Download - POLIMER NANOKOMPOSIT SEBAGAI MASTER BATCH …
Jurnal Riset Industri Vol. VI No. 1, 2012, Hal. 51-60
51
POLIMER NANOKOMPOSIT SEBAGAI MASTER BATCH POLIMER BIODEGRADABLE UNTUK KEMASAN MAKANAN
(POLYMER NANO-COMPOSITE AS MASTER BATCHFOR BIODEGRADABLE FOOD PACKAGING)
Wiwik Pudjiastuti, Arie Listyarini Dan Sudirman
Peneliti Pada Balai Besar Kimia Dan Kemasan, Kementerian Perindustrian
ABSTRAKBeberapa penelitian pembuatan plastik biodegradable telah dilakukan di Indonesia dengan menggunakan
bahan dasar alam seperti pati, serat, dan lain-lain. Namun hasilnya belum dapat diaplikasikan sebagai kemasan
makanan. Berdasarkan hal tersebut maka dilakukan penelitian pembuatan kemasan makanan dari polimer
nanokomposit berbasis polimer termoplastik (Polietilen,PE dan Polipropilen, PP) dengan filler CaCO dan 3
tapioka berukuran nanopartikel dengan penambahan plasticizer dan aditif. Pembuatan kemasan berupa kantong oplastik dilakukan dengan metoda ekstrusi blow molding dengan suhu proses 170 C untuk nanokomposit berbasis
oPE dan 180 C untuk nanokomposit berbasis PP. Hasil analisa yang meliputi uji sifat fisik/mekanik, sifat barrier,
biodegradabilitas dan keamanan pangan menunjukkan bahwa polimer nanokomposit yang dihasilkan telah
memenuhi syarat sebagai kemasan makanan dan mampu terdegradasi di alam (biodegradable).
Kata kunci : biodegradable, filler, master batch, nanokomposit, polimer termoplastik
ABSTRACTSome research on developing biodegradable polymer from natural resources such as starch, fiber, etc have been
conducted in Indonesia. However the result could not applied yet for food packaging. Objective of this research is
to develop food packaging material from nano-composite based on thermoplastic polymers (Polyethylene, PE
and Polyethylene, PP) using CaCO3 and tapioca nanometer size as filler , glycerol as plastisizer and additive by o oextrusion blow molding process. Condition of the process are 170 C for PE based nano-composite and 170 C for
PP based nano-composite. The result of the nano-composite test (physical/mechanical, barrier, biodegradability
and migration) shows that these polymers are conformed to the requirements of food packaging specification
and biodegradable.
Keywords : biodegradable, filler, master batch, nano-composite, thermoplastic polymer
PENDAHULUAN banyak variasi dan fungsi serbaguna, sepert i mel indungi, mengawetkan,
Sejak perkembangan bahan menyimpan, dan memamerkan hasil. polimer, para ilmuwan telah melakukan Penekanan fungsi tergantung dari komoditi banyak usaha untuk memperbaiki sifat yang bersangkutan.bahan ini agar lebih stabil, lebih kuat secara Kemasan dari bahan plastik film mekanik dan kimia serta tahan lama guna saat ini menempati kedudukan yang cukup memenuhi kebutuhan hidup sehingga penting diantara bahan kemasan yang lain. plastik dapat digunakan di berbagai sektor Tabel 1 menunjukkan jumlah kebutuhan kehidupan manusia seperti rumah tangga, polimer/plastik di dunia dan pada tabel 2 automotif, pertanian, kesehatan dan menunjukkan komodi tas berbagai kemasan. polimer/plastik sintetik yang telah
Penggunaan plastik sebagai bahan diperdagangkan di Indonesia (1998).pengemas memungkinkan dilakukan
52
Tabel 2. Berbagai jenis polimer dengan D e n g a n b a h a n d a s a r y a n g
nilai komoditas digunakan, jenis plastik ini sangat
membebani terutama karena limbahnya
yang sangat tinggi sehingga berpengaruh
terhadap biaya produksi termasuk proses
daur ulang limbahnya. Masalah plastik daur
u lang masih meny isakan banyak
kontroversi dan diskusi para ilmuwan dan
publik pemakainya terkait dengan tingkat
k e a m a n a n d a n k e s e h a t a n b a g i
pemakainya, terutama sejak diterbitkannya Sumber: INAplast 2004Peraturan Kepala Badan Pengawasan Obat
Film didefinisikan sebagai lembaran dan Makanan RI No. HK 00.05.55.6497
yang fleksibel yang tidak mengandung tentang Bahan Kemasan Pangan tanggal
bahan metalik, dengan ketebalan tidak lebih 20 Agustus 2007, yang mulai diberlakukan
dari 0,01 inchi atau 250 mikron. Film terbuat pada bulan Agustus 2008 yang melarang
dari turunan selulosa dan sejumlah resin penggunaan plastik daur ulang untuk
thermoplastik, terdapat dalam bentuk kemasan makanan [6]. Oleh sebab itu saat
gulungan lembaran dan tabung yang dapat ini banyak digunakan plastik (polimer)
digunakan sebagai pembungkus, kantong, biodegradable dari monomer yang
tas dan sampul. biodegradable seperti polylactic acid (PLA), Polipropilen merupakan satu jenis p o l y h y d r o x y a l k a n o a t e s ( P H A s ) ,
plastik yang umum digunakan untuk triglycerides, cellulose dan chitosan. membuat kantong plastik serta paling Masalah yang seringkali muncul
mudah didapatkan di pasaran. Polipropilen pada plastik jenis ini terutama untuk
memiliki titik leleh yang tinggi, transparan kemasan makanan ada lah b iaya
serta mempunyai kekedapan yang cukup produksi yang mahal dan sifat mekanik/
bagus. Karenanya bagus untuk produk- fisik serta sifat barrier yang lebih
produk makanan yang perlu sterilisasi dan rendah dibandingkan dengan polimer
perlu kekedapan terhadap uap air maupun sintetik. Oleh sebab itu sampai saat ini
oksigen. pemakaian polimer sintetis (PP, PE,
Tabel 1. Jumlah kebutuhan polimer dunia
2000 2001 2002 2003 2004 2005
Polietilen 52.629 52.573 55.135 57.550 60.965 63.516
Polipropilen 29.177 31.220 33.315 35.775 36.875 40.955
PVC 25.243 27.101 27.617 28.495 29.295 29.920
Polistiren 10.325 10.530 10.955 11.105 11.485 11.735
ABS 4.183 4.471 5.003 5.319 5.594 5.849
PET 6.880 7.730 8.588 9.263 9.912 10.516
Engineering Polymer
4.705 4.786 5.071 5.382 5.698 6.073
Unit: ribuan ton
No Jenis Polimer/Plastik Nilai ekspor (US $ Juta)
Nilai Impor (US $ Juta)
1 Polietilen (PE) 82,793 97,173
2 Polipropilen (PP) 58,872 85,614
3 Polietilen tereftalat (PET) 205,324 61,738
4 Poli vinilklorida (PVC) 84,051 2,161
5 Polistiren (PS) 13,639 24,297
6 Crumb Rubber 900,354 1,027
7 Selulosa/Pulp 489,341 0,406
Polimer Nanokomposit Sebagai Master Batch ..... ( Wiwik Pudjiastuti )
53
PS, PVC, dan lain-lain) masih terus seperti diperlihatkan pada Gambar 1.digunakan, akibatnya limbah plastik tersebut tetap menjadi masalah lingkungan Mekanisme Degradasidan kesehatan.
D e g r a d a s i p o l i m e r d a p a t Polimer Nanokomposit disebabkan oleh berbagai faktor, seperti
sinar matahari, panas, umur dan faktor Dari berbagai penelitian yang telah alam. Oleh sebab itu dalam proses
dilakukan sebelumnya, ternyata pembuatan pembuatannnya, pol imer ditambah polimer komposit berbasis berbagai polimer berbagai aditif guna mengatasi proses b e l u m d i p e r o l e h p o l i m e r y a n g degradasi oleh berbagai faktor diatas [3]terbiodegradasi di alam oleh bakteri. Oleh G a m b a r 2 m e m p e r l i h a t k a n sebab itu dikembangkan pembuatan mekanisme degradasi polimer/plastik di polimer yang berasal dari monomer yang alam. Surface erosion pada polimer dapat dibiodegradasi, seperti polylactic acid nanokomposit lebih besar dibandingkan (PLA), polyhydroxyalkanates (PHAs), dan polimer sintetik berbentuk komposit Triglycerides, dapat juga digunakan polimer sehingga lama waktu dan proses dengan sumber bahan alam, seperti : biodegradasi polimer nanokomposit akan cotton, wood, silk dan karet alam. Tetapi lebih baik, artinya fi l ler berbentuk polimer-polimer tersebut terbatas pada nanopartikel yang dicampur dengan polimer pemakaian dan harga yang mahal sehingga membentuk po l imer nanopar t i ke l perlu di lakukan peneli t ian dengan mempunyai surface erosion yang lebih mengembangkan polimer komposit seperti besar. Hasil dari mekanisme proses diatas. Berbagai penelitian polimer degradasi plastik akan dihasilkan gas CO , 2
komposit telah dilakukan, seperti : pengaruh H O, CH dan produk lainnya.2 4
filler pasir dalam berbagai polimer, peranan Gambar 3 menunjukkan cara serbuk jerami dan gergaji dalam polimer bekerja bakteri (mikroba) di dalam tanah komposit, serta penambahan tepung (alam terbuka) pada proses degradasi maizena pada berbagai polimer. bahan polimer komposit. Untuk polimer
Dari hal tersebut di atas, bila ukuran nanokomposit yang dibuat dengan metode sampel polimer dilakukan dalam ukuran blending dan polimer nanokomposit yang nanopartikel ternyata laju degradasi mengandung oksigen akan mempermudah mengalami peningkatan yang drastis, kerja mikroba di alam terbuka [5]
Gambar 1. Pengaruh ukuran butir terhadap perbandingan laju degradasi(Shuh, 1995)
Jurnal Riset Industri Vol. VI No. 1, 2012, Hal. 51-60
54
Polimer Nanokomposit Sebagai Master Batch ..... ( Wiwik Pudjiastuti )
Beberapa penelitian pem-buatan melakukan modifikasi dan diaplikasikan plastik biodegradable ini telah dilakukan di pada kemasan makanan dalam bentuk Indonesia dengan menggunakan bahan kantong plastik sehingga diharapkan dapat dasar alam seperti pati, serat, selulosa dan memperpanjang umur simpan makanan lain-lain. Namun hasilnya belum bisa dan biodegradable.diaplikasikan untuk kemasan makanan.
METODOLOGI PENELITIANPenelitian terbaru juga telah dilakukan dengan membuat komposit antara polimer
Penelitian akan dilakukan di sintetis, tapioka dan CaCO presipitat 3
Laboratorium Kemasan Balai Besar Kimia berukuran nano, namun penelitian ini masih dan Kemasan dan Laboratorium PTBIN - merupakan penelitian dasar dengan hasil BATAN Jakarta. berupa lembaran plastik yang mempunyai
Langkah-langkah utama dalam sifat fisik, mekanik dan barrier belum sesuai keseluruhan pembuatan bahan polimer untuk aplikasi kemasan makanan. nanokomposit sebagai master batch Mengingat hal tersebut di atas, perlu polimer biodegradable secara skematik dilakukan penelitian lanjutan yang berbasis dapat dilihat pada gambar 4.hasil penelitian sebelumnya dengan
mengambil komposisi terbaik dengan
Gambar 2. Mekanisme proses degradasi plastik (Shuh, 1995)
Gambar 3. Cara kerja mikroba (bakteri) dalam proses degradasi (Shuh, 1995)
55
Gambar 4. Tahapan penelitian
No Parameter Hasil Uji
1. Kadar Air (%) 13,62
2. Kadar Abu (%) 0,03
3. Kadar pati sebagaikarbohidrat (%)
55,98
4. Kadar Amilosa (g/100 g) 27,41
HASIL DAN PEMBAHASAN cuplikan dengan bola-bola yang digunakan
adalah 1:3. Waktu milling yang digunakan Analisa Awal Tapioka adalah waktu optimum yang telah diperoleh
Analisa awal tapioka yang digunakan pada penelitian sebelumnya yaitu 15 jam
sebagai filler adalah seperti pada Tabel 3.untuk CaCO dan 18 jam untuk tapioka. 3
Setelah dikarakterisasi dengan SEM atau Tabel 3. Analisa awal tapiokaTEM diperoleh ukuran XRD, CaCO 3
sebesar 100 nm dan tapioka sebesar 90 nm.
Hasil karakterisasi dapat dilihat pada
Tabel 4.
Tabel 4. Parameter pengukuran XRD
terhadap filler CaCO3
Pembuatan dan Karakterisasi Filler
Berukuran NanopartikelFiller yang digunakan yaitu CaCO dan 3
tapioka termodi f ikasi yang dibuat
nanopartikel dengan metode milling dengan
kapasitas vial 20 mg. Perbandingan antara
Koef C 0.0041483
Ukuran Kristalit, t (Angstrom) 216.9564
Koef M -0.0026504
Strain Mikro 2.04147E-3
Jurnal Riset Industri Vol. VI No. 1, 2012, Hal. 51-60
56
CaCO3 CaCO milling 15 jam3
Tapioka Tapioka milling 18 jam
Gambar 5. Hasil karakterisasi SEM terhadap filler CaCO dan tapioka (700x)3
Gambar 6. Hasil karakterisasi TEM terhadap CaCO dan tapioka.(500x)3
Polimer Nanokomposit Sebagai Master Batch ..... ( Wiwik Pudjiastuti )
57
Karakterisasi Awal Polipropilen dan Karakterisasi Sifat Fisik/Mekanik Polietilen Polimer Nanokomposit
Uji awal dilakukan terhadap lembaran Gambar 7 menunjukkan bahwa polietilen dan polipropilen tanpa filler penambahan filler (tapioka dan CaCO3) meliputi uji WVTR, O TR dan tensile nanopartikel dapat menurunkan sifat 2
strength. Berdasarkan hasil pengujian fisik/mekanik dari polimer nanokomposit. diperoleh nilai WVTR yang relatif sama Sifat tersebut dapat meningkat dengan antara lembaran polietilen dan lembaran penambahan plasticizer dan aditif.polipropilen berkisar 0,8685 – 1,074
2g/m /24 jam. Sedangkan untuk O TR Karakterisasi Sifat Barrier Polimer 2
lembaran polietilen memberikan nilai yang Nanokompositlebih besar dibanding polipropilen.
Gambar 8 menunjukkan bahwa dengan Lembaran polipropilen nilai O TR sebesar 2 penambahan filler (tapioka dan CaCO3) 210,51 cc/m /24 jam dan lembaran polietilen
nanopartikel dapat meningkatkan sifat 2berkisar antara 14,55 – 16,73 cc/m /24 jam.
barrier (Laju transmisi uap air, WVTR dan Untuk ni la i tensi le strength t idak
laju transimisi gas O2, O2TR). Sifat barrier memberikan perbedaan yang nyata untuk
nanokomposit PE/tapioka menurun dengan lembaran polipropilen dan polietilen.
ditambahkannya plasticizer dan aditif, sedangkan PE/CaCO3 mengalamii
Tabel 5. Nilai melt flow index resinpeningkatan.
Morfologi Polimer Nanokomposit
Untuk mengetahui morfologi polimer nanokomposit juga dilakukan karakterisasi menggunakan Scann ing E lec t ron Microscope (SEM) seperti terlihat pada gambar 9.
No Kode Resin
Nilai Melt Flow Index(g/10 menit)
1. LLDPE 1,2688
3. HDPE 0,5515
4. PP 10 15, 9456
Pengukuran Sifat Fisik Nanokomposit
0
50
100
150
200
250
300
350
Komposit 1 Komposit 2 Komposit 3 Komposit 4
Ten
sile
Str
eng
th(k
gf/
cm
2)
Resin
+ Filler
+ Filler + Gliserol
+ Filler + Gliserol + Aditif
Pengukuran Sifat Fisik Nanokomposit
0
50
100
150
200
250
Komposit 1 Komposit 2 Komposit 3 Komposit 4
Elo
ng
asi
(%)
Resin
+ Filler
+ Filler + Gliserol
+ Filler + Gliserol + Aditif
Gambar 7. Uji sifat fisik/mekanik nanokomposit
Tabel 6. Karakterisasi lembaran polietilen dan polipropilen awal
No Kode Resin Ketebalan(mm)
Kuat Tarik(kgf/cm 2)
Elongasi(%)
WVTR( g/m2/24
jam)
O2TR
1. LLDPE 0,45 260,97 1524,21 0,8685 14,552. HDPE 0,44 82,55 121,90 1,074 16,733. PP 10 0,36 327,51 10,46 0,9063 10,51
Jurnal Riset Industri Vol. VI No. 1, 2012, Hal. 51-60
58
Pengukuran Sifat Barrier Nanokomposit
0
2
4
6
8
10
12
Komposit 1 Komposit 2 Komposit 3 Komposit 4
WV
TR
(g/m
2.h
ari
)
Resin
+ Filler
+ Filler + Gliserol
+ Filler + Gliserol + Aditif
Pengukuran Sifat Barrier Nanokomposit
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Komposit 1 Komposit 2 Komposit 3 Komposit 4
O2T
R(c
c/m
2.h
ari
)
Resin
+ Filler
+ Filler + Gliserol
+ Filler + Gliserol + Aditif
Gambar 8. Uji sifat barrier (WVTR dan O TR) nanokomposit2
LLDPE + Tapioka LLDPE + CaCO3
PP + CaCO3 PP + Tapioka
Gambar 9. Morfologi polimer nanokomposit dengan perbesaran 1000x
Sifat Biodegradabilitas Uji Keamanan Pangan
Hasil uji biodegradabilitas dengan Uji keamanan pangan terhadap
metode soil burial test menunjukkan polimer polimer nanokomposit dilakukan sesuai
nanokomposit PE/tapioka mengalami peraturan Kepala BPOM No. HK
degradasi paling tinggi dibanding polimer 00.05.55.6497. Hasil untuk semua polimer
n a n o k o m p o s i t l a i n n y a . P o l i m e r nanokomposit yang dihasilkan telah sesuai
nanokomposit PE/CaCO3 dan PP/CaCO3 peraturan tersebut dengan nilai logam berat 6+tidak menunjukkan adanya degradasi termigrasi (Pb, Cd, Hg, Cr ) kurang dari 1
setelah pemendaman selama 4 minggu. bpj, spesifik migrasi (fraksi ksilena dan
h e k s a n a ) s a m a d e n g a n n o l .
Polimer Nanokomposit Sebagai Master Batch ..... ( Wiwik Pudjiastuti )
59
Sifat Biodegradabilitas Nanokomposit
0
20
40
60
80
100
120
0 2 4 6 8 10
Waktu (minggu)
Bera
t(%
)
LLDPE + Tapioka
PP + Tapioka
LLDPE + CaCO3
PP + CaCO3
Prosiding Simposium Nasional Polimer
III, Himpunan Polimer Indonesia (HPI),
Bandung, 8 Agustus 2001, ISBN 979-
96915-0-8, Hal. 35-40.
Rollf Joachim Muller, Biodegradability of
Polymers : Regulations and Methods
f o r Te s t i n g , G e s e l l s c h a f t f u r
Biotechnologische Forschung mbH,
Braunschweig, Germany., p. 374.
Rollf Joachim Muller, Biodegradability of
Polymers : Regulations and Methods
Gambar 10. Uji biodegradabilitas f o r Te s t i n g , G e s e l l s c h a f t f u r
nanokomposit Biotechnologische Forschung mbH,
Braunschweig, Germany. p.368.
Uji Masa Simpan ENVIS, Indian Centre For Plastics In The
Dengan metode akselerasi kadar air, Enviroment, Volume 1, Issue 4, August
diperoleh masa simpan produk makanan 2003, India.
kering selama 27 hari untuk PE dan 41 hari
untuk PP. Sedangkan untuk plastik Peraturan Kepala Badan Pengawasan
nanokomposit belum dapat diperoleh hasil. Obat dan Makanan RI No. HK
00.05.55.6497 tentang Bahan
KESIMPULAN Kemasan Pangan , tanggal 20
Polimer nanokomposit yang telah Agustus 2007.
dibuat dengan filler tapioka atau CaCO3
dengan tambahan aditif telah memenuhi Joseph C.Salamone, "Polymeric Materials
spesifikasi untuk kemasan makanan baik Encyclopedia", Volume 1, CRC Press,
dari sifat fisik/mekanik, barrier (JIS Z 1707- New York, 1996.
1997) maupun migrasinya terhadap
makanan (Peraturan Kepala BPOM RI No. Anidya Fista Wibyanti, Maria Paristiowati,
H K 0 0 . 0 5 . 5 5 . 6 4 9 7 ) d a n m a m p u Sudirman and Aloma KK, The Effect of
terdegradasi di alam (biodegradable). Nanometer CaCO To The Properties Of 3
HDPE-CaCO Nanocompos i tes , 3
International Conference on Advanced DAFTAR PUSTAKA
and Sustainable Polymer, Bandung,
August 4-5, 2008Piyush B. Shuh, S. Bandopadhyay and
Jayesh R. Bellare, Polymer Degradation Aloma.KK, Teguh Yulius SPP and
an Stability, 47, 1995, 165-173.Sudirman, The Effect of Particle Size
CaCO on The Thermal Properties of 3Aloma K.K., Sudirman, Betha, Tri Darwinto,
CaCO / Polypropylene Composites, 3Dian I., Anik S., dan Evi H., Analisis International Conference on Advanced
Kekuatan Tarik Komposit Polipropilen-and Sustainable Polymer, Bandung,
Pasir dan Perhitungan Secara Teoritis, August 4-5, 2008
Jurnal Riset Industri Vol. VI No. 1, 2012, Hal. 51-60
60
Suryani, Yusmaniar, Grace Tj. Sulungbudi, Marlijanti, Analysis of Physical and
and Sudirman, The Influence of Mechanical Properties of Calcium
Nanometer CaCO Addition To The Carbonate Thermoplastic Composite, 3
Proceeding Establishing a Research Physical and Mechanical Properties of
Network on Natural Polymer to Support Polypropylene-CaCO Composite, 3
the Development of Sustainable Industry International Conference on Advanced in Indonesia, AIRD-MOIT, Jakarta, 2008.and Sustainable Polymer, Bandung,
August 4-5, 2008Taufan Hidayat, Dhiah Nuraini, Sinta
Rismayani, Wiwik Pudjiastuti dan Nur Fitriyani, Yusmaniar, Aloma K.K. and Isananto Winursito, Status of AIRD's Sudirman, Influence of Mecrometer and R&D on Natural Polymer, Proceeding nanometer Size of Cassava Starch Establishing a Research Network on Addition to Mecahmical and Physical Natural Polymer to Support the properties of Polypropilene Based Development of Sustainable Industry in Composite,International Conference on Indonesia, AIRD-MOIT, Jakarta 2008.Advanced and Sustainable Polymer,
Bandung, August 4-5, 2008UU RI No.18 Tahun 2008 tentang
Pengelolaan SampahSudirman, Aloma Karo-karo, Gace
Tj.Tulungbudi, Wiwik Pudjiastuti dan Isni
Polimer Nanokomposit Sebagai Master Batch ..... ( Wiwik Pudjiastuti )