PENGEMBANGAN MATERIAL BIOPLASTIK DARI BLENDING TEPUNG KONJAC GLUKOMANNAN (KGM) DAN KITOSAN MENGGUNAKAN SINGLE SCREW EXTRUDER S K R I P S I

ADLN Perpustakaan Universitas Airlangga

PENGEMBANGAN MATERIAL BIOPLASTIK DARI BLENDING TEPUNG KONJAC GLUKOMANNAN (KGM) DAN KITOSAN MENGGUNAKAN SINGLE SCREW EXTRUDER

SKRIPSI

HUMAIRA

DEPARTEMEN KIMIA FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS AIRLANGGA 2012

Skripsi

Pengembangan Material Bioplastik dari Blending Tepung Konjac Glukomannan (KGM) dan Kitosan menggunakan Single Screw Extruder

Humaira


PENGEMBANGAN MATERIAL BIOPLASTIK DARI BLENDING TEPUNG KONJAC GLUKOMANNAN (KGM) DAN KITOSAN MENGGUNAKAN SINGLE SCREW EXTRUDER

SKRIPSI

Sebagai Salah Satu Syarat untuk Memperoleh Gelar Sarjana Sains Bidang Kimia pada Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Airlangga

Disetujui oleh:

Pembimbing I,

Pembimbing II,

Dr. Suyanto, M.Si. NIP. 19520217 198203 1 001

Drs. Handoko Darmokoesoemo, DEA. NIP. 19621102 198810 1 001

ii Skripsi


Humaira


LEMBAR PENGESAHAN NASKAH SKRIPSI

Judul

: Pengembangan Material Bioplastik dari Blending Tepung Konjac Glukomannan (KGM) dan Kitosan Menggunakan Single Screw Extruder

Penyusun

: Humaira

Nomor Induk

: 080710031

Tanggal Ujian

: 17 Juli 2012

Disetujui oleh:

Pembimbing I,

Pembimbing II,

Dr. Suyanto, M.Si. NIP. 19520217 198203 1 001

Drs. Handoko Darmokoesoemo, DEA. NIP. 19621102 198810 1 001

Mengetahui: Ketua Departemen Kimia Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Airlangga

Dr. Alfinda Novi Kristanti, DEA. NIP. 19671115 199102 2 001 iii Skripsi


Humaira


PEDOMAN PENGGUNAAN SKRIPSI

Skripsi ini tidak dipublikasikan, namun tersedia di Perpustakaan dalam lingkungan Universitas Airlangga, diperkenankan untuk dipakai sebagai referensi kepustakaan, tetapi pengutipan harus seijin penulis dan harus menyebutkan sumbernya sesuai kebiasaan ilmiah. Dokumen skripsi ini merupakan hak milik Universitas Airlangga.

iv Skripsi


Humaira


KATA PENGANTAR

Dengan memohon ridla Allah SWT dan do’a restu kedua orang tua, Penulis tiada henti mengucapkan syukur atas segala ni’mat dan karunia serta senantiasa memohon ampunan kepada Allah SWT atas segala dosa-dosa yang telah dilakukan Penulis khususnya selama pengerjaan dan penyelesaian skripsi berlangsung. Subhanallah wa Alhamdulillah wa Laahaula wa Laaquwwata Illa Billah. Dengan penuh semangat Penulis dapat menyelesaikan skripsi yang berjudul “Pengembangan

Material

Bioplastik

dari

Blending

Tepung

Konjac

Glukomannan (KGM) dan Kitosan Menggunakan Single Screw Extruder” yang masih jauh dari kesempurnaan. Selama mengerjakan skripsi, Penulis sangat terbantu oleh semua pihak yang turut mendukung sehingga kemudahan dan kelancaran selalu menyertai dalam menyelesaikan skripsi ini. Penulis menyampaikan terima kasih yang mendalam kepada: 1. Bapak Dr. Suyanto, M.Si. (Dosen Kimia Organik Dept. Kimia Fak. Saintek Universitas Airlangga) dan Drs. Handoko Darmokoesoemo, DEA. (Dosen Kimia Fisik Dept. Kimia Fak. Saintek Universitas Airlangga) selaku Pembimbing skripsi; serta Bapak Drs. Yusuf Syah, M.S. (Dosen Kimia Analitik Dept. Kimia Fak. Saintek Universitas Airlangga) dan Ibu Dr. Sri Sumarsih, M.Si. (Dosen Biokimia Dept. Kimia Fak. Saintek Universitas Airlangga) selaku Penguji skripsi,

v Skripsi


Humaira


2. Drs. Hasjim Abbas, M.Hi dan Kamilah (Orang Tua Penulis) yang telah meridlai perjuangan untuk menyelesaikan jenjang studi S-1 selama lima tahun, 3. Bapak H.M. Aksa Mahmud (Founder Bosowa Foundation) atas dukungan finansial penuh dalam skripsi, 4. Aqib Maimun, S.ST. (kakak kandung ke-empat) yang telah mendukung baik moral dan materiil, 5. Bapak Helmilus Moesa (General Manager); Bapak Drs. Wildan Alhadi (Section Manager); Ibu Ani Oktavia Lestari, S.Si. (Superintendent Laboratorium Polimer – Pembimbing); Bapak Syamsul Rijal, S.Si. (Staf Laboratorium Polimer – Pembimbing Lapangan) di Laboratorium Polimer

Technical

Departement

(TCD)

PT.

Chandra

Asri

Petrochemical, Tbk. yang telah mendukung penuh penggunaan instrumen polimer, 6. Aris Rahman, S.Si. dan Bapak Arif Luqman, S.Si. dari PT. Envilab Indonesia atas segala bentuk dukungan moral, materiil, dan pustaka, 7. Dini Iflakhah, S.Si.; Rastra Bayu Kotama, S.Si.; Irahayu Sudarwati, S.Si.; dan Muhammad Suhar, S.Si. yang turut menyumbangkan pikiran atas permasalahan yang terjadi selama skripsi, 8. Bapak Sukamto (Laboran Laboratorium Kimia Fisik Dept. Kimia Fak. Saintek Universitas Airlangga); Bapak Giman dan Bapak Rochadi (Laboran Laboratorium Kimia Analitik Dept. Kimia Fak.Saintek Universitas Airlangga); dan Bapak Damam (Laboran Laboratorium

vi Skripsi


Humaira


Kimia Organik Dept. Kimia Fak. Sains dan Teknologi Universitas Airlangga) yang turut membantu selama pengerjaan skripsi, 9. Ibu Anik (Laboran instrumen Autograph Laboratorium Dasar Bersama – LDB Fak. Farmasi Universitas Airlangga); Bapak Muhammad Aqidah (Operator instrumen XRD Research Centre Institut Teknologi Sepuluh November); Bapak Hosta (Dosen Teknik Material dan Metalurgi sekaligus operator instrumen FTIR-ATR Institut Teknologi Sepuluh November); Ibu Siti Asfiyah (Laboran instrumen FTIR Kimia Organik Fak. MIPA Universitas Gadjah Mada); Bapak Wikanda dan Bapak Wawan (Operator instrumen SEM Laboratorium Geologi Kuarter – PPPGL Bandung); dan seluruh operator instrumen Laboratorium Polimer Technical Departement (TCD) di PT. Chandra Asri Petrochemical, Tbk., 10. Semua pihak yang mungkin tidak dapat saya sebutkan satu persatu. Penulis sangat mengharapkan kritik dan saran yang membangun guna kesempurnaan untuk pengembangan penelitian ini. Semoga skripsi ini bermanfaat bagi masyarakat untuk perkembangan teknologi material berbasis biopolimer.

Surabaya, 17 Juli 2012

Penulis

vii Skripsi


Humaira


DAFTAR ISI Halaman LEMBAR JUDUL ..................................................................................... i LEMBAR PENYATAAN .......................................................................... ii LEMBAR PENGESAHAN ....................................................................... iii LEMBAR PEDOMAN PENGGUNAAN SKRIPSI .................................. iv KATA PENGANTAR ............................................................................... v ABSTRAK ................................................................................................. viii ABSTRACT ................................................................................................. ix DAFTAR ISI .............................................................................................. x DAFTAR GAMBAR ................................................................................. xii DAFTAR TABEL ...................................................................................... xiii DAFTAR LAMPIRAN ............................................................................... xiv GLOSARI BAB I PENDAHULUAN ......................................................................... 1 1.1 Latar Belakang Masalah ........................................................... 1 1.2 Rumusan Masalah .................................................................... 4 1.3 Tujuan Penelitian ..................................................................... 4 1.4 Manfaat Penelitian ................................................................... 5 BAB II TINJAUAN PUSTAKA ................................................................ 6 2.1 Material Plastik ..................................................................... 6 2.2 Tepung Konjac Glukomannan (KGM) ................................. 8 2.3 Kitosan .................................................................................. 9 2.4 Proses Ekstraksi Kitosan dari Limbah Cangkang Udang ..... 11 2.5 Kemampuan Pembentukan Film dari Kitosan ...................... 11 2.6 Teknologi Ekstrusi ................................................................ 13 2.7 Plasticizer .............................................................................. 15 2.8 Stabilizer ............................................................................... 16 2.9 Derajat Deasetilasi (DD) ....................................................... 16 2.10 X-Ray Diffraction (XRD) ...................................................... 17 2.11 Fourier Transform Infrared (FTIR) ...................................... 18 2.12 Scanning Electron Microscopy (SEM) ................................. 19 2.13 Differential Scanning Calorimetry (DSC) ............................ 19 2.14 Karakterisasi Sifat Mekanika Film Plastik ............................ 19 BAB III METODE PENELITIAN ............................................................. 23 3.1 Tempat dan Waktu Penelitian ............................................... 23 3.2 Bahan dan Peralatan Penelitian ............................................. 23 3.2.1 Bahan penelitian ........................................................... 23 3.2.2 Peralatan penelitian ...................................................... 23 3.3. Tahapan Kerja ....................................................................... 24 3.3.1 Karakterisasi sifat fisikokimia tepung KGM ............... 24 x Skripsi


Humaira


3.3.1.1 Pengamatan intensitas warna tepung ............... 25 3.3.1.2 Analisis kandungan glukomannan ................... 25 3.3.1.3 Analisis termal menggunakan DSC ................. 26 3.3.1.4 Analisis spektra FTIR ...................................... 27 3.3.1.5 Morfologi mikrostruktur SEM ......................... 27 3.3.2 Karakterisasi sifat fisikokimia kitosan ......................... 28 3.3.2.1 Uji kelarutan kitosan ........................................ 28 3.3.2.2 Analisis difraksi Sinar-X .................................. 29 3.3.2.3 Penentuan derajat deasetilasi (DD) .................. 29 3.3.3 Preparasi material dan larutan kerja ............................. 30 3.3.4 Proses ekstrusi material blending ................................. 31 3.3.5 Karakterisasi fisikokimia material ekstrudat dan film bioplastik .............................................................. 33 BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN .................................................. 35 4.1 Karakterisasi Tepung Konjac Glukomannan (KGM) ............. 35 4.1.1 Analisis kandungan glukomannan tepung KGM ........... 35 4.1.2 Karakterisasi sifat fisikokimia tepung KGM ................. 36 4.2 Karakterisasi Kitosan .............................................................. 39 4.2.1 Tahapan umum proses produksi kitosan ....................... 39 4.2.2 Karakterisasi sifat fisikokimia kitosan .......................... 40 4.3 Perlakuan Bahan sebelum Proses Ekstrusi ............................. 45 4.3.1 Perlakuan terhadap tepung KGM .................................. 47 4.3.2 Perlakuan terhadap kitosan ............................................ 47 4.3.3 Blending tepung KGM dan kitosan ............................... 48 4.4 Pengkondisian Mesin Ekstruder ............................................. 48 4.5 Ekstrudat Bioplastik dari Proses Ekstrusi ............................... 50 4.6 Identifikasi Jenis Material Bioplastik ..................................... 51 4.7 Karakterisasi Sifat Fisikokimia Ekstrudat Bioplastik.............. 52 4.7.1 Termogram material bioplastik ...................................... 53 4.7.2 Difraktogram material bioplastik.................................... 55 4.7.3 Morfologi film bioplastik .............................................. 56 4.7.4 Uji tarik film bioplastik ................................................. 58 4.8 Spektra FTIR Material Bioplastik .......................................... 61 4.9 Pengujian Water Uptake (WA) dari Film Bioplastik ............. 63 4.10Reologi Material Bioplastik .................................................... 64 BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN .................................................... 66 5.1 Kesimpulan ............................................................................. 66 5.2 Saran ....................................................................................... 67 DAFTAR PUSTAKA ................................................................................ 68 LAMPIRAN

xi Skripsi


Humaira


DAFTAR GAMBAR

Nomor 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 4.13 4.14 4.15 4.16 4.17 4.18 4.19 4.20

Judul

Halaman

Struktur kimia glukomannan .......................................................... 8 Struktur kimia kitosan .................................................................... 10 Kepiting, lobster, udang karang, udang kali ................................... 10 Skema produksi kitosan ................................................................. 12 Bagian-bagian mesin single screw extruder ................................... 14 Metode baseline ............................................................................. 16 Hamburan Compton ....................................................................... 17 Kurva umum hubungan stress-strain polimer ................................ 21 Tepung konjac glukomannan (KGM) dari PT. Ambico ................. 35 Spektra FTIR tepung KGM ............................................................ 36 Struktur unit monomer glukomannan ............................................. 37 Termogram tepung KGM ............................................................... 38 Mikrograf granula tepung KGM .................................................... 38 Mekanisme reaksi transformasi kitin menjadi kitosan ................... 39 Spektra FTIR kitosan CV. Bio Chitosan Indonesia ....................... 41 Struktur kimia kitosan .................................................................... 42 Pola termogram kitosan .................................................................. 43 Difraktogram kitosan ...................................................................... 44 Mikrograf kitosan ........................................................................... 45 Ekstrudat bioplastik ........................................................................ 50 Bagan identifikasi klasifikasi material bioplastik .......................... 52 Termogram material bioplastik ...................................................... 53 Difraktogram material bioplastik ................................................... 55 Mikrograf film bioplastik ............................................................... 57 Model struktur 3D kitosan .............................................................. 57 Hubungan kurva stress-strain bioplastik ........................................ 59 Gabungan spektra FTIR material bioplastik ................................... 61 Ilustrasi swelling dalam sistem polimer .......................................... 63

xii Skripsi


Humaira


DAFTAR TABEL

Nomor 2.1 3.1 3.2 3.3 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9

Judul

Halaman

Hasil kuat tarik film kitosan versus HDPE dan LDPE ................... 13 Pengaturan temperatur input data DSC ........................................... 26 Kondisi mesin ekstruder .................................................................. 32 Perbandingan komposisi material blending .................................... 32 Spesifikasi mutu tepung KGM ......................................................... 36 Analisis gugus fungsi tepung KGM ................................................ 37 Profil temperatur DSC-50 Shimadzu .............................................. 37 Sertifikat analisis kitosan dari CV. Bio Chitosan Indonesia ........... 40 Hasil perhitungan derajat deasetilasi ............................................... 42 Perbandingan komposisi material blending .................................... 48 Kondisi mesin ekstruder .................................................................. 49 Hasil perhitungan dari rekaman uji tarik film bioplastik ................ 58 Prosentase nilai water uptake (WA) film bioplastik ....................... 63

xiii Skripsi


Humaira


DAFTAR LAMPIRAN

Nomor 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Judul Hasil Termogram dari Tepung KGM, Kitosan, dan Material Bioplastik Morfologi SEM Diameter Pori dari Kitosan, Tepung KGM, Material Bioplastik Morfologi SEM dari Kitosan, Tepung KGM, Material Bioplastik Dokumentasi Skripsi di PT. Chandra Asri Petrochemical, Tbk. Hasil Spektra FTIR-ATR Material Bioplastik dan FTIR Tepung KGM serta Kitosan Hasil Uji Tarik Film Bioplastik Perhitungan Nilai Derajat Deasetilasi (DD) Kitosan dengan pendekatan Spektra FTIR Prosedur Kerja Uji Tarik Film Bioplastik Tahapan Eksperimen Penelitian Pengembangan Material Bioplastik Hasil Analisis Difraksi Sinar-X Material Bioplastik Sertifikat Analisis Kitosan dari CV. Bio Chitosan Indonesia Sertifikat Analisis Tepung KGM dari PT. Ambico Sertifikat Pengujian Analisis Glukomannan dari Laboratorium Pengujian Balai Besar Pascapanen Bogor Surat Keterangan Penelitian dari PT. Chandra Asri Petrochemical, Tbk.

xiv Skripsi


Humaira


Humaira. 2012. Pengembangan Material Bioplastik dari Blending Tepung Konjac Glukomannan (KGM) dan Kitosan menggunakan Single Screw Extruder. Skripsi ini di bawah bimbingan Dr. Suyanto, M.Si dan Drs. Handoko Darmokoesoemo, DEA. Departemen Kimia, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Airlangga.

ABSTRAK

Plastik sintetis ditinjau dari sumbernya termasuk material non-renewable dan non-biodegradable. Produksi plastik sintetis membutuhkan konsumsi energi dan menghasilkan emisi CO2 lebih besar dibandingkan plastik berbasis biopolimer. Penelitian ini mengembangkan material bioplastik dari blending material antara tepung KGM dan kitosan menggunakan mesin single screw extruder. Penelitian bertujuan untuk identifikasi klasifikasi material bioplastik, mempelajari karakteristik sifat fisikokimia, dan reologi material bioplastik. Metode yang digunakan dalam pengembangan material yaitu melalui teknik polimer blending yang diproses menggunakan teknologi ekstrusi. Formulasi komposisi material blending antara tepung KGM dan kitosan yaitu 50:10, 40:20, dan 30:30 (% w/v) dengan plasticizer gliserol 20% dan stabilizer trisnonylphenylphospite (TNPP) sebesar 0,315% wt. Karakterisasi sifat fisikokimia material bioplastik meliputi analisis termal menggunakan Differential Scanning Calorimetry (DSC), analisis spektra menggunakan Fourier Transform Infrared (FTIR), analisis kristalinitas menggunakan difraktometer sinar-X, morfologi film menggunakan Scanning Electron Microsopy (SEM), uji tarik, dan penyerapan air atau water uptake (WA) dari film bioplastik. Hasil penelitian menunjukkan bahwa material bioplastik memiliki nilai titik leleh (Tm) pada rentang 100-118°C. Produk bioplastik termasuk dalam klasifikasi elastomer ditinjau dari kurva hubungan stress-strain dengan karakter ulet dan lunak. Karakter tersebut memiliki nilai prosentase elongation at break yang tinggi yaitu mencapai 35%. Produk bioplastik menunjukkan struktur semi kristalin yang berpola matriks. Ditinjau dari aspek reologi, aliran polimer dari blending material tepung KGM dan kitosan termasuk dalam aliran sistem non Newton (pesudoplastik) dimana dalam proses ekstrusi menunjukkan aliran yang lambat akibat viskositas material yang tinggi. Kata kunci : bioplastik, KGM, kitosan, teknik blending, ekstrusi, single screw extruder

viii Skripsi


Humaira


Humaira. 2012. Development of Bioplastics Material Blending Konjac Glucomannan (KGM) Flour and Chitosan used Single Screw Extruder. Thesis under guidance of Dr. Suyanto, M.Si and Drs. Handoko Darmokoesoemo, DEA. Departement of Chemistry, Faculty of Science and Technolog, Airlangga University.

ABSTRACT

Based on the source of material, synthetic plastic including non-renewable and non-biodegradable. Synthetic plastic production requires a lot of energy consumption and produce more CO2 emissions than plastic based on biopolymer. Research developed a bioplastic material of blending polymers from konjac glucomannan flour and chitosan using single screw extruder machine. The research aims to identify classification of bioplastic, study on physicochemical properties and the rheology of bioplastic material. The method is blending polymer that is processed using extrusion technology. Composition of material blending between konjac glucomannan flour and chitosan are 50:10, 40:20, and 30:30 (% w/v) with 20% glycerol as plasticizer and stabilizer trisnonylphenylphospite (TNPP) 0,315% wt. Physicochemical properties of bioplastic materials were analyzed using Differential Scanning Calorimetry (DSC), Fourier Transform Infrared (FTIR), Scanning Electron Microsopy (SEM), X-Ray Diffractometer (XRD), Autograph and Water Uptake (WA) testing. The results showed that the bioplastic material has a value of the melting point (Tm) in the range 100-118°C. Bioplastic products included in the classification of elastomer based on the curve stress-strain relationship which leads to soft and tough character. Value of percent elongation at break is high, reaching 35%. Bioplastic product shows semi-crystalline structure with matrix pattern. Rheology of polymer including non Newton system based on the flow of the material from chitosan blending konjac glucomannan flour in the extrusion process which is showed a slow flow rate due to the high viscosity of the material. Keywords : Bioplastic, KGM, chitosan, blending technique, extrusion, single screw extruder

ix Skripsi


Humaira


BAB I PENDAHULUAN

1.1

Latar Belakang Plastik sintetik ditinjau dari sumbernya termasuk dalam material yang

bersifat non-renewable dan non-biodegradable. Material plastik sintetik juga mengandung aditif yang berbahaya bagi kesehatan manusia dan lingkungan jika terpapar radiasi sinar ultraviolet. Jika sampah plastik sintetik dibakar, asap yang ditimbulkan bersifat karsinogenik apabila terhirup oleh manusia akibat pembakaran aditif yang terkandung dalam material plastik sintetik. Produksi plastik sintetik juga membutuhkan konsumsi energi yang besar dan menghasilkan emisi CO2 yang lebih besar dibandingkan dengan produksi plastik berbasis biopolimer seperti Poly Lactid Acid (PLA) dan Thermoplastic Starch (TPS) [1]. Bioplastik merupakan material yang menjanjikan untuk mensubstitusi plastik sintetis. Sifatnya yang renewable, biodegradable, dan compostable menjadikan tren penelitian di beberapa Negara maju seperti Eropa, Amerika, Jepang, dan Cina. Produksi bioplastik membutuhkan energi relatif lebih kecil dibandingkan dengan konsumsi energi pada produksi plastik sintetik dengan nilai rata-rata konsumsi energi sebesar 25-54 MJ/Kg polimer [1]. Produk bioplastik juga mampu bersaing secara kompetitif di pasar seperti di Negara-negara Eropa, dan Amerika. Produk bioplastik telah diproduksi dan tersedia secara komersial sebagai contoh “Nativia” (produk film kemasan dari Poly Lactid Acid – PLA),

Skripsi


Humaira


2

“Pland Paper” (produk kertas kemasan makanan dan minuman dari PLA), “Cereplast”, dan “EcoPond” [2]. Thermoplastic Starch (TPS) merupakan salah satu jenis bioplastik yang secara intensif mulai dimunculkan pada tahun 1970-an sejak kesadaran masyarakat meningkat secara drastis terhadap lingkungan. Keunggulan TPS yang bersifat

biodegradable,

renewable,

dan

sustainable

menjadikan

tren

pengembangan terhadap material TPS sangat pesat. Dua kunci penting yang menjadi sorotan pengembangan material bioplastik jenis TPS yaitu peningkatan sifat mekanika TPS dan pengurangan nilai penyerapan air (water uptake) [3]. Tepung konjac glukomannan (KGM) telah diteliti kemampuannya dalam membentuk film kedap air dengan adanya penambahan gliserol atau sedikit larutan NaOH. Selama ini tepung KGM banyak diproduksi di Indonesia untuk kepentingan ekspor ke Negara Jepang sebagai bahan konnyaku (pengenyal) dan berakhir kembali ke Tanah Air sebagai tepung konnyaku untuk aditif pengenyal dalam beberapa jenis makanan seperti mie dan agar-agar [4]. Dalam dekade terakhir, perkembangan pesat terjadi pada penelitian edible film dari kitosan. Laporan penelitian Agullo et al. (2003) menyatakan bahwa kitosan mampu membentuk film dengan karakter sifat mekanika yang kuat, dan memiliki nilai permeabilitas terhadap air serta oksigen yang cukup baik [5]. Karakter sifat mekanika dari kitosan tersebut sangat prospektif untuk dikombinasikan dengan tepung KGM dalam pengembangan material bioplastik. Blending polimer merupakan teknik pencampuran polimer yang paling sesuai untuk pengembangan material polimer baru karena dapat menghasilkan

Skripsi


Humaira


3

produk baru

yang mempunyai sifat-sifat

unggul dibandingkan

dengan

masing-masing materi pembentuknya. Blending polimer menggunakan teknologi ekstrusi dalam mesin ekstruder merupakan metode yang efektif untuk memproses material bioplastik dari tepung KGM dan kitosan. Proses ekstrusi material TPS tidak dapat menggunakan metode konvensional termoplastik disebabkan oleh terjadinya dekomposisi termal dari material sebelum mencapai titik lelehnya (Tm). Oleh karena itu, penggunaan air dan plasticizer seperti gliserol sangat diperlukan dalam memproses material tersebut. Selain penggunaan air dan plasticizer, untuk melindungi struktur material dari kerusakan akibat pemanasan dan gesekan pada ekstruder diperlukan aditif berupa stabilizer tris-nonylphenylphospite (TNPP) yang telah diaplikasikan pada material biopolastik jenis Poly Lactic Acid (PLA) [6]. Penelitian ini bertujuan untuk mengembangkan material bioplastik dengan teknik blending dari tepung KGM dan kitosan melalui teknologi ekstrusi menggunakan single screw extruder. Hasil penelitian ini diharapkan dapat digunakan untuk mempelajari karakter material bioplastik dan ditindaklanjuti melalui penelitian berikutnya untuk memperoleh karakter material bioplastik yang sesuai dengan permintaan pasar. Selain itu, hasil penelitian dapat dipakai sebagai kontribusi ilmiah untuk produsen plastik sintetik yang akan memproduksi material bioplastik.

Skripsi


Humaira


4

1.2

Rumusan Masalah Berdasarkan latar belakang masalah tersebut, maka fokus penelitian dapat

dirumuskan sebagai berikut: a. Apakah blending polimer antara tepung KGM dan kitosan dapat menghasilkan material bioplastik yang diproses menggunakan mesin single screw extruder? b. Bagaimana karakteristik sifat fisikokimia material bioplastik dari blending polimer antara tepung KGM dan kitosan yang diproses menggunakan mesin single screw extruder? c. Bagaimana reologi polimer material bioplastik dari blending polimer antara tepung KGM dan kitosan yang diproses menggunakan menggunakan mesin single screw extruder?

1.3

Tujuan Penelitian a. Mempelajari material bioplastik dari blending polimer antara tepung KGM dan kitosan yang diproses menggunakan mesin single screw extruder berdasarkan identifikasi awal material b. Mempelajari karakteristik sifat fisikokimia material bioplastik dari blending polimer antara tepung KGM dan kitosan yang diproses menggunakan mesin single screw extruder c. Mempelajari reologi polimer material bioplastik dari blending polimer antara tepung KGM dan kitosan yang diproses menggunakan menggunakan mesin single screw extruder.

Skripsi


Humaira


5

1.4

Manfaat Penelitian Manfaat yang dapat diperoleh dari penelitian ini yaitu sebagai dasar

pengembangan penelitian lebih lanjut terkait peningkatan karakteristik material bioplastik, dan perancangan peralatan terkait proses produksi skala industri dari material bioplastik yang sesuai dengan karakteristiknya. Lebih lanjut, hasil penelitian ini akan didedikasikan untuk kontribusi ilmiah dalam pengembangan bidang teknologi material bioplastik.

Skripsi


Humaira


BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1

Material Plastik Sejak tahun 1960-an, penggunaan plastik mulai menggantikan material

lain seperti logam dan keramik pada berbagai aspek kehidupan karena keunggulannya seperti ringan, murah, dapat didaur ulang, dan mudah dibentuk. Definisi plastik menurut SNI 7188.7:2011 adalah senyawa makromolekul organik yang diperoleh dengan cara polimerisasi, polikondensasi, poliadisi, atau proses serupa laninnya dari monomer atau oligomer atau dengan perubahan kimiawi makromolekul alami [7]. Dengan kata lain plastik adalah suatu material rekayasa yang tersusun atas polimer beserta aditifnya dengan komposisi struktur molekul yang rumit dengan sengaja diatur untuk memenuhi aplikasi spesifik yang diinginkan. Polimer didefinisikan sebagai suatu bahan yang terdiri dari unit molekul (monomer) yang berulang. Sifat produk akhir polimer (sifat mekanis, optis, dan lainnya) sangat dipengaruhi oleh perilaku molekul penyusunnya dan bergantung pada

komposisi,

ukuran,

susunan,

morfologi,

struktur

molekul,

dan

karakteristiknya pada level molekuler. Polimer secara molekuler merupakan suatu rantai polimer panjang, dimana rantai ini dapat menekuk, terpilin, saling terkait, dapat saling menempel atau berinteraksi antar rantai. Interaksi ini dapat menghasilkan susunan molekul yang rapat dan teratur (struktur kristalin) dan/atau susunan yang acak dan renggang (struktur amorf). Secara umum, yang akan

Skripsi


Humaira


7

diperhatikan pada interaksi rantai ini adalah perbandingan struktur kristalin dan amorf yang terbentuk pada polimer. Semakin banyak struktur kristalin pada polimer, maka material tersebut akan semakin kaku sehingga kekuatannya tinggi. Sebaliknya, semakin banyak struktur amorf, keuletan dan transparasinya semakin baik, sebab struktur amorf cenderung bersifat seperti pegas. Material berstruktur amorf dapat ditembus cahaya karena susunannya yang renggang dan tidak teratur [8]. Pada proses manufaktur maupun pada aplikasi, yang sebenarnya dilakukan terhadap material plastik adalah memberikan energi (baik berupa panas maupun mekanis) kepada rantai molekul polimer tersebut sehingga respon rantai molekul terhadap gaya yang diberikan menjadi karakteristik dari material tersebut. Dalam memproduksi plastik agar mempunyai sifat seperti yang dikehendaki, maka diperlukan bahan tambahan (aditif). Aditif pada material plastik digunakan untuk meningkatkan kinerja dari material polimer pada tahap produksi. Beberapa jenis aditif membahayakan bagi lingkungan dan kesehatan manusia, seperti phthalates dan bisphenol-A. Phthalates yang terserap melalui kulit atau inhalasi bertindak seperti hormon endokrin dan menjadi pengacau dalam tubuh hewan dan manusia. Bisphenol-A mampu mengubah fungsi normal gen meniru hormon estrogen dan mengganggu fungsi reproduksi [9]. Berdasarkan kriteria material rekayasa, polimer terbagi menjadi tiga golongan yaitu termoplastik, termoset, dan elastomer. Termoplastik adalah polimer yang memiliki struktur rantai lurus atau bercabang, sehingga dapat dilelehkan ulang dalam proses produksinya. Sebaliknya termoset adalah suatu

Skripsi


Humaira


8

polimer yang terikat dalam jaringan tiga dimensi (cross-link) sehingga ketika sudah terbentuk rantai, rantai ini sulit bergerak ketika diberikan panas. Jenis material ini memiliki kinerja mekanis dan termal tinggi namun tidak dapat dilelehkan ulang. Elastomer adalah polimer dengan rantai molekul yang saling terikat seperti material termoset, namun karena jumlah ikatannya lebih sedikit dan berstruktur rantai lurus panjang, maka material tersebut bersifat sangat ulet (memiliki elongasi atau regangan elastis yang sangat baik) [8].

2.2

Tepung Konjac Glukomannan (KGM) Tepung konjac glukomannan atau dikenal sebagai tepung KGM adalah

suatu heteropolisakarida dari jenis tanaman umbi Amorphophallus konjac (dalam bahasa Jawa disebut iles-iles). KGM merupakan kopolimer acak linier dari rantai β-(1,4)-D-mannosa dan β-D-glukosa, dengan rasio perbandingan mannosa dan glukosa sebesar 1,6:1. Struktur kimia KGM menunjukkan adanya substitusi gugus asetil pada C-6 dari unit glukosa. Material berbasis pati seperti KGM sangat menjanjikan untuk diaplikasikan sebagai substituen plastik konvensional karena sifatnya yang biodegradabel, mudah diperbarui (renewable), dan biokompatibel [10]. Namun demikian, masih terdapat kelemahan pada material biopolimer berbasis starch yaitu sifat kerapuhan pada film. Gambar 2.1 menunjukkan struktur kimia glukomannan.

Gambar 2.1 Struktur kimia glukomannan

Skripsi


Humaira


9

Tepung KGM sangat sulit untuk diproses menjadi material bioplastik dengan metode konvensional termoplastik, disebabkan oleh kuatnya interaksi ikatan hidrogen intermolekul. Interaksi tersebut dalam sistem polimer KGM mengakibatkan ketidakmunculan sifat termoplastis, sehingga polimer KGM terdekomposisi lebih dulu sebelum mencapai titik lelehnya (Tm) [11]. Termoplastisitas dari KGM dapat diperbaiki dan ditingkatkan

melalui

pengurangan ikatan hidrogen intermolekul. Modifikasi fisika melalui ekstrusi dalam sistem kontrol temperatur, tekanan, dan shearing tertentu merupakan salah satu alternatif untuk meningkatkan sifat termoplastisitas dari KGM [12]. Penelitian terkait tepung KGM sebagai material bioplastik sangat terbatas. Tatirat et al. telah meneliti sifat fisikokimia dari tepung KGM yang diproses melalui modifikasi ekstrusi, namun terfokus pada pengurangan nilai penyerapan terhadap air (water absorption index) dan kelarutannya terhadap air (water solubility index) [12]. Peneliti lain Xiaoyan et al. dari Cina telah meneliti kemampuan sifat termoplastis dan pelelehan yang dapat dibentuk dari tepung KGM akibat pengaruh asetilasi pada tepung KGM, namun terfokus pada dekomposisi termal dan temperatur transisi gelas dari tepung KGM [10].

2.3

Kitosan Kitosan merupakan kopolimer rantai lurus dengan struktur kimia yaitu

[β-(1,4)-D-glucosamine] diproses melalui deasetilasi kitin dalam kondisi alkali yang kuat dan temperatur ekstrim [13]. Kitin banyak ditemukan dari sumber alam, seperti pada cangkang dan kepala dari hewan kelompok crustacea (kepiting dan

Skripsi


Humaira


10

udang), fungi, serangga, dan beberapa alga [14]. Gambar 2.2 menunjukkan struktur kimia kitosan.

Gambar 2.2 Struktur kimia kitosan Kitosan tidak larut dalam air, namun larut dalam pelarut asam di bawah pH 6 misalnya asam asetat, formiat, dan laktat. Larutan kitosan tidak stabil pada kondisi pH di atas 7, dikarenakan terjadi presipitasi atau terjadi pembentukan gel pada rentang pH alkali [13]. Kitosan secara komersial banyak diproduksi terutama dari kelompok crustacea (kepiting; udang laut; udang karang; udang air tawar; dan udang kali) dikarenakan ketersediaan kerangka luar (eksoskeleton) dari kelompok crustacea dapat diperoleh dalam jumlah besar dari limbah pabrik makanan olahan yang bersumber dari hasil perikanan dan kelautan. Kandungan senyawa kimia dari limbah cangkang udang karang maupun udang kali pada kondisi kering yaitu protein (30-40%), kalsium karbonat (30-50%) dan kitin (30-50%) [15]. Gambar 2.3 menunjukkan crustacean sumber penghasil kitin.

Gambar 2.3 Kepiting, lobster, udang karang, udang kali (dari kiri ke kanan)

Skripsi


Humaira


11

Pembuangan

limbah

kulit/cangkang

kelompok

crustacea

menjadi

tantangan bagi industri pengolah makanan olahan hasil perikanan dan kelautan. Oleh karena itu produksi kitin, kitosan, dan turunannya sangat prospektif dan memberikan nilai tambah kegunaan dan ekonomi dalam aplikasinya di berbagai bidang.

2.4

Proses Ekstraksi Kitosan dari Limbah Cangkang Udang Kitosan dapat diekstrak dari sumber kitin melalui ekstraksi konvensional

dan secara enzimatis. Metode ekstraksi kitosan konvensional dari limbah cangkang udang meliputi empat tahapan kerja yaitu deproteinasi (DP), demineralisasi (DM), depigmentasi (DC), dan deasetilasi (DA), selanjutnya disingkat DPMCA (lihat Gambar 2.4). Tahap deproteinasi bertujuan untuk menghilangkan material protein melalui perlakuan alkali; tahap demineralisasi untuk menghilangkan kalsium karbonat dan kalsium pospat melalui perlakuan asam; depigmentasi untuk menghilangkan pigmen melalui ektraksi pelarut dan bleaching; serta deasetilasi untuk transformasi kitin menjadi kitosan melalui perlakuan alkali yang kuat [15].

2.5

Kemampuan Pembentukan Film dari Kitosan Kitosan dengan berat molekul yang tinggi memiliki kemampuan

membentuk film yang bagus karena ikatan hidrogen intramolekul (O5---H-O3) atau (O2-H---O6) dan ikatan hidrogen intermolekul (N-H---O) [16]. Film yang terbentuk fleksibel, transparan, kuat, dan tak berwarna dengan nilai kuat tarik

Skripsi


Humaira


12

mencapai 9000 psi dan dipreparasi melalui metode pencetakan (casting) pelarut. Film yang terbentuk memiliki sifat mekanika dan ketahanan terhadap gas yang baik. Namun demikian, karakteristik film kitosan bervariasi dari setiap hasil penelitian. Hal tersebut dipengaruhi oleh sumber kitin yang digunakan, pelarut, metode untuk preparasi film, tipe dan jumlah plasticizer yang ditambahkan [17,18,19]. Cangkang udang basah Dicuci dan dikeringkan Digiling dan diayak Deproteinasi (DP)

3,55% NaOH (w/v) selama 2 jam 65°C solid : solvent 1:10 (w/v)

Dicuci Demineralisasi (DM)

1 N HCl selama 30 menit pada temperatur ruang solid : solvent 1:15 (w/v)

Dicuci Ekstraksi dengan Aseton

Dikeringkan Bleaching (DC)

Dicuci dan dikeringkan Deasetilasi (DA)

0,315% NaOCl (w/v) selama 5 menit pada temperatur ruang solid : solvent 1:10 (w/v) 50% NaOH (w/v) selama 30 menit pada 121°C solid : solvent 1:10 (w/v)

Dicuci dan dikeringkan Kitosan Gambar 2.4 Skema produksi kitosan (Modifikasi dari No dan Meyers, 1995)

Skripsi


Humaira


13

Film kitosan dengan tujuan sebagai material pengemas, harus memenuhi syarat yaitu tahan lama, resisten terhadap tekanan, fleksibel, lentur, dan elastis. Tabel 2.1 berikut adalah pengukuran nilai kuat tarik film kitosan dari udang karang dengan pelarut asam asetat 1% dibandingkan dengan film dari polimer sintetik yaitu HDPE dan LDPE [13]. Park et al. (2002) melaporkan bahwa kitosan dalam pelarut asam asetat membentuk dimer, yang mengindikasikan bahwa interaksi intermolekuler relatif kuat dan mengarah ke struktur yang lebih rapat daripada dipreparasi dengan larutan asam yang lainnya [20]. Tabel 2.1 Hasil kuat tarik film kitosan vs HDPE dan LDPE13 Tipe Kitosan DPMCA DPMA DMCA DMA HDPE LDPE

2.6

Kuat Tarik (MPa) 82,0 ± 8,7 129,5 ± 4,2 135,8 ± 9,8 132,9 ± 9,6 17,3 – 34,6 8,6 – 17,3

% Elongation 25,0 ± 8,9 45,0 ± 6,7 37,1 ± 3,1 43,2 ± 3,6 300 500

Modulus (MPa) 3309,5 3120,6 3348,8 4120,5 -

Teknologi Ekstrusi Ekstrusi merupakan suatu proses yang mengkombinasikan beberapa

proses meliputi pencampuran (mixing), pengadukan (shearing), pemasakan (cooking), dan pencetakan (shaping). Tujuan ekstrusi ditinjau dari ilmu polimer yaitu untuk memodifikasi struktur material melalui proses polimerisasi atau reaksi kimia lain sebagai akibat dari pengaruh tekanan, pemanasan, dan shearing [3]. Kelebihan teknologi ekstrusi yaitu dapat menghasilkan ragam bentuk material

Skripsi


Humaira


14

(bergantung pada die), proses yang otomatis dan produktivitasnya tinggi (HTSTHigh Temperatur Short Time). Ekstruder merupakan alat yang digunakan untuk melakukan proses ekstrusi. Klasifikasi ekstruder berdasarkan screw/ulir terbagi menjadi single screw extruder dan double/twin screw extruder. Pada berbagai sektor industri, single screw extruder tetap paling banyak diminati daripada double screw extruder disebabkan oleh harganya yang terjangkau, pengoperasian lebih mudah, biaya pemeliharaan tidak terlalu tinggi, dan kondisi pengoperasian tidak banyak variasi. Berikut Gambar 2.5 yang menjelaskan bagian-bagian dalam mesin ekstruder.

Gambar 2.5 Bagian-bagian mesin single screw extruder Prinsip kerja ekstruder yaitu bahan diisikan melalui hopper ke dalam tabung berulir secara berkesinambungan. Putaran ulir menyebabkan bahan terdorong ke bagian die. Selama proses ini, bahan mengalami gaya tekan dan gesekan antara ulir dengan bahan. Gesekan yang dialami oleh bahan turut serta menimbulkan kalor yang memanaskan bahan tersebut. Bahan yang keluar dari die ekstruder mengalami perubahan tekanan dan temperatur yang jauh lebih rendah daripada di dalam ekstruder. Pada kondisi tersebut air di dalam bahan, dari keadaan bersuhu tinggi dan bertekanan tinggi di dalam ekstruder, akan mudah

Skripsi


Humaira


15

menguap ke udara. Hal ini menyebabkan terciptanya rongga udara dan sekaligus pengembangan bahan [21].

2.7

Plasticizer Plasticizer (bahan pelembut) adalah bahan organik dengan berat molekul

rendah yang ditambahkan pada suatu produk dengan tujuan untuk menurunkan kekakuan dari polimer, sekaligus meningkatkan fleksibilitas dan ekstensibilitas polimer. Adapun syarat-syarat plasticizer yang digunakan sebagai zat pelembut adalah stabil (inert), yaitu tidak terdegradasi oleh panas dan cahaya, tidak mengubah warna polimer dan tidak mengakibatkan korosi [22]. Beberapa teori telah diusulkan untuk menjelaskan mekanisme aksi plasticization. Teori pelumasan menjelaskan bahwa plasticizer bertindak sebagai pelumas internal dengan mengurangi gesekan kekuatan antara rantai polimer. Teori gel merumuskan bahwa kekakuan polimer berasal dari struktur 3D polimer, dan plasticizer memecah interaksi antar polimer misalnya interaksi ikatan hidrogen, dan van der Waals. Teori volume bebas menyatakan plasticization berguna dalam menjelaskan penurunan temperatur transisi gelas (Tg) [23]. Gliserol adalah salah satu jenis plasticizer dari golongan gula alkohol, rasanya manis dan toksisitasnya rendah. Senyawa ini tidak berwarna, tidak berbau, dan berupa cairan kental. Gliserol menjadi rujukan plasticizer oleh para ilmuwan yang mengembangkan bioplastik TPS disebabkan harganya yang terjangkau, dan mudah didapat.

Skripsi


Humaira


16

2.8

Stabilizer Penstabil berfungsi untuk mempertahankan produk polimer dari kerusakan

selama proses ekstrusi, dan penyimpanan. Penstabil terbagi menjadi tiga jenis yaitu penstabil panas, penstabil sinar ultrafiolet, dan antioksidan. Penstabil panas melindungi struktur asli polimer dari kerusakan/dekomposisi material selama proses ekstrusi berlangsung yang diakibatkan oleh putaran dan gesekan screw, serta temperatur pemanasan yang tinggi [21]. TNPP (tris-nonylphenilphospite) merupakan stabilizer thermal yang sering diaplikasikan dalam pembuatan bioplastik dari PLA (poly lactid acid) [6].

2.9

Derajat Deasetilasi (DD) Derajat deasetilasi adalah prosentase gugus asetil yang hilang selama

proses isolasi kitin maupun selama proses deasetilasi. Derajat deasetilasi dapat ditentukan dengan pendekatan spektra IR melalui perhitungan metode baseline dari nilai absorbansi sampel pada bilangan gelombang 1655 cm-1 dan 3450 cm-1. Bilangan gelombang 1655 cm-1 menunjukkan absorbansi gugus amida sedangkan bilangan gelombang 3450 cm-1 menunjukkan absorbansi gugus hidroksil [24]. Derajat deasetilasi ditentukan dengan metode baseline yang dapat ditunjukkan pada Gambar 2.6 [25]. A B S O R B A N S I

Po P Bilangan gelombang cm-1

Gambar 2.6 Metode baseline

Skripsi


Humaira


17

2.10

X-Ray Diffraction (XRD) Sinar-X adalah gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang

antara 0,5-2,5 Å. Sinar ini bergerak menurut garis lurus, tidak terdiri dari partikel bermuatan sehingga tidak dibelokkan oleh medan magnet. Sinar-X memiliki dua jenis spektrum yaitu radiasi kontinyu berupa pita-pita lebar, dan radiasi karakteristik yang dinyatakan dalam puncak-puncak khas yang banyak digunakan untuk analisa struktur [26]. Pada metoda difraksi sinar-X diperlukan sinar monokromatik, dimana jika sinar-X monokromatik mengenai sampel, maka ada dua proses kemungkinan yang terjadi yaitu jika sampel memiliki struktur kristalin, maka sinar-X akan terhambur secara koheren, peristiwa ini dikenal sebagai efek difraksi sinar-X. Jika sampel memiliki struktur kristalin dan amorf, maka sinar-X akan terhambur secara tidak koheren, peristiwa ini dikenal sebagai hamburan Compton. Gambar 2.7 menunjukkan pola difraksi sinar-X hamburan Compton [27]. Hamburan

Intensitas Hamburan

IC

Hamburan amorf Latar Belakang

IA Hamburan

Sudut 2θ (°)

Gambar 2.7 Hamburan Compton

Skripsi


Humaira


18

2.11

Fourier Transform Infrared (FTIR) FTIR digunakan untuk mengidentifikasi material, menentukan komposisi

dari campuran, dan membantu memberikan informasi dalam menganalisis gugus fungsi suatu material. Sampel yang digunakan biasanya berupa material dalam keadaan padat, cair, atau gas. Analisa dengan metode ini didasarkan pada fakta bahwa molekul memiliki frekuensi spesifik yang dihubungkan dengan vibrasi internal dari atom gugus fungsi. Ketika sampel diletakkan dalam berkas radiasi IR, sampel mengabsorpsi radiasi pada frekuensi yang sesuai dengan frekuensi vibrasional molekular dan meneruskan seluruh frekuensi yang lain. Spektrometri IR mengukur frekuensi dari radiasi yang terabsorpsi, dan plot hasil dari energi terabsorpsi versus frekuensi dikenal sebagai spektrum IR dari material yang dianalisis. Identifikasi senyawa dapat dilakukan karena perbedaan struktur kimia material akan memberikan vibrasi karakteristik dan menghasilkan spektra IR yang unik, yaitu daerah sidik jari untuk tiap-tiap material. Pengukuran FTIR standar berlangsung pada rentang 7000-400 cm-1, tetapi dapat pula mencapai ~50 cm-1, dengan menggunakan tambahan sumber sinar, optik, dan detektor. Keuntungan dari metode FTIR ini yaitu radiasi sumber sinar yang lebih tinggi, perbandingan sinyal/noise ditingkatkan, mengurangi waktu pengukuran, dan akurasi pengukuran yang

lebih

tinggi

dibandingkan

dengan

spektrometer

dispersif

cahaya

konvensional [26].

Skripsi


Humaira


19

2.12

Scanning Electron Microscopy (SEM) Mikrostruktur morfologi film diuji menggunakan mikroskop elektron

untuk mengetahui topografi permukaan dan penampang melintang suatu polimer. Prinsip kerja SEM dimulai dengan berkas elektron primer dengan energi kinetik 1 – 25 kV mengenai sampel, kemudian elektron tersebut direfleksikan atau dipancarkan. Elektron yang direfleksikan ini disebut dengan elektron sekunder yang akan muncul dan menentukan image yang teramati di layar micrograph pada alat SEM [28].

2.13

Differential Scanning Calorimetry (DSC) Metode DSC diukur menggunakan suatu instrumen analisis termal dimana

suatu sampel polimer dan referensi inert dipanaskan dalam atmosfer nitrogen. Selanjutnya transisi termal dalam sampel dideteksi dan diukur. Pemegang sampel yang paling umum digunakan yaitu pan alumunium yang berukuran sangat kecil, dan referensinya yaitu pan kosong atau yang mengandung bahan inert dalam area temperatur yang diinginkan. Ukuran sampel yang dimasukkan dalam pan sampel bervariasi mulai dari 0,5 hingga 10 mg. Dalam teknik DSC, panas yang diserap maupun yang dibebaskan bertujuan untuk membuat perbedaan temperatur antara sampel dan senyawa pembanding menjadi nol [26].

2.14

Karakterisasi Sifat Mekanik Film Plastik Uji sifat mekanik film dilakukan dengan uji tarik. Uji tarik merupakan

ukuran kekuatan suatu bahan yang melibatkan deformasi material di bawah

Skripsi


Humaira


20

tekanan tertentu. Suatu bahan dengan uji tarik yang tinggi memiliki sifat mekanik lebih kuat dibandingkan bahan dengan uji tarik rendah [28]. Beberapa besaran fisika yang digunakan untuk menentukan sifat fisik material yaitu tegangan (stress), regangan (strain), dan modulus Young. Semua besaran ini diperoleh dengan melakukan uji tarik terhadap material yang akan diukur. Tegangan (stress) adalah besarnya gaya (F) yang diberikan pada material yang diuji per satuan luas material (A) [29]. Hubungan antara besarnya gaya yang diberikan dengan besarnya tegangan ditunjukkan persamaan (1) :

 dengan

:

F A



(1)

σ = tegangan F = gaya A = luas penampang

Regangan (strain) adalah perbandingan mula-mula akibat suatu gaya dengan arah sejajar perubahan panjang tersebut [29]. Hubungan antara regangan dengan perubahan panjang ditunjukkan pada persamaan (2) :

ε=

dengan :

Skripsi

l l0

ε

= regangan

Δl

= perubahan panjang

lo

= panjang awal


(2)

Humaira


21

Nilai regangan ditunjukkan oleh prosentase elongation at break seperti pada persamaan (3) berikut: % EB = dengan :

EB

l x 100% l0

(3)

= Elongation at break

Hubungan antara tegangan dan regangan dinyatakan dalam Hukum Hooke yaitu strain berbanding lurus dengan stress yang dipenuhi pada daerah elastis. Hubungan antara tegangan dan regangan dapat ditunjukkan pada Gambar 2.8 [28]. Perpanjangan saat putus d

T e g a n g a n

b a

c

tegangan maksimum

Regangan

Gambar 2.8 Kurva umum hubungan stress-strain polimer Pada bagian awal kurva perubahan tegangan dan regangan berbanding lurus sampai titik a (batas berbanding lurus) tercapai dan mengacu pada Hukum Hooke. Mulai a sampai b tegangan dan regangan tidak berbanding lurus, tetapi bila beban ditiadakan di sebarang titik antara a dan b, kurva akan kembali menelusuri jejaknya dan bahan yang bersangkutan akan kembali pada keadaan awal. Dengan demikian daerah a sampai dengan b bahan tersebut dapat dinyatakan sebagai bahan yang elastis.

Skripsi


Humaira


22

Modulus Young atau Modulus Elastis (E) adalah kemiringan dari kurva tegangan – regangan sebelum tercapai hasil tegangan [29]. Persamaannya adalah sebagai berikut :

  E = Modulus Young E

dengan :



(4)

σ = tegangan ε = regangan Titik b merupakan batas sifat elastis sedangkan dari b ke d bahan akan mengalami deformasi plastis, artinya bahan tidak akan kembali ke keadaan awal setelah gangguan ditiadakan. Jika antara batas elastis dan titik putus terjadi deformasi plastis yang besar, suatu bahan dikatakan kenyal (ductile) tetapi jika pemutusan bahan segera melewati batas elastis maka suatu bahan dikatakan rapuh (brittle) [29].

Skripsi


Humaira


BAB III METODE PENELITIAN

3.1

Tempat dan Waktu Penelitian Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Kimia Fisik Departemen Kimia

Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Airlangga, Laboratorium Dasar Bersama (LDB) Fakultas Farmasi Universitas Airlangga, dan Laboratorium Polimer Technical Departement (TCD) PT. Chandra Asri Petrochemical, Tbk. Waktu yang diperlukan untuk menyelesaikan penelitian ini yaitu sembilan bulan dimulai pada bulan Oktober – Juli 2012.

3.2

Bahan dan Peralatan Penelitian

3.2.1

Bahan penelitian Bahan

yang

digunakan

dalam

penelitian

yaitu

tepung

konjac

glukomannan [KGM] 28% (diperoleh dari PT. Ambico), kitosan dengan derajat deasetilasi 88% (diperoleh dari CV. Bio Chitosan Indonesia), etanol absolut p.a. (Merck), gliserol p.a. (SAP), asam asetat glasial 99,99% p.a. (Merck), dan trisnonylphenylphospite [TNPP] (diperoleh dari PT. Chandra Asri Petrochemical, Tbk.), dan akuades (diperoleh dari PT. Bratachem). 3.2.2

Peralatan penelitian Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini yaitu mesin single screw

extruder (Yokohama Chemical), mixer (Ribbon), penyaring mesh 60 dan 20, neraca analitik, jangka sorong, hotplate, bak penampung, dan peralatan gelas

Skripsi


Humaira


24

(gelas beaker ukuran 1000, 500, dan 250 mL; gelas ukur 100 dan 50 mL; labu ukur ukuran 1000 dan 500 mL; pipet tetes; magnetic stirrer; corong ukuran sedang dan kecil; serta pengaduk gelas). Sedangkan untuk keperluan analisis kuantitatif maupun kualitatif digunakan instrumen spektroskopi IR Shimadzu tipe Prestige-21 dan Nicolet tipe iS10, Differential Scanning Calorimetry (DSC) Shimadzu tipe DSC-50 dengan thermal analyzer tipe TA-501, autograph Shimadzu tipe AG-10TE, Densimeter H, Scanning Electron Microscopy (SEM)-EDX tipe JEOL JSM-6360 dan JED-2200, dan X-Ray Diffraction (XRD) Philips Analytical.

3.3

Tahapan Kerja Penelitian Tahapan kerja dalam penelitian secara berurutan meliputi studi pustaka,

perancangan draft proposal skripsi, eksperimen (karakterisasi sifat fisikokimia tepung KGM, karakterisasi sifat fisikokimia kitosan, preparasi material dan larutan kerja, proses ekstrusi blending material, karakterisasi sifat fisikokimia ekstrudat dan film bioplastik), analisis sementara hasil eksperimen, penulisan naskah akhir skripsi, dan pembuatan artikel ilmiah. 3.3.1

Karakterisasi sifat fisikokimia tepung KGM Karakterisasi sifat fisikokimia tepung KGM meliputi pengamatan visual

intensitas warna tepung, analisis kandungan glukomannan, analisis termal menggunakan DSC, analisis gugus fungsi menggunakan FTIR, dan morfologi mikrostruktur menggunakan SEM.

Skripsi


Humaira


25

3.3.1.1 Pengamatan intensitas warna tepung Intensitas warna tepung diamati secara visual untuk identifikasi awal prediksi kandungan glukomannan dari tepung KGM. Kandungan glukomannan dari tinggi ke rendah dapat ditunjukkan dengan intensitas warna yaitu dari warna putih mengkilap (tinggi) – krem (sedang) – moka krem (rendah) [4]. 3.3.1.2 Analisis kandungan glukomanan Glukomannan dalam tepung KGM adalah kandungan penting (selain kandungan amilosa, amilopektin, dan air) yang diinginkan dalam pengembangan material bioplastik dan harus dianalisis untuk dijadikan dasar dalam preparasi selanjutnya sebelum diproses di mesin ekstruder. Kandungan glukomannan dianalisis menggunakan metode gravimetri oleh Laboratorium Balai Besar Pascapanen Bogor. Metode standar analisis kandungan glukomannan secara gravimetri dijelaskan sebagai berikut. Sampel ditimbang sebesar 0,5-1 gram, kemudian dimasukkan ke dalam tabung reaksi 50 mL. Sampel dilarutkan dengan 50 mL akuades dan dikocok menggunakan ultrasonik pada temperatur 60°C selama 60 menit, selanjutnya diinkubator ±24 jam pada temperatur 60°C. Sampel disentrifuge, diambil cairan jernihnya, ditampung dalam labu erlenmeyer 200 mL yang sudah terisi 50 mL etanol absolut p.a. Kocok labu secara perlahan dan akan timbul endapan selai.

Skripsi


Humaira


26

Saring dengan kertas saring yang sudah diketahui massanya. Cuci labu erlenmeyer dan kertas saring dengan etanol absolut p.a., selanjutnya keringkan dalam oven pada temperatur 100°C selama 30 menit. Kertas saring dan endapan ditimbang [30]. Perhitungan massa glukomannan yaitu: W glukomannan = W (kertas+endapan) – W kertas saring kosong

3.3.1.3 Analisis termal menggunakan DSC Analisis termal terhadap tepung KGM menggunakan DSC dengan pengaturan temperatur pada Tabel 3.1. Preparasi sampel yang akan dianalisis yaitu dengan menimbang sejumlah 5 mg sampel dan diletakkan dalam pan Alumunium (Al). Pan yang berisi sampel selanjutnya diberikan seal di bagian atas, dan dipelet menggunakan alat tekan dalam kondisi vakum. Gas nitrogen (N2) yang terhubung dengan instrumen DSC digunakan untuk memberikan aliran atmosfer selama proses pengujian [31]. Tabel 3.1 Pengaturan temperatur input data DSC Laju rata-rata (°C/min) 10 -10 10

Hold Temp. (°C) 200 30 200

Hold Time (min) 5 3 0

Temperatur dalam sistem instrumen DSC diatur dari 0°C hingga 200°C dengan laju kenaikan panas 10°C per menit dimana pada 200°C temperatur ditahan selama 5 menit, kemudian temperatur diturunkan hingga 30°C dengan laju penurunan panas 10°C per menit dan pada 30°C temperatur ditahan selama 3 menit, selanjutnya temperatur dinaikkan kembali hingga 200°C. Data yang keluar yaitu berupa termogram dimana sumbu-x menyatakan waktu (menit) dan fungsi

Skripsi


Humaira


27

temperatur (°C), sedangkan sumbu-y menyatakan laju panas/heat flow dalam miliwatt (mW). 3.3.1.4 Analisis spektra FTIR Preparasi sampel untuk analisis menggunakan FTIR tipe Shimadzu melalui teknik pelet KBr. Metode standar preparasi yaitu sejumlah 2 mg sampel dicampur dengan 200 mg KBr hingga homogen menggunakan alat vibrating mill. Sampel selanjutnya dicetak untuk membentuk pelet dan divakum selama proses penekanan. Pelet selanjutnya diukur dengan IR Shimadzu tipe Prestige-21 hingga muncul spektra FTIR [32]. Spektra FTIR menunjukkan pada sumbu-x adalah bilangan gelombang (cm-1) dan sumbu-y menyatakan %T (transmittance). 3.3.1.5 Morfologi mikrostruktur SEM Langkah-langkah dalam preparasi sampel untuk analisis menggunakan instrumen SEM yaitu dimulai dengan pemotongan sampel yang terpilih hingga berbentuk balok berukuran ± 0,3 cm x 0,3 cm x 0,2 cm. Pemotongan sampel diusahakan untuk lebih rapih dimana bidang yang dipilih harus rata, karena akan berpengaruh terhadap hasil uji yaitu terutama pada fokus hasil pengujian secara analisis area. Selanjutnya yaitu menyiapkan specimen holder dengan diameter 1 cm dan tebal 0,5 cm. Mengambil pasta perak/dotite dan mengoleskan ke specimen holder yang sudah dibersihkan terlebih dahulu dengan menggunakan aseton. Pemberian dotite diusahakan lebih lengket karena berhubungan dengan kestabilan sampel pada saat pengujian. Menempelkan sampel ke atas specimen holder yang sudah diolesi dotite, setelah kokoh oleskan dotite lagi mengelilingi pinggir sampel agar tidak ada rongga antara specimen holder dengan sampel. Sampel dikeringkan

Skripsi


Humaira


28

di atas hotplate selama 10-15 menit. Setelah kering sampel disemprot dengan menggunakan blower agar terjaga kebersihannya. Memasukkan sampel ke dalam alat fine coat. Coating ini di maksudkan agar sampel yang akan di uji menjadi penghantar listrik [33]. 3.3.2

Karakterisasi sifat fisikokimia kitosan Karakterisasi sifat fisikokimia kitosan meliputi uji kelarutan dalam asam

asetat glasial 1%, analisis gugus fungsi dan perhitungan pendekatan nilai derajat deasetilasi melalui spektra FTIR, analisis termal menggunakan DSC, morfologi mikrostruktur

menggunakan

SEM,

dan

analisis

kristalinitas

material

menggunakan XRD. Metode standar untuk preparasi sampel FTIR, SEM, dan DSC serta pengkondisian sampel sesuai dengan metode preparasi yang dijelaskan pada karakterisasi tepung KGM. 3.3.2.1 Uji kelarutan kitosan Kelarutan kitosan terhadap pelarut asam asetat glasial berperan penting dalam menentukan volume pelarut asam asetat glasial untuk melarutkan kitosan dengan sempurna dalam waktu yang cepat. Hal ini sangat erat kaitannya dengan preparasi kitosan selanjutnya sebelum diproses di mesin ekstruder, mengingat komposisi kitosan yang telah ditentukan dalam penelitian yaitu dalam jumlah yang relatif besar. Uji kelarutan kitosan diamati dengan melarutkan kitosan dalam larutan asam asetat glasial 1% dengan rasio kitosan dan pelarut yaitu 1:10 (w/v) [13]. Pembuatan larutan asam asetat glasial 1% dengan cara larutan induk asam asetat

Skripsi


Humaira


29

glasial dengan kemurnian 99,99% dipipet 1 mL, kemudian dilarutkan dalam akuades pada labu ukur 100 mL, dan diencerkan hingga volume 100 mL serta dikocok hingga homogen. 3.3.2.2 Analisis difraksi sinar-X Pola difraksi sinar-X diukur menggunakan alat XRD dengan teknik preparasi sampel sebagai berikut. Sebelum preparasi sampel, semua perangkat untuk preparasi sampel dibersihkan dengan etanol 70%. Sampel dipadatkan di holder (menggunakan meja preparasi sampel, pisau, brush, blok penekan) dan permukaan sampel diatur sedemikian rupa sehingga rata dengan holdernya. Sampel dimasukan pada alat XRD dan dipasang pada sampel stage. Sampel diukur pada sudut panjang yaitu 2θ = 5 – 90° dengan sumber sinar jenis Cu KAlpha 1,54 [34]. 3.3.2.3 Penentuan derajat deasetilasi (DD) Prosentase nilai DD dapat ditentukan melalui metode titrasi menggunakan PVSK (potassium polivinilsulfat) dan metode pendekatan melalui spektra IR. Metode titrasi koloid menggunakan PVSK dikerjakan dengan prosedur yaitu larutan kitosan disiapkan dengan melarutkan 0,5 g kitosan dalam asam asetat 5% untuk mencapai volume akhir 100 g. Sebesar 1 g larutan kitosan diambil kemudian ditambahkan 30 mL akuades. Titrasi dilakukan dengan meneteskan 1/400 N larutan PVSK dengan penambahan 2~3 tetes 0,1% toluidine blue sebagai indikator. Titrasi dihentikan jika larutan kitosan tepat berubah menjadi warna ungu [35].

Skripsi


Humaira


30

Untuk memastikan nilai DD hasil metode titrasi PVSK dari bahan kitosan oleh suplier, maka dilakukan pengecekan ulang menggunakan metode pendekatan melalui hasil spektra FTIR. Metode pendekatan nilai DD dengan spektra IR menggunakan sotfware project Dini Iflakhah (2011) yang mengacu pada metode base line, yaitu menggunakan spektra gugus amida sekitar 1655 cm-1 dan puncak spektra gugus hidroksil sekitar 3450 cm-1. Software bekerja menggunakan metode baseline a, baseline b dan persamaan yang digunakan dalam software untuk menghitung nilai derajat deasetilasi yaitu persamaan Domzy dan Roberts, Baxter, serta Sabnis [36]. 3.3.3

Preparasi material dan larutan kerja Larutan kerja yang digunakan dalam penelitian ini meliputi larutan etanol

absolut p.a. 70%, larutan asam asetat glasial 2%, larutan gliserol p.a. 20%. Pembuatan larutan etanol absolut p.a. 70% yaitu larutan induk etanol absolut p.a. dituang hingga volume 70 mL dalam labu ukur 100 mL, kemudian dilarutkan dalam akuades dan diencerkan hingga volume 100 mL serta dikocok hingga homogen. Pembuatan larutan asam asetat glasial 2% yaitu larutan induk asam asetat glasial dengan kemurnian 99,99% dipipet 2 mL, kemudian dilarutkan dalam akuades pada labu ukur 100 mL, dan diencerkan hingga volume 100 mL serta dikocok hingga homogen. Pembuatan larutan gliserol p.a. 20% yaitu larutan induk gliserol p.a. dituang sejumlah 20 mL dalam gelas ukur 100 mL, kemudian diencerkan

Skripsi


Humaira


31

menggunakan akuades hingga volume 100 mL pada gelas beaker 100 mL serta diaduk hingga homogen. Material tepung KGM dipreparasi dengan cara ekstraksi glukomannan dengan pelarut etanol absolut p.a. 70% selama ±36 jam dalam wadah kondisi tertutup rapat. Selanjutnya campuran didekantasi secara perlahan, pelarut etanol dipisahkan dan ¼ bagian tepung KGM paling atas dipisahkan sehingga diperoleh kristal mengkilap glukomannan. Preparasi serbuk kitosan yaitu dengan melarutkan dalam pelarut asam asetat glasial 2% dengan rasio kitosan dan pelarut yaitu 1:10 (w/v). Konsentrasi larutan asam asetat glasial yang semula 1% dinaikkan menjadi 2% dengan tujuan untuk mempercepat kelarutan kitosan. Kitosan dapat larut sempurna dalam pelarut asam asetat glasial 2% dengan dibantu pengadukan selama ± 48 jam untuk mempercepat kelarutannya. 3.3.4

Proses ekstrusi material blending Mesin ekstruder yang digunakan yaitu tipe mini single screw extruder

Yokohama Chemical dengan spesifikasi sebagai berikut (diameter screw 45 mm; L/D 34; kecepatan screw hopper 15,4-154 rpm; kecepatan screw extruder 50-500 rpm; tekanan 1000-5000 kPa; dan diameter exit hole 3,2 mm). Tabel 3.2 menunjukkan kondisi mesin ekstruder untuk proses ekstrusi material dalam penelitian.

Skripsi


Humaira


32

Tabel 3.2 Kondisi mesin ekstruder Item

Kondisi

Kecepatan screw extruder (rpm)

200

Kecepatan screw hopper (rpm)

150

Tekanan (kPa)

2000-4000

Profil temperatur barrel (°C) - Zona 1(feed hopper) - Zona 2 - Zona 3 - Zona 4 - Zona 5 - Zona 6 - Zona 7 - Zona 8 (die exit hole)

30 50 70 90 110 120 130 120

Material yang akan diproses menggunakan ekstruder dicampur dalam wadah mixer dan dilakukan pencampuran selama ±120 menit dengan kecepatan pengadukan 30 rpm. Selanjutnya ditampung dalam wadah untuk diproses lebih lanjut dalam mesin mini ekstruder. Tabel 3.3 menunjukkan perbandingan komposisi material blending dalam % w/v. Tabel 3.3 Perbandingan komposisi material blending Komposisi Blending-1 Blending-2 Blending-3

Tepung KGM 50 40 30

Kitosan 10 20 30

TNPP 0,315 0,315 0,315

Gliserol 20 20 20

Material yang keluar dari proses ekstrusi disebut ekstrudat. Ekstrudat yang keluar ditampung untuk dikeringkan pada temperatur 50°C dan dimasukkan dalam kemasan alumunium laminated bag yang diisi dengan silika gel dan pengatur kelembaban. Kemasan selanjutnya disimpan dalam desikator.

Skripsi


Humaira


33

3.3.5

Karakterisasi sifat fisikokimia material ekstrudat dan film bioplastik Karakterisasi sifat fisikokimia material ekstrudat bioplastik meliputi

analisis gugus fungsi menggunakan FTIR, analisis termal DSC, analisis difraksi sinar-X, dan morfologi SEM. Metode standar untuk preparasi sampel FTIR, SEM, dan DSC serta pengkondisian sampel sesuai dengan metode preparasi yang dijelaskan pada karakterisasi tepung KGM dan kitosan. Dalam karakterisasi sifat mekanika film bioplastik, masing-masing ekstrudat dicetak pada plat film ketebalan 1,5 cm menggunakan press molding hidrolik. Profil temperatur press molding diatur pada pemanasan 120°C (mengacu pada nilai Tm) selama ± 30-45 menit, dan pendinginan pada temperatur 50°C selama 15 menit. Sampel film bioplastik selanjutnya dikarakterisasi sifat mekanikanya melalui uji tarik menggunakan instrumen Autograph. Prosedur kerja uji tarik yaitu menyiapkan sampel dengan ukuran panjang 10 cm x lebar 2 cm. Menghidupkan autograph, dan tekan tombol RETURN pada crosshead control box. Selanjutnya letakkan sampel pada sample stage, dan atur load (beban) dengan memutar tombol BALANCE pada kontrol load amplifier sampai load 0,005 kN. Tekan tombol peak dan tombol UP pada crosshead control box. Sebelum sampel tepat putus, tekan tombol STOP. Nilai load (beban) inilah yang dicatat dimana nilai tersebut mewakili nilai kuat tarik maksimum dari film atau sampel yang diuji. Catat nilai LOAD (kN) dan POSITION (mm) ke dalam buku kerja, jika sampel telah selesai dianalisis tekan tombol OFF untuk mematikan autograph [37].

Skripsi


Humaira


34

Preparasi sampel untuk pengujian water uptake yaitu dengan teknik press molding hidrolik. Ekstrudat dicetak dalam plat besi berbentuk lingkaran dengan ketebalan 2 cm dan diameter 1,5 cm pada temperatur 170°C. Sampel ditimbang, dan selanjutnya dicelupkan dalam bejana air selama ± 30 menit, kemudian ditimbang massa akhir sampel.

Skripsi


Humaira


35

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1

Karakterisasi Tepung Konjac Glukomannan (KGM)

4.1.1

Analisis kandungan glukomannan dalam tepung KGM Tepung KGM yang bertindak sebagai filler (pengisi) dalam pembuatan

bioplastik sangat ditentukan oleh kandungan glukomannan dalam tepung. Kandungan glukomannan dalam tepung KGM dapat diprediksi melalui pengamatan intensitas warna tepung. Tepung KGM berwarna putih mengkilap mengindikasikan kandungan glukomannan yang tinggi yaitu >80% [4]. Hasil pengamatan intensitas warna terhadap tepung KGM dari PT. Ambico menunjukkan warna moka krem yang mengindikasikan kandungan glukomannan relatif rendah (ditunjukkan pada Gambar 4.1).

Gambar 4.1 Tepung KGM dari PT. Ambico (kiri) dan Tepung KGM referensi kualitas I (kanan) Data pendukung untuk mengetahui kadar glukomannan dalam tepung KGM dianalisis menggunakan metode gravimetri. Berdasarkan hasil pengujian sampel terhadap tepung KGM yang dikeluarkan oleh Laboratorium Pengujian Balai Besar

Skripsi


Humaira


36

Pascapanen Bogor diperoleh kandungan glukomannan sebesar 27,084% (ditunjukkan pada Tabel 4.1). Tabel 4.1 Spesifikasi mutu tepung KGM Item Intensitas warna

Spesifikasi Moka Krem

Keterangan Pengamatan visual

SO2

< 30 ppm Max

Sertifikasi oleh PT. Ambico

pH

6,5-8 Max


Moisture

7-12%


Viskositas

17000-25000 cps


Glukomannan

27,084%

Lab.Pengujian Balai Besar Pascapanen Bogor

4.1.2

Karakterisasi sifat fisikokimia tepung KGM Sifat fisikokimia dari tepung KGM dikarakterisasi menggunakan peralatan

FTIR, DSC, dan SEM untuk mempelajari gugus fungsi dalam struktur polimer glukomannan, nilai titik leleh (Tm), dan morfologi material. Spektra FTIR dari tepung KGM ditunjukkan dalam Gambar 4.2.

Gambar 4.2 Spektra FTIR tepung KGM

Skripsi


Humaira


37

Tabel 4.2 Analisis gugus fungsi tepung KGM Frekuensi Vibrasi (cm-1)

Gugus Fungsi

1026

C−O−C

2931

−CH2−

3441

−OH

E K S O T E R M

85,93C

Gambar 4.4 Termogram tepung KGM Berdasarkan termogram di atas menunjukkan bahwa tepung KGM mengalami pelelehan pada temperatur 85,93°C menit keenam, namun peak terlihat melebar, tidak tajam, dan tidak simetris. Peak tipe tersebut menggambarkan bahwa material berstruktur amorf, sehingga jika material mengalami pemanasan terus menerus akan mengalami retrogradasi (lingkaran biru) dan terdekomposisi. 4.2

Karakterisasi Kitosan

4.2.1

Tahapan umum proses produksi kitosan Secara umum kitosan hasil transformasi dari kitin diproses melalui

tahapan deproteinasi (DP), demineralisasi (DM), dan deasetilasi (DA) untuk menghasilkan kemurnian kitosan >70%. Tahapan deproteinasi bertujuan untuk

Skripsi


Humaira


38

menghilangkan material protein melalui perlakuan alkali. Tahapan selanjutnya yaitu menghilangkan mineral yang terkandung dalam cangkang udang seperti kalsium karbonat (CaCO3) dan kalsium pospat (Ca3(Po4)2) melalui perlakuan asam menggunakan larutan HCl 2N. Reaksi kimia yang terjadi selama proses demineralisasi yaitu: Tahapan reaksi penentu dalam produksi kitosan yaitu deasetilasi, dimana terjadi transformasi kitin menjadi kitosan sebagai akibat perlakuan alkali yang kuat (NaOH 50%) dengan temperatur tinggi (121°C) selama ± 2 jam dibantu dengan pengadukan. Mekanisme reaksi yang terjadi selama proses deasetilasi ditunjukkan pada Gambar 4.6 [13]. OH

OH

O

O

OH

OH Na

+

OH

-

O

N H

H 3

-

CH

HO

3

OH

OH

O

O

O +

OH

OH

C H

3

+

C O

O

N H O

Na

OH

-

+

N H

CH

-

-

C -

-

OH

C -

CH

O

N

C

H

3

Gambar 4.6 Mekanisme reaksi transformasi kitin menjadi kitosan 4.2.2

Karakterisasi sifat fisikokimia kitosan Kitosan yang digunakan dalam penelitian merupakan kitosan yang

diproduksi oleh CV. Bio Chitosan Indonesia. Berdasarkan dokumen yang terlampir dalam produk kitosan dinyatakan bahwa kitosan tersebut diproses melalui suatu reaktor dengan prinsip tahapan yaitu deproteinasi, demineralisasi, depigmentasi, dan deasetilasi. Proses depigmentasi dilakukan melalui ektraksi dan

Skripsi


Humaira


39

bleaching menggunakan aseton dan NaOCl. Spesifikasi produk kitosan dari CV. Bio Chitosan Indonesia ditunjukkan dalam Tabel 4.4. Tabel 4.4 Sertifikat analisis produk kitosan dari CV. Bio Chitosan Indonesia Item Warna Bau Ukuran partikel Kelarutan pH (5%dispersion) Viskositas

Spesifikasi Putih/kuning Kurang bau Serbuk 99% min. 6,5-7,5 50 cps max.

Hasil Kuning pucat Kurang bau 20-30 mesh 99% UP 7,1 12 cps

Derajat Deasetilasi

70% min.

88,5%

Metode Visual Visual Metode mesh 6% larutan HCl 1% pH meter 0,5% dalam larutan asam asetat PVSK

Pengujian pendukung untuk sifat fisikokimia kitosan meliputi uji kelarutan, analisis gugus fungsi melalui FTIR, penentuan derajat deasetilasi (DD) melalui pendekatan analisis spektra FTIR (Software Project oleh Dini Iflakhah, 2011), analisis termal menggunakan DSC, kristalinitas pola difraksi sinar-X, dan morfologi SEM.

Gambar 4.8 Struktur kimia kitosan Nilai %T dalam spektra FTIR kitosan selanjutnya digunakan sebagai input data dalam software Dini Iflakhah (2011) untuk penentuan pendekatan nilai derajat deasetilasi. Software bekerja menggunakan metode baseline a, baseline b

Skripsi


Humaira


40

dan persamaan yang digunakan dalam software untuk menghitung nilai derajat deasetilasi yaitu persamaan Domzy dan Roberts, Baxter, serta Sabnis. Metode ini merupakan metode pendekatan untuk menghitung derajat deasetilasi dimana diperlukan metode pendukung yang lebih akurat seperti metode titrasi menggunakan potassium polivinilsulfat (PVSK). Tabel 4.5 menunjukkan hasil perhitungan derajat deasetilasi kitosan yang digunakan dalam penelitian.

Persamaan

DD (%)

Baxter

77,78

Domzy dan Roberts

69,58

Sabnis

86,97

Metode titrasi PVSK

88,50

Hasil perhitungan menggunakan persamaan Sabnis lebih mendekati dengan nilai DD yang diperoleh dari metode titrasi PVSK. DD Kitosan sebesar 70% diartikan bahwa prosentase pengurangan gugus asetil (−COCH3) pada kitin sebesar 70%, sehingga dalam produk kitosan masih terkandung gugus asetil dalam jumlah relatif sedikit. Pola termogram kitosan dipelajari untuk mengetahui karakter pelelehan material. Berdasarkan termogram Gambar 4.9 menunjukkan bahwa kitosan meleleh pada temperatur 81,56°C menit keenam, dengan peak eksotermik (lingkaran biru) yang mengindikasikan material meleleh diikuti proses dekomposisi. Peak endotermik dari termogram kitosan yang sedikit melebar dan tidak tajam menunjukkan bahwa kitosan berstruktur semi kristalin sehingga dalam istilah polimer plastik, kitosan dapat disimpulkan tidak memiliki titik leleh (Tm).

Skripsi


Humaira


41

E K S O T E R M

81,56C

Gambar 4.9 Pola termogram kitosan Transisi gelas (Tg) kitosan (lingkaran hijau) dapat teramati pada temperatur 193°C menit ke-17. Suyatma et al. meneliti perubahan Tg pada kitosan pada rentang nilai yaitu 190-196°C, sedangkan Cervera et al. (2004) melaporkan bahwa Tg kitosan pada temperatur 130-139°C [38, 39]. Cervera menyatakan bahwa variasi Tg pada kitosan berhubungan dengan perbedaan kristalinitas, kandungan air, derajat deasetilasi, dan

gugus –OH atau amina dalam rantai

makromolekul kitosan [39]. Kitosan telah dipelajari dan diaplikasikan secara luas sebagai biomaterial dengan berbagai keunggulan yang dimiliki. Kemampuan kitosan membentuk film, dan sifat mekanika yang kuat menjadikan kitosan dikembangkan lebih lanjut untuk dipelajari potensi aplikasinya dalam berbagai bidang. Analisis morfologi kitosan melalui SEM diperlukan untuk mempelajari mikrostruktur material terkait dengan karakteristik dan aplikasinya. Gambar 4.11 menunjukkan mikrograf kitosan dengan perbesaran 20000x.

Skripsi


Humaira


42

Gambar 4.11 Mikrograf kitosan perbesaran 20000x Berdasarkan mikrograf SEM terlihat granula kitosan menyebar merata dengan rata-rata rata ukuran diameter granula yaitu 0,06-0,12 0,06 µm. Selain itu terlihat adanya pori dalam material serbuk kitosan dengan ukuran diameter pori bervariasi yaitu 0,078 µm; 0,057 µm; dan 0,054 µm..

4.3

Perlakuan Bahan sebelum Proses Ekstrusi Material berbasis pati (starch) ( atau yang lebih dikenal dengan istilah

“Thermoplastic Thermoplastic Starch” Starch (TPS) dapat diproses menjadi material termopl termoplastik menggunakan metode tertentu. Kelemahan termoplastik berbasis pati yaitu sifat mekanika yang rendah dan sensitivitas terhadap kelembaban yang tinggi. Dalam upaya memperbaiki kelemahan pada TPS, TPS beberapa cara dapat dilakukan seperti teknik blending dengan dengan material yang memiliki keunggulan sifat mekanika dan/atau resistensi terhadap kelembaban yang tinggi. tinggi. Blending TPS dengan polimer sintetis seperti polietilen (PE) banyak dikembangkan ngkan dalam dunia industri

Skripsi


Humaira


43

dengan tujuan meningkatkan sifat mekanika dari TPS. Namun pemilihan bahan sintetik seperti PE tidak mendukung proses biodegradasi di dalam tanah dari material blending, sehingga hanya material TPS yang dapat terdegradasi oleh mikroorganisme dalam tanah, dan sisanya tetap tertinggal di lingkungan. Blending TPS dengan senyawa hidrofobik seperti poliester juga memiliki kendala yaitu menghasilkan pemisahan fasa pada campuran atau dikatakan sedikit bercampur (rather imissicible), sehingga membutuhkan suatu aditif compatibilizer dalam pencampuran material.

4.3.1

Perlakuan terhadap tepung KGM Tepung KGM yang mengandung glukomannan sebesar 27% perlu

diekstraksi menggunakan pelarut etanol absolut p.a 70% selama ±36 jam dalam wadah kondisi tertutup rapat. Selanjutnya campuran didekantasi secara perlahan, pelarut etanol dipisahkan dan ¼ bagian tepung KGM paling atas dipisahkan sehingga

diperoleh

kristal

mengkilap

glukomannan.

Sebagian

kristal

glukomannan yang telah diketahui massanya, ditambahkan TNPP sebesar 0,35% wt (± 17,5 gram) dan dituangkan secara cepat dan tepat pada kristal glukomannan karena TNPP bersifat cepat melekat. Campuran kristal glukomannan dan TNPP kemudian ditambahkan larutan gliserol dengan konsentrasi 20%. Campuran dimasukkan dalam mixer dengan kecepatan pengadukan sebesar 30 rpm selama ± 60 menit.

Skripsi


Humaira


44

4.3.2

Perlakuan terhadap kitosan Serbuk kitosan dilarutkan dalam pelarut asam asetat glasial 2% dengan

rasio kitosan dan pelarut yaitu 1:10 (w/v). Konsentrasi pelarut asam asetat glasial yang semula 1% dinaikkan menjadi 2% dengan tujuan untuk mempercepat kelarutan kitosan. Hasil menunjukkan bahwa waktu yang dibutuhkan kitosan dapat larut sempurna dalam asam asetat glasial 2% masih relatif lama, sehingga diperlukan perlakuan pengadukan untuk mempercepat kelarutannya. Konsentrasi kitosan yang disiapkan yaitu 10%, 20%, dan 30%. Masing-masing larutan kitosan didiamkan selama ±48 jam dengan pengadukan. 4.3.3

Blending material tepung KGM dan kitosan Kedua material yang telah diperlakukan menggunakan teknik tertentu

dicampur dalam wadah mixer dan dilakukan mixing selama ±120 menit dengan kecepatan pengadukan 30 rpm. Blending material dengan masing-masing komposisi tersebut selanjutnya ditampung dalam wadah untuk diproses lebih lanjut dalam mesin mini ekstruder. Tabel 4.6 menunjukkan perbandingan komposisi blending material dalam % w/v. Tabel 4.6 Perbandingan komposisi blending material Blend keBlend-1 Blend-2 Blend-3

4.4

Tepung KGM 50 40 30

Kitosan 10 20 30

TNPP 0,315 0,315 0,315

Gliserol 20 20 20

Pengkondisian Mesin Esktruder Mesin ekstruder yang digunakan dalam penelitian yaitu tipe mini single

screw extruder Yokohama dengan spesifikasi sebagai berikut (diameter screw 45

Skripsi


Humaira


45

mm; L/D 34; kecepatan screw hopper 15,4-154 rpm; kecepatan screw extruder 50-500 rpm; tekanan 1000-5000 kPa; dan diameter exit hole 3,2 mm). Tabel 4.7 menunjukkan kondisi mesin ekstruder untuk proses ekstrusi material dalam penelitian. Tabel 4.7 Kondisi mesin ekstruder Item

Kondisi

Kecepatan screw extruder (rpm)

200

Kecepatan screw hopper (rpm)

150

Tekanan (kPa)

2000-4000

Profil temperatur barrel (°C) -

Zona 1(feed hopper) Zona 2 Zona 3 Zona 4 Zona 5 Zona 6 Zona 7 Zona 8 (die exit hole)

30 50 70 90 110 120 130 120

Mesin ekstruder sebelum digunakan untuk memproses material baru perlu dibersihkan (cleaning) untuk menghindari kontaminasi dari sisa terakhir material yang melekat pada screw. Cara membersihkan screw yaitu dengan memasukkan material resin plastik yang memiliki viskositas tinggi agar dapat mendorong sisa material yang masih melekat pada screw. Selanjutnya dengan kondisi tertentu, seluruh material yang digunakan dalam pembersihan dimasukkan melalui feed hopper dan ditunggu hingga material dipastikan keluar secara keseluruhan. Jika terdengar gesekan screw dan jarum penunjuk tekanan berada pada posisi nol, menandakan

Skripsi

bahwa

material

sisa

telah

terdorong

keluar


keseluruhan.

Humaira


46

Pengkondisian tersebut juga dilakukan ketika seluruh material dalam penelitian ini telah selesai diekstrusi. Proses selanjutnya yaitu blending material dengan komposisi tepung KGM:kitosan (50:10) dimasukkan sebagian secara perlahan dalam feed hopper ekstruder, ditunggu hingga keluar sebagai ekstrudat, proses ini diulang selama ± 90 menit. Selanjutnya proses ekstrusi blending material dimulai dari konsentrasi tepung KGM terbesar hingga terkecil. Ekstrudat yang keluar selama selang waktu 30 menit pertama dari setiap komposisi material blending diabaikan (tidak ditampung). Kondisi ini berlaku setiap penggantian komposisi material blending yang masuk ke dalam feed hopper. Hal ini bertujuan untuk mendapatkan hasil ekstrusi yang sesuai dengan konsentrasi sebenarnya.

4.5

Ekstrudat Bioplastik dari Proses Ekstrusi Material yang keluar dari lubang die exit ekstruder berupa ekstrudat

memanjang seperti mie. Ekstrudat tampak pertama kali di lubang die exit berwarna putih, namun setelah berada pada temperatur ruang berubah menjadi kuning kecoklatan. Gambar 4.12 menunjukkan hasil ekstrudat dari proses ekstrusi.

Gambar 4.12 Ekstrudat Biopol 4 (kanan); Biopol 8 (tengah); Biopol 12 (kiri)

Skripsi


Humaira


47

Ekstrudat pada temperatur ambien menunjukkan sifat elastis seperti rubber/karet. Konsentrasi gliserol dalam material blending sangat berpengaruh terhadap karakter sifat karet pada ekstrudat. Selama proses ekstrusi temperatur dikondisikan tidak melebihi 130°C [41]. Prinsip yang mendasari proses ekstrusi pada material berbasis starch yaitu ekstrusi cooking. Istilah tersebut umum digunakan untuk memproses bahan-bahan yang mengandung pati dan protein untuk menghasilkan produk snack, roti, dan pasta. Semenjak era substitusi plastik konvensional berbasis petroleum dengan plastik berbasis biopolimer seperti pati, penggunaan istilah ekstrusi cooking sering diadopsi untuk menjelaskan proses ekstrusinya. Proses yang terjadi selama ekstrusi mencakup compression (pelelehan, gelatinisasi, dan pencampuran), pengadukan, pemasakan/cooking, serta pencetakan. Pengaruh temperatur pemanasan dan gaya gesekan oleh screw terhadap material, menjadikan struktur kristalin dari granula pati terpecah secara tidak teratur membentuk fasa polimer secara terus menerus [21].

4.6

Identifikasi Jenis Material Bioplastik Identifikasi awal material bioplastik dari proses ekstrusi diperlukan untuk

penggolongan klasifikasi material. Skema identifikasi standar material plastik di PT. Chandra Asri Petrochemical, Tbk dapat digunakan sebagai dasar identifikasi awal penggolongan material. Gambar 4.13 berikut merupakan bagan identifikasi klasifikasi material bioplastik dari ekstrudat proses ekstrusi. Ekstrudat dalam temperatur ambien berbau spesifik seperti cuka dan menyengat. Bau spesifik tersebut mengarah pada kategori material polimer sejenis

Skripsi


Humaira


48

selulosa asetat. Namun sampel ekstrudat ketika terbakar secara terus menerus tidak menimbulkan bau spesifik dan tidak ada sampel yang menetes. Jika sampel ekstrudat di jatuhkan dalam bejana berisi air, ekstrudat mengapung, namun selang waktu 2 jam berikutnya sampel tenggelam dan posisi berdiri tegak menghadap ke atas. Berdasarkan identifikasi tersebut diduga material ekstrudat termasuk dalam klasifikasi termoplastik golongan selulosa asetat atau selulosa nitrat.

4.7

Karakterisasi Sifat Fisikokimia Material Bioplastik Karakter

suatu

polimer

menentukan

penggolongan

material

dan

berpengaruh terhadap perbaikan metode penelitian selanjutnya. Sifat fisikokimia yang mendukung untuk mempelajari karakter polimer yaitu analisis sifat termal menggunakan DSC, kristalinitas dari pola difraksi sinar-X, morfologi SEM, sifat mekanika

yang

diuji

menggunakan

Autograph,

analisis

gugus

fungsi

menggunakan FTIR, dan uji penyerapan air (water uptake). 4.7.1

Termogram material bioplastik Analisis termal pada ekstrudat menggunakan instrumen DSC untuk

menganalisis nilai titik leleh (Tm), dan temperatur transisi gelas (Tg). Gambar 4.14 merupakan termogram dari masing-masing hasil ekstrudat. V

Skripsi


Humaira


49

Berdasarkan ketiga termogram di atas, material bioplastik dengan kode Biopol_4 (konsentrasi kitosan 10%) menunjukkan nilai titik leleh (Tm) sebesar 100,60°C. Peak titik leleh (Tm) yang merupakan hasil ekstrapolasi temperatur onset terlihat tajam dan tidak melebar. Peak yang tajam dan tidak melebar menandakan bahwa material berstruktur kristalin. Sedangkan pada peak termogram Biopol_8 (konsentrasi kitosan 20%) dan Biopol_12 (konsentrasi kitosan 30%) menunjukkan adanya efek listrik (lonjakan daya listrik) sehingga muncul fasa mendatar dari peak endotermik titik leleh (Tm). Oleh karena itu nilai titik leleh (Tm) menunjukkan rentang 111-118°C untuk material biplastik kode Biopol_12 dan 110-116°C untuk Biopol_8. Software pada instrumen DSC di PT. Chandra Asri Petrochemical, Tbk. yang tidak dilengkapi dengan software analyzer untuk penentuan perubahan entalpi, menyulitkan peneliti untuk menentukan pengaruh konsentrasi kitosan terhadap perubahan entalpi pada masing-masing material bioplastik. Pola statis pada peak termogram memiliki kemiripan sifat dengan polimer termoset, dimana polimer termoset setelah mengalami temperatur curing tidak mengalami kristalisasi melainkan mengalami pengerasan akibat pembentukan ikatan crosslink seperti network/jaringan. Kondisi statis yang terus menerus juga dapat diinterpretasikan bahwa material tersebut telah mengalami oksidasi dan terdekomposisi.

Skripsi


Humaira


50

4.7.2

Difraktogram material bioplastik Pola difraksi sinar-X dari material bioplastik yang dianalisis diwakili oleh

kode Biopol_4 dan Biopol_12. Pada Gambar 4.15 ditunjukkan difraktogram material bioplastik Biopol_4 dan Biopol_12 yang diukur pada 2θ = 5 – 90°. 180

Jenis BIOPOL

140

Relative Intensity (%) 8,34

120

160

100

BIOPOL 12

80 60

BIOPOL 4

40

2θ (°) 10,92

Peak Height (counts) 0,73

13,66

12,06

1,19

14,75

19,32

1,28

100

40,49

8,70

77,40

48,23

6,73

11,07

11,45

0,70

100

64,32

6,34

20

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Gambar 4.15 Difraktogram material bioplastik Pola difraksi sinar-X suatu material sangat ditentukan oleh bentuk material tersebut. Bentuk serbuk dan pelet merupakan bentuk ideal material yang akan diuji menggunakan XRD. Mengamati difraktogram material bioplastik secara visual menunjukkan bahwa material berstruktur amorf. Penelitian Corradini et al. (2006) mengungkapkan bahwa setelah proses ekstrusi material termoplastik berbasis starch hampir sepenuhnya berstruktur amorf, namun jika berada di atas temperatur transisi gelas berstruktur kristalin [42]. Peak khas pada 2θ = 19,32° merupakan tipe V-kristalin, sedangkan puncak dengan intensitas 100% yang teramati pada 2θ = 40° dan 64° mengindikasikan bahwa terdapat struktur kristalin dalam material ekstrudat. Sehingga material bioplastik dimungkinkan berstruktur semi kristalin.

Skripsi


Humaira


51

4.7.3

Morfologi film bioplastik Analisis mikrostruktur film Bioplastik mengggunakan SEM dilakukan

melalui preparasi ekstrudat yang dicetak pada plat film dengan ketebalan 1,5 cm menggunakan press molding hidrolik. Profil temperatur press molding diatur pada pemanasan 120°C (mengacu pada nilai Tm) selama ± 30-45 menit, dan pendinginan pada temperatur 50°C selama 15 menit. Hasil pencetakan film menggunakan press molding hidrolik menunjukkan tidak benar-benar homogen. Sehingga performa film tidak sehomogen jika dicetak menggunakan teknik injection molding atau blow molding. Interpretasi topografi film bioplastik menunjukkan bahwa material film bioplastik membentuk polimer matriks dan berpori. Sampel material bioplastik dengan kode Biopol_8 menunjukkan struktur matriks yang sangat jelas. Mikrograf menunjukkan bahwa semakin besar konsentrasi kitosan yang digunakan, semakin terlihat banyak pori dalam film.

Skripsi


Humaira


52

Aplikasi film kitosan sebagai membran, mendasari munculnya pori pada material film bioplastik. Model struktur 3D berikut dapat menggambarkan struktur polimer kitosan yang menunjukkan adanya pori (Gambar 4.17).

Gambar 4.17 Model struktur 3D kitosan dengan dot van derWaals (kiri); dan tanpa dot van derWaals

4.7.4

Uji tarik film bioplastik Pengujian sifat mekanik material polimer digunakan untuk mempelajari

kualitas dan karakter material polimer. Jenis uji mekanik tersebut meliputi uji tarik (tensile test), uji tekan (compression test), uji torsi (torsion test), dan uji geser (shear test). Pengujian material film bioplastik dalam penelitian ini yaitu melalui uji tarik. Uji tarik merupakan pengujian material yang paling mendasar, mudah dilakukan dan biayanya terjangkau. Uji tarik yang dilakukan menggunakan instrumen Autograph Shimadzu tipe AG-10TE dengan kapasitas 1~10000gf/0,01~100kN, dimana pengujian masing-masing sampel dilakukan tiga kali pengulangan. Tabel 4.8 merupakan hasil perhitungan dari rekaman data instrumen Autograph.

Skripsi


Humaira


53

Tabel 4.8 Hasil perhitungan dari rekaman data uji tarik Kode Bioplastik Biopol_12

Biopol_8

Biopol_4

Stressp-σ (N/mm2) 0,022 0,067 0,089 0,022 0,044 0,067 0,022 0,044 0,067

Strain-ε

% Strain-ε

0,0612 0,1941 0,3383 0,0111 0,0878 0,1571 0,0208 0,0956 0,1348

6,12 19,41 33,83 1,11 8,78 15,71 2,08 9,56 13,48

Modulus Young (MY) 0,3594 0,3452 0,2631 1,9820 0,5011 0,4265 1,0577 0,4602 0,4970

%MY 35,94 34,52 26,31 198,20 50,11 42,65 105,77 46,02 49,70

Berdasarkan uji tarik material film, nilai tegangan/stressp-σ menunjukkan kuat tarik (tensile strength) dari tegangan tarik maksimum, berdasarkan nilai gaya yang masih dapat ditahan oleh sampel sebelum mengalami perpatahan [26]. Selanjutnya, untuk membuat kurva hubungan antara nilai stress dan strain dilakukan uji tarik terhadap sampel film bioplastik masing-masing komposisi dengan mencatat posisi perpanjangan pada Autograph setiap perubahan 2 mm dan perubahan nilai load (beban). Kurva tersebut selanjutnya digunakan untuk menentukan karakter material film bioplastik. Mempelajari nilai stress (tegangan) yang dihasilkan material film Bioplastik, variasi konsentrasi kitosan tidak berpengaruh secara signifikan terhadap nilai tensile strength film bioplastik. Gambaran karakter material film bioplastik lebih jelas dipelajari melalui kurva berikut yang mewakili nilai stressstrain dari masing-masing komposisi (lihat Gambar 4.18).

Skripsi


Humaira


54

Kurva Hubungan Stress Strain

Stress (MPa)

0.082 0.072

BIOPOL 12

0.062

BIOPOL 8

0.052

BIOPOL 4

0.042 0.032 0.022 1 3 5 7 9 111315171921232527293133 Strain (%)

Gambar 4.18 Hubungan kurva stress-strain material film bioplastik Berdasarkan kurva hubungan stress-strain tersebut menunjukkan bahwa material bioplastik berada pada daerah elastis, meskipun jenis Biopol 4 dan 12 telah melewati daerah linier (daerah elastis) namun masih berada pada yield point atau titik batas elastis. Berdasarkan hukum Hooke kurva di atas mengarah pada sifat elastomer yang sesuai dengan kondisi material film seperti rubber/karet pada temperatur ambien. Sifat elastomer pada material bioplastik yang memperlihatkan resiliensi (daya pegas) dapat ditimbulkan dari adanya ikatan kimia sekunder (ikatan-ikatan hidrogen intermolekul) yang berperilaku seperti polimer ikat silang dengan rapat ikat silang yang rendah [43].

4.8

Spektra FTIR Material Bioplastik Spektra

FTIR

masing-masing

komposisi

bioplastik

dianalisis

menggunakan instrumen FTIR Nicolet tipe iS10. Sampel ekstrudat dari masingmasing bioplastik dianalisis menggunakan teknik ATR (Attenuated Total

Skripsi


Humaira


55

Reflectance) dan tidak memerlukan preparasi sampel seperti teknik pellet KBr. Gambar 4.19 menunjukkan spektra FTIR gabungan dari Biopol_4, Biopol_8, Biopol_12; tepung KGM dan kitosan. Spektra FTIR ketiga sampel ekstrudat bioplastik tidak menunjukkan perbedaan yang berarti dari spektra FTIR material penyusunnya yaitu kitosan dan tepung KGM. Hal tersebut ditunjukkan pada spektra FTIR tidak muncul band spesifik yang membedakan antara material ekstrudat bioplastik dan material penyusunnya. Berdasarkan spektra FTIR tersebut gugus fungsi yang terdeteksi pada material menunjukkan vibrasi ulur N−H primer pada bilangan gelombang 3269, 3261, 3255 cm-1; vibrasi C−O amida I pada 1636 cm-1; vibrasi ulur P−O−C pada 1027 dan 1029 cm-1. Vibrasi P−O−C muncul dimungkinkan akibat reaksi stabilizer TNPP (tris-nonylphenylphospite) yang masuk dengan mekanisme memperpanjang rantai polimer sehingga material polimer tidak terdekomposisi oleh pemanasan selama proses ekstrusi. Analisis interaksi kimia antara polimer tepung KGM dan kitosan diperlukan pendalaman lebih lanjut untuk memperbaiki model reaksi kimia yang dapat membentuk ikatan kimia primer atau ikatan kimia sekunder yang kuat. Tepung KGM yang memiliki ikatan hidrogen intra maupun intermolekul yang luas/extensive memberikan kontribusi yang besar terhadap karakter polimer dan interaksi kimia yang terjadi selama proses ekstrusi. Modifikasi kimia terhadap material polimer berbasis starch melalui pengendalian rasio amilosa agar lebih besar daripada amilopektin, dan esterifikasi polimer berbasis starch merupakan

Skripsi


Humaira


56

beberapa alternatif metode

yang terjangkau, dapat meningkatkan sifat

termoplastik biopolimer, serta memperbaiki karakter biopolimer tersebut.

4.9

Pengujian Water Uptake (WA) dari Film Bioplastik Dengan teknik press molding hidrolik pada temperatur 170°C ekstrudat

bioplastik dicetak dalam plat besi berbentuk lingkaran dengan ketebalan 2 cm dan diameter 1,5 cm. Sampel ditimbang terlebih dahulu, selanjutnya dicelupkan dalam bejana air selama ± 30 menit, kemudian ditimbang massa akhir sampel. Tabel 4.9 menunjukkan prosentase nilai WA dari material film bioplastik. Tabel 4.9 Prosentase nilai water uptake film bioplastik Jenis Biopol Biopol_12 Biopol_8 Biopol_4

Massa-W (gr) 0,5593 0,7950 0,6845 0,7951 2,2328 2,4181

ΔW

% WA

0,2357

42,14

0,1106

16,15

0,1853

8,29

Hasil pengujian terhadap water uptake film bioplastik menunjukkan adanya peristiwa penggembungan (swelling) (lihat Gambar 4.20) pada ikat silang dalam polimer bioplastik karena adanya molekul pelarut yang menembus ke dalam sistem polimer bioplastik.

Skripsi


Humaira


57

4.10

Reologi Material Bioplastik Perilaku deformasi dan aliran polimer merupakan kunci penting aplikasi

polimer di dunia industri. Viskositas yang tinggi ditandai dengan kekentalan material blending antara tepung KGM (η = 17000-25000 cps), kitosan (η = 12 cps) dalam pelarutnya, dan gliserol menjadikan kecepatan mengalirnya material selama proses ekstrusi sangat lambat. Berdasarkan reologi polimer, maka fenomena peristiwa tersebut termasuk tipe aliran sistem Non Newton yang tidak dipengaruhi oleh waktu (aliran sistem pseudoplastik). Sebagai pembanding, material resin HDPE yang diproses menggunakan mesin ekstruder tipe yang sama dengan pengkondisian kecepatan screw dan temperatur barrel yang sama, waktu aliran HDPE 45 menit lebih cepat dibandingkan waktu aliran material blending dalam penelitian. Selama proses ekstrusi material blending membutuhkan kecepatan screw yang tinggi ± 300-400 rpm di awal proses ekstrusi. Selanjutnya ketika material telah mengalir dan tampak keluar dari die exit hole kecepatan screw diturunkan menjadi 200 rpm. Kecepatan screw mempengaruhi shear stress (tegangan gesekan) antara screw dengan material dan screw dengan dinding barrel serta berpengaruh terhadap aliran material di dalam ekstruder. Panas yang dihasilkan selama proses ekstrusi sebagai akibat dari shear stress antara screw dan dinding barrel berpengaruh terhadap disrupsi (pengacauan) material polimer. Selain itu, material dalam keadaan yang amorf, memiliki cukup banyak lilitan, sehingga untuk mempercepat disrupsi lilitan membutuhkan tambahan laju shearing.

Skripsi


Humaira


58

Proses ekstrusi material blending polimer juga ditentukan oleh screw dalam ekstruder. Single screw extruder dengan toleransi kandungan air maksimal 35% menjadikan proses pencampuran material blending kurang homogen. Teknologi terbaru yaitu twin screw extruder lebih tepat untuk memproses material blending dengan kandungan air yang tinggi, dimana toleransi kandungan air pada peralatan twin screw extruder mencapai 95%.

Skripsi


Humaira


BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

5.1

Kesimpulan Berdasarkan hasil penelitian, maka dapat disimpulkan sebagai berikut: a. Blending material antara tepung KGM dan kitosan yang diproses menggunakan single screw extruder mennghasilkan suatu material bioplastik yang bersifat elastomer ditinjau dari identifikasi awal material bioplastik b. Karakteristik material bioplastik dari blending material tepung KGM dan kitosan yaitu bersifat termoplastik (golongan selulosa asetat) dengan nilai titik leleh (Tm) pada rentang 100-118°C, berstruktur semi kristalin, dan berpola matriks. Material bioplastik menunjukkan karakter mekanik soft dan tough (lunak dan ulet), dengan nilai elongation at break yang tinggi yaitu mencapai 35%. Penyerapan terhadap air dari material bioplastik dipengaruhi oleh pembentukan pori pada material film bioplastik dengan nilai masing-masing yaitu 42,14% (Biopol_12), 16,15 (Biopol_8), dan 8,29% (Biopol_4). c. Reologi polimer dari blending material antara tepung KGM dan kitosan menunjukkan aliran sistem non Newton (pseudoplastik), dimana ditinjau dari aliran (flow) polimer blending material tepung KGM, kitosan, dengan plasticizer gliserol menunjukkan viskositas

Skripsi


Humaira


67

yang tinggi dan aliran material yang lambat selama proses ekstrusi menggunakan single screw sxtruder.

5.2

Saran Berdasarkan

penelitian

yang

telah

dilakukan

disarankan

untuk

pengembangan penelitian lebih lanjut terkait modifikasi kimia pada tepung KGM dan/atau proses ekstrusi material dari blending polimer disarankan menggunakan mesin twin screw extruder.

Skripsi


Humaira


DAFTAR PUSTAKA

[1] Momani Brian, 2009, Assessment of the impact of bioplastics: energy usage, fossil fuel usage, pollution, health effects, effects on the food supply, and economic effects compared to petroleum based plastics, An interactive qualifying project report, Massachusetts United States: Faculty of the Worcester Polytechnic Institute. [2]

Bioplastics Magazine Germany, 2011, Biopolymer composites based on lignin and cellulose, Lars Ziegler et al., Polymedia Publisher GmbH Dammer Str.112: Germany, Page 22, Edition 01/11, Vol. 6.

[3]

Jansen P.B.M. Leon and Moscicki Leszek (Editor), 2009, Thermoplastic starch: A green material for various industries, Weinheim: WILEY-VCH Verlag GmbH & Co.KGaA.

[4]

Mulyono Edy, 2010, Peningkatan mutu tepung iles-iles sebagai bahan pengelastis mie dengan teknologi pencucian bertingkat dan enzimatis pada kapasitas produksi 250 Kg umbi/hari, Laporan akhir pelaksanaan kegiatan program insentif riset terapan, Bogor: Balai Besar Penelitian dan Pengembangan Pertanian.

[5]

Agulló E., Gschaider M.E., Rodríguez M.S., Ramos V.M., and Pedroni V., 1998, Efecto antifúngico de películas de quitosano sobre prepizzas, Inform Tecnol 9(3): 123-8.

[6]

Jerome Burlet, Marie-Claude Heuzey, Charles Dubois, Paula Wood-Adams, and Josee Brisson, 2005, Thermal stabilization of high molecular weight Lpolylactide, Ecole Polytechnique de Montreal, Concordia University, and Universitie Laval, ANTEC: Page 1133-1137.

[7]

Dokumen Nasional, Standar Nasional Indonesia (SNI) No. 7188.7:2011, Kriteria ekolabel – bagian 7: Kategori produk kantong belanja plastik, Jakarta: Badan Standardisasi Nasional (BSN), ICS 13.020.50.

[8]

Anonim, 2010, Buku saku plastik, Catatan 1: Pengetahuan dasar plastik, Cilegon: PT. Tri Polyta Indonesia, Tbk., Trilene: Hal. 1-14.

[9]

Mackiewicz Julia, 2010, The hazards of plastic, PlasticFreeBottles.com and GoGreenInStages.com (Diakses pada tanggal 12 Oktober 2011.

[10] Lin Xiaoyan, Wu Qiang, Luo Xegang, Liu Feng, Luo Xiaoqing, and He Pan, 2010, Effect of degree of acetylation on thermoplastic and melt rheological properties of acetylated konjac glucomannan, Carbohydrate Polymer 82: 167-172, Elsevier.

Skripsi


Humaira


69

[11] Vipul Dave, Mihir Sheth, Stephen P. McCharthy, Jo Ann Ratto, and David L. Kaplan, 1998, Liquid crystalline, rheological and thermal properties of konjac glucomannan, Lowell MA 01854 USA: Departement of Plastics Engineering University of Massachusetts and Kansas Street Natick MA 01760 USA: Biotechnology Division US Army Natick Research, Polymer 39: 1139-1148, Elsevier. [12] Orawan Tatirat, Sanguansri Charoenrein, and William L. Kerr, 2012, Physicochemical properties of extrusion – modified konjac glucomannan, Bangkok Thailand: Departement of Food Science and Technology Faculty of Agro-Industry Kasetsart University and Athens GA 30602 USA: Departement of Food Science and Technology College of Agricultural and Enviromental Science Universiy of Georgia, Carbohydrate Polymer 87: 1545-1551. [13] Nadarajah Kandasamy, 2005, Development and characterization of antimicrobial edible films from crawfish chitosan, Dissertation University of Peradeniya Sri Lanka, Departement of Food Science Louisiana State University and Agricultural and Mechanical College. [14] Tolaimate A., Desbrières J., Rhazi M., Alagui M., Vincendon M., and Vottero P., 2000, On the influence of deacetylation process on the physicochemical characteristics of chitosan from squid chitin, Polymer 41: 2463-9. [15] No HK., and Meyers SP., 1995, Preparation and characterization of chitin and chitosan – A review, Journal of Aqua Food Pro Techno, 4: 27-52. [16] Muzzarelli RAA., Isolati A., and Ferrero A., 1974, Chitosan membranes: Ion exchange and membranes, London: Gordon and Breach Science Publishers, Vol. 1, P.193-6. [17] Lim LY., and Wan SC., 1995, Heat treatment of chitosan films, Drug Dev Ind Pharm 21: 839-46. [18] Remuñán-López C., and Bodmeier R., 1996, Mechanical and water vapour transmission properties of polysaccharide films, Drug Dev Ind Pharm 22: 1201-10. [19] Begin A., and Calsteren MRV., 1999, Antimicrobial films produced from chitosan, Int J Biol Macromol 26: 63-7. [20] Park SY., Marsh KS., and Rhim JW., 2002, Characteristics of different molecular weight chitosan films affected by the type of organic solvents, J Food Sci 67 (1): 194-7.

Skripsi


Humaira


70

[21] Frost Krist, 2010, Thermoplastic starch composites and blends, Thesis Doctor of Philosopy, School of Applied Sciences College of Science Engineering and Health RMIT University. [22] Billmeyer FW., 1984, Textbook of polymer science, New York: Wiley. 276p. [23] Nugraha E. Suyatma, Lan Tighzert, and Alain Copinet, 2005, Effects on hydrophilic plasticizers on mechanical, thermal, and surface properties of chitosan film, France: Universite de Reims Champagne Ardenne Esplanade Roland Garros. [24] Silverstein et al., 2005, Spectrometric identification of organic compounds, 7th ed, John Wiley and Sons Inc.: State University of New York. [25] Baxter A., Dillon M., Taylor K.D.A., and Roberts G.A.F., 1992, Improved method for IR determination of the degree of N-acetylation of chitosan, Intl J Biol Macromol, 14: 166-169. [26] Sutiani A., 2009, Metoda karakterisasi bahan polimer, Jurnal Kultura 10 No.01 FMIPA UNIMED. [27] Sperling LH., 1986, Introduction to Physical Polymer Science, John Wiley and Sons, New York. [28] Mulder M., 1996, Basic principle of membrane technology, Kluwer Academic Publ., Padi in London. [29] Lando JB., Maron SH., 1974, Fundamental of physical chemistry, Mac. Millan Publishing Co., Inc., New York. [30] Anonim, 2012, Dokumen metode standar analisis glukomannan, Bogor: Laboratorium Balai Besar Pascapanen. [31] Rijal Syamsul, 2012, Dokumen metode standar analisis titik leleh plastik menggunakan DSC, Cilegon: Laboratorium Polimer Technical Departement (TCD) PT. Chandra Asri Petrochemical, Tbk. [32] Asfiyah Siti, 2012, Dokumen metode standar preparasi sampel FTIR tipe Shimadzu Prestige-21, Yogyakarta: Laboratorium Kimia Organik Fakultas MIPA Universitas Gajah Mada. [33] Wikanda dan Wawan, 2012, Dokumen metode standar preparasai sampel SEM-EDX JEOL-6360, Bandung: Laboratorium Geologi Kuarter.

Skripsi


Humaira


71

[34] Aqidah Muhammad, 2012, Dokumen metode standar preparasi sampel XRD Philips Analytical, Surabaya: Research Centre Institut Teknologi Sepuluh November. [35] Darmawan, 2012, Dokumen metode standar penentuan derajat deasetilasi kitosan menggunakan titrasi PVSK, Cirebon: CV. Bio Chitosan Indonesia. [36] Iflakhah Dini, 2011, Otomatisasi penentuan derajat deasetilasi kitosan dari data spektroskopi inframerah, Skripsi S-1, Surabaya: Departemen Kimia Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Airlangga. [37] Rahman Aris, 2012, Dokumen metode standar uji tarik film bioplastik, Surabaya: Laboratorium Dasar Bersama (LDB) Fakultas Farmasi Universitas Airlangga. [38] Nugraha E. Suyatma et al., 2005, Mechanical and barrier properties of biodegradable films made from chitosan and PLA Blends, Journal of Polymer and The Enviroment, Vol.12, No.1, January. [39] Cervera M.F., Karjalainen M., Airaksinen S., Rantanen J., Krogars K., Heinamaki J., Colarte A.I., and Yliruusi J., 2004, Physical stability and moisture sorption of aqueous chitosan-amylose starch film plasticized with polyols, Eur. J. Pharm, Biopharm, 58, 69-76. [40] Monarul Islam et al., 2011, Preparation of chitosan from shrimp shell and investigation of its properties, International Journal of Basic and Applied Sciences IJBAS-IJENS, Vol. 11, No.01. [41] Yokesahachart Yoksan C. et al, 2011, Effect of amphiphilic moleculs on characteristic and tensile properties of thermoplastic starch and its blends with poly (lactid acid), Carbohydrate Polymers 83: 22–31. [42] Corradini E., de Carvalho A.J.F., da Silva Curvelo A.A., Agnelli J.A.M., and Mattoso L.H.C, 2007, Preparation and characterization of thermoplastic starch/zein, Materials Research, 10: 227–231. [43] Stevens Malcom P., 2007, Polymer chemistry: An introduction, University Hartford, Oxford University Press Inc., Penerjemah: Sopyan Iis, Jakarta: PT. Pradnya Paramita, Hal. 36, 109-111.

Skripsi


Humaira


LAMPIRAN 7 Perhitungan Nilai Derajat Deasetilasi (DD) Kitosan dengan pendekatan Spektra FTIR

Skripsi


Humaira

PENGEMBANGAN MATERIAL BIOPLASTIK DARI BLENDING TEPUNG KONJAC GLUKOMANNAN (KGM) DAN KITOSAN MENGGUNAKAN SINGLE SCREW EXTRUDER S K R I P S I

Recommend Documents