Komponen Kimia. Analisiskomponen kimia pada isolat selulosa yang diperoleh dari ketiga bahan baku merupakan salah satu indikator keberhasilan tahap evaluasi. Untuk ela sagu, kandungan selulosa alfa pada isolat selulosa (72,80%) meningkat lebih dari 2 (dua) kali kandungan selulosa alfa bahan baku awal (22,45%). Kadar lignin pada isolat selulosa dari ela sagu (1,62%), yaitu 0,14 kali kandungan lignin bahan baku awal (11,52%) atau berkurang hampir 93%. Sementara itu, kandungan selulosa alfa pada isolat selulosa dari bagas tebu (77,47%) meningkat hampir 0,8 kali, sedangkan untuk jerami padi meningkat lebih dari 0,8 kali dari kandungan selulosa alfa bahan baku awalnya. Kandungan lignin isolat selulosa bagas tebu (0,96%) berkurang hampir 96% dari kandungan
43
lignin bahan baku awal (22,28%). Sementara itu, kandungan lignin pada jerami padi berhasil berkurang hampir 97% dari kandungan lignin awal, yaitu dari 32,07% menjadi 0,81%. Komposisi selulosa alfa dan lignin berturut-turut disajikan pada Gambar 19 dan 20.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 Pe rs en kompos is i ( % )
Ela Sagu Bagas Tebu Jerami Padi
Bahan Baku Isolat Selulosa
Gambar 19 Komposisi selulosa alfa.
0 5 10 15 20 25 30 35 P er se n kompos is i ( % )
Ela Sagu Bagas tebu Jerami Padi
Bahan Baku Isolat Selulosa
Gambar 20 Komposisi lignin
Delignifikasi
Lignin adalah polimer alam multifungsi yang dibangun melalui kopling oksidatif unit-unit fenilpropanoid membentuk kerangka tridimensional dengan ikatan antar-unit seperti β-O-4, β-5, dan β-β (Gambar 21). Lignin, khususnya pada jerami, tidak terdeposit di dalam dinding sel tumbuhan melainkan berasosiasi dengan karbohidrat (selulosa dan hemiselulosa) melalui ikatan kimia seperti ikatan eter, jembatan fenil glikosida, jembatan asetal, atau ikatan ester dan membentuk kompleks karbohidrat-lignin. Ikatan antara lignin dan selulosa yang diajukan oleh Zhou et al. (2010) disajikan pada Gambar 22.
Ikatan β-O-4 Ikatan β-5 (open loop) Ikatan β-5 (closed loop) Ikatan β-β
Gambar 21 Jenis ikatan yang terdapat pada lignin.
Gambar 22 Ikatan antara lignin dan selulosa (Zhou et al. 2010).
Perlakuan dengan basa dapat memutus ikatan ester antara lignin dan selulosa atau hemiselulosa melalui reaksi hidrolisis (He et al. 2008). Pada salah satu tahapan isolasi dalam penelitian ini digunakan larutan NaOH untuk memutus ikatan antara lignin dan selulosa atau hemiselulosa. Tong dan Hamzah (1989) melaporkan bahwa dari berbagai larutan basa seperti NaOH, KOH, Ca(OH)2,
Na2CO3, NH3, dan CO(NH2)2 yang dapat digunakan untuk delignifikasi maka
45
dari serat alam. Larutan NaOH dapat menghilangkan lignin sebanyak 60%. Skema reaksi kompleks karbohidrat-lignin dengan NaOH disajikan pada Gambar 23.
Gambar 23 Skema reaksi kompleks karbohidrat lignin dengan NaOH (Tong dan Hamzah 1989).
Metode delignifikasi konvensional umumnya menggunakan natrium klorit (NaClO2) dalam suasana asam. Namun, metode ini menimbulkan masalah
lingkungan yang serius karena penggunaan klorin dan senyawa turunan klorin yang dapat menghasilkan sejumlah senyawa organik terklorinasi lainnya. Dengan berbagai pertimbangan terhadap keamanan lingkungan dan semakin meningkatnya kebutuhan akan pulp yang bebas klorin maka berbagai metode alternatif untuk mengganti pereaksi NaClO2 banyak dikaji. Pada akhirnya, proses
delignifikasi yang menggunakan pereaksi klorin atau turunan klorin akan ditinggalkan. Metode delignifikasi menggunakan pereaksi bebas klorin seperti
elemental chlorine-free (ECF) dan totally chlorine-free (TCF) saat ini banyak dikembangkan (Nascimento et al. 1995; Sun et al. 2000; Kuznetsova et al. 2003; Sun et al. 2004a; Sun et al. 2004b; Sun et al. 2005; Kham et al. 2005; Jahan et al.
2011). Pereaksi utama yang digunakan dalam delignifikasi TCF adalah ozon, oksigen, dan hidrogen peroksida (H2O2). Kondisi delignifikasi dengan hidrogen
peroksida dan oksigen dilakukan dalan suasana basa, sedangkan untuk pereaksi ozon dilakukan dalam suasana asam (Kham et al. 2005). Dalam penelitian ini, pereaksi yang digunakan untuk metode delignifikasi adalah H2O25%dalam media
basa pada pH=12.
Hidrogen peroksida adalah senyawa oksidator kuat yang dapat digunakan pada tahap pemutihan dan delignifikasi. Efisiensi pemutihan dan delignifikasi yang tinggi terjadi apabila reaksi berlangsung dalam media basa (Nascimento et
al. 1995). Di dalam media basa, spesi aktif H2O2 dihasilkan melalui reaksi
disosiasi, yaitu anion hidroperoksida (HOO−). Anion ini merupakan spesi aktif pada tahap pemucatan (Nascimento et al. 1995; Sun et al. 2000). Anion HOO− akan mengeliminasi gugus kromofor dari senyawa lignin. Di samping itu, spesi radikal aktif seperti radikal hidroksil (HO•) dan radikal anion superoksida (O2•−)
yang dihasilkan melalui dekomposisi H2O2 dalam suasana basa akan terlibat
dalam proses delignifikasi dan pelarutan hemiselulosa (Sun et al. 2000). Radikal- radikal yang diperoleh dari dekomposisi awal senyawa H2O2 selanjutnya akan
menghasilkan radikal-radikal aktif sekunder lainnya. Selain itu, radikal aktif yang terbentuk juga dapat bereaksi dengan radikal aktif lainnya menghasilkan oksigen dan anion hidroksil. Terbentuknya anion hidroksil (HO−) sebagai salah satu produk akhir menyebabkan pH reaksi akan meningkat. Sun et al. (2000) melaporkan dengan meningkatnya pH reaksi maka hemiselulosa yang ikut terlarut juga akan semakin banyak. Jadi, perlakukan dengan H2O2 dalam suasana basa
juga dapat digunakan untuk melarutkan sebagian hemiselulosa, selain fungsi utamanya sebagai pereaksi pada tahap delignifikasi dan pemucatan. Spesi-spesi radikal aktif dari H2O2 dihasilkan melalui berbagai reaksi berikut ini:
H2O2 + HO− ↔ HOO− + H2O (1) H2O2 + HOO− → HO• + O2•−+ H2O (2) H2O2 + HO• → HOO• + H2O (3) H2O2+ O2•− → HO• + HO− +1O2 (4) H2O2 → 2 HO• (5) HO•+ HOO• → 1O2 + H2O (6) HO•+ HOO• → O2•−+ H2O (7) HO•+ O2•− → HO− + 1O2 (8)
Keberhasilan tahap delignifikasi dalam penelitian ini dievaluasi berdasarkan penurunan kandungan lignin pada isolat selulosa dibandingkan dengan bahan baku awalnya. Kandungan lignin isolat selulosa jerami padi yang diperoleh dalam penelitian ini lebih kecil dari yang telah dilaporkan oleh Sun et al. (2000), yaitu 0,81%. Sun et al. (2000) melaporkan kandungan lignin pada isolat selulosa jerami padi sebesar 4,5% menggunakan perlakuan alkali peroksida dengan konsentrasi
47
yang sama (5%). Kandungan lignin pada isolat selulosa bagas tebu dalam penelitian ini lebih kecil daripada kandungan lignin yang dilaporkan oleh Sun et al. (2004). Dalam penelitian ini, kandungan lignin isolat bagas tebu diperoleh sebesar 0,96%, sedangkan Sun et al. (2004) melaporkan kandungan lignin sebesar 3,86%. Sementara itu, informasi terkait kandungan lignin dari selulosa ela sagu dari peneliti lain belum diperoleh sehingga data hasil penelitian ini belum dapat dibandingkan dengan hasil penelitian dari peneliti lain.
Keberhasilan tahap delignifikasi dari ela sagu, bagas tebu, dan jerami padi juga dipantau menggunakan teknik spektroskopi FTIR. Spektrum FTIR dari ketiga bahan baku menunjukkan serapan khas dari senyawa hemiselulosa dan lignin. Seiring dengan perlakuan yang diberikan pada setiap tahap isolasi, intensitas serapan khas ini semakin berkurang. Penjelasan lebih lanjut terkait dengan interpretasi spektrum FTIR dibahas pada bagian Kajian Gugus Fungsi.
Bobot Molekul dan Derajat Polimerisasi
Bobot molekul selulosa sangat bervariasi tergantung pada asal sampelnya. Selulosa merupakan polimer linier dengan unit-unit dan ikatan-ikatan yang seragam dan ukuran rantai molekul yang biasanya dinyatakan sebagai derajat polimerisasi (DP). Harga DP dipengaruhi oleh metode isolasi dan perlakuan kimia yang diberikan.
Sifat selulosa sebagai polimer biasanya dipelajari dalam pelarut CED (kuprietilena diamina) secara viskometri. Dari harga viskositas intrinsik (η) dapat ditentukan derajat polimerisasi (DP) dan bobot molekul selulosa (BM). Hasil yang diperoleh pada penelitian ini disajikan pada Tabel 4.
Selulosa yang diperoleh dari bagas tebu memiliki derajat polimerisasi yang paling tinggi dibandingkan selulosa dari jerami padi dan ela sagu. Menurut Klem
et al. (1998), selulosa yang diperoleh dari pulp berkisar antara 600-1200.
Sementara itu, DP selulosa yang dihasilkan dalam penelitian lebih rendah dari 600. Hal ini disebabkan terjadi hidrolisis parsial pada rantai selulosa saat perlakuan asam di awal tahap isolasi serta adanya kerusakan mekanik akibat penggerusan pada saat menghasilkan serbuk selulosa untuk persiapan tahap
rekayasa. Derajat polimerisasi yang diperoleh pada penelitian ini sesuai dengan yang dilaporkan oleh Klem et al. (1998), yaitu DP selulosa yang mengalami hidrolisis parsial dan kerusakan mekanik berkisar antara 100-200.
Tabel 4 Viskositas intrinsik, derajat polimerisasi, dan bobot molekul
Parameter Selulosa Ela sagu Bagas tebu Jerami padi
Viskositas intrinsik (η, ml/g)a 70 189 27 Derajat polimerisasi (P)b 194,7 586,5 67,6
BM (g/mol)c 31.541,4 95.013 10.951,6
a
Ditentukan melalui viskositas dalam larutan CED (SCAN-CM 15:88) b
Dihitung dengan cara P0.90=1.65[η], dengan P= derajat polimerisasi c
Dihitung dengan P × 162
Kajian Gugus Fungsi
Di dalam spektrum elektromagnetik, energi sebagian besar vibrasi molekul terjadi pada daerah inframerah (IR). Vibrasi molekul dari senyawa organik dapat dilihat melalui spektrum IR pada daerah 4000-400 cm-1. Gugus fungsi pada senyawa organik memiliki frekuensi vibrasi yang karakteristik untuk setiap gugus fungsinya. Hal ini membuat teknik spektroskopi IR menjadi metode yang sederhana, cepat dan dapat digunakan untuk menentukan jenis senyawa berdasarkan vibrasi karakteristiknya (Williams dan Fleming 1980; Silverstein et al. 1986). Menurut Wang et al. (2004), teknik spektroskopi IR banyak digunakan dalam tahap karakterisasi selulosa karena metode ini relatif mudah dan dapat memberikan informasi awal tentang komposisi kimia, konformasi molekular, serta pola ikatan hidrogen. Selain itu, spektroskopi IR juga dapat memberikan informasi langsung tentang perubahan kimia yang terjadi akibat berbagai perlakuan kimia (Sun et al. 2004a).
Ela Sagu. Warna kecoklatan yang berasal dari serbuk ela sagu dapat
direduksi sehingga menghasilkan produk akhir yang berwarna putih melalui tahap delipifikasi, penghilangan senyawa hemiselulosa, dan delignifikasi. Hasil akhir produk diinterpretasi sebagai selulosa berdasarkan spektrum FTIR yang dsajikan pada Gambar 24. Spektrum FTIR bahan baku awal ela sagu menunjukkan adanya serapan vibrasi gugus karbonil lignin atau serapan gugus asetil dan ester uronat
49
hemiselulosa pada 1728 cm-1, serapan cincin aromatik lignin dan serapan unit guaiasil lignin di 1516 cm-1, serapan gugus metil pada cincin aromatik lignin di 1454 cm-1, serapan gugus −OH tekuk dari unit siringil lignin pada 790 cm-1. Setelah diberi perlakuan, serapan-serapan khas untuk gugus fungsi pada senyawa hemiselulosa dan lignin semakin berkurang. Hal ini mengindikasikan bahwa perlakuan basa yang diberikan pada ela sagu mampu memutus ikatan ester antara selulosa dan hemiselulosa. Setelah tahap delignifikasi, serapan lignin relatif megnhilang, sedangkan serapan khas untuk selulosa pada 898 cm-1 semakin kuat. Serapan vibrasi dan interpretasi gugus fungsi disajikan pada Lampiran 2.
Gambar 24 Spektra FTIR bahan baku awal, pulp, dan selulosa dari ela sagu.
Bagas Tebu. Spektrum FTIR bahan baku awal bagas tebu menunjukkan adanya serapan vibrasi gugus karbonil lignin yang cukup jelas pada 1732 cm-1 (Gambar 25). Hal ini sejalan dengan kandungan lignin yang cukup tinggi pada bagas tebu, yaitu 22,28%. Spektrum FTIR dari bagas tebu menunjukkan beberapa serapan di antaranya adalah serapan dari ikatan ester yang terbentuk antara senyawa lignin dan senyawa hemiselulosa pada 1732 cm-1, serapan cincin aromatik lignin pada 1604 cm-1, serapan unit guaiasil lignin di 1512 cm-1, serapan gugus metil pada cincin aromatik lignin di 1458 cm-1, serapan unit siringil dan
−OH tekuk dari gugus siringil lignin, yaitu pada 1242 cm-1 dan 833 cm-1. Setelah diberi perlakuan, serapan-serapan khas untuk senyawa hemiselulosa dan lignin berkurang, sedangkan serapan khas untuk selulosa pada 898 cm-1 semakin kuat. Serapan vibrasi dan interpretasi gugus fungsi disajikan pada Lampiran 3.
Gambar 25 Spektra FTIR bahan baku awal, pulp, dan selulosa dari bagas tebu.
51
Jerami Padi. Spektrum FTIR bahan baku awal jerami padi menunjukkan adanya beberapa serapan dari gugus fungsi hemiselulosa pada 1728 cm-1,lignin pada 1516, 1454, dan 786 cm-1, serta silika pada 786 dan 470 cm-1 (Gambar 26). Setelah diberi perlakuan basa, serapan-serapan khas untuk senyawa hemiselulosa dan silika menjadi tidak ada. Sementara serapan untuk senyawa lignin berkurang. Hal ini mengindikasikan bahwa perlakuan basa yang diberikan pada jerami padi dalam penelitian ini mampu memutus ikatan ester antara selulosa dan hemiselulosa, serta silika dan sedikit lignin. Sun et al. (2000) melaporkan bahwa ekstraksi dengan NaOH 1% pada T=55 °C selama 2 jam mampu menghilangkan 62,2% silika dari jerami padi. Setelah tahap delignifikasi, serapan lignin sudah tidak tampak, sedangkan serapan khas untuk selulosa pada 894 cm-1 semakin kuat. Serapan vibrasi dan interpretasi gugus fungsi disajikan pada Lampiran 4.
Gambar 26 Spektra FTIR bahan baku awal, pulp, dan selulosa dari jerami padi.
Morfologi Permukaan
Hasil mikrograf selulosa yang diisolasi dari ela sagu, bagas tebu, dan jerami padi menunjukkan selulosa yang berbentuk serat (Gambar 27). Dari foto SEM tampak bahwa selulosa bagas tebu memiliki serat yang lebih panjang dibandingkan selulosa dari ela sagu dan jerami padi. Panjang serat selulosa bagas tebu bervariasi dari 100 µm-1 mm. Panjang serat jerami padi sekitar 20-240 µm, sedangkan ela sagu sekitar 200-400µm. Diameter selulosa untuk ela sagu, bagas tebu, dan jerami padi yang dihasilkan dalam penelitian ini berturut-turut adalah 18, 20, dan 6 µm. Elanthikal et al. (2010) melaporkan bahwa diameter selulosa berkisar antara 15-20 µm, dengan panjang serat berkisar 100 µm-1 mm.
(Perbesaran 500x)
Gambar 27 Mikrograf (a) bagas tebu, (b) jerami padi, dan (c) ela sagu.
Analisis kristalinitas
Selulosa adalah polimer kompleks dengan bentuk kristalin dan amorf. Bahan yang mengandung kristalin dapat mendifraksi dan membetuk pola khusus apabila diirradiasi oleh sinar X, sehingga struktur selulosa dapat dikaji. Di dalam media heterogen, selain bergantung pada derajat polimerisasi (DP) dari rantai selulosa, kemudahan suatu pereaksi untuk dapat mengakses gugus hidroksil pada selulosa juga bergantung pada derajat kristalinitasnya. Secara umum, bentuk non- kristalin (amorf) lebih mudah diakses oleh pereaksi sehingga reaksi lebih mudah terjadi (Sun et al. 2005; de Paula et al. 2008). Pola difraksi sinar X dari isolat selulosa disajikan pada Gambar 28. Dua puncak difraksi muncul pada 2θ sekitar 22° dan 20°. Matsumura et al. (2000) melaporkan puncak difraksi untuk selulosa kapas pada 2θ = 14,5°; 16,0°; 22,5°; 33,5° dengan puncak difraksi utama pada 22,5°. Puncak yang tinggi menunjukkan struktur selulosa yang berada dalam
53
bentuk kristalin, sedangkan yang rendah berada dalam bentuk amorf. Menurut Ratanakamnuan et al. (2012), puncak pada 2θ=20° adalah puncak untuk selulosa dalam bentuk amorf.
Pola difraksi sinar X untuk isolat selulosa dari jerami padi menunjukkan puncak pada 2θ=22° yang lebih tajam dibandingkan dengan puncak pada selulosa ela sagu dan bagas tebu. Hal ini sesuai dengan indeks kristalinitas dari selulosa jerami padi yang lebih tinggi (20,96%) dibandingkan dengan indeks kristalinitas dari selulosa ela sagu (16,01%) dan selulosa bagas tebu (16,69%). de Paula et al.
(2008) melaporkan untuk selulosa sisal memiliki indeks kristalinitas 77%. Serat rami dan kapas memiliki indeks kristalinitas sekitar 70% (Jahan et al. 2011). Sementara itu, Zhang et al. (2010) melaporkan indeks kristalinitas untuk bonggol jagung sekitar 24,3-44,8%.
Saat ini, belum diperoleh informasi mengenai indeks kristalin dari isolat selulosa dari bahan baku yang digunakan dalam penelitian ini. Namun demikian, jika dibandingkan dengan selulosa kapas atau jerami, indeks kristalin yang diperoleh dalam penelitian ini lebih rendah. Penjelasan yang dapat diberikan mengenai indeks kristalinitas yang rendah pada hasil penelitian ini adalah adanya perlakukan merserisasi dengan basa pekat. Menurut de Paula et al. (2008), merserisasi dengan basa kuat dapat menyebabkan penurunan indeks kristalinitas karena merserisasi dapat mengubah konformasi dan morfologi serat selulosa. Selama proses merserisasi berlangsung, rantai selulosa akan mengembang (swelling) akibat difusi basa ke bagian selulosa kristalin. Selanjutnya, rantai selulosa akan mengalami penataan ulang yang berakibat pada rusaknya struktur selulosa kristalin. Kerusakan struktur kristalin selulosa menyebabkan peningkatan bagian nonkristalin (amorf) sehingga indeks kristalinitas selulosa menurun. Selain itu, indeks kristalinitas selulosa juga sangat dipengaruhi oleh komposisi biomassa dari bahan baku awalnya.
Gambar 28 Difraktogram isolat selulosa ela sagu, bagas tebu, dan jerami padi.
Analisis Termal
Dekomposisi bahan selulosa terjadi melalui kombinasi proses dehidrasi, dekarboksilasi, dan dekarburasi/dekarbonisasi. Yang et al. (2007) melaporkan bahwa selulosa akan mulai terdekomposisi mulai suhu 200 °C dan berlanjut sampai suhu mencapai 400 °C. Kehilangan massa maksimum terjadi pada suhu 355 °C dan pada suhu 400 °C semua selulosa telah terpirolisis meninggalkan residu padatan dengan jumlah yang sangat sedikit, yaitu sekitar (6,5%).
Gambar 29 menunjukkan pola degradasi dari selulosa hasil isolasi dari ela sagu, bagas tebu, dan jerami padi. Kehilangan massa terjadi pada 3 (tiga) tahap: (1) dehidrasi molekul air yang teradsorpsi ( < 200 °C), (2) putusnya rantai selulosa karena putusnya ikatan C-C dan C-O (200-400 °C), (3) aromatisasi membentuk residu karbon ( >400 °C).
Difraktogram Isolat Selulosa Ela Sagu
Difraktogram Isolat Selulosa Bagas Tebu
55
Kurva TG dan DTA menunjukkan bahwa semua isolat selulosa yang dihasilkan dalam penelitian ini sebaiknya tidak diberi perlakuan pemanasan pada suhu di atas 197 °C. Suhu dekomposisi awal selulosa ela sagu (197 °C) dan bagas tebu (197
°C) yang dihasilkan dalam penelitian ini sedikit lebih rendah dari yang telah dilaporkan oleh Yang et al. (2007). Sementara, untuk jerami padi relatif hampir sama (204 °C). Suhu pada saat dekomposisi maksimum untuk selulosa ela sagu, bagas tebu, dan jerami padi berturut-turut adalah 273, 349, dan 368 °C sesuai dengan indeks kristalinitas selulosa jerami padi yang lebih tinggi dari selulosa ela sagu dan bagas tebu. Hasil yang sama juga dilaporkan oleh Szcześniak et al.
(2008) bahwa semakin tinggi indeks kristalinitas maka selulosa akan terdekomposisi pada suhu yang lebih tinggi.
Gambar 29 Kurva DTA selulosa (a) ela sagu, (b) bagas tebu, (c) jerami padi, dan (d) komersial. 100 200 300 400 500 600 T (°C) DTA (uV) 0 (a) (c) (b) (d)
Simpulan
Selulosa diisolasi dari ela sagu, bagas tebu, dan jerami padi menggunakan tahapan metode isolasi, yaitu delipifikasi, penghilangan hemiselulosa dengan basa, dan alkali peroksida. Secara morfologi, selulosa yang diisolasi dari ela sagu, bagas tebu, dan jerami padi berbentuk serat atau fibril. Rendemen polisakarida tertinggi dihasilkan oleh bagas tebu, yaitu 41%. Derajat polimerisasi dan berat molekul dari selulosa bagas tebu lebih tinggi dari selulosa ela sagu dan jerami padi, yaitu 586,5 dan 95.013 g/mol. Selulosa jerami padi lebih stabil secara termal dan memiliki indeks kristalinitas yang lebih tinggi dibandingkan selulosa ela sagu dan bagas tebu.
REKAYASA BIOPOLIMER DENGAN TEKNIK
KOPOLIMERISASI CANGKOK DAN TAUT SILANG
Abstrak
Kopolimerisasi cangkok dan taut silang akrilamida (Am) dilakukan dalam suasana hampa udara menggunakan aliran gas N2 dengan amonium persulfat
(APS) sebagai inisiator dan N,N’-metilena-bis-akrilamida (MBAm). Pencirian dilakukan dengan teknik mikroskopi pemayaran elektron (SEM) untuk melihat morfologi permukaan, teknik spektroskopi FTIR untuk melihat gugus fungsi, teknik difraksi sinar X untuk menganalisis kristalinitas, dan teknik DTA untuk menganalisis ketahanan produk terhadap suhu. Kajian dilakukan terhadap kemampuan produk hasil rekayasa dalam menjerap air (swelling factor), kekuatan mekanik, dan ketahanan terhadap pelarut. Spektrum FTIR dan mikrograf SEM menunjukkan bahwa kopolimerisasi cangkok dan taut silang telah terjadi pada permukaan rantai selulosa. Produk hasil rekayasa memiliki kestabilan termal yang lebih baik. Indeks kristalinitas meningkat dengan meningkatnya jumlah penaut silang, sedangkan swelling factornya menurun.
Kata kunci : biopolimer, kopolimerisasi, cangkok, taut silang, akrilamida
Abstract
The graft copolymerization of cellulose with acrylamide (AAm) has been carried out under N2 atmosphere using ammonium persulfate (APS) as initiator
and followed by crosslinking reaction with N,N’-methylene-bis-acrylamide (MBAm). Scanning electron microscopy (SEM), fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), X-Ray diffraction (XRD) and differential thermal analysis (DTA) were used to characterize the morfology, functional groups, crystal structure, and thermal properties of grafted-crosslinked products. The products were also evaluated for swelling factor, mechanical strength, and stability against organic solvents. FTIR spectrum and SEM micrograph confirmed that graft copolymerization and crosslinking succeeded. The products have better termal stability than cellulose isolate. Crystallinity index was increased with the increasing of crosslinking agent while swelling factor was decreased.
Pendahuluan
Limbah pertanian banyak digunakan untuk memproduksi bahan baku awal (starting material). Penggunaan (reusing) dan pengolahan kembali (recycling) limbah pertanian dapat meminimalkan masalah lingkungan yang ditimbulkan akibat pembuangan limbah pertanian tersebut. Konversi limbah pertanian menjadi produk yang lebih berguna akan berdampak pada sosio-ekonomi pihak yang terkait. Limbah pertanian mengandung polisakarida lebih dari 90% yang dapat dimodifikasi secara kimia maupun biokimia.
Selulosa adalah salah satu senyawa polimer yang banyak ditemukan di alam. Polimer alam memiliki beberapa keuntungan di antaranya tidak mahal, tidak toksik, sumberdaya alam yang dapat diperbarui, dapat didaur ulang, dan juga dapat didegradasi (Khan et al. 2009) Selain memiliki beberapa keunggulan, selulosa juga memiliki kelemahan dibandingkan dengan polimer sintetik karena adanya ikatan hidrogen intra- dan antarmolekulnya yang kuat sehingga sulit diakses oleh senyawa lain (Kadokawa et al. 2009). Modifikasi terhadap selulosa perlu dilakukan untuk memenuhi persyaratan dalam penerapannya di industri. Modifikasi selulosa dengan cara kopolimerisasi cangkok memberikan berbagai keuntungan sehingga dapat diaplikasikan pada berbagai bidang.
Berbagai jenis polimer dapat dicangkok (grafting) ke rantai selulosa melalui gugus hidroksil pada posisi C2, C3, dan C6 (Enomoto-Rogers et al. 2009). Gugus hidroksil pada C2 dan C3 adalah gugus hidroksil yang terikat pada aton karbon sekunder, sedangkan gugus hidroksil pada C6 terikat pada atom karbon primer. Kereaktifan dan kemasaman gugus hidroksil primer dan sekunder ini berbeda. Dengan memilih monomer yang tepat, maka kekuatan mekanik dan stabilitas termal material berbasis selulosa yang dimodifikasi dengan teknik pencangkokan dapat ditingkatkan (Princi 2005). Selain itu, polisakarida yang telah dimodifikasi tersebut dapat menghasilkan produk berstruktur makromolekular seperti gel atau hidrogel, resin polimer, membran atau material komposit yang dapat diaplikasikan sebagai material separator dalam teknologi separasi (Crini 2005).
Beberapa kajian kopolimer dengan teknik pencangkokan terhadap bahan berbasis selulosa telah banyak dilaporkan. Princi et al. (2005) melakukan
59
modifikasi selulosa melalui polimerisasi dengan teknik pencangkokan menggunakan metil metakrilat dan etil akrilat. Khan et al. (2009) melaporkan telah melakukan modifikasi pada permukaan serat kulit pohon Okra dengan teknik pencangkokan menggunakan monomer akrilonitril, inisiator K2S2O8, dan katalis
FeSO4. Rendemen produk hasil pencangkokakan diperoleh sebesar 11.43% pada
suhu 70°C selama 90 menit menggunakan 3 x 10-2 mol akrilonitril, 5 x 10-3 mol K2S2O8. El-Mohdy dan El-Rehim (2009) memodifikasi kappa-karagenan (κC)
melalui kopolimerisasi cangkok akrilamida menggunakan irradiasi γ. Selanjutnya
κ-karagenan-graft-poliakrilamida tersebut dihidrolisis menggunakan larutan alkali. Hasil yang diperoleh menunjukkan produk yang telah dihidrolisis tersebut memiliki sifat sebagai hidrogel superabsorben dengan kemampuan mengembang (swelling) mencapai 10 kali di dalam air destilata dan 3 kali dalam larutan NaCl. Huang et al. (2009) melaporkan telah memodifikasi ampas tebu yang telah