SIFAT MEKANIS POLIPADUAN POLISTIRENA-PATI MENGGUNAKAN ZAT PEMLASTIS EPOKSIDA MINYAK JARAK PAGAR
NURHAFIDZ FELANI
DEPARTEMEN KIMIA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR 2010
ABSTRAK NURHAFIDZ FELANI. Sifat Mekanis Polipaduan Polistirena-Pati Menggunakan Zat Pemlastis Epoksida Minyak Jarak Pagar. Dibimbing oleh TETTY KEMALA dan AHMAD SJAHRIZA. Polipaduan merupakan pencampuran secara fisik dua polimer atau lebih yang berbeda sifat dengan salah satu tujuannya mendapatkan polimer yang dapat terdegradasi dan memiliki sifat mekanik yang baik. Pati merupakan polimer yang mudah terdegradasi di alam, sedangkan polistirena merupakan polimer sintetik yang sangat sukar terdegradasi. Polipaduan polistirena-pati akan menghasilkan polimer yang mudah terdegradasi, namun sifat mekanik polipaduan turun. Untuk peningkatan sifat mekanik polipaduan diperlukan suatu zat yang dapat memlastisasi polipaduan, yaitu epoksida minyak jarak. Pencampuran polipaduan polistirena-pati dilakukan dengan beragam komposisi dan zat pemlastis epoksida minyak jarak pagar ditambahkan dengan konsentrasi 0,0; 2,5; 5,0; 7,5; dan 10,0%. Bobot jenis polipaduan semakin turun seiring dengan penambahan zat pemlastis epoksida minyak jarak pagar. Penurunan bobot jenis ini menunjukkan bahwa epoksida minyak jarak pagar dapat digunakan sebagai pemlastis. Hasil analisis sifat mekanik memperlihatkan bahwa penambahan epoksida minyak jarak pagar dapat meningkatkan perpanjangan (elongasi) dan menurunkan kekuatan tarik bahan, sedangkan hasil analisis termal dengan differential scanning calorymetry (DSC) menunjukkan suhu transisi kaca polipaduan yang semula 95,37 ºC turun menjadi 91,79 ºC.
ABSTRACT NURHAFIDZ FELANI. Mechanical Strength of Polystyrene-Starch Polyblend Using Jatropha Oil Epoxide Plasticizers. Supervised by TETTY KEMALA and AHMAD SJAHRIZA. Polyblend is a physical mix between two or more polymers resulting in different properties to get degradable polymer and better mechanical properties. Starch is degradable polymer, but polystyrene is synthetic polymer which is difficult to degrade. Polyblend polystyrene-starch will make the polymer easily to degrade but low mechanical properties. To increase the mechanical properties of polyblend, the plasticizers is needed. The plasticizers in this experiment was epoxide of jathropha oil. The polyblend of polystyrene-starch was prepared with various compositions, i.e. 0; 2.5; 5.0; 7.5; and 10.0%. The density of the polyblend decreased with the addition of the plasticizers. The reduction of density shown that jathropha oil epoxides can be used as plasticizers. The mechanical properties showed that the additions of plasticizer could increase the elongation and reduce the tensile strength. Thermal analysis using differential scanning calorymetry showed that glass transition temperature decreased from 95.37 ºC to 91.79 ºC.
SIFAT MEKANIS POLIPADUAN POLISTIRENA-PATI MENGGUNAKAN ZAT PEMLASTIS EPOKSIDA MINYAK JARAK PAGAR
NURHAFIDZ FELANI
Skripsi sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains pada Departemen Kimia
DEPARTEMEN KIMIA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR 2010
Judul Nama NRP
: Sifat Mekanis Polipaduan Polistirena-Pati Menggunakan Zat Pemlastis Epoksida Minyak Jarak Pagar : Nurhafidz Felani : G44053654
Menyetujui Pembimbing I,
Pembimbing II,
Tetty Kemala, S.Si, M.Si NIP. 19710407 199903 2 001
Drs. Ahmad Sjahriza NIP. 19620406 198903 1 002
Mengetahui: Ketua Departemen,
Prof. Dr. Ir. Tun Tedja Irawadi, MS NIP. 19501227 197603 2 002
Tanggal lulus :
iv
PRAKATA Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT yang senantiasa memberikan rahmat dan hidayah-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan karya ilmiah ini sebagai salah satu syarat memperoleh gelar Sarjana Sains pada Departemen Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Pertanian Bogor. Shalawat dan salam disampaikan kepada Nabi Muhammad SAW beserta keluarga, sahabat, dan pengikutnya yang tetap berada di jalan-Nya hingga akhir zaman. Penulis mengucapkan terima kasih kepada Ibu Tetty Kemala dan Bapak Achmad Sjahriza selaku pembimbing atas segala saran, kritik, dorongan, dan bimbingannya selama penelitian dan dalam penyusunan karya ilmiah ini. Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada staf laboran kimia anorganik, kimia organik, kimia analitik, dan kimia fisik atas fasilitas, bantuan, serta masukan yang diberikan. Ucapan terima kasih tak terhingga kepada Ayah, Ibu, Ade, dan juga Ikam atas nasihat, semangat, bantuan materi, dan doanya. Selain itu penulis mengucapkan terima kasih kepada teman-teman seperjuangan penelitian, yaitu Yogie, Fajar, Maya, Ghina, Rita, Nana, Uvie, mba Jehan, dan kak Ivan atas saran, kritik dan semangat selama penelitian dan semua pihak yang tidak dapat penulis ucapkan satu persatu yang telah membantu dalam penyelesaian karya ilmiah ini. Semoga tulisan ini bermanfaat dan dapat menambah wawasan ilmu pengetahuan bagi penulis khususnya dan pembaca umumnya
Bogor, Januari 2010
Nurhafidz Felani
RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Tangerang pada tanggal 1 Agustus 1987 dari ayah M. Jaelani HT, S. Ag dan ibu Nurlenih. Penulis merupakan anak pertama dari tiga bersaudara. Tahun 2005 penulis lulus dari SMU Budi Mulia Ciledug dan pada tahun yang sama lulus seleksi masuk IPB melalui jalur Seleksi Penerimaan Mahasiswa Baru (SPMB). Penulis memilih Program Studi Kimia, Departemen Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam. Selama mengikuti perkuliahan penulis aktif di organisasi Ikatan Mahasiswa Kimia (Imasika) dan beberapa kali menjadi panitia acara yang diadakan oleh Imasika. Penulis menjadi asisten praktikum Kimia Anorganik tahun ajaran 2008/2009 dan praktikum Kimia Tingkat Persiapan Bersama (TPB) tahun ajaran 2009/2010. Pada bulan Juli-Agustus 2008 penulis berkesempatan melaksanakan kegiatan Praktik Lapangan di Pusat Penelitian dan Pengembangan Teknologi Minyak dan Gas Bumi (PPPTMGB “Lemigas”).
DAFTAR ISI Halaman DAFTAR GAMBAR ......................................................................................... viii DAFTAR TABEL .............................................................................................. viii DAFTAR LAMPIRAN ...................................................................................... viii PENDAHULUAN .............................................................................................
1
TINJAUAN PUSTAKA Polistirena .................................................................................................. Pati ............................................................................................................ Poliasamlaktat ........................................................................................... Polipaduan ................................................................................................. Pemlastis ................................................................................................... Uji Tarik .................................................................................................... Analisis Termal .........................................................................................
1 1 2 2 2 3 3
BAHAN DAN RUANG LINGKUP KERJA Bahan dan Alat .......................................................................................... Ruang Lingkup Kerja ................................................................................
4 4
HASIL DAN PEMBAHASAN Polipaduan ................................................................................................. Zat Pemlastis ............................................................................................. Analisis Bobot jenis .................................................................................. Analisis Uji Tarik ...................................................................................... Analisis Termal dengan DSC ....................................................................
5 6 6 7 8
SIMPULAN DAN SARAN Simpulan ................................................................................................... Saran ..........................................................................................................
9 9
DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................
9
LAMPIRAN ....................................................................................................... 11
DAFTAR GAMBAR 1
Halaman Reaksi polimerisasi stirena ........................................................................... 1
2
Struktur amilosa ............................................................................................ 2
3
Struktur amilopektin ..................................................................................... 2
4
Struktur poliasamlaktat ................................................................................. 2
5
Efek pemlastis pada polimer ......................................................................... 3
6
Kurva DSC ................................................................................................... 3
7
Film polipaduan polistirena-pati ................................................................... 5
8
Reaksi epoksidasi minyak jarak pagar .......................................................... 6
9
Bobot jenis polipaduan pada berbagai komposisi zat pemlastis ................... 7
10 Kekuatan tarik polipaduan ............................................................................ 8 11 Perpanjangan polipaduan............................................................................... 8 12 Kurva suhu transisi kaca pada polipaduan tanpa pemlastis .......................... 8 13 Kurva suhu transisi kaca pada polipaduan dengan pemlastis ....................... 8
DAFTAR TABEL 1
Halaman Komposisi polipaduan .................................................................................. 4
2
Efek zat pemlastis alami terhadap bobot jenis polipaduan ........................... 7
3
Data kekuatan tarik dan perpanjangan dengan berbagai konsentrasi epoksida minyak jarak pagar ........................................................................ 7
DAFTAR LAMPIRAN 1
Halaman Diagram alir penelitian ................................................................................. 12
2
Rumus penentuan bilangan oksirana ............................................................ 13
3
Data bilangan oksirana epoksida minyak jarak pagar .................................. 14
4
Data pengukuran bobot jenis ........................................................................ 15
5
Data uji tarik ................................................................................................. 16
PENDAHULUAN Bahan plastik yang paling banyak beredar di pasaran saat ini merupakan polimer sintetik, salah satunya adalah polistirena. Bahan plastik yang dibuat dari polistirena memiliki kualitas yang baik, murah, dan mudah dibuat, tetapi sulit terdegradasi di lingkungan (Singh dan Sharma 2007). Akibatnya limbah dari bahanbahan plastik terus bertambah setiap saat dan merusak lingkungan. Permasalahan ini mendorong banyaknya penelitian tentang bahan plastik yang dapat terdegradasi atau biasa disebut dengan plastik biodegradabel. Salah satu cara pembuatan plastik biodegradabel adalah dengan mencampurkan polistirena dengan polimer lain yang bersifat degradabel seperti pati. Bhatnagar dan Hanna (1996), Sutiani (1997), dan Nurhidayati (2007) melakukan penelitian dengan mencampurkan polistirena-pati dan memberikan hasil bahwa polipaduan polistirena-pati menghasilkan campuran yang dapat terdegradasi di lingkungan, tetapi sifatsifat mekanik produk yang dihasilkan kurang memuaskan, yaitu film yang dihasilkan sangat rapuh. Selain itu, polipaduan polistirena-pati yang dihasilkan tidak kompatibel. Hal ini disebabkan pati bersifat polar, sedangkan polistirena cenderung bersifat non-polar. Siregar (2009) melakukan pencampuran polistirena-pati dengan menambahkan suatu bahan kompatibel, yaitu poliasamlaktat. Poliasamlaktat mengandung gugus karboksil yang dapat berinteraksi dengan polistirena dan gugus hidroksil yang berinteraksi dengan pati. Penelitian yang dilakukan Siregar (2009) memberikan hasil bahwa poliasamlaktat dapat meningkatkan kompatibilitas dari campuran polistirena-pati, namun polipaduan yang dihasilkan memiliki sifat mekanik yang rapuh. Oleh karena itu, perlu adanya penambahan zat yang dapat mengurangi sifat rapuh dari polipaduan polistirena-pati, yaitu yang dapat memlastisasi polipaduan. Kemala (1998) menyatakan bahwa polipaduan polistirena-pati dapat terplastisasi dengan senyawa dibutilftalat (DBP). DBP dapat membuat polipaduan polistirena-pati menjadi keras dan liat, tetapi senyawa DBP merupakan senyawa toksik sehingga berbahaya bagi lingkungan. Masalah ini dapat diatasi dengan mengembangkan zat pemlastis alami yang mudah terurai, tidak bersifat toksik, dan dapat meningkatkan sifat mekanik dari polimer. Senyawa yang dapat digunakan sebagai zat pemlastis alami di antaranya ester asam adipat, ester asam azelat, sitrat,
epoksida, glikol, asam glutarat, dan oleat (Wypych 2004) Berdasarkan hal tersebut, penelitian ini mengembangkan polipaduan polisitirena-pati dengan penambahan zat pemlastis alami, yaitu epoksida minyak jarak pagar. Penggunaan zat pemlastis alami ini diharapkan dapat meningkatkan sifat-sifat mekanik polipaduan polistirena-pati yang dihasilkan menjadi keras dan liat tanpa bersifat toksik. Pencirian yang dilakukan dalam penelitian ini adalah uji tarik, penentuan bobot jenis dengan metode piknometri, dan analisis termal dengan Differential Scanning Calorimetry (DSC).
TINJAUAN PUSTAKA Polistirena Polistirena adalah polimer yang tersusun dari monomer stirena, sebuah hidrokarbon cair yang dibuat secara komersial dari minyak bumi. Polistirena pertama kali dibuat pada 1839 oleh Eduard Simon, seorang apoteker Jerman. Polistirena dapat meningkatkan kekuatan regang pada bahan lain yang ditambahkannya. Selain itu, keunggulan lain Polistirena antara lain kuat, tahan lama, mudah dibentuk, dan murah. Keunggulan ini membuat Polistirena sering digunakan sebagai bahan plastik, pemaketan cakram kompak, dan banyak objek lainnya (Qian 1991). Gambar 1 menunjukkan reaksi polimerisasi polistirena.
Gambar 1 Reaksi polimerisasi stirena. Polistirena bersifat termoplastik, secara visual terlihat jernih dan transparan (Davis 2004). Polistirena dapat melunak pada suhu sekitar 100 ºC. Sifat-sifat kimia polistirena adalah tahan terhadap alkali, garam, alkohol, glikol, dan air. Polistirena dapat larut dalam hidrokarbon aromatik, organohalogen, ester, eter, dan yang lainnya. Suhu transisi kaca polistirena 90-100 ºC dan suhu lelehnya 240 ºC. Pati Pati adalah karbohidrat kompleks yang berwujud putih dan tidak berbau. Pati memiliki rumus molekul (C6H10O5)n dan dapat terdegradasi secara mudah di alam serta bersifat dapat diperbarui. Pati komersial
2
memiliki kelembaban sekitar 10-17% dan terikat kuat sebagai hidrat sekitar 8-11% dari berat pati. Kandungan air di dalam pati dapat dihilangkan secara sempurna dengan menggunakan pemanasan hampa udara pada suhu 80 ºC selama 24 jam (Bikiaris 1996). Pati terdiri atas dua komponen, yaitu amilosa dan amilopektin. Amilosa merupakan polimer rantai linear yang dibentuk dari kesatuan glukosa dengan ikatan α-1,4-glikosida. Amilosa larut dalam air pada suhu 80 ºC. Dalam larutan, rantai amilosa membentuk heliks (spiral) karena adanya ikatan konfigurasi pada setiap unit glukosa. Bentuk cincin ini dengan enam unit atom karbon menyebabkan amilosa membentuk kompleks dengan bermacammacam molekul kecil yang dapat masuk ke dalam lingkarannya. Amilosa Bersifat kristalin karena memiliki keteraturan molekul yang lebih tinggi dibandingkan amilopektin. Gambar 2 menunjukkan struktur amilosa
Gambar 2 Struktur amilosa. Amilopektin merupakan polimer rantai bercabang yang dibentuk dari kesatuan glukosa dengan ikatan α-1,4-glikosida dan α1,6-glikosida (Davis 2004). Amilosa bersifat amorf akibat adanya percabangan dan tidak larut dalam air. Kandungan amilopektin pada pati jauh lebih besar dibandingkan amilosa, yaitu 70-85%. Struktur amilopektin dapat dilihat pada Gambar 3.
Gambar 3 Struktur amilopektin.
Poliasamlaktat (PLA) merupakan poliester Poliasamlaktat termoplastik yang didapat dari bahan baku terbarui seperti pati dan selulosa. Poliasamlaktat tersusun atas monomer asam laktat. Struktur poliasamlaktat ditunjukkan pada Gambar 4. Poliasamlaktat memiliki beberapa kegunaan, yaitu untuk keperluan pengemasan, pembuatan kosmetik, dan industri medis (bahan penyalut obat,
implantasi tulang, dan untuk benang operasi) (Narayanan et al. 2004). Poliasamlaktat bersifat biodegradable dan biokompatibel, yaitu dapat terdegradasi dalam tubuh tanpa menimbulkan efek yang berbahaya. Poliasamlaktat mempunyai suhu transisi kaca 50-64 ºC dan suhu leleh sekitar 130-215 ºC. Poliasamlaktat tidak larut dalam air, tetapi larut dalam pelarut organik seperti kloroform dan diklorometana (Bastioli 2005). CH O
3
HC
O C
n
Gambar 4 Struktur poliasamlaktat. Polipaduan
Pencampuran polimer terbagi menjadi dua jenis, yaitu kopolimer dan polipaduan. Pencampuran ini bertujuan untuk mendapatkan polimer dengan karakteristik kombinasi dari polimer induknya. Kopolimer adalah pencampuran dua atau lebih polimer secara kimia yang membentuk ikatan kovalen Polipaduan merupakan antarkomponen. polimer yang terbentuk dari pencampuran secara fisik diantara dua atau lebih polimer yang memiliki struktur berbeda dan tidak kovalen membentuk ikatan-ikatan antarkomponen (Rabek 1980). Pembuatan polipaduan dapat dilakukan dengan dua cara, yaitu metode pelelehan dan pelarutan. Metode pelelehan dilakukan dengan mencampurkan dua atau lebih polimer secara langsung yang diaduk secara mekanik pada suhu tertentu. Metode pelarutan dilakukan dengan mencampurkan dua atau lebih polimer pada medium pelarut yang sesuai (Davis 2004). Suatu polipaduan yang baik harus membentuk senyawa yang homogen dan transparan. Kehomogenan polipaduan ditentukan dari nilai kompatibilitas yang menggambarkan kekuatan interaksi antara rantai-rantai polimer sehingga membentuk campuran yang homogen atau mendekati homogen. Nilai kompatibilitas polipaduan dapat diamati dari suhu transisi kaca. Bila polipaduan mempunyai suhu transisi kaca tunggal dan suhu tersebut berada di antara kedua polimer induknya, maka polipaduan tersebut kompatibel (Long 2009). Pemlastis
Pemlastis merupakan molekul kecil yang ditambahkan ke dalam polimer dalam jumlah yang sedikit untuk memlastisasi polimer, dengan tujuan membantu dalam pemrosesan
3
dan untuk memodifikasi produk akhir. Pemlastis akan mengurangi kekakuan, kekerasan, dan kerapuhan sehingga akan didapatkan polimer yang lebih elastis. Pemlastis polimer yang sering digunakan adalah ester ftalat, ester fosfat, senyawa epoksi, ester asam lemak, senyawa turunan glikol, sulfonamida, hidrokarbon, dan turunan hidrokarbon (Wypych 2004). Pemlastis akan menurunkan suhu transisi kaca, merendahkan modulus elastisitas dan menurunkan viskositas leleh sehingga menyebabkan perubahan sifat dari keras dan rapuh menjadi lunak, liat, dan kuat (Sperling 2006). Sifat dari bahan pemlastis yang ideal untuk polimer yaitu pemlastis harus selektif dalam memodifikasi atau membantu pemrosesannya. Selain itu harus bersifat permanen terhadap polimer dan inert, memberikan sifat khusus yang sesuai dengan aplikasi bahan yang dihasilkan, dan juga memberikan kinerja yang baik untuk aplikasi (Sears 1982). Gambar 5 menunjukkan cara kerja pemlastis pada polimer.
diperoleh berupa kekuatan tarik dan perpanjangan bahan (Billmeyer 1984). Kekuatan tarik adalah kekuatan maksimum bahan untuk menahan tegangan yang diberikan dengan laju penarikan tetap hingga contoh putus. Perpanjangan adalah pertambahan panjang contoh yang diakibatkan oleh tegangan yang diberikan (Seymour 1992). Analisis Termal Istilah analisis termal sering digunakan untuk mendeskripsikan teknik analisis percobaan yang meneliti sifat contoh berdasarkan fungsi dari suhu. DSC merupakan salah satu bagian dari analisis termal dengan mengukur perubahan sifat fisik dari suatu materi sebagai fungsi terhadap suhu sewaktu materi diberi perlakuan pada kondisi suhu yang terkontrol. Prinsip keja DSC ialah membandingkan suhu contoh dan suhu wadah pembanding pada sirkuit pemanas. Setelah itu energi panas diberikan kepada masing-masing wadah dalam jumlah yang terkontrol, sehingga dapat diasumsikan suhu pada keduanya sama. Ketika contoh mulai mengalami transisi termal, tenaga di kedua pemanas menyeimbangkan suhunya masingmasing dan perbedaan proporsi tenaganya direkam pada pencatat. Area di bawah kurva hasil merupakan hasil dari transisi kalor (Billmeyer 1984). Kurva hasil analisis DSC dari suatu bahan polimer akan memberikan informasi suhu transisi kaca (Tg) adalah suhu pada saat polimer berubah dari keras menjadi liat. Suhu kristalisasi (Tc) adalah suhu pada saat polimer berbentuk Kristal. Suhu leleh (Tl) adalah suhu pada saat polimer berbentuk cairan (Hatakeyama dan Quinn 1999). Gambar 6 menunjukkan kurva yang didapatkan dari pengukuran DSC
Gambar 5 Efek pemlastis pada polimer. Uji Tarik Uji tarik adalah uji untuk mengetahui kemampuan suatu pemlastis dapat memlastisasi polimer. Uji ini dilakukan dengan cara mengukur secara kontinyu gaya yang diterapkan untuk menarik contoh hingga putus dengan laju penarik tetap. Data yang
Gambar 6 Kurva DSC.
4
BAHAN DAN RUANG LINGKUP KERJA Bahan dan Alat Pada penelitian ini polimer yang dipakai polistirena Sigma Aldrich (Mw 192.000), poliasamlaktat Toyota (Mw 60.000), pati singkong Bratachem, pelarut diklorometana Bratachem, dan zat pemlastis yang digunakan adalah epoksida minyak jarak pagar dengan nilai bilangan oksirana 3,93%. Alat-alat yang digunakan untuk membuat polipaduan adalah pengaduk magnet, piknometer, alat uji tarik Torsee PA-104-30, dan DSC7 Perkin Elmer. Ruang Lingkup Kerja Tahap percobaan yang dilakukan secara umum adalah persiapan contoh, pembuatan epoksida minyak jarak pagar, pembuatan polipaduan polistirena-pati dengan variasi komposisi, penambahan bahan kompatibel poliasamlaktat 20% dari bobot polipaduan (Siregar 2009) dan zat pemlastis alami dengan berbagai konsentrasi. Tahap terakhir adalah melakukan karakterisasi bobot jenis, uji kekuatan tarik, dan analisis termal dengan DSC. Diagram alir penelitian secara lengkap dapat dilihat pada Lampiran 1.
putar. Suhu reaksi yang digunakan 80 ± 0.5°C. Parameter yang dianalisis ialah bilangan oksirana (Lampiran 2), Pembuatan Polipaduan Pembuatan polipaduan dilakukan dengan pelarutan polistirena dan pati pada berbagai komposisi dengan pelarut diklorometana menggunakan pengaduk magnet selama ±24 jam. Poliasamlaktat dengan proporsi 20% dari bobot total polipaduan ditambahkan ke larutan pati. Setelah itu, larutan dicampur dan diaduk beberapa saat. Epoksida minyak jarak pagar yang berfungsi sebagai pemlastis ditambahkan dengan kosentrasi berbeda. Komposisi polipaduan dapat dilihat pada Tabel 1. Polipaduan diaduk kembali selama 24 jam. Polipaduan yang terbentuk didiamkan selama 10 menit agar terbebas dari gelembung udara dan dicetak di atas pelat kaca dengan ukuran tertentu. Film dilepaskan dari pelat kaca dan dikeringkan. Tabel 1 Komposisi polipaduan Komposisi Polipaduan (%) Polistirena Pati 80,00 20,00 78,75 18,75 77,50 17,50 76,25 16,25 75,00 15,00
Persiapan Contoh Sebelumnya pati dikeringkan dan ditentukan kadar airnya menggunakan metode oven pada suhu 80 ºC selama 24 jam sampai kadar airnya tetap (Bikiaris 1996). Polistirena, pati, poliasamlaktat, dan epoksida minyak jarak pagar ditimbang sesuai dengan komposisi yang diinginkan. Pembuatan Epoksida Minyak Jarak Pagar Minyak jarak pagar sebanyak 100 gram, 50 ml toluena, 5 gram Amberlite (yang telah diaktivasi), dan 15.00 g (0.25 mol) asam asetat glasial dimasukkan ke dalam labu leher tiga. Hidrogen peroksida (H2O2) 30% sebanyak 83.70 g (0.74 mol) ditambahkan secara bertetes-tetes dengan corong pisah. Larutan dipanaskan selama 6 jam sambil diaduk dengan pengaduk magnet. Produk berupa minyak terepoksidasi selanjutnya ditambahkan etil asetat. Amberlit diperoleh kembali melalui penyaringan. Minyak selanjutnya dicuci dengan air panas secara berulang sampai dicapai pH netral. Fase minyak dikeringkan dengan menggunakan natrium sulfat anhidrat dan disaring, pelarut dihilangkan dengan penguap
Pemlastis (%b/b) 0.00 2,50 5,00 7,50 10,00
Penentuan Bobot jenis Piknometer kosong ditimbang beratnya, kemudian timbang berat piknometer yang telah ditambah aquades dan setelah itu ke dalam piknometer kosong dimasukkan contoh, kemudian beratnya ditimbang. Aquades ditambahkan ke dalam piknometer yang telah berisi contoh dan ditimbang beratnya. Untuk setiap penimbangan beratnya dicatat. Bobot jenis contoh ditentukan dengan menggunakan Persamaan 1.
W1 −W0 D= x[DI −Da ] + Da …1 (W3 −W0 ) −(W2 −W1) Keterangan : D W0 W1 W2 W3 DI
= = = = = =
bobot jenis contoh berat piknometer kosong berat piknometer + contoh berat piknometer + contoh + aquades berat piknometer + aquades bobot jenis air
5
Da
= bobot jenis percobaan
udara
pada
suhu
Uji Tarik
Film yang telah dikeringkan dibuat menjadi dumbbell dengan ukuran panjang 22 cm dan lebar 1 cm. Kemudian dumbbell dijepitkan pada alat uji tarik dan ditarik dengan kecepatan konstan dan beban maksimum 5 kgf. Data yang dihasilkan dicetak diatas kertas. Untuk perhitungan besarnya kekuatan tarik dan perpanjangan dapat menggunakan Persamaan 2 dan Persamaan 3.
τ =
Fmaks A
…2
Keterangan :
τ Fmaks A
= kekuatan tarik (kgf/mm2) = tegangan maksimum (kgf) = luas penampang lintang (mm2)
%E =
∆L x100% Lo
…3
minyak jarak pagar ditambahkan ke dalam campuran. Pati banyak terdapat dalam biji-bijian seperti jagung, terigu, gandum, beras atau dari umbi-umbian (kentang dan tapioka). Masingmasing jenis pati dari berbagai sumber tersebut memiliki sifat yang berbeda (Kalambur dan Rizvi 2006). Pati jagung memiliki kandungan amilosa sekitar 22-88% dengan asam lemak 2-4%, sedangkan pati tapioka memiliki kadar amilosa yang relatif rendah sekitar 16,5-22% dengan asam lemak dibawah 3%. Pati yang sering digunakan untuk pembuatan polipaduan adalah pati tapioka karena kadar amilosanya rendah (Charles 2005). Pati memiliki kadar air yang besar, yaitu 8-11%. Kadar air pati yang digunakan sebesar 3,34%. Jika pati yang akan digunakan memiliki kadar air yang tinggi, proses pencampuran akan terganggu. Hal ini dikarenakan H2O yang terkandung dalam pati dapat berikatan secara fisik dengan polistirena, sehingga film yang terbentuk lebih rapuh. Gambar 7 menunjukkan penampakan secara visual film yang dihasilkan.
Keterangan : %E = perpanjangan (%) ∆L = pertambahan panjang specimen (mm) L = panjang specimen mula-mula (mm)
Analisis Termal dengan DSC Contoh yang telah berbentuk film ditimbang antara 2,0 - 2,5 mg dan diletakkan pada tempat contoh alat DSC. Kondisi alat diatur dan dioperasikan pada suhu 50-350 ºC, control atmosfer wadah contoh dan wadah pembanding menggunakan gas nitrogen dengan kecepatan pemanasan 20 ºC per menit. Kurva yang dihasilkan dicetak di atas kertas.
HASIL DAN PEMBAHASAN Polipaduan Proses pencampuran pati ke dalam polistirena menghasilkan campuran yang mempunyai kompatibilitas yang rendah karena perbedaan kepolaran antara polistirena dengan pati. Siregar (2009) mencampurkan suatu bahan yang dapat meningkatkan kompatibilitas dari polipaduan, yaitu poliasamlaktat. Polipaduan dibuat dengan metode pelarutan, yaitu semua bahan dasar (polistirena, pati, dan poliasamlaktat) dilarutkan ke dalam diklorometana, setelah semua bahan larut zat pemlastis epoksida
(a)
(c)
(b)
(d)
(e)
Gambar 7 Film polipaduan polistirena-pati : (a) 0,0% pemlastis; (b) 2,5% pemlastis; (c) 5,0% pemlastis; 7,5% pemlastis; (d) 10,0% pemlastis.
Variasi komposisi yang dilakukan dapat mempengaruhi sifat dari polipaduan, namun dalam penelitian ini tidak dilakukan karakterisasi lebih lanjut untuk melihat seberapa besar pengaruh variasi komposisi terhadap polipaduan yang dihasilkan. Hal ini disebabkan tujuan dari penelitian ini hanya melihat seberapa besar pengaruh penambahan
6
zat pemlastis epoksida minyak jarak pagar polipaduan. Semakin besar terhadap konsentrasi pati di dalam polipaduan akan membuat polipaduan cenderung mengikuti sifat pati yang rapuh, sedangkan semakin sedikit pati yang dicampurkan membuat polipaduan lebih bersifat seperti polistirena, keras dan sulit terdegradasi. Film yang dihasilkan memiliki warna putih transparan, permukaan yang halus, dan tidak terdapat bercak. Film dikatakan homogen jika tidak terlihat lagi perbedaan antara komponen-komponen penyusunnya, baik dalam bentuk, ukuran, maupun warna, karena komponen-komponen penyusunnya telah tercampur secara merata. Berdasarkan pengamatan secara fisik tersebut film bersifat homogen.
Bilangan oksirana epoksida minyak jarak pagar yang digunakan pada penelitian ini sebesar 3,93% (data lengkap nilai bilangan oksirana epoksida minyak jarak pagar dapat dilihat pada Lampiran 3). Besarnya bilangan oksirana sangat dipengaruhi oleh besarnya konsetrasi lemak tak jenuh yang ada pada minyak tersebut. Hal ini berkaitan dengan ketersediaan ikatan rangkap yang dapat digunakan untuk membentuk senyawa epoksida. Semakin tinggi konsentrasi asam lemak tak jenuh pada minyak maka akan semakin tinggi nilai bilangan oksirana yang diperoleh.
Zat Pemlastis Wypych (2004) menjelaskan mekanisme kerja zat pemlastis dengan teori volume bebas. Teori ini menyatakan bahwa zat pemlastis akan membuat ruang-ruang kosong pada polimer semakin besar, dengan demikian volume bebas polimer menjadi semakin besar. Volume bebas yang besar ini membuat pergerakan molekul menjadi lebih leluasa, dengan kata lain derajat ketidakteraturan polimer meningkat. Dampak dari penambahan zat pemlastis ini akan membuat polimer yang bersifat kaku dan keras menjadi lebih lebih liat. Senyawa yang banyak digunakan untuk zat pemlastis selama ini berasal dari bahan sintetik yang berbahaya bagi lingkungan. Oleh karena itu, perlu dilakukan pengembangan lebih jauh tentang zat pemlastis alami yang ramah lingkungan. Minyak jarak pagar merupakan salah satu alternatif zat pemlastis alami yang beberapa tahun belakangan banyak diminati. Sebelum digunakan sebagai zat pemlastis, minyak jarak pagar dirubah menjadi suatu senyawa epoksida. Minyak jarak pagar direaksikan dengan hidrogen peroksida (H2O2) dan asam asetat glasial (CH3COOH) untuk membuka ikatan rangkap yang ada membentuk cincin epoksida (Campanela dan Baltanas 2005). Reaksi pembentukan epoksida minyak jarak pagar ditunjukkan Gambar 8. Banyaknya cincin epoksida yang terbentuk dapat dihitung dengan nilai bilangan oksirana (Lampiran 2). Semakin besar bilangan oksirana yang didapat, maka semakin banyak cincin epoksida yang terbentuk. Petrovic et al. (2001) menyatakan suatu senyawa epoksidasi yang baik memiliki bilangan oksirana 4,00%.
Gambar 8 Reaksi epoksidasi minyak jarak pagar. Analisis Bobot jenis Analisis bobot jenis dilakukan untuk melihat keteraturan molekul dalam menempati ruang. Jika suatu molekul memiliki tingkat keteraturan yang tinggi maka bobot jenis dari polimer tersebut akan meningkat. Oleh karena itu, penentuan bobot jenis polimer merupakan cara yang tepat untuk memprediksi sifat mekanik dari polimer. Penentuan bobot jenis polipaduan menggunakan metode piknometri, yaitu contoh harus dipotong dengan ukuran yang sama dan diukur menggunakan piknometer. Data yang didapatkan dari pengukuran dihitung dengan Persamaan 1. Hasil perhitungan data bobot jenis yang
7
diperoleh dapat dlihat pada Lampiran 4. Penambahan zat pemlastis epoksida minyak jarak pagar akan menurunkan bobot jenis polimer. Efek zat pemlastis terhadap bobot jenis polipaduan dapat dilihat pada Tabel 2. Tabel 2 Efek zat pemlastis terhadap bobot jenis polipaduan Komposisi
Bobot jenis
Zat pemlastis (%)
(g/cm3)
0,0
1,1379
2,5
1,1221
5,0 7,5
1,0125 0,9467
10,0
0,9073
Berdasarkan data yang diperoleh menunjukkan bahwa semakin besar konsentrasi zat pemlastis epoksida minyak jarak pagar yang ditambahkan, bobot jenis akan semakin berkurang. Hal ini disebabkan zat pemlastis yang ditambahkan akan menembus jaringan kerja polimer, menyebabkan jarak antarrantai akan semakin besar dan volume yang ditempati akan menjadi besar, dengan kata lain keteraturan molekul polimer berkurang, sehingga bobot jenis polipaduan akan turun. Hubungan antara komposisi zat pemlastis epoksida minyak jarak pagar dengan penurunan bobot jenis polipaduan dapat dilihat pada Gambar 9.
Gambar 9 Bobot jenis polipaduan pada komposisi zat berbagai pemlastis.
Besarnya bobot jenis polimer ditentukan dari sifat mekanik polimer tersebut, jika suatu polimer memiliki kekuatan tarik, kekerasan, dan kekakuan yang besar maka bobot jenis polimer tersebut juga besar. Bobot jenis polipaduan yang turun setelah penambahan epoksida minyak jarak pagar menandakan bahwa kekuatan tarik, kekerasan, dan kekakuan polimer menjadi turun, sehingga polimer yang dihasilkan lebih liat. Hasil analisis ini memberikan bukti awal bahwa
epoksida minyak jarak pagar dapat memlastisasi polipaduan polistirena-pati. Analisis Uji Tarik
Uji tarik pada film bertujuan untuk melihat besarnya tegangan maksimum atau kekuatan tarik yang dapat ditahan polimer dan juga melihat besarnya perpanjangan bahan. Kekuatan tarik adalah kekuatan maksimum bahan untuk menahan tegangan yang diberikan. Perpanjangan adalah pertambahan panjang tertentu pada bahan akibat tegangan yang diberikan. Uji kekuatan tarik ini dapat menunjukkan seberapa besar pengaruh zat pemlastis epoksida minyak jarak pagar terhadap polipaduan. Berdasarkan teori, semakin banyak konsentrasi pemlastis yang ditambahkan maka kekuatan tarik film akan menurun, sedangkan perpanjangan bahan akan bertambah. Data kekuatan tarik dan perpanjangan bahan pada berbagai komposisi zat pemlastis epoksida minyak jarak pagar dapat dilihat pada Tabel 3 (Lampiran 5 menunjukkan data lengkap hasil analisis uji tarik). Tabel 3 Data kekuatan tarik dan perpanjangan dengan berbagai konsentrasi zat pemlastis epoksida minyak jarak pagar Zat pemlastis (%)
Kekuatan tarik (kgf/mm2)
Perpanjangan (mm)
Perpanjangan (%)
0,00 0,25
0,326 0,144
0,00 5,00
0,00 0,23
0,50
0,130
5,50
0,25
0,75
0,118
6,00
0,27
1,00
0,119
6.00
0,27
Tabel 3 menunjukkan bahwa semakin besar konsentrasi zat pemlastis epoksida minyak jarak pagar yang ditambahkan pada berbagai variasi komposisi akan menurunkan kekuatan tarik polipaduan dan meningkatkan perpanjangan bahan. Data perpanjangan bahan menunjukkan bahwa polimer menjadi lebih liat. Hal ini disebabkan zat pemlastis adalah molekul kecil yang dapat menembus jaringan kerja polimer, sehingga jarak antarrantai semakin renggang dan memudahkan pergerakan antarmolekul. Data kekuatan tarik menggambarkan informasi kekerasan pada bahan polimer. Polimer yang semula keras dan rapuh menjadi keras dan liat. Hal ini akan tampak nyata pada Gambar 10 dan Gambar 11 menunjukkan hubungan antara zat pemlastis epoksida minyak jarak pagar dengan kekuatan tarik dan perpanjangan.
8
Kekerasan dan kekakuan polimer disebabkan bagian kristalin dari polimer tersebut lebih banyak dibandingkan bagian amorf. Daerah kristalin polimer menandakan keteraturan molekul dalam polimer tinggi, sedangkan daerah amorf adalah daerah pada polimer dengan keteraturan molekulnya rendah dan jarak antarmolekul lebih besar. Penambahan zat pemlastis ke dalam polipaduan akan mengurangi bagian kristalin sehingga bagian amorf dari polimer bertambah yang menyebabkan polipaduan lebih liat.
penambahan pemlastis (5,0). Pada penelitian ini yang ditentukan hanya suhu transisi kaca, karena suhu leleh dan suhu dekomposisi yang dihasilkan kurang jelas, sehingga sulit menentukannya secara tepat. Kurva DSC untuk penambahan zat pemlastis 0,0% menunjukkan suhu transisi kaca sebesar 95,37 ºC dan penambahan zat pemlasis 5,0% menunjukkan penurunan suhu transisi kaca menajdi 91,79 ºC, untuk melihat lebih jelas pengaruh penambahan epoksida minyak jarak pagar dapat dilihat pada Gambar 12 dan Gambar 13.
Gambar 10 Kekuatan tarik polipaduan.
Gambar 12 Kurva suhu transisi kaca pada polipaduan tanpa pemlastis.
Gambar 11 Perpanjangan polipaduan.
Analisis Termal dengan DSC Differential Scanning Calorymetry biasa digunakan untuk menentukan suhu transisi kaca (Tg) dari polimer. Analisis ini bertujuan untuk mendeteksi efek termal yang menyertai perubahan kimia maupun perubahan fisika dari bahan yang dipanaskan dengan laju pemanasan konstan. Data yang dihasilkan dari analisis ini berupa suhu transisi kaca, suhu leleh, dan juga suhu dekomposisi. Polipaduan bersifat kompatibel jika suhu transisi kaca yang dihasilkan tunggal dan suhu tersebut berada di antara suhu transisi kaca polimer induk. Polistirena memiliki Tg 90-100 ºC, pati memiliki Tg 223 ºC, dan poliasamlaktat memiliki Tg 50-64 ºC (Mark 1999). Polipaduan yang diuji analisis termal menggunakan DSC pada penelitian ini adalah polipaduan tanpa pemlastis (0,0%) dan dengan
Gambar 13 Kurva suhu transisi kaca pada polipaduan dengan pemlastis.
Kedua kurva tersebut menunjukkan polipaduan yang dihasilkan memiliki suhu transisi kaca tunggal dan suhu tersebut berada di antara suhu polimer induk, hal ini menandakan bahwa polipaduan bersifat kompatibel. Penambahan zat pemlastis epoksida minyak jarak pagar pada polipaduan akan menyebabkan antaraksi antarmolekul polimer menurun karena ruang antarrantai bertambah besar, sehingga derajat kebebasan rantai polimer meningkat dan entropi pada sistem polimer meningkat. Kenaikan derajat
9
ketidakteraturan ini akan membuat polimer mudah berubah dari keadaan kaku menjadi lebih liat sehingga suhu transisi kacanya turun.
SIMPULAN DAN SARAN Simpulan Analisis bobot jenis menggunakan metode piknometri menunjukkan penurunan bobot jenis polimer setelah penambahan zat pemlastis epoksida minyak jarak pagar. Sifat mekanik polipaduan meningkat dengan penambahan epoksida minyak jarak pagar, menyebabkan kekuatan tarik bahan menurun sedangkan perpanjangan bahan meningkat. Hal ini diperkuat dengan menurunnya suhu transisi kaca polimer yang semula 95,37 ºC menjadi 91,79 ºC. Saran Polipaduan polistirena-pati yang dibuat harus dengan komposisi yang tetap, perlu adanya variasi zat pemlastis alami yang digunakan, dan kandungan pati yang digunakan dipisahkan terlebih dahulu antara amilosa dan amilopektin.
DAFTAR PUSTAKA Bastioli C. 2005. Handbook of Biodegradable Polymers. Shawbury: Rapra Technology. Bhatnagar S, Hanna MA. 1996. Starch-based plastic foams from various starch sources. Cereal Chem. 75: 601-604. Bikiaris D, Prinos, Panayiotou C. 1996. Effect of EAA and Starch on the Termooxidative Degradation of LDPE. Polymer Degradation and Stability 59: 1-9. Billmeyer FW. 1984. Textbook of Polymer Science. Ed ke-3. New York: J wiley. Campanela A, Baltanas MA. 2005. Degradation of the oxirane ring of epoxidazed vegetable oils in liquid-liquid system: II Reactivity with Solvated Acetic and Peracetic Acid. Latin America Applied Research 35: 211-216. Charles AL et al. 2005. Influence of amylopectin Structure and Amylose Content on the Gelling Properties of Five Cultivars of Cassava Starch. Agricultural and Food Chemistry 53: 2717-2725. Davis FJ. 2004. Polymer Chemistry. New York: Oxford University.
Hatakeyama T, Quinn FX. 1999. Thermal Analysis: Fundamental and Applications to Polymer Sciences. Ed ke-2. Chichester : J Wiley. Kalambur S, Rizvi SSH. 2006. An overview a starch-based plastic blends from reactive extrusion. Plastic Films & Sheeting 22: 3958. Kemala T. 1998. Pengaruh Zat Pemlastis dibutil ftalat pada Polyblend PolistirenaPati. [tesis]. Bandung: Program Pasca Sarjana, Institut Teknologi Bandung. Long Y. 2009. Biodegradable Polymer Blends and Composites from Renewable Resources. New Jersey: J Wiley. Mark JE. 1999. Polymer Data Handbook. New York: Oxford University. Narayanan N, Roychoudhury PK, Srivastava A. 2004. L (+) lactic acid fermentation and its product polymerization. Electronic Journal of Biotechnology 7 (2): 167-179. Nurhidayati. 2007. Sintesis Polyblend antara Polistiren dengan Pati Tapioka dan Karakterisasinya. [skripsi]. Bandung: Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Teknologi Bandung Qian JW, Rudin A. 1991. Melt Spinning of Shear Modified Plasticized Polistirena. Journal of Applied Polymer Science 42 :973-977. Rabek JF. 1980. Experimental Methods of Polymer Chemistry. New York: J Wiley. Sears JK, Darby JR. 1982. The Technology of Plasticizer. New York: J Wiley. Singh B, Sharma N. 2007. Optimized synthesis and characterization of polystyrene graft copolymers and preliminary assessment of their biodegradability and application in water pollution alleviation technologies. Polymer Degradation and Stability 92: 876-885. Seymour RB. 1992. Polymer Chemistry an Introduction. Ed ke-3. New York: Mercel Dekker. Siregar BA. 2009. Karakterisasi dan Biodegradasi Polipaduan (Styrofoam-Pati) dengan Poliasamlaktat sebagai Bahan Biokompatibel. [skripsi]. Bogor: Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor.
10
Sperling LH. 2006. Introduction to Physical Polymer Chemistry. Ed ke-4. New Jersey: J Wileys. Sutiani A. 1997. Biodegradasi Poliblend Polistirena-Pati. [Tesis]. Bandung: Departemen Kimia FMIPA ITB.
Wypych G. 2004. Handbook of Plasticizers. New York: William Andrews.
LAMPIRAN
12
Lampiran 1 Diagram alir penelitian
13
Lampiran 2 Rumus penentuan bilangan oksirana Sampel sebanyak 0.3-0.5 gram (± 0.0001 gram) ditimbang, lalu dimasukkan ke dalam labu erlenmeyer 50 ml, kemudian dilarutkan dalam 10 ml asam asetat glasial. Setelah itu ditambahkan indikator kristal ungu sebanyak 5 tetes (maksimum 0.1 ml), lalu dititrasi dengan larutan HBr 0.1 N sampai berwarna hijau kebiruan selama 30 detik. Bilangan oksirana dihitung dengan: Bilangan Oksirana (% b/b) = Keterangan : BO = V = N =
Bilangan oksirana Volume HBr (ml) Normalitas HBr
V x N x 1,60 Bobot contoh(g)
14
Lampiran 3 Data bilangan oksirana epoksida minyak jarak pagar
Ulangan
Bobot MJP (g)
Volume HBr (ml)
Bilanga Oksirana (%)
1 2 3
0.3636 0.3432 0.3408
8.90 8.40 8.40
3.92 3.92 3.94
Rerata
3.93
15
Lampiran 4 Data pengukuran bobot jenis Suhu pada saat percobaan 27 ºC W0 = 14,1663 gram Dl = 1,0000 g/cm3 Da = 0,00125 g/cm3 Komposisi (%) 0,0 2,5 5,0 7,5 10,0
W1 (g) 14,1902 14,1819 14,1825 14,1947 14,1839
W2 (g) 19,4001 19,3989 19,3974 19,3956 19,3954
W3 (g) 19,3972 19,3975 19,3970 19,3969 19,3976
D (g/cm3) 1,1379 1,1221 1,0125 0,9467 0,9073
Contoh perhitungan :
W1 − W0 D= [ DI − Da ] + Da (W3 − W0 ) − (W2 − W1 ) 14,1902 − 14,1663 D= [1,000 − 0,00125] + 0,00125 (19,3972 − 14,1663) − (19,4001 − 14,1902) D = 1,1379 g / cm 3
16
Lampiran 5 Data uji tarik Kode (%) P1 (0,0%)
P2 (2,5%)
P3 (5,0%)
P4 (7,5%)
P5 (10,0%)
Tebal (mm) 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,5 0.6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,5 0,6 0,6
Elongasi Elongasi Tegangan (mm) (%) (kgf) 0,0 0,0 0,0 5,0 5,0 5,0 5,5 5,5 5,5 6,0 6,0 6,0 6,0 6,0 6,0
0,00 0,00 0,00 0,23 0,23 0,23 0,25 0,25 0,25 0,27 0,27 0,27 0,27 0,27 0,27
1,95 1,95 1,96 0,88 0,87 0,70 0,78 0,78 0,78 0,71 0,71 0,71 0,60 0,71 0,71
kekuatan tarik (kgf/mm2) 0,325 0,325 0,327 0,147 0,145 0,140 0,130 0,130 0,130 0,118 0,118 0,118 0,120 0,118 0,118
Rerata (kgf/mm2) 0,326
0,144
0,130
0,118
0,119
