Modifikasi Polietilen Sebagai Sebagai Polimer Komposit Biodegradable Biodegradable untuk Bahan Kemasan Kemasan (Deswita) (Deswita) Akreditasi LIPI Nomor : 536/D/2007 Tanggal 26 Juni 2007
MODIFIKASI POLIETILEN SEBAGAI POLIMER KOMPOSIT BIODEGRADABLE UNTUK BAHAN KEMASAN Deswi Deswita ta,, Aloma Aloma K. K., K., Sud Sudirm irman an dan dan Indra Indra Gu Gunaw nawan an Pusat Teknologi Bahan Industri Nuklir (PTBIN) - BATAN BATAN Kawasan Puspiptek, Serpong 15314, Tangerang
ABSTRAK MODIFIKA MODIFIKASI SI POLIETI POLIETILEN LEN SEBAGAI SEBAGAI POLIMER POLIMER KOMPOSIT KOMPOSIT BIODEGRADABLE UNTUK BAHAN KEMASAN. Pembuatan polimer komposit yang biodegradable dengan metode blending telah dilakuk dilakukan. an. Tujuan Tujuan peneliti penelitian an ini adalah adalah untukmensintes untukmensintesis is berbaga berbagaii bahan bahan polimer polimer komposi kompositt yang yang biodegradable yang yang dapat dapat diaplikas diaplikasikan ikan dalam berbagai berbagai keperluan keperluan antara antara lain sebagai sebagai bahan bahan pengema pengemass ramah ramah lingkunga lingkungan n yang yang mudah terdegradasi. Dalam makalah ini, pembuatan polimer komposit komposit yang biodegradable dilakukan dengan cara menambah menambahkan kan sejumlah sejumlah filler filler yang yang biodegradable kedalam kedalam polimer sintetik menggunak menggunakan an metode blending . Polimer sintetik yang digunakan dalam penelitian ini adalah Low Linier Density Polyethylene (LLDPE) dan High Density Polyethylene (HDPE) dengan filler tepung tapioka. Variasi komposisi tepung tapioka yang digunakan adalah 50 % berat, 55 % berat, 60 % berat, 65 % berat, 70 % berat dan 75 % berat. Karakterisasi meliputi uji mekanik, mekanik, uji termal, uji strukturmikro strukturmikro dan uji biodegradable. biodegradable . Hasil pengujian pengujian menunjuk menunjukkan kan bahwa bahwa sifak mekanik bahan turun dengan semakin semakin besarnya kandungan kandungan tepung tapioka, namun namun tidak memperlihatkan perubahan yang signifikan pada sifat bahan komposit polimer. Untuk masa pemendaman di tanah selama 8 minggu, komposit polimer berbasis LLDPE pada LLDPE pada semua komposisi filler tepung filler tepung tapioka dapat terdegradasi di dalam tanah. Sementara untuk komposit polimer berbasis HDPE pada HDPE pada semua komposisi filler tepung tapioka belum tampak terdegradasi. terdegradasi. Kata kunci : Polietilen, Polimer komposit, Biodegradable, Biodegradable , Filler , Blending
ABSTRACT POLYETHYLE POLYETHYLENE NE MODIFICATION MODIFICATION AS BIODEGRADABLE BIODEGRADABLE COMPOSITE POLYMER POLYMER FOR PACKING MATERIALS. The synthesis synthesis of the biodegrada biodegradable ble composite composite polymer polymer using blending blending method method has been done. The aim of this research is to synthesize kinds of biodegradable composite polymer materials materials which could be applied in many kinds of requirements such as environmental friendly packaging and degradable. In this paper, the synthetic of biodegradable composite composite polymer was performed by adding adding biodegradable filler to the synthetic polymer using blending method. In this experiment Low Linier Density Polyethylene (LLDPE), High Density Density Polyethylene Polyethylene (HDPE) and filler filler of tapioca tapioca were used. The variation variation of tapioca tapioca meal composition composition were 50 in weight percent , 55 in weight percent, 60 in weight percent, 65 in weight percent, 70 in weight percent and 75 in weight percent. The characterization was done by means of thermal test, microstructure test, biodegradable and mechanical mechanical test. The result showed that the mechanical properties of the materials decreased with increasing increasing compositi composition on of tapioca tapioca but did not show significa significant nt change to the polyme polymerr composite composite materials. materials. For burrying burrying time inside the ground of 8 weeks, weeks, all specimens specimens based on polyme polymerr LLDPE for all compositio composition n of tapioca filler were degraded degraded inside the ground, ground, where as for all specimens specimens based on polymer polymer HDPE with all composition of tapioca filler did not show any degradation. Key words : Polyethylene, Composite polymer, Biodegradable, Filler, Blending
PENDAHULUAN Seiring dengan perkembangan bahan polimer, para par a ilmuwan telah tela h melakukan melaku kan banyak banya k usaha usah a untuk memperbaiki sifat bahan ini agar lebih stabil, lebih kuat secar secaraa meka mekani nik k dan dan kimi kimiaa serta serta taha tahan n lama. lama. Saat Saat ini ini baha bahan n polimer (plastik) digunakan digunakan di berbagai sektor kehidupan kehidupan untuk berbagai hal, diantaranya sebagai pembungkus makanan, alas makan dan minum, untuk keperluan
sekolah, kantor, automotif dan berbagai sektor lainnya. Hal ini dikaren dikarenaka akan n plastik plastik memili memiliki ki sifat sifat unggu unggull seperti seperti ringan tetapi kuat, transparan, tahan air serta harganya relatif murah dan terjangkau oleh semua kalangan masyarakat [1,2]. Pada dekade dekade ini tingk tingkat at pemaka pemakaian ian bahan bahan plastik plastik terus meningkat seiring bertambahnya jumlah populasi 37
Edisi Khusus Desember 2008, hal : 37 - 42 ISSN : 1411-1098
Jurnal Sains Materi Indonesia Indonesian Journal of MaterialsScience
pend uduk. Produksi plasti k di Ind ones ia mencapai 1.475 ton pada tahun 2005 yang berarti meningkat 4,17 % dibandingkan tahun 2001 sebesar 1,416 ton. Pemakaian polimer yang terus meningkat menciptakan masalah yang serius terhadap lingkungan berkenaan dengan penanganan limbah plastik tersebut terutama yang berasal dari plastik pengemas [3]. Salah satu alternatif yang mungkin untuk strategi penanganan limbah plastik adalah dengan proses daur ulang. Usaha ini belum cukup optimal dan masih menyisakan banyak kontroversi dan diskusi antara para ilmuwan dan publik pemakainya berkenaan tingkat keamanan pemakaian polimer hasil daur ulang. Berdasarkan hal tersebut, sejak awal tahun 1990-an para ilmuwan telah berusaha mengembangkan bahan pla sti k ter tentu yang kine rjanya seb anding dengan bahan poli mer konvensional tetap i bisa dide gradasi oleh mikroba. Bahan polimer ini biasa disebut po li mer biodegradable atau polimer yang ramah lingkungan [4-6]. Produk plastik yang kita pakai sehari-hari kebanyakan berasal dari produk samping petrokimia dan bersifat tahan terhadap serangan mikroba. Agar proses biodegradasi terhadap polimer bisa terjadi, maka polimer tersebut harus dimodifikasi. Modifikasi bisa melalui dua cara, pertama dengan membuatnya dari monomer yang tidak tahan terhadap mikroba, dan kedua dengan menambahkan aditif atau gugus yang biodegradabel ke dalam polimer sintetis. Proses pembuatan polimer biod egr ad abel de nga n car a pe rtama telah ba nya k dilakukan tapi hasilnya kurang kompetitif secara ekonomi karena harga monomer yang mahal serta ketersediaannya juga terbatas. Salah satu contoh polimer biodegradable yang dibuat cara tersebut adalah polimer yang berasal dari asam laktat ( PLA) [7-9]. Pada penelitian ini akan dikembangkan proses pembuatan polimer dengan cara menambahkan filler tepung tapioka ke dalam polimer sintetis yang biasa digunakan untuk bahan kemasan yang beredar di pasaran seperti Polietilen ( PE ). Polietilen merupakan termoplastik yang kuat, ringan dan bersifat semi kristalin yang banyak d i gu na k an s e b ag a i b a ha n d a sa r o l eh i n du s tr i plastik kemasan.Salah satu sifat fisik dari polietilen ditentukan oleh densitasnya yang dipengaruhi oleh percabangan pada rantai polietilen. Adanya pe rbe daa n pe rca ban ga n pa da po li et il en ma ka po lietile n dapat di bedakan menja di High Density Po lyethylene (HD PE ), Lo w Densit y Po lyethy lene (LDPE) dan Low Linear Density Polyethylene (LLDPE). Dalam penelitian ini digunakan polietilen jenis High Density Polyethylene (HDPE) d an Low Linear Density Polyethylene (LLDPE)[10]. Dari penelitian ini diharapkan tepung tapioka dapat digunakan sebagai filler untuk bahan polimer komposit biodegradabel yang bisa diaplikasikan untuk berbagai keperluan antara lain sebagai bahan pengemas. 38
METODE PERCOBAAN Bahan Bahan yang digunakan adalah polietilen jenis High Density Polyethylene ( HDPE ) dan Linear Low De ns it y Po ly et hy le ne ( LL DP E ) yang diproduksi PT Titan Petrokimia Indonesia, Merak, yang bertindak sebagai matriks, Tapioka cap ‘Angsa Dua’sebagai bahan pengisi ( filler ), dan nitrogen cair.
Peralatan Alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah timbangan digital merk Sartorius, pengayak tepung motorized sieve shaker, Labo Plastomill merek Toyoseiki, alat cetak film (ukuran 15 cm x 15 cm, tebal 0,1 cm), mesin pengepres panas ( Hydraulic Press), mesin pengepres dingin dan pembuat dumb bell. Uji sifat mekanik dilakukan sesuai dengan standar ASTM-D 1822-L menggunakan Tensile Strength Tester merek Toyoseiki dan pengujian sifat termal dengan Differential Scanning Calorimetry ( DSC) tipe DSC7 PerkinElmer.
CaraKerja Preparasi cuplikan diawali dengan pengayakan fi ll er ( ta pi ok a) s amp ai d en ga n 3 2 5 mesh. Kemudian LLDPE dan tapioka dicampur berdasarkan %berat masing-masing 50, 55, 60, 65 dan 70 Tapioka. LLDPE dimasukkan ke dalam Labo Plastomill terlebih dahulu sampai meleleh sempurna pada suhu 130 °C (sekitar titik leleh dari LLDPE ). Selanjutnya dimasukkan tepung tapioka secara perlahan-lahan sambil terus digiling, setelah semua tapioka habis, Labo Plastomill ditutup dan dibiarkan selama 10 menit dengan kecepatan putar 30 rpm. Hasil blending ditimbang sebanyak 10 gram dan diletakkan di dalam alat cetak film kemudian d i ma s uk ka n k e d a l am m e si n p e ng e pr e s p a na s dengan tekanan 150 kg/cm 2 pada suhu 130 °C selama 5 menit. Setelah 5 menit alat cetak dikeluarkan dari alat pengepres panas kemudian dimasukkan ke dalam mesin pengepres dingin dengan tekanan sebesar 5 ton selama 2 menit. Film plastik yang dihasilkan ini kemudian dibentuk dumbbell dengan mengunakan cetakan alat Die Cut berdasarkan standar ASTM-D-1822-1. Hal yang sama juga dilakukan pada pembuatan komposit HDPE +tapioka, akan tetapi suhu operasi yang digunakan adalah 160 oC. Selanjutnya dilakukan karakterisasi polimer komposit yang didapatkan meliputi uji mekanik (kekuatan luluh, kekuatan tarik dan perp anjangan putus ) dan uji mikro struktur sert a uji biodegradable. Preparasi yang sama juga dilakukan untuk HDPE dan tapioka dengan komposisi yang sama dengan LLDPE . Alur kerja pembuatan dan karakterisasi
Modifikasi Polietilen Sebagai Polimer Komposit Biodegradable untuk Bahan Kemasan (Deswita)
komposit polimer biodegradable berbasis LLDPE dan HDPE ditampilkan pada Gambar 1. LLDPE/HDPE + Tapioka (50, 55, 60, 7 0, 75) % berat Blending T= 130°C Karakterisasi
Uji mekanik dengan stograph : - Kekuatan lulu h - Kekuatan tarik - Perpanja ngan putu s
Uji Termal dengan STA
Uji Biodegradable
Uji strukturmikro dengan SEM
Gambar 1 . Alur kerja pembuatan dan karakterisasi
komposit polimer biodegradable berbasis LLDPE dan HD PE
Tensile strength adalah kemampuan bahan untuk menerima beban tanpa menjadi rusak atau putus. Tensile strength suatu bahan ditetapkan dengan membagi gaya maksimum dengan luas penampang mula-mula sebelum terdeformasi. Tabel 1 menunjukkan bahwa kekuatan tarik mengalami penurunan dengan penambahan tapioka, hal ini juga disebabkan o leh sifat plastis dari bahan yang semakin berkurang. Elonga tion at Break merupakan pertambahan panjang dari spesimen uji oleh karena beban penarikan sampai sesaat sebelum spesimen uji tersebut mengalami perpatahan. Tabel 1 menunjukkan bahwa elongation at break akansemakinkecil dengan penambahan tapioka. Semakin banyak penambahan tapioka akan menyebabkan nilai elongation at break semakin menurun, hal ini disebabkan k ar e na p en am ba ha n t ap i ok a y an g b er l eb ih mengakibatkan sifat plastis bahan semakin berkurang dan mudah putus.
HASIL DAN PEMBAHASAN Uji Termal
Sifat Mekanik
Kantong plastik yang diproduksi tidak lansung Pengukuran sifat mekanik meliputi yield strength digunakan, kadangkala mengalami proses penyimpanan (kekuatan luluh), tensile strength (kekuatan tarik) dan sehingga parameter termal dapat dijadikan parameter elongation at break (perpanjangan putus) dari cuplikan penggunaan kantong plastik tersebut. LLDPE +tapioka dan HDPE +tapioka Uji termal diperlukan untuk melihat perubahan Yield strength adalah kekuatan bahan terhadap sifat termal dari bahan komposit polimer LLDPE+tapioka deformasi plastik. Tabel 1 menunjukkan bahwa harga dan HDPE /Tap sebagai fungsi suhu. yield strength semakin kecil dengan bertambahnya Tabel 2 menunjukkan bahwa bertambahnya tapioka, hal ini disebabkan karena tapioka yang bersifat konsentrasi tepung tapioka tidak mempengaruhi sifat non-plastis, sehingga membuat sifat plastis dari LLDPE termal komposit polimer. Ini menunjukkan bahwa menjadi berkurang. Untuk HDPE terlihat dengan komponen komposit tidak terikat secara kimiawi. penambahan tapioka, yield strength tidak ada, hal ini Tabel 2 . Hasil uji termal dengan menggunakan alat DSC untuk disebabkan oleh densitas HDPE yang tinggi sehingga komposit polimer LLDPE , HDPE dan tapioka dengan variasi dengan penambahan tapioka akan menyebabkan semakin komposisi getas dan mudah patah. No.
Tabel 1 . H a s il p e n gu k u ra n s i f at m e k an i k d a r i c u p li k a n
LLDPE +tapioka dan HDPE + tapioka dengan variasi komposisi tepung tapioka Jenis Sampel
Tebal (mm)
Yield Strength (Kg/cm2)
Tensile Strength (Kg/cm2)
Elongation at Break (%)
Polietilen (LLDPE)
0,432
103,91
244,68
820
LLDPE + 50% Tapioka
0,470
54.59
67,97
510
LLDPE + 55% Tapioka
0,468
50,86
64,82
480
LLDPE + 60% Tapioka
0,476
53,03
63,61
470
LLDPE + 65% Tapioka
0,464
43,79
51,66
380
LLDPE + 70% Tapioka
0,590
44,23
35,61
70
LLDPE + 75% Tapioka
0,588
-
28,91
60
Polietilen (HDPE)
0,450
231,85
351,43
800
HDPE + 50% Tapioka
0,680
-
135,01
-
HDPE + 55% Tapioka
0,522
-
110,49
-
HDPE + 60% Tapioka
0,510
-
102,66
-
HDPE + 65% Tapioka
0,580
-
96,46
-
HDPE + 70% Tapioka
0,542
-
80,47
-
HDPE + 75% Tapioka
0,520
-
65,19
-
- tidak terbaca
Sampel
∆H=J/g
Peak ( C)
1
LLDPE
41.24
122.90
2
LLDPE + 50 %Tapioka
9.87
122.78
3
LLDPE + 55 %Tapioka
8.31
122.98
4
LLDPE + 60 %Tapioka
6.88
122.94
5
LLDPE + 65 %Tapioka
5.27
122.17
6
LLDPE + 65 %Tapioka
15.00
126.01
7
LLDPE + 75 %Tapioka
8.42
122.31
No.
Sampel
∆H=J/g
Peak( C)
1
HDPE
138.97
128.82
2
HDPE + 50 %Tapioka
79.53
127.40
43.02
155.20
64.93
127.19
42.46
145.12
3
HDPE + 55 %Tapioka
4
HDPE + 60 %Tapioka
58.79
127.82
5
HDPE + 65 %Tapioka
58.38
127.20
41.69
153.25
48.82
127.29
16.58
164.04
49.09
127.24
34.71
157.69
6 7
HDPE + 70 %Tapioka HDPE + 75 %Tapioka
39
Edisi Khusus Desember 2008, hal : 37 - 42 ISSN : 1411-1098
Jurnal Sains Materi Indonesia Indonesian Journal of MaterialsScience
LLDPE dan HDPE dengan penambahan tepung tapioka terlihat cukup homogen pada semua komposisi, dengan Kekuatan mekanik yang menjadi parameter semakin banyaknya filler tepung tapioka maka terlihat penggunaan kanto ng plas tik sangat ditentuka n oleh polimer LLDPE dan HDPE semakin sedikit dan sifat strukturmikro yang dimilikinya, oleh sebab itu dalam plastis bahan semakin berkurang. Hal ini didukung oleh penelitian ini juga dilakukan pengamatan dengan SEM data mekanik dari bahan polimer komposit, dengan ini untuk mengetahui strukturmikronya. diharapkan polimer komposit akan semakin mudah Hasil strukturmikro blending LLDPE +tapioka terdegradasi di dalam tanah. diperlihatkan pada Gambar 2. Proses pencampuran antara LLDPE atau HDPE Uji Biodegradable dengan filler tepung tapioka melalui proses blending sehingga diharapkan terjadi proses pencampuran dengan Uji biodegradable terhadap komposit polimer hasil yang homogen. Gambar 2 dan Gambar 3 dilakukan dengan memendamkan LLDPE + tapioka menerangkan bahwa proses blending , bahan polimer dalam media tanah. Terlihat pada Gambar 4 (a),
Strukturmikro
(a )
(b)
(c)
(d)
(e)
(f )
Gambar 2 . Hasil strukturmikro dari komposit polimer LLDPE + Tapioka pada berbagai variasi komposisi :
(a). LLDPE+tapioka 50%, (b). LLDPE+tapioka 55%, (c). LLDPE+tapioka 60%, (d). LLDPE+tapioka 65%, (e). LLDPE+tapioka 70% dan (f). LLDPE+tapioka 75%
a
b
c
d
Gambar 3 .Hasil strukturmikro dari komposit polimer HDPE +Tapioka pada berb agai vari asi komp osisi (a) . HDPE murni, (b). HDPE+Tapioka 50%, (c). HDPE+Tapioka 65% , (d). HDPE+Tapioka 65%
40
Modifikasi Polietilen Sebagai Polimer Komposit Biodegradable untuk Bahan Kemasan (Deswita) a
b
c
Gambar 4 . Hasil uji biodegradable LLDPE+tapioka dengan pemendaman
di dalam tanah selama (a). 2 minggu, (b). 4 minggu dan (c). 8 minggu
setelah pemendaman selama 2 minggu komposit polimer LLDPE +tapiokamulaiterdegradasi. Pemendaman LL DP E + tapioka selama 4 minggu, menyebabkan komposit mulai agak hancur. Selanjutnya pemendaman selama 8 minggu menyebabkan beberapa komposit polimer hancur dan pada konsentrasi tapioka lebih besar 60% komposit polimer telah habis. Hal ini menunjukkan bahwa dengan penambahan tapioka terhadap polimer sintetis dapat merubah polimer sintetis tersebut menjadi biodegradable. G a mb a r 5 m en u nj u kk a n b a hw a u n tu k konsentrasi tapioka lebih dari 55% kerusakan akan terlihat
seperti pada Gambar 5 (b) dan untuk konsentrasi tepung tapioka lebih dari 60% seperti 65 %, 70 % dan 75 % komposit hancur dalam tanah dengan masa pendam
a
b
a
c
b Gambar 5 . Hasil uji biodegradable LLDPE +Tap dengan pe me nd am an di da la m ta na h se la ma 8 mi ng gu . (a) LLDPE + Tap 55% dan (b). LLDPE + Tap 60%
Gambar 6 . Hasil uji biodegradable HDPE+tapioka
dengan pemendaman di dalam tanah selama (a). 2 minggu, (b). 4 minggu dan (c). 8 minggu
41
Jurnal Sains Materi Indonesia Indonesian Journal of MaterialsScience
8 minggu. Bila hal ini dihubungkan dengan sifat mekanik dari masing-masing komposit polimer tersebut, maka komposit polimer yang memungkinkan untuk plastik kemasan yang biodegradable adalah komposit polimer pada konsentrasi LLDPE +tapioka 60%, karena pada konsentrasi ini hasil uji mekanik lebih baik dibandingkan konsentrasi komposit polimer yang lebih besar dari 60% (Tabel 1) Hasil uji biodegradable polimer komposit H DP E +t a pi ok a ( G am ba r 6 ) b er b ed a d en ga n LLDP E + tapioka (Gambar 5) dimana pada polimer komposit HDPE /tapioka pemendaman dari 2 minggu sampai dengan 8 minggu tidak menyebabkan polimer komposit ini terdegradasi. Hal ini mungkin disebabkan dari sifat densitas polimer sintetis HDPE yang tinggi sehingga polimer ini sulit untuk terdegradasi di dalam tanah, data eksperimen tentang biodegradable HDPE belum diperoleh dari literatur yang diacu selama ini. Gambar 6. memeperlihatkan polimer komposit HDP E + tapioka yang dilakukan uji biodegradable dimana sampel uji ditanam di tanah dengan kedalaman 30 cm. Hasilnya menunjukkan tidak ada perubahan pada komposit HDPE +tapioka bila dibandingkan dengan LLDPE+tapioka (Gambar 5)
KESIMPULAN LLDPE + tapioka dapat digunakan sebagai ba ha n ke ma sa n ka ren a ha si l uj i biodegradable menunjukkan komposit polimer ini dapat terdegradasi di dalam tanah . Sementara untuk HDPE +tapioka belum bisa digunakan untuk bahan kemasan karenamasih belum terdegradasi dengan baik, sehingga diperlukan penelitian lanjutan.
DAFTARACUAN [1].
[2].
[3]. [4].
[5].
[6]. [7].
42
MASCIA L., T h er m op l a st i cs , M a te r ia l s Engineering , Elsevier Apllied Science, London, (1989) http;//www.dml.or.id/dml5/berit a_terbar u/ biodeg radabl e_bag_di_ indonesia.dml . dia kses 7 Februari (2008) BPS, Data, Jakarta (www.bps.go.id), (2005) MULLER, R.J. Biodegradability of Polymers: Reg ula tio ns and Me tho ds fo r Tes ti ng , Braunchweig, Germany, (2002) 366-374 K. HOPPENHERDT and J. TRANKLER., Biodegradable Plastic and Biowaste Options For A Common Treatment, Proccedings of the Bio waste ’95 Conf erenc e, Aalborg. Denmark, (1995) http://blogkuw.wordpress.com/2007/07/20/ plastikbiodegradable D E SW I TA , A LO M A K A R O K A RO d a n SUDIRMAN, Pengaruh Penambahan Filler Jerami Terhadap sifat Mekanik dan Termal Komposit Berbasis Polipropilena, Prosiding Pertemuan
Edisi Khusus Desember 2008, hal : 37 - 42 ISSN : 1411-1098
Ilmiah Ipetk Bahan ’02, P3IB-BATAN, Serpong, (2002)225-228 [8]. ENVIS, Indian Centre For Plastics In The Enviroment , 1 (4) (2003) [9]. COLEMAN, M.M., GRAF, J.F.,And PAINTER, P., Spesific Interactions and The Miscibility of Polymer Blends, Technomic, 20 (1991) [10]. NPL, Plastics and Adhesives, The UK’s National Measurement Laboratory, 9 (2006)
