Sintesis Selulosa-g-Poliakrilamida Melalui Teknik Kopolimerisasi Cangkok dan Taut-Silang
SINTESIS SELULOSA-g-POLIAKRILAMIDA MELALUI
TEKNIK KOPOLIMERISASI CANGKOK DAN TAUTSILANG
IKA SYARIFATUN KHASANAH
DEPARTEMEN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2013
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN SUMBER
INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Sintesis Selulosa-gPoliakrilamida Melalui Teknik Kopolimerisasi Cangkok dan Taut-Silang adalah
benar karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan
dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang
berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari
penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di
bagian akhir skripsi ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut
Pertanian Bogor.
Bogor, Desember 2012
Ika Syarifatun Khasanah
NIM G44104006
ABSTRAK
IKA SYARIFATUN KHASANAH. Sintesis Selulosa-g-Poliakrilamida Melalui
Teknik Kopolimerisasi Cangkok dan Taut-Silang. Dibimbing oleh TUN TEDJA
IRAWADI dan MOHAMMAD KHOTIB.
Selulosa-g-poliakrilamida telah disintesis melalui teknik kopolimerisasi
cangkok dan taut-silang menggunakan akrilamida sebagai monomer dan N,N’metilena-bis-akrilamida sebagai penaut-silang. Sintesis dilakukan pada suhu 70
°C secara polimerisasi radikal menggunakan inisiator amonium persulfat dalam
atmosfer gas N2. Produk dicirikan dengan teknik spektroskopi inframerah untuk
melihat gugus fungsi dan teknik mikroskopi elektron pemayaran untuk melihat
morfologi permukaan. Spektrum inframerah dan mikrograf menunjukkan bahwa
kopolimerisasi cangkok dan taut-silang telah berhasil dilakukan pada isolat
selulosa. Meningkatnya konsentrasi penaut-silang menyebabkan nisbah dan
efisiensi pencangkokan meningkat, sementara kapasitas absorpsi air turun. Nisbah
dan efisiensi pencangkokan berturut-turut adalah 27.27–39.02% dan 80.78–
90.06%, sedangkan kapasitas absorpsi air berkisar antara 1.6343 dan 3.0747.
Produk modifikasi memiliki ketahanan yang baik terhadap pelarut (etil asetat,
heptana, heksana, dan toluena) serta kapasitas absorpsi air yang kecil sehingga
berpotensi untuk diaplikasikan sebagai fase diam.
Kata kunci: akrilamida, kopolimerisasi cangkok, penaut-silang, selulosa
ABSTRACT
IKA SYARIFATUN KHASANAH. Synthesis of Cellulose-g-Polyacrylamide
Through Graft and Crosslink Copolymerization. Supervised by TUN TEDJA
IRAWADI and MOHAMMAD KHOTIB.
Cellulose-g-polyacrylamide copolymer has been synthesized by graft and
crosslink copolymerization using acrylamide as monomer and N,N’-methylenebis-acrylamide as crosslinker. The synthesis was carried out at 70 °C through
radical polymerization by using ammonium persulphate as initiator under N2
atmosphere. The functional groups and morfology of the product were
characterized by using infrared spectroscopy and scanning electron microscopy,
respectively. The infrared spectra and the micrographs confirmed that graft and
crosslink copolymerization has been successfully carried out onto cellulose
isolates. Increasing crosslinker concentration increased the grafting ratio and
efficiency, while the water absorption capacity was decreased. The grafting ratio
and efficiency were 27.27–39.02% and 80.78–90.06%, respectively, while water
absorption capacity was ranged between 1.6343 and 3.0747. Modification
products have better resistance against solvents (ethyl acetate, heptane, hexane,
and toluene) and low water absorption capacity so are potencial to be applied as
stationary phase.
Keywords: acrylamide, cellulose, crosslinker, graft copolymerization
SINTESIS SELULOSA-g-POLIAKRILAMIDA MELALUI
TEKNIK KOPOLIMERISASI CANGKOK DAN TAUTSILANG
IKA SYARIFATUN KHASANAH
Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Sains
pada
Departemen Kimia
DEPARTEMEN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2013
Judul Skripsi : Sintesis Selulosa-g-Poliakrilamida Melalui Teknik Kopolimerisasi
Cangkok dan Taut-Silang
Nama
: Ika Syarifatun Khasanah
NIM
: G44104006
Disetujui oleh
Prof Dr Ir Tun Tedja Irawadi, MS
Pembimbing I
Mohammad Khotib, SSi, MSi
Pembimbing II
Diketahui oleh
Prof Dr Ir Tun Tedja Irawadi, MS
Ketua Departemen
Tanggal Lulus:
PRAKATA
Puji syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT karena atas limpahan
rahmat-Nya penulis dapat menyelesaikan karya ilmiah dengan judul “Sintesis
Selulosa-g-Poliakrilamida Melalui Teknik Kopolimerisasi Cangkok dan TautSilang”. Shalawat dan salam senantiasa tercurahkan kepada junjungan Nabi
Muhammad SAW, keluarganya, dan semoga kita semua menjadi pengikutnya
hingga akhir zaman.
Penulis mengucapkan terima kasih kepada Ibu Prof Dr Ir Tun Tedja
Irawadi, MS dan Bapak Mohammad Khotib SSi, MSi selaku pembimbing yang
senantiasa memberikan arahan, semangat, dan doa kepada penulis selama
melaksanakan penelitian. Ucapan terima kasih juga penulis sampaikan kepada Ibu
Dr Henny Purwaningsih, MSi, Bapak Drs Muhammad Farid, MSi, dan Bapak
Novriyandi Hanif, DSc yang senantiasa memberikan bimbingan, semangat, dan
doa kepada penulis. Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada kedua orang
tua, adik, dan kakak yang selalu memberikan doa, motivasi dan semangat selama
masa studi hingga penyusunan karya ilmiah ini.
Terima kasih tak terhingga penulis ucapkan kepada Kepala Laboratorium
Kimia Terpadu (LT IPB) atas fasilitas yang diberikan selama penulis melakukan
penelitian, staf LT, yaitu Indah, Baim, Adhe, Egi, dan Mas Yono atas bantuan
serta masukan selama penelitian berlangsung. Penulis juga mengucapkan terima
kasih kepada teman-teman LT (Devi, Doni, Ebta, Fudhail), Bapak Furqoni, Budi,
Bibi, dan pihak-pihak lain yang telah membantu penulis dalam menyelesaikan
penyusunan karya ilmiah ini yang tidak dapat disebutkan satu per satu tanpa
maksud mengurangi rasa terima kasih.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.
Bogor, Desember 2012
Ika Syarifatun Khasanah
DAFTAR ISI
DAFTAR GAMBAR
DAFTAR LAMPIRAN
PENDAHULUAN
BAHAN DAN METODE
Bahan dan Alat
Metode
HASIL DAN PEMBAHASAN
Kopolimerisasi Cangkok dan Taut-Silang
Pengaruh Konsentrasi Penaut-Silang
Spektrum FTIR
Mikrograf SEM
Ketahanan terhadap Pelarut
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Saran
DAFTAR PUSTAKA
RIWAYAT HIDUP
vii
vii
1
2
2
2
4
4
7
8
9
10
11
11
11
12
19
DAFTAR GAMBAR
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Pembentukan radikal sulfat dari inisiator APS
5
Inisiasi molekul selulosa oleh APS
5
Pembentukan makroradikal selulosa-O-CH2-CH•-CONH2
5
Pembentukan rantai kopolimer cangkok poliakrilamida pada selulosa (tahap
propagasi)
5
Mekanisme pembentukan homopolimer poliakrilamida
6
Kapasitas absorpsi air produk kopolimer selulosa-g-poliakrilamida
7
Pengaruh konsentrasi penaut-silang terhadap kadar nitrogen, nisbah
pencangkokan, dan efisiensi pencangkokan
8
Spektrum FTIR selulosa serabut ampas sagu, selulosa-g-poliakrilamida dengan
penaut-silang 1.67%, 3.33%, 5.00%, dan 6.67%
9
Morfologi permukaan isolat selulosa dan produk hasil modifikasipada
perbesaran 500×
10
DAFTAR LAMPIRAN
1 Reaktor pencangkokan-penautan-silang
2 Hasil pembuatan kopolimer selulosa-g-poliakrilamida
3 Hipotesis pembentukan taut-silang antara makroradikal selulosa-gpoliakrilamida dan penaut-silang MBA
4 Pengukuran kapasitas absorpsi air
5 Pengukuran kadar nitrogen, NP, dan EP
6 Indeks bias sampel kopolimer pada uji daya tahan terhadap pelarut
14
14
15
16
17
18
PENDAHULUAN
Selulosa merupakan polimer alam yang paling melimpah, biokompatibel,
dan ramah lingkungan (Song et al. 2008) karena mudah terdegradasi, tidak
beracun, serta dapat diperbarui. Selulosa belakangan ini digunakan sebagai bahan
baku alternatif dalam industri dan menyebabkan permintaan selulosa terus
meningkat. Hal ini disebabkan oleh semakin berkurangnya cadangan bahan baku
yang berasal dari sumber daya alam tak terbarukan. Meskipun demikian, selulosa
masih belum dapat dimanfaatkan di berbagai bidang karena kesukaran dalam
pemrosesan akibat adanya ikatan hidrogen intra- dan antarmolekul yang kuat pada
struktur selulosa (Song et al. 2008).
Selulosa merupakan polimer linear dari unit anhidroglukosa yang
tersambung melalui ikatan β-1,4-glukosida, dengan 3 gugus hidroksil reaktif.
Gugus hidroksil selulosa dapat dimodifikasi dengan memasukkan gugus fungsi
tertentu. Salah satu modifikasi yang dapat dilakukan adalah kopolimerisasi
cangkok dan taut-silang. Kopolimerisasi cangkok menumbuhkan monomer pada
tulang punggung polimer. Berbagai jenis polimer dapat dicangkok ke rantai
selulosa melalui gugus hidroksil pada posisi C2, C3, dan C6 (Enomoto-Rogers et
al. 2009). Modifikasi ini dapat memperbaiki sifat-sifat seperti kemampuan
menyerap air, elastisitas, kemampuan menukar ion, ketahanan terhadap panas, dan
ketahanan terhadap serangan mikrob, bergantung pada struktur kimia monomer
yang tercangkok pada selulosa (Ekebafe et al. 2008).
Beberapa kajian mengenai kopolimerisasi cangkok terhadap bahan berbasisselulosa telah dilaporkan. Chen et al. (2008) membuat polimer superabsorben
melalui pencangkokan asam akrilat pada karboksimetil selulosa. Sharma dan
Chauhan (2009) memodifikasi selulosa melalui kopolimerisasi cangkok
menggunakan monomer 2-hidroksietil-metakrilat dan beberapa komonomer.
Routray dan Tosh (2012) melakukan kopolimerisasi cangkok metil metakrilat
pada selulosa dan selulosa asetat. Kopolimer yang dihasilkan diaplikasikan
sebagai material penyerap (Bicak et al. 1999; Ekebafe 2011), dalam teknologi
pengolahan air (Chauhan dan Lal 2003), dan sebagai material dalam bidang medis
(Chen et al. 2008).
Setyorini (2011) telah memodifikasi selulosa serabut ampas sagu dengan
teknik pencangkokan dan taut-silang menggunakan monomer akrilamida (AAm)
dan penaut-silang N,N’-metilena-bis-akrilamida (MBA). Nisbah selulosa dan
AAm yang digunakan 1:1. Produk yang disintesis berhasil memisahkan xantorizol
dari ekstrak temu lawak.
Pada penelitian ini AAm dicangkok ke selulosa serabut ampas sagu dengan
nisbah selulosa terhadap AAm 3:1. Tujuannya agar serabut ampas sagu yang
mengandung komponen selulosa lebih banyak termanfaatkan sehingga dapat
mengatasi masalah lingkungan. Produk yang dihasilkan juga diharapkan memiliki
kapasitas absorpsi air yang lebih kecil dan ketahanan yang lebih baik terhadap
pelarut bila dibandingkan dengan penggunaan nisbah 1:1 sehingga berpotensi
dijadikan sebagai fase diam kromatografi kolom. Penelitian ini juga dilakukan
dengan meragamkan konsentrasi penaut-silang MBA untuk mengetahui
pengaruhnya terhadap kemampuan produk dalam menyerap air. Nisbah
pencangkokan dan efisiensi pencangkokan ditentukan. Produk juga dicirikan
dengan menggunakan spektrofotometer inframerah transformasi Fourier (FTIR)
dan mikroskopi elektron pemayaran (SEM).
BAHAN DAN METODE
Bahan dan Alat
Bahan-bahan yang digunakan adalah isolat selulosa dari serabut ampas sagu
(Laboratorium Terpadu, IPB), AAm, amonium persulfat (APS), dan MBA p.a
(Merck), gas N2 (BOC), metanol, etanol, aseton, heptana, heksana, dan toluena p.a
(Smart), etil asetat p.a (J.T. Baker), serta bahan kimia untuk analisis kadar
nitrogen.
Alat-alat yang digunakan adalah spektrofotometer FTIR IRPrestige–21
Shimadzu, SEM Carl Zeiss EVO 50-50-87 (Puslitbang Hutan Bogor),
refraktometer Abbè, radas reaktor sintesis, mantel pemanas, radas refluks, radas
kjeldahl, shaker, neraca analitik, mesin penggiling, dan peralatan kaca.
Metode
Sintesis Selulosa-g-Poliakrilamida (Liang et al. 2009)
Isolat selulosa dimasukkan ke dalam labu leher tiga sebanyak 22.5 g lalu
ditambah 150 mL akuades dan dipanaskan ke 90 °C sambil diaduk dengan
kecepatan 200 rpm. Setelah mencapai suhu 90 °C, gas nitrogen dialirkan ke dalam
reaktor sintesis dan suhu dijaga konstan selama 30 menit. Setelah 30 menit, suhu
diturunkan sampai kira-kira 60–65 °C. Larutan APS (0.25 g APS dalam 12.5 mL
akuades) dimasukkan dengan suhu dijaga konstan selama 15 menit, dilanjutkan
campuran MBA dan 7.5 g AAm yang dilarutkan dalam 200 mL akuades
ditambahkan dengan kecepatan 2–3 tetes/detik. Jumlah MBA divariasikan 0.5,
1.0, 1.5 dan 2.0 g. Setelah semua pereaksi dimasukkan, suhu dinaikkan menjadi
70 °C dan dijaga konstan selama 3 jam hingga terbentuk gel.
Pencucian Gel (Liang et al. 2009)
Gel selulosa-g-poliakrilamida yang telah didinginkan ditambahkan 150 mL
metanol lalu diaduk dengan kecepatan 200 rpm. Setelah 30 menit, ditambahkan
150 mL etanol dan diaduk cepat dengan kecepatan 300–400 rpm selama 5 menit.
Campuran didiamkan 30 menit, lalu gel dipisahkan dari cairan alkohol, dipotong
kecil-kecil, dan direfluks dengan 200 mL aseton pada suhu 70 °C selama 1 jam.
Gel dipisahkan dari aseton kemudian dicuci dengan akuades. Setelah disaring,
sampel gel dikeringkan dalam oven bersuhu 60 °C hingga mencapai bobot
konstan dan dihaluskan dengan mesin penggiling.
Pencirian Kopolimer Selulosa-g-Poliakrilamida
Gel kopolimer dicirikan untuk mengetahui perubahan sifat fisik dan
kimianya. Daya absorpsi air ditentukan dengan uji kapasitas absorpsi air, serapan
gugus fungsi ditentukan dengan spektrofotometer FTIR, morfologi permukaan
dianalisis dengan SEM, nisbah dan efisiensi pencangkokan-penautan-silang
3
(NP dan EP) ditentukan dengan analisis kadar nitrogen metode Kjeldahl. Berikut
adalah persamaan yang digunakan:
NP % =
100% [N(%) × (BM AAm/BA N)]
100% – [N(%) × (BM AAm/BA N)]
EP % =
% N percobaan
× 100%
% N teoretis
Uji Kadar Nitrogen (Metode Kjeldahl)
Sebanyak 0.1 g sampel kopolimer dan 2 g selen dimasukkan ke dalam labu
kjeldahl kemudian ditambahkan 10 mL H2SO4 pekat. Sampel didestruksi dengan
cara dipanaskan di atas pembakar bunsen sampai berwarna hijau kekuningan dan
tidak ada lagi asap putih yang terbentuk, lalu didinginkan. Radas distilasi
dirangkai dan sebagai penampung gas NH3 disiapkan 20 mL asam borat 2% yang
ditambahkan indikator hijau bromkresol dan merah metil. Larutan hasil destruksi
dipindahkan ke dalam labu kjeldahl 500 mL, dibilas dengan 150 mL akuades, lalu
ditambahkan batu didih dan 50 mL NaOH 40%. Larutan kemudian didistilasi
dengan cara dipanaskan di atas pembakar bunsen. Setelah distilasi selesai, distilat
dititrasi dengan HCl 0.1 N hingga terbentuk warna merah. Kadar nitrogen
dihitung menggunakan persamaan berikut:
N (%) =
(V1 – V0) × NHCl × BEN
× 100%
W
Keterangan:
(V1-V0) : Volume HCl terpakai (mL)
NHCl : Normalitas HCl (mek/mL)
BEN : Bobot ekuivalen N (14.007 mg/mek)
W
: Bobot sampel (mg)
Kapasitas Absorpsi Air (Liu et al. 2007)
Sebanyak 0.1 g sampel kopolimer dimasukkan ke dalam wadah bertutup
yang berisi 200 mL akuades, didiamkan 24 jam pada suhu ruang. Sampel yang
telah mengembang disaring dengan saringan 400 mesh hingga tidak ada lagi air
menetes. Kapasitas absorpsi air dihitung dengan menggunakan persamaan berikut:
Kapasitas absorpsi =
W1 – W0
W0
Keterangan:
W0 : bobot polimer awal (g)
W1 : bobot polimer akhir (g)
Analisis FTIR
Sebanyak 0.01 g sampel kopolimer dicampur dengan 0.1 g KBr. Campuran
digerus sampai halus dan homogen kemudian dipanaskan dalam oven 40 °C
selama 24 jam. Campuran lalu dianalisis dengan spektrofotometer FTIR
IRPrestige–21 Shimadzu.
Uji Ketahanan Fase Diam terhadap Pelarut
Sebanyak 0.5 g sampel kopolimer dimasukkan ke dalam vial dan
ditambahkan 10 mL pelarut. Pelarut yang digunakan adalah metanol, etanol,
aseton, etil asetat, heptana, heksana, dan toluena. Campuran didiamkan selama 3 ×
24 jam sambil sesekali diaduk. Indeks bias awal dan akhir setiap campuran diukur
menggunakan refraktometer.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Kopolimerisasi Cangkok dan Taut-Silang
Isolat selulosa dimodifikasi melalui teknik kopolimerisasi cangkok dan tautsilang. Metode kopolimerisasi cangkok lazim digunakan dalam modifikasi
polimer alami maupun sintetik untuk memperoleh sifat-sifat kimia dan fisika baru
yang lebih baik. Pada kopolimerisasi cangkok, monomer ditumbuhkan pada rantai
polimer yang dijadikan tulang punggung (backbone polymer) melalui ikatan
kovalen dan bersifat tidak dapat balik. Teknik kimia sering digunakan dalam
pencangkokan, yaitu melalui pembentukan radikal bebas atau secara ionik
(Bhattacharya dan Misra 2004).
Kopolimerisasi cangkok dalam penelitian ini dilakukan melalui
pembentukan radikal bebas. Isolat selulosa dicangkok dengan monomer AAm dan
ditaut-silang dengan MBA. Proses pencangkokan diinisiasi oleh inisiator APS.
Pencangkokan-penautan-silang dilakukan secara tidak simultan karena kerangka
rantai utama selulosa berinteraksi terlebih dahulu dengan inisiator (Purwaningsih
2012). Teknik ini dipilih untuk meminimumkan pembentukan homopolimer dari
monomer AAm. Selulosa yang telah teraktifkan kemudian akan bereaksi dengan
campuran AAm dan MBA. Isolat selulosa yang digunakan berukuran 100 mesh
dengan tujuan meningkatkan luas permukaan selulosa.
Isolat selulosa mula-mula dicampurkan dengan akuades sambil dipanaskan
pada suhu 90 °C agar strukturnya mengembang sehingga tapak aktifnya
meningkat. Pencangkokan dilakukan dalam kondisi bebas oksigen dengan terus
mengalirkan gas N2 ke dalam reaktor selama proses kopolimerisasi untuk
mencegah pembentukan radikal peroksida. Radikal ini dapat menghambat reaksi
kopolimerisasi melalui pembentukan homopolimer (Kurniadi 2010). Suhu juga
harus dipantau dengan saksama karena berpengaruh terhadap laju penggabungan
rantai poliakrilamida pada tulang punggung selulosa (Silvianita et al. 2004).
Rangkaian radas sintesis dan data hasil sintesis masing-masing dapat dilihat pada
Lampiran 1 dan 2.
Reaksi kopolimerisasi berlangsung pada suhu 70 °C. Mekanisme reaksinya
terdiri atas 3 tahap, yaitu inisiasi, propagasi, dan terminasi. Reaksi diawali
pembentukan radikal bebas persulfat (SO4–·) dari inisiator APS (Gambar 1).
Radikal SO4–· terbentuk karena terurainya ion persulfat akibat pemanasan di suhu
60 °C (da Silva et al. 2007). Ikatan lemah oksigen-oksigen pada APS akan
terpecah secara homolitik membentuk radikal SO4–·. Radikal SO4–· akan
menginisiasi pembentukan makroradikal selulosa dengan cara mengambil atom
hidrogen dari gugus hidroksil (–OH) pada posisi C6, tapak paling reaktif dari
5
selulosa karena halangan steriknya yang rendah (Achmadi 1990). Pembentukan
makroradikal selulosa (Gambar 2) merupakan tahap inisiasi. Makroradikal
selulosa selanjutnya akan menyerang ikatan rangkap C=C pada monomer AAm
membentuk makroradikal selulosa-O-CH2-CH•-CONH2 (Gambar 3). Radikal C•
yang masih terdapat pada makroradikal tersebut akan menyerang kembali ikatan
rangkap pada monomer AAm lainnya secara berkelanjutan hingga membentuk
rantai cangkok poliakrilamida yang panjang (Gambar 4). Tahap ini
merupakantahap propagasi, yaitu pertumbuhan rantai poliakrilamida yang telah
tercangkok pada tulang punggung selulosa. Tahap terminasi melibatkan
pembentukan taut-s ilang antara makroradikal selulosa-g-poliakrilamida
membentuk kopolimer cangkok dan taut-silang.
Gambar 1 Pembentukan radikal sulfat dari inisiator APS
Gambar 2 Inisiasi molekul selulosa oleh APS
Gambar 3 Pembentukan makroradikal selulosa-O-CH2-CH•-CONH2
NH2
HC
NH2
O
HC
CH2
NH2
O
n H2C
HC
CH
O
H2C
H2C
O
O
O
H
O
OH
H
H
OH
NH2
O
H 2C
O
O
H
O
Gambar 4
n
CH2
O
OH
H
H
OH
Pembentukan rantai kopolimer cangkok poliakrilamida pada
selulosa (tahap propagasi)
6
Reaksi penautan-silang ini menghasilkan jejaring polimer yang
berhubungan dengan kemampuan polimer dalam menyerap air. Untuk membentuk
taut-silang, diperlukan senyawa yang sedikitnya memiliki 2 gugus fungsi. Penautsilang digunakan untuk menggabungkan 2 cabang yang sedang tumbuh pada 2
rantai polimer yang berbeda (Cowd 1991). Penaut-silang yang digunakan dalam
penelitian ini adalah MBA, yang memiliki 2 buah ikatan rangkap dalam
molekulnya. Radikal C• yang masih dalam tahap propagasi akan menyerang
ikatan rangkap C=C pada MBA sehingga terbentuk tautan-silang antarkopolimer
(Lampiran 3). Penaut-silang lainnya yang dapat digunakan adalah N,N,N’,N’tetrametilenadiamina.
Selain reaksi kopolimerisasi cangkok dan taut-silang, homopolimer juga
mungkin terbentuk. Homopolimer poliakrilamida dapat terbentuk karena
teraktifkannya monomer AAm pada tahap inisiasi oleh inisiator APS yang tidak
bereaksi dengan selulosa. Pembentukan homopolimer juga terjadi melalui tahap
inisiasi, propagasi, maupun terminasi (Gambar 5).
Gambar
5
Mekanisme pembentukan
(Purwaningsih et al. 2012)
homopolimer
poliakrilamida
Produk kopolimerisasi cangkok dan taut-silang berbentuk gel. Gel dicuci
dengan metanol dan etanol untuk menghilangkan air (Lanthong et al. 2006) serta
direfluks dengan aseton untuk menghilangkan homopolimer (Al-Karawi et al.
2011). Homopolimer yang mungkin masih tersisa pada gel dan tidak larut dalam
aseton dihilangkan dengan akuades. Produk gel setelah dikeringkan dalam oven
60 °C berbentuk bongkahan dan bertekstur keras. Produk kemudian dihaluskan
dengan mesin penggiling agar diperoleh produk halus berukuran 60–100 mesh.
7
Pengaruh Konsentrasi Penaut-Silang
Kapasitas absorpsi
Pengaruh peningkatan penaut-silang MBA diukur dari kapasitas absorpsi air
(swelling capacity) serta nilai EP dan NP. Penelitian ini menggunakan MBA
dengan konsentrasi 1.67%, 3.33%, 5.00%, dan 6.67%.
Salah satu ciri utama kopolimer cangkok adalah kapasitas absorpsi airnya,
yang dapat dipengaruhi oleh suhu, konsentrasi inisiator, konsentrasi penaut-silang
(Anah et al. 2010), dan komposisi polimer. Penaut-silang akan menghubungkan
kopolimer satu dengan kopolimer lainnya membentuk rongga 3 dimensi. Semakin
tinggi konsentrasi penaut-silang, kapasitas absorpsi air didapati semakin kecil
(Gambar 6). Semakin banyak tapak pembentukan taut-silang, pembentukan ikatan
antarrantai kopolimer juga meningkat. Hal ini menurunkan ukuran pori sehingga
ruang yang dapat diisi oleh air semakin sedikit (Chauhan dan Lal 2003; Liu et al.
2007).
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
1.67
3.33
5.00
6.67
Konsentrasi MBA (%)
Gambar 6
Kapasitas absorpsi air produk kopolimer
selulosa-g-poliakrilamida
Sampel dengan konsentrasi MBA terendah (1.67%) memiliki kapasitas
absorpsi paling besar. Hal ini menunjukkan bahwa struktur rongga pada sampel
tersebut masih kurang rapat sehingga masih mampu mengabsorpsi banyak air dan
membengkak. Pembengkakan terjadi karena meningkatnya entropi jejaring
polimer sehingga fluida dapat masuk. Fluida yang terserap sukar lepas, tetapi
polimer tidak menjadi larut oleh solvasi molekul-molekul air melalui ikatan
hidrogen karena adanya gugus ionik alami dan struktur polimer yang saling
bertautan (interconnected) (Anah et al. 2010). Hasil uji kapasitas absorpsi air
selengkapnya dapat dilihat pada Lampiran 4.
Pada konsentrasi MBA yang sama, kopolimer yang dihasilkan memiliki
kapasitas absorpsi air yang lebih rendah dibandingkan dengan kopolimer yang
menggunakan nisbah selulosa terhadap AAm 1:1 (Setyorini 2011). Kapasitas
absorpsi air kopolimer yang dihasilkan untuk MBA 3.33% adalah 1.9406 dan
MBA 5% adalah 1.8396, sedangkan yang didapat oleh Setyorini (2011) adalah
13.1560 untuk MBA 3.33% dan 10.4190 untuk MBA 5%. Kopolimer dengan
kapasitas absorpsi air yang kecil berpotensi baik untuk diaplikasikan sebagai fase
diam.
8
Nilai kadar nitrogen, NP, dan EP ditunjukkan pada Gambar 7. Kadar
nitrogen bervariasi antara 4.22 dan 5.33% dan semakin tinggi dengan
bertambahnya penaut-silang. Hal ini sesuai dengan yang dilaporkan oleh
Purwaningsih et al. (2012). Hal ini disebabkan penaut-silang MBA juga
mengandung atom nitrogen.
100
Hasil (%)
80
60
40
20
0
0
Gambar 7
2
4
Konsentrasi MBA (%)
6
Pengaruh konsentrasi penaut-silang terhadap
kadar nitrogen , nisbah pencangkokan
,
dan efisiensi pencangkokan
Berdasarkan Gambar 7, nilai NP dan EP juga semakin meningkat dengan
meningkatnya kadar nitrogen. NP menunjukkan persen pencangkokan AAm
terhadap jumlah selulosa awal, sedangkan EP menunjukkan persentase jumlah
monomer AAm yang tercangkok terhadap jumlah AAm yang ditambahkan di
awal reaksi. Menurut Borbely (2005), efisiensi pencangkokan dihambat oleh
keberadaan lignin, yaitu dengan memperlambat pembentukan makroradikal.
Efisiensi akan optimum jika kandungan lignin dalam selulosa
TEKNIK KOPOLIMERISASI CANGKOK DAN TAUTSILANG
IKA SYARIFATUN KHASANAH
DEPARTEMEN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2013
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN SUMBER
INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Sintesis Selulosa-gPoliakrilamida Melalui Teknik Kopolimerisasi Cangkok dan Taut-Silang adalah
benar karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan
dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang
berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari
penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di
bagian akhir skripsi ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut
Pertanian Bogor.
Bogor, Desember 2012
Ika Syarifatun Khasanah
NIM G44104006
ABSTRAK
IKA SYARIFATUN KHASANAH. Sintesis Selulosa-g-Poliakrilamida Melalui
Teknik Kopolimerisasi Cangkok dan Taut-Silang. Dibimbing oleh TUN TEDJA
IRAWADI dan MOHAMMAD KHOTIB.
Selulosa-g-poliakrilamida telah disintesis melalui teknik kopolimerisasi
cangkok dan taut-silang menggunakan akrilamida sebagai monomer dan N,N’metilena-bis-akrilamida sebagai penaut-silang. Sintesis dilakukan pada suhu 70
°C secara polimerisasi radikal menggunakan inisiator amonium persulfat dalam
atmosfer gas N2. Produk dicirikan dengan teknik spektroskopi inframerah untuk
melihat gugus fungsi dan teknik mikroskopi elektron pemayaran untuk melihat
morfologi permukaan. Spektrum inframerah dan mikrograf menunjukkan bahwa
kopolimerisasi cangkok dan taut-silang telah berhasil dilakukan pada isolat
selulosa. Meningkatnya konsentrasi penaut-silang menyebabkan nisbah dan
efisiensi pencangkokan meningkat, sementara kapasitas absorpsi air turun. Nisbah
dan efisiensi pencangkokan berturut-turut adalah 27.27–39.02% dan 80.78–
90.06%, sedangkan kapasitas absorpsi air berkisar antara 1.6343 dan 3.0747.
Produk modifikasi memiliki ketahanan yang baik terhadap pelarut (etil asetat,
heptana, heksana, dan toluena) serta kapasitas absorpsi air yang kecil sehingga
berpotensi untuk diaplikasikan sebagai fase diam.
Kata kunci: akrilamida, kopolimerisasi cangkok, penaut-silang, selulosa
ABSTRACT
IKA SYARIFATUN KHASANAH. Synthesis of Cellulose-g-Polyacrylamide
Through Graft and Crosslink Copolymerization. Supervised by TUN TEDJA
IRAWADI and MOHAMMAD KHOTIB.
Cellulose-g-polyacrylamide copolymer has been synthesized by graft and
crosslink copolymerization using acrylamide as monomer and N,N’-methylenebis-acrylamide as crosslinker. The synthesis was carried out at 70 °C through
radical polymerization by using ammonium persulphate as initiator under N2
atmosphere. The functional groups and morfology of the product were
characterized by using infrared spectroscopy and scanning electron microscopy,
respectively. The infrared spectra and the micrographs confirmed that graft and
crosslink copolymerization has been successfully carried out onto cellulose
isolates. Increasing crosslinker concentration increased the grafting ratio and
efficiency, while the water absorption capacity was decreased. The grafting ratio
and efficiency were 27.27–39.02% and 80.78–90.06%, respectively, while water
absorption capacity was ranged between 1.6343 and 3.0747. Modification
products have better resistance against solvents (ethyl acetate, heptane, hexane,
and toluene) and low water absorption capacity so are potencial to be applied as
stationary phase.
Keywords: acrylamide, cellulose, crosslinker, graft copolymerization
SINTESIS SELULOSA-g-POLIAKRILAMIDA MELALUI
TEKNIK KOPOLIMERISASI CANGKOK DAN TAUTSILANG
IKA SYARIFATUN KHASANAH
Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Sains
pada
Departemen Kimia
DEPARTEMEN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2013
Judul Skripsi : Sintesis Selulosa-g-Poliakrilamida Melalui Teknik Kopolimerisasi
Cangkok dan Taut-Silang
Nama
: Ika Syarifatun Khasanah
NIM
: G44104006
Disetujui oleh
Prof Dr Ir Tun Tedja Irawadi, MS
Pembimbing I
Mohammad Khotib, SSi, MSi
Pembimbing II
Diketahui oleh
Prof Dr Ir Tun Tedja Irawadi, MS
Ketua Departemen
Tanggal Lulus:
PRAKATA
Puji syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT karena atas limpahan
rahmat-Nya penulis dapat menyelesaikan karya ilmiah dengan judul “Sintesis
Selulosa-g-Poliakrilamida Melalui Teknik Kopolimerisasi Cangkok dan TautSilang”. Shalawat dan salam senantiasa tercurahkan kepada junjungan Nabi
Muhammad SAW, keluarganya, dan semoga kita semua menjadi pengikutnya
hingga akhir zaman.
Penulis mengucapkan terima kasih kepada Ibu Prof Dr Ir Tun Tedja
Irawadi, MS dan Bapak Mohammad Khotib SSi, MSi selaku pembimbing yang
senantiasa memberikan arahan, semangat, dan doa kepada penulis selama
melaksanakan penelitian. Ucapan terima kasih juga penulis sampaikan kepada Ibu
Dr Henny Purwaningsih, MSi, Bapak Drs Muhammad Farid, MSi, dan Bapak
Novriyandi Hanif, DSc yang senantiasa memberikan bimbingan, semangat, dan
doa kepada penulis. Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada kedua orang
tua, adik, dan kakak yang selalu memberikan doa, motivasi dan semangat selama
masa studi hingga penyusunan karya ilmiah ini.
Terima kasih tak terhingga penulis ucapkan kepada Kepala Laboratorium
Kimia Terpadu (LT IPB) atas fasilitas yang diberikan selama penulis melakukan
penelitian, staf LT, yaitu Indah, Baim, Adhe, Egi, dan Mas Yono atas bantuan
serta masukan selama penelitian berlangsung. Penulis juga mengucapkan terima
kasih kepada teman-teman LT (Devi, Doni, Ebta, Fudhail), Bapak Furqoni, Budi,
Bibi, dan pihak-pihak lain yang telah membantu penulis dalam menyelesaikan
penyusunan karya ilmiah ini yang tidak dapat disebutkan satu per satu tanpa
maksud mengurangi rasa terima kasih.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.
Bogor, Desember 2012
Ika Syarifatun Khasanah
DAFTAR ISI
DAFTAR GAMBAR
DAFTAR LAMPIRAN
PENDAHULUAN
BAHAN DAN METODE
Bahan dan Alat
Metode
HASIL DAN PEMBAHASAN
Kopolimerisasi Cangkok dan Taut-Silang
Pengaruh Konsentrasi Penaut-Silang
Spektrum FTIR
Mikrograf SEM
Ketahanan terhadap Pelarut
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Saran
DAFTAR PUSTAKA
RIWAYAT HIDUP
vii
vii
1
2
2
2
4
4
7
8
9
10
11
11
11
12
19
DAFTAR GAMBAR
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Pembentukan radikal sulfat dari inisiator APS
5
Inisiasi molekul selulosa oleh APS
5
Pembentukan makroradikal selulosa-O-CH2-CH•-CONH2
5
Pembentukan rantai kopolimer cangkok poliakrilamida pada selulosa (tahap
propagasi)
5
Mekanisme pembentukan homopolimer poliakrilamida
6
Kapasitas absorpsi air produk kopolimer selulosa-g-poliakrilamida
7
Pengaruh konsentrasi penaut-silang terhadap kadar nitrogen, nisbah
pencangkokan, dan efisiensi pencangkokan
8
Spektrum FTIR selulosa serabut ampas sagu, selulosa-g-poliakrilamida dengan
penaut-silang 1.67%, 3.33%, 5.00%, dan 6.67%
9
Morfologi permukaan isolat selulosa dan produk hasil modifikasipada
perbesaran 500×
10
DAFTAR LAMPIRAN
1 Reaktor pencangkokan-penautan-silang
2 Hasil pembuatan kopolimer selulosa-g-poliakrilamida
3 Hipotesis pembentukan taut-silang antara makroradikal selulosa-gpoliakrilamida dan penaut-silang MBA
4 Pengukuran kapasitas absorpsi air
5 Pengukuran kadar nitrogen, NP, dan EP
6 Indeks bias sampel kopolimer pada uji daya tahan terhadap pelarut
14
14
15
16
17
18
PENDAHULUAN
Selulosa merupakan polimer alam yang paling melimpah, biokompatibel,
dan ramah lingkungan (Song et al. 2008) karena mudah terdegradasi, tidak
beracun, serta dapat diperbarui. Selulosa belakangan ini digunakan sebagai bahan
baku alternatif dalam industri dan menyebabkan permintaan selulosa terus
meningkat. Hal ini disebabkan oleh semakin berkurangnya cadangan bahan baku
yang berasal dari sumber daya alam tak terbarukan. Meskipun demikian, selulosa
masih belum dapat dimanfaatkan di berbagai bidang karena kesukaran dalam
pemrosesan akibat adanya ikatan hidrogen intra- dan antarmolekul yang kuat pada
struktur selulosa (Song et al. 2008).
Selulosa merupakan polimer linear dari unit anhidroglukosa yang
tersambung melalui ikatan β-1,4-glukosida, dengan 3 gugus hidroksil reaktif.
Gugus hidroksil selulosa dapat dimodifikasi dengan memasukkan gugus fungsi
tertentu. Salah satu modifikasi yang dapat dilakukan adalah kopolimerisasi
cangkok dan taut-silang. Kopolimerisasi cangkok menumbuhkan monomer pada
tulang punggung polimer. Berbagai jenis polimer dapat dicangkok ke rantai
selulosa melalui gugus hidroksil pada posisi C2, C3, dan C6 (Enomoto-Rogers et
al. 2009). Modifikasi ini dapat memperbaiki sifat-sifat seperti kemampuan
menyerap air, elastisitas, kemampuan menukar ion, ketahanan terhadap panas, dan
ketahanan terhadap serangan mikrob, bergantung pada struktur kimia monomer
yang tercangkok pada selulosa (Ekebafe et al. 2008).
Beberapa kajian mengenai kopolimerisasi cangkok terhadap bahan berbasisselulosa telah dilaporkan. Chen et al. (2008) membuat polimer superabsorben
melalui pencangkokan asam akrilat pada karboksimetil selulosa. Sharma dan
Chauhan (2009) memodifikasi selulosa melalui kopolimerisasi cangkok
menggunakan monomer 2-hidroksietil-metakrilat dan beberapa komonomer.
Routray dan Tosh (2012) melakukan kopolimerisasi cangkok metil metakrilat
pada selulosa dan selulosa asetat. Kopolimer yang dihasilkan diaplikasikan
sebagai material penyerap (Bicak et al. 1999; Ekebafe 2011), dalam teknologi
pengolahan air (Chauhan dan Lal 2003), dan sebagai material dalam bidang medis
(Chen et al. 2008).
Setyorini (2011) telah memodifikasi selulosa serabut ampas sagu dengan
teknik pencangkokan dan taut-silang menggunakan monomer akrilamida (AAm)
dan penaut-silang N,N’-metilena-bis-akrilamida (MBA). Nisbah selulosa dan
AAm yang digunakan 1:1. Produk yang disintesis berhasil memisahkan xantorizol
dari ekstrak temu lawak.
Pada penelitian ini AAm dicangkok ke selulosa serabut ampas sagu dengan
nisbah selulosa terhadap AAm 3:1. Tujuannya agar serabut ampas sagu yang
mengandung komponen selulosa lebih banyak termanfaatkan sehingga dapat
mengatasi masalah lingkungan. Produk yang dihasilkan juga diharapkan memiliki
kapasitas absorpsi air yang lebih kecil dan ketahanan yang lebih baik terhadap
pelarut bila dibandingkan dengan penggunaan nisbah 1:1 sehingga berpotensi
dijadikan sebagai fase diam kromatografi kolom. Penelitian ini juga dilakukan
dengan meragamkan konsentrasi penaut-silang MBA untuk mengetahui
pengaruhnya terhadap kemampuan produk dalam menyerap air. Nisbah
pencangkokan dan efisiensi pencangkokan ditentukan. Produk juga dicirikan
dengan menggunakan spektrofotometer inframerah transformasi Fourier (FTIR)
dan mikroskopi elektron pemayaran (SEM).
BAHAN DAN METODE
Bahan dan Alat
Bahan-bahan yang digunakan adalah isolat selulosa dari serabut ampas sagu
(Laboratorium Terpadu, IPB), AAm, amonium persulfat (APS), dan MBA p.a
(Merck), gas N2 (BOC), metanol, etanol, aseton, heptana, heksana, dan toluena p.a
(Smart), etil asetat p.a (J.T. Baker), serta bahan kimia untuk analisis kadar
nitrogen.
Alat-alat yang digunakan adalah spektrofotometer FTIR IRPrestige–21
Shimadzu, SEM Carl Zeiss EVO 50-50-87 (Puslitbang Hutan Bogor),
refraktometer Abbè, radas reaktor sintesis, mantel pemanas, radas refluks, radas
kjeldahl, shaker, neraca analitik, mesin penggiling, dan peralatan kaca.
Metode
Sintesis Selulosa-g-Poliakrilamida (Liang et al. 2009)
Isolat selulosa dimasukkan ke dalam labu leher tiga sebanyak 22.5 g lalu
ditambah 150 mL akuades dan dipanaskan ke 90 °C sambil diaduk dengan
kecepatan 200 rpm. Setelah mencapai suhu 90 °C, gas nitrogen dialirkan ke dalam
reaktor sintesis dan suhu dijaga konstan selama 30 menit. Setelah 30 menit, suhu
diturunkan sampai kira-kira 60–65 °C. Larutan APS (0.25 g APS dalam 12.5 mL
akuades) dimasukkan dengan suhu dijaga konstan selama 15 menit, dilanjutkan
campuran MBA dan 7.5 g AAm yang dilarutkan dalam 200 mL akuades
ditambahkan dengan kecepatan 2–3 tetes/detik. Jumlah MBA divariasikan 0.5,
1.0, 1.5 dan 2.0 g. Setelah semua pereaksi dimasukkan, suhu dinaikkan menjadi
70 °C dan dijaga konstan selama 3 jam hingga terbentuk gel.
Pencucian Gel (Liang et al. 2009)
Gel selulosa-g-poliakrilamida yang telah didinginkan ditambahkan 150 mL
metanol lalu diaduk dengan kecepatan 200 rpm. Setelah 30 menit, ditambahkan
150 mL etanol dan diaduk cepat dengan kecepatan 300–400 rpm selama 5 menit.
Campuran didiamkan 30 menit, lalu gel dipisahkan dari cairan alkohol, dipotong
kecil-kecil, dan direfluks dengan 200 mL aseton pada suhu 70 °C selama 1 jam.
Gel dipisahkan dari aseton kemudian dicuci dengan akuades. Setelah disaring,
sampel gel dikeringkan dalam oven bersuhu 60 °C hingga mencapai bobot
konstan dan dihaluskan dengan mesin penggiling.
Pencirian Kopolimer Selulosa-g-Poliakrilamida
Gel kopolimer dicirikan untuk mengetahui perubahan sifat fisik dan
kimianya. Daya absorpsi air ditentukan dengan uji kapasitas absorpsi air, serapan
gugus fungsi ditentukan dengan spektrofotometer FTIR, morfologi permukaan
dianalisis dengan SEM, nisbah dan efisiensi pencangkokan-penautan-silang
3
(NP dan EP) ditentukan dengan analisis kadar nitrogen metode Kjeldahl. Berikut
adalah persamaan yang digunakan:
NP % =
100% [N(%) × (BM AAm/BA N)]
100% – [N(%) × (BM AAm/BA N)]
EP % =
% N percobaan
× 100%
% N teoretis
Uji Kadar Nitrogen (Metode Kjeldahl)
Sebanyak 0.1 g sampel kopolimer dan 2 g selen dimasukkan ke dalam labu
kjeldahl kemudian ditambahkan 10 mL H2SO4 pekat. Sampel didestruksi dengan
cara dipanaskan di atas pembakar bunsen sampai berwarna hijau kekuningan dan
tidak ada lagi asap putih yang terbentuk, lalu didinginkan. Radas distilasi
dirangkai dan sebagai penampung gas NH3 disiapkan 20 mL asam borat 2% yang
ditambahkan indikator hijau bromkresol dan merah metil. Larutan hasil destruksi
dipindahkan ke dalam labu kjeldahl 500 mL, dibilas dengan 150 mL akuades, lalu
ditambahkan batu didih dan 50 mL NaOH 40%. Larutan kemudian didistilasi
dengan cara dipanaskan di atas pembakar bunsen. Setelah distilasi selesai, distilat
dititrasi dengan HCl 0.1 N hingga terbentuk warna merah. Kadar nitrogen
dihitung menggunakan persamaan berikut:
N (%) =
(V1 – V0) × NHCl × BEN
× 100%
W
Keterangan:
(V1-V0) : Volume HCl terpakai (mL)
NHCl : Normalitas HCl (mek/mL)
BEN : Bobot ekuivalen N (14.007 mg/mek)
W
: Bobot sampel (mg)
Kapasitas Absorpsi Air (Liu et al. 2007)
Sebanyak 0.1 g sampel kopolimer dimasukkan ke dalam wadah bertutup
yang berisi 200 mL akuades, didiamkan 24 jam pada suhu ruang. Sampel yang
telah mengembang disaring dengan saringan 400 mesh hingga tidak ada lagi air
menetes. Kapasitas absorpsi air dihitung dengan menggunakan persamaan berikut:
Kapasitas absorpsi =
W1 – W0
W0
Keterangan:
W0 : bobot polimer awal (g)
W1 : bobot polimer akhir (g)
Analisis FTIR
Sebanyak 0.01 g sampel kopolimer dicampur dengan 0.1 g KBr. Campuran
digerus sampai halus dan homogen kemudian dipanaskan dalam oven 40 °C
selama 24 jam. Campuran lalu dianalisis dengan spektrofotometer FTIR
IRPrestige–21 Shimadzu.
Uji Ketahanan Fase Diam terhadap Pelarut
Sebanyak 0.5 g sampel kopolimer dimasukkan ke dalam vial dan
ditambahkan 10 mL pelarut. Pelarut yang digunakan adalah metanol, etanol,
aseton, etil asetat, heptana, heksana, dan toluena. Campuran didiamkan selama 3 ×
24 jam sambil sesekali diaduk. Indeks bias awal dan akhir setiap campuran diukur
menggunakan refraktometer.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Kopolimerisasi Cangkok dan Taut-Silang
Isolat selulosa dimodifikasi melalui teknik kopolimerisasi cangkok dan tautsilang. Metode kopolimerisasi cangkok lazim digunakan dalam modifikasi
polimer alami maupun sintetik untuk memperoleh sifat-sifat kimia dan fisika baru
yang lebih baik. Pada kopolimerisasi cangkok, monomer ditumbuhkan pada rantai
polimer yang dijadikan tulang punggung (backbone polymer) melalui ikatan
kovalen dan bersifat tidak dapat balik. Teknik kimia sering digunakan dalam
pencangkokan, yaitu melalui pembentukan radikal bebas atau secara ionik
(Bhattacharya dan Misra 2004).
Kopolimerisasi cangkok dalam penelitian ini dilakukan melalui
pembentukan radikal bebas. Isolat selulosa dicangkok dengan monomer AAm dan
ditaut-silang dengan MBA. Proses pencangkokan diinisiasi oleh inisiator APS.
Pencangkokan-penautan-silang dilakukan secara tidak simultan karena kerangka
rantai utama selulosa berinteraksi terlebih dahulu dengan inisiator (Purwaningsih
2012). Teknik ini dipilih untuk meminimumkan pembentukan homopolimer dari
monomer AAm. Selulosa yang telah teraktifkan kemudian akan bereaksi dengan
campuran AAm dan MBA. Isolat selulosa yang digunakan berukuran 100 mesh
dengan tujuan meningkatkan luas permukaan selulosa.
Isolat selulosa mula-mula dicampurkan dengan akuades sambil dipanaskan
pada suhu 90 °C agar strukturnya mengembang sehingga tapak aktifnya
meningkat. Pencangkokan dilakukan dalam kondisi bebas oksigen dengan terus
mengalirkan gas N2 ke dalam reaktor selama proses kopolimerisasi untuk
mencegah pembentukan radikal peroksida. Radikal ini dapat menghambat reaksi
kopolimerisasi melalui pembentukan homopolimer (Kurniadi 2010). Suhu juga
harus dipantau dengan saksama karena berpengaruh terhadap laju penggabungan
rantai poliakrilamida pada tulang punggung selulosa (Silvianita et al. 2004).
Rangkaian radas sintesis dan data hasil sintesis masing-masing dapat dilihat pada
Lampiran 1 dan 2.
Reaksi kopolimerisasi berlangsung pada suhu 70 °C. Mekanisme reaksinya
terdiri atas 3 tahap, yaitu inisiasi, propagasi, dan terminasi. Reaksi diawali
pembentukan radikal bebas persulfat (SO4–·) dari inisiator APS (Gambar 1).
Radikal SO4–· terbentuk karena terurainya ion persulfat akibat pemanasan di suhu
60 °C (da Silva et al. 2007). Ikatan lemah oksigen-oksigen pada APS akan
terpecah secara homolitik membentuk radikal SO4–·. Radikal SO4–· akan
menginisiasi pembentukan makroradikal selulosa dengan cara mengambil atom
hidrogen dari gugus hidroksil (–OH) pada posisi C6, tapak paling reaktif dari
5
selulosa karena halangan steriknya yang rendah (Achmadi 1990). Pembentukan
makroradikal selulosa (Gambar 2) merupakan tahap inisiasi. Makroradikal
selulosa selanjutnya akan menyerang ikatan rangkap C=C pada monomer AAm
membentuk makroradikal selulosa-O-CH2-CH•-CONH2 (Gambar 3). Radikal C•
yang masih terdapat pada makroradikal tersebut akan menyerang kembali ikatan
rangkap pada monomer AAm lainnya secara berkelanjutan hingga membentuk
rantai cangkok poliakrilamida yang panjang (Gambar 4). Tahap ini
merupakantahap propagasi, yaitu pertumbuhan rantai poliakrilamida yang telah
tercangkok pada tulang punggung selulosa. Tahap terminasi melibatkan
pembentukan taut-s ilang antara makroradikal selulosa-g-poliakrilamida
membentuk kopolimer cangkok dan taut-silang.
Gambar 1 Pembentukan radikal sulfat dari inisiator APS
Gambar 2 Inisiasi molekul selulosa oleh APS
Gambar 3 Pembentukan makroradikal selulosa-O-CH2-CH•-CONH2
NH2
HC
NH2
O
HC
CH2
NH2
O
n H2C
HC
CH
O
H2C
H2C
O
O
O
H
O
OH
H
H
OH
NH2
O
H 2C
O
O
H
O
Gambar 4
n
CH2
O
OH
H
H
OH
Pembentukan rantai kopolimer cangkok poliakrilamida pada
selulosa (tahap propagasi)
6
Reaksi penautan-silang ini menghasilkan jejaring polimer yang
berhubungan dengan kemampuan polimer dalam menyerap air. Untuk membentuk
taut-silang, diperlukan senyawa yang sedikitnya memiliki 2 gugus fungsi. Penautsilang digunakan untuk menggabungkan 2 cabang yang sedang tumbuh pada 2
rantai polimer yang berbeda (Cowd 1991). Penaut-silang yang digunakan dalam
penelitian ini adalah MBA, yang memiliki 2 buah ikatan rangkap dalam
molekulnya. Radikal C• yang masih dalam tahap propagasi akan menyerang
ikatan rangkap C=C pada MBA sehingga terbentuk tautan-silang antarkopolimer
(Lampiran 3). Penaut-silang lainnya yang dapat digunakan adalah N,N,N’,N’tetrametilenadiamina.
Selain reaksi kopolimerisasi cangkok dan taut-silang, homopolimer juga
mungkin terbentuk. Homopolimer poliakrilamida dapat terbentuk karena
teraktifkannya monomer AAm pada tahap inisiasi oleh inisiator APS yang tidak
bereaksi dengan selulosa. Pembentukan homopolimer juga terjadi melalui tahap
inisiasi, propagasi, maupun terminasi (Gambar 5).
Gambar
5
Mekanisme pembentukan
(Purwaningsih et al. 2012)
homopolimer
poliakrilamida
Produk kopolimerisasi cangkok dan taut-silang berbentuk gel. Gel dicuci
dengan metanol dan etanol untuk menghilangkan air (Lanthong et al. 2006) serta
direfluks dengan aseton untuk menghilangkan homopolimer (Al-Karawi et al.
2011). Homopolimer yang mungkin masih tersisa pada gel dan tidak larut dalam
aseton dihilangkan dengan akuades. Produk gel setelah dikeringkan dalam oven
60 °C berbentuk bongkahan dan bertekstur keras. Produk kemudian dihaluskan
dengan mesin penggiling agar diperoleh produk halus berukuran 60–100 mesh.
7
Pengaruh Konsentrasi Penaut-Silang
Kapasitas absorpsi
Pengaruh peningkatan penaut-silang MBA diukur dari kapasitas absorpsi air
(swelling capacity) serta nilai EP dan NP. Penelitian ini menggunakan MBA
dengan konsentrasi 1.67%, 3.33%, 5.00%, dan 6.67%.
Salah satu ciri utama kopolimer cangkok adalah kapasitas absorpsi airnya,
yang dapat dipengaruhi oleh suhu, konsentrasi inisiator, konsentrasi penaut-silang
(Anah et al. 2010), dan komposisi polimer. Penaut-silang akan menghubungkan
kopolimer satu dengan kopolimer lainnya membentuk rongga 3 dimensi. Semakin
tinggi konsentrasi penaut-silang, kapasitas absorpsi air didapati semakin kecil
(Gambar 6). Semakin banyak tapak pembentukan taut-silang, pembentukan ikatan
antarrantai kopolimer juga meningkat. Hal ini menurunkan ukuran pori sehingga
ruang yang dapat diisi oleh air semakin sedikit (Chauhan dan Lal 2003; Liu et al.
2007).
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
1.67
3.33
5.00
6.67
Konsentrasi MBA (%)
Gambar 6
Kapasitas absorpsi air produk kopolimer
selulosa-g-poliakrilamida
Sampel dengan konsentrasi MBA terendah (1.67%) memiliki kapasitas
absorpsi paling besar. Hal ini menunjukkan bahwa struktur rongga pada sampel
tersebut masih kurang rapat sehingga masih mampu mengabsorpsi banyak air dan
membengkak. Pembengkakan terjadi karena meningkatnya entropi jejaring
polimer sehingga fluida dapat masuk. Fluida yang terserap sukar lepas, tetapi
polimer tidak menjadi larut oleh solvasi molekul-molekul air melalui ikatan
hidrogen karena adanya gugus ionik alami dan struktur polimer yang saling
bertautan (interconnected) (Anah et al. 2010). Hasil uji kapasitas absorpsi air
selengkapnya dapat dilihat pada Lampiran 4.
Pada konsentrasi MBA yang sama, kopolimer yang dihasilkan memiliki
kapasitas absorpsi air yang lebih rendah dibandingkan dengan kopolimer yang
menggunakan nisbah selulosa terhadap AAm 1:1 (Setyorini 2011). Kapasitas
absorpsi air kopolimer yang dihasilkan untuk MBA 3.33% adalah 1.9406 dan
MBA 5% adalah 1.8396, sedangkan yang didapat oleh Setyorini (2011) adalah
13.1560 untuk MBA 3.33% dan 10.4190 untuk MBA 5%. Kopolimer dengan
kapasitas absorpsi air yang kecil berpotensi baik untuk diaplikasikan sebagai fase
diam.
8
Nilai kadar nitrogen, NP, dan EP ditunjukkan pada Gambar 7. Kadar
nitrogen bervariasi antara 4.22 dan 5.33% dan semakin tinggi dengan
bertambahnya penaut-silang. Hal ini sesuai dengan yang dilaporkan oleh
Purwaningsih et al. (2012). Hal ini disebabkan penaut-silang MBA juga
mengandung atom nitrogen.
100
Hasil (%)
80
60
40
20
0
0
Gambar 7
2
4
Konsentrasi MBA (%)
6
Pengaruh konsentrasi penaut-silang terhadap
kadar nitrogen , nisbah pencangkokan
,
dan efisiensi pencangkokan
Berdasarkan Gambar 7, nilai NP dan EP juga semakin meningkat dengan
meningkatnya kadar nitrogen. NP menunjukkan persen pencangkokan AAm
terhadap jumlah selulosa awal, sedangkan EP menunjukkan persentase jumlah
monomer AAm yang tercangkok terhadap jumlah AAm yang ditambahkan di
awal reaksi. Menurut Borbely (2005), efisiensi pencangkokan dihambat oleh
keberadaan lignin, yaitu dengan memperlambat pembentukan makroradikal.
Efisiensi akan optimum jika kandungan lignin dalam selulosa