Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains M(lteri /II

l\'erpong. 20 -21 Oktober 1998 ISSN 1410-2897

SIFAT FISIK DAN BIODEGRADIBILITAS KOPOLIMER TEMPELPATI-POLI METIL AKRILAT (S-g-PMA)

536

Lies A. Wisojodharmo, Sokartini, Dody A. Winarto,S.J.A. Nasiri, Hero Santoso, Hardaning P.dan Djamil

Badan Pengkajian clan Penerapan Teknologi (BPPT)JI. M..R. Thamrin 8 Jakarta 10340

ABSTRAKSIFAT FISIK DAN BIODEGRADIBILITAS KOPOLIMER CANGKOK PATI-POLI METIL AKRILAT

(S-g-PMA). Aplikasi materia I plastik dalam kehidupan sehari-hari semakin meningkat, sehingga jumlah konsumsi materialplastik juga meningkat. yang selanjutnya menyebabkan penimbunan sampah (limbah) plastik. Material plastik umumnya tidakdapat diuraikan secara biologis atau tidak bersifat "biodegradabel" Dengan demikian dicoba mereaksikan produk pertanianseperti pati dengan monomer, agar diperoleh material polimer yang masih mempunyai sifat unggul seperti tahan air clanberkekuatan tinggi, namun bersifat biodegradabel. Kopolimer Tempel pati-PMA (~-g-PMA)dibuat dengan mereaksikan pati(tapioka) clan monomer metil akrilat, serta menggunakan serik amonium nitrat (=CAN). Hasil sintesis yang merupakan campuranS-g-PMA, homopolimer PMA clan sisa pati tapioka yang tidak bereaksi. Selanjutnya untuk mempermudah dalam pengolahanmenjadi produk jadi seperti film, kedalam hasil sintesis ditambahkan bahan aditif yang berfungsi sebagai stabilizer (penstabil)clan luhricant. (pelumas). Dalam penelitian ini dibedakan penambahan internal lubricant (pelumas internal) clan externallubricant (pelumas eksternal), yang selanjutnya akan mempengaruhi sifat fisik material yang dihasilkan. Pengaruh penambahanpelumas internal atau eksternal terhadap struktur mikro clan morfologi diamati dengan menggunakan SEM, clan terhadap sifatmekanik diukur menggunakan VTM (I:lniversal Testing Machine). Selain hal tersebut untuk melihat pengaruh pati dalam hasilsintesis, maka sisa pati tersebut dihilangkan dahulu dengan tara ekstraksi air, clan hal ini akan mempengaruhi sifat mekaniknya.Demikian pula sifat biodegradibilitas daTi material dilakukan dengan uji pertumbuha,n Aspergillus Niger clan uji penguburan(hurialtest) Hasil pengujian kekuatan tarik material hasil sintesis dibandingkan material basi! sintesis yang telah dihilangkansisa patinya, tidak menunjukkan perbedaan yang berarti, yaitu sebesar ] 0,23 M Pa clan ]] ,33 M Fa. Namun elongasi materialbasil sintesis yang telah dihilangkan sisa patinya yaitu sebesar ]80,82 % terlihat ]ebih besar daTi material basil sintesis as]i yanghanya IlO,84 %. Sementara material yangmenggunakan pelumas eksternal mununjukkan kuat tarik yang lebih tinggi yaitusebesar lO,23 M Fa, dibandingkan material yang menggunakan pelumas internal yaitu 7,20 M Fa. Melalui uji pertumbuhanA.\"pergilhl.\" Niger clan uji penguburan (hurialtest) menunjukkan bahwa material S-g-PMA bersifat biodegradabel.

ABSTRACTPHYSICAL PROPERTIES AND BIODEGRADABILITY OF STARCH GRAFT POLY METHYL ACRYLATE

COPOLYMER (S-~-PMA). The increasing of plastic utilization in dailylife will increase the plastic material consumption,and then will increase the plastic wastes, because usually the plastic materials can not be decomposed biologically or its werenot biodegradable. Therefore, it is introduced a reaction of agricultural products such as starch with the monomer, in order toobtain a plastic material which is expected to be more resist again water moist and still has biodegradable. Starch graft polymethyl acrylate copolymer were prepared bysynthese of starch (tapiocca) with methyl acrylate monomer, by using cericammonium nitrate (=CAN) as initiator. The synthesis products were consist of S-g-PMA, homopolymer PMA and unreactedstarch. For plastic processing to produce film form is needed the addition of chemicals additives as stabilizer and lubricant. Inthis study is added internal lubricant and external lubricant, which will influence the physical properties of materials. Theinfluence of internal or external lubricant to micro structure was observed by SEM, and to mechanical properties weredetermined by {JTM. Also the influence of the unreacted starch in the synthesis products will cause the difference of mechanicalproperties, and the rest of starch must be removed. Further the biodegradability of materials which produced, were conducted bytest of Aspergillus niger growth and burial test. The 1ensile strength of synthesis products and synthesis product which are freefrom starch have no significance different, that are 10.23 M Pa and 11.33 M Pa. But the elongation of synthesis products whichare free from starch (=180.82 %) slightly higher than the original synthesis products (=110.82 %). The material with externallubricant has higher tensile strength (= 10.23 M Pa) than the material with internal lubricant (= 7.20 M Pa). The results ofbiodegradability test (Aspergillus niger growth and burial test) show that the material (S-g-PMA) is biodegradable.

KATA KUNCI

Kopolimer tempel. Homopolimer, Stabilizer, Lubricant, Aspergillus niger

Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi III.\'erpong, 20 -21 Oktober 1998 ISSN 1410-2897

PENDAHULUAN blending.Adapun pengujian yang dilakukan terhadap

material basil sintesis meliputi uji mekanik, analisismikro daD morfologi serta sifat biodegradibilitas. Ujimekanik dimaksudkan untuk mengetahui kekuatanmekanik material yang dihasilkan dibandingkanmaterial plastik. Sedang analisis mikro dimaksudkanuntuk mengetahui struktur mikro material terutamapengaruh penambahan pelumas internal atau pelumaseksternal. Sementara uji biodegradibilitas berfungsiuntuk mengetahui seberapa jauh biodegradibilitas darimaterial yang dihasilkan.

METODE

Bahan

Tapioka cap Gunung Agung dari Heroswalayan,' Ceric amonium nitrat p.a (=CAN) dariMerck, Metil akrilat p.a (=MA) dari Fluka, Kalsiumstearat (pelumas eksternal), Gliserin mono stearat(pelumas internal), Irganox 1010 (stabilizer primer) danIrgafos 168 (stabilizer sekunder).

Cara kerja

Diagram alii- tata kerja

MA

\1/

CAN

\

\

(Sam~J 1)Hasi)' siIrtcsis.

Limbah plastik menjadi masalah yang cukupserius untuk ditangani, tidak hanya di negara

berkembang tapi juga bagi negara maju. Mengingatmaterial plastik terbuat dari bahan petrokimia yangumumnya tidak ramah lingkungan, maka penggunaanmaterial plastik yang ramah lingkungan sangatdiharapkan, karena dapat menyelesaikan masalahpengurangan limbah plastik. Oleh karena itu diupa-yakan untuk menggabungkan bahan basil pertanianseperti pati dengan bahan petrokimia. Adapun usahapenggabungan kedua material tersebut dapat dilakukanberbagai cara, seperti mencampurkan pati kedalammaterial plastik yang terbuat dari petrokimia melaluiproses blending (pencampuran) (1] atau dengan caramereaksikan pati dengan monomer yang terbuat daribahan petrokimia (2,3]. Ada pula cara lain yaitu denganmereaksikan pati yang bersifat polar dengan zat ketiga,agar hasilnya bersifat non polar daD hila dicampurkandengan material plastik yang bersifat non polar, akantercampur dengan baik (4].

Polimer sintetik mempunyai sifat fisik yangunggul, seperti lebih tahan air clan kekuatan tariknyacukup tinggi. Sementara itu polimer alam, seperti paticlan kapas. mempunyai sifat fisik yang kurang baik.Sehingga usaha penggabungan pati dengan monomerpetrokimia akan sangat baik, karena dapat diharapkanmenghasilkan materia! yang sifat fisiknya baik, clanbersifat ramah lingkungan.

Pada penelitian ini direaksikan antara patitapioka dengan monomer metil akrilat denganmenggunakan inisiator serik amonium nitrat (=CAN).Hasil sintesis merupakan campuran kopolimer cangkokpati-PMA (S-g-PMA), homopolimer PMA clan sisa patiyang tidak beraksi. Selanjutnya pada basil sintesisditambahkan bahan aditif untuk memudahkanpembuatan produk seperti film, mengingat film plastikbanyak digunakan untuk barang pengemas makanan.Untuk memudahkan menjadi film ditambahkan bahanstabilizer clan lubricant.

Pencampuran aditif jenis pelumas yang diguna-kan yaitu internal clan eksternal. Pelumas internalberpengaruh pada intermolekular atau diantara rantaipolimer. Sedangkan pelumas eksternal berfungsi padapennukaan polimer pada saat meleleh, atau diantarapolimer clan permukaan peralatan proses, untukmengurangi viskositas leleh. Jenis pelumas eksternalyang digtmakan adalah Kalsium stearat, sedangkanpelumas internal adalah Gliseril mono stearat (GMS).Selain itu agar tidak terjadi degradasi termalditambahkan pula aditif jenis heat stabilizer.Pencampuran material dilakukan dengan proses dryblendin,l;'. clan kemudian dilanjutkan dengan proses hotblendin,l;'. Pada proses dry blending hanya teljadi kontakpermukaan antar komponen, clan pencampuran menjadilebih intensif clan homogen hila menggunakan hot

---~= denga11 air

(Sam pel 2)

i

EkStJ'aksi dengan aseton

~ Laru\ dalam ascton: (HQmopolitner PMA)

\

Padatan yang .tidal lam! d:.lam asetonada]a)\ S-g-PMA (sampeI3)

295Lies A Wijosodharmo dkk.

ProsidingPertemuan Ilmiah Sains Materi IIISerpong, 20 -21 Oktoher 1998 ISSN1410-2897

Pembuatan Kopolimer(S-g-PMA)

cangkok pati -MA kemudian didinginkan pada suhu kamar, daD dipotongsesuai untuk spesimen uji tank /elongasi (ASTM D412) dengan menggunakan pneumatic punching ma-chine.Pembuatan S-g-PMA dilakukan dalam tabu leher

lima volume I liter. Tapioka (8,5 gram) dimasukkan kedaIamtabu, kemudian ditambah aquades 150 ml sambil diberiaIiran Nz secara periallan-lahan, kemudian diaduk selama2 jam. Setelah itu ditambahkan inisiator serik amoniumnitrat (CA:N) 0,25 gram yangdilamtkan dalam 2,7 m1 HNO)0,5 N, yang diteteskan secara terns menerns sambildiaduk' Sebelmn warna CAN hilang ditambahkan mono-mer metil akrilat (MA) (11,8 ml). Setelah reaksi berakhirtambaItkan 100 In! metanol daD diaduk selama 10 menit.Hasil sintesis yang bernpa padatan putih lalu dicucidengan air, daD selanjutnya padatan yang diperolehdikeringkan pada suhu <100°C menggunakan vakumoven.

Pembuatan film untuk SEM

Sampel yang telah dicampur (blending) didiam-kan selama satu malam. Kemudian sampel dipotongkecil-kecil dengan menggunakan grinder, daDselanjutnya dibuat film tipis dengan menggunakanhydraulic press pada suhu 130 C. Film yang abndianalisa terlebih dolo dilapisi (coating) dengan logamemas.

Pembuatan film untuk uji biodegradibilitas

Formulasi

Pencampuran basil sintesis clan ballaD aditifdilakukan dengan menggunakan Rheocord Mixer.Adapun formulasinya dapat dilihat pada tabel 1 dantabel2. Jumlah sampel yang dicampur adalah 200 gram.Formulasi pencampuran (hot blending) dengan pelurnaseksternal dilakukan pada suhu 130 °C selama 6 menitdengan putaran 60 rpm. Sedang formulasi pencampuran(hot blending) dengan lubricant internal dilakukan padakondisi suhu 140 °C selmna 8 menit dengan putaran tetap60 rpm. Untuk melihat pengaruh kandungan pati dalambasil sintesis. maka akan dibedakan basil sintesis asli(tidak dihilangkan patinya) disebut sampell, daD yangtelah dihilangkan kandungan patinya disebut sampel2.Penghilangan pati dati basil sintesis dilakukan dengantara ekstraksi air. dimana pati akan terlarut dalam air daDakhirnya basil sintesisnya akan bebas patio

Pembuatan spesimen untuk uji mekanik

Pembuatan film dilakukan dengan meng-gunakan hydraulic press. Material yang diuji terdiri daribasil sintesis (disebut s~pel I), basil sintesis yang telahdihilangkan siSa patinya (disebut sampel 2), daD sampel2 yang telah dipisahkan dari homopolimer PMA atauS-g-PMA murni (disebut sampel 3) dengan caraekstraksi. Caranya yaitu dengan menambahkan asetonke dalam sampel 2, sehingga homopolimer PMA akanlarut daD padatannya yang merupakan kopolimer

cangkok S-g-PMA dapat dipisahkan denganpenyaringan. Selanjutnya sebagal pembandingdigunakan mate-rial PCL (polikaprolakton) dan PP (polipropilen). Adapun suhu pemanasan hydraulic pressuntuk sampell,2 daD 3 130 DC, untuk PCL 90 DC, daDuntuk PP 120 DC, serta tekanannya untuk kelima sampel10M Pa. Film yang dihasilkan mempunyai ketebalan200 -500 11m daD diameter 4 -5 cm. Sterilisasipennukaan film dilakukan dengan merendamnya dalamlarutan etanol selama 20 detik, yang kemudian dibilasdengan air steril.

Uji tarik daD elongasiSatnpel yang telah dicampur (blending) didiam-

kan selama satu malam. Kemudian sampel dipotongkecil-kecil dengan menggunakan grinder, daDselanjutnya dibuat lempeng ukuran 20 cm x 25 cm daDketebalan 2mm, dengan menggunakan hydraulic presspada suhu 130 C,preheater selama 5 menit daD waktupengepresan 3 menit. Lempeng yang dihasilkan

Uji tarik daD elongasi dilakukan denganmenggunakan U1M Housfield H 100KC, sesuai denganASTM 638. Uji tarik dilakukan dengan kecepatan crosshead 20 mrn/menit.

Uji Biodegradibilitas

Uji biodegradibilitas yang dilakukan ada duamacam, yaitu uji pertumbuhan jamur Aspergillus nigerdaD uji penguburan (burial test). Uji pertum-buhanjamur dilakukan dengan merujuk kepada ASTMD5247-92 (Standard Test Method for Determining theAerobic Biodegradablity of Degradable Plastic by Spe-cific Microorganisms). Sedang uji penguburandilakukan dengan menguburkan film plastik darimasing-masing sampel dikubur ke dalam tanab (dalampot) pada kedalaman 15 cm dari permukaan. Potdisimpan dalam mangan daD tanab dijaga tetap lembabdengan disiram air. Setelah 30 hari daD 90 haripenguburan sampel dikeluarkan daD dilakukanpengamatan

rabel I. Fonnulasi aditif lubricant eksternal.

--

Banyaknya0, I o % dari total sampel0,15 % dari total sampel0,20 % dari total samDel

Jenis aditifLubricant Kalsium stearatHeat stabilizer 1 AE

l!eat stabilizer~M)-

Tabel 2 Formulasi aditif lubricant internal.

I

Jenis aditif --I

Lubricant Gliseril monoI

stearat

Banyaknya0,15 % dari total sampel

i Heat stabilizer 1 (AE)---~

_O,20 % dari total ~mpelHeat stabilizer 2 AI 0,20 % daTi total sam el

Lies A Wisojodharmo dkk.296

Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi IIISerpong, 20- 21 Oktober 1998 ISSN 1410-.l897

HASIL DAN DISKUSI

Hasil uji tarik daD elongasi dari basil sintesisyang ditaInbah bahan aditif adalah sebagai berikut:

Bila dibandingkan antara sampel 1 daD sampel 2.terlihat bahwa penghilangan pati dengan ekstraksimemperpanjang elongasi, sedangkan kuat tarik materialyang dihilangkan patinya daD yang tidak dihilangkantidak memperlihatkan perbedaan yang berarti. Hal inidisebabkan karena adanya pati dalam material membuatmateriallebih getas (brittle). Sernentara material (hasilsintesis) yang ditambahkan pelumas eksternalmenunjukkan kuat tarik yang lebih tinggi biladibandingkan material yang ditambahkan pelumas inter-nal (lihat Tabel 3). Hal ini disebabkan karelk'l pelumasinternal bekerja diantara molekul-molekul polimer,sehingga membuat friksi antar molekul , menjadi lebihkecil atau dapat dikatakan tidak ada gaya gesek antarmolekul. Dengan adanya friksi ini sifat mulur polimermeningkal. dan menyebabkan elongasi material denganpelumas internal lebih tinggi dari material denganpelumas eksternal. Selanjutnya material basil sintesis iniakan dibandingkan dengan material polimer lainnya.

Kekuatan tarik material yang dibasilkan ternyatamasih tiga kali lebih rendah dibandingkan dengan polipropilena atau PCL. namun masih lebih baik dari mate-rial calnpuran PCUcac\:\W'a (SO/50).

Gambar I. Foto SEM sampel 1 daTi hasil sintesis antarata-pioka dengan metil akTilat (MA).

Uji pertumbuhan jamur Aspergillus niger padapermukaan film sampel 1 sid 3, terlihat bahwa sporajamur Aspergillus niger menutupi seluruh permukaanfilm. Tidak ada perbedaan yang berarti dari pola

penyebaran spora pada masing-masing sampel.Sementara pada film PCL daD PP terlihat tidak adapertumbuhan jamur. Demikian pula media tanpa plastik,terlihat tidak adanya pembentukan koloni dari jamurAspergilus niger. Pertmnbuhan jamur Aspergillu.\' nigerpacta permukaan film sampel I (hasil sintesis) untukpengamatanO dan 30 hari terlihat pada gambar 4 dan 5.

Sedang pertumbuhan jamur Aspergillus niger padaTabel 3. Kekllatan tarik datI elongasi

Keterangan: *) diamhil dari pustaka 1

Gambar 2. Foto SEM sampel I ditambah pelumas inter-Analisis dengan SEM terlihat pacta gambar-gambar dibawall ini. Analisis SEM untuk material hasilsintesis (sampel I) terlihat pacta gambar I. Senyawakopolimcr S-g-PMA ditunjukkan pacta struktur bulatanbesar. dan dibatasi oleh senyawa PMA. sedangkan patitapioka bebas dalam bentuk butiran kecil.

Selan.iutnya material hasil sintesis yang ditambahpelumas internal terlihat pacta gambar 2. Pacta gambarini terliltat barns yang kabur antara material dan ruangkosong. hal ini disebabkan karena sedikitnya pelumasyang keluar. Namun Ital ini akan berbeda dengan mate-rial basil sintesis yang ditambahkan pelumas eksternal(lihat gambar 3). Pacta gatnbar 3 ini. lapisan putih tipisterlihat tcgas, menunjukkan komponen pelumaseksternal yang mcnuju tepi luar ketika dilakukan~ngepressan material (pada waktu pembuatan film). Gambar 3. Foto SEM sampel I d1tambah pelumas internal.

Pro.\"iding Pertemuan Ilmiah Sains Materi IIISerpong, 20 -21 Oktoher 1998 ISSN 1410-2897

Gambar 6. Foto pertumbuhan jamur Aspergillus Niger

pada permukaan film PCL setelah pengamatan

permukaan film PCL untuk 30 hari dapat dilihat padagarnoor 6.

Hasil uji penguburan untuk sampel I -3 terlibatpada permukaan film adanya jonjot (lekukan), daDadanya tanah yang menempel. Pada penguburan 90 bariterlibat adanya bercak hitam pada permukaan film, yangmungkin mempakan koloni daTi rnikroorganisme tanah.Ketebalan film daTi sampel dirasakan semakin menipis

sejalan dengan lamanya penguburan. Sebaliknya padafilm PCL daD PP terlihat tidak adanya pembaban yangberarti baikpada penguburan 30 ataupun 90 hari. Hasilpenguburan film sampel I dan PCL setelah 90 hariterlihat pada gambar 7 dan 8. Dengan demikian dapatdikatakan bahwa film plastik (PCL dan PP) tidakterlihat adanya degradasi.

Dari hasil pengujian mikroorganisma pada filmdaTi material hasil sintesis terlihat bahwa Aspergillusniger dapat tumbuh pada film tersebut. Hal inimenunjukkan bahwa A.~pergillu,~ niger dapat meman-faatkan komponen yang terdapat pada film S-g-PMAsebagai sumber karbon untuk pertumbuhannya. Untukselanjutnya perlu dilakukan penelitian mengenaimekanisme degradasi film S-g-PMA ini. seperti berapapersen degradasi jamur, dan senyawa apa yang

dihasilkan dari hasil degradasi. Sedangkan untuk filmplastik PP dan PCL tidak tampak pertmnbuhan Aspergil-lus niger, berarti bahwa Aspergillus niger tidak dapat

memanfaatkannya sebagai sumber karbon. PCL sudahdikenal sebagai polimer biodegradabel, dimana polimer

Gambar 7. Foto hasil penguburan film sampel I setelah90 hari (terlihat film terdegradasi)Gambar 4. Foto film sampel I (basil sintesis) pada

pengamatan 0 bari

Gambar 5. Foto hasil pertumbuhan jamur Aspergillus

Niger pada permukaan film sampel I setelahpenga-matan 30 hari Gambar 8. Foto ha.~il penguburan film PCL setelah 90

hari (tidak terlihat adanya degradasi).

Prosiding Perlemuan I/miah .\'ain.\' Materi III.\'erpong, 20 -21 Oktober 1998 ISSN 1410-2897

ini dapat didegradasi oleh enzim yang tersebar di alamseperti lipase dan e.\"terase. Ketidakmampuan jamurA. niger tumbuh pada PCL mungkin dsebabkan karenajamur ini tidak dapat memproduksi enzim lipase atau es-terase guna mendegradasi PCL. Contoh mikroorganismeyang dapat memproduksi lipase/esterase atau dapatmenguraikan PCL adalah Rhizopu.\" niveu.\", Rhizopusarrhizu.\", don Penicillium sp.

pelumas ekstemal terlihat mengarah keluar daTimolekul polimemya (menyelimuti material polimer).Dari uji pertumbuhan Aspergillus niger pada mate-rial S-g-PMA daD uji penguburan terlihat bahwalnaterial tersebut dapat dikatakan bersifat biode-

gradabel.

4.

DAFTAR PUSTAKA

KESIMPULAN

2

[I]. HARDANlNG, Y. TOKIWA,H. TANAKA, Journalof Environmental Polymer Degradation,

4,1-7(19%).[2]. DAMODARR. PAm, GeorgeF. FANTA, Jour-

nal of Applied Polymer Science, 47, 1765-1772

(1993)[3]. JAYATIN dan L.A. WISOJODHARMO, Kopo-

limerisasi Cangkok Metil Akrilat dan Beberapa Patidengan Inisiator serik Amonium Nitrat, SimposiumNasional Polimer I, Jakarta, Juli (1995), p.41-45.

[4]. RETNO YUSIASIH, WIWIK S. SUBOWO, danRAHMA T SA TOTO, Penempelan AnhidridaMaleat pada Low Density Polyethylene (LDPE)untuk Polimer Biodegradable, Simposium NasionalPolimer I, Jakarta, Juli (1995), p. 35-40.

3.

Penghilangan pati dari basil sintesis menghasilkanmaterial yang lebih elastis (elongasinya lebih besar)dibandingkan material dari basil sintesis asli.Penambahan pelumas eksternal pada basil sintesismenghasilkan material yang mempunyai kekuatantarik lebih besar dibandingkan material yangditambah pelumas internal, namun elongasinyalebih kecil bila dibandingkan material dengan

pelumasinternal.Oari analisis SEM terlihat bahwa material yangditambah pelumas internal lebih bercampur padamolekul-molekul polimer. sedang yang ditambah

Lie.\' A Wijosodharmo dkk. 299