PEMBUATAN HYBRID BIOKOMPOSIT DARI PATI BIJI MANGGA (Mangifera indica) BERPENGISI
NANOPARTIKEL ZINC OXIDE (ZnO) DAN CLAY DENGAN PLASTICIZER
ETILEN GLIKOL
SKRIPSI
Oleh
ALISSHA TESANIKA SEBAYANG 130405025
DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
JANUARI 2018
PEMBUATAN HYBRID BIOKOMPOSIT DARI PATI BIJI MANGGA (Mangifera indica) BERPENGISI
NANOPARTIKEL ZINC OXIDE (ZnO) DAN CLAY DENGAN PLASTICIZER
ETILEN GLIKOL
SKRIPSI
Oleh
ALISSHA TESANIKA SEBAYANG 130405025
SKRIPSI INI DIAJUKAN UNTUK MELENGKAPI SEBAGIAN PERSYARATAN MENJADI SARJANA TEKNIK
DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
JANUARI 2018
i
PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI
Saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa skripsi dengan judul:
PEMBUATAN HYBRID BIOKOMPOSIT DARI PATI BIJI MANGGA (Mangifera indica) BERPENGISI NANOPARTIKEL ZINC OXIDE (ZnO) DAN CLAY
DENGAN PLASTICIZER ETILEN GLIKOL
yang dibuat untuk melengkapi sebagian persyaratan menjadi Sarjana Teknik pada Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Skripsi ini adalah hasil karya saya kecuali kutipan-kutipan yang telah saya sebutkan sumbernya.
Demikian pernyataan ini diperbuat, apabila dikemudian hari terbukti bahwa karya ini bukan karya saya atau merupakan hasil jiplakan maka saya bersedia menerima sanksi sesuai dengan aturan yang berlaku.
Medan, Januari 2018
Alissha Tesanika NIM 130405025
PENGESAHAN UNTUK UJIAN SKRIPSI
Skripsi dengan judul:
PEMBUATAN HYBRID BIOKOMPOSIT DARI PATI BIJI MANGGA (Mangifera indica) BERPENGISI NANOPARTIKEL ZINC OXIDE (ZnO) DAN CLAY
DENGAN PLASTICIZER ETILEN GLIKOL
dibuat sebagai kelengkapan persyaratan untuk mengikuti ujian skripsi Sarjana Teknik pada Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
Mengetahui, Medan, Januari 2018 Koordinator Skripsi Dosen Pembimbing
Ir. Bambang Trisakti, M.Si Dr. Maulida, ST., M.Sc NIP. 19660925 1991031 003 NIP. 19700611 199702 2 001
iii
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa, karena berkat rahmat dan karunia-Nya penulis dapat menyelesaikan Skripsi yang berjudul “Pembuatan Hybrid Biokomposit dari Pati Biji Mangga (Mangifera indica) Berpengisi Nanopartikel Zinc Oxide (ZnO) dan Clay Dengan Plasticizer Etilen Glikol”.
Selama melakukan penelitian sampai penulisan skripsi ini, penulis banyak mendapat bantuan dari berbagai pihak, untuk itu penulis mengucapkan terima kasih dan penghargaan yang sebesar-besarnya kepada :
1. Ibu Dr. Maulida, S.T., M. Sc selaku Dosen Pembimbing yang telah memberikan bimbingan dan dukungannya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini.
2. Ibu Prof. Dr. Ir. Hamidah Harahap, M.Sc dan Bapak M. Hendra S Ginting, ST, MT., selaku Dosen Penguji yang telah memberikan saran dan masukan yang membangun dalam penulisan skripsi ini.
3. Ibu Maya Sarah, S.T, M.T, Ph.D, IPM selaku Ketua Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
4. Ibu Dr. Erni Misran, S.T, M.T selaku Sekretaris Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
5. Bapak Dr. Rondang Tambun, S.T, MT selaku Dosen Pembimbing Akademik yang telah membimbing penulis dalam hal akademik selama kuliah di Teknik Kimi Universitas Sumatera Utara.
6. Seluruh Dosen/Staf Pengajar Departemen Teknik Kimia Universitas Sumatera Utara, yang telah mendidik dan membagikan ilmu kepada penulis selama perkuliahan
7. Pegawai Administrasi Departemen Teknik Kimia Universitas Sumatera Utara, yang telah membantu penulis dalam hal administrasi selama perkuliahan.
8. Trecy Kartika selaku partner penelitian penulis dan teman-teman 2013 yang telah memberikan bantuan dan dukungan yang sebesar-besarnya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini.
Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari sempurna oleh karena itu penulis mengharapkan saran dan masukan demi kesempurnaan skripsi ini.
Semoga skripsi ini memberikan manfaat bagi pengembangan ilmu pengetahuan.
Medan, Januari 2018
Penulis
Alissha Tesanika Sebayang
v
DEDIKASI
Penulis mendedikasikan skripsi ini kepada :
1. Kedua orang tua tercinta, bapak Dirja Sebayang dan ibu Etti Anna Ginting, mereka adalah orang tua terhebat yang telah membesarkan, mendidik dan mendukung dengan penuh kesabaran dan kasih sayang. Terima kasih atas segala doa dan nasehat yang tiada hentinya kalian berikan selama ini serta terima kasih juga kepada kembaran dan adik tercinta, Angelina Sebayang dan Paradigma Sebayang atas doa dan dukungannya yang telah diberikan selama ini.
2. Sahabat-sahabat sekaligus keluarga terbaik di Teknik Kimia Universitas Sumatera Utara, khususnya seluruh mahasiswa/i stambuk 2013 tanpa terkecuali yang telah banyak memberikan banyak dukungan, doa, semangat, dan kenangan tidak terlupakan kepada penulis.
3. Para guru yang telah mendidik dan membimbing saya dari mulai TK, SD, SMP dan SMA, serta para dosen.
RIWAYAT HIDUP PENULIS
Nama : Alissha Tesanika Sebayang
NIM : 130405025
Tempat, tanggal lahir : Medan, 18 Juli1995 Nama orang tua : Dirja Sebayang
Etti Anna Ginting
Alamat orang tua : Jalan Garuda no 38 Medan
Asal Sekolah:
TK Immanuel Medan tahun 2000 - 2001
SD Immanuel Medan tahun 2001 - 2007
SMP Santo Yoseph Pemuda Medan tahun 2007 - 2010
SMA Negeri 4 Medan tahun 2010 - 2013
Departemen Teknik Kimia Universitas Sumatera Utara 2013 - 2017 Pengalaman Organisasi/Kerja:
1. Kerja Pratek di PT. Toba Pulp Lestari tahun 2016
2. Himpunan Mahasiswa Teknik Kimia (HIMATEK) FT USU periode 2016/2017 sebagai Anggota bidang Bakat dan Minat
vii
ABSTRAK
Hybrid komposit merupakan penggabungan beberapa jenis pengisi menjadi satu dalam suatu matriks tunggal. Penggunaan hybrid komposit yang mengandung dua atau lebih jenis pengisi juga bisa melengkapi kekurangan masing-masing pengisi sehingga keseimbangan biaya dan kinerja dapat dicapai. Pengisi hybrid yang digunakan yaitu zinc oxide (ZnO) yang berukuran nanopartikel yang bersifat ramah lingkungan dan mudah disintesa dan clay yang berukuran mikron dengan sifat kuat, kaku, melimpah di alam, murah serta kemampuannya yang tinggi dalam menginterkalasikan partikel ke dalam strukturnya. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui potensi biji mangga dan pengisi nanopartikel zinc oxide dan clay serta konsentrasi plasticizer etilen glikol terhadap sifat mekanik (kekuatan tarik dan pemanjangan saat putus), sifat fisik (ketahanan terhadap air dan densitas), gugus fungsi (FTIR) dan morfologi permukaan (SEM). Pembuatan biokomposit dilakukan dengan metode melt intercalation, dimana tidak diperlukan penambahan pelarut dalam pembuatan hybrid biokomposit. Pada penelitian ini digunakan massa pati biji mangga sebesar 5 gram, dengan massa pengisi ZnO dan clay masing-masing sebesar 0; 3; 6; dan 9% wt, sedangkan massa plasticizer etilen glikol yang digunakan dengan variasi sebesar 0; 20; 25; 30; dan 35% wt. Suhu gelatinisasi pati yang digunakan suhu pemrosesan biokomposit yaitu sebesar 80,530C. Biokomposit yang dihasilkan dianalisis sifat fisika dan kimianya, meliputi analisis FTIR, SEM, RVA, kekuatan tarik, pemanjangan pada saat putus dan densitas. Dari hasil analisis FTIR ditunjukkan adanya perluasan gugus OH pada biokomposit yang dihasilkan. Hasil analisa FTIR juga menunjukkan adanya gugus fungsi baru yang terbentuk yaitu gugus C=C (cincin aromatik). Hasil SEM menunjukkan morfologi biokomposit dimana pengisi hybrid terdispersi cukup baik yang secara tidak langsung mempengaruhi sifat mekanik biokomposit. Dari analisa pati biji mangga diperoleh kadar pati kadar pati 75,47%, kadar amilopektin 44,0%, kadar amilosa 14,82%, dan kadar air 12,65%, suhu gelatinisasi 80,530C dengan viskositas puncak yang sebesar 5303 cP, dan viskositas breakdown sebesar 1577 cP. Pada penelitian ini diperoleh biokomposit dengan kondisi terbaik pada penggunaan pengisi hybrid ZnO 3%, clay 6% dan plasticizer etilen glikol 25%, dengan nilai kekuatan tarik 8,624 MPa, persen perpanjangan pada saat putus 7,540%, dan nilai densitas 1,880 gr/cm3.
Kata kunci : biji mangga, biodegradable, biokomposit, clay, hybrid, zinc oxide
HYBRID BIOCOMPOSITE FROM MANGO SEED STARCH (Mangifera indica) WITH NANOPARTICLE
ZINC OXIDE (ZnO) AND CLAY AS FILLERS AND ETHYLEN GLYCOL AS PLASTICIZER
ABSTRACT
Hybrid biocomposite is the addition of two materials or more of different reinforcing particles of the properties resulting in interaction as well as a more complex reinforcement process both to the matrix and filler and one of the constituents made of natural materials. Hybrid fillers used are zinc oxide (ZnO), a nanoparticle-sized, environmentally friendly and readily synthesized and clay with strong, rigid, abundant in nature, inexpensive and high in interconnecting particles into its structure. The aim of this research is to know the potency of mango seed and filler of zinc oxide and clay nanoparticles and ethylen glycol concentration to mechanical properties (tensile strength and elongation at break), physical properties (density), functional groups (FTIR) and surface morphology (SEM). Biocomposite production refers to the method of melt intercalation, which does not require the addition of solvent in the manufacture of hybrid biocomposites. In this study used mango seed starch mass of 5 grams, with ZnO and clay filler mass of 0; 3; 6; And 9% wt, while mass of ethylen glycol with variation 0;
20; 25; 30; And 35% wt. The heating temperature of the biocomposite solution used was 80,53 0C. The resulting biocomposites were analyzed for their physical and chemical properties, including FTIR, SEM, RVA, tensile strength, elongation at break, and density. From result of FTIR analysis showed the expansion of OH group from 3599,17 cm-1 to 3645,46 cm-1. FTIR analysis result also shows the existence of new functional group formed that is group C=C (aromatic ring). The SEM results show the biocomposite morphology in which the hybrid filler is dispersed well enough that indirectly affects the mechanical properties of the biocomposite.
From mangonese starch analysis, starch content of starch 75,47%, amylopectin content 44,0%, amylose 14,82% and water content 12,65%, gelatinization temperature 80,53 0C with peak viscosity 5303 cP, and a breakdown viscosity of 1577 cP. In this study obtained biocomposite with the best conditions on the use of ZnO 3% hybrid filler, 6% clay and 25%
ethylen glycol, with a tensile strength of 8,624 MPa, percent extension at break off 7,540%, and density 1,880 gr/cm3.
Key words: mango seed, biodegradable, biocomposite, clay, hybrid, zinc oxide
ix
DAFTAR ISI
Halaman
PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI i
PENGESAHAN ii
LEMBAR PERSETUJUAN iii
PRAKATA iv
DEDIKASI vi
RIWAYAT HIDUP PENULIS vii
ABSTRAK viii
ABSTRACT ix
DAFTAR ISI x
DAFTAR GAMBAR xv
DAFTAR TABEL xviii
DAFTAR LAMPIRAN xix
DAFTAR SINGKATAN xxi
DAFTAR ISTILAH/SIMBOL xxii
BAB I PENDAHULUAN 1
1.1 LATAR BELAKANG 1
1.2 PERUMUSAN MASALAH 3
1.3 TUJUAN PENELITIAN 3
1.4 MANFAAT PENELITIAN 4
1.5 RUANG LINGKUP PENELITIAN 4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 6
2.1 KOMPOSIT 6
2.2 HYBRID KOMPOSIT 6
2.3 BIOKOMPOSIT 7
2.4 BIJI MANGGA 8
2.5 PATI BIJI MANGGA 9
2.6 PEMLASTIS 10
2.7 ETILEN GLIKOL 10
2.8 PENGISI NANO 11
2.9 NANO PARTIKEL 13
2.10 ZINC OXIDE (ZnO) 14
2.11 CLAY 14
2.12 GELATINISASI PATI 15
2.13 METODE PEMBUATAN BIOKOMPOSIT 15
2.13.1 Eksfoliasi/Adsorpsi 15
2.13.2 Polimerisasi In Situ Interkalatif 16 2.13.3 Interkalasi Larutan/Interkalasi Prepolimer dari Larutan 16
2.13.4 Melt Intercalation 16
2.14 PENGUJIAN BIOKOMPOSIT 16
2.14.1 Penentuan Rapat Massa (Densitas) 16
2.14.2 Sifat Kekuatan Tarik 17
2.14.3 Pemanjangan pada saat Putus 18
2.14.4 Fourier Transform InfraRed (FT-IR) 18
2.14.5 Scanning Electron Microscopy (SEM) 19
BAB III METODOLOGI PENELITIAN 20
3.1 LOKASI DAN WAKTU PENELITIAN 20
3.2 BAHAN 20
3.3 PERALATAN 20
3.4 PROSEDUR PENELITIAN 21
3.4.1 Ekstraksi Pati 21
3.4.2 Prosedur Pembuatan Bioplastik Pati Biji Mangga dengan Variasi Pengisi Nanopartikel ZnO dan Clay serta Variasi Plasticizer
Etilen Glikol 21
3.4.3 Prosedur Pembuatan Biokomposit Pati Biji Mangga dengan
Pengisi Hybrid Nanopartikel ZnO dan Clay 22
3.5 PROSEDUR ANALISIS 22
3.5.1 Prosedur Analisa Pati 22
3.5.1.1 Prosedur Analisa Kadar Pati 22 3.5.1.2 Prosedur Analisa Kadar Air 23 3.5.1.3 Prosedur Analisa Profil Gelatinisasi dengan Rapid Visco
Analyzer (RVA) 23
xi
3.5.1.4 Prosedur Analisa Gugus Fungsi Fourier Transform InfraRed
(FT-IR) 24
3.5.1.5 Prosedur Analisa Scanning Electron Microscope (SEM) 24
3.5.2 Prosedur Analisa Bioplastik 24
3.5.2.1 Prosedur Analisis Densitas 25 3.5.2.2 Prosedur Pengujian Ketahanan terhadap Air 25 3.5.2.3 Prosedur Pengujian Sifat Kekuatan Tarik 25 3.5.2.4 Prosedur Pengujian Perpanjangan Pada Saat Putus 25 3.5.2.5 Prosedur Analisa Gugus Fungsi Fourier Transform InfraRed
(FT-IR) 26
3.5.2.6 Prosedur Analisa Scanning Electron (SEM) 26
3.6 FLOWCHART PENELITIAN 27
3.6.1 Flowchart Pembuatan Pati Biji Mangga 27
3.6.2 Flowchart Uji Kadar Pati 28
3.6.3 Flowchart Uji Kadar Air 29
3.6.4 Flowchart Analisa Gugus Fungsi Fourier Transform InfraRed (FT-IR) 30
3.6.5 Flowchart Pembuatan Bioplastik 31
3.6.5.1 Flowchart Pembuatan Bioplastik Pati Biji Mangga Dengan Variasi Pengisi Nanopartikel ZnO dan Variasi Plasticizer Etilen glikol 31 3.6.5.2 Flowchart Pembuatan Bioplastik Pati Biji Mangga dengan Variasi Pengisi
Clay dan Variasi Plasticizer Etilen glikol 32
3.6.5.3 Flowchart Pembuatan Biokomposit untuk Pati Biji Mangga
dengan Kombinasi Pengisi Nanopartikel ZnO dan Clay 33
3.6.6 Flowchart Analisa Bioplastik 34
3.6.6.1 Flowchart Analisa Densitas 34
3.6.6.2 Flowchart Analisa Gugus Fungsi Fourier Transform InfraRed
(FT-IR) 35
3.6.6.3 Flowchart Pengujian Sifat Kekuatan Tarik 35 3.6.6.4 Flowchart Pengujian Perpanjangan Pada Saat Putus 36 3.6.6.5 Flowchart Analisa Ketahanan terhadap Air 37 3.6.6.7 Flowchart Analisa Scanning Electron Microscope (SEM) 38
3.6.7 Flowchart Uji Biodegradibilitas Biokomposit 39 3.6.7.1 Flowchart Uji Biodegradibilitas Biokomposit dengan Cara Ditanam 39
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 40
4.1 HASIL EKSTRAKSI DARI PATI BIJI MANGGA 40
4.2 HASIL KARAKTERISTIK PATI BIJI MANGGA 41
4.2.1 Kadar Air 42
4.2.2 Kadar Amilosa dan Amilopektin 42
4.2.3 Kadar Pati 42
4.3 KARAKTERISTIK HASIL ANALISA FT-IR BIOPLASTIK PATI BIJI MANGGA DAN BIOKOMPOSIT PENGISI HYBRID ZINC
OXIDE DAN CLAY DENGAN PLASTICIZER ETILEN GLIKOL 43
4.4 KARAKTERISTIK MORFOLOGI PATI BIJI MANGGA DENGAN
SEM (SCANNING ELECTRON MICROSCOPE) 48
4.5 KARAKTERISTIK PROFIL GELATINISASI PATI DENGAN RVA (RAPID
VISCO ANALYZER) 49
4.6 HASIL KARAKTERISTIK BIOKOMPOSIT DARI PATI BIJI MANGGA 49 4.6.1 Hasil Uji Sifat Kekuatan Tarik dan Pemanjangan Pada Saat Putus
Biokomposit dengan Variasi Pengisi ZnO dan Clay 51
4.6.2 Pengaruh Penambahan Pengisi Hybrid ZnO dan Clay dengan Plasticizer
Etilen Glikol Terhadap Densitas Biokomposit 54
4.6.3 Pengaruh Penambahan Pengisi Hybrid ZnO dan Clay dengan Plasticizer Etilen Glikol Terhadap Sifat Kekuatan Tarik Biokomposit 55 4.6.4 Pengaruh Penambahan Pengisi Hybrid ZnO dan Clay dengan Plasticizer Etilen Glikol Terhadap Pemanjangan Pada Saat Putus Biokomposit 58 4.7 KARAKTERISTIK HASIL ANALISA MORFOLOGI PATAHAN BIOPLASTIK PATI BIJI MANGGA DAN BIOKOMPOSIT PATI BIJI MANGGA DENGAN PENGISI HYBRID ZINC OXIDE DAN CLAY DENGAN
PLASTICIZER ETILEN GLIKOL 59
4.8 UJI BIODEGRABILITAS BIOKOMPOSIT PATI BIJI MANGGA DENGAN PENGISI HYBRID ZINC OXIDE DAN CLAY DENGAN
PLASTICIZER ETILEN GLIKOL 61
BAB V KESIMPULAN 64
xiii
5.1 KESIMPULAN 64
5.2 SARAN 65
DAFTAR PUSTAKA 66
LAMPIRAN A DATA PENELITIAN 73
LAMPIRAN B CONTOH PERHITUNGAN 78
LAMPIRAN C DOKUMENTASI PENELITIAN 79
LAMPIRAN D HASIL PENGUJIAN LAB ANALISIS DAN INSTRUMEN 84
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 2.1 Struktur Amilosa 9
Gambar 2.2 Struktur Amilopektin 9
Gambar 2.3 Struktur Molekul Etilen Glikol 10
Gambar 3.1 Flowchart Pembuatan Pati Biji Mangga 27
Gambar 3.2 Flowchart Pengujian Kadar Pati 28
Gambar 3.3 Flowchart Pengujian Kadar Air 29
Gambar 3.4 Flowchart Analisa Gugus Fungsi Fourier Transform InfraRed
(FT-IR) 30
Gambar 3.5 Flowchart Pembuatan Bioplastik untuk Pati Biji Mangga dengan Pengisi Nanopartikel ZnO dan Variasi Plasticizer Etilen Glikol 31 Gambar 3.6 Flowchart Pembuatan Bioplastik untuk Pati Biji Mangga
dengan Pengisi Clay dan Variasi Plasticizer Etilen Glikol 32 Gambar 3.7 Flowchart Pembuatan Bioplastik untuk Pati Biji Mangga
dengan Kombinasi Pengisi Nanopartikel ZnO dan Clay dan Plasticizer Etilen
Glikol 33
Gambar 3.8 Flowchart Analisa Densitas 34
Gambar 3.9 Flowchart Analisa Gugus Fungsi Fourier Transform InfraRed
(FT-IR) 35
Gambar 3.10 Flowchart Analisa Kekuatan Tarik 35
Gambar 3.11 Flowchart Analisa Perpanjangan Saat Putus 36 Gambar 3.12 Flowchart Analisa Ketahanan Terhadap Air 37 Gambar 3.13 Flowchart Analisa Scanning Electron Microscope (SEM) 38 Gambar 3.14 Flowchart Uji Biodegradibiltas Biokomposit 39 Gambar 4.1 (a) Biji Mangga (b) Pati Biji Mangga 40
Gambar 4.2 Karakteristik Hasil Analisa FT-IR 44
Gambar 4.3 Hasil SEM pati biji mangga perbesaran 1000 kali 48 Gambar 4.4 Grafik Profil Gelatinisasi Pati Biji Mangga yang Diukur dengan
RVA (Rapid Visco Analyzer) 49
xv
Gambar 4.5 Hasil Uji Kekuatan Tarik Biokomposit dengan Pengisi Hybrid ZnO
dan Clay serta Plasticizer Etilen Glikol 51
Gambar 4.6 Hasil Uji Pemanjangan Pada Saat Putus Biokomposit dengan Pengisi Hybrid ZnO dan Clay serta Plasticizer Etilen Glikol 52 Gambar 4.7 Pengaruh Penambahan Pengisi Hybrid ZnO dan Clay dengan Plasticizer Etilen Glikol Terhadap Densitas Bioplastik 54 Gambar 4.8 Pengaruh Penambahan Pengisi Hybrid ZnO dan Clay dengan Plasticizer Etilen Glikol Terhadap Sifat Kekuatan Tarik Bioplastik 56 Gambar 4.9 Pengaruh Penambahan Pengisi Hybrid ZnO dan Clay dengan Plasticizer Etilen Glikol Terhadap Pemanjangan Pada Saat Putus Bioplastik 58 Gambar 4.10 Hasil Analisa Morfologi Patahan Biokomposit dari Pati Biji
Mangga dengan Kombinasi Pengisi ZnO dan Clay
dengan Plasticizer Etilen glikol di Perbesaran 1000x 60 Gambar 4.11 Uji Biodegrabilitas Biokomposit dari Pati Biji Mangga dengan Kombinasi Pengisi Hybrid ZnO dan Clay dengan Plasticizer Etilen
Glikol 62
Gambar C.1 Pati Biji Mangga 79
Gambar C.2 Clay 79
Gambar C.3 Zinc Oxide (ZnO) 80
Gambar C.4 Etilen glikol 80
Gambar C.5 Proses Pembuatan Bioplastik 81
Gambar C.6 Ultrasonikasi 81
Gambar C.7 Alat Uji Tarik (Tensile Strength) 82
Gambar C.8 Alat Uji FTIR (Fourier Transform Infra-Red) 82 Gambar C.9 Alat Uji SEM (Scanning Electron Microscopy) 83 Gambar C.10 (a) Produk Bioplasik dengan Pengisi Clay dan Variasi
Etilen Glikol (b) Produk Bioplasik dengan Pengisi ZnO dan
Variasi Etilen Glikol 83
Gambar D.1 Hasil FTIR Clay 84
Gambar D.2 Hasil FTIR Zinc Oxide (ZnO) 85
Gambar D.3 Hasil FTIR Pati Biji Mangga 86
Gambar D.4 Hasil FTIR Bioplastik Pati Biji Mangga tanpa Pengisi dan
tanpa Plasticizer Etilen glikol 87 Gambar D.5 Hasil FTIR Produk Bioplastik dengan Penambahan
Plasticizer Etilen Glikol dan Tanpa Penambahan Pengisi 88 Gambar D.6 Hasil FTIR Produk Biokomposit dengan Penambahan
Plasticizer Etilen Glikol dengan Penambahan Kombinasi Pengisi
Clay dan Zinc Oxide 89
Gambar D.7 Hasil Uji RVA Pati Biji Mangga dan RVA Larutan Biokomposit dari Pati Biji Mangga dengan Kombinasi
Pengisi Clay dan Zinc Oxide serta Plasticizer Etilen Glikol 90 Gambar D.8 Hasil Uji Kadar Air, Kadar Pati, Kadar Amilosa, dan Kadar
Amilopektin Pati Biji Mangga 91
xvii
DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel 1.1 Variabel Bebas Penelitian 4
Tabel 2.1 Produksi Mangga di Indonesia 8
Tabel 2.2 Beberapa Kegunaan Etilen Glikol 11
Tabel 4.1 Data Komposisi Kimia Pati Biji Mangga 41
Tabel 4.2 Hasil Gugus Fungsi Pati Biji Mangga Menggunakan FTIR 45 Tabel 4.3 Data Profil Gelatinisasi Pati Biji Mangga Hasil Pengukuran RVA 50
Tabel A.1 Data Hasil Analisis Pati Biji Mangga 73
Tabel A.2 Data Hasil Analisis RVA (Rapid Visco Analyzer) Pati Biji
Mangga 73
Tabel A.3 Data Hasil Analisis Densitas (Density) 73 Tabel A.4 Data Hasil Analisis Kekuatan Tarik (Tensile Strength) 74 Tabel A.5 Data Hasil Analisis Pemanjangan Saat Putus (Elongation At
Break) 76
Tabel A.7 Hasil Pengujian Biodegrabilitas Biokomposit 77
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
LAMPIRAN A DATA PENELITIAN 73
A.1 Data Hasil Analisis Pati Biji Mangga 73
A.2 Data Hasil Analisis RVA (Rapid Visco Analyzer) Pati Biji Mangga 73
A.3 Data Hasil Analisis Densitas (Density) 73
A.4 Data Hasil Analisis Kekuatan Tarik (Tensile Strength) 74 A.5 Data Hasil Analisis Pemanjangan Saat Putus (Elongation At Break) 75
A.6 Hasil Pengujian Biodegrabilitas Biokomposit 77
LAMPIRAN B CONTOH PERHITUNGAN 78
B.1 Perhitungan Pembuatan Biokomposit 78
B.2 Perhitungan Densitas 78
LAMPIRAN C DOKUMENTASI PENELITIAN 79
C.1 Pati Biji Mangga 79
C.2 Clay 79
C.3 Zinc Oxide (ZnO) 80
C.4 Etilen Glikol 80
C.5 Proses Pembuatan Bioplastik 81
C.6 Ultrasonikasi 81
C.7 Alat Uji Tarik (Tensile Strength) 82
C.8 Alat Uji FTIR (Fourier Transform Infra-Red) 82
C.9 Alat Uji SEM (Scanning Electron Microscopy) 83
C.10 Produk Bioplastik 83
LAMPIRAN D HASIL PENGUJIAN ANALISIS LAB ANALISIS DAN
INSTRUMEN 84
D.1 Hasil FTIR Clay 84
D.2 Hasil FTIR Zinc Oxide (ZnO) 85
D.3 Hasil FTIR Pati Biji Mangga 86
D.4 Hasil FTIR Bioplastik Pati Biji Mangga Tanpa Pengisi dan
Tanpa Plasticizer Etilen Glikol 87
xix
D.5 Hasil FTIR Produk Bioplastik dengan Penambahan Plasticizer Etilen glikol
dan Tanpa Penambahan Pengisi 88
D.6 Hasil FTIR Produk Biokomposit dengan Penambahan
Plasticizer Etilen Glikol dan dengan Penambahan Kombinasi Pengisi Clay
dan Zinc Oxide 89
D.7 Hasil Uji RVA Pati Biji Mangga dan RVA Larutan Biokomposit dari Pati Biji Mangga dengan Kombinasi Pengisi Clay dan Zinc Oxide serta Plasticizer
Etilen Glikol 90
D.8 Hasil Uji Kadar Air, Kadar Pati, Kadar Amilosa, dan Kadar Amilopektin
Pati Biji Mangga 91
DAFTAR SINGKATAN
ASTM EG FTIR
American Society for Testing and Materials Etilen Glikol
Fourier Transform Infra Red PET Polyethylene Terephtalate
RVA Rapid Visco Analyzer
SEM Scanning Electron Microscope SII
SNI ZnO
Standar Industri Indonesia Standar Nasional Indonesia Zinc Oxide
xxi
DAFTAR ISTILAH/SIMBOL
Simbol Keterangan Dimensi
w/w Perbandingan massa pati dengan pengisi %
wt Massa total pengisi %
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Sekarang ini, pengurangan penggunaan produk plastik semakin marak diberitakan sebab produk plastik merupakan salah satu bahan pencemar lingkungan terbesar di dunia.
Produk plastik sendiri terbuat dari bahan-bahan kimia yang tidak dapat diperbaharui dan sulit untuk diuraikan oleh mikroorganisme, sehingga akan tetap utuh dan menumpuk di alam hingga bertahun-tahun dan menyebabkan pencemaran lingkungan. Pencemaran lingkungan merupakan masalah yang sangat serius yang menjadi perhatian seluruh lapisan masyarakat.
Untuk mengatasi masalah tersebut maka material plastik dibuat dari bahan-bahan alami yang dapat terurai (biodegradable) sehingga ramah lingkugan. Komponen utama penyusun plastik biodegradable terdiri dari tiga kelompok yaitu hidrokoloid, lemak, dan komposit. Salah satu bahan utama yang digunakan dalam pembuatan plastik biodegradable ini yaitu pati yang termasuk kelompok hidrokoloid, yang merupakan bahan yang mudah didegradasi oleh mikroorganisme, mudah didapat, ketersediaannya melimpah harganya murah, serta jenisnya beragam di Indonesia [1] [32].
Pati memiliki beberapa kekurangan yaitu perilaku hidrofilik dan sifat mekanis yang sangat buruk apabila dibandingkan dengan polimer sintetis. Pati juga sebagian besar larut dalam air dan akan lebih dulu terdekomposisi sebelum mengalami proses gelatinisasi. Untuk memberikan ketahanan dan kekuatan mekanis pada pati, sejumlah pengisi berupa penguat bahan logam dan alami biasanya ditambahkan ke dalam matriks polimer [1].
Dalam penelitian ini sumber pati yang digunakan sebagai bahan dasar pembuatan plastik biodegradable adalah biji mangga. Biji mangga selama ini belum dimanfaatkan secara maksimal oleh manusia. Padahal, biji mangga memiliki kandungan pati yang cukup tinggi sehingga berpotensi sebagai alternatif pengganti bahan baku dalam pembuatan plastik biodegradable. Kandungan pati dalam biji mangga sebanyak 70,76%. Pati biji mangga mempunyai kadar amilosa 35,32% dan amilopektin 45,98% [2]. Sebagai bahan pengisi (filler) digunakan pengisi alami yaitu clay. Clay merupakan material yang banyak menarik perhatian karena sifatnya yang kuat, kaku, melimpah di alam, murah serta kemampuannya yang tinggi dalam menginterkalasikan partikel ke dalam strukturnya. Untuk menambah kekuatan dari plastik biodegradable yang dibuat, maka ditambahkan pengisi lain berupa penguat logam (reinforcement) ZnO (zinc oxide). Pada penelitian ini digunakan penguat
logam ZnO karena ZnO adalah keramik piezoelektrik dan bersifat antimikroba [3]. Gabungan dari kedua pengisi yang berbeda ini disebut sebagai hybrid.
Hybrid komposit merupakan penggabungan beberapa jenis pengisi menjadi satu dalam suatu matriks tunggal. Pemanfaatan penggunaan hybrid komposit yaitu dengan memperhitungkan jumlah komponen individual sehingga didapat keseimbangan yang baik antara kelebihan dan kekurangan masing-masing pengisi. Penggunaan hybrid komposit yang mengandung dua atau lebih jenis pengisi juga bisa melengkapi kekurangan masing-masing pengisi. Sehingga keseimbangan biaya dan kinerja dapat dicapai melalui desain material yang tepat. Sifat-sifat hybrid komposit bergantung pada kandungan pengisi, panjang serat pengisi individu, luas permukaan pencampuran, hingga susunan ikatan matriks kedua pengisi.
Kekuatan hybrid komposit juga tergantung pada tingkat tegangan masing-masing pengisi [56].
Selain pati dan pengisi, bahan untuk pembuatan bioplastik ialah pemlastis (plasticizer). Pemlastis didefinisikan sebagai molekul kecil yang tidak mudah menguap serupa dengan polimer pembentuk film. Penambahan pemlastis pada saat proses pembuatan lembaran plastik dimaksudkan untuk memperbaiki sifat plastik. Penambahan pemlastis pada bahan polimer mengakibatkan terjadinya modifikasi pada susunan tiga dimensi molekul, menurunkan gaya tarik intramolekul, meningkatkan mobilitas rantai dan menurunkan Tg (glass transition temperature) bahan amorf. Penurunan Tg tersebut dikarenakan pengurangan gaya antar-rantai sehingga gerakan bagian rantai lebih mudah. Perbedaan utama antara pemlastis dengan pelarut adalah kemampuan penguapan kedua bahan tersebut. Pelarut lebih mudah menguap sedangkan pemlastis tidak mudah menguap. Persyaratan ideal yang harus dimiliki suatu pemlastis meliputi kecocokan (compatibilitas), permanen atau tidaknya pemlastis tersebut berada dalam polimer, dan efisiensi penggunaannya. Pemlastis umumnya memiliki sifat-sifat tidak berbau, tidak berasa, tidak beracun dan tidak mudah terbakar [38].
Polietilen glikol, dietilen glikol dan dimetil ftalat merupakan beberapa jenis pemlastis yang banyak digunakan pada industri plastik. Pemlastis dari kelompok etilen glikol banyak digunakan pada industri plastik terutama untuk pembuatan serat poliester dan resin, termasuk polyethylene terephtalate yang digunakan dalam produksi botol plastik untuk minuman ringan (botol PET) [8].
Sudah banyak penelitian yang dilakukan dalam pembuatan plastik biodegradable, beberapa diantaranya: Sintesis bioplastik dari pati ubi jalar menggunakan pengisi logam ZnO dan pengisi alami Clay (Nugroho, 2012), Pembuatan dan karakterisasi bioplastik limbah biji mangga dengan penambahan selulosa dan gliserol (Septiosari,dkk., 2014), dan Pembuatan
bioplastik dari pati ubi kayu berpenguat nano serat jerami dan ZnO (Amni, 2015). Namun pembuatan biokomposit dari pati biji mangga berpengisi Hybrid ZnO dan Clay masih belum ditemukan. Berdasarkan latar belakang tersebut, maka perlu dilakukan penelitian tentang kemampuan limbah biji mangga dalam pembuatan biokomposit dan dilihat pengaruh penambahan pengisi yaitu ZnO dan Clay dan plasticizer etilen glikol terhadap sifat bioplastik yang dihasilkan.
1.2 Rumusan Masalah
Adapun perumusan masalah penelitian ini adalah:
1. Bagaimana potensi pati biji mangga sebagai bahan baku pembuatan biokomposit serta karakteristiknya yang meliputi kadar pati, kadar amilosa, kadar amilopektin, kadar air, serta profil gelatinisasi pada biokomposit?
2. Bagaimana pengaruh dan distribusi nanopartikel zinc oxide (ZnO) dan clay sebagai pengisi dan etilen glikol sebagai bahan pemlastis terhadap karakteristik mekanik (kekuatan tarik dan pemanjangan saat putus), karakteristik fisik (ketahanan terhadap air dan densitas), gugus fungsi (FTIR) dan morfologi permukaan (SEM) pada biokomposit?
3. Pada konsentrasi berapakah nanopartikel zinc oxide (ZnO) dan clay sebagai pengisi dan etilen glikol sebagai pemlastis memberikan sifat mekanik (kekuatan tarik dan pemanjangan saat putus), sifat fisik (ketahanan terhadap air dan densitas), gugus fungsi (FTIR) dan morfologi permukaan (SEM) terbaik pada biokomposit?
1.3 Tujuan Penelitian
Adapun tujuan penelitian ini adalah:
1. Mendapatkan karakteristik dan potensi pati biji mangga sebagai bahan baku pembuatan biokomposit yang meliputi kadar pati, kadar amilosa, kadar amilopektin, kadar air, serta profil gelatinisasi pada biokomposit
2. Mendapatkan pengaruh dan distribusi nanopartikel zinc oxide (ZnO) dan clay sebagai pengisi dan etilen glikol sebagai bahan pemlastis terhadap karakteristik mekanik (kekuatan tarik dan pemanjangan saat putus), karakteristik fisik (ketahanan terhadap air dan densitas), gugus fungsi (FTIR) dan morfologi permukaan (SEM) pada biokomposit
3. Mendapatkan konsentrasi nanopartikel zinc oxide (ZnO) dan clay sebagai pengisi dan etilen glikol sebagai pemlastis yang memberikan sifat mekanik (kekuatan tarik dan
pemanjangan saat putus), sifat fisik (ketahanan terhadap air dan densitas), gugus fungsi (FTIR) dan morfologi permukaan (SEM) terbaik pada biokomposit.
1.4 Manfaat Penelitian
Adapun manfaat dari penelitian ini adalah:
1. Memanfaatkan dan meningkatkan nilai ekonomis dari biji mangga yamg selama ini belum dimanfaatkan secara maksimal.
2. Meminimalisir penggunaan plastik konvensional sehingga mengurangi pencemaran lingkungan dan penghematan bahan bakar fosil.
3. Meminimalisir kekurangan dari sifat plastik konvensional dengan menggunakan pengisi hybrid.
1.5 Ruang Lingkup Penelitian
Penelitian ini akan dilaksanakan di Laboratorium Penelitian Farmasi, Fakultas Farmasi, Laboratorium Operasi Teknik Kimia, Laboratorium Penelitian Industri Kimia dan Laboratorium Polimer, Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara, Medan.
Penelitian ini memiliki ruang lingkup atau batasan sebagai berikut:
1. Pati yang digunakan berasal dari biji mangga yang diambil secara acak dari penjual jus buah di sekitar kawasan Dr. Mansyur dan Padang Bulan Pasar 1 Medan.
2. Variabel bebas penelitian ditunjukkan melalui tabel berikut:
Tabel 1.1 Varabel Bebas Penelitian [3]
Pati Etilen glikol Pengisi (%) (gram) (%) ZnO dan Clay
0
0 3
6
9
0
20 3
6
9
5 0
5 25 3
6
9
0
3. Variabel tetap penelitian adalah sebagai berikut:
Massa pati biji mangga (Mangifera indica) = 5 gram [3]
Suhu gelatinisasi = 80,53 0C
Ukuran partikel Zinc Oxide (ZnO) = 24 nm
Ukuran partikel Clay = 10,813 µm
Waktu ultrasonikasi = 50 menit [3]
4. Analisa hasil penelitian yaitu : a) Uji pati mangga, meliputi:
Kadar Air
Kadar Pati
Profil Gelatinisasi
Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR)
Scanning Electron Microscope (SEM) b) Uji bioplastik, meliputi :
Biodegradabilitas
Densitas
Kekuatan Tarik
Pemanjangan pada saat putus (Elongation at break)
Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR)
Scanning Electron Microscope (SEM) 30 3
6
9
0
35
3
6
9
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Komposit
Komposit adalah material rekayasa yang dibuat dari pencampuran dua atau lebih material untuk menciptakan sebuah kombinasi sifat material yang baru dan unik. Adapun komponen utama penyusun komposit:
1. Matriks
Matriks memiliki peranan yang penting dalam mentransfer tegangan, melindungi serat dari lingkungan dan menjaga permukaan serat dari pengikisan [4].
2. Pengisi (Filler)
Pengisi merupakan suatu bahan yang bersifat lengai dalam bentuk serat, partikel, kepingan dan lamina dan ditambahkan pada komposit untuk meningkatkan sifat mekanik dan sifat fisik seperti meningkatkan kekuatan, kekakuan, keliatan dan sebagainya [5]. Salah satu fungsi pengisi yaitu sebagai penguat (reinforcement). Fasa penguat merupakan bahan yang ditambahkan untuk meningkatkan kekuatan dan pengeras material dari suatu komposit.
Antara matriks dan pengisi akan terbentuk suatu lapisan permukaan yang disebut sebagai interface. Pengertian umum interface (antar muka) pada komposit serat merupakan sebuah permukaan yang terbentuk oleh suatu batas bersama antara serat penguat dan matriks yang bersentuhan dengan ikatan diantara keduanya dan mempertahankan ikatan tersebut terhadap trasfer beban [4].
2.2 Hybrid Komposit
Dalam dunia komposit, dikenal istilah komposit hibrid (hybrid komposit). Pada hybrid komposit ini, dalam satu matriks memungkinkan adanya dua lebih partikel penguat. Sehingga memungkinkan terjadinya interaksi maupun proses penguatan yang lebih kompleks, baik terhadap matriks itu sendiri maupun kepada penguat lain dalam satu matriks tersebut. Pada hybrid komposit, peubahan yang signifikan akan sangat terlihat ketika material komposit tersebut dilakukan pembebanan. Kerusakan pada hybrid komposit ini biasanya terjadi secara bertahap [57].
Istilah hybrid digunakan untuk menggambarkan fenomena perbaikan sinergis yang terjadi pada sifat komposit yang mengandung dua atau lebih
jenis komposit. Pemilihan komponen yang akan dibuat sebagai hybrid komposit ditentukan berdasarkan tujuan hibridisasi, kesesuaian pada bahan atau desain komposit yang sedang dirancang.. Pemilihan tipe pengisi/serat yang kompatibel sesuai sifatnya sangat penting dalam merancang dan memproduksi hybrid komposit. Keberhasilan pembuatan hybrid komposit ditentukan oleh kestabilan kimia, sifat mekanik dan sifat fisik dari pengisi/serat dengan matriksnya.
Ada beberapa jenis hybrid komposit berdasarkan karakteristiknya yaitu: (1) interply atau tow-by-tow, dimana dua atau lebih jenis pengisi/serat penyusun dicampur seperti biasa ataupun secara acak; (2) hybrid sandwich, juga dikenal sebagai core-shell, dimana salah satu material diselipkan di antara dua lapisan lainnya; (3) interply atau laminated, dimana lapisan lain dari dua bahan (atau lebih) ditumpuk dengan cara biasa; (4) hybrid yang dicampur perlahan-lahan, dimana pengisi/serat penyusunnya dibuat agar konsentrasi masing-masing pengisinya tidak berlebihan dalam suatu materi; (5) dll, seperti penguat yang berasal dari hewani (ribs), pultruded wires, thin veils ataupun kombinasi lainnya.
Meskipun komposit polimer hybrid semakin diminati, tantangannya adalah untuk manggnatikan pengisi pada plastik konvensional dengan biokomposit yang dapat meningkatkan stabilitas struktural dan fungsional selama penyimpanan dan penggunaan namun tidak menyebabkan pencemaran lingkungan pada saat pembuangan. Hal yang ingin dicapai dalam fabrikasi biokomposit yaitu didapatkan sifat unggul yang diinginkan termasuk modifikasi kimia serat yang efisien dan hemat biaya, modifikasi matriks, dan memadukan serta mendapatkan teknik pengolahan yang paling efisien [58].
2.3 Biokomposit
Biokomposit adalah jenis komposit yang salah satu penyusunnya, yaitu pengisi atau matriksnya terbuat dari bahan alam. Untuk pengisi, bahan yang digunakan dapat berupa serat tumbuhan seperti kapas, lenan, rami dan lainnya, atau dapat berupa serat yang berasal dari kayu daur ulang atau limbah kertas, atau bahkan serat hasil samping pemotongan kayu.
Matriks dapat berupa polimer, yang berasal dari sumber yang dapat diperbaharui seperti minyak sayur dan pati. Sifat biokomposit sangat dipengaruhi oleh sifat-sifat yang dimiliki oleh bahan pengisinya. Karena itu, struktur dan sifat fungsional biokomposit dapat dibuat sesuai dengan keinginan dengan memilih bahan pengisinya [5].
Hal yang paling penting dalam produksi biokomposit adalah memilih komposisi optimum dari kombinasi yang sesuai. Yang dimaksud dengan kombinasi yang sesuai adalah proses pencampuran dimana dua atau lebih komponen larut satu sama lain sehingga muncul interaksi antar komponennya [5].
2.4 Biji Mangga
Mangga (Mangifera indica Linn.) merupakan salah satu buah tropis terbanyak di dunia.
Mangga sendiri tersusun atas biji, inti biji (kernel), daging buah dan kulit buah. Buah mangga pada umumnya hanya dimanfaatkan daging buahnya, sedangkan bijinya merupakan bahan sisa yang belum dimanfaatkan. Menurut Istiqoma dan Anggun (2011) hanya 66% bagian dari buah mangga yang dapat dimanfaatkan secara langsung. Hal ini berarti 34% merupakan bahan sisa yang belum dimanfaatkan, yang sebagian besar berupa biji.
Tabel 2.1 Produksi mangga di Indonesia [36]
Tahun Produksi (Ton)
2009 2.243.440
2010 1.287.287
2011 2.131.139
2012 2.376.333
2013 2.192.928
2014 2015
2.431.330 2.178.826
Dengan besarnya produksi mangga di setiap tahunnya, tentunya juga akan menghasilkan limbah berupa biji dalam jumlah besar. Jumlah biji mangga di lingkungan masyarakat cukup melimpah. Masih banyak dijumpai biji mangga yang hanya dibiarkan begitu saja, sehingga hanya menjadi limbah yang mengotori lingkungan [37]. Biji mangga mengambil sekitar 17- 22% dari seluruh bagian mangga.
Biji mangga merupakan biji tunggal yang berbentuk lonjong dan datar, dengan permukaan yang berserat atau berbulu, tergantung pada budidayanya. Biji mangga memiliki ukuran ± panjang 4-7 cm, lebar 3-4 cm, dan tebal 1 cm. Komponen umum yang terdapat pada biji mangga adalah pati, lemak dan protein. Biji mangga adalah biji dengan kandungan gizi yang menjanjikan karena tingkat karbohidrat dan minyak yang tinggi. Minyak dari biji mangga mengandung sekitar 44-48% asam lemak jenuh dan 52-56% asam lemak tak jenuh.
Biji mangga memiliki kandungan protein yang rendah tetapi tinggi akan kandungan asam amino essensial, seperti leucine, valine dan lysine. Selain itu, dari hasil penelitian diketahui juga bahwa biji mangga sangat kaya akan kalsium, kalium dan magnesium.
Biji mangga memiliki lapisan kulit yang menutupi inti biji (kernel) di dalamnya. Inti biji mangga merupakan sumber yang baik untuk polyphenols, phytosterols, campesterol, sitosterol dan tocopherols. Selain itu, inti biji mangga juga merupakan sumber potensial bagi komposisi fungsional makanan, komponen antimikroba dan kosmetik karena kandungan lemak dan protein yang berkualitas tinggi begitupun dengan kandungan antioksidan alaminya [6].
2.5 Pati Biji Mangga
Pati adalah karbohidrat yang terdiri dari sejumlah besar unit glukosa yang dihubungkan oleh ikatan glicosidic. Pati biasa digunakan dalam industri pharmaceutical, industri pangan sebagai stabilizer, pembuatan edible film, juga sebagai bahan baku dalam produksi gel dan etanol [7].
Kandungan pati dalam biji mangga sebesar 70,76%. Pati biji mangga mengandung amilosa sebesar 35,32% dan amilopektin sebesar 45,98%. Kadar amilosa tersebut diharapkan dapat memberikan sifat mekanik yang optimal dan kadar amilopektin memberikan sifat lengket yang optimal [2]. Struktur dari amilosa dan amilopektin masing-masing ditunjukkan pada gambar di bawah ini:
Gambar 2.1 Struktur Amilosa
Gambar 2.2 Struktur Amilopektin
2.6 Pemlastis (Plasticizers)
Pemlastis (plasticizers) adalah bahan kimia yang dapat digunakan untuk mengurangi kekakuan resin termoplastik. Prinsip kerja pemlastis adalah membentuk interaksi molekuler rantai polimer untuk meningkatkan kecepatan respon viskoelastis pada polimer.
Hal tersebut akan meningkatkan mobilitas molekuler rantai polimer dan akibatnya dapat menurunkan suhu transisi kaca (Tg). Ikatan-ikatan yang terbentuk antara polimer dengan pemlastis merupakan ikatan hidrogen.
Polietilen glikol, dietilen glikol dan dimetil ftalat merupakan beberapa jenis pemlastis yang banyak digunakan pada industri plastik. Pemlastis dari kelompok etilen glikol banyak digunakan pada industri plastik terutama untuk pembuatan serat poliester dan resin, termasuk polyethylene terephtalate yang digunakan dalam produksi botol plastik untuk minuman ringan (botol PET). Dimetil ftalat sering digunakan sebagai pemlastis pada industri plastik polyvinyl chloride (PVC) untuk menghasilkan plastik polyvinyl chloride yang lebih lentur dan fleksibel [8].
2.7 Etilen glikol
Monoetilen glikol yang sering disebut etilen glikol adalah cairan jenuh, tidak berwarna, tidak berbau, berasa manis dan larut sempurna di dalam air. Grup hidroksil pada glikol memberikan kemungkinan turunan senyawa yang lebih luas. Gugus hidroksil ini bisa diubah menjadi aldehid, alkil helide, amina, azida, asam karboksil, eter, merkaptan, ester nitrat, nitril, ester nitrit, ester organic, ester posphat dan ester sulfat. Senyawa-senyawa ini membuat etilen glikol bisa menjadi senyawa intermediate dalam banyak reaksi. Terutama dalam formasi resin, termasuk kondensasi dengan dimetil terephtalat atau asam terephtalat yang menghasilkan resin polyester.
Rumus molekul etilen glikol adalan HOCH2CH2OH dan struktur molekulnya seperti yang ditampilkan pada gambar 2.3
Gambar 2.3 Struktur Molekul Etilen Glikol [9]
Tabel 2.2 Beberapa kegunaan etilen glikol Sifat/ Karakteristik Aplikasi / Kegunaan
Senyawa intermediet dari resin
- Resin polyester (Fibers, Container dan films)
- Resin ester sebagai plasticizers
(a d h e s i v e , f u r n a c e d a n pelapis ) - Alkyd-type resins (karet sintetis, adhesive,
pelapis perm ukaan)
Solven coupler ( pasangan pelarut ) - Sebagai penstabil pada formasi gel
Penurunan titik pembekuan ( Freezing Point Depression )
- Fluida penghilang es ( deicing fluids ) - Sebagai fluida penghilang panas (heat transfer fluids) pada jompresor gas, pemanas, pendingin udara, proses pendingin
- Antibeku pada kendaraan dan pendingin.
- Formulasi berdasarkan air seperti adesif, cat latex dan emulsi aspal )
Pelarut - Garam konduktif medium pada
kapasitor elektrolitik
Humectant - Serat tekstil, kertas, kulit, adhesive dan lem
Secara komersial, etilen glikol di Indonesia digunakan sebagai bahan baku industri polyester. Polyester yang merupakan senyawa polimer jenis termoplastik ini digunakan sebagai sebagai bahan baku industri tekstil dan plastik. Adapun penggunaan etilen glikol untuk industri tekstil sebesar 97,34%. Sedangkan sisanya sebesar 2,66% digunakan sebagai bahan baku tambahan pada pembuatan cat, cairan rem, solvent, alkil resin, tinta cetak, tinta ballpoint, foam stabilizer, kosmetik, dan bahan anti beku [9].
2.8 Pengisi Nano (Nanofillers)
Pada tingkat skala nano, ukuran dari pengisi dikurangi secara signifikan, dengan tujuan meningkatkan luas permukaan pengisi. Hal ini diinginkan karena bio-nanokomposit
bergantung pada luas permukaan yang tinggi dari pengisi nano. Luas permukaan yang tinggi dari pengisi nano akan membuat adanya batas yang besar antara antar muka (interface) dan matriks atau biopolimer dan pengisi nano. Interface yang besar memungkinkan modifikasi mobilitas molekul, sifat mekanik, termal, dan sifat penghalang dari bio-nanokomposit.
Terkhusus untuk aplikasi pada pembungkus/kemasan makanan, bahan bio-nanokomposit biasanya dirancang untuk memiliki kemampuan untuk bertahan dari stress mekanik dan termal selama pemrosesan, penyaluran, dan penyimpanan makanan.
Banyak jenis pengisi nano (berukuran kurang dari 100 nm) telah digunakan untuk meningkatkan kinerja biopolimer. Nanofillers yang digunakan untuk pengaplikasian pada kemasan makanan dapat diklasifikasikan menjadi beberapa jenis yang meliputi: nanopartikel, nanofibrils, nanorods, dan nanotube.
Pengisi nano dapat berupa zat organik atau anorganik seperti clay (mis: Montmorilonit (MMT)), biopolimer alami (mis: kitosan), agen antimikroba alami (misalnya: nisin), logam (misalnya: perak), dan oksida logam (mis TiO2).
Diantara sekian banyak pengisi nano, jenis yang paling umum dimodifikasi sebagai bahan bio-nanokomposit untuk aplikasi sebagai kemasan makanan yaitu clay. Hal ini karena clay merupakan bahan alami, berlimpah di alam karena berasal dari kerak bumi, biaya yang ekonomis, terbukti menghasilkan penguatan signifikan dan kemampuan pemrosesan dari bahan bio-nanokomposit.
Jenis clay yang berbeda maka berbeda pula luas permukaan area dan aspek rasionya.
Telah banyak penelitian yang dilakukan untuk membandingkan efek dari jenis clay pada bahan bio-nanokomposit yang dihasilkan. Misalnya: Cloisite Na+, Cloisite 10A Na+, Cloisite 30B, dan Cloisite 20A.
Jenis dari logam yang paling umum dipelajari untuk memproduksi bahan bio- nanokomposit adalah perak, karena sifat antimikroba serta stabil dan volatilitas yang rendah untuk menguap pada suhu tinggi. Sementara jenis yang paling umum digunakan dari logam oksida adalah ZnO, karena penghilang bau dan sifat antibakteri.
Penambahah sedikit pengisi (<5%) sudah cukup untuk menghasilkan peningkatan sifat biopolimer. Umumnya, sifat mekanik dari bio-nanokomposit secara signifikan bergantung pada jumlah pengisi nano. Banyak penelitian telah menunjukkan bahwa kekuatan tarik dan modulus bahan bio-nanokomposit meningkat sementara perpanjangan putus menurun dengan peningkatan jumlah pengisi nano. Peningkatan sifat mekanik dari bahan bio-nanokomposit dikaitkan dengan kekakuan yang tinggi dari pengisi nano serta afinitas yang sangat baik antara biopolimer dan pengisi nano di interface. Interaksi interface akan menyebabkan
kekakuan bahan bio-nanokomposit karena penggabungan pengisi nano, sehingga meningkatkan sifat termal bahan bio-nanokomposit.
Selain itu, bahan bio-nanokomposit juga menunjukkan peningkatan sifat barrier terhadap gas dan uap air. Penelitian sebelumnya menunjukkan bahwa peningkatan sifat barrier bergantung pada jenis dan jumlah pengisi nano yang digunakan serta aspek rasio pengisi nano. Antara kedua faktor tersebut, aspek rasio merupakan pengaruh terbesar pada sifat barrier bahan bio-nanokomposit. Rasio tinggi dari pengisi nano memiliki kecenderungan penggabungan/pencampuran sempurna filler yang tinggi sehingga secara dramatis meningkatkan sifat barrier. Karena sifat barrier yang baik, bahan bio-nanokomposit kini mencuri perhatian untuk aplikasi sebagai kemasan makanan karena dapat meningkatkan umur ketahanan/penyimpanan makanan.
Penggabungan pengisi nano tidak hanya meningkatkan sifat mekanik, termal, dan sifat barrier dari biopolimer tetapi juga menawarkan fungsi yang penting lainnya dalam aplikasi sebagai kemasan makanan seperti agen antimikroba, biosensor, dan scavenger (anti/membuang) oksigen. Sifat antimikroba akan meningkatkan keamanan pangan dengan mengendalikan pertumbuhan dan invasi serta membunuh bakteri dan patogen mikroorganisme dalam makanan.
[11].
2.9 Nano partikel
Nano partikel pertama kali dijelaskan oleh ilmuwan fisika penerima hadiah Nobel yaitu Richard pada tahun 1965 terhadap ilmu dan teknologi nano di dunia industri maupun akademik. Ilmu nano merupakan studi fenomena dan manipulasi bahan pada skala atom, molekul dan makro molekul. Sifat bahan yang berukuran besar menjadi ukuran nano jauh berbeda setelah proses penggilingan dengan menggunakan salah satu alat seperti ballmill.
Skala nano berkisar antara 1-100 nano. Teknologi nano adalah memahami dan mengkontrol sesuatu pada dimensi 1-100 nano. Fenomena-fenomena unik menghasilkan aplikasi baru teknologi nano meliputi pengukuran, pencitraan, pemodelan, fabrikasi dan memanipulasi sesuatu pada skala nano [1].
Penggunaan paling umum terhadap nanopartikel yang terdapat pada literatur yakni dibuat sebagai bahan nanokomposit berupa nanoclays, carbon nanofibers, carbon nanotubes, nanosilica, dll. Penelitian terhadap nanoclays merupakan yang paling banyak dilakukan dari nanopartikel karena pengaplikasiannya yang luas di banyak bidang [10].
2.10 Zinc Oxide (ZnO)
Seng oksida adalah sebuah senyawa anorganik dengan formula ZnO. Biasanya terlihat dalam bentuk bubuk putih, dan hampir tidak larut dalam air. ZnO mempunyai dua struktur kristal yang berbeda yaitu blended dan wurt. Pada kondisi yang tidak sesuai dengan lingkungan, secara termodinamika struktur wurtzite lebih stabil dibandingkan struktur ZnO yang lain. ZnO dengan struktur wurzite dimana Zn sebagai kation dan O sebagai anion membentuk koordinasi tetrahedral.
ZnO merupakan kristal senyawa ionik, terdiri dari kation-kation dan anion-anion yang tersusun secara teratur dan berulang/periodik. Pola susunan yang teratur dan berulang dari ion-ion yang terdapat dalam suatu kristal menghasilkan kisi kristal dengan bentuk/struktur tertentu. Selain itu, ZnO bersifat transmitansi tinggi pada daerah panjang gelombang tampak, indeks bias yang tinggi, konstanta piezoelektrik yang besar, celah pita energi yang lebar, konduktivitas elektrik yang baik, sifat adhesi, kekerasan yang baik, dan kestabilan kimia dan mekanik yang baik.
ZnO mempunyai sifat-sifat berikut: ZnO adalah semikonduktor dengan direct band gap 3,2 – 3,4 eV, excitation binding energy 60 meV pada suhu kamar, dan menunjukan near-UV emission serta transparent conductivity; memiliki struktur non-simetri sentral (non- centrosymmetric symmetry), yaitu adanya kekurangan pada pusat simetris yang menghasilkan efek piezoelektrik; ZnO juga bersifat bio-safe dan bio-compatible sehingga dapat digunakan untuk aplikasi biomedical tanpa perlu dilapisi.
[12]
2.11 Clay
Clay adalah mineral yang paling umum yang terkandung dalam bebatuan, sedimen laut dan di dalam tanah. Clay terbentuk dari kandungan aluminium silikat dan juga Fe,Mg, Ca, Na dan K yang cukup besar. Clay merupakan bahan baku dalam aplikasi di bidang konstruksi, keramik, listrik, farmasi, cat, kertas, tekstil dan industri minyak bumi [13].
Material clay merupakan material yang banyak menarik perhatian karena sifatnya yang kuat, kaku, melimpah di alam murah serta kemampuannya yang tinggi dalam menginterkalasikan partikel ke dalam strukturnya. Kemampuan interkalasi ini karena muatan layer yang kecil (x=0,2-0,6) sehingga kation dalam ruang antarlapis dapat ditukar. Berbeda dengan material komposit biasa, polimer clay nanokomposit terbentuk jika polimer dapat interkalasi ke dalam galeri mineral clay sehingga sifat polimer yang terbentuk berbeda dengan sifat mikropartikelnya [3].
2.12 Gelatinisasi Pati
Thermoplastic starch (TPS) adalah plastik biodegradable berbahan dasar pati. Granula pati harus dipecahkan oleh pengolahan termal dan mekanis untuk apat menghasilkan TPS.
Peran penting dari plasticizer, disertai dengan panas dan tekanan, adalah untuk memecah struktur kristal butiran granula pati dan membentuk lapisan amorf polimer yang kontinyu.
Setelah TPS diproduksi, sedikit proses rekristalisasi terjadi yang akan meningkatkan kekuatan tarik namun juga meningkatkan elastisitas..
Gelatinisasi pati terjadi dengan mengganggu struktur kristal yang membebaskan heliks pati, sehingga menghasilkan pati termoplastik amorf. Pemanasan campuran pati dan plasticizers penting untuk membuat butiran pati membengkak dan kandungan amilosa menyebar dari butiran pati, namun kandungan amilopektin ditahan. Dengan demikian, gelatinisasi memecah ikatan-ikatan pati dan rantai -OH sehingga membentuk interaksi baru antara pati dan plasticizer. Butiran pati membutuhkan setidaknya kelembaban sebesar 33%
agar terjadi proses pemlastisan ketika air digunakan sebagai plasticiser. Jumlah kandungan air dalam campuran mempengaruhi suhu transisi gelas dan indeks aliran lelehan. Namun, penambahan gliserol menghasilkan termoplastik yang lebih kuat karena terjadi interaksi yang kuat antara unit monomer pati dengan gliserol.
Karena sumber pati sangat berlimpah dari banyak sumber, pati termoplastik harganya murah, biodegradable dan terbarukan. Bahan yang dihasilkan juga bisa dimodifikasi dengan menambahkan bahan tambahan lain seperti pengisi. Karena kemudahan dan kemampuan untuk menghasilkan TPS menggunakan teknik pemrosesan industri yang sama dengan plastik komersial saat ini seperti ekstrusi, injection molding dan pembentukan vakum, TPS dapat menjadi alternatif sebagai pengganti plastik konvensional yang tidak dapat terdegradasi terutama yang penggunaannya dalam waktu singkat [5..].
2.13 Metode Pembuatan Bioplastik
Berbagai metode pembuatan biokomposit untuk produksi bioplastik dapat dijelaskan sebagai berikut :
2.13.1 Eksfoliasi/Adsorpsi
Pertama-tama, sekumpulan lapisan (layered host) mengalami pengelupasan dalam pelarut (air, toluena, dan lain-lain) yang polimernya dapat larut pada pelarut tersebut [14].
Polimer kemudian diserap kedalam lapisan dan melapisinya ketika pelarut diuapkan, dan lembaran disusun seperti susunan sandwich. Kerugian proses ini adalah penggunaan pelarut
2.13.2 Polimerisasi In Situ Interkalatif
Polimerisasi in situ merupakan proses konvensional untuk sintesa nanokomposit untuk thermoset dan thermoplastik. Dengan menggunakan teknik ini pembentukan polimer dapat terjadi dalam lembaran yang terinterkalasi [15]. Reaksi polimerisasi ini dapat terjadi dengan proses pemanasan, radiasi, atau menggunakan inisiator [16].
2.13.3 Interkalasi Larutan/Interkalasi Prepolimer Dari Larutan
Metode interkalasi dalam larutan melibatkan polimer yang terlarut dalam pelarut organik. Selanjutnya pelarut tersebut diuapkan atau polimer diendapkan. Metode ini membutuhkan pelarut dalam jumlah banyak. Semakin banyak pelarut yang digunakan maka akan membuat lapisan dispersi filler lebih baik. Teknik ini banyak digunakan dalam kasus polimer yang larut dalam air [17].
Proses akhir metode ini adalah penghilangan pelarut, baik dengan cara penguapan maupun pengendapan. Keuntungan dari metode ini adalah nanokomposit terinterkalasi dapat disintesis dengan menggunakan polimer dengan polaritas rendah atau tanpa polaritas [18].
2.13.4 Melt Intercalation
Metode melt intercalation pertama kali dilaporkan oleh Vaia et al. Proses pembuatan biokomposit pada metode ini tidak memerlukan penambahan pelarut [14]. Rantai polimer di interkalasi atau di eksfoliasi untuk membentuk nanokomposit. Proses pembuatan dengan metode interkalasi ini biasa untuk membuat nanokomposit dari thermoplastik atau bagi polimer yang tidak sesuai untuk dibuat dengan teknik adsorpsi atau in situ polimerisasi [15].
Pada kondisi tertentu, jika permukaan lapisan cukup kompatibel atau sesuai dengan polimer, maka polimer dapat masuk ke ruang interlayer dan membentuk nanokomposit terinterkalasi atau exfoliasi [18]. Pada penelitian ini digunakan metode melt intercalation dimana tidak diperlukan pelarut dalam menghasilkan bioplastik, serta digunakan proses mekanik ultrasonikasi untuk mendispersikan pengisi nanopartikel ZnO dan Clay.
2.14 Pengujian Bioplastik
Beberapa pengujian yang dilakukan pada bioplastik yaitu : 2.14.1 Penentuan Rapat Massa (Densitas)
Massa jenis (densitas) adalah pengukuran massa setiap satuan volume benda. Semakin tinggi massa jenis suatu benda, maka semakin besar pula massa setiap volumenya. Satuan SI massa jenis adalah kg/m3, sedangkan satuan lainnya adalah g/cm3 [19].
Berat jenis merupakan ukuran kepadatan molekul dalam bahan, sehingga terkait berat dan volume plastik. Cara pengukuran berat jenis adalah dengan mengukur perbandingan antara berat dan volume plastik [20]. Metode sederhana dalam penentuan massa jenis relatif
suatu bahan adalah dengan menimbang sampel baik pada udara dan air (ASTM D-792).
Metode lain yang digunakan adalah ASTM D-1505, yaitu pengukuran kolom gradien densitas [21].
Rumus untuk menentukan massa jenis adalah:
𝜌 = (2.1) 𝜌 = rapat massa/densitas (g/cm3)
m = massa sampel (g) v = volume sampel (cm3) [19]
2.14.2 Ketahanan terhadap Air
Uji ini dilakukan untuk mengetahui terjadinya ikatan dalam polimer serta tingkatan atau keteraturan ikatan dalam polimer yang ditentukan melalui presentase penambahan berat polimer setelah mengalami penggembungan. Proses terdifusinya molekul pelarut kedalam polimer akan menghasilkan gel yang menggembung. Sifat ketahanan bioplastik terhadap air ditentukan dengan uji swelling, yaitu presentase penggembungan film oleh adanya air [20].
Pada uji ketahanan air pada bioplastik ini digunakan standar ASTM D570-98, 2005.
Ketahanan terhadap air sampel dihitung melalui persamaan:
Air % =[ ] x 100% (2.2) Dimana :
Wo = berat edible film kering W = berat edible film basah [22]
2.14.3 Sifat Kuat Tarik
Kekuatan tarik adalah ukuran kekuatan suatu bahan ketika bahan tersebut menerima beban yang cenderung merenggangkan atau memperpanjang bahan tersebut. Kekuatan tarik umumnya ditentukan dengan meletakkan suatu bahan berbentuk panjang, kawat atau bentuk dumbbell terhadap gaya tarik (uji tarik satu sumbu) [23].
Pengujian tarik merupakan pengujian mekanis berupa gaya tarik untuk melihat perilaku inheren dari material terhadap pembebanan tersebut. Prinsip pengujian tarik yaitu dengan memberikan tegangan aksial berupa tarikan pada kedua ujung atau salah satu ujung spesimen tarik hingga putus [24]. Pengujian ini sangat sederhana dan sudah mengalami standarisasi di seluruh dunia, misalnya di Amerika dengan ASTM E8, di Jepang dengan JIS
2241 dan di Indonesia dengan ASTM D 638. Pada uji kuat tarik bioplastik ini digunakan standar ASTM D638-02a [25].
Kuat tarik (tensile strength) dihitung dengan cara membagi tekanan maksimum dengan luas penampang minimum dari spesimen, dan dapat dalam satuan psi atau Pascal (lbf/in2) [26]. Pengukuran tensile strength secara sistematis dapat ditulis sebagai berikut : 𝜎 = (2.3) Dimana :
𝜎 = tegangan atau kekuatan tarik (kgf/mm2) Fmaks = beban maksimum (kgf)
A0 = luas penampang awal (mm2) [27]
2.14.4 Pemanjangan Pada Saat Putus
Elongasi merupakan salah satu jenis deformasi. Deformasi merupakan perubahan ukuran yang terjadi saat material di beri gaya. Elongation-to-break (ultimate elongation) adalah regangan pada sampel pada saat sampel patah [28].
Perpanjangan putus adalah parameter yang menunjukkan bahwa bahan polimer tersebut mempunyai sifat elastis, dimana besarnya tergantung dari komposisi dan perlakuan dengan tujuan tertentu [29]. Pengujian sifat mekanik juga menghasilkan nilai persentase perpanjangan putus yang menunjukkan persentase mulurnya yaitu besarnya perpanjangan (pemuluran) sebelum akhirnya putus [30]. Pada uji perpanjangan putus bioplastik ini digunakan standar yang sama denggan kuat tarik yaitu ASTM D638-02a. Persentase perpanjangan dapat dihitung dengan persamaan :
𝜀 = ] x 100 % (2.4) Dimana :
Lf = panjang akhir benda uji Lo = panjang awal benda uji [24]
2.14.5 Fourier Transform InfraRed (FT-IR)
Prinsip kerja fourier transform infrared (FT-IR) adalah mengenali komponen dalam suatu senyawa. Selanjutnya setiap kelompok komponen akan dideteksi pada panjang gelombang dan nilai absorbansi yang berbeda [31].
FTIR (Fourier Transform Infra Red Spectroscopy) digunakan untuk menganalisa gugus-gugus fungsi penyusun bioplastik [19]. Analisa gugus fungsi dengan FTIR bertujuan
untuk mengetahui proses yang terjadi pada pencampuran apakah secara fisik atau kimia karena itu sampel pada tiap proses pembuatan
edible film dianalisa dengan FTIR. Sampel ditempatkan ke dalam set holder, kemudian dicari spektrum yang sesuai. Hasilnya akan didapatkan difraktogram hubungan antara bilangan gelombang dengan intensitas. Spektrum FTIR direkam menggunakan spektrofotometer pada suhu ruang [32].
2.14.6 Scanning Electron Microscopy (SEM)
Scanning Electron Microscopy (SEM) adalah alat yang dapat membentuk bayangan permukaan spesimen secara mikroskopik. Berkas elektron dengan diameter 5-10 nm diarahkan pada spesimen. Teknik SEM pada hakikatnya merupakan pemeriksaan dan analisa permukaan. Data atau tampilan yang diperoleh adalah data dari permukaan atau dari lapisan yang tebalnya sekitar 20 μm dari permukaan. Gambar permukaan yang diperoleh merupakan tofografi segala tonjolan, lekukan dan lubang pada permukaan [33].
Hasil analisa uji SEM. dapat memberikan informasi tentang bentuk dan perubahan dari suatu bahan yang diuji dimana pada prinsipnya perubahan patahan, lekukan dan perubahan struktur dari bahan cenderung mengalami perubahan energi. Energi yang berubah tersebut dapat dipancarkan, dipantulkan, dan diserap serta diubah menjadi gelombang elektron yang dapat ditangkap dan dibaca hasilnya pada foto SEM [34].
