KARAKTERISASI SIFAT MEKANIK PLASTIK BIODEGRADABLE DARI KOMPOSIT HIGH DENSITY POLYETHYLENE (HDPE) DAN PATI KULIT SINGKONG
*Luy Inggaweni, Suyatno
Jurusan Kimia FMIPA Universitas Negeri Surabaya Jl. Ketintang Surabaya (60231), Telp. 031-8298761
*Email : elueluingga@gmail.com
Abstrak. Telah dilakukan penelitian tentang karakterisasi sifat mekanik plastik biodegradable dari komposit High Density Polyethylene (HDPE) dan pati kulit singkong. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui karakteristik mekanik plastik biodegradable yang dibuat dari campuran HDPE dan pati kulit singkong. Dalam penelitian ini perbandingan variasi dari HDPE dan pati kulit singkong yang diteliti adalah 8:2; 7:3; 6:4; 5:5; dan 4:6 gram. Karakteristik plastik biodegradable yang diuji adalah kuat tarik, elongasi , dan modulus Young yang diukur dengan menggunakan instrumen autograph. Dari hasil pengujian sifat mekanik didapatkan nilai kuat tarik terbaik pada perbandingan komposisi 7:3 yaitu sebesar 19,4433 N/mm2, nilai elongasi sebesar 18,1403 % , dan nilai modulus Young sebesar 107,1833 N/mm2. Plastik biodegradable dengan perbandingan 7:3 memiliki karakteristik yang sesuai dengan plastik komersial dan dapat didegradasi oleh mikroorganisme.
Kata Kunci : Plastik biodegradable, HDPE, pati kulit singkong
Abstract. It had been conducted a research on the characterization of the mechanical properties biodegradable plastics composites High Density Polyethylene (HDPE) and cassava peel starch. This study aims to determine the mechanical characteristics of biodegradable plastics made from a mixture of HDPE and cassava peel starch. In this study a comparison of variation of HDPE and cassava peel starch studied is 8: 2; 7: 3; 6: 4; 5: 5; and 4: 6 grams. Characteristics of biodegradable plastics are tested for tensile strength, elongation, and Young's modulus were measured using an instrument autograph. From the test results of mechanical properties of tensile strength values obtained the best on a comparison of the composition of 7: 3 is equal to 19.4433 N / mm2, the value of 18.1403% elongation, and Young's modulus values of 107.1833 N / mm2. Biodegradable plastics with a ratio of 7: 3 have characteristics in accordance with commercial plastic and can be degraded by microorganisms.
Keywords: Biodegradable plastic, HDPE, cassava peel starch
PENDAHULUAN
Plastik yang digunakan saat ini merupakan polimer sintetik, terbuat dari minyak bumi (non-renewable) yang tidak dapat terdegradasi oleh mikroorganisme di lingkungan [1]. Salah satu dari plastik sintetis adalah HDPE. HDPE memiliki nilai kuat tarik sebesar 3100-5500 Psi dengan elongasi sebesar 100%. HDPE memiliki sifat bahan yang lebih keras, kuat, buram, dan lebih tahan terhadap suhu yang tinggi [2]. HDPE mempunyai sedikit cabang, yang membuat HDPE memiliki ikatan intermolekular dan
kekuatan tarik yang lebih besar dari LDPE. HDPE juga lebih keras dan opak, dan tahan temperatur tinggi. Meskipun memiliki kekuatan mekanik yang tinggi plastik ini tidak dapat didegradasi oleh lingkungan, untuk mengatasi masalah tersebut dilakukan pembuatan plastik biodegradable dengan mencampurkan plastik sintetis dengan polimer alam. Polimer alam memiliki beberapa kelemahan diantaranya sifat mekanik yang rendah, tidak tahan pada suhu tinggi, dan getas. Oleh karena itu pencampuran antara plastik sintetis dengan polimer alam diharapkan menghasilkan plastik yang memiliki
sifat mekanik yang tinggi, dan mampu terurai oleh mikroorganisme [2]. Polimer alam yang digunakan adalah pati kulit singkong. Pati dari kulit singkong dipilih karena kulit singkong merupakan limbah dari pengolahan singkong. Kadar pati dalam kulit singkong sebesar 50% dari kandungan pati pada umbinya. Komponen utama dari kulit singkong yang digunakan sebagai campuran kandungan pati 17,5% dan serat kasar 21,2% [3]. Kandungan pati yang tinggi pada kulit singkong akan berperngaruh terhadap proses biodegradabilitas dari plastik campuran tersebut. Semakin tinggi kandungan pati maka proses biodegradasi akan semakin cepat. Hal ini dikarenakan pati merupakan sumber makanan bagi mikroorganisme yang berperan dalam proses biodegradasi Kandungan serat yang cukup tinggi akan meningkatkan sifat mekanik pada plastik campuran. Serat merupakan polimer linier dengan struktur teratur, panjang, dan tidak bercabang sehingga memiliki gaya dispersi yang maksimum.
Namun perbedaan sifat antar plastik sintetis yang hidrofob dengan polimer alam yang hidrofilik menyebabkan campuran tidak kompatibel. sehingga dibutuhkan compatibilizer agar keduanya dapat bercampur dengan sempurna. Penambahan bahan aditif maleat anhidrat plastik untuk meminimalkan pengaruh dari perbedaan sifat tersebut sehingga diharapkan terjadi pencampuran secara sempurna [4]. Kulit singkong merupakan bahan yang kaya serat dan pati sehingga diperlukan adanya penambahan plasticizer untuk mendapatkan plastik dengan sifat degradasi yang baik dan dengan tidak menurunkan sifat mekanisnya.
Berdasarkan uraian di atas maka pada penelitian ini dilakukan pembuatan dan karakterisasi plastik biodegradable dengan mencampur polimer sintetik HDPE dengan polimer alam pati kulit singkong untuk meningkatkan sifat fisik, mekanis, dan degradabilitas dari plastik biodegradable..
Bahan dan Alat
Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah kantong plastik jenis High Density Polyethylene (HDPE), pati kulit singkong, xylena teknis, maleat anhidrida p.a, benzoil peroksida p.a , gliserol p.a, etanol 70%, serta aquades. Sedangkan alat yang digunakan adalah seperangkat alat refluks, labu dasar bulat leher tiga, magnetik stirer, termometer, peralatan gelas, ayakan 200 mesh, oven, neraca analitik, cetakan 20 x 10 cm2, alat uji tarik Autograph AG-10TE Shimadzu.
Prosedur Penelitian Isolasi Pati Kulit Singkong
Sebanyak 5 kg Kulit singkong dibersihkan kulit airnya dipotong kecil-kecil, ditambah air kemudian diblender sampai menjadi bubur kasar. Bubur tersebut ditambahkan air bersih untuk mengekstrak patinya, diaduk-aduk, setelah itu disaring, diperoleh filtrat dan residu. Residu yang dihasilkan ditambahkan air lagi untuk meningkatkan rendemen pati. Filtrat diendapkan sekitar 3 jam. Endapan pati dipisahkan dengan cara dekantasi. Selanjutnya diambil, setelah itu dikeringkan dalam oven pada suhu 60 °C selama 24 jam. Serbuk pati dihaluskan dengan mortal kemudian diayak dengan ayakan 200 mesh. Selanjutnya pati yang dihasilkan diuji kualitatif dengan meneteskan larutan iodium (Susilawati, 2011).
Pembuatan Plastik Biodegradable
Plastik HDPE ditimbang sebanyak 8,7,6,5,dan 4 gram, masing-masing dimasukkan ke dalam alat refluks, ditambahkan pelarut xilena sebanyak 100 mL, dipanaskan pada suhu 110°C selama 1 jam sampai semua polietilena larut. Kemudian ditambahkan 0,2 gram benzoil peroksida, setelah 1 menit ditambahkan maleat anhidrat 0,6 gram dimasukkan pati kulit singkong sebanyak masing-masing 2,3,4,5, dan 6 gram kemudian ditambahkan 4 mL gliserol. Setelah campuran homogen, campuran tersebut dituangkan ke dalam cetakan dengan ukuran 20 x 10cm2 pelarutnya diuapkan di ruang asam selama 1 hari dan dioven pada suhu 60 °C selama 24 jam, Hasil yang diperoleh dikarakterisasi sifat mekanik dengan instrument autograph (Susilawati, 2011).
Karakterisasi Plastik Biodegradable Sifat Mekanik
Pengujian sifat mekanik sampel meliputi uji kuat tarik dan uji elongasi. Film plastik dipotong sesuai dengan standar ASTM-D638 seperti ditunjukkan pada Gambar 1.
Gambar 1. Bentuk Spesimen Uji Kekuatan Tarik (Susilawati, 2011)
Pengujian dilakukan dengan cara kedua ujung sampel dijepit mesin penguji tensile. Selanjutnya dicatat panjang awal dan ujung tinta pencatat diletakkan pada posisi 0 pada grafik. Dinyalakan knob start dan alat akan menarik sampel sampai putus dan dicatat gaya kuat tarik (F) dan panjang setelah putus. Pengukuran elongasi dan modulus Young dilakukan dengan cara yang sama dengan pengujian kuat tarik (Susilawati, 2011).
HASIL DAN PEMBAHASAN Pembuatan Pati Kulit Singkong
Pati kulit singkong yang diisolasi dari 5 Kg kulit singkong, pati yang diperoleh kemudian dikeringkan dalam oven pada suhu 600C untuk menghilangkan kadar air. Kemudian diayak dengan ayakan 200 mesh untuk mendapatkan serbuk pati yang halus dan diperoleh pati berwarna putih sebanyak 600 gram. Pati yang dihasilkan berwarna putih dan tidak berbau. Hasil uji kualitatif pada pati terjadi pati tersebut memiliki kadungan polisakarida. Hal ini dibuktikan dengan terjadi perubahan warna pati dari putih menjadi biru kehitaman setelah ditetesi larutan iodium. Hal ini disebabkan karena dalam pati terdapat unit-unit glukosa yang membentuk rantai heliks karena adanya ikatan atau konfigurasi pada tiap unit glukosanya. Bentuk inilah yang menyebabkan warna biru kehitamana pada kompleks tersebut.
Pembuatan Plastik Biodegradable
Proses pembuatan plastik biodegradable dalam penelitian ini menggunakan metode grafting yaitu pencampuran antara bahan yang tidak dapat bercampur dengan menyisipkan gugus fungsi baru. Plastik biodegradable yang dihasilkan dalam penelitian ini merupakan plastik yang berasal dari campuran HDPE dan pati kulit singkong dengan penambahan bahan-bahan aditif seperti maleat anhidrat, benzoil peroksida, dan gliserol. Polietilen dan pati kulit singkong merupaka bahan utama campuran untuk pembuatan plastik biodegrdable. Polietilen yang merupakan polimer sintetis berperan sebagai bahan mayor (matriks), sedangkan pati kulit singkong yang merupakan bahan biodegrdable berperan sebagai bahan minor. Pencampuran antara pati dan polietilen pada konsetrasi pati 15-80% [4]
Tahap awal yang dilakukan adalah melarutkan kantong plastik jenis HDPE dalam xilena. Proses pelarutan dilakukan dengan metode refluks pada suhu 1100C selama 1 jam sampai HDPE larut sempurna. Suhu dipertahankan sampai seluruh proses selesai. Proses pelarutan dan penggraftingan dilakukan pada suhu 1100C mengacu pada penelitian yang dilakukan oleh Ghaemy (2011). Dalam penelitian tersebut ditemukan bahwa pada suhu 1100C waktu paruh dari BPO adalah sebesar 18 menit lebih lama dibanding inisiator AIBN yaitu 7 menit. Semakin pendek waktu paruh maka inisiator menghasilkan radikal pada waktu tersebut sehingga radical- radikal tersebut yang akan mengalami reaksi terminasi sehingga proses grafting tidak akan terjadi. Dalam proses pelarutan dilakukan dengan metode refluks agar proses pelarutan berjalan dengan sempurna karena pelarut yang digunakan mudah menguap sehingga tidak ada pelarut yang terbuang [6].
HDPE yang telah larut ditambahkan benzoil peroksida (BPO) dan maleat anhidrat. Fungsi penambahan BPO adalah menginisiasi rantai polimer sehingga terbentuk radikal bebas. Polimer radikal bebas tersebut kemudian akan bereaksi dengan maleat ahidrat yang ditambahkan sehingga akan terjadi grafting antara polimer tersebut dengan maleat anhidrat [7]. Fungsi penambahan maleat anhidrat adalah sebagai kompatibilisator. Hal ini karena perbedaan antara sifat mendasar pada pati
dengan HDPE dimana pati persifat polar dan hidrofilik , sedangkan HDPE bersifat nonpolar dan hidrofobik. Dengan adanya maleat anhidrat diharapkan akan meningkatkan interaksi antara HDPE dan pati sehingga dapat dihasilkan poliblen yang kompatibel [6]. Tahap selanjutnya dilakukan penambahan pati kulit singkong yang diikuti dengan penambahan gliserol sebagai pemlastis. Penambahan pati kedalam HDPE diharapkan akan memicu terjadinya proses biodegradasi, karena pati merupakan polimer alam yang mudah diuraikan oleh mikroorganisme.
Penambahan gliserol sebagai pemlastis bertujuan untuk menurunkan sifat kaku dari pati. Kandungan serat yang tinggi pada kulit singkong menyebabkan kekuatan intramolekuler yang tinggi. Penambahan pemlastis pada material berbasis pati dapat menurunkan kerapuhan dan kekuatan inramolekuler yang tinggi. Penggunaan gliserol dikarenakan gliserol mengandung gugus –OH yang diharapkan mampu tersubstitusi ke dalam pati atau dapat membentuk interaksi ikatan hidrogen. Perubahan struktur ini akan memperbaiki sifat poliblend yang dihasilkan [7]. Adapun kemungkinan reaksi yang terbentuk antara HDPE dan pati dengan penambahan bahan aditif ditunjukkan pada Gambar 2.
Gambar 2. Mekanisme pengikatan MA-g-PE dengan pati (Kalambur dan Rizvi, 2006).
HasilKarakterisasi Plastik Biodegradable Hasil Uji Sifat Mekanik
Sifat mekanik plastik merupakan karakteristik utama dan memegang peranan penting. Sifat mekanik yang diuji dalam penelitian ini meliputi kuat tarik, elongasi, dan modulus Young. Kuat tarik merupakan indikasi kekuatan yang paling penting dari suatu bahan. Pengukuran kuat tarik biasanya diikuti dengan pengukuran perpanjangan putus. Perpanjangan putus menentukan keelastisan suatu plastik. Semakin tinggi nilai perpanjangan putus maka plastik tersebut semakin elastis sehingga bahan tersebut dapat ditarik lebih mulur. Plastik dengan perpanjangan putus yang rendah akan bersifat rapuh [10]. Spesimen plastik dikarakterisasi dengan instrumen autograph dengan standar ASTM-D638. Hasil analisis sifat mekanik plastik secara lengkap disajikan pada Tabel 1.
Tabel 1. Hasil pengukuran sifat mekanik dari Komposit HDPE dan Pati Kulit Singkong.
Kuat tarik merupakan tegangan maksimum yang dapat ditanggung oleh material sebelum terjadinya perpatahan [8]. Adanya pati menyebabkan menurunnya nilai kuat tarik dari campuran. Semakin banyak jumlah pati yang ditambahkan maka semakin kecil nilai kuat tarik yang dihasilkan. Sama halnya dengan kuat tarik nilai elongasi juga mengalami penurunan seiring dengan meningkatnya jumlah pati. Penurunan sifat mekanik (kuat tarik dan elongasi) dikarenakan penambahan jumlah pati menyebabkan rendahnya interaksi permukaan antara dua polimer beda halnya degan kuat tarik dan elongasi nilai modulus Young meningkat seiring dengan meningkatnya jumlah pati. sebagian kecil pati yang bercampur dengan HDPE masih mempertahankan bentuk granulanya selama proses berlangsung. Granula tersebut bertindak sebagai filler yang keras dan
Komposisi Kuat tarik (N/mm2) Persen Elongasi (%) Modulus Young (N/mm2) HDPE (g) Plastik (g) 8 2 18,0566 17,1065 105,5543 7 3 19,4433 18,1403 107,1833 6 4 15,2766 13,2005 115,7852 5 5 14,5833 11,0933 131,1460 4 6 12,5012 8,3965 148,8858
kaku. Penggabungan pati dalam matriks HDPE menyebabkan peningkatan modulus Young dari campuran karena granula pati yang bersifat lebih kaku dibanding matriks HDPE ketika terdispersi. Secara umum meningkatnya nilai modulus Young berkaitan dengan kekerasan dari material [8].
Berdasarkan hasil pengujian sifat mekanik yang ditampilkan pada Tabel 1, nilai sifat mekanik optimum adalah pada campuran HDPE-pati pada perbandingan 7:3 dengan nilai kuat tarik sebesar 19,4433 N/mm2, nilai persen elongasi sebesar 18,1403%, dan nilai modulus Young adalah 107,1833 N/mm2 . Secara keseluruhan seperti yang diharapkan bahwa nilai kuat tarik dan elogasi pada campuran HDPE-pati kulit singkong menurun seiring meningkatnya jumlah pati sedangkan modulus young dari campuran meningkat seiring meningkatnya jumlah pati. Parameter plastik HDPE sebagai plastik komersial memiliki kuat tarik antara 19-39 MPa [9] Selain itu persen elongasi dari palstik komersial adalah sebesar 16,68%. Sehingga dapat disimpulkan bahwa plastik campuran HDPE-pati kulit singkong memenuhi standar sebagai plastik biodegradable dan dapat digunakan layaknya plastik komersial.
KESIMPULAN
Berdasarkan hasil penelitian dapat disimpulkan bahwa :
karakteristik plastik biodegradable campuran HDPE dan pati kulit singkong terbaik perbandingan 7:3 dengan nilai kuat tarik, elongasi, dan modulus Young masing-masing sebesar 19,4433 N/mm2, 18,1403 % 107,1833 N/mm2. Hasil penelitian menunjukkan bahwa plastik biodegradable dengan perbandingan 7:3 memiliki karakteristik yang sesua dengan plastik komersial dan dapat didegradasi oleh lingkungan.
UCAPAN TERIMA KASIH
Ucapan terimakasih disampaikan kepada Dra. Aniek Setiya Budiatin Apt, Ms. dari Laboratorium Dasar Bersama Universitas Airlangga yang telah membantu proses pengujian kuat tarik, elongasi, dan modulus
Young dengan menggunakan instrumen autograph.
DAFTAR PUSTAKA
1. Firdaus dan Tjitro, S. 2002. Studi Eksperimental Pengaruh Parameter Proses Pencetakan Bahan Plastik terhadap Cacat Penyusutan (Shrinkage) pada Benda Cetak Pneumatics Holder. Jurnal Teknik Mesin. 5(1): 75-80
2. Billmeyer, F. W. Jr. 1984. Text Book of Polimer Science. New York: John Willey dan Sons Inc.
3. Sandi, Sovia. 2012. Nilai Nutrisi Kulit Singkong yang Mendapat Perlakuan Bahan Pengawet Selama Penyimpanan. Jurnal Penelitian Sains.15 (2):88-92
4. Theresia, V. 2003. Aplikasi dan Karakterisasi Sifat Fisik Mekanik Plastik Biodegrdable Dari Campuran LLDPE dan Tapioka. Bogor: Institut Pertanian Bogor. 5. Ghaemy, M. and Roohina, S. 2003.
Grafting of Maleic Anhydride on Polyethylene in a Homogeneous Medium in the Presence of Radical Initiator. Iranian Polymer Journal 12(1): 21-29
6. Mehta, A. K. and Jain, D. 2007. Polymer Blends and Alloy Part 1 Compatibilizers a general Survey. www. Plusspolymers.com ( diakses pada 10 Maret 2014)
7. Kalambur, S. and Rizvi, S. S. H. 2006. An Overview of Starch-Based Plastic Blend from Reactive Extrusion. Journal of plastic Film and Sheeting. 22 (1):39-58 8. Rizal, Yose. 2014. Analisis Pengaruh
Media Quench terhadap Kekuatan Tarik Baja AISI1045. Jurnal APTEK. 6 (2): 183-190
9. Klein, Rolf. 2011. Laser Welding Plastics. New York: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co KgaA
10. Shah, A. A., Hasan, F., Hameed, A., & Ahmed,S. 2008. Biological Degradation Of Plastic: A Comprehensive Review. Biotechnology Advances. 26(2008): 246-265
2011. Biodegradable Plastic From A Mixture Of Low Density Polyethylene (LLDPE) And Cassava Starch with The Addition Of Acrylic Acid. Jurnal Natural. 11(2): 69-73
12. Anita, Z., Akbar, F., dan Harahap, H. 2013. Pengaruh Penambahan Gliserol terhadap Sifat Mekanik Film Plastik Biodegradasi dari Pati Kulit Singkong. Jurnal Teknik Kimia Universitas Sumatera Utara. 2(2): 37-41
