STUDI PENDAHULUAN KOPOLIMERISASI CANGKOK 4-VINIL PIRIDIN DAN GLISIDIL METAKRILAT PADA FILM POLIETILEN DENGAN TEKNIK RADIASI SINAR GAMMA DAN KARAKTERISASINYA
ABSTRAK
STUDI PENDAHULUAN
KOPOLIMERISASI CANGKOK 4-VINIL PIRIDIN DAN GLISIDIL
METAKRILAT PADA FILM POLIETILEN DENGAN TEKNIK RADIASI
SINAR GAMMA DAN KARAKTERISASINYA
Oleh
Vonny Apriati
Pada penelitian ini telah dipelajari fungsionalisasi polietilen dengan
pencangkokan (grafting) 4-Vinil Piridin (4-VP) dan Glisidil Metakrilat (GMA)
dengan bantuan sinar gamma sebagai inisiator. Penelitian ini bertujuan untuk
mendapatkan polietilen yang memiliki sifat yang dimiliki gugus piridin pada 4VP
dan gugus epoksi pada GMA. Polietilen dipilih karena penggunaanya sangat luas
antara lain sebagai bahan dasar pembuatan film, pipa dan plastik yang telah
digunakan untuk berbagai macam keperluan mulai dari alat rumah tangga sampai
keperluan industri seperti bahan pengemas makanan dan minuman terutama
minuman botol. Penelitian yang dilakukan terdiri dari empat tahap yakni
pemurnian polietilen, radiasi sinar gamma, pencangkokan (grafting) 4-VP dan
GMA ke permukaan polietilen radikal dan uji aktivitas polietilen tercangkok 4-VP
(PE-g-4VP) dan GMA (PE-g-GMA). Pada tahap pencangkokan dipelajari dosis
radiasi, konsentrasi monomer, waktu reaksi dan jenis pelarut. Uji aktivitas yang
dilakukan meliputi uji swelling dan uji anti bakteri. Karakterisasi sampel
polietilen (PE), PE-g-4VP dan PE-g-GMA-aminasi dilakukan dengan IR, SEM
dan XRD. Hasil penelitian menunjukkan bahwa tahap pencangkokan PE-g-4VP
dapat berlangsung optimum pada kondisi reaksi: dosis radiasi 30 kGy, konsentrasi
monomer 4-VP 10% (v/v), waktu 5 jam dan pelarut metanol 20% dalam aquades
sedangkan pencangkokan PE-g-GMA dapat berlangsung optimum pada kondisi:
konsentrasi monomer 10%, waktu 4 jam dan pelarut aquades. Konsentrasi
Etilendiamin optimum pada 5M. Hasil uji aktivitas menunjukan bahwa PE-g-4VP
memiliki persen swelling lebih tinggi dalam pelarut air sedangkan PE-g-GMAaminasi pada pelarut metanol.
Selain itu, PE-g-4VP dan PE-g-GMA
memperlihatkan kemampuan dalam menghambat pertumbuhan bakteri. Dari hasil
yang diperoleh dapat disimpulkan bahwa PE dapat difungsionalisasi dengan
pencangkokan 4-VP dan GMA.
I. PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Dewasa ini modifikasi sifat polimer telah banyak dikembangkan dalam
berbagai industri maupun lembaga penelitian. Hal ini merupakan salah satu
upaya untuk mencari alternatif lain sehingga dihasilkan polimer baru yang
lebih bermanfaat dan ekonomis dengan sifat-sifat unggul (Chan, 1994). Salah
satu polimer yang penggunaanya sangat luas adalah polietilen (PE) yang
merupakan bahan dasar pembuatan film, pipa dan plastik yang telah
digunakan untuk berbagai macam keperluan mulai dari alat rumah tangga
sampai keperluan industri seperti bahan pengemas makanan dan minuman
terutama minuman botol (Stevens, 2001) serta dalam perangkat medis (Kang
et al., 1999; Huang et al.,2003). Hal ini disebabkan PE mempunyai sifat yang
tahan terhadap zat kimia dan daya bentur yang baik, mudah dibentuk dan
dicetak, ringan dan biaya produksinya murah serta dapat digunakan sebagai
pengemas bahan makanan (Peacock, 2000).
Secara alami PE memiliki kemampuan dalam mengadsorpsi protein, sehingga
permukaannya merupakan media yang baik bagi pertumbuhan bakteri yang
dapat berpengaruh terhadap bahan yang dikemas sehingga dapat menimbulkan
masalah baru bagi kesehatan masyarakat. Untuk itu, perlu dikembangkan
2
suatu metode untuk memodifikasi permukaan polietilen sehingga mampu
memenuhi persyaratan dalam pemanfaatannya sebagai bahan pengemas
antibakterial.
Beberapa upaya yang telah dilakukan untuk mencegah kontaminasi bakteri
adalah dengan melapisi bahan antibakteri pada permukaan polimer baik
melalui ikatan kovalen atau non kovalen (leaching) (Lee et al., 2004), dan
metode curah yaitu dengan memberikan bahan antibakteri pada permukaan
polimer secara langsung. Namun kedua metode tersebut memiliki kelemahan
yaitu permukaan akan semakin tidak efektif dan daya antibakterinya akan
berkurang seiring dengan waktu. Salah satu metode modifikasi polimer yang
sedang dikembangkan adalah metode pencangkokan/penempelan yang
diketahui efisien untuk memodifikasi dan membuat polimer memiliki sifat
yang dinginkan dalam pemanfaatannya (Nakajima et al., 2000).
Kelebihan metode pencangkokan ini adalah polimer dapat dimodifikasi
berdasarkan sifat yang dimiliki monomer yang terikat secara kovalen ke
polimer substrat tanpa mempengaruhi struktur dasar polimer induk. Kunci
utama untuk melakukan kopolimerisasi cangkok adalah dengan membentuk
pusat aktif pada permukaan suatu polimer sebagai tahap inisiasi
kopolimerisasi cangkok. Kopolimerisasi cangkok dapat diinisiasi oleh sinar
ultraviolet (Irwan et al., 2002), plasma (Yamaguchi et al., 1986), korona
(Macmanus et al., 1999) ataupun sinar gamma (γ) (Irwan et al., 2001). Reaksi
kopolimerisasi cangkok yang diinisiasi oleh sinar-γ telah digunakan untuk
modifikasi beberapa substrat polimer seperti selulosa (Hassanpour et al.,
3
1998), polipropilen (PP) (Yulita et al., 1995), polietilen tereftalat (PET) (Hu et
al.,2002) dan kitosan (Sukmawati, 2007).
Dalam penelitian ini dilakukan kopolimerisasi cangkok monomer hidrofilik
yaitu 4-vinil piridin dan monomer hidrofob GMA. Gugus piridin dari
senyawa 4-vinil piridin bersifat reaktif, dapat membentuk kompleks dengan
ion tembaga, mangan, besi, nikel, kadmium, dan timbal (El-sayed et al.,
1997). Penelitian lainnya melaporkan bahwa 4-vinil piridin memiliki
kemampuan dalam menghambat pertumbuhan mikroorganisme (Juan et al.,
2000; Tiller et al., 2002; Cen et al.,2004). Kopolimerisasi cangkok juga telah
dimanfaatkan sebagai metode untuk menempelkan sifat 4-vinil piridin tersebut
kedalam suatu polimer. Glisidil metakrilat merupakan suatu monomer yang
sangat unik karena memiliki dua gugus fungsi yaitu ikatan rangkap yang dapat
bereaksi cepat dengan radikal bebas dan gugus epoksi yang dapat berikatan
secara cepat dengan sejumlah gugus yaitu karboksil (Zou et al., 2001),
hidroksil (Kim et al., 1991), posfat (Pesneau et al., 2004), amina (Yu and Ryu,
1999) dan lainnya (Choi et al., 2003). Aminasi gugus epoksi dari GMA
diharapkan menghasilkan epoksi teraminasi yang dapat digunakan sebagai
penghambat pertumbuhan bakteri sesuai dengan sifat 4-vinil piridin.
Dalam penelitian ini, monomer 4-VP dan GMA akan dikopolimerisasi
cangkok ke film PE. Reaksi kopolimerisasi cangkok diawali dengan inisiasi
menggunakan sinar gamma untuk membentuk pusat aktif berupa radikal bebas
pada PE. Pusat aktif ini kemudian diharapkan dapat menginisiasi reaksi
kopolimerisasi grafting 4-VP dan GMA, sehingga diperoleh PE tercangkok
4
4-VP dan GMA. Rantai cabang dari 4-VP dan GMA yang telah terikat dalam
PE akan diuji aktivitasnya sebagai antibakteri dengan menggunakan bakteri E.
coli (gram negatif) dan S. Aerus (gram positif) dengan metode difusi agar.
Hasil reaksi kopolimerisasi cangkok 4-vinil piridin dan glisidil metakrilat
dikarakterisasi gugus fungsinya dengan spektroskopi inframerah (FT-IR),
morfologi permukaannya dengan Scanning Electron Microscope (SEM) serta
kekristalannya dengan difraksi sinar X (XRD).
B. Tujuan Penelitian
Sesuai dengan masalah yang dirumuskan di atas, penelitian ini diajukan
dengan tujuan:
1. Mengetahui kondisi kopolimerisasi cangkok yakni konsentrasi monomer,
pelarut, waktu reaksi dan dosis radiasi yang optimum untuk mencangkok
4-VP dan GMA pada film polietilen yang telah
diradiasi sinar gamma.
2. Mengetahui reaktifitas kopolimer PE tercangkok GMA (PE-g-GMA)
terhadap etilendiamin.
3. Mengetahui aktivitas kopolimer 4-VP dan GMA teraminasi yang terikat
pada PE terhadap bakteri patogen perairan seperti Escherichia coli dan
Staphylococcus aureus.
5
C. Manfaat Penelitian
Penelitian ini diharapkan dapat memberikan informasi ilmiah guna
pengembangan modifikasi polietilen dengan 4-Vinil Piridin dan Glisidil
Metakrilat serta mendapatkan bahan pengemas dari polietilen yang mampu
menghambat pertumbuhan bakteri patogen seperti E. Coli dan S.aureus.
96
V. KESIMPULAN DAN SARAN
A. Kesimpulan
Berdasarkan hasil penelitian yang telah dilakukan, dapat ditarik beberapa
kesimpulan sebagai berikut:
1. Polietilen dapat difungsionalisasi dengan gugus piridin dari monomer 4Vinil Piridin dan gugus epoksi dari glisidil metakrilat menggunakan
inisiator sinar gamma.
2. Polietilen teradiasi sinar gamma menunjukan reaktivitas terhadap 4-Vinil
Piridin dan reaksi berlangsung optimum pada kondisi: dosis radiasi sinar
gamma 30 kGy, konsentrasi monomer 4-Vinil Piridin 10% (v/v), waktu
polimerisasi 5 jam serta pelarut metanol 20% dalam aquades.
3. Polietilen teradiasi sinar gamma menunjukan reaktivitas terhadap glisidil
metakrilat dan reaksi berlangsung optimum pada kondisi reaksi; dosis
radiasi 30 kGy, konsentrasi monomer glisidil metakrilat 10% (v/v), waktu
polimerisasi 4 jam menggunakan pelarut aquades.
4. Pengikatan gugus NH2 dari etilendiamin pada film polietilen dapat
dilakukan dengan memanfaatkan gugus epoksi dari glisidil metakrilat yang
tergrafting pada permukaan polietilen.
97
5. 4-Vinil Piridin dan glisidil metakrilat teraminasi yang terikat pada
polietilen mempunyai aktivitas antibakteri terhadap Escherichia coli dan
Staphylococcus aureus.
6. Uji aktivitas antibakteri menggunakan metode difusi agar menunjukkan
PE-g-4VP memiliki aktivitas antibakteri yang lebih tinggi dibandingkan
PE-g-GMA-En terhadap bakeri Escherichia coli dan Staphylococcus
aureus.
7. PE tercangkok 4-Vinil Piridin dan PE tercangkok glisidil metakrilat
teraminasi memiliki aktivitas antibakteri yang lebih tinggi terhadap bakteri
Staphylococcus aureus dibandingkan Escherichia coli.
B. Saran
Untuk pengembangan penelitian lebih lanjut, penulis memberikan saran sebagai
berikut:
1. Perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mengetahui kemampuan
antibakteri dari PE-g-4VP terhadap beberapa bakteri gram positif dan
gram negatif yang lainnya.
2. Perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mengetahui sifat antibakteri
dari turunan piridin lainnya seperti 3-Vinil Piridin dan 2-Vinil Piridin.
STUDI PENDAHULUAN
KOPOLIMERISASI CANGKOK 4-VINIL PIRIDIN DAN GLISIDIL
METAKRILAT PADA FILM POLIETILEN DENGAN TEKNIK RADIASI
SINAR GAMMA DAN KARAKTERISASINYA
Oleh
Vonny Apriati
Pada penelitian ini telah dipelajari fungsionalisasi polietilen dengan
pencangkokan (grafting) 4-Vinil Piridin (4-VP) dan Glisidil Metakrilat (GMA)
dengan bantuan sinar gamma sebagai inisiator. Penelitian ini bertujuan untuk
mendapatkan polietilen yang memiliki sifat yang dimiliki gugus piridin pada 4VP
dan gugus epoksi pada GMA. Polietilen dipilih karena penggunaanya sangat luas
antara lain sebagai bahan dasar pembuatan film, pipa dan plastik yang telah
digunakan untuk berbagai macam keperluan mulai dari alat rumah tangga sampai
keperluan industri seperti bahan pengemas makanan dan minuman terutama
minuman botol. Penelitian yang dilakukan terdiri dari empat tahap yakni
pemurnian polietilen, radiasi sinar gamma, pencangkokan (grafting) 4-VP dan
GMA ke permukaan polietilen radikal dan uji aktivitas polietilen tercangkok 4-VP
(PE-g-4VP) dan GMA (PE-g-GMA). Pada tahap pencangkokan dipelajari dosis
radiasi, konsentrasi monomer, waktu reaksi dan jenis pelarut. Uji aktivitas yang
dilakukan meliputi uji swelling dan uji anti bakteri. Karakterisasi sampel
polietilen (PE), PE-g-4VP dan PE-g-GMA-aminasi dilakukan dengan IR, SEM
dan XRD. Hasil penelitian menunjukkan bahwa tahap pencangkokan PE-g-4VP
dapat berlangsung optimum pada kondisi reaksi: dosis radiasi 30 kGy, konsentrasi
monomer 4-VP 10% (v/v), waktu 5 jam dan pelarut metanol 20% dalam aquades
sedangkan pencangkokan PE-g-GMA dapat berlangsung optimum pada kondisi:
konsentrasi monomer 10%, waktu 4 jam dan pelarut aquades. Konsentrasi
Etilendiamin optimum pada 5M. Hasil uji aktivitas menunjukan bahwa PE-g-4VP
memiliki persen swelling lebih tinggi dalam pelarut air sedangkan PE-g-GMAaminasi pada pelarut metanol.
Selain itu, PE-g-4VP dan PE-g-GMA
memperlihatkan kemampuan dalam menghambat pertumbuhan bakteri. Dari hasil
yang diperoleh dapat disimpulkan bahwa PE dapat difungsionalisasi dengan
pencangkokan 4-VP dan GMA.
I. PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Dewasa ini modifikasi sifat polimer telah banyak dikembangkan dalam
berbagai industri maupun lembaga penelitian. Hal ini merupakan salah satu
upaya untuk mencari alternatif lain sehingga dihasilkan polimer baru yang
lebih bermanfaat dan ekonomis dengan sifat-sifat unggul (Chan, 1994). Salah
satu polimer yang penggunaanya sangat luas adalah polietilen (PE) yang
merupakan bahan dasar pembuatan film, pipa dan plastik yang telah
digunakan untuk berbagai macam keperluan mulai dari alat rumah tangga
sampai keperluan industri seperti bahan pengemas makanan dan minuman
terutama minuman botol (Stevens, 2001) serta dalam perangkat medis (Kang
et al., 1999; Huang et al.,2003). Hal ini disebabkan PE mempunyai sifat yang
tahan terhadap zat kimia dan daya bentur yang baik, mudah dibentuk dan
dicetak, ringan dan biaya produksinya murah serta dapat digunakan sebagai
pengemas bahan makanan (Peacock, 2000).
Secara alami PE memiliki kemampuan dalam mengadsorpsi protein, sehingga
permukaannya merupakan media yang baik bagi pertumbuhan bakteri yang
dapat berpengaruh terhadap bahan yang dikemas sehingga dapat menimbulkan
masalah baru bagi kesehatan masyarakat. Untuk itu, perlu dikembangkan
2
suatu metode untuk memodifikasi permukaan polietilen sehingga mampu
memenuhi persyaratan dalam pemanfaatannya sebagai bahan pengemas
antibakterial.
Beberapa upaya yang telah dilakukan untuk mencegah kontaminasi bakteri
adalah dengan melapisi bahan antibakteri pada permukaan polimer baik
melalui ikatan kovalen atau non kovalen (leaching) (Lee et al., 2004), dan
metode curah yaitu dengan memberikan bahan antibakteri pada permukaan
polimer secara langsung. Namun kedua metode tersebut memiliki kelemahan
yaitu permukaan akan semakin tidak efektif dan daya antibakterinya akan
berkurang seiring dengan waktu. Salah satu metode modifikasi polimer yang
sedang dikembangkan adalah metode pencangkokan/penempelan yang
diketahui efisien untuk memodifikasi dan membuat polimer memiliki sifat
yang dinginkan dalam pemanfaatannya (Nakajima et al., 2000).
Kelebihan metode pencangkokan ini adalah polimer dapat dimodifikasi
berdasarkan sifat yang dimiliki monomer yang terikat secara kovalen ke
polimer substrat tanpa mempengaruhi struktur dasar polimer induk. Kunci
utama untuk melakukan kopolimerisasi cangkok adalah dengan membentuk
pusat aktif pada permukaan suatu polimer sebagai tahap inisiasi
kopolimerisasi cangkok. Kopolimerisasi cangkok dapat diinisiasi oleh sinar
ultraviolet (Irwan et al., 2002), plasma (Yamaguchi et al., 1986), korona
(Macmanus et al., 1999) ataupun sinar gamma (γ) (Irwan et al., 2001). Reaksi
kopolimerisasi cangkok yang diinisiasi oleh sinar-γ telah digunakan untuk
modifikasi beberapa substrat polimer seperti selulosa (Hassanpour et al.,
3
1998), polipropilen (PP) (Yulita et al., 1995), polietilen tereftalat (PET) (Hu et
al.,2002) dan kitosan (Sukmawati, 2007).
Dalam penelitian ini dilakukan kopolimerisasi cangkok monomer hidrofilik
yaitu 4-vinil piridin dan monomer hidrofob GMA. Gugus piridin dari
senyawa 4-vinil piridin bersifat reaktif, dapat membentuk kompleks dengan
ion tembaga, mangan, besi, nikel, kadmium, dan timbal (El-sayed et al.,
1997). Penelitian lainnya melaporkan bahwa 4-vinil piridin memiliki
kemampuan dalam menghambat pertumbuhan mikroorganisme (Juan et al.,
2000; Tiller et al., 2002; Cen et al.,2004). Kopolimerisasi cangkok juga telah
dimanfaatkan sebagai metode untuk menempelkan sifat 4-vinil piridin tersebut
kedalam suatu polimer. Glisidil metakrilat merupakan suatu monomer yang
sangat unik karena memiliki dua gugus fungsi yaitu ikatan rangkap yang dapat
bereaksi cepat dengan radikal bebas dan gugus epoksi yang dapat berikatan
secara cepat dengan sejumlah gugus yaitu karboksil (Zou et al., 2001),
hidroksil (Kim et al., 1991), posfat (Pesneau et al., 2004), amina (Yu and Ryu,
1999) dan lainnya (Choi et al., 2003). Aminasi gugus epoksi dari GMA
diharapkan menghasilkan epoksi teraminasi yang dapat digunakan sebagai
penghambat pertumbuhan bakteri sesuai dengan sifat 4-vinil piridin.
Dalam penelitian ini, monomer 4-VP dan GMA akan dikopolimerisasi
cangkok ke film PE. Reaksi kopolimerisasi cangkok diawali dengan inisiasi
menggunakan sinar gamma untuk membentuk pusat aktif berupa radikal bebas
pada PE. Pusat aktif ini kemudian diharapkan dapat menginisiasi reaksi
kopolimerisasi grafting 4-VP dan GMA, sehingga diperoleh PE tercangkok
4
4-VP dan GMA. Rantai cabang dari 4-VP dan GMA yang telah terikat dalam
PE akan diuji aktivitasnya sebagai antibakteri dengan menggunakan bakteri E.
coli (gram negatif) dan S. Aerus (gram positif) dengan metode difusi agar.
Hasil reaksi kopolimerisasi cangkok 4-vinil piridin dan glisidil metakrilat
dikarakterisasi gugus fungsinya dengan spektroskopi inframerah (FT-IR),
morfologi permukaannya dengan Scanning Electron Microscope (SEM) serta
kekristalannya dengan difraksi sinar X (XRD).
B. Tujuan Penelitian
Sesuai dengan masalah yang dirumuskan di atas, penelitian ini diajukan
dengan tujuan:
1. Mengetahui kondisi kopolimerisasi cangkok yakni konsentrasi monomer,
pelarut, waktu reaksi dan dosis radiasi yang optimum untuk mencangkok
4-VP dan GMA pada film polietilen yang telah
diradiasi sinar gamma.
2. Mengetahui reaktifitas kopolimer PE tercangkok GMA (PE-g-GMA)
terhadap etilendiamin.
3. Mengetahui aktivitas kopolimer 4-VP dan GMA teraminasi yang terikat
pada PE terhadap bakteri patogen perairan seperti Escherichia coli dan
Staphylococcus aureus.
5
C. Manfaat Penelitian
Penelitian ini diharapkan dapat memberikan informasi ilmiah guna
pengembangan modifikasi polietilen dengan 4-Vinil Piridin dan Glisidil
Metakrilat serta mendapatkan bahan pengemas dari polietilen yang mampu
menghambat pertumbuhan bakteri patogen seperti E. Coli dan S.aureus.
96
V. KESIMPULAN DAN SARAN
A. Kesimpulan
Berdasarkan hasil penelitian yang telah dilakukan, dapat ditarik beberapa
kesimpulan sebagai berikut:
1. Polietilen dapat difungsionalisasi dengan gugus piridin dari monomer 4Vinil Piridin dan gugus epoksi dari glisidil metakrilat menggunakan
inisiator sinar gamma.
2. Polietilen teradiasi sinar gamma menunjukan reaktivitas terhadap 4-Vinil
Piridin dan reaksi berlangsung optimum pada kondisi: dosis radiasi sinar
gamma 30 kGy, konsentrasi monomer 4-Vinil Piridin 10% (v/v), waktu
polimerisasi 5 jam serta pelarut metanol 20% dalam aquades.
3. Polietilen teradiasi sinar gamma menunjukan reaktivitas terhadap glisidil
metakrilat dan reaksi berlangsung optimum pada kondisi reaksi; dosis
radiasi 30 kGy, konsentrasi monomer glisidil metakrilat 10% (v/v), waktu
polimerisasi 4 jam menggunakan pelarut aquades.
4. Pengikatan gugus NH2 dari etilendiamin pada film polietilen dapat
dilakukan dengan memanfaatkan gugus epoksi dari glisidil metakrilat yang
tergrafting pada permukaan polietilen.
97
5. 4-Vinil Piridin dan glisidil metakrilat teraminasi yang terikat pada
polietilen mempunyai aktivitas antibakteri terhadap Escherichia coli dan
Staphylococcus aureus.
6. Uji aktivitas antibakteri menggunakan metode difusi agar menunjukkan
PE-g-4VP memiliki aktivitas antibakteri yang lebih tinggi dibandingkan
PE-g-GMA-En terhadap bakeri Escherichia coli dan Staphylococcus
aureus.
7. PE tercangkok 4-Vinil Piridin dan PE tercangkok glisidil metakrilat
teraminasi memiliki aktivitas antibakteri yang lebih tinggi terhadap bakteri
Staphylococcus aureus dibandingkan Escherichia coli.
B. Saran
Untuk pengembangan penelitian lebih lanjut, penulis memberikan saran sebagai
berikut:
1. Perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mengetahui kemampuan
antibakteri dari PE-g-4VP terhadap beberapa bakteri gram positif dan
gram negatif yang lainnya.
2. Perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mengetahui sifat antibakteri
dari turunan piridin lainnya seperti 3-Vinil Piridin dan 2-Vinil Piridin.