Daftar isi Efek Iradia5i Sinar Gamma pada Biodegradasi Film Paduan Polipropilen-KO-Etilen/Polibutilen Polipropilen-KO-Etilen/Poli-e-Kaprolakton (Nikham)
EFEK IRADIASI SINAR GAMA PADA BIODEGADASI PADUAN POLIPROPILEN-KO-ETILENIPOLIBUTILEN SUKSINAT DAN POLIPROPILEN-KO-ETILENI POLI-E-KAPROLAKTON
Suksinat dan
FILM
Nikham Puslitbang Teknologi Isotop dan Radiasi(P3T!R) - BATAN Jf. Raya Cinere Pasar Jumat, Jakarta
ABSTRAK . EFEK IRADIASI SINAR GAMA PADA BIODEGRADASI FILM PADUAN POLiPROPILEN-KO-ETILEN/ POLIBUTILEN SUKSINAT DAN POLIPROPILEN-KO-ETILEN/POLl-e-KAPROLAKTON. Untuk mendapatkan film polimer paduan hasil iradiasi yang ramah lingkungan, telah dipelajari biodegradasi (mudah didegradasi secara biologis) film iradiasi dan tanpa iradiasi paduan polipropilen-ko-etilen (KPP)/polibutilen suksinat (PBS) dan polipropilen-ko-etilen (KPP)/poli-e-kaprolakton (PKL) dengan polipropilen ditempel dengan maleik anhidrat (PP-g-M~. Paduan KPP/PBS dan KPP/PKL dengan perbandingan; 100/0,75/25, 50/50, 25/75 dan 0/1 00 dicampur dengan PP-g-MAH 10 % be rat, diiradiasi sinar gama 6OCOpad a dosis 0 kGy, 50 kGy, 100 kGy, 150 kGy, dan 200 kGy, laju dosis 8.2 kGy/jam dan suhu 90 "C. Biodegradasi film iradiasi dan tanpa iradiasi dievaluasi secara enzimatik dengan menggunakan enzim lipase. Hasilnya menunjukkan bahwa film yang terbuat dari KPP tidak degradable. Penambahan PBS atau PKL dapat meningkatkan degradabilitas. Makin tinggi kandungan PBS atau PKL makin degradable. Film tanpa iradiasi lebih degradable daripada film iradiasi. Kata kunci:
Sinar gamma, biodegradasi, enzim lipase, kehi1angan berat
ABSTRACT EFFECT OF IRRADIATION ON BIODEGRADATION OF POLYPROPYLENE-CO-ETHYLENE/ POLYPROPYLENE SUCCINATE AND POLYPROPYLENE-CO-ETHYLENE/POLY-e~APROLAcroNE BLEND FILM. In order to obtain environmental fri~ndly irradiated polyblend films, biodegradation of irradiated and un irradiated films of polypropylene-eo-ethylene (CPP)/polybutylene succinate (PBS) and polypropylene-eo-ethylene. (CPP)/poly-e-caprolactone (PCL) with polyprQpylene grafted with maleic anhydride (PP-g-MAH) blend were studied. The blend of CPP/PBS and CPP/PCL with composition of 100/0, 75/25, 50/50, 25/75 and 0/1 00 with 10 wt % P?-g-MAH were irradiated by using gamma rays 6OCOat doses of 0 kGy, 50 kGy, 100 kGy, 150 kGy, and 200 kGy with the at dose rate 8.2 kGy/hrs and temperature of90 0c. Biodegradation by using lipase enzyme have been evaluated. The result show that films were made ofCPP are non biodegradable. The addition ofPBS or PCL can be increased degradability. The un irradiated films are more degradable than irradiated. Key words: Gamma rays, biodegradation,
lipase enzyme, weight loss
PENDAHULUAN Permintaan
f-
bahan kemasan yang biodegradable (mudah didegradasi secara biologis), yaitu bahan yang di alam mudah teI1lr3j akibat aktifitas mikroba, terns mellingkat beberapa tahun belakangan. Banyak faktor yang menjadi penyebab diantaranya, makin berkurangnnya tempat pembuangan sampah, meningkatnya harga minyak yang menjadi bahan baku plastik sintetik, mellingkatnya kesadaran masyarakat terhadap isu lingkungan, dan berkembangnya teknologi barn
dalam pembuatan bahan yang degradable. Regulasi Intem~sional seperti tercantum dalam Annex V dari perjanjian MARPOL tahun 1993, berupa larangan membuang sampah plastik ke laut, telah mendorong meningkatnya kebutuhan akan bahan kemasan alternatif yang biodegradable tersebut [1]. . Polimer biodegradable dikelompokan menjadi tiga golongan. Pertama, polimer yang dihasilkan oleh mikroba, misalnya polihidroksi 229
ISSN 1410-8720
Pros;d;ng S;mpos;um Nas;onal Polimer V
alkanoat dan polilisin. Kedua, polimer alam yang terbentuk dari bahan tumbuhan dan hewan, misalnya selulose dan khitin. Ketiga,
poli-E-kaprolakton, poli-etilen glikol, POlime~'aI1g-diSinteSiS dari bahan seperti poli-aam~~libutilen dankimia suksinat [2]. Po am rbutllen suksinat merupakan poliester alifatik termoplastik yang diproduksi secara reaksi kimia, yaitu dengan polikondensasi glikol dengan asam dikarboksilik atau asam lainnya. Biodegradabilitas polibutilen suksinat dan keterangan ten tang karakteristik pemrosesannya telah diuraikan lebih mendalam oleh Dow Chemical [3]. Polibutilen suksinat memiliki banyak keunggulan diantaranya mudah diproses, tahan terhadap oli dan air, stabil di atmosfer dan mempunyai kisaran suhu pemrosesan antara 120°C dan 270°C [4]. Poli-E-kaprolakton merupakan salah satu polimer biodegradable, dan mempunyai karakteristik yang unik diantaranya kompatibel dengam berbagai polimer. Kelemahannya adalah keras, rapuh, suhu titik lelehnya rendah sekitar 55°C, dan aplikasi praktisnya terbatas [5]. Telah diketahui bahwa polimer nonbiodegradable tidak kompatibel dengan polimer biodegradable. Jika dipadu akan menghasilkan produk yang heterogen, perlekatan antar permukaannya relatiflemah sehingga sifat mekaniknya rendah. Agar dua jenis polimer tersebutdapat kompatibel, diperlukan polipropilen ditempel dengan maleik anhidrat (PP-g-MAH) sebagai kompatibiliser. Salah satu contoh polimer nonbiodegradable adalah polipropilen-ko-etilen yang mengandung etilen 2,5 % dan polipropilen yang mempunyai berat molekul tinggi, KeJua bahan ini setelah mengalami proses pencetakan panas akan menghasilkan po Iimer tahan radiasi dosis tinggi [6]. Polipropilen merupakan bahan termoplastik yang mudah didapat. Dalam industri, diperdagangkan dalam bentuk serat, film atau plastik. P()lipropilen banyak digunakan sepe i syringe, k teter, kantong transfusi darah
sebaE' alat-alat darah, kedokteran dan dl bah"!nlmbuat .ser u tuk pemurnian yang 230
kedokteran ini sering disterilkan dengan menggunakan sinar gamma atau berkas elektron dari akselerator. Selama sterilisasi radiasi, polipropilen mengalami degradasi oksidatif,demikianjuga selama penyimpanan [7], sehingga warnanya akan berubah menjadi kekuning-kuningan dan sifat mekaniknya menurun. Untuk menghasilkan bahan dari polipropilen yang tahan radiasi, bergantung kepada komponen polimer, kondisi pencetakan dan swnber radiasi [8]. Diharapkan bahwa paduan polimer nonbiodegradable dan yang biodegradable setelah diiradiasi dengan sinar gamma akan menghasilkan ikatan silang sedemikian rupa, sehingga menjadi bahan yang berkualitas baik dan biodegradable. Tujuan penelitian ialah menyiapkan polimer paduan yang berkualitas cukup baik dan ramah lingkungan.
METODEPERCOBAAN Bahan Tepung polipropilen-ko-etilen (KPP) mengandung 2,5 % etilen MFR 10 diperoleh dari Chiso Corporation, Jepang. Pelet polibutilen suksinat (PBS) grade 1010 dan poli-E-kaprolakton (PKL) diterima dari Showa High Polymer Co.Ltd., Jepang. Polipropilen ditempel maleik dengan anhidrat (PP-g-MAH) dibeli dari Mitsubishi Chemical Co, Ltd., Jepang. Semua bahanyang dipakai tanpa dimumikan lebih dahulu. Enzim lipase diperoleh dari Amano Pharmaceutical Industry Co. Ltd., Jepang. Peralatan Mesin pres digunakan untuk membuat film. Pisau Dumbbell dipakai untuk memotong film menjadi sampel dengan bentuk sesuai dengan standar ASTM 1922-L. Tensi meter Strograph-RI digunakan untuk mengukur perpanjangan putus dan tegangan putus. Iradiator sinar gamma 60CO dengan aktivitas 420 kCi sebagai sumber energi untuk iradiasi sampel film. Alat pemanas dipakai untuk mengatur suhu saat iradiasi sampel film Alat ekstraksi dipakai untuk analisis fraksi sol-gelfilm.
Efek lradiasi Sinar Gamma pada Biodegradasi Film Paduan Polipropilen-KO-EtileniPolibutilen Polipropilen-KO-EtileniPolie-Kaprolakton (Nikltam)
Penyiapan Polimer Paduan Dibuat komposisi paduan KPPIPBS dan KPPIPKL sebagai berikut; 100/0,75/25,50/50, 25/75 dan 0/100, dengan penggunaan kompatibiliser PP-g-MAH; 10 % bemt. Sampel sekitar 50 g paduan polimer tersebut digi!ing dengan menggunakan Laboplastomill buatan Toyoseiki Co. Ltd., Jepang. Penggilingan dilakukan pada suhu 200°C, dengan kecepataIl putar pisau 30 rpm, dan waktu pencampuran sekitar delapan menit. Setelah penggilingan, sampel paduan yang sudah meleleh, dikeluarkan secepatnya dan didinginkan pad a suhu kamar. Sampel paduan dibuat film ketebalan 0,5 mm di bawah tekanan 150 kg/cm2 pada suhu 200°C selama tiga men it dan pemanasan awal selama tiga menit, kemudian didinginkan dengan sirkulasi air selama lima menit dibawah tekanan sekitar 100 kglcm2•
Iradiasi Sampel Sam pel berbentuk dumbbell (berukuran standar ASTM 1922-L) dimasukkan ke dalam tabung reaksi berdiameter 2,5 em, divakurnkan hingga 10-3 Torr disegel, kemudian diiradiasi dengan sinar gamma 60CO pada dosis 0 kGy, 50 kGy, 100 kGy, 150 kGy, dan 200 kGy, laju dosis 8,2 kGy/jam dan suhu 90°C.
Uji Degradasi Degradasi film diuji secara enzimatik, yaitu film direndam dalam larutan enzim. Komposisi larutan adalah; buffer fosfat 0,2 M pH 7,0, MgCl2 0, I % dan enzim lipase 10 mg/mL (4:1:1) [II]. Sampel film (10 x 10 x 0,5) mm, dikeringkan dalam oven vakum pada suhu 40°C selama 48 janl, lalu ditimbang. Sampel dimasukkan ke dalam tabung reaksi berdiameter 15 mm yang berisi 6 mL campuran larutan, dan diinkubasi pada suhu 60°C sambi! digoyang. Pada waktu penganunatan yaitu dua, empat, enam dan delapan hari setelah perendaman, sampel yang tela'h diinkubasi dikeluarkan dan dicuci dengan air suling, dan dengan metanol, kemudian dikeringkan dalam oven vakum pada suhu 40°C selama 24 jam, dan
Suksinat dan
ditimbang. Degradasi secara enzimatik dinyatakan dengan persentase kehilangan berat [10], yang dihitung dengan rumus:
Kehilangan
berat = (Wo
-
W)/Wo x 100
%
dimana ~J dan W, berat film sebelum dan sesudah uji enzimatik. HASIL DAN PEMBAHASAN
Biodcgradasi Film Tanpa Iradiasi Kecepatan degradasi diukur secara enzimatik, dipakai enzim lipase yang berasal dari Enzim bakteri Pseudomonas jlourescens. lipase merupakan katalis protein yang aktif bekerja dalam kondisi khusus. Aktivitas enzim dipengaruhi oleh beberapa faktor seperti suhu, larutan buffer, pH, substrat, konsentrasi enzim dan surfaktan [15]. Degradasi secara enzimatik film paduan KPP/PBS dengan kompatibiliser polipropilen ditempel dengan maleik anhidrat (PP-g-MAH) 10 % berat pada suhu 60°C, ditunjukkan rlalam Gambar 1. Makin tinggi kandungan PI3S, makin cepat film mengalarni kehilangan berat. Setelah delapan hari, film terbuat dari PBS saja kehilangan berat hingga sekitar 60 %, sedangkan untuk film paduan KPPIPBS = 25/75 hanyasekitar 15 %. Untuk filmpaduanKPP/PKL= 0/100 kehilangan berat seperti ditunjukkan dalam Gambar 2 mencapai 100 % dalam waktu 10 jam, sedangkan untuk film paduan KPP/PKL = 25/75 sekitar 83 % dalam waktu delapan hari. Namun film paduan KPPIPKL = 50/50 setelah delapan hari hanya sekitar 40 %, hal ini menunjukkan bahwa film KPP/PKL lebih biodegradable daripada film KPP/PBS.
Biodcgradasi Film Iradiasi Akibat iradiasi, pada polimer akan terjadi proses pembentukan produk gas, reduksi, eksitasi takjenuh dan produksi takjenuh. Selain itu, akan terjadi dua proses menyebabkan perubahan polimeryaitu pemotongan ikatan rantai utama (degradasi) dan pembentukan ikatan silang (cross linking) antara molekul polimer berbeda. Pembentukan ikatan silang bervariasi diantara palimer. Ada tiga proses pembentukan 231
ISSN 1410-8720
Pros;d;ng S;mpos;um Nas;onal Po/imer V
radikal utama yaitu: Pertama, pembelahan ikatan C-H pada satu rantai polimer untuk membentuk atom hidrogen, yang diikuti dengan terpisahnya atom hidrogen kedua dari rantai tetangganya untuk menghasilkan hidrogen. Dua radikal polimer yang berdekatan bergabung untuk membentuk ikatan silang. Kedua, migrasi posisi radikal yang dihasilkan oleh pembelahan ikatan C-H sepanjang rantai-rantai polimer hingga dua darinya berdekatan, kemudian bergabung membentuk ikatan silang. Ketiga, reaksi gugus takjenuh dengan atom hidrogen untuk membentuk radikal-radikal polimer yang dapat bergabung [16].
!_
e/lutl KPP/KBS;
.0 SO 30 10 10 ~
• IWaklU
(harl)1
Gambar 1. Kehilangan berat film paduan KPPIPBS dengan 10% PP-g-MAH tanpa iradiasi setelah direndam dalam enzim lipase pad a suhu 60 "C.
100 10 30 60 so E 40
::! 90 80 10 ~:c•
W • IW'ktu inkubasi
(hui)1
Gambar 2. Kehilangan berat film paduan KPPIPKL dengan 10% PP-g-MAH tanpa iradiasi, setelah direndam dalam enzim lipase pada suhu 55 "C.
Pada suhu titik leleh, dibawah
kondisi
vakum, iradiasi sampel dapat menghasilkan fiaksi gellebih tinggi daripada iradiasi pada suhu ruang udara terbuka. Pada suhu ruang, polimer mengandung bagian amorf dan kristalin, sehingga 232
KrptPBS; 0/100 30
!- • !-
liC)
~o LCy
! - 200kC)
KPP/P8S;
~O/~O
!- • !-
,,"Cy
~CIkG)'
Iwaklu
inkuhlui
(had)1
Gambar 3. Kehilangan be rat film paduan KPP/PBS dengan 10% PP-g-MAH iradiasi dan setelah direndam dalam enzim lipase pada suhu 60°C.
80
60
ikatan silang sukar terbentuk. Sedangkan pada suhu di atas titik leleh polimer berubah dari kristalin menjadi amorf sempuma, sehingga ikatan silang dapat dengan mudah terbentuk [16].
Degradasi secara enzimatik film iradiasi paduan KPP/PBS dengan PP-g-MAH 10 %, pada suhu sekitar 60°C ditunjukkan dalam Gambar 3. Enzim menyebabkan film mengalami degradasi naik cukup tajam selama delapan hari . Namun iradiasi menurunkan kecepatan degradasi film oleh enzim lipase. Pada film terbuat dari PBS 100 %, penurunan berat berkurang, yaitu dari 25 % pad a yang tanpa diiradiasi menjadi 14 % dan 13 % pada berturut-turut iradiasi 50 kGy dan 200 kGy. Pada film dengan kandungan PBS 50 %, pengurangan kecepatan degradasi juga tetjadi, akibat iradiasi 50 kGy dan 200 kGy. Hal ini terjadi karena pada film yang diiradiasi akan tetjadi proses pembentukan ikatan silang dan juga degradasi. Secara teori iradiasi polimer dalam dosis rendah persentase terbentuknya ikatan silang lebih tinggi, dan sebaliknya iradiasi dalam dosis tinggi, menghasilkan degradasi lebih tinggi. Jadi iradiasi dosis 200 kGy mungkin cukup untuk membentuk ikatan silang, sehingga film hasil iradiasi lebih sulit untuk didegradasi secara enzimatik, dibanding film tanpa iradiasi. Jika film diiradiasi pada dosis lebih tinggi daripada 200 kGy, mungkin persentase produk degradasi lebih tinggi (tidak diukur), sehingga jika didegradasi secara enzimatik penurunan beratnya lebih besar. Hasil degradasi secara enzimatik film paduan KPP/PKL dengan 10 % berat PP-g-MAH, pada suhu sekitar 55°C ditunjukkan
Efek [radiasi Sinar Gamma pada Biodegradasi Film Paduan Polipropilen-KO-EtileniPolibutiicr Polipropilen-KO-EtilenIPoli-E-Kaprolakton (Nikham)
pada Gambar 4. Kecepatan degradasi naik cukup tajarn selarna delapan hari. Film yang terbuat dari PKL lebih cepat mengalami degradasi dibanding PBS. Iradiasi juga mengurangi kecepatan degradasi film oleh enzim lipase.Film yang terbuat dari PKL 100 %, penunman beratnya berkurang, dari 68 % menjadi 63 % dan 32 % akibat iradiasi 50 kGy dan 200 kGy. Pada film yang terbuat dari PKL 50 % pengurangan kecepatan degradasi juga terjadi akibat iradiasi 50 kGy dan 200 kGy. Hal ini berarti bahwa film paduan KPPIPBS dan KPP/PKL tanpa diiradiasi lebih biodegradable dibanding yang diiradiasi. 90 KPPIPKL;
10
"100
t
? •• liC,. ? •. 50 Ii.C} ? - lHI.;C,.
70 60
ICPPfPKL;
? •.•
~/~O
lie,"
10
Suksinat dan
2. Iradiasi pada dosis yang diuji (50 kGy sampai dengan 200 kGy) tidak mempercepat degradasi, sebaliknya menurunkan kecepatan degradasi film oleh enzim. 3. Dari hasil penelitian ini dapat disimpulkan bahwa paduan KPP/PBS dan KPPIPKL tanpa iradiasi cukup bersifat biodegradable.
UCAPAN TERIMA KAS!H Ucapan terima kasih disampaikan kepada rekan-rekan di Laboratorium Proses Radiasi TRCRE JAERl Jepang yang telah membantu penelitian ini dan rekan-rekan di kelompok Iradiator Gamma yang telah membantu mengiradiasi sampel selama penelitian berlangsung. Penulisjuga mengucapkan terima kasih kepada Kepala Bidang Proses Industri serta rekan-rekan di Kelompok Sterilisasi atas dukungan moril dan bantuan yang telah diberikan sehingga penelitian ini dapat diseIesaikan.
10
DAFfAR PUSTAKA
0,. o
1
4 IWaktu inkubasi
(hari)1
Gambar 4. Kehilangan be rat film paduan KPP/PKL dengan 10% PP-g-MAH iradiasi dan setelah direndam da]am enzim lipase pad a suhu 55°C.
Selain itu ada beberapa faktor yang mempengaruhi biodcgradabilitas plastik polimer. Diantaranya faktor struktur primer yaitu komposisi kimia, berat molekul, dan distribusi berat molekul polimer, strukturyang lebih tinggi yaitu titik leleh, titik transisi gelas, kristalinitas, dan struktur kristal polimer dan kondisi permukaan (area permukaan, hidrofilisitas, dan hidropobilitas polimer) [17].
KESIMPULAN Dari hasil penelitian ini dapat disimpulkan sebagai berikut ; 1. Film paduan KPPIPBS dan KPPIPKL dengan kompatibiliser PP-g-MAH 10% baik tanpa iradiasi maupun yang iradiasi dapat didegradasi dengan enzim lipase. Film paduan KPPIPKL lebih degradable daripada film KPPIPBS.
[1]. KAPLAN, D. L., MAYER, J. M., GREENBERGER, M., GROSS, R., and McCARTHY, Degradation Methods and Degradation Kinetics of Polymer Films,
Journal Polymer Degradation Stability, 45 (1994) 165-172
and
[2]. ALBERTSSON,A.C., and KARLSSON, S., Comprehensive Polymer Science, First Suplement, dalam AGGARWALL, S.L., and RUSSO, S. (Eds.) Pergamon (1992) 285 [3]. ARTHUR, J. Y., Multicomponent Polymer System, dalam GOULD, R.E, Ed. ACS Publication, Washington DC (1971) 3.
[4]. WARMINGTON,A.,Japan:Whos Doing What and Why the Future May be Japanese, Biodegradable Plastics, Business Editor, European Plastics News, UK (1994) 2 [5]. KAHORl, S. and OSAWAZ., Preparation and Biodegradation of Polycaprolactone Paper Composites, Journal Polymer Degradation and Stability. Elsevier Science Ltd, North Ireland, 45 (1994) 261-265
233
Prosiding Simposium
Nasional Polimer V
[6]. YOSHII,F., SASAKI,T., MAKUUCHI, K., and TAMURA,N., Journal Application Polymer and Science, 30 (1985) 339 [7]. DUNN, T. S., EPPERSON, B. 1., SUGG, H., STANNETT, V. and WILLIAMS, J.L., Journal Radiation Physic and Chemistry, 14 (1979) 625 [8]. KADIR, Z. A., YOSHII, F., MAKUUCHI, K. and ISHIGAKI, I., Journal Polymer, 30 (1989) 1425 [9]. TORREY, S., Enzyme technology, preparation, pur{{ication, stabilisation, immobilisation recent advances, Noyes Data Corporation, USA (1983) 3 [lO].O'DONNELL, J. H. and SANGSTER, D. F., Principles oj Radiation Chemistry, Edward Arnold (Publisher) Ltd, London (1970) 113-127 [11].IWAMOTO, A. and TOKIWA, Y., Journal Polymer Degradation And Stability, 45 (1994) 205 [12].BERGMEYER, H.U., Determination oj Enzyme Activities in Methods oj Enzymatic Analysis, dalam BERGMEYER, H. U., (Ed.), 1, Verlag Chern Weinheim, Academic Press Inc. (1974) 127 [13].GORELIK, B.A., SOKOLOVA, L. A., GRIGORIEV, A.G., KOSHELEN, S.D. SEMENENKO, E. I., MATIUSHIN, G.A. and RYCHLA, L., Journal Makromolekule Chemie, Macromolecule Symposium, 28 (1989) 249 [14].HUANG, S.J., Journal Polymer: Biomaterial and Medical Applications, dalam KROSCHWITZ, J.L., (Ed.), John Wiley, New York (1989) 5
234
ISSN 1410-8720
