Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains M(lteri /II l\'erpong. 20 -21 Oktober 1998
ISSN1410-2897
SIFAT FISIK DAN BIODEGRADIBILITAS KOPOLIMER PATI-POLI METIL AKRILAT (S-g-PMA) 536
TEMPEL
Lies A. Wisojodharmo, Sokartini, Dody A. Winarto, S.J.A. Nasiri, Hero Santoso,Hardaning P.danDjamil Badan Pengkajian clan Penerapan Teknologi (BPPT) JI. M..R. Thamrin 8 Jakarta 10340
ABSTRAK SIFAT FISIK DAN BIODEGRADIBILITAS
KOPOLIMER
CANGKOK
PATI-POLI METIL AKRILAT
(S-g-PMA). Aplikasi materia I plastik dalam kehidupan sehari-hari semakin meningkat, sehingga jumlah konsumsi material plastik juga meningkat. yang selanjutnya menyebabkan penimbunan sampah (limbah) plastik. Material plastik umumnya tidak dapat diuraikan secara biologis atau tidak bersifat "biodegradabel" Dengan demikian dicoba mereaksikan produk pertanian seperti pati dengan monomer, agar diperoleh material polimer yang masih mempunyai sifat unggul seperti tahan air clan berkekuatan tinggi, namun bersifat biodegradabel. Kopolimer Tempel pati-PMA (~-g-PMA)dibuat dengan mereaksikan pati (tapioka) clan monomer metil akrilat, serta menggunakanserik amonium nitrat (=CAN). Hasil sintesisyang merupakan campuran S-g-PMA, homopolimer PMA clan sisa pati tapioka yang tidak bereaksi. Selanjutnya untuk mempermudah dalam pengolahan menjadi produk jadi seperti film, kedalam hasil sintesis ditambahkan bahan aditif yang berfungsi sebagai stabilizer (penstabil) clan luhricant. (pelumas). Dalam penelitian ini dibedakan penambahan internal lubricant (pelumas internal) clan external lubricant (pelumas eksternal), yang selanjutnya akan mempengaruhi sifat fisik material yang dihasilkan. Pengaruh penambahan pelumas internal atau eksternal terhadap struktur mikro clan morfologi diamati dengan menggunakan SEM, clan terhadap sifat mekanik diukur menggunakan VTM (I:lniversal Testing Machine). Selain hal tersebut untuk melihat pengaruh pati dalam hasil sintesis, maka sisa pati tersebut dihilangkan dahulu dengan tara ekstraksi air, clanhal ini akan mempengaruhi sifat mekaniknya. Demikian pula sifat biodegradibilitas daTi material dilakukan dengan uji pertumbuha,nAspergillus Niger clan uji penguburan (hurialtest) Hasil pengujian kekuatan tarik material hasil sintesis dibandingkan material basi! sintesis yang telah dihilangkan sisa patinya, tidak menunjukkan perbedaanyang berarti, yaitu sebesar ] 0,23 M Pa clan ]] ,33 M Fa. Namun elongasi material basil sintesisyang telah dihilangkan sisa patinya yaitu sebesar ]80,82 % terlihat ]ebih besar daTimaterial basil sintesis as]i yang hanya IlO,84 %. Sementara material yangmenggunakan pelumas eksternal mununjukkan kuat tarik yang lebih tinggi yaitu sebesar lO,23 M Fa, dibandingkan material yang menggunakan pelumas internal yaitu 7,20 M Fa. Melalui uji pertumbuhan A.\"pergilhl.\"Niger clan uji penguburan (hurialtest) menunjukkan bahwa material S-g-PMA bersifat biodegradabel.
ABSTRACT PHYSICAL PROPERTIES AND BIODEGRADABILITY OF STARCH GRAFT POLY METHYL ACRYLATE COPOLYMER (S-~-PMA). The increasing of plastic utilization in dailylife will increase the plastic material consumption, and then will increase the plastic wastes, because usually the plastic materials can not be decomposed biologically or its were not biodegradable. Therefore, it is introduced a reaction of agricultural products such as starch with the monomer, in order to obtain a plastic material which is expected to be more resist again water moist and still has biodegradable. Starch graft poly methyl acrylate copolymer were prepared bysynthese of starch (tapiocca) with methyl acrylate monomer, by using ceric ammonium nitrate (=CAN) as initiator. The synthesis products were consist of S-g-PMA, homopolymer PMA and unreacted starch. For plastic processing to produce film form is needed the addition of chemicals additives as stabilizer and lubricant. In this study is added internal lubricant and external lubricant, which will influence the physical properties of materials. The influence of internal or external lubricant to micro structure was observed by SEM, and to mechanical properties were determined by {JTM. Also the influence of the unreacted starch in the synthesisproducts will cause the difference of mechanical properties,and the rest of starch must be removed. Further the biodegradability of materials which produced, were conducted by test of Aspergillus niger growth and burial test. The 1ensile strength of synthesis products and synthesis product which are free from starch have no significance different, that are 10.23 M Pa and 11.33 M Pa. But the elongation of synthesis products which are free from starch (=180.82 %) slightly higher than the original synthesis products (=110.82 %). The material with external lubricant has higher tensile strength (= 10.23 M Pa) than the material with internal lubricant (= 7.20 M Pa). The results of biodegradability test (Aspergillus niger growth and burial test) show that the material (S-g-PMA) is biodegradable.
KATA KUNCI Kopolimer tempel. Homopolimer, Stabilizer, Lubricant, Aspergillus niger
i
Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi III .\'erpong, 20 -21 Oktober 1998
PENDAHULUAN Limbah plastik menjadi masalah yang cukup serius untuk ditangani, tidak hanya di negara berkembang tapi juga bagi negara maju. Mengingat material plastik terbuat dari bahan petrokimia yang umumnya tidak ramah lingkungan, maka penggunaan material plastik yang ramah lingkungan sangat diharapkan, karena dapat menyelesaikan masalah pengurangan limbah plastik. Oleh karena itu diupayakan untuk menggabungkan bahan basil pertanian seperti pati dengan bahan petrokimia. Adapun usaha penggabungankedua material tersebut dapat dilakukan berbagai cara, seperti mencampurkan pati kedalam material plastik yang terbuat dari petrokimia melalui proses blending (pencampuran) (1] atau dengan cara mereaksikan pati dengan monomer yang terbuat dari bahan petrokimia (2,3]. Ada pula cara lain yaitu dengan mereaksikan pati yang bersifat polar dengan zat ketiga, agar hasilnya bersifat non polar daDhila dicampurkan dengan material plastik yang bersifat non polar, akan tercampur dengan baik (4]. Polimer sintetik mempunyai sifat fisik yang unggul, seperti lebih tahan air clan kekuatan tariknya cukup tinggi. Sementara itu polimer alam, seperti pati clan kapas. mempunyai sifat fisik yang kurang baik. Sehingga usaha penggabungan pati dengan monomer petrokimia akan sangat baik, karena dapat diharapkan menghasilkan materia! yang sifat fisiknya baik, clan bersifat ramah lingkungan. Pada penelitian ini direaksikan antara pati tapioka dengan monomer metil akrilat dengan menggunakan inisiator serik amonium nitrat (=CAN). Hasil sintesis merupakan campuran kopolimer cangkok pati-PMA (S-g-PMA), homopolimer PMA clansisa pati yang tidak beraksi. Selanjutnya pada basil sintesis ditambahkan bahan aditif untuk memudahkan pembuatan produk seperti film, mengingat film plastik banyak digunakan untuk barang pengemas makanan. Untuk memudahkan menjadi film ditambahkan bahan stabilizer clan lubricant. Pencampuran aditif jenis pelumas yang digunakan yaitu internal clan eksternal. Pelumas internal berpengaruh pada intermolekular atau diantara rantai polimer. Sedangkanpelumas eksternal berfungsi pada pennukaan polimer pada saat meleleh, atau diantara polimer clan permukaan peralatan proses, untuk mengurangi viskositas leleh. Jenis pelumas eksternal yang digtmakan adalah Kalsium stearat, sedangkan pelumas internal adalah Gliseril mono stearat (GMS). Selain itu agar tidak terjadi degradasi termal ditambahkan pula aditif jenis heat stabilizer. Pencampuran material dilakukan dengan proses dry blendin,l;'.clan kemudian dilanjutkan dengan proses hot blendin,l;'.Padaproses dry blending hanya teljadi kontak permukaan antar komponen, clan pencampuranmenjadi lebih intensif clan homogen hila menggunakan hot
Lies A Wijosodharmodkk.
ISSN 1410-2897 blending. Adapunpengujianyang dilakukan terhadap material basil sintesis meliputi uji mekanik, analisis mikro daD morfologi serta sifat biodegradibilitas.Uji mekanik dimaksudkan untuk mengetahui kekuatan mekanik materialyang dihasilkan dibandingkan material plastik. Sedanganalisis mikro dimaksudkan untuk mengetahuistruktur mikro material terutama pengaruhpenambahanpelumasinternal atau pelumas eksternal. Sementarauji biodegradibilitas berfungsi untuk mengetahuiseberapa jauh biodegradibilitasdari materialyangdihasilkan.
METODE Bahan Tapioka cap Gunung Agung dari Hero swalayan,' Ceric amonium nitrat p.a (=CAN) dari Merck, Metil akrilat p.a (=MA) dari Fluka, Kalsium stearat (pelumas eksternal), Gliserin mono stearat (pelumasinternal), Irganox 1010 (stabilizer primer) dan Irgafos 168 (stabilizer sekunder).
Cara kerja Diagram alii- tatakerja
MA
CAN
\1/
\
\
Hasi)' siIrtcsis.
---~=
(Sam~J 1)
denga11 air (Sam pel 2) EkStJ'aksi dengan aseton
~
Laru\dalam ascton: (HQmopolitner PMA)
\
Padatanyang.tidal lam! d:.lamaseton ada]a)\S-g-PMA (sampeI3)
295
I
ProsidingPertemuanIlmiah SainsMateri III Serpong, 20 -21 Oktoher 1998
Pembuatan Kopolimer (S-g-PMA)
ISSN1410-2897 pati -MA
cangkok
PembuatanS-g-PMA dilakukan dalam tabu leher lima volume I liter. Tapioka(8,5gram)dimasukkankedaIam tabu, kemudian ditambah aquades 150 ml sambil diberi aIiran Nzsecaraperiallan-lahan, kemudian diaduk selama 2 jam. Setelahitu ditambahkan inisiator serik amonium nitrat (CA:N)0,25gram yangdilamtkandalam 2,7m1HNO) 0,5 N, yang diteteskan secara terns menerns sambil diaduk' Sebelmnwarna CAN hilang ditambahkan monomer metil akrilat (MA) (11,8 ml). Setelahreaksi berakhir tambaItkan 100 In! metanol daDdiaduk selama 10menit. Hasil sintesis yang bernpa padatan putih lalu dicuci dengan air, daD selanjutnya padatan yang diperoleh dikeringkan pada suhu <100°C menggunakan vakum
oven. Formulasi Pencampuran basil sintesis clan ballaD aditif dilakukan dengan menggunakan Rheocord Mixer. Adapun formulasinya dapat dilihat pada tabel 1 dan tabel2. Jumlah sampelyang dicampur adalah 200gram. Formulasi pencampuran (hot blending) dengan pelurnas eksternal dilakukan pada suhu 130 °C selama 6 menit dengan putaran 60 rpm. Sedangformulasi pencampuran (hot blending) dengan lubricant internal dilakukan pada kondisi suhu 140°C selmna8 menit denganputaran tetap 60 rpm. Untuk melihat pengaruh kandungan pati dalam basil sintesis. maka akan dibedakan basil sintesis asli (tidak dihilangkan patinya) disebut sampell, daDyang telah dihilangkan kandungan patinya disebut sampel2. Penghilangan pati dati basil sintesis dilakukan dengan tara ekstraksiair. dimana pati akan terlarut dalam air daD akhirnya basil sintesisnya akan bebas patio
Pembuatanspesimenuntuk uji mekanik Satnpelyang telah dicampur (blending) didiamkan selama satu malam. Kemudian sampel dipotong kecil-kecil dengan menggunakan grinder, daD selanjutnya dibuat lempeng ukuran 20 cm x 25 cm daD ketebalan 2mm, dengan menggunakan hydraulic press pada suhu 130 C,preheater selama 5 menit daD waktu pengepresan 3 menit. Lempeng yang dihasilkan rabel I.
Fonnulasi aditif lubricant eksternal. --
Jenis aditif Lubricant Kalsium stearat Heat stabilizer 1 AE
0, I o % dari total sampel 0,15 % dari total sampel
l!eatstabilizer~M)-
0,20 % dari total samDel
Tabel 2 Jenis aditif
Banyaknya
Formulasi aditif lubricant internal. --I
Banyaknya Lubricant
Gliseril
monoI
stearat
i Heat stabilizer 1 (AE) Heat stabilizer 2 AI
296
0,15 % dari total sampel ---~
_O,20% dari total ~mpel 0,20 % daTi total sam el
kemudiandidinginkanpadasuhukamar,daDdipotong sesuaiuntuk spesimenuji tank /elongasi (ASTM D 412) denganmenggunakanpneumaticpunching machine.
Pembuatanfilm untuk SEM Sampelyang telah dicampur (blending) didiamkan selama satu malam. Kemudian sampel dipotong kecil-kecil dengan menggunakan grinder, daD selanjutnya dibuat film tipis dengan menggunakan hydraulic press pada suhu 130 C. Film yang abn dianalisa terlebih dolo dilapisi (coating) dengan logam emas.
Pembuatanfilm untuk uji biodegradibilitas Pembuatan film dilakukan dengan menggunakan hydraulic press.Material yang diuji terdiri dari basil sintesis (disebut s~pel I), basil sintesis yang telah dihilangkan siSapatinya (disebut sampel 2), daD sampel 2 yang telah dipisahkan dari homopolimer PMA atau S-g-PMA murni (disebut sampel 3) dengan cara ekstraksi. Caranya yaitu dengan menambahkan aseton ke dalam sampel 2, sehingga homopolimer PMA akan larut daD padatannya yang merupakan kopolimer
cangkok S-g-PMA dapat dipisahkan dengan penyaringan. Selanjutnya sebagal pembanding digunakan mate-rialPCL (polikaprolakton) dan PP (poli propilen). Adapun suhu pemanasan hydraulic press untuk sampell,2 daD 3 130 DC,untuk PCL 90 DC,daD untuk PP 120 DC,sertatekanannya untuk kelima sampel 10M Pa. Film yang dihasilkan mempunyai ketebalan 200 -500 11mdaD diameter 4 -5 cm. Sterilisasi pennukaan film dilakukan dengan merendamnyadalam larutan etanol selama 20 detik, yang kemudian dibilas dengan air steril. Uji tarik daD elongasi Uji tarik daD elongasi dilakukan dengan menggunakanU1M Housfield H 100KC, sesuaidengan ASTM 638. Uji tarik dilakukan dengan kecepatancross head 20 mrn/menit.
Uji Biodegradibilitas Uji biodegradibilitasyang dilakukan ada dua macam,yaitu uji pertumbuhanjamur Aspergillusniger daD uji penguburan(burial test). Uji pertum-buhan jamur dilakukan dengan merujuk kepada ASTM D5247-92(StandardTestMethod for Determiningthe Aerobic Biodegradablityof DegradablePlasticby Specific Microorganisms). Sedang uji penguburan dilakukan dengan menguburkan film plastik dari masing-masingsampeldikubur ke dalamtanab(dalam pot) pada kedalaman 15 cm dari permukaan. Pot disimpandalammangandaDtanabdijaga tetaplembab dengan disiram air. Setelah 30 hari daD 90 hari penguburan sampel dikeluarkan daD dilakukan pengamatan Lies A Wisojodharmodkk.
ProsidingPertemuanIlmiah Sains Materi III Serpong,20- 21 Oktober 1998
ISSN 1410-.l897
HASIL DAN DISKUSI Hasil uji tarik daD elongasi dari basil sintesis yang ditaInbah bahan aditif adalah sebagaiberikut: Bila dibandingkan antara sampel 1 daD sampel 2 .terlihat bahwa penghilangan pati dengan ekstraksi memperpanjang elongasi, sedangkankuat tarik material yang dihilangkan patinya daD yang tidak dihilangkan tidak memperlihatkan perbedaanyang berarti. Hal ini disebabkankarena adanya pati dalam material membuat materiallebih getas (brittle). Sernentara material (hasil sintesis) yang ditambahkan pelumas eksternal menunjukkan kuat tarik yang lebih tinggi bila dibandingkan material yang ditambahkan pelumas internal (lihat Tabel 3). Hal ini disebabkan karelk'l pelumas internal bekerja diantara molekul-molekul polimer, sehingga membuat friksi antar molekul , menjadi lebih kecil atau dapat dikatakan tidak ada gaya gesek antar molekul. Dengan adanya friksi ini sifat mulur polimer meningkal. dan menyebabkanelongasi material dengan pelumas internal lebih tinggi dari material dengan pelumaseksternal. Selanjutnya material basil sintesis ini akan dibandingkan dengan material polimer lainnya. Kekuatan tarik material yang dibasilkan ternyata masih tiga kali lebih rendah dibandingkan dengan poli propilena atau PCL. namun masih lebih baik dari material calnpuranPCUcac\:\W'a(SO/50). Tabel 3.
Kekllatan tarik datI elongasi
Gambar I.
Foto SEM sampel 1 daTi hasil sintesis antara ta-pioka dengan metil akTilat (MA).
Uji pertumbuhan jamur Aspergillus niger pada permukaan film sampel 1 sid 3, terlihat bahwa spora jamur Aspergillus niger menutupi seluruh permukaan film. Tidak ada perbedaan yang berarti dari pola
penyebaran spora pada masing-masing sampel. Sementara pada film PCL daD PP terlihat tidak ada pertumbuhanjamur. Demikian pula media tanpa plastik, terlihat tidak adanya pembentukan koloni dari jamur Aspergilus niger. Pertmnbuhan jamur Aspergillu.\' niger pacta permukaan film sampel I (hasil sintesis) untuk pengamatanOdan 30 hari terlihat pada gambar 4 dan 5. Sedang pertumbuhan jamur Aspergillus
niger pada
Keterangan: *) diamhil dari pustaka 1
Analisis dengan SEM terlihat pacta gambargambar dibawall ini. Analisis SEM untuk material hasil sintesis (sampel I) terlihat pacta gambar I. Senyawa kopolimcr S-g-PMA ditunjukkan pactastruktur bulatan besar. dan dibatasi oleh senyawa PMA. sedangkan pati tapioka bebasdalam bentuk butiran kecil. Selan.iutnyamaterial hasil sintesisyang ditambah pelumas internal terlihat pactagambar 2. Pactagambar ini terliltat barnsyang kabur antara material dan ruang kosong. hal ini disebabkan karena sedikitnya pelumas yang keluar. Namun Ital ini akan berbedadengan material basil sintesis yang ditambahkan pelumas eksternal (lihat gambar 3). Pactagatnbar 3 ini. lapisan putih tipis terlihat tcgas, menunjukkan komponen pelumas eksternal yang mcnuju tepi luar ketika dilakukan ~ngepressan material (pada waktu pembuatanfilm).
Gambar 2.
Gambar 3.
Foto SEM sampel I ditambah pelumas inter-
Foto SEM sampel I d1tambah pelumas internal.
Pro.\"iding Pertemuan Ilmiah Sains Materi III Serpong, 20 -21 Oktoher 1998
ISSN1410-2897
permukaan film PCL untuk 30 hari dapat dilihat pada garnoor6. Hasil uji penguburan untuk sampel I -3 terlibat pada permukaan film adanya jonjot (lekukan), daD adanya tanah yang menempel. Pada penguburan90 bari terlibat adanyabercak hitam pada permukaan film, yang mungkin mempakan koloni daTi rnikroorganisme tanah. Ketebalan film daTi sampel dirasakan semakin menipis sejalan dengan lamanya penguburan. Sebaliknya pada film PCL daDPP terlihat tidak adanya pembaban yang berarti baikpada penguburan 30 ataupun 90 hari. Hasil penguburan film sampel I dan PCL setelah 90 hari terlihat pada gambar 7 dan 8. Dengan demikian dapat dikatakan bahwa film plastik (PCL dan PP) tidak terlihat adanya degradasi. Dari hasil pengujian mikroorganisma pada film daTi material hasil sintesis terlihat bahwa Aspergillus niger dapat tumbuh pada film tersebut. Hal ini menunjukkan bahwa A.~pergillu,~niger dapat memanfaatkan komponen yang terdapat pada film S-g-PMA sebagai sumber karbon untuk pertumbuhannya. Untuk selanjutnya perlu dilakukan penelitian mengenai mekanisme degradasi film S-g-PMA ini. seperti berapa persen degradasi jamur, dan senyawa apa yang
Gambar
Gambar 6.
dihasilkan dari hasil degradasi. Sedangkan untuk film plastik PP dan PCL tidak tampak pertmnbuhanAspergillus niger, berarti bahwa Aspergillus niger tidak dapat memanfaatkannya sebagai sumber karbon. PCL sudah dikenal sebagaipolimer biodegradabel,dimana polimer
Gambar 7.
Foto hasil penguburan film sampel I setelah 90 hari (terlihat film terdegradasi)
Gambar 8.
Foto ha.~il penguburan film PCL setelah 90 hari (tidak terlihat adanya degradasi).
4. Foto film sampel I (basil sintesis) pada pengamatan 0 bari
Gambar 5.
Foto hasil pertumbuhan jamur Aspergillus Niger pada permukaan film sampel I setelah penga-matan 30 hari
Foto pertumbuhan jamur Aspergillus Niger pada permukaan film PCL setelah pengamatan
Prosiding Perlemuan I/miah .\'ain.\'Materi III .\'erpong, 20 -21 Oktober 1998 ini dapat didegradasi oleh enzim yang tersebar di alam seperti lipase dan e.\"terase.Ketidakmampuan jamur A. niger tumbuh pada PCL mungkin dsebabkankarena jamur ini tidak dapat memproduksienzim lipase atau esteraseguna mendegradasiPCL. Contoh mikroorganisme yang dapat memproduksi lipase/esterase atau dapat menguraikan PCL adalah Rhizopu.\"niveu.\",Rhizopus arrhizu.\",don Penicillium sp.
KESIMPULAN
2
Penghilangan pati dari basil sintesis menghasilkan material yang lebih elastis (elongasinya lebih besar) dibandingkan material dari basil sintesis asli. Penambahanpelumas eksternal pada basil sintesis menghasilkan material yang mempunyai kekuatan tarik lebih besar dibandingkan material yang ditambah pelumas internal, namun elongasinya lebih kecil bila dibandingkan material dengan
pelumasinternal. 3.
Oari analisis SEM terlihat bahwa material yang ditambah pelumas internal lebih bercampur pada molekul-molekul polimer. sedang yang ditambah
Lie.\'A Wijosodharmodkk.
ISSN 1410-2897
4.
pelumas ekstemal terlihat mengarah keluar daTi molekul polimemya (menyelimuti material polimer). Dari uji pertumbuhan Aspergillus niger pada material S-g-PMA daD uji penguburan terlihat bahwa lnaterial tersebut dapat dikatakan bersifat biodegradabel.
DAFTAR PUSTAKA [I]. HARDANlNG, Y. TOKIWA,H. TANAKA, Journal of Environmental Polymer Degradation, 4,1-7(19%). [2]. DAMODARR. PAm, GeorgeF. FANTA, Journal ofApplied Polymer Science, 47, 1765-1772 (1993) [3]. JAYATIN dan L.A. WISOJODHARMO, Kopolimerisasi Cangkok Metil Akrilat dan BeberapaPati dengan Inisiator serik Amonium Nitrat, Simposium NasionalPolimer I, Jakarta,Juli (1995),p.41-45. [4]. RETNO YUSIASIH, WIWIK S. SUBOWO, dan RAHMA T SA TOTO, Penempelan Anhidrida Maleat pada Low Density Polyethylene (LDPE) untuk Polimer Biodegradable, Simposium Nasional Polimer I, Jakarta,Juli (1995),p. 35-40.
299
