Kerangka Pemikiran
Tapioka dan onggok merupakan polimer alami yang cukup potensial untuk dijadikan bahan baku pembuatan plastik komposit. Adanya pencampuran polimer alami dengan polimer sintetik diharapkan dapat menghasilkan plastik
biodegradable dengan sifat mekanik yang baik dan mempermudah plastik tersebut untuk terdegradasi secara alami setelah masa pakainya habis dan dibuang ke lingkungan. Tapioka sebagai bahan baku pembuatan plastik komposit, akan dimodifikasi dengan memperkaya kandungan seratnya melalui penambahan onggok dan proses termoplastisasi. Penambahan komponen serat dalam tapioka akan meningkatkan sifat mekanik plastik komposit yang dihasilkan. Dengan adanya proses termoplastisasi, campuran tapioka-onggok akan bersifat plastis dan mudah dicetak. Penambahan gliserol sebagai bahan pemlastis dengan jumlah yang cukup besar dalam campuran tapioka-onggok dikarenakan adanya penambahan komponen serat akan memiliki tingkat penyerapan yang berbeda dibanding jika digunakan tapioka saja sebagai bahan baku.
Penambahan compatibilizer pada polimer sintetik akan meningkatkan kompatibilitas campuran yang berbeda polaritas yaitu polimer alami yang bersifat hidrofilik dan polimer sintetik yang bersifat hidrofobik. Penggunaan polimer sintetik dari berbagai jenis resin polietilen digunakan untuk melihat kesesuaian berbagai jenis resin polietilen dengan plastik komposit berbahan baku campuran tapioka-onggok. Dasar pemikiran pada penelitian ini disajikan pada Gambar 9.
Polimer alami
- Biodegradabilitas tinggi
- Sifat mekanik buruk
- Hidrofilik
Polimer sintetik
- Tidak dapat terdegradasi
- Sifat mekanik baik
- Hidrofobik
Modifikasi bahan baku dan proses termoplastisasi
Kompatibilisasi
Plastik Komposit
Bahan dan Alat
Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini terdiri dari bahan baku pembuatan bioplastik, yaitu tapioka dan onggok hasil olahan industri tapioka rakyat di Bogor, Linier Low Density Polyethylene (LLDPE), Low Density Polyethylene (LDPE), High Density Polyethylene (HDPE), bahan compatibilizer
maleat anhidrida (MA) serta gliserol dan air (akuades) sebagai bahan pemlastis. Bahan tambahan lain adalah inisiator dikumil peroksida (DCP) yang digunakan pada saat proses penambahan compatibilizer serta bahan-bahan kimia untuk analisa.
Alat utama yang digunakan dalam penelitian ini berupa ekstruder simulator dan rheocord mixer (rheomix) 3000 HAAKE dengan kapasitas sampel 200-250 g. Penambahan compatibilizer dalam LLDPE menggunakan alat ekstruder dua ulir, dengan spesifikasi rasio L/D 26, diameter ulir 30 mm dan kecepatan rotor 150 rpm. Rheomix digunakan pada saat pembuatan serta pencampuran antara tapioka-onggok termoplastis dan resin PE. Pembuatan spesimen untuk uji kuat tarik dan elongasi menggunakan hydraulic heat press.
Berbagai macam alat gelas dan peralatan lain digunakan dalam analisa dan karakterisasi onggok dan tapioka. Analisa pengujian plastik campuran menggunakan alat Scanning Electrone Microscopy (SEM) untuk analisa morfologi permukaan, Differential Scanning Calorimeter (DSC) untuk analisa termal, Universal Testing Machine (UTM) untuk pengujian sifat mekanik dan perangkat pengujian biodegradabilitas secara kualitatif dan kuantitatif.
Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian ini dilakukan di beberapa laboratorium, diantaranya Laboratorium Teknologi Kimia, Departemen Teknologi Industri Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor dan Laboratorium Polimer Pertamina, Jakarta. Pelaksanaan penelitian pada bulan Februari – Agustus 2010.
26
Tahapan Penelitian
Penelitian dilakukan dalam 4 tahap yaitu 1. Tahap Persiapan Bahan Baku
a. Persiapan tapioka dan onggok
Pada tahap ini, bahan baku dikeringkan dengan oven pada suhu 500C selama 8 jam. Pengeringan yang berlebihan akan mengurangi aglomerasi granula pati selama proses pencampuran bahan baku plastik yang dapat menurunkan sifat mekanik plastik yang dihasilkan.
Selanjutnya dilakukan pengecilan ukuran hingga diperoleh onggok dan tapioka yang halus berukuran 200 mesh. Karakterisasi dilakukan pada kadar pati, kadar amilosa, analisa proksimat, total asam, water and oil holding capacity serta bentuk dan ukuran granula pati. Diagram alir proses penelitian tahap pertama dapat dilihat pada Gambar 10. Prosedur analisa karakterisasi bahan baku dapat dilihat pada Lampiran 1.
b. Kompatibilisasi resin PE (LLDPE, LDPE, dan HDPE)
Kompatibilisasi resin PE (LLDPE, LDPE, dan HDPE) dilakukan dalam ekstruder melalui pencampuran resin PE dengan 1% compatibilizer maleat anhidrida (MA) dan 0,1% inisiator dikumil peroksida (DCP) (modifikasi metode
Gambar 10. Diagram alir pengkondisian awal onggok dan tapioka Pengeringan dengan oven suhu 500C selama 8 jam
Pengecilan ukuran sampai 200 mesh
Karakterisasi sifat fisik dan kimia onggok dan tapioka
Tapioka Onggok
Tapioka siap pakai
Onggok siap pakai
Shujun et al. 2005). Kondisi proses meliputi suhu 180oC, yakni suhu dimana reaksi maleat terjadi dengan kecepatan rotor 9 rpm. Setelah melalui pemrosesan dalam ekstruder, LLDPE yang dihasilkan dibentuk menjadi pellet melalui alat
pelletizer dan dikeringkan pada suhu 100oC selama 60 menit. Proses ini tersaji pada Gambar 11.
2. Tahap Pembuatan Campuran Tapioka-Onggok Termoplastis
Pada tahap ini dilakukan pembuatan produk termoplastis dengan bahan baku campuran tapioka dan onggok. Kandungan serat dalam bahan campuran dilakukan dengan formulasi kadar serat 5, 10, 15 dan 20 %. Konsentrasi gliserol yang ditambahkan 30, 35 dan 40 % (basis kering) untuk masing-masing formulasi kadar serat. Air yang ditambahkan hingga kadar air campuran tapioka-onggok mencapai 25%.
Proses termoplastisasi campuran tapioka-onggok dilakukan dengan cara mencampurkan fraksi tepung (tapioka dan onggok) dan fraksi cairan (gliserol dan air) (modifikasi metode Zhang et al., 2007). Percampuran pertama dilakukan untuk gliserol dengan air melalui homogenisasi selama 5 menit. Kemudian campuran tapioka-onggok ditambahkan ke dalam campuran gliserol dan air dengan pengadukan selama 30 menit hingga tercampur sempurna. Proses aging
dilakukan selama 8 hari, agar gliserol dan air dapat terserap sempurna dalam
Maleat anhidrida 1% Dikumil peroksida 0,1% Resin PE Ekstrusi 1800C, 9 rpm ‘Compatibilized PE’ Pelletizer Pengeringan 100oC, 60 menit
Gambar 11. Diagram alir pembuatan Compatibilized PE (Modifikasi Shujun
28
granula pati. Karakterisasi campuran tapioka-onggok setelah proses aging antara lain kadar air, bentuk dan ukuran granula pati. Proses ekstrusi dilakukan dengan alat twin screw extruder selama 8 menit pada suhu 900C, 100 rpm. Diagram alir proses pembuatan campuran tapioka-onggok termoplastis dapat dilihat pada Gambar 12.
`
Gambar 12. Diagram alir proses pembuatan campuran tapioka-onggok termoplastis (Modifikasi Zhang et al., 2007)
Formulasi bahan dengan kadar serat
5, 10, 15 dan 20%
Gliserol 30, 35 dan 40% Aquades
Campuran gliserol - akuades
Campuran bahan termoplastis-gliserol-aquades
Campuran tapioka-onggok termoplastis Pencampuran 5 menit
Pencampuran 30 menit
Pencampuran dalam rheomix 900C, 100 rpm, 8 menit
Aging 8 hari
3. Tahap Pembuatan Plastik komposit dengan Campuran Tapioka-Onggok Termoplastis dan Compatibilized PE
Proses pembuatan plastik komposit dilakukan dengan cara mencampurkan tepung ubi kayu termoplastis dan Compt.-PE dengan komposisi 40:60. Proses pencampuran dilakukan dalam ekstruder dengan suhu 2100C, 100 rpm selama 3 menit (modifikasi metode Huneault dan Li 2007). Proses berikutnya dilakukan
cooling pada RH 65% dalam rentang waktu 24 jam. Diagram alir proses pembuatan plastik dengan campuran tapioka dan onggok termoplastis dan compt.- PE disajikan pada Gambar 13.
4. Tahap Karakterisasi Plastik Komposit
Pada tahap ini dilakukan karakterisasi produk plastik komposit yang meliputi sifat termal, mekanik dan morfologi. Sebelum dilakukan pengujian mekanik, plastik yang dihasilkan berupa bongkahan tersebut akan dibuat slab
Pencampuran dalam rheomix
2100C, 100 rpm, 3 menit Produk campuran
tapioka-onggok termoplastis ‘Compatibilized PE’
Plastik komposit Bongkahan Plastik
Pengecilan ukuran
Gambar 13. Diagram alir proses pembuatan plastik dengan campuran tapioka-onggok termoplastis dan compt.-PE (Modifikasi Huneault dan Li 2007).
30
(lembaran) dengan teknik hydraulic heat press pada suhu 2100C. Slab tersebut kemudian dipotong untuk mendapatkan specimen dumb bell tipe IV sesuai ASTM D 638 untuk uji kuat tarik dan elongasi. Spesimen plastik selanjutnya dikondisikan dalam ruang dengan suhu 230C dengan kelembaban relatif (RH) 45-50% selama 24 jam untuk kemudian dilakukan pengujian kuat tarik dan elongasi. Karakterisasi produk plastik komposit yang meliputi sifat termal, mekanik, morfologi dan biodegradabilitas. Prosedur analisa karakterisasi campuran tapioka-onggok termoplastis dan plastik komposit dapat dilihat pada Lampiran 2. Analisa yang dilakukan meliputi :
- Analisa Termal (ASTM D 3418) dengan menggunakan DSC (Differential Scanning Calorimeter) untuk mengetahui :
a. Suhu transisi gelas (Glass Transition Temperature, Tg)
b.Titik leleh (Melting Point, Tm)
- Analisa sifat mekanik (ASTM D 638) dengan menggunakan Universal Testing Machine untuk mengetahui :
a.Kuat tarik (tensile strength) b.Elongasi (elongation)
- Pengujian morfologi permukaan plastik komposit dilakukan dengan menggunakan alat Scanning Electrone Microscope (SEM)
- Pengujian biodegradabilitas dilakukan secara kualitatif dan kuantitatif.
Rancangan Percobaan
Rancangan percobaan yang digunakan dalam penelitian ini yaitu rancangan acak kelompok dengan dua perlakuan yaitu kadar serat dalam campuran tapioka-onggok (S) dan konsentrasi gliserol (G). Masing-masing perlakuan dilakukan dalam 2 kali ulangan.
Perlakuan kadar serat dalam campuran tapioka-onggok yaitu : S1 = kadar serat 5%
S2 = kadar serat 10% S3 = kadar serat 15% S4 = kadar serat 20%
G1 = konsentrasi gliserol 30% G2 = konsentrasi gliserol 35% G3 = konsentrasi gliserol 40%
Model umum rancangan percobaan sebagai berikut: Yijk = μ + Si + Gj + SGij + εijk
Yijk = Nilai pengamatan pada perlakuan kadar serat taraf ke-i dalam campuran tapioka-onggok dan konsentrasi gliserol taraf ke-j, pada ulangan ke-k
= Rataan umum
Si = Pengaruh perlakuan kadar serat taraf ke-i dalam campuran tapioka-onggok
Gj = Pengaruh konsentrasi gliserol taraf ke-j
SGij = Interaksi pengaruh perlakuan kadar serat taraf ke-i dalam campuran tapioka-onggok dan konsentrasi gliserol taraf ke-j
εijk = Galat percobaan
i = Kadar serat dalam campuran tapioka-onggok (i = 5, 10, 15 dan 20%)
j = Konsentrasi gliserol (j = 30, 35 dan 40%) k = Ulangan 1 dan ulangan 2