ENVIPLAST : STARCH BASED BIOPLASTIK COMPOUND

Prosiding Seminar Nasional Kulit, Karet dan Plastik Ke-5 Yogyakarta, 26 Oktober 2016

ISSN : 2477-3298

ENVIPLAST : STARCH BASED BIOPLASTIK COMPOUND Asmuwahyu Saptorahardjo PT Inter Aneka Lestari Kimia ABSTRAK Tinjauan dilakukan terhadap latar belakang tumbuhnya indsutri Bioplastik termauk masalah mikroplastic. Pemahaman pengertian Bioplastik dan tatacara standard pengujiannya diuraikan dari sudut praktis industri. Proses compounding sebagai satu dari proses produksi campuran biopolimer dengan polimer sintetis diuraikan dengan mempergunakan kasus bahan baku starch cassava. Enviplast sebagai resin bioplastik produk compounding diuraikan sifat mekanis, hasil biodegradasinya maupun aplikasinya. Kata kunci: Biodegradasi, Bioplastik, Cassava, Compounding, Enviplast, Starch

Enviplast : Starch Based Bioplastik Compound

1

ISSN : 2477-3298

Prosiding Seminar Nasional Kulit, Karet, dan Plastik Ke-5 Yogyakarta, 26 Oktober 2016

PENDAHULUAN Berbagai produk plastik, secara relatif murah, ringan, kuat, tahan lama, dan tahan korosi. Tersedia berbagai polimer penyusun utama plastik dan dengan besarnya variasi sifat yang dapat dirancang, maka praktis dapat dibuat banyak sekali tipe produk, dipakai di transportasi, telekomunikasi, pakaian, kemasan, sekaligus mendorong kemajuan teknologi, penanganan kesehatan, penghematan energi dan berbagai kemaslahatan sosial seperti pemakaian kemasan untuk penyimpanan sumber makanan makanan jangka panjang. Plastik film untuk meningkatkan panen (Andrady dan Neal, 2009). Tak heran produksi plastik bertambah secara signifikan selama 60 tahun terakhir dari 0.5 ton di 1950 sampai lebih dari 260 juta ton di 2008 (Thompson et al, 2008). Pada umumnya, untuk meningkatkan kemampuan proses maupun unjuk kerjanya, resin polimer dibubuhi berbagai additive. Additive ini termasuk filer anorganik, dan kadang untuk reinorcement, plasticizer, antioxydant, UV stabilizer, Fleme Retardant sampai pigment pewarna. Berbagai additive dibubuhkan dalam jumlah besar, seperti plasticizer di PVC sampai puluhan persen, namun antioxydan pada polyolefin dibubuhkan kurang dari 1% (Saptorahardjo, 2010). Riset masih harus dilakukan antara tipe dan jumlah additive di plastik dihubungkan dengan uptake dan akumulasinya pada organisme (Andrady dan Neal, 2009). Bersama dengan berbagai material konsumer, berakumulasinya bekas kemasan berkontribusi pada berakumulasinya sampah yang perlu dikirim ke Tempat Pembuangan Akhir. Sampah yang tak tertangani tersebar di berbagai lokasi daerah urban. Sampah di daerah urban bertambah dan terdiri atas berbagai materi, termasuk diantaranya produk thermoplastik. Thermoplastik tidak dapat terbiodegradasi secepat material berasal usul biologis (Andrady, 2003). Seberapa lama plastik bertahan di tempat pembuangannya, tergantung pada struktur, perilaku kimia material dan karakteristik lingkungannya. Sebagian besar dari kemasan dari plastik terbuat dari Polyethylene, Polypropylene, Polystyrene dan Pethylene Terpthalate. Polimer-polimer tersebut bersifat hidrofobik dan praktis tak mengalami penguraian di pembuangannya. Masalah sampah plastik, meskipun konsumsi plastik di Indonesia masih rendah 17 kg/kapita/tahun, namun karena masalah tanah utk TPA, masalah budaya dan tata kelola sampah, tak terdaur ulang plastik kemasan flexible multilayer yang tipis, maka akumulasi, utamanya plastik kemasan tipis, menjadi masalah lingkungan. Suatu publikasi besarnya run off sampah plastik dari daerah daratan padat penduduk ke laut (Jambeck et al, 2015) dengan pendekatan perhitungan yang masih meragukan, namun telah terlanjur menjadi persepsi pembuat keputusan sehingga Indonesia dianggap sebagai satu dari pengotor plastik di lautan yang cukup dominan. Lepas dari hal itu, limbah plastik terapung di lautan dikenal sebagai masalah microplastic (Andrady, 2008; Saptorahardjo, 2015). Setelah tahunan, limbah plastik dapat terdesintegrasi, hancur secara mekanis karena pelapukan utamanya akibat UV. Ukurannya mengecil < 5mm, disebut microplastic, luas permukaannya besar dan tetap sebagai makromolekul non polar, mudah berasosiasi dengan polutan organik crude oil (dari fraksi PAH), PCB, polychlorinated biphenyl yang sangat toksik. Karena ukurannya kecil, maka juga mudah berasosiasi dengan zooplankton, seperti terlihat pada Gambar 1 melalui rantai makan di laut, ada kesempatan sampai ke meja makan kita.

2



ISSN : 2477-3298

Gambar 1. Zooplankton dengan mikcoplastik Cole M, Lindeque P, Fileman E, Halsband C, Goodhead RM, et al. (2013) Microplastic ingestion by zooplankton. Environmental Science & Technology 47: 6646–6655. doi:10.1021/es400663f

Starch merupakan campuran makro molekul amylosa dan amylopectin, biopolimer tersusun dari molekul glukosa. Amylosa berstruktur linear, sampai 2000 sambungan 1,4 C gugusan glukosa dan sedikitnya 1,6 C titik cabang. Sedang amylosapectin justru 1,6 C titik cabangnya lebih utama. Dalam tanaman starch berada sebagai granul tuber atau granul roots. Rerata rasio amylosa 20-30% dan 70-80% amylosa pectin. Dan dapat berasosiasi dengan makro molekul lain dalam tanaman seperti protein dan lipda. Sifat starch seperti gelatinisasi, retrogradasi, viskositas, kemudahan terfermentasi bervariasi pada rasio amylosa terhadap amylosa pectin, derajat substitusi, asosisasinya dengan komponen lipid dan protein dalam starch pada tanaman. Ukuran granul starch heterogen, berkisar antara, dalam diemeternya: 5 - 100 pm. Untuk menjadikan strach menjadi Bioplastik Enviplast dan Cassaplast diperlukan formulasi yang akurat dengan asam lemak dari tanaman, bidegradable sintetik plastik, additive lain sebagai suatu compound dengan tujuan menjadikannya dapat diproses dengan alat pemroses plastik namun dapat mengalami biodegradasi dalam proses composting. Teknologi compound didasari pada formulasi kombinasi antara biopolymer seperti amylosa/amylosa pectin maupun polysacharida lain yang umumnya sudah tersedia di berbagai biomasa dengan biopolymer biodegradable dengan sifat viscoelastis yang sama dengan polymer synthetic, memerlukan takaran yang tepat dengan kadar air, plasticizer, compatibilizer-nya. Dan diproses dengan fasilitas compounder seperti Twin Screw Extruder.

BIOPLASTIK, BIODEGRADABLE DAN COMPOSTABLE Wilkipedia mendefinisikan bioplastik sebagai plastik yang berasal dari biomasa. Berarti plastik dengan bahan baku yang dapat diperbaharui. Selain tanaman seperti tapioka, jagung, kentang, juga yang berasal dari limbah agroindustri demikian juga yang berasal usul dari kegiatan biota maupun mikroorganisme. Istilah yang lebih tepat untuk komponen yang berasal usul biomasa adalah biobased. Dengan menggunakan istilah biobased plastik, maka suatu campuran material dari biobased dan fosil based dapat ditentukan kadar biobasednya. Metode untuk menentukan kandungan biobased pada suatu bioplastik adalah ASTM D6866. Pada metode ini material bioplastik setalah dibebaskan dari carbon anorganik kemudian dibakar pada sekitar 800 C, gas CO2 hasil degradasinya ditentukan rasio C14 terhadap C12. Plastik dari sumber fosil, minyak bumi misalkan, tidak lagi mengandung C14. Sedangkan yang berasal dari biomassa, mengandung C14, Dengan menggunakan rasio tersebut dapat ditentukan kadar biobased dari suatu bioplastik. Makin tinggi Enviplast : Starch Based Bioplastik Compound

3

ISSN : 2477-3298


kandungan biobased suatu bioplastik, maka memiliki footprint karbon makin rendah. Beberapa standar internasional menyaratkan nilai minimal suatu biobased untuk mendapat sertifikasi label sustainability. Istilah bioplastik mengacu pada asal usul bahan bakunya, sedang sifat mudah terurai suatu plastik mengacu pada perilakunya saat menjadi sampah di lingkungan disposalnya. Bila suatu plastik terurai disebabkan karena aktifitas mikroorganisme, sehingga dapat terurai menjadi CO2, air dan biomassa maka dinyatakan di lingkungan disposalnya plastik tersebut mengalami biodegradasi. Berbagai standard internasional dapat digunakan untuk menguji secara simulatif, di lingkungan disposal komposting yang terkendali yang spesifik, apakah suatu plastik mengalami biodegradasi seperti ASTM D5538, ASTM 5988, ISO 17556, ISO 14851. Biodegradability merupakan satu dari syarat suatu kemasan plastik berperilaku sebagai kompos pada lingkungannya. Syarat-syarat spesifik lainnya tercantum pada standar composting untuk kemasan pada EN 13432, atau pada ASTM D6400.

STARCH BASED BIOPLASTIC Starch adalah cadangan polysacharida terbesar di tanaman juga bahan yang terbarukan dengan berbagai pemakaian praktis. Starch bersifat biodegradable, diproduksi dengan biaya rendah dan memiliki sifat thermoplastik. Sumber botanikal starch bisa dari biji2an, akar dan tuber, dimana starch berada dalam struktur terorganisasi yang dikenal sebagai granul. Granul starch tak larut dalam air dingin. Sumber komersil utama starch jagung, kentang dan tapioka, namun juga terdapat sejumlah besar spesies yang juga mengandung starch cukup tinggi, dalam sayuran, kacang-kacangan. Perilaku starch tergantung pada sumber botaniknya, distribusi ukuran granul, morphologi. Granul starch tersusun atas dua komponen utama, amylosa, suatu glukan D(1-4) linier dan amylopectin suatu glikan(1-4) dengan tambahan cabang membentuk glikan (1-6). Makromolekul amylosa memiliki berat molekul rerata 0.2-2 juta, sedang amylopectin 100-400 juta. Seperti terlihat pada Gambar 2. Rasio antara amyosa dan amylopectin tergantung pada sumber botanic starch. Kadar amylosa pada berbagai tanaman sekitar 30%. Granul starch (ukuran 1-100 mikron) memiliki struktur padatan kristalin maupun amorf. Konstituen kristal (ukuran 9-10 nm) utamanya dibentuk oleh amilopectin sedang bagian amorfnya tersusun oleh baik amilosa maupun amylopectin. Dengan metode hamburan sinar-X, struktur untaian ulir terorganisir pada granul starch telah teridentifikasi yakni kristal tipe A pada bermacam cereal seperti jagung, sedang tipe B pada bermacam tuber, seperti tapioka dan kentang. Tipe A mengadopsi pengepakan terjejal masif dengan molekul air di antara masing masing struktur untaian ulir ganda, sedang tipe B, susunan packingnya kurang terjejal dengan lebih banyak molekul air di antara ulirnya. Pada pemanasan dengan kehadiran air, pengepakkan kedua makromolekul menjadi kurang teratur, Bila pemanasan berlangsung lebih lama, granul starch swell dan berlanjut dengan hilangnya kristalinitas. Dan kedua makromolekul berasosiasi lebih intensiv dengan air. Starch sangat higroskopik, secara kimia bersifat netral, sangat mudah sweling dengan air. Granul starch bersifat hydrophilik, gugusan hidroksi dipermukaan dapat melakukan asosiasi inter molekular yang kuat melalui melalui perantaraan ikatan hidrogen dari air. Akibatnya suhu transisi gelas, Tg, bervariasi dengan kandungan air. Tg starch alamiah berkisar antara 60 sampai 80 C, pada saat kandungan air 12 - 14% berat. Starch terbiodegradasi sempurna pada bermacam kondisi lingkungan, dapat terhidrolisa menjadi glukosa melalui aktifitas mikroorganisme maupun enzim, Hasil metabolisme sempurna mikroorganisme terhadap starch adalah karbondioksida dan air. Starch sendiri sulit diproses dengan piiranti proses plastik, kestabilan mekanik dan dimensi produk akhirnya rendah. Oleh karena itu untuk menghasilkan produk komersil yang tetap biodegradable, starch harus diblending dengan polimer thermoplastic biodegradable.

4


ISSN : 2477-3298


Amylosa

Amylopectin Gambar 2. Struktur Amylosa dan amylopectin

STARCH COMPOUND DENGAN BIODEGRADABLE POLIMER Masalah utama untuk menghomogenkan campuran starch dengan polimer lain seperti PLA (PolyLactic Acid) yang bersifat hidrofobik adalah interaksi antar-muka yang rendah. Mereka tidak kompatibel, dan ini ditunjukkan dengan rendahnya sifat mekanik campuran (Wang N.et al, 2008). Gliserol, sorbitol, urea, formamida dan air digunakan sebagai plasticizer, dan ini menurunkan interaksi intermolekular maupun intramolekuler, ikatan hidrogen untuk menurunkan Tg dan meningkatkan pproses dispersi Starch-PLA. Untuk memperbaiki kompatibilitas antara PLA dengan starch, kompatibliser yang tepat harus ditambahkan. Demikian pula proses blending harus menjamin bahwa starch bergabung dengan air yang cukup menghasilkan gelatin untuk meningkatkan afinitas interaksi dengan PLA, melalui pembentukan TPS, thermoplastic Starch. Tabel 1. Memperlihatkan suhu ransisi gelas dan sifat mekanik TPS/PLA, (Martin and Averous 2001)

Content of TPS (wt %

Tg (C) TPS

Tensile Strength (Mpa)

Elongation at Break (%)

PLA

100 (TPS1)

-

10

3.4

152.0

90 (TPS1)

47

NF

2.9

48.8

75 (TPS1)

53

NF

4.8

5.7

100 (TPS2)

-

43

19.5

2.8

90 (TPS2)

NF

NF

14.1

1.3

75 (TPS2)

NF

NF

12.0

2.4

0

58

-

68.4

> 550


5

ISSN : 2477-3298


TP1 dan TP2 berbeda dalam kandungan gliserol dan air yani masing-masing 18 dan 12 untuk TP1 kemudian 10 dam 16 % untuk TP2. Pada umumnya Tensile Strength dan atau elongation at break yang rendah dari campuran, menunjukkan ketidakkompatibelan TPS dan PLA. Tabel 2. Blending TPS/PCL (Martin dan Averous, 2001)

Content of TPS (wt %

Tg (C) PCL

100 (TPS1)

-

75 (TPS1) 100 (TPS2)

TPS

Tensile Strength (Mpa)

Elongation at Break (%)

8.4

3.3

126.0

5.9

62.6

21.4

3.8

31.0 -

43.4

75 (TPS2)

41.0

10.5

2.0

60 (TPS2)

NF

9.0

1.3

14.2

0.9

0

-61.5

-

Masalah utama blending starch dengan biopolimer lainya adalah kompatibilitas, hal ini karena sifat hidrofilik starch, oleh karena itu diperlukan strategi menggunakan kompatibiliser dari starch yang dimodifikasi secara kimia. Modifikasi kimia umumnya dilakukan melalui reaksi kimia pada gugusan hidroksil. Dan teknik yang dilakukan adalah pencangkokan kopolimerisasi, atau graft copolymerization. Dengan cara ini PCL atau PLA dicangkokkan pada starch melalui substitusi H, pada gugusan –OH di makromolekul starch. Untuk menempelkan secara cangkok PLA, melalui pembukaan cincin L-lactida lansung pada substrat starch (Chois et al, 1999; Dubois et al 1999; Luu et al, 2009). Starch-g-poly (vinyl alcohol) dibuat dengan kopolimerisasi pencangkokan vinylasetat melalui pencangkokan dengan tehnik radiasi berkas elektron (Chen et al, 2008; Xu et al, 2008). Compounding starch based dengan biodegradable plastik dilakukan dengan memplastisasi campuran tersebut dengan mengekstrudenya mempergunakan baik extruder twincrew maupun single screw.

Gambar 3. Extruder Screw Tunggal jenis Kokneader

6



ISSN : 2477-3298

Extruder screw tunggal terdiri atas satu screw yang berputar dalam rongga suatu barel. Friksi yang terjadi antara material dan material dengan dinding barel maupun sisi screw terdekat dengan barel merupakan dasar mekanisme proses extrusinya. Jika material licin terhadap dinding barel, maka putaran screw tidak menghasilkan dorongan maju pada material. Matarial hanya berputar ditempat mengikuti putaran screw. Fungsi dari alat pemroses ini sangat tergantung pada variasi yang dapat dilakukan terhadap perubahan friksi material terhadap dinding barel. Polimer pada umumnya berubah cukup significant koefisien friksinya terhadap suhu. Sedang starch karena banyak mengandung air, dan keberadaan air diperlukan sebagai plastiziser, koefisien friksinya sulit untuk diatur dengan perubahan suhu yang terbatas. Sehingga tipe extruder screw tunggal tipe normal ini tdak bisa digunakan untuk memproses starch. Tipe Screw tunggal dengan pin yang terdapat sepanjang dinding barel daerah mizing, dan kemampuan menggerakkan screw secara horizontal maju mundur (reciprocating) dapat memproses starch. Lihat Gambar 3 desain pin di dinding barel meningkatkan friksi. Selain itu juga meningkatnya kemampuan mixing saat screw dapat bergerak maju mundur selain berputar. Akibatnya aliran dari material berlangsung lebih stabil dibanding tipe screw tunggal normal. Tekanan extruder screw tunggal yang dilengkapi pin ini lebih kecil, karena membesarnya volume antara screw dan dinding barel. Tipe extruder ini dikenal sebagai kokneader. Sedangkan screw ganda intermeshing corotting sebagai komponen utama Extruder Twin Screw, seperti terlihat di Gambar 4. Untuk memproses material seperti starch kenaikan search perlu dihindarkan, sehingga dibutuhkan screw dengan karakter conveying. Namun diperlukan tekanan untuk mengkompensasi masalah viskositas yang cukup besar dibanding plastik, sehingga tekanan perlu diberikan dalam bentuk ulir ganda maupun ulir multiple.

Gambar 4. Screw Ganda pada Extruder

ENVIPLAST, STARCH BASED BIOPLASTIK DARI CASSAVA Pelet Resin yang terdiri atas Starch dari cassava, plasticiser dari jenis poliol, polimer non konvensional serta compatibiliser hasil compounding dalam Extruder Screw ganda, kemudian diproses dengan mesin blown film. Kantong film yang dihasilkan kemudian diuji sifat mekanik, kemampuan sealing, sifat bariernya sebagai kemasan, toksisitas dan sifat biodegradabilitasnya. Satu dari keistimewaan kantong ini sebagai kemasan adalah laju transmisi oxygennya yang sangat rendah sekitar 0,024 ml/100 in2 hari (Saptorahardjo, A, 2014) dibanding BOPP (Bioriented Polypropylena), plastik konvensional sering digunakan saat ini sekitar 103 ml/100 in2 hari. Sebagai film kekuatan tarik Enviplast sekitar 12 Mpa, dengan Pemuluran putus pada 145% seperti terlihat di Tabel 3. Beberapa sifat mekanik Enviplast dibandingkan dengan sifat HDPE.


7

ISSN : 2477-3298


Tabel 3. Pengukuran sifat fisik Enviplast

ENVIPLAST®

HDPE

1.27 – 1.32

0.95

Tensile strength (MPa)

12 – 18

25

Elongation at break (%)

225 – 300

500 - 600

Surface resistivity (ohm/cm2)

10 7.5 – 1010

1014 - 1015

Density (g/cm³)

Berdasar pada metode uji oral akut OECD no 423 dari komisi regulasi eropa (EC) no 440/2008, Kantong Enviplast tidak punya potensi toksisitas akut. Pengujian biodegradabilitasnya dengan mengacu pada EN 13432, Enviplast menunjukkan tingkat biodgredabilitas diatas 90%, sehngga lolos untuk uji biodegradablitas yang mensyaratkan tercapainya biodegradablitas 90% tidak lebih dari 180 hari pada uji komposting tersebut. Hasil dari uji respirometrik ini dapat dilihat pada Gambar 5. Harga resistivitas permukaan yang cukup rendah mengindikasikan bahwa material ini dapat digunakan pada situasi dimana sifat antistatic bahkan sampai sifat disipatif muatan listrik dibutuhkan misal pada kemasan material elektronik.

Gambar 5. Hasil pengukuran % biodegradation Enviplast dibanding reference Selulosa secara respirometrik

Masalah yang perlu diperbaiki adalah sensitivitas sifat mekanisnya pada perubahan kelembaban, masalah retrogradasi, yakni kembalinya fasa kristal dari starch pada kelembaban rendah dan suhu relatif rendah.

8



ISSN : 2477-3298

KESIMPULAN Pemakaian bioplastik mengacu pada pengertian sumber bahan baku yang didasari pada sumber biologis, dan diukur dengan kandungan biobasenya. Sedangkan ukuran biodegradable adalah seberapa besar kemampuanya terkonversi menjadi CO2, oleh proses degradasi akibat aktifitas mikroorganisme pada selang waktu yang dibakukan. Komparteman lingkungan saat menyatakan suatu bioplastik mengalami biodegradabilitas perlu dinyatakan, karena suatu bioplastik yang terbiodegradasi pada kompartemen tanah, dapat sama sekali tak terbiodegradasi dalam lingkungan aquatik. Proses produksi bioplastik dengan compounding, mengandalkan pada kemampuan bioplastik engalami proses plastisasi pada mesin extruder. Proses lanjutan dari konversi bioplastik menjadi kemasan seperti Enviplast ditentukan oleh formulasi starch dan komponen plasticiser, compatibiliser dan hadirnya bidegradable material lainya.

DAFTAR PUSTAKA Andrady, A.L. (2003). In Plastic and the environment (ed. A.L. Andradiy) West Sussex, England: John Wiley and Sons Andrady, A.L. (2011), Micriplastics in the marine environment, J.marpolbull.62, 1596-1605 Andrady, A.L. and Neal, M.A. 2009).Applications and societal benefits of Plastic. Phil.Trans. R.Soc. B.364 Chen L., Xie Z.G. Zhuang X.L., Chen X.S.,Jing X.B (2008): Controlled Released of urea encapsulated by starch g-poly(LLactide), Carbohydrate Polymer, 72, Choi E-J., Kim C-H., Park J-K (1999). Structure-property relationship in PCL/starch blend compatibilized with starch-gPCL copolymer. Journal of Polymer Science Part B; Polymer Physics, 37 Cole M, Lindeque P, Fileman E, Halsband C, Goodhead RM, et al. (2013) Microplastic ingestion by zooplankton. Environmental Science & Technology 47: 6646–6655. doi:10.1021/es400663f Dubois P., Krishna M.,Narayan R (1999).: Aliphatic polyesther grafted starch-like polysacharide by ring-opening polymerization. Carbohydrat Polymer 40 Jambeck J.R.Gryer R., Wilcox C., Siegler T.R., Perryman M., Andrady A., Narayan R., Law K.L. (2015) Plastic waste input from land into the ocean. Science 347, No 6223. Lu, D.R., Xiao, C.M. dan Xu, S.J. (2009): Starch- based completely Biodegradable polymer material, eXPRESS Polymer Letter, 3, No 6 Martin O., Averous L. : Poly(lactic acid) (2001): Plastication and properties of biodegradable multiphase syatem. Polymer, 42, Wang N., Yu J.G., Chang, P.R., Ma X (2008)..:Influence of formamide and water on the properties of thermoplastic starch/poly(lacyic acid) blend. Carbohydratre Polymer 71 Saptorahardjo A. (2016) : Masterbatch additive in thin walled thermoforming cups., Ami Plastic Asia Masterbatch Conference Singapore. Saptorahardjo A., (2015), Cassava Starch-based Bioplastic, Conference In a Potential Solution for Microplastic Problem, Microplastic in the Environment, Source, Impact &Solution, Cologne. Thompson R.C., Moore C.J.,vom Saal,F.S., Swan S.H. (2009) Plastic, the environment and human health: current consensus and future trends Phil.Trans.R.Soc 364,2153-2166.


9

ISSN : 2477-3298

10



ENVIPLAST : STARCH BASED BIOPLASTIK COMPOUND

Recommend Documents