SINTESIS SELULOSA-g-POLIAKRILAMIDA MELALUI
TEKNIK KOPOLIMERISASI CANGKOK DAN
TAUT-SILANG
IKA SYARIFATUN KHASANAH
DEPARTEMEN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN SUMBER
INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Sintesis Selulosa-g -Poliakrilamida 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
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’ -methylene-bis-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.
Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains
pada Departemen Kimia
SINTESIS SELULOSA-g-POLIAKRILAMIDA MELALUI
TEKNIK KOPOLIMERISASI CANGKOK DAN TAUT-
SILANG
IKA SYARIFATUN KHASANAH
DEPARTEMEN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR
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
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 Taut- Silang”. 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
DAFTAR ISI
DAFTAR GAMBAR vii
DAFTAR LAMPIRAN vii
PENDAHULUAN 1
BAHAN DAN METODE 2
Bahan dan Alat 2
Metode 2
HASIL DAN PEMBAHASAN 4
Kopolimerisasi Cangkok dan Taut-Silang 4 Pengaruh Konsentrasi Penaut-Silang 7
Spektrum FTIR 8
Mikrograf SEM 9
Ketahanan terhadap Pelarut 10
SIMPULAN DAN SARAN 11
Simpulan 11
Saran 11
DAFTAR PUSTAKA 12
DAFTAR GAMBAR
1 Pembentukan radikal sulfat dari inisiator APS 5 2 Inisiasi molekul selulosa oleh APS 5 3 Pembentukan makroradikal selulosa-O-CH2-CH•-CONH2 5 4 Pembentukan rantai kopolimer cangkok poliakrilamida pada selulosa (tahap
propagasi) 5
5 Mekanisme pembentukan homopolimer poliakrilamida 6 6 Kapasitas absorpsi air produk kopolimer selulosa-g-poliakrilamida 7 7 Pengaruh konsentrasi penaut-silang terhadap kadar nitrogen, nisbah
pencangkokan, dan efisiensi pencangkokan 8 8 Spektrum FTIR selulosa serabut ampas sagu, selulosa-g-poliakrilamida dengan
penaut-silang 1.67%, 3.33%, 5.00%, dan 6.67% 9 9 Morfologi permukaan isolat selulosa dan produk hasil modifikasipada
perbesaran 500× 10
DAFTAR LAMPIRAN
1 Reaktor pencangkokan-penautan-silang 14 2 Hasil pembuatan kopolimer selulosa-g-poliakrilamida 14 3 Hipotesis pembentukan taut-silang antara makroradikal selulosa-g
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 berbasis-selulosa 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.
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
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
% N teoretis × 100%
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
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
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 taut-silang. 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
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
CH
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. Penaut-silang 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).
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. Gambar 5 Mekanisme pembentukan homopolimer poliakrilamida
7 Pengaruh Konsentrasi Penaut-Silang
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).
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.
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.
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 <2%. NP dan EP dihitung berdasarkan perubahan kadar nitrogen sampel kopolimer, yaitu yang berasal dari monomer AAm dan penaut-silang MBA. Struktur selulosa awal tidak mengandung nitrogen. Sintesis kopolimer cangkok dan taut-silang dalam penelitian ini menggunakan jumlah monomer yang sama (7.5 g), namun dengan konsentrasi penaut-silang yang berbeda. Hal ini menyebabkan perbedaan kadar nitrogen cenderung kecil pada keempat sampel. Nilai NP dan EP yang semakin tinggi mengindikasikan semakin banyaknya tautan-silang yang terbentuk serta menunjukkan bahwa kecenderungan AAm membentuk kopolimer dengan selulosa lebih besar dari pada membentuk homopolimer. Lampiran 5 menyajikan data analisis kadar nitrogen beserta nilai NP dan EP.
Spektrum FTIR
Spektrum FTIR isolat selulosa dan keempat sampel kopolimer selulosa-g -poliakrilamida disajikan pada Gambar 8. Spektrum FTIR isolat selulosa menunjukkan serapan ulur –OH yang lebar dan kuat pada 3550–3200 cm-1,
9
ulur C–H pada 2897.08 cm-1 (medium), tekuk C–H pada 1423.47 cm-1, ulur C–O– C di 1153.43 cm-1, dan tekuk ‒OH di 1095.57 cm-1 dan 1037.70 cm-1 (da Silva et al. 2007; Sun dan Hughes 1998), serta serapan tajam dan lemah ikatan β -glikosida pada 894.97 cm-1 (Sun et al. 2004).
Spektrum FTIR kopolimer secara keseluruhan tidak menunjukkan perbedaan signifikan dengan isolat selulosa. Hal tersebut disebabkan oleh unit gugus fungsi yang relatif sama antara selulosa dan selulosa-g-poliakrilamida. Perbedaan terletak pada munculnya serapan khas gugus amida (–CONH2) dari AAm dan MBA, yaitu ulur N‒H pada bilangan gelombang 3483.44 cm-1, ulur C=O pada 1666.50 cm-1, dan tekuk N–H pada 1608.63 cm-1. Selain itu, juga terdapat serapan ulur C‒N pada 1315.45 cm-1 dan tekuk N‒H luar bidang dengan intensitas lemah pada 667.37 cm-1 yang merupakan pita serapan umum gugus amida (Lanthong et al. 2006).
Mikrograf SEM
Selain dari perubahan gugus fungsi yang teramati dalam spektrum FTIR, keberhasilan kopolimerisasi cangkok dan taut-silang juga diamati dengan cara membandingkan mikrograf isolat selulosa dengan mikrograf produk modifikasi (Gambar 9). Morfologi permukaan isolat selulosa didapati sangat berbeda dengan produk modifikasi. Kenampakan isolat selulosa menyerupai fibril selulosa. Pada
10
produk modifikasi, tidak lagi ditemukan bentuk fibril, tetapi terbentuk rongga-rongga atau jejaring yang mengindikasikan telah terbentuknya tautan-silang antarrantai selulosa.
Ketahanan terhadap Pelarut
Produk kopolimerisasi cangkok umumnya diaplikasikan sebagai absorben atau fase diam dalam teknologi pemisahan (Bicak et al. 1999; Ekebafe et al. 2008; Sharma dan Chauhan 2009; Setyorini 2011). Sebelum diaplikasikan sebagai fase diam, ketahanan terhadap pelarut harus diuji terlebih dahulu. Fase diam tidak boleh berinteraksi dengan pelarut yang digunakan sebagai fase gerak/eluen. Interaksi pelarut dengan fase diam dapat dilihat dari kelarutan fase diam dalam beberapa pelarut organik yang berbeda kepolarannya. Pada penelitian ini, interaksi tersebut diamati dari perubahan indeks bias pelarut. Pelarut yang melarutkan atau berinteraksi dengan fase diam akan berubah cukup signifikan indeks biasnya dibandingkan dengan indeks bias awal, sehingga pelarut tersebut tidak baik digunakan sebagai eluen.
Gambar 9 Morfologi permukaan isolat selulosa (a) dan produk hasil modifikasi (b) pada perbesaran 500×
Tabel Selisih indeks bias (×10-4)pelarut murni terhadap pelarut yang dimaserasi dengan sampel polimer
Pelarut MBA
Tabel di atas memperlihatkan perubahan indeks bias 7 pelarut yang selama 3 hari telah merendam sampel polimer. Ketujuh pelarut tidak memperlihatkan perubahan indeks bias yang signifikan dengan isolat selulosa (MBA 0.00%), namun dengan dengan keempat sampel kopolimer, pelarut metanol, etanol, dan aseton, memperlihatkan perubahan nilai indeks bias yang cukup nyata. Hal ini mengindikasikan bahwa terjadi interaksi antara pelarut dan sampel kopolmer yang dapat berupa ikatan hidrogen, antara gugus –OH pada pelarut dan gugus –OH atau gugus –NH2 pada kopolimer. Perubahan indeks bias juga dapat disebabkan oleh masih adanya homopolimer yang terlarut dalam metanol, etanol, dan aseton. Sekitar 65% selulosa berupa daerah kristalin sehingga tidak dapat dimasuki air atau pelarut lainnya (Purnama 2009). Hal ini menyebabkan indeks bias pelarut tidak berubah setelah memaserasi isolat selulosa. Kopolimer yang dihasilkan memiliki ketahanan yang baik terhadap pelarut etil asetat, heptana, heksana, dan toluena. Kopolimer juga memiliki ketahanan yang baik terhadap pelarut dibandingkan dengan kopolimer yang disintesis oleh Setyorini (2011).
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Kopolimer selulosa-g-poliakrilamida berhasil disintesis melalui teknik kopolimerisasi cangkok dan taut-silang pada suhu 70 °C. Hal ini ditunjukkan oleh analisis kadar nitrogen, serta kemunculan puncak serapan khas gugus amida (– CONH2) pada spektrum FTIR. Berhasilnya sintesis menunjukkan bahwa pemanfaatan serabut ampas sagu dalam jumlah yang lebih banyak telah berhasil dilakukan. Produk memiliki kapasitas absorpsi air yang lebih kecil serta ketahanan pelarut yang lebih baik dibandingkan dengan produk kopolimer yang menggunakan nisbah antara selulosa dan AAm 1:1 sehingga berpotensi untuk aplikasi sebagai fase diam kromatografi kolom. . Produk memiliki ketahanan yang baik terhadap pelarut etil asetat, heptana, dan toluena. Kapasitas absorpsi air menurun dengan meningkatnya konsentrasi penaut-silang, sementara nisbah dan efisiensi pencangkokan meningkat. Morfologi permukaan produk modifikasi tidak lagi berupa fibril, melainkan berupa permukaan kasar dan berongga.
Saran
DAFTAR PUSTAKA
Achmadi SS. 1990. Kimia Kayu. Bogor (ID): IPB Pr.
Al-Karawi AJM, Al-Qaisi ZHJ, Abdullah HI, Al-Mokaram AMA, Al-Heetimi DTA. 2011. Synthesis, characterization of acrylamide grafted chitosan andits use in removal of copper(II) ions from water. Carbobydr Polym.
83:495-500.
Anah L, Astrini N, Suharto, Nurhikmat A, Haryono A. 2010. Studi awal sintesa
carboxy methyl cellulose-graft-poly(acrylic acid)/monmorilonit
superabsorben polimer hidro gel komposit melalui proses kopolimerisasi
cangkok. Berita Selulosa. 45(1):1-8.
Bhattacharya A, Misra BN. 2004. Grafting: a versatile means to modify polymers
techniques, factors, and aplications. Prog Polym Sci. 29:767-814.
doi:10.1016/j.progpolymsci.2004.05.002.
Biçak N, Sherrington DC, Senkal BF. 1999. Graft copolymer of acrylamide onto cellulose as mercury selective sorbent. React Funt Polym. 41:69-76.
Borbély E. 2005. The kinetics of cellulose grafting with vinyl acetate monomer.
Acta Polytech Hungar. 2(2):67-76.
Chauhan GS, Lal L. 2003. Novel grafted cellulose-based hydrogels for water technologies. Desalination. 159:131-138.
Chen Y, Liu Y, Tan H. 2008. Preparation of macroporous cellulose-based superabsorbent polymer through the precipitation method. Bioresources.
3(1):247-254.
Cowd. 1991. Kimia Polimer. Firman H, penerjemah. Bandung (ID): ITB. Terjemahan dari: Polymer Chemistry.
da Silva DA, de Paula RCM, Feitosa JPA. 2007. Graft copolymerization of acrylamide onto cashew gum. Eur Polym J. 34:2620-2629.
Ekebafe LO, Ekebafe MO, Akpa FAO, Erhuanga G, Etiobhio BW. 2011. Graft
copolymerization of acrylonitrile onto delignified native bamboo (Bambusa
vulgaris) cellulosic and its utilization potential for heavy metal uptake from
aqueous medium. CI & CEQ. 17 (2):133-140. doi:10.2298/CICEQ10102106
3E.
Enomoto-Rogers Y, Kamitakahara H, Nakayama K, Takano T, Nakatsubo F. 2009. Synthesis and thermal properties of poly(methyl-methacrylate)-graft-(cellobiosylamine-C15). Cellulose. 16: 519-530.
Kurniadi T. 2010. Kopolimerisasi grafting monomer asam akrilat pada onggok singkong dan karakterisasinya [tesis]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor. Lanthong P, Nuisin R, Kiatkamjornwong S. 2006. Graft copolymerization,
characterization, and degradation of cassava starch-g-acrylamide/itaconic acid superabsorbents. Carbohydr Polym. 66:229-245.
Liang R, Yuan H, Xi G, Zhou Q. 2009. Synthesis of wheat straw-g-poly(acrylic acid) superabsorbent composites and releae of urea from it. Carbohydr
Polym. 77:181-187.
Liu J, Wang Q, Wang A. 2007. Synthesis and characterization of chitosan-g-poly(acrylic acid)/sodium humate superabsorbent Carbohydr Polym.
13
Purnama KO. 2009. Impregnasi kayu kelapa sawit dengan menggunakan asap cair tempurung kelapa, strirena, dan toluena diisosianat (TDI) [tesis]. Medan (ID): Universitas Sumatera Utara.
Purwaningsih H, Irawadi TT, Mas’ud ZA, Fauzi AM. 2012. Rekayasa biopolimer jerami dengan teknik kopolimerisasi cangkok dan taut silang. Valensi.
2(4):489-500.
Puspitasari T, Radiman CL. 2008. Karakterisasi selulosa mikrobial yang dimodifikasi dengan teknik kopolimerisasi cangkok. JSMI. 9(3):204-207. Routray C, Tosh B. 2012. Controlled grafting of MMA onto cellulose and
cellulose acetate. Cellulose. 19:2115-2139. doi: 10.1007/s10570-012-9762-9.
Setyorini A. 2011. Sintesis dan aplikasi selulosa-g-poliakrilamida sebagai fase diam kromatografi kolom dari serabut ampas sagu [skripsi]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor.
Sharma RK, Chauhan GS. 2009. Synthesis and characterization of graft copolymers of 2-hydroxyethyl methacrylate and some comonomers onto extracted cellulose for use in separation technologies. Bioresources. 4(3):986-1005.
Silvianita S, Nurmasari I, Sulistio A, Kurniawan F, Sumarno. 2004. Kopolimerisasi dari polyacrylamide pada starch dengan metode grafting. Di dalam: Sumarno, editor. Seminar Nasional Rekayasa Kimia dan Proses; 2004 Jul 14; Semarang, Indonesia. Surabaya (ID): Institut Teknologi Sepuluh Nopember. hlm G21.1-G21.7.
Song Y, Zhou J, Zhang L, Wu X. 2008. Homogenous modification of cellulose with acrylamide in NaOH/urea aqueous solutions. Carbohydr Polym. 73:18-25.
Suka IG. 2010. Kopolimerisasi cangkok (graft copolymerization) N -isopropilakrilamida pada film selulosa yang diinduksi oleh sinar ultraviolet dan karakterisasinya. Makara Sains. 14:1-6.
Sun R, Hughes S. 1998. Fractional extraction and physico-chemical characterization of hemicelluloses and cellulose from sugar beet pulp.
Carbohydr Polym. 36:293-299.
14
Lampiran 1 Reaktor pencangkokan-penautan-silang
Lampiran 2 Hasil pembuatan kopolimer selulosa-g-poliakrilamida MBA
(%) Ulangan
Selulosa
(g) AAm (g) APS (g) MBA (g)
Polimer (g) 1.67 1 22.5019 7.5002 0.2505 0.5003 28.9984 1.67 2 22.5023 7.5006 0.2502 0.5005 29.0172 3.33 1 22.5096 7.5071 0.2580 1.0001 29.0273 3.33 2 22.5031 7.5008 0.2537 1.0007 29.0093 5.00 1 22.5018 7.5010 0.2510 1.5005 29.1018 5.00 2 22.5020 7.5011 0.2513 1.5006 29.1702 6.67 1 22.5019 7.5011 0.2509 2.0011 29.0316 6.67 2 22.5019 7.5011 0.2510 2.0009 29.0325 Keterangan:
AAm (akrilamida), APS (amonium persulfat), MBA (N,N’-metilena-bis-akrilamida).
Keterangan:
a. Labu leher tiga
b. Impeller besi
c. Bilah pengaduk d. Mantel pemanas
e. Corong untuk memasukkan larutan f. Termometer
15
16
Lampiran 4 Pengukuran kapasitas absorpsi air
MBA
Kapasitas absorpsi = Bobot polimer akhir – Bobot polimer awal Bobot polimer awal
Kapasitas absorpsi = (0.4195 – 0.1030) g 0.1030 g
17
Lampiran 5 Pengukuran kadar nitrogen, NP, dan EP
MBA
• Kadar nitrogen percobaan
• Kadar nitrogen teoretis
N % =N AAm % + N MBA(%)
• Nisbah pencangkokan-penautan-silang (NP)
18
lanjutan Lampiran 5
NP = 100% [4.22% × (71 g/mol/14 g/mol)] 100% – [4.22% × (71 g/mol/14 g/mol)]
NP = 27.23 %
• Efisiensi pencangkokan-penautan-silang (EP)
EP = % N percobaan
% N teoretis × 100%
EP = 4.22%
5.23% × 100%
EP = 80.69%
Lampiran 6 Indeks bias sampel kopolimer pada uji daya tahan terhadap pelarut
Pelarut
Indeks bias
MBA 1.67% MBA 3.33% MBA 5.00% MBA 6.67% Isolat selulosa
Awal Akhir Awal Akhir Awal Akhir Awal Akhir Awal Akhir
Metanol 1.32610 1.32640 132610 1.32710 1.32610 1.32670 1.32460 1.32502 1.32560 1.32561
Etanol 1.35820 1.35860 1.35820 1.35860 1.35820 1.35860 1.35720 1.35705 1.35578 1.35580
Aseton 1.35575 1.35580 1.35575 1.35610 1.35580 1.35640 1.35340 1.35388 1.35086 1.35088 Etil
asetat 1.36900 1.36900 1.36900 1.36900 1.36900 1.36900 1.36206 1.36208 1.36579 1.36580 Heptana 1.38420 1.38420 1.38420 1.38420 1.38420 1.38420 1.38260 1.38260 1.38046 1.38048
Heksana 1.37520 1.37520 1.37520 1.37520 1.37520 1.37520 1.37400 1.37400 1.37520 1.37520
Toluena 1.49241 1.49242 1.49241 1.49242 1.49241 1.49242 1.49080 1.49080 1.49020 1.49022 Keterangan:
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Pemalang pada tanggal 7 Maret 1988 dari ayah Suyoto dan ibu Sumarti. Penulis adalah putri pertama dari tujuh bersaudara. Tahun 2006 penulis lulus dari SMA Negeri 2 Pemalang dan pada tahun yang sama diterima di Akademi Kimia Analisis Bogor dan lulus pada tahun 2009. Penulis kemudian melanjutkan ke jenjang S1 di Institut Pertanian Bogor (IPB) pada tahun 2010 dengan mayor Kimia Alih Jenis.
Selama tahun 2009 dan 2010 penulis pernah bekerja di PT Crystal Anugerah Abadi sebagai Purchasing selama 2 bulan dan bekerja sebagai staf Research and
Development di PT Asia Chemical Industry selama 1 tahun. Penulis juga pernah
magang kerja di PT Boehringer Ingelheim Indonesia selama 6 bulan.
