## PENGARUH LAMA WAKTU PENGGETARAN ULTRASONIC BATH TERHADAP SIFAT MEKANIK DAN MORFOLOGI PATAHAN BIOKOMPOSIT PATI TAPIOKA/SERAT RAMI (BOEHMERIA NIVEA)
Mochamad Asrofi 1,2, , Hairul Abral 1,2, , Herwin Gevin 1,2 , Melbi Mahardika 1,2 , Adjar Pratoto 2 , Anwar Kasim 3
1 Laboratorium Metalurgi Mekanik, Jurusan Teknik Mesin, Universitas Andalas, Kampus Limau Manis, Pauh, Padang 25163, Indonesia
2 Jurusan Teknik Mesin, Universitas Andalas, Kampus Limau Manis, Pauh, Padang 25163, Indonesia
3 Jurusan Teknologi Hasil Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian, Universitas Andalas, Kampus Limau Manis, Pauh, Padang 25163, Indonesia
Email: a asrofi.net@gmail.com

## ABSTRACT
This  study  reported  about  mechanical  properties  and  fracture  surface  of  ramie  fiber  reinforced tapioca starch based biocomposites. The amount of fibers in matrix was kept constant at 10% from dry weight starch basis. Fabrication of biocomposites was solution casting. The effect of vibration duration from ultrasonic bath was 0, 15, 30, and 45 min. This treatment was applied to biocomposites while  gelatinized.  Tensile  test  was  carried  out  to  determine  the  mechanical  properties  of biocomposites. Fracture surface of biocomposites after tensile test was observed by using scanning electron microscopy (SEM). The result shows that, tensile strength increased when vibration time was added. The maximum tensile strength was obtained at 45 min vibration time with 2,84 MPa. This phenomenon was supported by SEM observation which indicate compact structure.
Keywords: Tapioca starch, ramie fiber, biocomposites, mechanical properties, SEM

## PENDAHULUAN
Dua  dekade  terakhir,  pencemaran  plastik sintetis  menjadi  masalah  utama  karena  sifatnya yang  tidak  mudah  terdegradasi  oleh  lingkungan. Pengembangan  material  plastik  yang  ramah lingkungan (bioplastik)  menjadi ketertarikan oleh berbagai peneliti di bidang biokomposit [1]. Salah satu  material  yang  dapat  dijadikan  bioplastik adalah pati. Ketersediaan pati sangatlah berlimpah dan  harganya  murah.  Pati  dapat  dikonversi menjadi  bioplastik  dengan  pemanasan  pada  suhu 60-70 o C [2,3]. Akan tetapi, pati memiliki berbagai kelemahan yaitu sifat mekanik, ketahanan air, dan termal  yang  rendah.  Untuk  mengatasi  masalah tersebut,  serat  ditambahkan  ke  dalam  pati  untuk memperbaiki sifatnya [2,4].
Penambahan serat seperti luffa [2], jute [3], tandan  kosong  kelapa  sawit  (TKKS)  [4],  eceng gondok  [5]  dan  rami  [6]  ke  dalam  pati  sudah banyak dilakukan. Kunci utama dari performa sifat biokomposit adalah baiknya ikatan antara matriks dan  serat,  tidak  adanya  porositas,  dan  distribusi serat  ke  dalam  matriks  yang  merata  [7]. Bagaimanapun,  banyak  studi  yang  melaporkan bahwa,  fenomena  penambahan  serat  ke  dalam matriks  sering  terjadi  penumpukan  (aglomerasi) [4,5].  Untuk  mengatasi  hal  tersebut,  pemberian
efek ultrasound setelah  proses  pencetakan  film dianjurkan agar distribusi serat merata dan struktur menjadi  kompak  seperti  yang  dilaporkan  oleh Abral [4].
Efek ultrasound dapat membantu meningkatkan  sifat  mekanik,  resistansi  terhadap air,  dan  pembentukan  film  yang  baik.  Selain  itu, perlakuan  ini  membantu  penyebaran  serat  secara homogen  ke  dalam  matriks  [4,7].  Ini  dibuktikan dari temuan terakhir oleh Abral yang mengungkapkan  bahwa  energi  kinetik  yang dikeluarkan oleh ultrasound dapat memecah serat yang  teraglomerasi  menjadi  serat  individu  yang tersebar di dalam matriks [4].
Penelitian  sebelumnya  mengenai  efek ultrasound dilakukan  oleh  Abral  dkk.  Mereka meneliti  biokomposit  dari  pati  tapioka  yang diperkuat serat tandan kosong kelapa sawit dengan volume  fraksi  75%.  Hasil  menunjukkan  bahwa semakin  lama  penggetaran  dari ultrasound ,  film yang  dihasilkan  semakin  baik.  Fenomena  itu ditunjukkan oleh pencitraan SEM yang menunjukkan  struktur  yang  kompak  pada penggetaran 30 dan 60 menit [4].
Serat  rami  merupakan  serat  yang  belum banyak  termanfaatkan  khususnya  di  Indonesia. Produksi tanaman rami di Indonesia sekitar 11 ton
per tahunnya [8]. Untuk memaksimalkan penggunaan  dari  material  tersebut,  maka  peneliti memanfaatkan  material  ini  sebagai  agen  penguat dalam  biokomposit  dengan  matriks  pati  tapioka. Serat ini memiliki sifat mekanis yang baik seperti yang dilaporkan penelitian sebelumnya [9].
Dalam  studi  ini,  variasi  yang  digunakan adalah  lama  waktu  getaran ultrasonic  bath pada biokomposit pati tapioka dengan jumlah serat rami tetap  yaitu  10%  dari  berat  kering  pati.  Sifat mekanik  biokomposit  dari  pati  tapioka  yang diperkuat oleh serat rami akan dipelajari. Analisa morfologi patahan film biokomposit  juga diamati dengan scanning  electron  microscopy (SEM) untuk  mempekuat  analisa  dari  sifat  mekanik. Sepengetahuan  penulis  yang  paling  baik,  belum ada studi yang melaporkan tentang penelitian ini.

## METODOLOGI PENELITIAN Bahan
Serat rami diperoleh dari kebun percobaan Politeknik  Pertanian  Negeri  Payakumbuh.  Pati tapioka dibeli di toko lokal daerah Padang dengan merek  cap  pak  tani.  Kandungan  amilosa  pati tapioka  adalah  15%.  Bahan  kimia  lainnya  seperti gliserol,  air  suling,  dan  NaOH  didapatkan  dari Laboratorium Mekanik dan Metalurgi, Universitas Andalas.

## Persiapan Serat Rami
Serat  rami  disiapkan  dan  dibersihkan menggunakan  air  suling.  Serat  tersebut  diberi perlakuan alkalisasi dengan larutan NaOH 25% di dalam digester (tungku  bertekanan  tinggi)  pada temperatur 180 o C dan tekanan 8 bar selama 2 jam seperti  yang  dilaporkan  peneliti  sebelumnya [10,11].  Kemudian,  serat  dicuci  sampai  pH  7 (netral)  menggunakan  air  suling.  Setelah  netral, kita  mendapatkan  serat  rami  dalam  bentuk  bubur dan  siap  untuk  dikeringkan  menjadi  bentuk granula serat rami (Gambar 1).

## Persiapan Biokomposit
Sebanyak  10  gram  pati  tapioka  dan  2  ml gliserol  dicampurkan  ke  dalam  gelas  kimia  yang berisi 100 ml air suling. Kemudian, 10% serat rami kering (dari berat kering total pati) dimasukkan ke campuran tersebut. Campuran dipanaskan menggunakan hot  plate  magnetic  stirrer dengan temperatur 60 o C dan putaran 500 rpm selama 30 menit  sampai  terbentuk  biokomposit  gelatin. Biokomposit  tersebut  dicetak  pada  cetakan  kaca dengan ukuran p x l x t (20 cm x 17 cm x 0,3 cm). Biokomposit  ini  diberikan  perlakuan  getaran ultrasonic  bath dengan  variasi  lama  waktu penggetaran. Variasi waktu penggetarannya adaah 0,  15,  30  dan  45  menit.  Kondisi  perlakuan  ini dilakukan pada frekuensi 40 KHz dan temperatur air di dalam ultrasonic bath dijaga tetap di bawah 40 o C.  Setelah  itu,  biokomposit  dikeringkan  di
dalam oven pengering  dengan  temperatur  50 o C selama 20 jam. Hasil biokomposit telah didapatkan dalam bentuk lembaran dan siap untuk dikarakterisasi.
Gambar 1. Granula serat rami kering setelah proses alkalisasi

## Penentuan Sifat Mekanik
Pengujian
tarik digunakan untuk menentukan  sifat  mekanik  dari  biokomposit  pati tapioka diperkuat serat rami. Mesin uji tarik yang digunakan  bermerek COM-TEN  testing  machine 95T Series 5K dengan kapasitas  maksimum 5000 pound .  Hasil  dari  uji  tarik  berupa  kekuatan  tarik, modulus  elastisitas,  dan elongation  at  break . Semua  sampel  dibuat  menurut  standar American Society for Testing and Materials (ASTM) D638. Kecepatan  pengujian  tarik  adalah  4  mm/menit pada  temperatur  ruangan.  Ada  5  sampel  dalam setiap variasi waktu penggetaran ultrasound . Kekuatan  tarik  diperoleh  dengan  cara pembagian antara gaya maksimum dari pengujian sampel dengan rata-rata luas penampang melintang  dari  sampel.  Agar  memperoleh  luas spesimen  yang  akan  diuji  secara  akurat,  maka dilakukan  pengukuran  menggunakan  jangka sorong  dengan  ketelitian  0,001  mm  di  5  titik berbeda dari ketebalan dan lebar dari sampel film biokomposit.

## Pengamatan Morfologi Patahan
Scanning  Electron  Microscopy (SEM) Hitachi seri  3400  N  digunakan  untuk  mengamati morfologi  patahan  dari  film  biokomposit  setelah diuji tarik. Pengujian ini digunakan untuk melihat dispersi  serat  dalam  matriks,  ikatan  antara  serat dan  matrix,  dan  ada/tidaknya  porositas  yang terbentuk

## HASIL DAN PEMBAHASAN Sifat Mekanik Biokomposit
Gambar  2  menunjukkan  efek  getaran ultrasound terhadap  kekuatan  tarik  biokomposit. Terlihat  pada  gambar  bahwa  semakin  lama  efek getaran ultrasound ,  kekuatan  tarik  semakin meningkat.  Pada  gambar  2a  menunjukkan  film biokomposit tanpa perlakuan penggetaran
mempunyai  kekutan  tarik  sebesar  2,16  MPa. Setelah diberikan penggetaran 15 menit, kekuatan tarik meningkat sebesar 6,48%. Hal ini juga terjadi pada  penggetaran  30  menit  yang  meningkat sebesar 14,35% dan 45 menit sebesar 31,48%.
Gambar 2. (a) kekuatan tarik; (b) modulus elastisitas;
(c) elongation at break pada film biokomposit dengan variasi waktu penggetaran
Pemberian  efek  getaran  ini  juga  dapat meningkatkan  modulus  elastisitas  dari  film biokomposit. Modulus elastisitas dari penggetaran 45 menit (Gambar 2b) meningkat sebesar 71,59% dibandingkan yang tanpa perlakuan. Fenomena ini dikarenakan  ikatan  antara  matriks  dan  fiber
semakin  baik  seperti  yang  dilaporkan  oleh  Abral [12].  Selain  itu,  dengan  lamanya waktu penggetaran  dapat  membuat  struktur  menjadi kompak  [4].  Hal  tersebut  dijelaskan  pada pencitraan morfologi dengan SEM (Gambar 3d).
Akan  tetapi, elongation  at  break dari  film biokomposit  semakin  menurun  seiring  dengan bertambahnya lama waktu getaran ultrasonic bath . Gambar 2c menunjukkan elongation at break dari film  biokomposit  yang  mengalami  berbagai  lama waktu  perlakuan ultrasonic  bath .  Terlihat  pada gambar  tersebut,  bahwa  film  biokomposit  tanpa perlakuan  penggetaran  mempunyai elongation  at break tertinggi yaitu 13,19%.
Jika  dibandingkan  dengan  yang  diberikan
perlakuan  penggetaran, elongation  at  break film biokomposit semakin menurun. Ini mengindikasikan bahwa film biokomposit semakin  getas  seiring  bertambahnya  waktu penggetaran ultrasonic bath [4,12,13].

## Morfologi Patahan
Gambar  3  menunjukkan  bentuk  morfologi patahan  dari  film  biokomposit  dengan  waktu penggetaran  0  menit  mempunyai  porositas  yang lebih  banyak  daripada  yang  diberikan  perlakuan penggetaran.  Selain  itu,  celah  ( gap )  terlihat  jelas antara  matriks  dengan  serat.  Hal  ini  yang mengakibatkan kekuatan tarik sampel biokomposit penggetaran 0 menit menjadi lemah. Fenomena ini mendukung  hasil  uji  tarik  dari  film  biokomposit penggetaran  0  menit  yang  mempunyai  kekuatan tarik  lebih  rendah  dibandingkan  yang  diberikan perlakuan.
Gambar 3. Pencitraan SEM film biokomposit dengan efek penggetaran 0 menit, perbesaran 2500x
Selain itu, porositas terlihat berkurang pada penggetaran 15 menit (Gambar 4). Ini membuktikan  bahwa  efek  penggetaran ultrasonic bath efektif  menghilangkan  porositas  yang terbentuk selama fabrikasi biokomposit.
Fenomena lain juga terjadi pada penggetaran  30  menit  (Gambar  5)  dan  45  menit
(Gambar  6).  Pada  gambar  tersebut  terlihat  film biokomposit  mempunyai  struktur  yang  kompak. Hal ini diindikasikan tidak adanya porositas yang terbentuk pada sampel dengan variasi penggetaran 30 dan 45 menit.
Gambar 4. Pencitraan SEM film biokomposit dengan efek penggetaran 15 menit, perbesaran 2500x
Gambar 5. Pencitraan SEM film biokomposit dengan efek penggetaran 30 menit, perbesaran 2500x
Gambar 6. Pencitraan SEM film biokomposit dengan efek penggetaran 45 menit, perbesaran 2500x
Dengan  struktur  kompak  yang  dimiliki, kekuatan  tarik  juga  semakin  meningkat.  Ini
dibuktikan  dengan  hasil  kekuatan  tarik  dari penggetaran  30  dan  45  menit  meningkat  jika dibandingkan dengan tanpa perlakuan. Hasil yang serupa juga dilaporkan oleh penelitian sebelumnya [4].

## KESIMPULAN
Biokomposit  dari  pati  tapioka  diperkuat serat  rami  telah  berhasil  dibuat  dengan  metode solution  casting .  Hasil  menunjukkan  bahwa  efek penggetaran ultrasonic bath sangat mempengaruhi sifat mekanik dan morfologi patahan biokomposit. Penggetaran  dengan  waktu  0  menit  mempunyai nilai kekuatan tarik yang paling rendah yaitu 2,16 MPa.  Hal  ini  berbeda  dengan  penggetaran  45 menit yang mempunyai nilai kekuatan tarik paling tinggi  yaitu  2,84  MPa.  Ini  dibuktikan  dengan kompaknya  struktur  pada  permukaan  patahan biokomposit.  Efek  penggetaran ultrasonic  bath sangat  dianjurkan  dalam  pembuatan  biokomposit karena dapat mengurangi porositas dan memperbaiki ikatan antara matriks dengan serat.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis  mengucapkan  terima  kasih  atas dukungan finansial yang diberikan oleh
Kementrian  Riset,  Teknologi  dan  Pendidikan Tinggi  (Kemenristek  DIKTI)  Indonesia  dengan skema  penelitian  PMDSU Batch-2 tahun  2017. Penulis  juga  berterima  kasih  kepada  para pembimbing terutama Prof. Dr.-Ing. Hairul Abral untuk  segala  masukan  dan  diskusi  yang  sangat bermanfaat.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Avérous,  L.  and  Halley,  P.J.,  2009. Biocomposites  based  on  plasticized  starch . Biofuels,  bioproducts  and  biorefining.  3(3), pp.329-343.
[2] Kaewtatip,  K.  and  Thongmee,  J.,  2012. Studies  on  the  structure  and  properties  of thermoplastic  starch/luffa  fiber  composites .
Materials & Design. 40, pp.314-318.
[3] Prachayawarakorn,  J.,  Chaiwatyothin,  S.,
Mueangta, S. and Hanchana, A., 2013. Effect of  jute  and  kapok  fibers  on  properties  of thermoplastic  cassava  starch  composites . Materials & Design. 47, pp.309-315.
[4] Abral, H., Putra, G.J., Asrofi, M., Park, J.W. and  Kim,  H.J.,  2017. Effect  of  vibration duration  of  high  ultrasound  applied  to  bio- composite while gelatinized on its properties . Ultrasonics Sonochemistry. 40, pp.697-702
[5] Abral,  H.  and  Hartono,  J.,  2017. Moisture absorption  of  starch  based  biocomposites reinforced  with  water  hyacinth  fibers .
Materials Science and Engineering Conference Series. 213, No. 1, p. 012035.
[6] Lu,  Y.,  Weng,  L.  and  Cao,  X.,  2006. Morphological, thermal and mechanical
properties  of  ramie  crystallites—reinforced plasticized starch biocomposites .
Carbohydrate polymers. 63(2), pp.198-204.
[7] Cheng, W., Chen, J., Liu, D., Ye, X. and Ke, F.,  2010. Impact  of  ultrasonic  treatment  on properties  of  starch  film-forming  dispersion and  the  resulting  films. Carbohydrate Polymers. 81(3), pp.707-711.
[8] Purwati, R.D., 2010. Strategi pengembangan rami  (Boehmeria  nivea  Gaud.) .  Jurnal Perspektif. 9(2), pp.106-118.
[9] Syafri, E., Kasim,  A.,  Abral,  H. and Asben, A.,  2015. Pengaruh  chemical  treatment terhadap sifat fisik, kandungan selulosa dan kekuatan  tarik  serat  alam  rami .  Jurnal Teknologi  Pertanian  Andalas.  19(2),  pp.18- 24.
[10] Syafri,  E.,  Kasim,  A.,  Abral,  H.,  Asben,  A. and  Wahono,  S.,  2016. Pengembangan digester  pulp  untuk  menghasilkan  partikel
selulosa  serat  rami  sebagai  filler  material bionanokomposit . September, pp.1-10.
[11] Asrofi, M., Abral, H., Kasim, A. and Pratoto, A., 2017. Characterization of the microfibrillated cellulose from water hyacinth pulp after alkali treatment and wet blending .  IOP  Conference  Series:  Materials Science and Engineering. 204, pp.1-6.
[12] Abral,  H.,  Gafar,  M.F.,  Andriyanto,  H., Ilhamdi,  Sapuan,  S.M.,  Ishak,  M.R.  and Evitayani,  2012. Alkali  treatment  of  screw pine (Pandanus Odoratissimus) fibers and its effect  on  unsaturated  polyester  composites .
Polymer-Plastics
Technology and Engineering. 51(1), pp.12-18.
[13] Arrakhiz,  F.Z.,  Elachaby,  M.,  Bouhfid,  R., Vaudreuil,  S.,  Essassi,  M.  and  Qaiss,  A., 2012. Mechanical and thermal properties of polypropylene  reinforced  with  Alfa  fiber under different chemical treatment . Materials & Design. 35, pp.318-322.