BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Transkripsi

1 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Bahan Komposit Bahan komposit menunjukkan artian bahwa dua atau lebih material digabung pada skala makroskopis untuk membentuk material ketiga yang berbeda. Materialmaterial yang berbeda dapat digabung dalam skala mikroskopis seperti memadukan logam. Bila suatu komposit dirancang dengan baik maka akan memberikan kualitas yang bagus daripada komponen atau konstituen penyusunnya [16] Konstituen Komposit Pada prinsipnya, komposit dibentuk berdasarkan kombinasi antara dua atau lebih material seperti bahan logam, organik ataupun nonorganik. Meskipun ada terdapat kombinasi bahan yang tidak terbatas, tetapi bentuk konstituen lebih terbatas. Bentuk konstituen yang umum digunakan dalam bahan komposit yaitu serat, partikel, laminae (lapisan), serpihan (flakes), pengisi, dan matriks [17] Pengisi Ada beberapa cara untuk mengklasifikasikan bahan komposit. Klasifikasi yang disebutkan di sini yaitu berdasarkan bentuk konstituen struktural. Hal ini memberikan pembagian lima kelas dari komposit, yaitu: 1. Komposit serat (fiber composite), terdiri dari serat dengan atau tanpa matriks. 2. Komposit serpihan (flake composite), terdiri dari serpihan datar dengan atau tanpa matriks. 3. Komposit partikulat (particulate composite), terdiri dari partikel dengan atau tanpa matriks. 4. Komposit berpengisi (skeletal) (filled composite), terdiri dari matriks skeletal kontinu yang diisi dengan material kedua. 5. Komposit laminar (laminar composite), terdiri dari lapisan konstituen. [17]

2 Antarmuka dan Antarfasa Adanya pencampuran bahan yang berbeda dalam bahan komposit, maka dalam komposit tersebut akan selalu terdapat daerah berdampingan (contiguous region). Definisi sederhananya yaitu sebuah antarmuka (interfaces) atau dengan kata lain permukaan membentuk batasan dalam konstituen. Pada beberapa kasus, daerah berdampingan sering juga dianggap sebagai fasa tambahan yang dinamakan dengan antarfasa (interphases). Sebagai contoh, pada lapisan serat gelas dalam plastik berpengisi dan bahan adesif yang mengikat lapisan bersamaan. Ketika terdapat suatu antarfasa maka akan terdapat dua antarmuka, yaitu pada permukaan antarfasa dan konstituen di tengahnya [17]. Gambar 2..1 menunjukkan bentuk interface matriks dengan serat. INTERPHASE (BONDING AGENT) MATRIX FIBE INTERF Gambar 2.1 Bentuk Interface antara Matriks dengan Serat [17] Matriks Matriks adalah fasa dalam komposit yang mempunyai bagian atau fraksi volume terbesar (dominan). Matrik, umumnya lebih ulet tetapi mempunyai kekuatan dan kekakuan yang lebih rendah (Porwanto dan Lizda, 2008). Matriks mempunyai fungsi sebagai berikut : Mentransfer tegangan ke serat. Membentuk ikatan koheren, permukaan matrik/serat. Melindungi serat. Memisahkan serat dan melepas ikatan. Tetap stabil setelah proses manufaktur [18]

3 2.2 Bioplastik Bioplastik atau yang sering disebut plastik biodegradable, merupakan salah satu jenis plastik yang hampir keseluruhannya terbuat dari bahan yang dapat diperbarui, seperti pati dan minyak nabati. Ketersediaan bahan dasarnya di alam sangat melimpah dengan keragaman struktur tidak beracun. Bahan yang dapat diperbarui ini memiliki biodegradabilitas yang tinggi sehingga sangat berpotensi untuk dijadikan bahan pembuat bioplastik. Titik awal dalam penemuan bioplastik adalah sebuah fakta sederhana bahwa plastik sekarang begitu penting dan bioplastik menjadi bagian yang tidak terlepaskan dari kehidupan sehari-hari [19]. Plastik biodegradable berbahan dasar pati/amilum dapat didegradasi oleh bakteri pseudomonas dan bacillus memutus rantai polimer menjadi monomer-monomernya. Senyawa-senyawa hasil degradasi plastik biodegradable selain menghasilkan karbondioksida dan air, juga menghasilkan senyawa organik dan aldehid sehingga plastik ini aman bagi lingkungan. Sebagai perbandingan, plastik sintetik membutuhkan waktu sekitar 100 tahun agar dapat terdekomposisi oleh alam, sementara plastik biodegradable dapat terdekomposisi 10 hingga 20 kali lebih cepat. Hasil degradasi plastik ini dapat digunakan sebagai makanan ternak atau sebagai pupuk kompos. Plastik biodegradable yang terbakar tidak menghasilkan senyawa kimia yang berbahaya. Ungkapan plastik biodegradable merujuk pada serangan mikroorganisme pada material berbasis polimer yang tidak larut dalam air, yaitu plastik. Oleh karena kurang larut dalam air dan ukuran molekul polimer, mikroorganisme tidak mampu berpindah dalam material polimer secara langsung kedalam sel sebagai tempat sebagian besar proses biokimia [5]. Plastik berbahan dasar tepung pati (amilum) dan polisakarida telah diproduksi oleh beberapa perusahaan dunia. Plastik starch-based ini seringkali bersifat menyerap air sehingga semakin mudah didegradasi. Beberapa plastik terdiri atas tepung pati saja, ada juga yang memadukan tepung pati dengan komponen biodegradable lain. Plastik ini dibentuk dari bahan-bahan alam yang dapat diperbaharui daripada dibuat dari bahan bakar fosil yang sulit diperbaharui [4]. Bioplastik dewasa ini berkembang sangat pesat. Berbagai riset telah dilakukan di negara maju seperti Jerman, Prancis, Jepang, Korea, Amerika Serikat, Inggris dan Swiss dimana riset ini ditujukan untuk menggali berbagai potensi bahan baku biopolimer [3].

4 Di Indonesia penelitian dan pengembangan teknologi kemasan plastik bioplastik masih sangat terbatas. Hal ini terjadi karena selain kemampuan sumber daya manusia dalam penguasaan ilmu dan teknologi bahan, juga dukungan dana penelitian yang terbatas. Dipahami bahwa penelitian dalam bidang ilmu dasar memerlukan waktu lama dan dana yang besar [14]. 2.3 Buah Nangka dan Biji Nangka Nangka merupakan tanaman buah berupa pohon yang berasal dari India dan menyebar ke daerah tropis termasuk Indonesia [23]. Tanaman nangka (Artocarpus heterophyllus Lamk.) merupakan salah satu jenis tanaman buah tropis yang multifungsi dan dapat ditanam di daerah tropis dengan ketinggian kurang dari meter di atas permukaan laut yang berasal dari India Selatan. Ciri-ciri buah nangka yang sudah matang yaitu memiliki duri yang besar dan jarang, mempunyai aroma nangka yang khas walaupun dalam jarak yang agak jauh, setelah dipetik daging buahnya berwarna kuning segar, tidak banyak mengandung getah. Buah tersebut bisa dimakan langsung atau diolah menjadi berbagai masakan [24]. Berat biji nangka sekitar 8-15 % dari berat buahnya. Biji nangka oval dan tertutup lapisan coklat yang disebut spermoderm yang menutupi kotiledon berwarna putih. Kotiledon ini mengandung pati yang sangat tinggi [25]. Dibawah ini adalah tabel komposisi biji nangka per 100 gram. Tabel 2.1 Komposisi Biji Nangka Per 100 Gram [26] No Kandungan Gizi Unit Biji Nangka 1 Kalori Kal 165,0 2 Protein Gr 4,2 3 Lemak Gr 0,1 4 Karbohidrat Gr 36,7 5 Kalsium Mg 33,0 6 Besi Mg 200,0 7 Fosfor Mg 1,0 8 Vit. B1 Mg 0,20 9 Vit. C Mg 10,0 10 Air % 57,7

5 2.4 Pati Pati dihasilkan oleh tanaman dibagian plastida dan tersimpan di berbagai organ tanaman sebagai cadangan makanan, misalnya di batang, buah, akar, dan umbi. Kandungan pati tapioka mencapai 90% dan tertinggi diantara sumber pati lainnya. Pati terdapat di granula, granula pati berwarna putih, mengkilap, tidak berbau dan tidak berasa [13]. Pati merupakan homopolimer glukosa dengan ikatan α-glikosidik, yang banyak terdapat pada tumbuhan terutama pada biji-bijian, umbi-umbian. Berbagai macam pati tidak sama sifatnya, tergantung dari panjang rantai atom karbonnya, serta lurus atau bercabang [20]. Pati terdiri dari dua fraksi yang dapat dipisahkan dengan air panas. Fraksi terlarut disebut amilosa dan fraksi tidak larut disebut amilopektin. Struktur amilosa merupakan struktur lurus dengan ikatan α-(l,4)-d-glukosa. Amilopektin terdiri dari struktur bercabang dengan ikatan α-(l,4)-d-glukosa dan titik percabangan amilopektin merupakan ikatan α-(l,6). Amilosa memberikan sifat keras sedangkan amilopektin menyebabkan sifat lengket. Konsentrasi kedua komponen ini nantinya akan mempengaruhi sifat mekanik dari polimer alami yang terbentuk [21]. Dengan monomer penyusun yang lebih besar, amilopektin membentuk polimer yang lebih besar dibandingkan dengan amilosa. Rasio amilosa dan amilopekti berbeda-beda untuk setiap sumber pati, tetapi umumnya kandungan amilopektin lebih besar dibandingkan dengan amilosa. Rasio amilosa dan amilopektin akan berpengaruh pada kemampuan pasta pati dalam membentuk gel, mengentalkan, atau membentuk film. Ikatan hidrogen antarmolekul penyusun pati berperan dalam menentukan kekompakan gel atau film. Struktur amilosa yang linier menyebabkan untuk lebih mudah berikatan dengan sesama sendiri melalui ikatan hidrogen dibandingkan dengan amilopektin. Oleh karena itu kekuatan gel atau pati lebih banyak ditentukan oleh kandungan amilosanya. Semakin tinggi kandungan amilosanya maka kemampuan membentuk gel dan lapisan film akan semakin besar. Sebaliknya amilopektin dengan struktur yang sangat besar membentuk ikatan hidrogen yang relatif lemah. Pati dengan amilopektin yang tinggi cocok digunakan sebagai pengental (thickening agent) [13].

6 2.5 Gelatinisasi Pati Gelatinisasi pati melibatkan granul leleh dalam media larutan dengan pemanasan. Dalam air, pembengkakan granul meningkat seiring dengan bertambahnya suhu dan itu mengarah pada transfer air dalam suspensi air terkait dengan komponen pati: amilosa dan amilopektin. Ketika suhu pati mencapai ºC, butiran larut terganggu oleh energi yang disediakan, mengakibatkan hilangnya susunan molekuler dan, akibatnya, kehilangan kristalinitas. Proses ini menyebabkan peningkatan viskositas dan kelarutan pati, yang merupakan hasil dari perubahan ireversibel seperti gangguan granular dan struktur semi kristal, juga dilihat sebagai hilangnya radial [22]. 2.6 Etilen Glikol Etilen glikol yang memiliki nama lain 1, 2-Ethanediol memiliki rumus kimia CH 2 CH 2 (OH) 2. Etilen glikol ditemukan dalam wujud cairan yang tidak berwarna, pada dasarnya tidak berbau, memiliki volatilisa rendah, hifroskopik. Etilena glikol dapat terlarut sempurna dalam air dan beberapa cairan organik. Gugus hidroksil pada glikol menjalani kimia alkohol umum, sehingga menghasilkan keragaman turunanturunan yang memungkinkan. Hidroksil dapat diubah menjadi aldehid, alkil halide, amina, azida, asam karboksilat, eter, merkaptan, ester nitrat, nitril, ester nitril, ester organik, peroksida, ester fosfat, dan ester sulfat. Kimia semacam ini memungkinkan etilena glikol bertindak sebagai zat antara dalam berbagai reaksi kimia. Secara siqnifikan etlena glikol terutama dapat berperan sebagai zat antara dalam pembentukan resin, mencangkup kondensasi dengan dimetil terftalat atau asam tereftalat yang dihasilkan dalam resin poliuretan. Reaktivitas dan kelarutan dari etilena glikol menghasikan dasar bagi berbagai aplikasi. Penggunaan etilen glikol sebagai zat antibeku secara luas adalah berdasar pada kemampuannya untuk menurunkan titik beku jika dicampurkan dengan air. Karenanya, sifat-sifat fisik dari campuran etilena glikol merupakan suatu hal penting [27]. 2.7 Mekanisme Plastisasi Interaksi antara polimer dengan pemlastis dipengaruhi oleh sifat afinitas kedua komponen, jika polimer pemlastis tidak terlalu kuat maka akan terjadi

7 plastisasi antara struktur (molekul pemlastis hanya akan terdistrubusi diantara struktur). Plastisasi ini hanya mempengaruhi gerakan dan mobilitas struktur. Jika terjadi interaksi polimer-polimer cukup kuat maka molekul pemlastis akan terdisfusi ke dalam rantai polimer (rantai polimer amorf membentuk satuan struktur globular yang disebut bundle) menghasilkan plastisasi sampai batas kompatibilitas yaitu sejumlah yang dapat terdispersi (terlarut) dalam polimer. Jika jumlah pemlastis melebihi batas ini, maka akan terjadi sistim yang heterogen dan plastisasi melebihi tidak efisien lagi. [21] 2.8 Metode Pembuatan Bioplastik Pengkajian pemanfaatan sumberdaya pati Indonesia untuk produksi plastik biodegradabel dapat dilakukan melalui 3 cara yaitu [21]: 1. Pencampuran (blending) antara polimer plastik dengan pati, dimana pati yang digunakan dapat berupa pati mentah berbentuk granular maupun pati yang sudah tergelatinisasi, dan plastik yang digunakan adalah PCL, PBS, atau PLA maupun plastik konvensional (polietilen). Pencampuran dilakukan dengan menggunakan extruder atau dalam mixer berkecepatan tinggi (high speed mixer) yang dilengkapi pemanas untuk melelehkan polimer plastik. 2. Modifikasi kimiawi pati, dimana untuk menambahkan sifat plastisitas pada pati, metode grafting sering digunakan. Sifat biodegradabilitas dari produk plastik yang dihasilkan tergantung daripada jenis polimer yang dicangkokkan pada pati. 3. Penggunaan pati sebagai bahan baku fermentasi menghasilkan monomer/polimer plastik biodegradabel. Metode yang dilakukan dalam pembuatan bioplastik pada penelitian ini merujuk pada metode Weiping Band. Proses pencampuran antara pati, pengisi dan plasticizer dilakukan bertahap, dimana larutan pati dipanaskan pada suhu 88,82 o C dan ditambahkan pengisi secara perlahan-lahan selama 25 menit sambil diaduk pada kecepatan 400 rpm. Setelah 25 menit ditambahkan plasticizer lalu diaduk selama 15 menit [5][28].

8 2.9 Pengujian dan Karakteristik Bioplastik Berbagai pengujian dan karakteristik bioplastik yang dihasilkan adalah : Densitas Bioplastik Kerapatan merupakan sifat fisik suatu polimer. Kerapatan suatu bahan berpengaruh terhadap sifat mekanik bahan tersebut, semakin rapat suatu bahan maka semakin meningkatkan sifat mekaniknya. Sehingga film bioplastik yang dihasilkan mempunyai kekuatan tarik yang baik. Kerapatan atau densitas ini dapat didefinisikan sebagai berat per satuan volume bahan. Densitas dapat ditentukan dengan metode kenaikan fluida dalam gelas ukur [29]. Penentuan rapat massa (densitas) film dilakukan dengan pemotongan film dengan ukuran dan tebal tertentu, kemudian dihitung volume daripada film tersebut. Potongan film ditimbang dan rapat massa film ditentukan dengan membagi massa potongan uji dengan volumenya (g/cm3) [30]. Pada pengujian densitas plastik sampel film diuji berdasarkan standar ASTM D792-91, 1991 [31]. ρ = m v Dimana : [32].. (1) ρ = rapat massa/densitas (g/cm3) m = massa sampel (g) v = volume sampel (cm3) Kekuatan Tarik Sifat mekanik suatu material berupa kuat tarik dan pemanjangan menunjukkan kekuatan material tersebut. Penggunaan suatu material di dalam industri maupun kehidupan sehari-hari sangat tergantung pada sifat mekanik material. Sifat mekanik ini meliputi kuat tarik yang tinggi dan elastisitas yang baik [33]. Kuat tarik adalah tegangan regangan maksimum yang dapat diterima sampel [34]. Kuat tarik dapat dipengaruhi oleh bahan pemlastis yang ditambahkan dalam proses pembuatan film [35]. Pengujian ini sangat sederhana dan sudah mengalami standarisasi di seluruh dunia. Pada uji kekuatan tarik ini, dengan menarik suatu bahan kita akan segera mengetahui bagaimana bahan tersebut bereaksi terhadap tenaga tarikan dan mengetahui sejauh mana material itu bertambah panjang [29]. Pengujian kekuatan tarik menggunakan standar ASTM D 638 [36].

9 Kuat tarik dapat diukur berdasarkan beban maksimum (F maks ) yang digunakan untuk memutuskan material dibagi dengan luas penampang awal (Ao) yang ditunjukkan pada Persamaan berikut: σσ = F maks A o.. (2) Keterangan: σ = kuat tarik (kgf/cm2) Fmaks = beban maksimum (kgf) Ao = luas penampang awal (cm2) [37] Pemanjangan Saat Putus Pemanjangan saat putus (elongation at break) atau proses pemanjangan merupakan perubahan panjang maksimum pada saat terjadi peregangan hingga sampel film terputus. Pada umumnya adanya penambahan plasticizer dalam jumlah lebih besar akan menghasilkan nilai persen pemanjangan suatu film semakin lebih besar. Menurut Liu dan Han pada tahun 2005, tanpa penambahan plasticizer, amilosa dan amilopektin akan membentuk suatu film dan struktur dengan satu daerah kaya amilosa dan amilopektin. Interaksi-interaksi antara molekul-molekul amilosa dan amilopektin mendukung formasi film, menjadikan film pati jadi rapuh dan kaku [38]. Pengujian pemanjangan saat putus menggunakan standar ASTM D 638 [36]. Karakterisasi uji tarik suatu material dilakukan dengan penarikan material dengan penjepit pada alat tensometer hingga spesimen putus. Pada waktu yang bersamaan, pertambahan panjang material dapat diukur. Pertambahan panjang (Δl) yang terjadi akibat beban atau gaya yang diberikan pada material disebut dengan deformasi. Sedangkan elastisitas suatu material (elongasi) dapat dicari dengan perbandingan antara pertambahan panjang dengan panjang semula seperti ditunjukkan dalam Persamaan 2.3 berikut : εε = l l o x 100%.. (3) Keterangan: ε = elastisitas / regangan (%) lo = panjang mula-mula material yang diukur (cm)

10 Δl = pertambahan panjang (cm) [37] Karakterisasi SEM (Scanning Electron Microscopy) Struktur morfologi film dianalisis menggunakan scanning electron microscopy. Sampel dipotong dengan ukuran yang kecil dan di letakkan pada carbon tape [39]. Hasil analisis SEM juga memperlihatkan penyebaran partikel pengisi pada matriks sehingga dapat diketahui distribusi partikel pengisi pada matriks tersebar dengan merata atau tidak [37] Ketahanan Air Bioplastik Uji ketahanan air adalah uji yang dilakukan untuk mengetahui seberapa besar daya serap bahan tersebut terhadap air. Pada bioplastik diharapkan air yang terserap pada bahan sangat sedikit atau dengan kata lain daya serap bahan tersebut terhadap air harus rendah. Jika nilai penyerapan air oleh plastik tinggi, ini berarti plastik bersifat hidrofilik. Adapun penyebab plastik bersifat hidrofilik ialah penambahan sorbitol dan faktor kecepatan pengadukan. Darni dan Herti (2010) menyatakan bahwa sifat ketahanan air suatu molekul berhubungan dengan sifat dasar molekul penyusunnya [14]. Bahan pati disini bersifat hidrofilik dan penambahan plasticizer sorbitol menambah sifat hidrofilik dari plastik. Kecepatan pengadukan yang semakin cepat membuat nilai pecerapan air dari plastik menjadi kecil. Hal ini disebabkan oleh ikatan antar komponen-komponen penyusun dipengaruhi oleh kecepatan pengadukan. Semakin cepat kecepatan pengaduknya, semakin homogen dan semakin kuat ikatan antar komponen-komponen penyusun tersebut. Jika ikatan antar komponen itu semakin kuat, maka akan sulit untuk air memutuskan ikatan tersebut. Hal inilah yang menyebabkan kecilnya nilai penyerapan air [29]. Pengujian ketahana air bioplastik ini menggunakan standar ASTM D570-98, 2005 [40].

11 2.9.6 Karakterisasi FT-IR (Fourier Transform Infra Red) FT-IR (Fourier Transform Infra Red) merupakan metode yang menggunakan spektroskopi inframerah. Pada spektroskopi infra merah, radiasi inframerah dilewatkan pada sampel. Sebagian radiasi inframerah diserap oleh sampel dan sebagian lagi dilewatkan/ditransmisikan. Hasil dari spektrum merupakan besarnya absorbsi molekul dan transmisi yang membentuk pola molekul dari suatu sampel. Seperti pola pada umumnya, struktur pola dari spektrum inframerah yang dihasilkan tidak ada yang sama. Inilah yang membuat spektroskopi inframerah berguna untuk beberapa jenis analisis. Manfaat informasi/data yang dapat diketahui dari FT-IR untuk dianalisis adalah identifikasi material yang tidak diketahui, menentukan kandungan gugus fungsi dan menentukan banyaknya komponen dalam suatu campuran [41].