IV. HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1
SIFAT MEKANIK PLASTIK
Sifat mekanik plastik yang diteliti terdiri dari kuat tarik dan elongasi. Sifat mekanik diperlukan dalam melindungi produk dari faktor-faktor mekanis, seperti tekanan fisik (jatuh dan gesekan), getaran, serta benturan. Kuat tarik dan elongasi plastik diukur dengan memberikan gaya pada sampel yang diteliti. Sebagai bahan kemasan, plastik harus memiliki kekuatan tarik maupun perpanjangan putus (elongasi) yang baik karena hal ini akan berpengaruh pada kekuatan terhadap kontak fisik dengan benda lain sehingga plastik tidak mudah sobek dan lebih tahan lama. Polimer dengan kekuatan tarik dan perpanjangan putus (elongasi) yang tinggi tergolong ke dalam jenis polimer yang kuat dan liat. Apabila suatu bahan memiliki kuat tarik yang tinggi namun tidak diimbangi dengan perpanjangan putus yang tinggi, maka cenderung akan menghasilkan plastik yang mudah patah (brittle). Pada lembaran plastik yang dihasilkan, terbentuk orientasi film yang disebut machine direction (MD) dan cross-maschine direction (CD). MD adalah orientasi rantai molekul yang searah dengan arah mesin, sedangkan CD melintang dengan arah mesin.
4.1.1 Kekuatan Tarik Kuat tarik merupakan ukuran besarnya beban atau gaya yang dapat ditahan sebelum suatu contoh rusak atau putus. Kekuatan tarik timbul sebagai reaksi dari ikatan polimer antara atomatom atau ikatan sekunder antara rantai polimer terhadap gaya luar yang diberikan (Van, 1991). Hasil pengujian awal kuat tarik pada plastik biodegradabel adalah 16.75 MPa (MD) dan 6.35 MPa (CD), plastik HDPE 74.29 MPa (MD) dan 48.14 MPa (CD), serta plastik HDPE perforated 65.21 MPa (MD) dan 38.71 MPa (CD). Kedua jenis plastik HDPE berada pada rentang nilai yang sama, sedangkan nilai kuat tarik plastik biodegradabel lebih rendah karena adanya campuran pati pada matriks polimernya. Keberadaan pati pada matriks polimer menyebabkan kekuatan ikatan antar polimernya menjadi lebih lemah. Jika dibandingkan dengan nilai kuat tarik jenis HDPE, plastik biodegradabel menunjukkan penurunan sekitar 69-71% untuk machine direction dan penurunan 86-89% untuk cross-machine direction. Kekuatan tarik pada orientasi MD menunjukkan hasil yang lebih baik dibandingkan pada orientasi CD. Hal ini menunjukkan orientasi mesin sangat mempengaruhi sifat mekanik plastik yang dihasilkan. Orientasi searah mesin akan meningkatkan sifat mekanik plastik yang mengakibatkan plastik tidak mudah patah. Pengaruh suhu penyimpanan terhadap kuat tarik plastik retail pada orientasi MD dan CD ditampilkan pada Gambar 6. Selama 30 hari waktu penyimpanan, nilai kuat tarik plastik biodegradabel tidak menunjukkan perubahan yang signifikan baik pada orientasi MD maupun CD. Nilai kuat tarik yang ditemukan cenderung konstan, dengan nilai slope yang sangat kecil. Hal ini menunjukkan penyimpanan pada berbagai suhu tidak mempengaruhi nilai kuat tarik plastik biodegradabel. Kondisi ini berbeda pada penyimpanan plastik HDPE dan plastik HDPE perforated. Kedua plastik ini menunjukkan perubahan kekuatan tariknya pada semua suhu. Pada plastik HDPE perforated, penurunan kekuatan tarik paling besar ditemukan pada penyimpanan suhu rendah. Kondisi ini ditunjukkan dengan nilai slope negatif terbesar pada suhu 3-7oC yaitu -0.630(MD) dan -0.282(CD) serta pada suhu (-10)-(-6)oC dengan nilai slope -0.737(MD) dan -0.199(CD). Kondisi serupa juga ditunjukkan pada pengamatan plastik HDPE. Pada suhu 3-7oC
11
menunjukkan nilai slope -0.331(MD) dan -0.219(CD) serta pada suhu (-10)-(-6)oC dengan nilai slope -0.323(MD) dan -0.277(CD). Machine Direction
Cross-machine Direction
y = 0.058x + 15.86
80
y = -0.045x + 17.37
70
y = -0.018x + 4.467
80
y = -0.007x + 4.662
70
y = -0.030x + 4.974
60
Kuat tarik (MPa)
Plastik biodegradabel
Kuat tarik (MPa)
y = 0.021x + 16.66 50 40 30 20 10
40 30 20
0 0
5
10
15 20 Hari ke
25
30
0
y = -0.192x + 59.83
80
50 40 30
0
0 25
0
30
y = -0.471x + 61.73
80
y = -0.101x + 36.99 y = -0.219x + 37.76 y = -0.277x + 39.74
30
10
15 20 Hari ke
5
10
60
Kuat tarik (MPa)
Kuat tarik (MPa)
HDPE perforated
70
y = -0.737x + 61.91
50 40 30 20 10
25
30
60 50 40 30 20 10
0
0 0
Keterangan :
15 20 Hari ke
y = -0.157x + 37.95 y = -0.282x + 38.65 y = -0.199x + 37.16
80
y = -0.630x + 62.13 70
30
40
10
10
25
50
20
5
15 20 Hari ke
60
20
0
10
70 Kuat tarik (MPa)
60
5
80
y = -0.331x + 62.31 y = -0.323x + 63.06
70 Kuat tarik (MPa)
50
10
0
HDPE
60
5
10
15 20 Hari ke
Suhu 24-28oC
25
30
Suhu 3-7oC
0
5
10
15 20 Hari ke
25
30
Suhu (-10)-(-6)oC
Gambar 6. Grafik pengaruh suhu penyimpanan terhadap kuat tarik plastik retail Penyimpanan pada suhu rendah menghasilkan penurunan nilai kuat tarik yang sangat besar pada orientasi MD. Penurunan nilai kuat tarik plastik HDPE perforated pada orientasi MD terlihat lebih besar jika dibandingkan dengan orientasi CD. Hal ini menunjukkan kerapatan antarmolekul
12
polietilen pada HDPE perforated lebih renggang pada orientasi MD yang menyebabkan plastik mudah putus atau robek jika terjadi kerusakan mekanis pada orientasi tersebut. Penurunan nilai kuat tarik plastik HDPE memiliki pola yang sama seperti yang ditemukan pada plastik HDPE perforated, yaitu mengalami penurunan nilai kuat tarik pada suhu 3-7oC, dan suhu (-10)-(-6)oC. Namun penurunan nilai kuat tarik plastik HDPE tidak terlalu besar, artinya plastik HDPE memiliki kemampuan yang lebih baik dalam mempertahankan sifat kuat tarik pada penyimpanan suhu rendah dibandingkan dengan plastik HDPE perforated. Penurunan sifat mekanik plastik dapat dipengaruhi ikatan sekunder yaitu ikatan non kovalen molekul plastik dengan molekul penyusun lainnya. Perubahan suhu yang berulang akan mempengaruhi ikatan sekunder yang mengikat molekul polietilen dengan molekul bahan aditif seperti molekul pati dan plasticizer. Jika suhu naik maka ikatan tersebut akan mengembang (muai) dan sebaliknya ketika suhu turun akan terjadi penyusutan. Perubahan suhu dapat terjadi karena adanya kontak antara suhu lingkungan dengan suhu penyimpanan. Kondisi susut-muai ini akan lebih mudah untuk menghancurkan ikatan sekunder yang mengakibatkan plastik lebih mudah putus.
4.1.2 Elongasi (Perpanjangan Putus) Pengukuran kekuatan tarik pada umumnya diikuti dengan pengukuran perpanjangan putus (elongasi), yaitu perubahan panjang maksimum yang dialami plastik pada saat ditarik sampai putus. Perpanjangan putus menentukan elastisitas plastik. Semakin tinggi nilai perpanjangan putus (elongasi), maka plastik tersebut semakin elastis sehingga bahan tersebut dapat ditarik lebih mulur (Billmeyer, 1984). Hasil pengujian awal persen elongasi pada plastik biodegradabel adalah 114,21% (MD) dan 656.54% (CD), plastik HDPE 292.46% (MD) dan 445.45% (CD), serta plastik HDPE perforated 421.02% (MD) dan 718.29% (CD). Persen elongasi plastik retail paling tinggi dimiliki oleh HDPE perforated baik pada orientasi MD maupun CD. Dengan nilai kuat tarik plastik dan persen elongasi yang tinggi, hal ini menunjukkan bahwa plastik HDPE perforated lebih kuat dibandingkan jenis plastik retail lainnya. Plastik HDPE memiliki persen elongasi yang lebih rendah dibandingkan HDPE perforated. Hal ini dapat disebabkan dengan penggunaan jenis plasticizer yang berbeda pada proses pembuatan kedua plastik berjenis HDPE ini, sehingga mempengaruhi sifat mekanis dari plastik yang menghasilkan nilai persen elongasi yang berbeda. Pada plastik biodegradabel, persen elongasinya sangat rendah pada MD namun menunjukkan nilai yang sangat baik pada orientasi CD. Adanya pati pada matriks polietilennya menyebabkan plastik menjadi lebih elastis. Selain itu pembentukan ikatan antara molekul pati dengan monomer polietilen dapat dipengaruhi oleh proses pembentukan lembaran plastik saat ekstrusi, blowing, dan winding yang menyebabkan ikatan rantai pada CD lebih rapat sehingga pada saat ditarik, plastik tidak mudah putus. Pengaruh suhu dan lama penyimpanan terhadap elongasi plastik retail pada orientasi MD dan CD ditampilkan pada Gambar 7. Suhu penyimpanan tidak mempengaruhi secara signifikan nilai persen elongasi plastik biodegradabel dan plastik HDPE. Persen elongasi kedua jenis plastik ini cenderung tetap konstan baik pada orientasi MD maupun CD pada berbagai suhu penyimpanan. Perubahan nilai persen elongasi terlihat pada penyimpanan plastik HDPE perforated.Pada orientasi MD, nilai elongasi menurun pada (-10)-(-6)oC dengan nilai slope -2.127. Penurunan sifat elastis plastik ini dapat disebabkan rusaknya ikatan sekunder dan uap air yang terikat karena kelembaban yang rendah. Adanya uap air yang ikut terikat membuat plastik menjadi lebih kaku dan mudah patah.
13
Machine Direction 900
persen elongasi (%)
persen elongasi (%)
600 500 400 300
0 5
10
15 20 Hari ke
25
0
30
y = 0.111x + 298.6
700 600 500 400 300 200
5
10
15 20 Hari ke
25
30
y = -0.120x + 452.4 y = -0.464x + 454.7 y = -0.730x + 464.4
900
y = -0.700x + 318.9 y = -0.924x + 317.7
800 persen elongasi (%)
persen elongasi (%)
300
100
700 600 500 400 300 200 100
0
0 0
5
10
15 20 Hari ke
25
30
0
900
y = 0.097x + 424.9
900
800
y = -0.396x + 442.8
800
y = -2.127x + 443.5
700
persen elongasi (%)
persen elongasi (%)
400
0
100
600 500 400 300 200
5
10
15 20 Hari ke
25
30
700 600 500
y = 1.016x + 736.7
400
y = 0.523x + 734.5 y = 0.713x + 733.3
300 200 100
100
0
0 0
Keterangan :
500
100
800
HDPE perforated
600
200
900
HDPE
700
200
0
y = 0.863x + 612.4 y = -1.335x + 629.3
800
y = 0.213x + 118.3
700
y = -0.541x + 614.5
900
y = -0.333x + 140.9
800
Plastik biodegradabel
Cross-machine Direction
y = 1.016x + 124.0
5
10
15 20 Hari ke
Suhu 24-28oC
25
30
Suhu 3-7oC
0
5
10
15 20 Hari ke
25
30
Suhu (-10)-(-6)oC
Gambar 7. Grafik pengaruh suhu penyimpanan terhadap elongasi plastik retail Nilai persen elongasi yang cenderung konstan menunjukkan bahwa elongasi tidak dipengaruhi oleh penyimpanan pada suhu rendah. Ditinjau dari hasil pengukuran nilai kuat tarik dan persen elongasi, plastik HDPE perforated memiliki kekuatan mekanik yang paling baik dengan nilai kuat tarik dan elongasi yang tinggi, disusul dengan plastik HDPE. Plastik HDPE perforated tidak dapat mempertahankan sifat mekanisnya pada suhu rendah, terutama pada suhu (-10)-(-6)oC. Penurunan kekuatan tarik cukup besar pada penyimpanan suhu rendah dibandingkan
14
dengan penyimpanan pada suhu 24-28oC. Plastik biodegradabel memiliki sifat mekanik yang kurang baik jika dibandingkan dengan plastik jenis HDPE. Namun plastik biodegradabel memiliki kemampuan dalam mempertahankan kekuatan mekaniknya walaupun disimpan pada suhu rendah. Sifat mekanik plastik biodegradabel yang baik dapat disebabkan ikatan yang kuat antara molekul penyusunnya. Penggunaan jenis dan konsentrasi plasticizer yang tepat dapat meningkatkan sifat mekanik plastik yang mengakibatkan plastik semakin elastis.
4.2
SIFAT FISIK PLASTIK
Sifat fisik plastik dapat diketahui dengan mengukur permeabilitas uap air dan mengamati morfologi permukaan permukaan plastik. Permeabilitas uap air berkaitan dengan ketahanan plastik sebagai barrier bagi kemasan. Semakin besar nilainya maka akan menunjukkan bahwa plastik tersebut semakin mudah dilewati uap air dan gas.
4.2.1 Permeabilitas Uap Air Permeabilitas uap air dihitung melalui laju transmisi uap air atau water vapour transmission rate (WVTR). Nilai permeabilitas suatu jenis film perlu diketahui karena dapat dipergunakan untuk memperkirakan daya simpan produk yang dikemas di dalamnya. Nilai permeabilitas juga dapat digunakan untuk menentukan produk atau bahan apa yang sesuai untuk kemasan tersebut. WVTR merupakan slope dari plot jumlah uap air yang hilang tiap waktu dibagi oleh luas film (Krochta, 1997). Dari hasil uji WVTR awal, plastik biodegradabel memiliki nilai paling tinggi yaitu 21.56 2 g/m /24jam dibandingkan dengan plastik HDPE 13.10 g/m2/24jam dan HDPE perforated sebesar 8.99 g/m2/24jam. Hal ini menunjukkan nilai WVTR dapat dipengaruhi oleh densitas plastik. Plastik biodegradabel memiliki densitas rendah karena adanya campuran pati pada matriks polimernya. Hal ini menyebabkan plastik biodegradabel memiliki permeabilitas uap air yang rendah. Hal ini didukung dengan pernyataan Birley et al. (1988) bahwa plastik dengan densitas yang rendah menandakan bahwa plastik tersebut memiliki struktur yang terbuka, artinya mudah atau dapat ditembusi fluida seperti air, oksigen, atau karbon dioksida. Densitas plastik yang tinggi disebabkan oleh banyaknya rantai yang lurus pada matriks polimernya. Yam (2007) juga mengungkapkan dalam kondisi kelembaban yang tinggi, air terabsorpsi ke dalam polimer dan berinteraksi dengan ikatan polar untuk menggembungkan struktur polimer. Pada saat yang bersamaan, permeabilitas gas juga akan meningkat dengan cepat. Nilai WVTR yang besar pada pengujian awal plastik biodegradabel dapat disebabkan karena adanya pati yang menyusun matriks plastik tersebut. Transmisi uap air mudah terjadi melalui bagian film yang bersifat hidrofilik, dalam hal ini adalah pati. Hal ini sesuai dengan yang diungkapkan Krochta (1997) bahwa permeabilitas uap air tergantung pada perbandingan bahan yang bersifat hidrofilik dan hidrofobik dalam formulasi film. Film dari polisakarida mempunyai ketahanan yang rendah terhadap uap air. Pengaruh suhu penyimpanan terhadap nilai WVTR ditampilkan pada Gambar 8. Penyimpanan plastik pada semua suhu menurunkan nilai WVTR plastik biodegradabel, terutama pada suhu 3-7oC dari 21.56 g/m2/24jam menjadi 16.12 g/m2/24jam. Hal ini menunjukkan molekul uap air yang mampu menembus plastik menjadi semakin sedikit. Sulitnya molekul uap air untuk menembus plastik dapat disebabkan ikatan yang kuat antara molekul penyusun plastik biodegradabel. Oleh karena itu plastik biodegradabel dapat mempertahankan sifat fisiknya pada suhu rendah.
15
Sedangkan pada plastik HDPE dan plastik HDPE perforated menunjukkan peningkatan laju transmisi uap air. Hal ini dapat disebabkan karena rusaknya ikatan antar molekul plastik yang menyebabkan kristalinitas plastik menurun. Dari penelitian yang dilakukan Equistar (2003), permeabilitas plastik dapat dipengaruhi oleh struktur kristalin dari plastik. Daerah kristalin pada plastik lebih tahan terhadap permeabilitas gas dan uap air, sedangkan daerah amorf lebih mudah untuk ditembusi oleh molekul uap air dan gas. Untuk meningkatkan daerah kristalin pada plastik dapat dilakukan dengan menggunakan resin berdensitas tinggi. 25
15 10
y = -0.102x + 21.40 y = -0.181x + 21.84 y = -0.085x + 21.04
5
20 15 10
y = 0.120x + 13.87 y = 0.021x + 12.45 y = 0.120x + 12.16
5 0
0 0
15 Hari ke
30
Plastik biodegradabel Keterangan : Suhu 24-28oC
y = 0.046x + 7.948
25
0
15 Hari ke
30
HDPE Suhu 3-7oC
WVTR (g/m2/24 jam)
20
WVTR (g/m2/24 jam)
WVTR (g/m2/24 jam)
25
y = 0.131x + 7.597 20
y = 0.181x + 7.867
15 10 5 0 0
15 Hari ke
30
HDPE perforated Suhu (-10)-(-6)oC
Gambar 8. Grafik pengaruh suhu penyimpanan terhadap WVTR plastik retail
4.2.2 Morfologi Permukaan Scanning Electron Microscophy (SEM) merupakan alat yang dapat membentuk bayangan permukaan. Struktur permukaan suatu benda uji dapat dipelajari dengan mikroskop elektron pancaran karena jauh lebih mudah untuk mempelajari struktur permukaan itu secara langsung. Pada dasarnya, SEM menggunakan sinyal yang dihasilkan elektron dan dipantulkan atau berkas sinar elektron sekunder. SEM menggunakan prinsip scanning dengan prinsip utamanya adalah berkas elektron diarahkan pada titik permukaan spesimen. Gerakan elektron diarahkan dari satu titik ke titik lain pada permukaan spesimen. Jika seberkas sinar elektron ditembakkan pada permukaan spesimen maka sebagian dari elektron itu akan dipantulkan kembali dan sebagian lagi diteruskan. Jika permukaan spesimen tidak merata, banyak lekukan, lipatan atau lubang-lubang, maka tiap bagian permukaan itu akan memantulkan elektron dengan jumlah dan arah yang berbeda dan jika ditangkap detektor akan diteruskan ke sistem layer dan akan diperoleh gambaran yang jelas dari permukaan spesimen dalam bentuk tiga dimensi. Pengujian dengan SEM dilakukan untuk melihat hasil mikroskopis permukaan plastik pada perbesaran 200x. Pengujian awal pada morfologi permukaan plastik retail ditunjukkan pada Gambar 9. Morfologi permukaan HDPE perforated dan plastik HDPE lebih homogen dibandingkan dengan morfologi permukaan plastik biodegradabel. Adanya pati yang terikat pada matriks polimer plastik biodegradabel menyebabkan terbentuknya gelembung-gelembung berupa granula pati. Granula pati terlihat tersebar dengan berbagai macam ukuran. Perbedaan ukuran ini akan mempengaruhi sifat mekanik dan fisik plastik biodegradabel. Granula pati yang berukuran kecil dapat menyebabkan penurunan sifat mekaniknya karena pada ikatan rantai polimer yang berikatan dengan granula berukuran kecil, kekuatan plastik untuk menerima tarikan menjadi lebih rendah dan perpanjangan putusnya meningkat. Hal ini didukung oleh penelitian yang dilakukan Gunawan
16
et al. (2007) dimana plastik polietilen yang dikompositkan dengan pati tapioka ukuran nanometer dapat menurunkan sifat mekanik, namun meningkatkan sifat degradabilitasnya. Gelembung pada permukaan plastik biodegradabel yang merupakan plastik komposit pati dapat disebabkan kadar air yang berlebihan pada pembuatan pati termoplastis. Kadar air yang berlebihan akan menyebabkan pati teraglomerasi dan memberikan efek negatif terhadap interaksi interfacial antara pati dengan polimer. Demikian pula kadar air yang rendah akan mengurangi aglomerasi granula pati selama proses pencampuran plastik.
Plastik biodegradabel
HDPE
HDPE perforated
Gambar 9. Morfologi permukaan plastik retail (perbesaran 200x) Pengaruh suhu penyimpanan terhadap perubahan morfologi permukaan plastik biodegradabel terlihat pada Gambar 10. Pada pengujian awal, granula pati masih berbentuk oval dan tidak rusak. Namun pada hari penyimpanan ke-15 pada suhu 24-28oC, beberapa granula pati berukuran besar mulai mengalami kehancuran berupa robekan. Kehancuran granula pati berukuran besar semakin bertambah pada hari penyimpanan ke-30. Pada suhu 3-7oC, granula pati berukuran besar jumlahnya meningkat. Hal ini dapat disebabkan granula pati menyerap air di lingkungan sekitar sehingga granula yang berukuran kecil membengkak. Semakin lama masa penyimpanan, jumlah hancurnya granula semakin banyak. Kondisi ini juga terjadi pada kondisi suhu (-10)-(6)oC. Penyimpanan pada suhu yang semakin rendah menyebabkan granula pati kecil semakin banyak yang membengkak dan hancur. Hari ke
Suhu penyimpanan 24-28oC
3-7oC
(-10)-(-6)oC
0
15
30
Gambar 10. Pengaruh suhu penyimpanan terhadap morfologi permukaan plastik biodegradabel (perbesaran 200x)
17
Hasil mikroskopis plastik HDPE disajikan pada Gambar 11 yang menunjukkan permukaan yang halus dan homogen. Penyimpanan pada berbagai suhu tidak mempengaruhi morfologi permukaan plastik HDPE. Plastik tidak mengalami kerusakan seperti adanya robekan atau kerutan. Hari ke
Suhu penyimpanan 24-28oC
3-7oC
(-10)-(-6)oC
0
15
30
Gambar 11. Pengaruh suhu penyimpanan terhadap morfologi permukaan plastik HDPE (perbesaran 200x) Hasil uji SEM HDPE perforated yang disajikan pada Gambar 12, hampir sama dengan hasil uji SEM plastik HDPE. Permukaan HDPE perforated terlihat halus dengan adanya cekungan besar yang merupakan perforasi yang dimiliki plastik. Pengaruh suhu terhadap sifat morfologi plastik tidak menunjukkan kerusakan pada permukaannya. Hal ini dapat disebabkan ikatan rantai polimer plastik jenis HDPE lebih rapat sehingga tidak mudah untuk rusak kecuali adanya kerusakan mekanis yang disengaja. Hari ke
Suhu penyimpanan 24-28oC
3-7oC
(-10)-(-6)oC
0
15
30
Gambar 12. Pengaruh suhu penyimpanan terhadap morfologi permukaan plastik HDPE perforated (perbesaran 200x)
18
