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 memperkuat pati. Segmen fleksibel lembut pada poliuretan (PU) dihubungkan pada
Universitas Sumatera Utara
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 30% konsumsi plastik dunia dan diikuti oleh Benua Amerika, Eropa serta negara-
Universitas Sumatera Utara
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 berbasis sintesis (Ferrel et al, 2008).
Universitas Sumatera Utara
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 penambahan PU. Terlihat dengan jelas bahwa protein kedelai hidrophobik modifikasi
Universitas Sumatera Utara
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 mikropartikel PUP. Segmen lembut poliol elastik didalam PU memainkan peran
Universitas Sumatera Utara
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 Tujuan dari penelitian ini adalah untuk :
Universitas Sumatera Utara
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.
Pengujian karakteristik pati termoplstik termodifikasi akan dilakukan dengan
Universitas Sumatera Utara
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.
Universitas Sumatera Utara
