BAB 1 PENDAHULUAN
1. 1 Latar Belakang
Pasar untuk bahan-bahan yang berasas minyak tumbuhan sangat berkembang
disebabkan oleh keuntungan-keuntungan dalam hal ekonomi, lingkungan dan
ketersediaannya. Bahan-bahan yang berasas minyak tumbuhan ini juga dikenali
sebagai bahan yang terbiodegradasikan dan berkelanjutan yang dapat memberikan
kontribusi terhadap pengurangan efek Pemanasan Global. Negara-negara di dunia
sedang memberikan perhatian yang sangat besar terhadap kondisi industri dunia yang
berkontribusi besar terhadap pencemaran lingkungan dan efek Pemanasan Global.
Pati adalah polisakarida utama yang terdapat dibumi, yang telah menarik
perhatian yang sangat luas atas biodegrabilitasnya dan ketersediaannya yang sangat
banyak dan dapat diperbaharui. Umumnya plastik yang disintesa dari pati (starch)
yang mengandung kandungan air dalam jumlah yang sedikit adalah sering rapuh.
Untuk mengurangi kerapuhan ini, pati diplastikkan dengan plastik hidrofilik seperti
gliserol dan dilelehkan untuk membuat pati termoplastik (Thermoplastic Starch/TPS).
Bagaimanapun juga, setelah beberapa bulan berada pada kondisi ambient, plastik
glicerol TPS menunjukkan perilaku rapuh yang disebabkan migrasi gliserol dari
matrik pati. Alasan mudahnya migrasi plastisizer gliserol adalah adanya interaksi pati
dengan ikatan non kovalen hidrogen yang menghasilkan pemisahan fasa pada kondisi
ambient. Salah satu cara efektif untuk mencegah terjadinya migrasi plastisizer adalah
dengan mencabangkan atau menghubungkan modifier yang mempunyai efek
fleksibel kepada pati dengan ikatan kovalen yang akan menghasilkan pati
termodifikasi yang mempunyai sifat elastis(Wu et al, 2008).
Diantara modifier yang saat ini tersedia, gugus isosianat mempunyai aktifitas
yang tinggi untuk bereaksi dengan gugus hidroksil pati. Sehingga, prepolimer
poliueratan (PUP) yang mengandung gugus isosianat sering digunakan untuk
pati melalui rantai uretan yang berfungsi sebagai pemberi dampak modifier.
Bagaimanapun juga, sebagian besar modifikasi ini dilakukan dalam pelarut organik,
yang menghasilkan polusi lingkungan yang serius. Meskipun beberapa modifikasi
dilakukan dalam bulk, dimana butiran pati langsung diisikan kedalam PUP, bahan
yang diperoleh adalah termoset. Permasalahan dengan termoset adalah bahan ini tidak
dapat dilelehkan atau dilarutkan sehingga membatasi aplikasinya. Secara singkat,
sangatlah penting untuk memodifikasi pati menggunakan PUP dengan cara yang
ramah lingkungan untuk membuat pati termoplastik yang elastis.
Poliuretan (PU) dengan sifat yang melingkupi elastomer yang sangat baik
hingga termoplastik yang kuat, telah digunakan secara luas disebabkan karena sifat
fisiknya misalnya kekuatan tensil yang tinggi, abrasi dan tahan koyak, tahan terhadap
minyak dan pelarut, suhu fleksibilitas yang rendah, dan versatilitas yang tinggi
didalam struktur kimia. Bagaimanapun juga, diarahkan oleh pengurangan yang terus
menerus dalam biaya dan pengontrolan emisi senyawa organik volatil,
pengembangan formula poliueratan waterborne telah meningkat. Poliuretan
waterborne yang dihasilkan memberikan banyak keuntungan seperti viskositas yang
rendah pada berat molekular yang tinggi dan keterpakaian yang baik. Perlindungan
terhadap lingkungan dapat lebih direalisasikan ketika poliol digantikan dengan bahan
yang dapat diperbaharui, seperti minyak tumbuhan untuk mensintesa bahan uretan
water- borne (Lu et al, 2005)
Diantara banyak jenis minyak tumbuhan, minyak jarak mempunyai tiga gugus
hidroksil yang merupakan calon yang baik untuk mensintesa poliueratan.
Menggabungkan poliueratan poliester ke dalam pati dapat meningkatkan sifat
mekanis atau daya tahan terhadap air. Sesuai dengan prinsip konservasi lingkungan
dan penggunaan yang memadai dari sumber bahan yang dapat diperbaharui, maka
minyak jarak (castor oil) merupakan sumber poliol yang sesuai untuk mensintesa
poliueretan prepolimer yang dapat meningkatkan sifat mekanis dari pati termoplastik.
Asia merupakan konsumen plastik terbesar di dunia yang menyerap sekitar
negara-negara lain sehingga setiap tahun sekitar 100 juta ton plastik diproduksi dunia untuk
digunakan diberbagai sektor industri dan kira-kira sebesar itu pula sampah plastik
yang dihasilkan setiap tahun (Dayanti, 2006). Seiring dengan meningkatnya
kesadaran untuk pelestarian lingkungan, kebutuhan bahan plastik biodegradable
mengalami peningkatan dari tahun ke tahun. Di tahun 1999, produksi plastik
biodegradable hanya sebesar 2500 ton, yang merupakan 1/10.000 dari total produksi
bahan plastik sintetis. Pada tahun 2010, produksi plastik biodegradable mencapai
1.200.000 ton atau menjadi 1/10 dari total produksi bahan plastik (Dayanti, 2006).
Industri plastik biodegradable akan berkembang menjadi industri besar di masa yang
akan datang sehingga perlu menghasilkan bahan plastik yang mempunyai
karakteristik yang unggul dan dapat didegradasi oleh alam.
Ferrer et al, 2008 telah melakukan karakterisasi dari jaringan poliueretan yang
berasal dari poliol berbasis tumbuhan dengan membandingkannya dengan jaringan
poliueretan yang berbasis sintesis. Hasil yang diperoleh adalah poliueratan yang
berbasiskan poliol dari tumbuhan memiliki kekuatan tarik yang semakin rendah
sesuai dengan kenaikan berat molekul poliuretan. Hasil analisa swelling yang
dilakukan untuk menentukan berat molekul diantara cross-link dan jaringan polimer
yang dibuat dari poliol sintetis mempunyai berat molekul yang lebih tinggi diantara
cross-link. Jaringan poliuretan berbasis tumbuhan menunjukkan kandungan bahan
terlarut yang lebih tinggi. Persentase berat yang hilang yang paling tinggi diperoleh
pada jaringan poliueratan berbasis tumbuhan yang disebabkan oleh kandungan
poliolnya. Hal ini ditunjukkan oleh uji GPC, DSC dan IR. Sintetis poliuretan
menunjukkan kehilangan berat yang lebih ringan yang mengandung berat molekul
oligomer yang lebih rendah. Analisa sol-fraction telah dilakukan dengan beberapa
teknik. Dari hasil analisa ini ditemukan bahwa sol-fraction berbasis jaringan
poliueratan tumbuhan berhubungan dengan poliol mentah sementara oligomer dengan
berat molekul rendah ditemukan sebagian besar pada sol-fraction jaringan poliuretan
Qiu et al, 2005 mengembangkan selolosa mikrofiber kristalin dengan
polypropylene (PP) dan maleic anhydride grafted polypropylene (MAPP) disiapkan
dengan 1,6_diisosianatoheksan (DIC) sebagai compatibilizing agent. Reaksi yang
terjadi adalah reaksi bebas permukaan (gugus OH dari selulosa dan gugus NCO dari
isosianat). Polaritas dan hidropobisitas serat selulosa dikurangi sehingga
meningkatkan kesesuaian serat selolosa dan matrik PP. Sifat mekanis, morfologi dan
termalnya diuji dan hasil pengujian menunjukkan kekuatan tensil dan modulus Young
dari komposit meningkat dengan menggunakan DIC. Peningkatan ini disebabkan
adanya adhesi antar muka yang kuat yang disebabkan oleh pengurangan polaritas dan
hidrophobisitas dari serat selulosa didalam komposit berbasis PP, sementara lebih
banyak ikatan kimia rantai MAPP pada serat selulosa didalam komposit berbasis
MAPP. Sifat maksimum tensil komposit dapat diperoleh dengan melakukan
optimisasi kandungan DIC. Uji SEM menunjukkan adhesi antarmuka antara serat
selulosa dan matrik PP atau MAPP ditingkatkan didalam komposit DIC ganda. Oleh
karena itu, DIC juga menghasilkan beberapa efek pada pada sifat dinamika termal
seperti sifat leleh dan kristalinisasi dari komposit (Qiu et al, 2008).
Campuran film transparan dari PU berbahan dasar minyak jarak (castor oil)
dan p-phenylene diamine soy protein (PDSP) telah disiapkan oleh Liu et al 2008.
Miscibility, morfologi dan sifat dari film campuran diuji dengan FTIR, DSC, DMA,
SEM, adsorbsi kelembaban, degradasi termal dan uji tensil. Kedua komponen
tersebut sesuai untuk sejumlah besar rasio sebagai hasil dari ikatan hydrogen kuat
atau cross-link kimia yang terjadi antara PU dan PDSP. Ketika komponen protein
dominan, bagian kecil dari PU berlaku sebagai agen penguat yang efektif untuk
PDSP plastic, sedangkan ketika komponen PU dominan, bagian kecil dari partikel
protein dapat secara efektif menguatkan elastomer PU. Sejumlah komposisi dengan
sifat yang menjanjikan diperoleh dengan memvariasikan rasio kedua komponen.
Elongasi, stabilitas termal, dan daya tahan air dari film PU/PDSP meningkat dengan
dan penambahan PU berbasis minyak jarak dapat membentuk campuran film dengan
sifat yang lebih meningkat (Liu, 2008)
Lu et al, 2005 telah mengembangkan PU waterborne dari poliol yang berbasis
minyak lobak, dan kemudian menggunakannya untuk memodifikasi pati gliserol
terplastisasi (glycerol plasticized starch/PS) untuk mengatasi kelemahan dari bahan
pati yaitu sifat mekanis yang buruk dan sensitifitas terhadap air. Campuran film
tersebut disiapkan dengan mereaksikan pati tergelatinisasi dengan PU. Efek dari
kandungan PU pada morfologi, kelarutan dan sifat fisik campuran tersebut diteliti
dengan SEM, DSC, DMA, uji mekanis dan uji sensitivitas air. Hasil penelitian
menunjukkan bahwa pati gliserol terplastisasi dapat dicampur dengan PU berbasis
minyak lobak pada level molecular ketika kandungan PU dibawah 20 %, dimana
terjadi pemisahan fasa ketika kandungan PU meningkat didalam campuran.
Kehadiran dari interaksi antara ikatan hdirogen antara pati dan PU memainkan peran
kunci daalam meingkatkan kemampuan campuran. Jika dibandingkan dengan film PS
yang murni, campuran PS/PU menunjukkan nilai elongasi dan kekuatan tensil yang
lebih baik. Selanjutnya menambahkan PU kedalam matrik pati juga meningkatkan
resistensi campuran film terhadap air. Faktor kunci yang menentukan peningkatan
sifat dari campuran PS/PU disebabkan karena inetraksi intermolecular ikatan
hydrogen (Lu, et al, 2005).
Penelitian yang telah dilakukan oleh Wu et al, 2008 mensintesa TPS
termodifikasi dengan menggunakan pati jagung dengan PUP yang dibuat dari
Difenilmetana Diisosianat (MDI) dan Poliol yang berasal dari minyak jarak.
Modifikasi ini menghasilkan bahan pengisi (Poliuretan Prepolimer) yang membentuk
mikropartikel sehingga diperoleh bahan mirokomposit pati sagu. Proses yang
dilakukan oleh Wu adalah memperkuat Termoplastik pati jagung dengan
menggunakan PUP yang berikatan dengan matrik pati melalui ikatan uretan. Dalam
hal ini PUP dicampurkan kedalam matrik pati sebagai pengisi (filler) dan pada
keadaan telah tersintesa secara terpisah terlebih dahulu dan sudah membentuk
sebagai modifier dampak, meningkatkan kekuatan dari TPS termodifikasi. Hampir
100 persen dari PU diikatkan secara silang (cross-link) kepada pati yang
mengindikasikan efisiensi modifikasi yang tinggi. Pembentukan mikropartikel PU
multifungsional adalah sangat penting untuk mencapai efisiensi reaksi yang tinggi
(Wu et al, 2008).
Pada penelitian ini ingin dicoba mensintesa pati sagu termoplastik
termodifikasi (TPS) pada keadaan in-situ dengan mereaksikan pati terplastisisasi
dengan MDI dan minyak jarak secara bersamaan, menghasilkan terbentuknya fase
poliuretan prepolimer (PUP) yang lebih homogen dan dalam ukuran yang lebih halus,
serta reaksi modifikasi yang tidak hanya terjadi pada permukaan partikel tetapi juga
kedalam fase ruah (kedalam bagian partikel) PUP. Pada penelitian ini ingin dipelajari
struktur/hubungan sifat dari TPS termodifikasi, mekasisme pembentukan, sifat
mekanis dan sifat termalnya melalui beberapa uji seperti uji tensile, daya serap air,
SEM, TGA, DSC dan FTIR. Minyak jarak digunakan dalam penelitian ini karena
berasal dari minyak tumbuh-tumbuhan yang dapat diperbaharui dan ramah
lingkungan. Oleh karena itu juga dilakukan uji biodegradabilitas juga dilakukan
untuk melihat penguraian TPS termodifikasi di alam oleh bakteri.
Keutamaan dari penelitian ini selain dari proses in-situ yang merupakan
mekanisme yang lebih menguntungkan, juga karena bahan bakunya yang berasal dari
pati sagu yang tumbuh terbiar di sebagian besar daerah di Indonesia dan masih
belum dioptimalkan pemanfaatnnya sebagai bahan makanan, sehingga merupakan
bahan baku yang harus diberdayakan untuk kebutuhan lainnya yang lebih mempunyai
nilai tambah (added value). Sedangkan jagung masih merupakan bahan makanan
yang banyak dikonsumsi di Indonesia baik sebagai makanan pokok maupun dijadikan
bahan makanan turunan lainnya sehingga dari sisi harga masih terhitung lebih mahal.
Selain itu, hingga saat ini masih terjadi keterbatasan produksi jagung di Indonesia.
1.2 Tujuan Penelitian
1. Optimalisasi proses modifikasi in-situ pati sagu (metroxylon sagu)
tergelatinisasi dengan MDI dan minyak jarak dan homogenisasi pengisi PUP
kedalam komposit pati termoplastik termodifikasi (TPS).
2. Mengetahui interaksi kimia – fisika yang terjadi pada pati termoplastik
termodifikasi (TPS) yang dipengaruhi oleh kadar MDI dan minyak jarak
3. Mengetahui karakteristik mekanis, morfologi, thermal dan biodegradablility
dari pati termoplastik termodifikasi (TPS) dan membandingkannya dengan film
plastik biodegradable yang berasal dari pati sagu.
1.3 Manfaat Penelitian
Dengan adanya penelitian ini diharapkan dapat dihasilkan termoplastik pati sagu
termodifikasi dengan minyak jarak dan MDI yang mempunyai kekuatan yang baik
dan dapat diketahui mekanisme pembentukan pati termoplastik termodifikasi secara
in-situ. Disamping itu, penelitian ini diharapkan dapat menjadi salah satu penelitian
yang dapat mengarahkan kepada pengoptimalan penggunaan bahan-bahan hayati
yang mempunyai banyak manfaat kepada manusia dan tersedia dalam jumlah yang
banyak di Indonesia serta menyumbangkan kepada usaha-usaha pencegahan terhadap
perubahan iklim yang sedang dikembangkan secara global pada saat ini.
1.4 Ruang Lingkup Penelitian
Penelitian ini difokuskan untuk menghasilkan termoplastik pati sagu termodifikasi
yang berasal dari pati sagu, poliol dari minyak jarak dan Dipenil Metilen Diisosianat
(MDI) yang terjadi melalui mekanisme in-situ. Variabel dari penelitian ini adalah
jumlah variasi kandungan berat poliol dan MDI terhadap kandungan sagu dan
penambahan bahan plastisizer.
TPS termodifikasi ini diharapkan mempunyai kekuatan yang baik yang akan
ditunjukkan dengan analisa terhadap struktur dan morfologi untuk melihat cross
lingking antara poliuretan mikropartikel dan matrik pati melalui rantai uretan.
beberapa alat analisa yaitu Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR),
Scanning Electron Microscopy (SEM), Tensile Test, Diferential Scanning
Calorimetry (DSC) dan Thermal Gravimetric Analysis (TGA). Hasil analisa ini
diharapkan dapat memberikan informasi mengenai struktur pati termoplastik
termodifikasi, morfologi dan cross section pati termoplastik dengan PUP, kekuatan
mekanis, sifat termal, derajat biodegradabilitas dan mekanisme pembentukan pati
termoplastik termodifikasi secara in-situ.
Disamping itu juga dihasilkan plastik sagu biodegradable yang akan diuji sifat
mekanis dan kimiawinya. Penambahan dua jenis plastisizer yaitu sorbito dan gliserol
juga diharapkan memberikan nilai lebih kepada kualitas mekanis film plastik ini.
Pengujian yang dilakukan terhadap splastik sagu biodegradable ini adalah uji kuat
tarik, persen elongasi dan uji biodegrabilitas. Selanjutnya akan dibandingkan
karakteristik pati termoplastik termodifikasi (TPS) dengan karakteristik film plastik
biodegradable.
