EFEK IRADIASI SINAR GAMA PAD A BIODEGADASI FILM …digilib.batan.go.id/e-prosiding/File...
Transcript of EFEK IRADIASI SINAR GAMA PAD A BIODEGADASI FILM …digilib.batan.go.id/e-prosiding/File...
Efek Iradia5i Sinar Gamma pada Biodegradasi Film Paduan Polipropilen-KO-Etilen/Polibutilen Suksinat danPolipropilen-KO-Etilen/Poli-e-Kaprolakton (Nikham)
EFEK IRADIASI SINAR GAMA PADA BIODEGADASI FILMPADUAN POLIPROPILEN-KO-ETILENIPOLIBUTILEN
SUKSINAT DAN POLIPROPILEN-KO-ETILENIPOLI-E-KAPROLAKTON
Nikham
Puslitbang Teknologi Isotop dan Radiasi(P3T!R) - BATANJf. Raya Cinere Pasar Jumat, Jakarta
ABSTRAK
. EFEK IRADIASI SINAR GAMA PADA BIODEGRADASI FILM PADUAN POLiPROPILEN-KO-ETILEN/
POLIBUTILEN SUKSINAT DAN POLIPROPILEN-KO-ETILEN/POLl-e-KAPROLAKTON. Untuk mendapatkanfilm polimer paduan hasil iradiasi yang ramah lingkungan, telah dipelajari biodegradasi (mudah didegradasi secarabiologis) film iradiasi dan tanpa iradiasi paduan polipropilen-ko-etilen (KPP)/polibutilen suksinat (PBS) danpolipropilen-ko-etilen (KPP)/poli-e-kaprolakton (PKL) dengan polipropilen ditempel dengan maleik anhidrat(PP-g-M~. Paduan KPP/PBS dan KPP/PKL dengan perbandingan; 100/0,75/25, 50/50, 25/75 dan 0/100 dicampurdengan PP-g-MAH 10 % be rat, diiradiasi sinar gama 6OCOpada dosis 0 kGy, 50 kGy, 100 kGy, 150 kGy, dan 200 kGy,laju dosis 8.2 kGy/jam dan suhu 90 "C. Biodegradasi film iradiasi dan tanpa iradiasi dievaluasi secara enzimatikdengan menggunakan enzim lipase. Hasilnya menunjukkan bahwa film yang terbuat dari KPP tidak degradable.Penambahan PBS atau PKL dapat meningkatkan degradabilitas. Makin tinggi kandungan PBS atau PKL makindegradable. Film tanpa iradiasi lebih degradable daripada film iradiasi.
Kata kunci: Sinar gamma, biodegradasi, enzim lipase, kehi1angan berat
ABSTRACT
EFFECT OF IRRADIATION ON BIODEGRADATION OF POLYPROPYLENE-CO-ETHYLENE/POLYPROPYLENE SUCCINATE AND POLYPROPYLENE-CO-ETHYLENE/POLY-e~APROLAcroNE BLEND
FILM. In order to obtain environmental fri~ndly irradiated polyblend films, biodegradation of irradiated andun irradiated films of polypropylene-eo-ethylene (CPP)/polybutylene succinate (PBS) and polypropylene-eo-ethylene.(CPP)/poly-e-caprolactone (PCL) with polyprQpylene grafted with maleic anhydride (PP-g-MAH) blend were studied.The blend of CPP/PBS and CPP/PCL with composition of 100/0, 75/25, 50/50, 25/75 and 0/1 00 with 10 wt %P?-g-MAH were irradiated by using gamma rays 6OCOat doses of 0 kGy, 50 kGy, 100 kGy, 150 kGy, and 200 kGy withthe at dose rate 8.2 kGy/hrs and temperature of90 0c. Biodegradation by using lipase enzyme have been evaluated.The result show that films were made ofCPP are non biodegradable. The addition ofPBS or PCL can be increaseddegradability. The un irradiated films are more degradable than irradiated.
Key words: Gamma rays, biodegradation, lipase enzyme, weight loss
PENDAHULUAN
f-
Permintaan bahan kemasan yang
biodegradable (mudah didegradasi secarabiologis), yaitu bahan yang di alam mudah teI1lr3jakibat aktifitas mikroba, terns mellingkat beberapatahun belakangan. Banyak faktor yang menjadi
penyebab diantaranya, makin berkurangnnya
tempat pembuangan sampah, meningkatnya hargaminyak yang menjadi bahan baku plastik sintetik,
mellingkatnya kesadaran masyarakat terhadap isu
lingkungan, dan berkembangnya teknologi barn
dalam pembuatan bahan yang degradable.Regulasi Intem~sional seperti tercantum dalam
Annex V dari perjanjian MARPOL tahun 1993,berupa larangan membuang sampah plastik kelaut, telah mendorong meningkatnya kebutuhanakan bahan kemasan alternatif yang
biodegradable tersebut [1].. Polimer biodegradable dikelompokan
menjadi tiga golongan. Pertama, polimer yangdihasilkan oleh mikroba, misalnya polihidroksi
229
Pros;d;ng S;mpos;um Nas;onal Polimer V
alkanoat dan polilisin. Kedua, polimer alamyang terbentuk dari bahan tumbuhan danhewan, misalnya selulose dan khitin. Ketiga,
POlime~'aI1g-diSinteSiSdari bahan kimia sepertipoli-E-kaprolakton, poli-etilen glikol,poli-a- am am~~libutilen dan suksinat [2].Po rbutllen suksinat merupakanpoliester alifatik termoplastik yang diproduksisecara reaksi kimia, yaitu dengan polikondensasiglikol dengan asam dikarboksilik atauasam lainnya. Biodegradabilitas polibutilensuksinat dan keterangan ten tang karakteristikpemrosesannya telah diuraikan lebih mendalamoleh Dow Chemical [3]. Polibutilen suksinatmemiliki banyak keunggulan diantaranyamudah diproses, tahan terhadap oli dan air,stabil di atmosfer dan mempunyai kisaransuhu pemrosesan antara 120°C dan 270°C [4].Poli-E-kaprolakton merupakan salah satupolimer biodegradable, dan mempunyaikarakteristik yang unik diantaranya kompatibeldengam berbagai polimer. Kelemahannyaadalah keras, rapuh, suhu titik lelehnyarendah sekitar 55°C, dan aplikasi praktisnyaterbatas [5].
Telah diketahui bahwa polimernonbiodegradable tidak kompatibel denganpolimer biodegradable. Jika dipadu akanmenghasilkan produk yang heterogen, perlekatanantar permukaannya relatiflemah sehingga sifatmekaniknya rendah. Agar dua jenis polimertersebutdapat kompatibel, diperlukan polipropilenditempel dengan maleik anhidrat (PP-g-MAH)sebagai kompatibiliser.
Salah satu contoh polimernonbiodegradable adalah polipropilen-ko-etilenyang mengandung etilen 2,5 % dan polipropilenyang mempunyai berat molekul tinggi,KeJua bahan ini setelah mengalami proses
pencetakan panas akan menghasilkanpo Iimer tahan radiasi dosis tinggi [6].Polipropilen merupakan bahan termoplastikyang mudah didapat. Dalam industri,diperdagangkan dalam bentuk serat, filmatau plastik. P()lipropilen banyak digunakan
sebaE'bah"!nlmbuat alat-alat kedokteransepe i syringe, k teter, kantong transfusi darahdan dl .ser u tuk pemurnian darah, yang
230
ISSN 1410-8720
kedokteran ini sering disterilkan denganmenggunakan sinar gamma atau berkaselektron dari akselerator. Selama sterilisasi
radiasi, polipropilen mengalami degradasioksidatif,demikianjuga selama penyimpanan [7],sehingga warnanya akan berubah menjadikekuning-kuningan dan sifat mekaniknyamenurun. Untuk menghasilkan bahan daripolipropilen yang tahan radiasi, bergantungkepada komponen polimer, kondisi pencetakandan swnber radiasi [8].
Diharapkan bahwa paduan polimernonbiodegradable dan yang biodegradablesetelah diiradiasi dengan sinar gammaakan menghasilkan ikatan silang sedemikianrupa, sehingga menjadi bahan yang berkualitasbaik dan biodegradable. Tujuan penelitianialah menyiapkan polimer paduan yangberkualitas cukup baik dan ramah lingkungan.
METODEPERCOBAAN
Bahan
Tepung polipropilen-ko-etilen (KPP)mengandung 2,5 % etilen MFR 10 diperolehdari Chiso Corporation, Jepang. Peletpolibutilen suksinat (PBS) grade 1010 danpoli-E-kaprolakton (PKL) diterima dari ShowaHigh Polymer Co.Ltd., Jepang. Polipropilenditempel maleik dengan anhidrat (PP-g-MAH)dibeli dari Mitsubishi Chemical Co, Ltd., Jepang.
Semua bahanyang dipakai tanpa dimumikan lebihdahulu. Enzim lipase diperoleh dari AmanoPharmaceutical Industry Co. Ltd., Jepang.
Peralatan
Mesin pres digunakan untuk membuatfilm. Pisau Dumbbell dipakai untuk memotongfilm menjadi sampel dengan bentuksesuai dengan standar ASTM 1922-L.Tensi meter Strograph-RI digunakanuntuk mengukur perpanjangan putus dantegangan putus. Iradiator sinar gamma 60COdengan aktivitas 420 kCi sebagai sumberenergi untuk iradiasi sampel film. Alat pemanasdipakai untuk mengatur suhu saat iradiasi sampelfilm Alat ekstraksi dipakai untuk analisis fraksisol-gelfilm.
Efek lradiasi Sinar Gamma pada Biodegradasi Film Paduan Polipropilen-KO-EtileniPolibutilen Suksinat danPolipropilen-KO-EtileniPoli- e-Kaprolakton (Nikltam)
Penyiapan Polimer Paduan
Dibuat komposisi paduan KPPIPBS dan
KPPIPKL sebagai berikut; 100/0,75/25,50/50,
25/75 dan 0/100, dengan penggunaankompatibiliser PP-g-MAH; 10 % bemt. Sampelsekitar 50 g paduan polimer tersebut digi!ingdengan menggunakan Laboplastomill buatan
Toyoseiki Co. Ltd., Jepang. Penggilingandilakukan pada suhu 200°C, dengan kecepataIlputar pisau 30 rpm, dan waktu pencampuran
sekitar delapan menit. Setelah penggilingan,
sampel paduan yang sudah meleleh, dikeluarkansecepatnya dan didinginkan pad a suhu kamar.
Sampel paduan dibuat film ketebalan 0,5 mm di
bawah tekanan 150 kg/cm2 pada suhu 200°C
selama tiga men it dan pemanasan awal selamatiga menit, kemudian didinginkan dengan sirkulasiair selama lima menit dibawah tekanan sekitar
100 kglcm2•
Iradiasi Sampel
Sam pel berbentuk dumbbell (berukuran
standar ASTM 1922-L) dimasukkan kedalam tabung reaksi berdiameter 2,5 em,
divakurnkan hingga 10-3 Torr disegel, kemudian
diiradiasi dengan sinar gamma 60CO padadosis 0 kGy, 50 kGy, 100 kGy, 150 kGy, dan
200 kGy, laju dosis 8,2 kGy/jam dan suhu90°C.
Uji Degradasi
Degradasi film diuji secara enzimatik,
yaitu film direndam dalam larutan enzim.
Komposisi larutan adalah; buffer fosfat
0,2 M pH 7,0, MgCl2 0, I % dan enzimlipase 10 mg/mL (4:1:1) [II]. Sampel film
(10 x 10 x 0,5) mm, dikeringkan dalam oven
vakum pada suhu 40°C selama 48 janl, lalu
ditimbang. Sampel dimasukkan ke dalam tabungreaksi berdiameter 15 mm yang berisi 6 mL
campuran larutan, dan diinkubasi pada suhu
60°C sambi! digoyang. Pada waktu penganunatanyaitu dua, empat, enam dan delapan hari setelah
perendaman, sampel yang tela'h diinkubasidikeluarkan dan dicuci dengan air suling, dan
dengan metanol, kemudian dikeringkan dalam
oven vakum pada suhu 40°C selama 24 jam, dan
ditimbang. Degradasi secara enzimatik dinyatakan
dengan persentase kehilangan berat [10], yangdihitung dengan rumus:
Kehilangan berat = (Wo - W)/Wo x 100 %
dimana ~J dan W, berat film sebelum dan sesudahuji enzimatik.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Biodcgradasi Film Tanpa Iradiasi
Kecepatan degradasi diukur secara
enzimatik, dipakai enzim lipase yang berasal dari
bakteri Pseudomonas jlourescens. Enzim
lipase merupakan katalis protein yang aktifbekerja dalam kondisi khusus. Aktivitas enzim
dipengaruhi oleh beberapa faktor seperti suhu,larutan buffer, pH, substrat, konsentrasi enzim
dan surfaktan [15]. Degradasi secaraenzimatik film paduan KPP/PBS dengan
kompatibiliser polipropilen ditempel denganmaleik anhidrat (PP-g-MAH) 10 % berat
pada suhu 60°C, ditunjukkan rlalam Gambar 1.Makin tinggi kandungan PI3S, makin cepat
film mengalarni kehilangan berat. Setelah delapanhari, film terbuat dari PBS saja kehilangan berat
hingga sekitar 60 %, sedangkan untuk film paduanKPPIPBS = 25/75 hanyasekitar 15 %. UntukfilmpaduanKPP/PKL= 0/100 kehilangan berat
seperti ditunjukkan dalam Gambar 2 mencapai
100 % dalam waktu 10 jam, sedangkan untukfilm paduan KPP/PKL = 25/75 sekitar 83 %dalam waktu delapan hari. Namun film paduan
KPPIPKL = 50/50 setelah delapan hari hanyasekitar 40 %, hal ini menunjukkan bahwa film
KPP/PKL lebih biodegradable daripada filmKPP/PBS.
Biodcgradasi Film Iradiasi
Akibat iradiasi, pada polimer akan terjadi
proses pembentukan produk gas, reduksi, eksitasi
takjenuh dan produksi takjenuh. Selain itu, akanterjadi dua proses menyebabkan perubahan
polimeryaitu pemotongan ikatan rantai utama(degradasi) dan pembentukan ikatan silang (crosslinking) antara molekul polimer berbeda.
Pembentukan ikatan silang bervariasi
diantara palimer. Ada tiga proses pembentukan
231
Pros;d;ng S;mpos;um Nas;onal Po/imer V ISSN 1410-8720
Gambar 3. Kehilangan be rat film paduanKPP/PBS dengan 10% PP-g-MAH iradiasi dansetelah direndam dalam enzim lipase pada suhu60°C.
ikatan silang sukar terbentuk. Sedangkan pada
suhu di atas titik leleh polimer berubah dari kristalinmenjadi amorf sempuma, sehingga ikatan silangdapat dengan mudah terbentuk [16].
Degradasi secara enzimatik film iradiasi
paduan KPP/PBS dengan PP-g-MAH 10 %,pada suhu sekitar 60°C ditunjukkan dalam
Gambar 3. Enzim menyebabkan film mengalami
degradasi naik cukup tajam selama delapan hari .Namun iradiasi menurunkan kecepatan degradasi
film oleh enzim lipase. Pada film terbuat dari PBS
100 %, penurunan berat berkurang, yaitu dari
25 % pad a yang tanpa diiradiasi menjadi 14 %dan 13 % pada berturut-turut iradiasi 50 kGy dan
200 kGy. Pada film dengan kandungan PBS
50 %, pengurangan kecepatan degradasi jugatetjadi, akibat iradiasi 50 kGy dan 200 kGy. Hal
ini terjadi karena pada film yang diiradiasi akan
tetjadi proses pembentukan ikatan silang dan jugadegradasi. Secara teori iradiasi polimer dalam
dosis rendah persentase terbentuknya ikatan silang
lebih tinggi, dan sebaliknya iradiasi dalam dosis
tinggi, menghasilkan degradasi lebih tinggi. Jadiiradiasi dosis 200 kGy mungkin cukup untukmembentuk ikatan silang, sehingga film hasil iradiasi
lebih sulit untuk didegradasi secara enzimatik,
dibanding film tanpa iradiasi. Jika film diiradiasi
pada dosis lebih tinggi daripada 200 kGy, mungkin
persentase produk degradasi lebih tinggi (tidakdiukur), sehingga jika didegradasi secara
enzimatik penurunan beratnya lebih besar.Hasil degradasi secara enzimatik film
paduan KPP/PKL dengan 10 % berat
PP-g-MAH, pada suhu sekitar 55°C ditunjukkan
radikal utama yaitu: Pertama, pembelahan
ikatan C-H pada satu rantai polimer untukmembentuk atom hidrogen, yang diikuti dengan
terpisahnya atom hidrogen kedua dari rantai
tetangganya untuk menghasilkan hidrogen. Duaradikal polimer yang berdekatan bergabunguntuk membentuk ikatan silang. Kedua, migrasi
posisi radikal yang dihasilkan oleh pembelahanikatan C-H sepanjang rantai-rantai polimer
hingga dua darinya berdekatan, kemudian
bergabung membentuk ikatan silang. Ketiga,reaksi gugus takjenuh dengan atom hidrogenuntuk membentuk radikal-radikal polimer yang
dapat bergabung [16].
80
10 ~
KPP/KBS;! _e/lutl60SO.0301010
•IWaklU (harl)1
Gambar 1. Kehilangan berat film paduanKPPIPBS dengan 10% PP-g-MAH tanpa iradiasisetelah direndam dalam enzim lipase pad a suhu60 "C.
100
9080
W
• 60~ soE 40:c 30::! 1010
•
IW'ktu inkubasi (hui)1
Gambar 2. Kehilangan berat film paduanKPPIPKL dengan 10% PP-g-MAH tanpa iradiasi,setelah direndam dalam enzim lipase pada suhu55 "C.
Pada suhu titik leleh, dibawah kondisi
vakum, iradiasi sampel dapat menghasilkan fiaksi
gellebih tinggi daripada iradiasi pada suhu ruangudara terbuka. Pada suhu ruang, polimer
mengandung bagian amorf dan kristalin, sehingga
232
30KrptPBS; 0/100
! - •liC)
! - ~o LCy
! - 200kC)KPP/P8S; ~O/~O
! - •,,"Cy
! - ~CIkG)'
Iwaklu inkuhlui (had)1
Efek [radiasi Sinar Gamma pada Biodegradasi Film Paduan Polipropilen-KO-EtileniPolibutiicr Suksinat danPolipropilen-KO-EtilenIPoli-E-Kaprolakton (Nikham)
pada Gambar 4. Kecepatan degradasi naik cukup
tajarn selarna delapan hari. Film yang terbuat dariPKL lebih cepat mengalami degradasi dibanding
PBS. Iradiasi juga mengurangi kecepatan
degradasi film oleh enzim lipase.Film yang terbuatdari PKL 100 %, penunman beratnya berkurang,
dari 68 % menjadi 63 % dan 32 % akibat iradiasi
50 kGy dan 200 kGy. Pada film yang terbuat dariPKL 50 % pengurangan kecepatan degradasi jugaterjadi akibat iradiasi 50 kGy dan 200 kGy. Hal
ini berarti bahwa film paduan KPPIPBS danKPP/PKL tanpa diiradiasi lebih biodegradabledibanding yang diiradiasi.
90
10
70
60
10
KPPIPKL; "100
? •• liC,.
? •. 50 Ii.C}
? - lHI.;C,.ICPPfPKL; ~/~O
? •.• lie,"
t
2. Iradiasi pada dosis yang diuji (50 kGy sampai
dengan 200 kGy) tidak mempercepatdegradasi, sebaliknya menurunkan kecepatandegradasi film oleh enzim.
3. Dari hasil penelitian ini dapat disimpulkanbahwa paduan KPP/PBS dan KPPIPKL
tanpa iradiasi cukup bersifat biodegradable.
UCAPAN TERIMA KAS!H
Ucapan terima kasih disampaikan kepadarekan-rekan di Laboratorium Proses Radiasi
TRCRE JAERl Jepang yang telah membantupenelitian ini dan rekan-rekan di kelompok
Iradiator Gamma yang telah membantu
mengiradiasi sampel selama penelitian
berlangsung. Penulisjuga mengucapkan terimakasih kepada Kepala Bidang Proses Industri serta
rekan-rekan di Kelompok Sterilisasi atas
dukungan moril dan bantuan yang telah diberikansehingga penelitian ini dapat diseIesaikan.
10
0,.o 1 4
IWaktu inkubasi (hari)1
Gambar 4. Kehilangan be rat film paduanKPP/PKL dengan 10% PP-g-MAH iradiasi dansetelah direndam da]am enzim lipase pad a suhu55°C.
Selain itu ada beberapa faktor yang
mempengaruhi biodcgradabilitas plastik polimer.Diantaranya faktor struktur primer yaitu komposisikimia, berat molekul, dan distribusi berat molekul
polimer, strukturyang lebih tinggi yaitu titik leleh,
titik transisi gelas, kristalinitas, dan struktur kristal
polimer dan kondisi permukaan (area permukaan,hidrofilisitas, dan hidropobilitas polimer) [17].
KESIMPULAN
Dari hasil penelitian ini dapat disimpulkan
sebagai berikut ;1. Film paduan KPPIPBS dan KPPIPKL dengan
kompatibiliser PP-g-MAH 10% baik tanpa
iradiasi maupun yang iradiasi dapatdidegradasi dengan enzim lipase.Film paduan
KPPIPKL lebih degradable daripada filmKPPIPBS.
DAFfAR PUSTAKA
[1]. KAPLAN, D. L., MAYER, J. M.,GREENBERGER, M., GROSS, R., and
McCARTHY, Degradation Methods and
Degradation Kinetics of Polymer Films,
Journal Polymer Degradation andStability, 45 (1994) 165-172
[2]. ALBERTSSON,A.C., and KARLSSON,
S., Comprehensive Polymer Science, First
Suplement, dalam AGGARWALL, S.L.,
and RUSSO, S. (Eds.) Pergamon (1992)285
[3]. ARTHUR, J. Y., Multicomponent PolymerSystem, dalam GOULD, R.E, Ed. ACS
Publication, Washington DC (1971) 3.
[4]. WARMINGTON,A.,Japan:Whos DoingWhat and Why the Future May beJapanese, Biodegradable Plastics,Business Editor, European Plastics News,UK (1994) 2
[5]. KAHORl, S. and OSAWAZ., Preparation
and Biodegradation of PolycaprolactonePaper Composites, Journal PolymerDegradation and Stability. Elsevier ScienceLtd, North Ireland, 45 (1994) 261-265
233
Prosiding Simposium Nasional Polimer V
[6]. YOSHII,F., SASAKI,T., MAKUUCHI,K., and TAMURA,N., Journal ApplicationPolymer and Science, 30 (1985) 339
[7]. DUNN, T. S., EPPERSON, B. 1., SUGG,H., STANNETT, V. and WILLIAMS,J.L., Journal Radiation Physic andChemistry, 14 (1979) 625
[8]. KADIR, Z. A., YOSHII, F.,MAKUUCHI, K. and ISHIGAKI, I.,Journal Polymer, 30 (1989) 1425
[9]. TORREY, S., Enzyme technology,preparation, pur{{ication, stabilisation,immobilisation recent advances, NoyesData Corporation, USA (1983) 3
[lO].O'DONNELL, J. H. and SANGSTER, D.F., Principles oj Radiation Chemistry,Edward Arnold (Publisher) Ltd, London(1970) 113-127
[11].IWAMOTO, A. and TOKIWA, Y.,
Journal Polymer Degradation AndStability, 45 (1994) 205
[12].BERGMEYER, H.U., Determination ojEnzyme Activities in Methods ojEnzymatic Analysis, dalamBERGMEYER, H. U., (Ed.), 1, VerlagChern Weinheim, Academic Press Inc.(1974) 127
[13].GORELIK, B.A., SOKOLOVA, L. A.,GRIGORIEV, A.G., KOSHELEN, S.D.SEMENENKO, E. I., MATIUSHIN, G.A.and RYCHLA, L., JournalMakromolekule Chemie, MacromoleculeSymposium, 28 (1989) 249
[14].HUANG, S.J., Journal Polymer:Biomaterial and Medical Applications,dalam KROSCHWITZ, J.L., (Ed.), JohnWiley, New York (1989) 5
234
ISSN 1410-8720