki struktur rantai lurus yang terbentuk melalui ikatan glikosida α-(1,4), sementara amilopektin tersusun dari glukosa yang berikatan glikosida α-(1,4) dengan rantai cabang
hilum garis kristal
heliks ganda garis amorf
cincin amorf cincin kristalin
(27)
27 melalui ikatan glikosida α-(1,6). Struktur pati dan rumus bangun amilosa dan amilopektin ditampilkan pada Gambar 2.
Amilopektin amilosa
Gambar 2 Rumus kimia amilopektin dan amilosa (Czigany et al. 2007) Serat atau selulosa yang terkandung di dalam onggok juga merupakan karbohidrat yang tersusun dari glukosa sebagai monomernya. Ikatan glikosida yang terdapat pada selulosa adalah ikatan glikosida β-(1,4). Ikatan glikosida yang berbeda ini memberikan karakter selulosa yang berbeda dengan pati. Selain berbeda pada sifat daya cernanya juga berbeda dalam sifat fisik mekanisnya, selulosa lebih kuat dan kaku dibandingkan dengan pati.
Pati termoplastik dan komposit plastik
Penggunaan pati sebagai bahan bioplastik sudah dimulai sejak tahun 1970 (Curvelo et al. 2001). Keunggulan penggunaan pati sebagai bahan bioplastik adalah murah, tersedia dalam jumlah besar, terbarukan, dan terdapat dalam berbagai produk dan hasil samping pertanian. Pati dapat digunakan sebagai bioplastik dalam bentuk pati alami, pati termodifikasi, dan pati termoplastis. Pada berbagai penelitian yang telah dilakukan, pati dapat diproses tersendiri menjadi film pati termoplastik ataupun ditambahkan ke dalam polimer lain untuk membentuk plastik komposit.
Pati termoplastik yang dibentuk film tersendiri memiliki berbagai kelemahan terutama sebagai akibat retrogradasi pati. Retrogradasi pati menyebabkan film pati termoplastik mengalami perubahan menjadi lebih kaku dan kurang fleksibel setelah mengalami aging selama waktu tertentu. Pati termoplastik lebih tahan terhadap deformasi karena adanya bahan pemlastis yang merubah struktur kristalin pati menjadi bentuk amorf. Dengan demikian deformasi hanya terjadi pada daerah diberikannya stress sehingga kerusakan dapat diminimalkan (Ishiaku et al. 2002). Pati termoplastik yang bersifat hidrofilik menyebabkan mudah dipengaruhi oleh air. Air yang kontak dengan pati termoplastik menyebabkan peluang terjadinya migrasi bahan pemlastis dari
(28)
28
struktur pati sehingga memungkinkan terjadinya rekristalisasi yang menyebabkan rapuhnya pati termoplastik (Huneault, Li 2007).
Kandungan amilosa dan waktu aging berpengaruh terhadap Modulus Young, kuat tarik, elongasi dan penyerapan air (Chaudhary et al. 2009). Kadar amilosa yang rendah menghasilkan pati termoplastik dengan Modulus Young yang tinggi dibandingkan dengan pati termoplastik dengan kandungan amilosa tinggi (de Graff et al. 2003)
Beberapa penelitian dilakukan untuk mengatasi kelemahan pati termoplastik, diantaranya adalah dengan pembuatan komposit. Komposit dapat dibuat dengan mencampur pati termoplastik dengan plastik konvensional seperti polietilen densitas rendah, polietilen linier densitas rendah, poli asam laktat (Leadprathom et al. 2010) dengan hasil yang cukup memuaskan. Komposit juga dibuat dengan mencampurkan pati termoplastik dengan serat kapas (Prachayawarakorn et al. 2010), selulosa, onggok, bahkan dengan bahan tambang seperti montmorilonit (Azeredo 2009). Teixeira (2001) membuat film termoplastis dari pati ubi kayu, onggok, dan tepung ubi kayu, sementara Permatasari (2010) membuat komposit dari campuran tapioka-onggok termoplastis dengan polietilen, dan Widyasari (2010) membuat komposit onggok termoplastis dengan polietilen.
Secara umum plastik komposit merupakan komposit antara resin plastik konvensional seperti PP, PE, poli ester, atau plastik lainnya dengan bahan alami baik berupa pati, serat, atau bahan lignoselulosa. Serat alami seperti kayu, jute, sisal dan flax sudah sejak lama digunakan sebagai bahan pengisi pada plastik (Mohanty et al. 2005 dan Saputra et al. 2007). Saat ini, hasil samping kegiatan pertanian seperti jerami rye banyak dimanfaatkan sebagai bahan pengisi plastik.
Pembuatan plastik untuk keperluan struktural dapat menggantikan penggunaan kayu, baik sebagai bahan untuk jendela, bingkai jendela, railing tangga, serta penggunaan lainnya. Dengan demikian penggunaan komposit plastik dapat memanfaatkan limbah kayu dan pertanian, menekan biaya, meningkatkan kepedulian terhadap lingkungan, dan mempertahankan hutan hujan tropis (Lechner 2008).
Pembuatan komposit plastik dengan pati ataupun bahan lignoselulosa memperbaiki sifat biodegradabilitas plastik serta memperbaiki kelemahan pati atau lignoselulosa dalam hal sifat mekanis. Namun demikian pencampuran ini akan dihadapkan pada masalah ketidak setaraan sifat kedua bahan yang dicampurkan. Umumnya plastik konvensional bersifat hidrofobik sementara pati dan lignoselulosa bersifat hidrofilik sehingga sulit untuk dapat dicampurkan dengan sempurna. Pencampuran dua bahan yang tidak setara sifat hidrofilitasnya memerlukan bahan tambahan yang dapat menghubungkan atau menyambungkan keduanya (coupling agent) atau biasa disebut sebagai kompatibiliser (compatibilizer) (Saputra et al. 2007).
Kompatibiliser
Kompatibiliser (compatibilizer) atau coupling agent adalah bahan tambahan yang digunakan untuk mencampurkan bahan-bahan yang tidak saling bercampur (immiscible) pada proses ekstrusi. Prinsip umum kompatibilisasi adalah menurunkan energi antar muka antara kedua polimer sehingga meningkatkan
(29)
29 pelekatan (adhesion). Penambahan bahan kompatibiliser menghasilkan dispersi yang lebih halus sehingga morfologinya lebih baik. Kompatibiliser bekerja dengan membentuk ikatan intermolekul antara kedua polimer yang tidak setara (Metha dan Jain 2007) sehingga terbentuk ikatan seperti ikatan silang (cross linking) antara keduanya (Lechner 2008). Ketika ikatan silang terjadi maka terbentuklah molekul yang lebih besar dengan kompatibiliser sebagai jembatan yang pada kedua ujungnya mengikat kedua jenis polimer yang tidak setara sifat hidrofilitasnya. Dengan demikian terjadilah penurunan energi permukaan antara kedua polimer sehingga keduanya dapat bercampur dengan lebih baik.
Kompatibiliser berfungsi karena memberikan atau menyediakan gugus hidrofilik pada resin plastik sintetis yang bersifat hidrofobik. Gugus hidrofilik inilah yang akan berikatan dengan pati atau lignoselulosa. Bahan yang dapat digunakan sebagai kompatibiliser untuk komposit pati-plastik ataupun lignoselulosa-plastik di antaranya adalah asam akrilat, etilen asam akrilat, dan maleat anhidrida (Christianty 2009), poli (difenilmetana diisosianat), asam stearat, dan kombinasinya (Saputra et al. 2007), serta berbagai merek dagang yang diproduksi oleh PolyGroup, DuPont, Danisco serta pabrikan lainnya.
Plastisiser
Plastisiser (plasticizer) memegang peranan penting pada pembuatan pati termoplastik dan kompositnya. Plastisiser merupakan bahan organik yang ditambahkan ke dalam polimer untuk memberikan sifat fleksibel dan kemampuan mulur pada polimer. Kedua sifat tersebut diperlukan untuk memudahkan proses pencetakan dan blowing polimer serta menjaga agar film yang dihasilkan tidak mudah retak atau pecah. Penggunaan plastisiser juga memberikan pengaruh yang merugikan, yaitu menyebabkan sifat lunak (soft) dan lemah pada polimer (Kalambur dan Rizvi 2006). Penambahan plastisiser, baik jenis dan jumlahnya pada polimer perlu dipertimbangkan dengan baik untuk mendapatkan manfaat yang diinginkan dan menghindari pengaruh buruk sampai batas tertentu. Pemilihan plastisiser dapat didasarkan pada polaritas, struktur molekul, serta pada kualitas dan sifat produk yang diharapkan, dan biaya yang diperlukan.
Mekanisme kerja plastisiser untuk meningkatkan fleksibilitas polimer adalah dengan meningkatkan volume bebas polimer sebagai akibat dari bobot molekul plastisiser yang lebih rendah dibandingkan polimernya. Adanya plastisiser menyebabkan jarak antara molekul-molekul polimer menjadi lebih jauh (Surdia, Saito 1985) sehingga gerak segmental rantai polimer menjadi lebih baik. Plastisiser dapat mengurangi kekuatan intermolekuler ekstensif dan meningkatkan mobilitas rantai polimer sehingga fleksibilitas polimer meningkat (Song dan Zheng 2008).
Penambahan plastisiser pada plastik dapat meningkatkan daya alir dan sifat termoplastik dengan penurunan viskositas, temperatur transisi gelas, temperatur pelelehan, dan modulus elastisitasnya (Chanda dan Roy 2007). Peningkatan dosis gliserol dari 29 menjadi 40 % pada pati gandum dapat menurunkan temperatur transisi gelasnya.
Bahan yang dapat digunakan sebagai plastisiser diantaranya adalah gula polialkohol seperti gliserol (Godbole et al. 2003 dan Sun et al. 2008) dan sorbitol
(30)
30
air, asam laktat, oligosakarida, dan poliol (Cuq et al. 1997 dan Pouplin et al. 1999). Air juga dapat berfungsi sebagai plastisiser tetapi kurang baik daya plasticizing-nya terutama disebabkan karena air mudah menguap pada temperatur operasi sehingga menghasilkan pati termoplastis yang rapuh (Liu et al. 2009).
Penambahan plastisiser menyebabkan penurunan sifat mekanis plastik sehingga menjadi soft dan weak (Kalambur dan Rizvi 2006). Peningkatan dosis gliserol menurunkan Modulus Young (Mali et al. 2005) yang disebabkan matriks film menjadi kurang kuat akibat pergerakan rantai polimer yang lebih bebas (Mali et al. 2005).
Antifog
Penggunaan plastik sebagai kemasan buah segar yang disimpan pada temperatur rendah menyebabkan terbentuknya kabut pada permukaan plastik. Kabut tersebut terjadi akibat adanya uap air yang dihasilkan selama respirasi buah bertemu dengan permukaan plastik yang dingin sehingga terkondensasi. Kabut yang terjadi menyebabkan plastik kehilangan sifat transparan atau translusennya sehingga menurunkan nilai estetikanya. Keberadaan kabut juga dapat meningkatkan peluang kerusakan mikrobiologis produk yang dikemas.
Pembentukan kabut pada permukaan plastik kemasan yang akan digunakan pada temperatur rendah, perlu dicegah dengan penambahan bahan anti kabut. Penambahan bahan anti kabut ini akan menurunkan energi permukaan antara butiran air dengan permukaan plastik. Penurunan energi permukaan ini akan menurunkan sudut kontak antara butiran air dengan permukaan plastik yang berarti meningkatkan sifat wettability dari plastik tersebut (Schneider et al. 2004).
Minimisasi pembentukan kabut dapat dilakukan dengan dua cara, yaitu dengan menggunakan additif internal dan pelapis luar (external coating). Antifog aditif internal pada umumnya menggunakan surfaktan non-ionik yang berfungsi menurunkan tegangan permukaan droplet air sehingga sudut kontak droplet air pada permukaan plastik akan turun dan air mudah menyebar pada permukaan plastik sehingga tidak terbentuk kabut. Surfaktan non-ionik merupakan surfaktan yang gugus hidrofiliknya tidak bermuatan tetapi memiliki sifat larut dalam air karena polaritasnya tinggi, seperti polioksietilen (POE atau R—OCH2CH2O—) dan kelompok polialkohol seperti gula (Myers 2006).
Penggunaan surfaktan non-ionik sebagai antifog internal memiliki kelemahan, yaitu sifat polaritasnya. Plastik konvensional kelompok poliolefin umumnya bersifat non polar sehingga surfaktan non-ionik yang digunakan memiliki kecenderungan bermigrasi menuju permukaan plastik. Surfaktan non-ionik lebih cocok digunakan pada plastik yang lebih polar seperti poli ester.
Bahan antifog dapat juga diaplikasikan sebagai pelapis pada permukaan plastik. Bahan pelapis antifog pada umumnya adalah cairan kental yang dilapiskan ke atas permukaan plastik dengan cara perendaman, pelapisan menggunakan roll, atau dengan penyemprotan kemudian dikeringkan. Cara kerja bahan antifog ini adalah dengan berikatan dengan droplet air sehingga bahan antifog-nya larut ke dalam air. Kelemahan dari penggunaan bahan antifog dalam bentuk lapisan adalah hilangnya lapisan bahan antifog pada plastik yang digunakan dengan teknik termoforming.
(31)
31 Penggunaan surfaktan dalam preparasi sistem polimer seperti komposit memberikan beberapa manfaat sekaligus. Surfaktan dapat berfungsi sebagai pelumas pada mesin-mesin pemroses, agen mold release, agen antistatik, dan agen untuk memodifikasi permukaan. Sebagai agen untuk memodifikasi permukaan, surfaktan mengubah fase antar muka komponen yang tidak setara menjadi setara sehingga dapat bercampur dengan lebih baik (Myers 2006).
(32)
32
3
METODE
Bahan
Bahan untuk pembuatan tepung ubi kayu termoplastik adalah tepung ubi kayu yang diperoleh dari petani di Kabupaten Sukabumi, gliserol (refined glicerine) dengan kadar air 0.5 %, dan air industri. Resin linear low density polyethylene (LLDPE) yang digunakan adalah Asrene UF 1810 dengan indeks laju alir 0.8-1.2 g/10 menit dan UI 2420 dengan indeks laju alir 20 g/10 menit yang diperoleh dari PT Chandra Asri Petrochemical Tbk., sementara bahan kompatibiliser yang digunakan adalah palm fatty acid distillate (PFAD) yang diperoleh dari PT Smart Tbk. dan asam stearat Edenor ST 05MMY. Surfaktan yang digunakan adalah polyoxyethylene stearate dengan nilai HLB 4 dari Croda.
Alat
Alat yang digunakan untuk persiapan tepung ubi kayu adalah disc mill dan vibrating screen. Alat-alat yang digunakan dalam pembuatan tepung ubi kayu termoplastik dan film komposit adalah mesin kneading-mixing machine (compression-type kneading and mixing machine) model ML-5L dengan kapasitas 4-5 kg, mesin crusher tipe FBR 7.5, hopper dryer kapasitas 20 kg dan mesin film blowing line produksi CV Varia Kebumen dengan die spesifikasi untuk film LLDPE. Alat-alat analisis yang digunakan yaitu moisture analyzer tipe AND MS-70 untuk analisis kadar air plastik, pengukur melt flow index tipe Frank untuk analisis indeks laju alir, Universal TestingMachine dari Lloyd Instrument untuk analisis kuat tarik (tensile strength) dan elongasi (elongation) film serta spektrofotometer Gretagmacbeth Color i5 untuk pengukuran yellowness index dan opasitas film.
Tahapan Penelitian Persiapan dan Karakterisasi Bahan
Penelitian diawali dengan melakukan pengecilan ukuran pada tepung ubi kayu dengan menggunakan disc mill dan vibrating screen sehingga diperoleh tepung ubi kayu lolos ayakan 100 mesh. Selanjutnya karakterisasi dilakukan pada tepung ubi kayu meliputi kadar air (AOAC 1999), kadar abu (AOAC 1999), kadar lemak (AOAC 1995), kadar protein (AOAC 1995), kadar serat kasar (AOAC 1995), kadar pati (Apriyantono et al. 1989) dan kadar amilosa (AOAC 1994). Prosedur analisis karakterisasi tepung ubi kayu disajikan pada Lampiran 1. Karakterisasi juga dilakukan pada PFAD untuk mengetahui komponen asam lemak penyusunnya dengan menggunakan gas kromatografi, sedangkan komponen asam lemak dari asam stearat berdasarkan certificate of analysis (CoA) dari perusahaan produsennya.
Tepung ubi kayu yang telah digiling lolos ayakan 100 mesh selanjutnya dilakukan proses plastisasi menggunakan gliserol dan air. Penggunaan ukuran tepung ubi kayu lolos ayakan 100 mesh mengacu pada penelitian sebelumnya untuk mendapatkan tepung ubi kayu termoplastik yang baik (Permatasari 2010, Widyasari 2010). Dosis gliserol yang digunakan adalah 30 dan 40 % dari bobot
(33)
33 tepung ubi kayu (Permatasari 2010, dan Widyasari 2010), sementara air ditambahkan sampai kadar air awal campuran adalah 25 % . Penambahan air ini mengacu pada penelitian yang telah dilakukan oleh Lee (2009) untuk menghasilkan pati termoplastis yang baik dan tidak berwarna gelap. Tepung ubi kayu, gliserol, dan air dicampur menggunakan super mixer agar gliserol dan air dapat tercampur merata dengan tepung ubi kayu sebelum dilakukan proses termoplastisasi 3 jam setelahnya. Skala proses yang digunakan ditetapkan berdasarkan jumlah bobot tepung ubi kayu dan gliserol, yaitu 4 kg. Selanjutnya dilakukan termoplastisasi dengan kondisi proses menurut Permatasari (2010) yang dimodifikasi dengan menggunakan kneading-mixing machine pada temperatur 90 o
C dengan putaran rotor 52 rpm selama 15 menit sampai dihasilkan gumpalan tepung ubi kayu termoplastik. Gumpalan tepung ubi kayu termoplastik yang berbentuk seperti gumpalan karet dikeluarkan dari kneading-mixing machine dan dipotong-potong agar cepat dingin. Setelah mencapai temperatur kamar, gumpalan digiling menggunakan crusher sehingga diperoleh pelet atau chips tepung ubi kayu termoplastik lolos lubang ayakan 5 mm agar mudah diproses selanjutnya. Diagram alir pembuatan tepung ubi kayu termoplastik ditampilkan pada Gambar 3.
Gambar 3 Diagram alir pembuatan tepung ubi kayu termoplastik (modifikasi Permatasari 2010)
Gliserol 30 dan 40%
Air Tepung ubi kayu
Lolos ayakan 100 mesh
Pencampuran
Supermixer, 1 menit, temperatur kamar
Kadar air campuran 25 % Termoplastisasi Kneading-mixing machine
52 rpm, 90 oC, 15 menit
Pendinginan dan pengecilan ukuran Temperatur kamar, lolos ayakan 5
mm
Pelet tepung ubi kayu termoplastik Lolos ayakan 100 mesh
(34)
34
Penentuan Kondisi Proses Komponding dan Film komposit
Tahapan penelitian berikutnya adalah penentuan kondisi proses komponding (pembuatan komposit tepung ubi kayu termoplastik-LLDPE) dan rasio tepung ubi kayu:LLDPE yang akan digunakan pada penelitian selanjutnya. Kondisi proses komponding dicobakan pada berbagai formulasi tepung ubi kayu termoplastik-LLDPE dan film kompositnya dilakukan dengan rasio tepung ubi kayu:resin LLDPE 60:40, 50:50, 40:60, 30:70, dan 20:80. Rasio ini dipilih berdasarkan berbagai penelitian sebelumnya (Permatasari 2010, Widyasari 2010, Waryat 2013). Skala proses yang dilakukan ditetapkan berdasarkan jumlah bobot tepung ubi kayu dan resin LLDPE, yaitu 4 kg. Kondisi proses komponding yang dicoba adalah kecepatan putar rotor kneading-mixing machine tetap pada 52 rpm dan temperatur kneading-mixing machine (rotor dan chamber) divariasikan pada temperatur 150 – 190 oC. Komposit yang dihasilkan diamati keseragaman hasil campuran dan warnanya secara visual. Kondisi proses film blowing ditentukan dengan pengoperasian film blowing line dengan variasi temperatur pada ekstruder dan die sehingga dapat dihasilkan film yang paling tipis dan paling lebar. Hasil rasio tepung ubi kayu:resin LLDPE yang terpilih digunakan sebagai perlakuan pada penelitian tahap berikutnya.
Pembuatan Film Komposit Tepung Ubi Kayu Termoplastik-LLDPE
Proses pembuatan kantong plastik komposit diawali dengan mencampurkan resin LLDPE dan tepung ubi kayu termoplastik dengan bahan kompatibiliser (asam stearate atau PFAD) di dalam kneading-mixing machine chamber. Rasio pencampuran antara tepung ubi kayu dan resin LLDPE pada pembuatan plastik komposit adalah rasio terbaik pada tahap sebelumnya, yaitu 20:80 dan 30:70 untuk kompatibiliser asam stearat dan 30:70 dan 40:60 untuk kompatibiliser PFAD. Skala proses yang dilakukan ditetapkan berdasarkan jumlah bobot tepung ubi kayu dan resin LLDPE, yaitu 4 kg. Dosis penggunaan bahan kompatibiliser baik untuk asam stearat maupun PFAD adalah 5 dan 7 % dari bobot resin LLDPE. Hasil dari proses pencampuran yaitu berupa gumpalan komposit tepung ubi kayu termoplastik-LLDPE. Pengecilan ukuran dilakukan pada gumpalan tersebut setelah kondisinya dingin dan keras dengan menggunakan crusher, sehingga diperoleh pelet komposit tepung ubi kayu termoplastik-LLDPE lolos ayakan diameter 5 mm.
Selanjutnya pelet plastik komposit dikeringkan menggunakan hopper dryer. Proses pengeringan dilakukan untuk menurunkan kadar air pelet komposit tepung ubi kayu termoplastik-LLDPE komposit sampai kurang dari 0.2 % sesuai dengan spesifikasi bahan untuk proses film blowing. Proses pembuatan film komposit tepung ubi kayu termoplastik-LLDPE dilakukan dengan menggunakan mesin film blowing line dengan spesifikasi die unit untuk film LLDPE. Temperatur pada empat zona mesin film blowing diatur pada 150 °C. Serpihan plastik komposit dimasukkan sedikit demi sedikit ke dalam hopper mesin film blowing. Film yang dihasilkan digulung oleh bagian winding unit mesin film blowing. Film tersebut kemudian dibentuk menjadi kantong plastik dengan cara dikelim menggunakan alat heat sealer. Diagram alir pembuatan film komposit tepung ubi kayu termoplastik-LLDPE dapat dilihat pada Gambar 4.
(35)
35 Karakterisasi Film Komposit Tepung Ubi Kayu Termoplastik-LLDPE
Karakterisasi yang dilakukan pada serpihan plastik komposit meliputi kadar air, specific gravity dan indeks laju alir. Analisa kadar air dilakukan dengan menggunakan alat moisture analyzer sesuai standar ISO 787-2 (1995). Analisa specific gravity dilakukan untuk mengetahui densitas bahan sesuai standar JIS K-7112 (1999). Analisis indeks laju alir dilakukan untuk mengetahui laju alir lelehan bahan sesuai standar ASTM D-1238 (1991).
Gambar 4 Diagram alir proses pembuatan film komposit tepung ubi kayu termoplastik-LLDPE
Karakterisasi Resin LLDPE Pelet tepung ubi kayu
termoplastik
Dosis gliserol 30 dan 40 %
Film komposit tepung ubi kayu termoplastik-LLDPE
Pelet komposit tepung ubi kayu termoplastik-LLDPE Asam stearat
5 dan 7 %
Kompatibilisasi
Kneading-mixing machine
52 rpm, 190 oC, 15 menit
Pendinginan dan pengecilan ukuran
Temperatur kamar, lolos ayakan 5mm
Komponding
Rasio tepung ubi kayu:LLDPE 20:80, 30:70, dan 40:60
Kneading-mixing machine
52 rpm, 190 oC, 15 menit
Pendinginan dan pengecilan ukuran
Temperatur kamar, lolos ayakan 5mm
Pengeringan
Hopper dryer, kadar air ≤ 0.2 %
Pembuatan film
Film blowing line, 150 oC (semua zona extruder), 800 rpm
(36)
36
Karakterisasi juga dilakukan pada film plastik komposit meliputi tebal, kuat tarik dan elongasi, morfologi permukaan, yellowness index dan opasitas film. Pengukuran tebal film dilakukan dengan menggunakan alat thickness meter. Pengujian kuat tarik dan elongasi dilakukan dengan menggunakan alat Universal Testing Machine dari Lloyd Instrument untuk mengetahui kuat tarik dan elongasi film pada orientasi sejajar arah mesin (machine direction = MD), tegak lurus arah mesin (transverse direction = TD) dan heat sealing film berdasarkan standar ASTM D-882 (1991). Pengukuran yellowness index serta opasitas film dilakukan dengan menggunakan alat spektrofotometer Gretagmacbeth Color i5 berdasarkan standar ASTM E-313 (1991). Pengujian morfologi permukaan film sesuai dengan ASTM E-2015 (1991) dilakukan dengan menggunakan alat Scanning Electron Microscope (SEM). Prosedur analisis karakterisasi komposit disajikan pada pada Lampiran 1.
Analisis Data
Data karakter komposit dan film komposit dianalisis menggunakan analisis statistika analisis ragam (ANOVA). ANOVA yang digunakan adalah analisis acak lengkap dengan 3 faktor perlakuan dengan 2 level untuk setiap perlakuan dan dua kali ulangan. Model matematis rancangan percobaan yang digunakan adalah sebagai berikut:
Yijkl = µ + Ai + Bj + Ck + (AB)ij + (AC)ik + (BC)jk + (ABC)ijk+ Ɛijkl Dengan i = 1, 2; j = 1, 2; k= 1, 2; dan l = 1, 2
dimana :
Yijkl = Nilai pengamatan pada faktor A taraf ke-I faktor B taraf ke-j faktor C taraf ke-k dan ulangan ke-l,
µ = Rataan umum
Ai = Pengaruh faktor rasio tepung ubi kayu:LLDPE taraf ke-i Bj = Pengaruh faktor dosis gliserol taraf ke-j
Ck = Pengaruh faktor kompatibiliser taraf ke-k
(AB)ij = Pengaruh interaksi faktor rasio tepung ubi kayu:LLDPE ke-i dengan dosis gliserol ke-j
(AC)ik = Pengaruh interaksi faktor rasio tepung ubi kayu:LLDPE ke-i dengan dosisasam stearat ke-k
(BC)jk = Pengaruh interaksi faktor dosis gliserol ke-j dengan dosis asam stearat ke-k
(ABC)ijk = Pengaruh interaksi faktor rasio tepung ubi kayu:LLDPE ke-i, dosis gliserol ke-j, dan dosis asam stearat ke-k
Ɛijkl = Pengaruh acak pada perlakuan i,j,k ulangan ke l
Optimasi Pengaruh Formulasi Terhadap Karakter Film Komposit
Pada tahap ini dilakukan percobaan seperti pada pembuatan komposit dan film komposit. Perlakuan yang diberikan pada tahap ini adalah dosis gliserol sebagai plastisiser, dosis asam stearat sebagai kompatibiliser dan dosis polyoxyethylene stearate sebagai surfaktan. Proses pembuatan film komposit
(37)
37 tepung ubi kayu termoplastik-LLDPE dilakukan seperti diagram alir pada Gambar 5.
Analisis statistik yang dilakukan adalah menggunakan metoda permukaan respon (RSM) dengan 3 faktor perlakuan untuk setiap kombinasi perlakuan. Tabel desain RSM yang dibangkitkan dari program komputer dengan menggunakan central composite design, full factorial dengan alpha 1.68 ditampilkan pada Tabel 1.
Gambar 5 Diagram alir pembuatan film komposit untuk tahap formulasi Resin LLDPE Pelet tepung ubi kayu
termoplastik
Dosis gliserol 25, 30, 35 %
Karakterisasi
Film komposit tepung ubi kayu
termoplastik-LLDPE
Pelet komposit tepung ubi kayu
termoplastik-LLDPE Asam stearat
5, 7 dan 9 %
Kompatibilisasi
Kneading-mixing machine
52 rpm, 190 oC, 15 menit
Pendinginan dan pengecilan ukuran
Temperatur kamar, lolos ayakan
Komponding
Rasio tepung ubi kayu:LLDPE 30:70
Kneading-mixing machine
52 rpm, 190 oC, 15 menit
Pendinginan dan pengecilan ukuran
Temperatur kamar, lolos ayakan
Pengeringan
Hopper dryer, kadar air ≤ 0.2 %
Pembuatan film
Film blowing line, 150 oC (semua stage), 800 rpm
Polyoxyethylene stearate
(1)
105
e.
Persamaan regresi hubungan antara tebal film dengan kuat tarik film
komposit
Kombinasi
perlakuan
Persamaan regresi
Koefisien
determinasi
T30PFAD
y = -0.0057x + 5.0989
0.9471
T40PFAD
y = 1E-05x
2- 0.0137x + 7.0292
0.8585
T20AS
y = 0.0082x + 2.6227
0.159
T30AS
y = 0.0287x - 4.4456
0.7139
f.
Persamaan regresi hubungan antara tebal film dengan elongasi film komposit
Kombinasi
perlakuan
Persamaan regresi
Koefisien
determinasi
T30PFAD
y = -1.0677x + 604.42
0.7173
T40PFAD
y = 0.0008x
2- 1.3348x + 636.86
0.9451
T20AS
y = 0.552x + 255.07
0.0119
(2)
Lampiran 6 Hasil analisis metode permukaan respon
a.
Hasil analisis metode permukaan respon terhadap indeks laju alir
ANOVA untuk Indeks laju alir
________________________________________________________________ Model
_____________________________________________ Sumber keragaman DF JK KT F Pr > F
_________________________________________________________________ Gliserol 1 0.048798 0.048798 1.085377 0.32203
AS 1 0.000719 0.000719 0.015991 0.901878 POE-S 1 0.029992 0.029992 0.667076 0.433099 Gliserol*Gliserol 1 0.099349 0.099349 2.209731 0.167975 Gliserol*AS 1 0.891113 0.891113 19.82025 0.001231 Gliserol*POE-S 1 0.040613 0.040613 0.903309 0.364301
AS*AS 1 0.10827 0.10827 2.408152 0.151752 AS*POE-S 1 0.015312 0.015312 0.340583 0.57242
POE-S*POE-S 1 0.126656 0.126656 2.817094 0.124192
Model 9 1.385098 0.1539 3.423061 0.03424
(Linier) 3 0.079509 0.026503 0.589485 0.635719 (Kuadratik) 3 0.358551 0.119517 2.658317 0.105393 (Cross Product) 3 0.947037 0.315679 7.021381 0.008002 Galat 10 0.449597 0.04496 (Lack of fit) 5 0.240264 0.048053 1.147756 0.441743 (Galat ) 5 0.209333 0.041867 Total 19 1.834695
__________________________________________________________________ Keterangan: AS = asam stearat
POE-S = polyoxyethylene stearate
__________________________________ Model
__________________________________ Rataan 5.4355
R2 75.49% Adj. R2 53.44% RMSE 0.212037 CV 3.900966
__________________________________ ________________________________________________________________________
Titik optimum : tidak ada titik optimum tunggal
Prediksi nilai optimum : 5.365817
Galat nilai prediksi : 0.0857
________________________________________________________________________
(3)
b.
Hasil analisis metode permukaan respon terhadap kuat tarik
ANOVA untuk Kuat tarik
__________________________________________________________________ Model
_____________________________________________ Sumber keragaman DF JK KT F Pr > F
_________________________________________________________________ Gliserol 1 0.268781 0.268781 9.97888 0.010177
AS 1 0.012916 0.012916 0.479529 0.504398 POE-S 1 0.000035 0.000035 0.001293 0.972021 Gliserol*Gliserol 1 0.403928 0.403928 14.99639 0.003096 Gliserol*AS 1 0.025313 0.025313 0.939762 0.355201 Gliserol*POE-S 1 0.000312 0.000312 0.011602 0.916354
AS*AS 1 0.149964 0.149964 5.56762 0.039982 AS*POE-S 1 0.013612 0.013612 0.505383 0.493392
POE-S*POE-S 1 0.045271 0.045271 1.680744 0.223944
Model 9 0.84577 0.093974 3.488935 0.032259
(Linier) 3 0.281731 0.09391 3.486556 0.058039 (Kuadratik) 3 0.524801 0.174934 6.494665 0.010285 (Cross Product) 3 0.039237 0.013079 0.485583 0.699808 Galat 10 0.26935 0.026935 (Lack of fit) 5 0.24235 0.04847 8.975925 0.015463 (Galat murni) 5 0.027 0.0054 Total 19 1.11512
___________________________________________________________________
Keterangan: AS = asam stearat
POE-S = polyoxyethylene stearate
______________________________ Master Model ______________________________
Rataan 5.322 R2 75.85% Adj R2 54.11% RMSE 0.164119
CV 3.083781 ______________________________
________________________________________________________________________ Titik optimum: titik optimum adalah maksimum
Prediksi nilai optimum : 5.573771
Galat nilai prediksi : 0.065946
________________________________________________________________________
(4)
108
c.
Hasil analisis metode permukaan respon terhadap
yellowness index
ANOVA untuk YELLOWNESS index
_________________________________________________________________ Master Model
_____________________________________________ Source DF SS MS F Pr > F
__________________________________________________________________ Gliserol 1 65.78759 65.78759 2.790365 0.12917
AS 1 33.60537 33.60537 1.425364 0.26304 POE-S 1 3.646841 3.646841 0.15468 0.703257
Gliserol*Gliserol 1 10.57555 10.57555 0.44856 0.519831
Gliserol*AS 1 84.79275 84.79275 3.596465 0.090402 Gliserol*POE-S 1 10.24913 10.24913 0.434714 0.526194
AS*AS 1 0.158296 0.158296 0.006714 0.936488 AS*POE-S 1 4.111278 4.111278 0.174379 0.686035 POE-S*POE-S 1 15.56619 15.56619 0.660236 0.437441
Model 9 233.0086 25.88985 1.098112 0.445703
(Linier) 3 103.0397 34.34657 1.456802 0.290332 (kuadratik) 3 30.81576 10.27192 0.435681 0.732818 (Cross Product) 3 99.15316 33.05105 1.401853 0.304542 Galat 9 212.1903 23.5767 (Lack of fit) 5 119.5983 23.91965 1.033336 0.501307
(Galat murni) 4 92.592 23.148 Total 18 445.1989
____________________________________________________________________
Keterangan: AS = asam stearat
POE-S = polyoxyethylene stearate
_____________________________ Master Model
_____________________________ Rataan 42.95842
R2 52.34%
Adj. R2 4.68% RMSE 4.855584 CV 11.30299
______________________________
________________________________________________________________________
Titik optimum : tidak ada titik optimum tunggal
Prediksi nilai optimum : 43.71678
Galat nilai optimum : 2.096062
______________________________________________________________________
(5)
109
d.
Hasil analisis metode permukaan respon terhadap opasitas
ANOVA untuk OPASITAS __________________________________________________________________ Master Model
_____________________________________________ Source DF SS MS F Pr > F
___________________________________________________________________ Gliserol 1 20.83462 20.83462 1.648587 0.20898
AS 1 1.265181 1.265181 0.10011 0.753888 POE-S 1 10.55745 10.55745 0.835383 0.368009
Gliserol*Gliserol 1 11.98737 11.98737 0.948528 0.337882
Gliserol*AS 1 366.2439 366.2439 28.97989 0.0001 Gliserol*POE-S 1 0.644006 0.644006 0.050958 0.822935
AS*AS 1 0.176869 0.176869 0.013995 0.906618 AS*POE-S 1 1.470156 1.470156 0.116329 0.735427 POE-S*POE-S 1 27.81271 27.81271 2.200744 0.148375
Model 9 445.2215 49.46905 3.914353 0.002227
(Linier) 3 32.65737 10.88579 0.861363 0.471819 (Kuadratik) 3 44.20605 14.73535 1.165968 0.339045 (Cross Product) 3 368.3581 122.786 9.715726 0.000123 Galat 30 379.1359 12.63786 (Lack of fit) 5 174.3852 34.87703 4.258474 0.006142 (Galat murni) 25 204.7508 8.19003 Total 39 824.3574
_____________________________________________________________________
Keterangan: AS = asam stearat
POE-S = polyoxyethylene stearate
________________________________ Master Model
________________________________ Rataan 33.40525
R2 54.01% Adj. R2 40.21% RMSE 3.554977 CV 10.64197
________________________________
________________________________________________________________________
Titik optimum : tidak ada titik optimum tunggal
Prediksi nilai optimum : 33.17778
Galat nilai optimum : 1.013578
________________________________________________________________________
(6)