Kimia dan Kemasan. Jurnal. Journal of Chemical and Packaging

(1)

Kimia dan Kemasan

Journal of Chemical and Packaging

Vol. 35 No. 2 Oktober 2013

ISSN 2088 – 026X

KEMENTERIAN PERINDUSTRIAN

BADAN PENGKAJIAN KEBIJAKAN IKLIM DAN MUTU INDUSTRI

BALAI BESAR KIMIA DAN KEMASAN

Jurnal

Terakreditasi No : 526/AU1/P2MI-LIPI/04/2013

J. Kimia

Kemasan

Vol. 35 No. 2

Hal. 71 - 146 Jakarta Oktober 2013 ISSN 2088 – 026X

(2)

ISSN 2088 – 026X Vol. 35 No.2 Oktober 2013

JURNAL KIMIA DAN KEMASAN

(JOURNAL OF CHEMICAL AND PACKAGING)

Terakreditasi Nomor : 526/AU1/P2MI-LIPI/04/2013

Jurnal Kimia dan Kemasan memuat hasil penelitian dan telaah ilmiah bidang kimia dan kemasan yang belum pernah dipublikasikan. Jurnal Kimia dan Kemasan terbit dua nomor dalam setahun

(April dan Oktober)

Penanggungjawab Kepala Balai Besar Kimia dan Kemasan

Officially incharge Head of Center for Chemical and Packaging

Ketua Dewan Redaksi

Chief Editor

DR. Rahyani Ermawati (Biokimia/Biochemistry)

Balai Besar Kimia dan Kemasan, Jl. Balai Kimia No.1. Pekayon Kalisari, Pasar Rebo. Jakarta Timur 13069. Kotak Pos. 6916 JATPK.

Dewan Redaksi

Editorial board

Ir. Emmy Ratnawati (Kimia lingkungan/Environmental chemistry)

Balai Besar Kimia dan Kemasan, Jl. Balai Kimia No.1. Pekayon Kalisari, Pasar Rebo. Jakarta Timur 13069. Kotak Pos. 6916 JATPK.

Ir. Hendartini, MSc (Kemasan/Packaging)

Balai Besar Kimia dan Kemasan, Jl. Balai Kimia No.1. Pekayon Kalisari, Pasar Rebo. Jakarta Timur 13069. Kotak Pos. 6916 JATPK

Dra. Yemirta, M.Si (Kimia/Chemistry)

Retno Yunilawati, SSi, MSi (Kimia/Chemistry)

Arie Listyarini, SSi, MSi (Polimer/Polymer)

Mitra Bestari

Peer Reviewer

Prof. DR. Slamet, MT (Kimia/Chemistry)

Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Kampus UI Depok 16424. email : [email protected] (h-index : 3 SCOPUS)

Drs. Sudirman, MSc, APU (Kimia/Chemistry)

Gedung 71-Batan, Kawasan Puspiptek, Serpong . email : [email protected]; h-index : 1 scopus

DR. Etik Mardliyati (Biokimia/Biochemistry)

BPPT Gd II Lt 16, Jl MH Thamrin 8 Jakarta. email : [email protected]

DR. Rike Yudianti (Polimer/Polymer)

Pusat Penelitian Fisika LIPI, Jalan Cisitu No.21/154D Bandung. email : [email protected]

DR. Sunit Hendrana (Polimer/Polymer)

Pusat Penelitian Fisika LIPI, Jalan Cisitu No.21/154D Bandung. email : [email protected] (G-index : 1 ; H-index : 1) Redaksi Pelaksana Silvie Ardhanie Aviandharie, ST, MT

Agustina Arianita Cahyaningtyas, ST Bumiarto Nugroho Jati, ST.MT Novi Nur Aidha, ST

Alamat (Address) Balai Besar Kimia dan Kemasan

Badan Pengkajian Kebijakan Iklim dan Mutu Industri, Kementerian Perindustrian Jl. Balai Kimia No. 1, Pekayon, Pasar Rebo, Jakarta Timur

Telepon : (021) 8717438, Fax : (021) 8714928, Email : [email protected]

Isi Jurnal Kimia dan Kemasan dapat dikutip dengan menyebutkan sumbernya

(3)

JURNAL KIMIA DAN KEMASAN

Daftar Isi

Pengaruh Penambahan Stiren Terhadap Sifat Mekanik Dan Termal Komposit Metil Metakrilat-Pb3O4 .... Sugik Sugiantoro, Sudirman, Mashadi, dan A. Mahendra

71 – 76

Pembuatan Bahan Polimer Elektrolit Padat Berbasis Nanokomposit Kitosan

Montmorillonite Untuk Aplikasi Baterai ………...………...…………...

Evi Yulianti, Rosiana Dwi Saputri, Sudaryanto, Heri Jodi, dan Rohmad Salam

77 – 83

Analisis Struktur Kristal LiFePO4 Olivine Sebagai Bahan Katoda Batere Li-Ion ... Indra Gunawan, Ari Handayani, dan Saeful Yusuf

85 – 89

Pembentukan Struktur Nanopartikel Core-Shell Fe/Oksida Fe Dengan Proses Kimia dan Fisika ………...……….………...…………... Ari Handayani

91 – 96

Sintesis Dan Karakterisasi Polimer Blend Poli Butilen Suksinat/Poli Etilen Tereftalat ………...……… Arie Listyarini, Agustina A. Cahyaningtyas, Evana Yuanita, dan Guntarti Supeni

97 – 104

Karakterisasi Migrasi Kemasan Dan Peralatan Rumah Tangga Berbasis

Polimer ……….. Suryo Irawan dan Guntarti Supeni

105 – 112

Validasi Metode Analisis Kandungan Spesifik Residu Total Monomer Stiren Pada Kemasan Polistiren ...………...…………..………..……...……… Dina Mariana, Nuri Andarwulan, dan Hanifah Nuryani Lioe

113 – 122

Pengaruh Diameter Partikel Terhadap Konsentrasi L-DOPA, kc, Dan De Pada Ekstraksi L-DOPA Dari Biji Kara Benguk (Mucuna pruriens DC.) ……...………. Eni Budiyati, Panut Mulyono, dan Suryo Purwono

123 – 129

Pembuatan Sarung Tangan Dari Lateks Alam Yang Divulkanisasi Radiasi Dan Belerang ……… Marsongko

131 – 136

Dendrimer : Sintesis Dan Potensi Aplikasi ………...…….….…...…………... Dwinna Rahmi

137 – 144

Indeks Kata Kunci ……….…...…………...

Indeks Pengarang ……….

145

(4)

(5)

JURNAL KIMIA DAN KEMASAN

Kata Pengantar

Jurnal Kimia dan Kemasan Volume 35 Nomor 2 Oktober 2013 ini terbit dengan sepuluh artikel yang merupakan terbitan kedua di tahun 2013. Sesuai dengan nama jurnal, materi untuk terbitan kali ini memuat artikel penelitian ataupun tulisan di bidang kimia dan kemasan. Lima artikel membahas tentang penelitian pembuatan polimer berbasis komposit maupun nano komposit yaitu artikel pertama membahas penelitian tentang Pengaruh Penambahan Stiren Terhadap Sifat Mekanik dan Termal Komposit Metil Metakrilat-Pb3O4, artikel kedua tentang Pembuatan Bahan Polimer Elektrolit

Padat Berbasis Nanokomposit Kitosan Montmorillonite Untuk Aplikasi Baterai, artikel ketiga membahas tentang Analisis Struktur Kristal LiFePO4 Olivine Sebagai Bahan Katoda Batere Li-Ion, artikel keempat tentang Pembentukan Struktur Nanopartikel Core-Shell Fe/Oksida Fe Proses Kimia dan Fisika dan artikel kelima menyajikan artikel tentang Preparasi dan Karakterisasi Polimer Blend

PBS/PET. Disamping kelima artikel tersebut, terdapat dua artikel tentang aplikasi kemasan dan

validasi metode analisisnya yaitu artikel keenam tentang Karakteristik Migrasi Kemasan Dan Peralatan Rumah Tangga Berbasis Polimer dan artikel ketujuh menyajikan tentang Validasi Metode Analisis Kandungan Spesifik Residu Total Monomer Stiren Pada Kemasan Polistiren. Di bidang kimia berbasis bahan alam disajikan tiga artikel yaitu artikel kedelapan membahas tentang Pengaruh Diameter Partikel Terhadap Konsentrasi L-DOPA, kc, dan De Pada Ekstraksi L-DOPA Dari Biji Kara Benguk (Mucuna pruriens DC.), artikel kesembilan membahas tentang Perbandingan Pembuatan Sarung Tangan Dari Lateks Alam Yang Divulkanisasi Radiasi Dan Belerang serta artikel kesepuluh mengulas tentang Dendrimer : Sintesis Dan Potensi Aplikasi.

Kesepuluh topik bahasan dalam terbitan ini semoga bermanfaat bagi perkembangan ilmu pengetahuan bagi para penbaca sekalian. Akhir kata redaksi sangat bersyukur atas makalah yang masuk dari berbagai latar belakang disiplin ilmu dan seiring dengan bertambahnya waktu, redaksi berharap akan semakin banyak makalah yang masuk untuk dapat diterbitkan dalam Jurnal Kimia dan Kemasan ini. Kritik dan saran untuk peningkatan kualitas penerbitan jurnal ini sangat kami harapkan.

(6)

(7)

Pengaruh Penambahan Stiren...Sugik Sugiantoro dkk 71

PENGARUH PENAMBAHAN STIREN TERHADAP SIFAT MEKANIK DAN

TERMAL KOMPOSIT METIL METAKRILAT-Pb

3

O

4

(THE INFLUENCE OF STYRENE ADDITION ON THE MECHANICAL AND THERMAL

PROPERTIES OF METHYL METACRYLATE AND Pb3O4 COMPOSITE)

Sugik Sugiantoro

1

, Sudirman

1,2

, Mashadi

1

, dan A. Mahendra

3,4

1)

Pusat Teknologi Bahan Industri Nuklir, BATAN Kawasan Puspiptek, Serpong 15314, Tangerang Selatan

2)

Departemen Kimia, FMIPA-Universitas Indonesia Kampus Baru UI, Depok

3)

Pusat Teknologi Industri Proses (PTIP), BPPT Kawasan Puspiptek, Serpong 15314, Tangerang Selatan

4)

Jurusan Ilmu Bahan, FMIPA-Universitas Indonesia Kampus Baru UI, Depok

E-mail : [email protected]

Received : 2 April 2013; revised : 24 September 2013; accepted : 25 September 2013

ABSTRAK

Telah dipelajari pengaruh penambahan stiren terhadap sifat mekanik dan termal dari komposit Methyl Methacrylate (MMA)-Pb3O4. Pembuatan komposit stiren-MMA dengan Pb3O4 sebagai bahan perisai radiasi yang

fleksibel dilakukan dengan pencampuran 0% sampai dengan 50% berat karet Standard Indonesian Rubber (SIR)-20 dengan 100 gram MMA, dengan mesin mixing mill pada suhu 100°C, 148 rpm selama 15 menit. Penambahan serbuk Pb3O4 dilakukan secara perlahan-lahan untuk mendapatkan hasil yang homogen.

Berdasarkan sifat mekanik dan termal, menunjukkan bahwa penambahan stiren sampai dengan 30% berat merupakan kondisi optimal yang mengakibatkan peningkatan sifat mekanik, sedangkan sifat termal mengalami proses degradasi menjadi dua tahap yaitu pada suhu 310°C sampai dengan 440°C dan suhu 450°C sampai dengan 520°C. Hal tersebut diakibatkan karena stiren memiliki ketahanan termal yang lebih tinggi dibandingkan dengan MMA.

Kata kunci : Struktur mikro, Stiren, Methyl methacrylate, Pb3O4

ABSTRACT

The influence of styrene addition on the properties of Methyl Methacrylate (MMA)-Pb3O4 have been studied. Preparation of styrene-MMA composite with Pb3O4 as a flexible radiation shielding materials was done by mixing as much as 0% up to 50% by weight of rubber Standard Indonesian Rubber (SIR)-20 with 100 grams of MMA, and it was milled by a mixing machine at 100°C and 148 rpm for 15 minutes. While milling process Pb3O4 powder was added slowly until a homogeneous mixture obtained. The composite was rolled into sheet form for the mechanical and thermal characterization. The characterization results indicate that the addition of styrene 30% by weight as an optimal condition to increase mechanical and thermal properties. Furthermore the addition of styrene also affected on degradation process into two stages at temperatures less than 310°C to 440°C and the temperature of 450°C to 520°C. This is caused by higher thermal resistance styrene than MMA.

Keywords : Microstructure, Styrene, Methyl methacrylate, Pb3O4

PENDAHULUAN

Perisai radiasi merupakan suatu

kebutuhan bagi pekerja radiasi, sehingga diperlukan upaya untuk mendapatkan bahan perisai radiasi yang mempunyai serapan tinggi dan fleksibel dalam penggunaannya.Selama ini bahan perisai radiasi dalam bentuk pintu terbuat

dari lembaran logam Pb, sehingga sangat berat, pengerjaan cukup lama, dan mahal harganya. Oleh sebab itu untuk memenuhi kriteria tersebut diperlukan adanya modifikasi bahan perisai radiasi dari jenis timbal yang bersifat lentur dan kuat (Sudirman dkk 2000; Sugiantoro dkk 2012)

(8)

J. Kimia Kemasan, Vol.35 No.2 Oktober 2013 : 71-76 72

Pembuatan komposit polimer dalam

bentuk Elastomeric Thermoplastic Polymers (ETP) dilakukan dengan cara mencampurkan stiren dan Methyl Methacrylate (MMA) dengan berbagai komposisi di dalam karet alam, kemudian diiradiasi gamma sehingga terbentuk ETP. Selanjutnya ditambahkan Pb3O4 sebagai

bahan pengisi. MMA dalam bentuk Poly Methyl Methacrylate (PMMA) memiliki sifat kuat, ringan, dan kerapatan yang tinggi sehingga PMMA dapat digunakan sebagai perisai untuk menghentikan radiasi beta yang dipancarkan oleh radioisotop, sedangkan Pb3O4 mempunyai

daya serap yang tinggi terhadap radiasi sinar gamma (Sudirman dkk 2000; Sugiantoro dkk 2012; Deniz, et al. 2010; Bonnia, et al. 2010; Blond, et al. 2006).

Sesuai hal tersebut diatas, pada penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan komposit polimer berbasis Elastomeric Thermoplastic

Polymers (ETP) dan dicampurkan dengan jenis

karet alam Standard Indonesian Rubber 20 (SIR-20) dan ditambahkan Pb3O4 sebagai

pengisi. Hasil komposit tersebut dapat digunakan sebagai pintu perisai radiasi (Kaniappan and Latha 2011; Blond, et al. 2006; Charmondusit, et al. 1998).

Untuk mengetahui hasil sintesis maka perlu dilakukan karakterisasi yang meliputi sifat termal, sifat mekanik, dan struktur mikro. Karakterisasi tersebut bertujuan untuk mengetahui sifat termal, distribusi bahan pengisi didalam komposit, dan kekuatan uji tarik komposit yang dihasilkan. Diharapkan komposit polimer ini dapat menjadi bahan alternatif sebagai perisai radiasi dalam bentuk pintu dengan segala keunggulannya (Arshadet, et al. 2011; Flynn 2005; Price, et al. 2000; Beyler and Hirschler 2002; Bonnia, et al. 2010).

BAHAN DAN METODE Bahan dan Alat

Bahan yang digunakan pada penelitian ini diantaranya karet SIR-20, stiren, Methyl Methacrylate (MMA), Pb3O4, ZnO, sulfur, TMQ

(Tri Methyl Quinoline), TMTD (Tetra Methyl

Thiuram Disulfide), dan asam stearat.

Alat yang digunakan pada penelitian ini antara lain seperangkat alat Simultaneous

Thermal Analysis (STA) merk SETARAM

TAG-24-S buatan Perancis, Scanning Electron

Microscope (SEM-EDS) merk Jeol JSM 6510LA

buatan Jepang, serta alat uji tarik. Metode

Untuk pembuatan komposit dilakukan dengan menimbang 0%, 10%, 30%, dan 50% berat karet SIR ditambah 100 gram bahan ETP

kemudian digiling menggunakan mesin mixing mill pada suhu 100°C dengan kecepatan 148 rpm selama 15 menit sampai melunak.

Kemudian ditambahkan asam stearat, ZnO, dan TMQ sambil digiling. Setelah tercampur homogen ditambahkan serbuk Pb3O4

secara perlahan sejumlah 400 phr. Phr adalah

part hundred rubber merupakan perbandingan

berat tiap 100 gram karet yang dirumuskan phr = 100 x mf/mr , dimana mf adalah massa bahan pengisi dan mr adalah massa resin (karet).

Setelah diperoleh hasil gilingan yang homogen, kemudian dibuat bentuk lembaran menggunakan hot press pada suhu 145°C pada tekanan 50 kg/cm2 selama 20 menit. Selanjutnya dilakukan karakterisasi sifat termal dan sifat mekanik.

Penelitian dilakukan di PTBIN-BATAN Serpong-Tangerang Selatan dan di laboratorium Produksi PT Agronesia-Bandung

HASIL DAN PEMBAHASAN

Hasil karakterisasi sifat mekanik pada pengaruh penambahan stiren terhadap komposit ETP-Pb3O4 diperlihatkan pada Tabel 1. yang

meliputi kuat tarik, perpanjangan, modulus 100% dan modulus 300%, kuat sobek, kekerasan, dan abrasi. Uji sifat mekanik tersebut dilakukan untuk mengetahui hasil komposit polimer memiliki sifat mekanik yang baik.

Dari Tabel 1. tersebut diperlihatkan bahwa penambahan jumlah fraksi berat stiren sampai dengan 30% berat ke dalam komposit polimer ETP-Pb3O4 memperlihatkan peningkatan sifat

mekanik komposit berupa kuat tarik,

perpanjangan modulus 100% dan modulus 300%, kuat sobek, kekerasan, dan abrasi. Hal tersebut disebabkan semakin meningkat jumlah stiren yang ditambahkan ke dalam komposit ETP-Pb3O4 mengakibatkan ikatan polimer antara

stiren dengan ETP juga semakin meningkat

yang selanjutnya dapat mengakibatkan

peningkatan ikatan antar muka antara Pb3O4

dengan stiren dan berdampak pada distribusi Pb3O4 di dalam komposit juga semakin merata

(Sugiantoro dkk 2012; Kaniappan and Latha 2011; Blond, et al. 2006; Charmondusit, et al. 1998). Disamping itu peningkatan sifat mekanik tersebut diakibatkan terjadinya pencangkokan atau grafting antara percabangan kopolimer radikal stiren ke dalam ikatan rangkap yang ada pada ETP. Grafting antara ETP dan komponen stiren menghasilkan kompatibilitas sistem yang mengakibatkan meningkatnya sifat mekanik komposit (Sugiantoro dkk 2012; Kaniappan and Latha 2011; Blond, et al. 2006; Charmondusit, et al. 1998).

(9)

Pengaruh Penambahan Stiren...Sugik Sugiantoro dkk 73

Tabel 1. juga memperlihatkan bahwa penambahan stiren dari karet alam cair sampai engan 50% berat dalam pembentukan ETP mengakibatkan penurunan sifat mekaniknya. Hal

tersebut diakibatkan oleh terjadinya

penumpukan monomer stiren ke dalam partikel

karet alam cair, artinya pembentukan

homopolimer antara molekul stiren lebih banyak pada komposisi 50% berat dibandingkan dengan komposisi 30% berat. Dampaknya terjadi koagulasi dan penurunan emulsifier yang mengakibatkan ratio graft juga mengalami penurunan. Hal tersebut diatas berakibat pada

penurunan luas permukaannya sehingga

mengakibatkan penurunan sifat mekanik

(Kaniappan and Latha 2011; Blond, et al. 2006; Charmondusit, et al. 1998).

Perlakuan karakterisasi termal terhadap pengaruh penambahan stiren pada komposit ETP-Pb3O4 dilakukan pada suhu 60°C sampai

dengan suhu 600°C dengan kecepatan

pemanasan 10°C per menit menggunakan

seperangkat alat Simultaneous Thermal

Analyzer-Setaram dengan gas inert argon.

Hasil karakterisasi termal pengaruh penambahan stiren 0% berat sampai dengan 50% berat ke dalam komposit ETP-Pb3O4

ditunjukkan pada Gambar 1, Gambar 2, Gambar 3, dan Gambar 4. Dari gambar tersebut terlihat adanya beberapa pola puncak endotermis dan eksotermis.

Puncak eksotermis yang terjadi pada awal

pemanasan sampai dengan suhu 100°C

merupakan puncak yang dihasilkan oleh katalis dan pereaksi lain (aditif) yang digunakan dalam komposit seperti TMQ dan TMTD sebagai pemercepat (Price, et al. 2000; Beyler and Hirschler 2002; Bonnia, et al. 2010; Comuce, et al. 2010).

Pada suhu 90°C sampai dengan suhu 105°C terjadi proses depolimerisasi dari stiren

menjadi monomernya. Ketidakstabilan

monomernya berlanjut hingga suhu kurang lebih 300°C sebelum terjadi degradasi yang ditandai dengan terjadi puncak endotermis pada kurva

heat flow dan penurunan berat pada kurva

Termogravimetri (TG) (Price, et al. 2000; Beyler

and Hirschler 2002; Bonnia, et al. 2010; Comuce, et al. 2010).

Hasil karakterisasi pengaruh

penambahan stiren 0% berat ditunjukkan pada Gambar 1. Dari Gambar 1 tersebut terlihat bahwa puncak endotermis pertama terjadi pada suhu 310°C menunjukkan mulai terjadi degradasi ETP yang diawali oleh ketidakstabilan ikatan antar molekul polimer dan terjadi pemutusan ikatan antar polimer pada suhu 310°C sampai dengan suhu 450°C. Proses degradasi tersebut disertai dengan penurunan berat polimer sampai kurang lebih 97% berat

seperti diperlihatkan pada garis

Termogravimetrinya (TG). Pengaruh

penambahan stiren 10% berat sampai dengan 50% berat ditunjukkan pada Gambar 2, Gambar 3, dan Gambar 4. Dari gambar tersebut memperlihatkan proses degradasi yang ditandai dengan kurva endotermis dan penurunan berat terjadi dalam dua tahap yaitu tahap pertama pada suhu kurang lebih 310°C sampai dengan suhu 440°C dan antara suhu 450°C sampai dengan suhu 520°C.

Puncak endotermis pada suhu kurang lebih 310°C sampai dengan suhu 440°C merupakan proses terjadinya degradasi dari stiren yaitu terjadi pemutusan ikatan antar rantai karbon. Dari gambar tersebut memperlihatkan penurunan berat sebesar 15% sampai dengan 20% berat dari kurva termogravimetrinya.

Puncak endotermis kedua terjadi pada suhu kurang lebih 450°C sampai dengan suhu 520°C. Pada suhu tersebut mulai terjadi pemutusan ikatan rantai karbon pada stiren yang mengakibatkan penurunan berat kurang lebih 5% berat.

Kompatibilitas sistem stiren-ETP terlihat pada kurva heat flow pada suhu kurang lebih 300°C sampai dengan suhu 470°C. Pada suhu tersebut mulai terjadi mobilitas partikel penyusun stiren dan ETP sebelum terjadinya degradasi. Pada Gambar 2 terlihat bahwa pengaruh penambahan stiren ditunjukkan adanya awal puncak yang mulus atau “smooth” dibandingkan puncak pada Gambar 1 untuk suhu yang sama. Dari Gambar 2 tersebut menunjukkan dominasi pengaruh ETP.

Tabel.1. Hasil karakterisasi sifat mekanik komposit stiren-MMA dengan bahan pengisi Pb3O4

Jenis karakterisasi komposit Jumlah stiren yang ditambahkan (%berat)

0% 10% 30% 50%

Kuat Tarik (Mpa) 4,97 8,78 9,48 8,69

Perpanjangan 100% (Mpa) 4,73 16,78 28,24 21,06

Perpanjangan 300% (Mpa) 11,82 35,64 59,02 46,87

Kuat Sobek (Kg/cm) 7,22 23,68 25,54 31,43

Kekerasan (Shore A) 44,00 57,40 75,60 87,00

(10)

Pada Gambar 3, dalam rentang suhu kurang lebih 300°C sampai dengan suhu 470°C menunjukkan perbandingan stiren-ETP yang sesuai, hal ini diindikasikan terjadinya puncak yang landai sehingga sebelum terdegradasi

ikatan stiren-ETP terlepas secara bersama. Sedangkan pada Gambar 4 pada rentang suhu yang sama terlihat adanya puncak yang tumpang tindih terjadi pada suhu kurang lebih 350°C.

Gambar 1. Hasil karakterisasi termal komposit stiren 0% + MMA + Pb3O4 400 phr

T h e rm a l G ra v im e tr y Heat flow TG Temperatur (°C) H e a t F lo w T h e rm a l G ra v im e tr y Heat flow TG Temperatur (°C) H e a t F lo w TG Heat flow T h e rm a l G ra v im e tr y H e a t F lo w Temperatur ( 0C )

(11)

Pengaruh Penambahan Stiren...Sugik Sugiantoro dkk 75 Gambar 4. Hasil karakterisasi termal komposit stiren 50% + MMA + Pb3O4 400 phr

KESIMPULAN

Dari hasil karakterisasi yang dilakukan

dapat disimpulkan bahwa pengaruh

penambahan stiren terhadap komposit MMA

-Pb3O4 sampai dengan 30% berat

mengakibatkan peningkatan sifat mekanik sedangkan sifat termalnya terjadi 2 tahapan degradasi yaitu pada suhu kurang lebih 310°C sampai dengan suhu 440°C dan antara suhu 450°C sampai dengan suhu 520°C. Hal tersebut diakibatkan stiren memiliki ketahanan termal yang lebih tinggi dibandingkan MMA.

DAFTAR PUSTAKA

Arshadet, M., K. Masud, M.Arif, S.Rehman,

A.Saeed, and J. Zaidi. 2011.

Characterization of poly(methyl methacrylate)-tin (IV) chloride blend by TG-DTG-DTA, IR and Pyrolysis-GC-MS Techniques. Bull. Korean Chem. Soc 32(9): 3295-3305.

Beyler, C. L. and M.M. Hirschler. 2002. Thermal decomposition of polymers. 3th ed. Boston.

Blond, D., V. Barron, M. Ruether, K.P. Ryan, V. Nicolosi, W.J. Blau, and J. N.

Coleman. 2006. Enhancement of

modulus, strength, and toughness in poly (methyl methacrylate)-based composites by the incorporation of

poly(methylmethacrylate)-functionalized nano tubes. Advenced

Functional Materials. Weinheim:

WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA.

Bonnia, N. N., S. H. Ahmad, I. Zainol, A. A. Mamun, M. D. H. Beg, A. K. Bledzki. 2010. Mechanical properties and environmental stress cracking

resistance of rubber toughened polyester/kenaf composite. eXPRESS Polymer Letters 4(2): 55–61.

Charmondusit, K., S. Kiatkamjornwong, and P. Prasassarakich. 1998. Grafting of methyl methacrylate and styrene onto natural rubber. J. Sci. Chula. Univ 23(2): 167-181.

Comuce M., Rogaume T., Richard F., Luche J. and Rousseaux P. 2010. Kinetics and mechanism of the thermal degradation

of polymethyl methacrylate by

TGA/FTIR analysis. 6th International Seminar on Fire and Explosion Hazards. UK: Leeds.

Deniz, V., N. Karakaya, and O.G. Ersoy. 2010. Effects of fillers on the properties of thermoplastic elastomers. Society of Plastic Engineers-Plastics Research

Online. 10.1002/spepro.002518: 1-4.

Flynn, J. H. 2005. Thermal analysis of polymers. Encyclopedia of Polymer Sceince and Technology. John Wiley & Sons Inc. Kaniappan, K. and S. Latha. 2011. Certain

investigations on the formulation and

characterization of

polystyrene/poly(methyl methacrylate) blends. International Journal of

ChemTech Research 3(2): 708-717.

Price, D. M., D. J. Hourston, and F. Dumont. 2000. Thermogravimetry of polymers. Encyclopedia of Analytical Chemistry R.A. Meyers. Chichester: John Wiley & Sons Ltd.

Sudirman, A. Handayani, T. Darwinto, T. Yulius, A. Sunarni dan I. Marijanti. 2000. Struktur mikro dan sifat mekanik komposit elastomer termo plastik-timbal oksida. Jurnal Mikroskopi dan Mikroanalisis 3(1): 17-20. T h e rm a l G ra v im e tr y Heat flow TG Temperatur (°C) H e a t F lo w

(12)

Sugiantoro, S., Sudirman, Mashadi, Histori, dan A. Mahendra. 2012. Karakterisasi termal sifat mekanik dan struktur mikro komposit ETP-Stiren dengan timbal

oksida. Dalam: Prosiding seminar nasional SDM teknologi nuklir VIII. STTN-BATAN: p.365-371

(13)

Pembuatan Bahan Polimer Elektrolit……….Evi Yulianti dkk 77

PEMBUATAN BAHAN POLIMER ELEKTROLIT PADAT BERBASIS

NANOKOMPOSIT KITOSAN MONTMORILLONITE

UNTUK APLIKASI BATERAI

(SYNTHESIS OF SOLID POLYMER ELECTROLYTE BASED ON CHITOSAN

MONTMORILLONITE NANOCOMPOSITE FOR BATTERY APPLICATION)

Evi Yulianti

1

, Rosiana Dwi Saputri

2

, Sudaryanto

1

, H. Jodi

1

, dan R. Salam

1 1)

Pusat Teknologi Bahan Industri Nuklir (PTBIN)-BATAN Kawasan Puspiptek Serpong, 15314, Tangerang.

2)

Jurusan Fisika-FMIPA Universitas Jenderal Sudirman, Purwokerto

E-mail : [email protected]

Received: 4 Juni 2013; revised: 10 Juni 2013; accepted: 11 September 2013

ABSTRAK

Telah dilakukan pembuatan bahan polimer elektrolit padat berbasis nanokomposit kitosan montmorillonite yang diaplikasikan dalam sistem baterai. Penelitian ini dilakukan dengan tujuan untuk menentukan komposisi optimal antara kitosan, montmorillonite dan LiClO4 sehingga diperoleh membran dengan karakteristik yang paling baik.

Teknik pembuatan membran dilakukan menggunakan metode casting. Terdapat dua seri sampel yang akan di uji, yaitu membran dengan variasi komposisi montmorillonite dan variasi komposisi LiClO4. Komposisi kitosan dan montmorillonite yang digunakan pada sampel seri kedua diperoleh dari komposisi optimal membran

kitosan-montmorillonite pada sampel seri pertama. Karakterisasi yang dilakukan meliputi uji tarik, pengukuran konduktivitas ionik dan identifikasi menggunakan difraksi sinar X. Penambahan montmorillonite meningkatkan kuat tarik membran dan konduktivitas ionik setelah ditambah LiClO4. Pada kondisi optimal diperoleh konduktivitas ionik 2,383 x 10-5 S/cm

dan kuat tarik 15,19 Mpa pada komposisi montmorillonit 5% b/b dan LiClO4 40%. Hasil analisis difraksi sinar X

menunjukkan terjadi proses interkalasi polimer kitosan ke dalam montmorillonite. Kata kunci : nanokomposit, kitosan, montmorillonite, polimer elektrolit

ABSTRACT

Synthesis of Solid Polymer Electrolyte (SPE) based on chitosan montmorillonite nanocomposite has been done. In the future SPE will be applied in battery system. This research was conducted to determine the optimum composition of chitosan, montmorillonite and LiClO4 in order to get the the best characteristic membrane, including conductivity

and mechanical properties. The membranes were prepared by casting method. There were two sample series, chitosan and montmorillonite and chitosan-montmorillonite and LiClO4 with different compositions. The

nanocomposite chitosan-montmorillonite membranes were characterized their conductivty, tensile strength and crystal structure by high precision LCR, Universal Testing Machine (UTM) and X-ray diffraction (XRD), respectively. The experimental result shows that the addition of montmorillonite increase in tensile strength and ionic conductivity after the addition of lithium salt LiClO4. Overall, the optimum condition was obtained at composition 5%

montmorillonite and 40% LiClO4. This composition has the conductivity and tensile strength about 2.383 x 10 -5

S/cm = and 15.19 MPa, respectively. XRD analysis proved the intercalation of polymer chitosan into the montmorillonite layers.

(14)

(15)

J. Kimia Kemasan, Vol.35 No.2 Oktober 2013 : 77-83 78

PENDAHULUAN

Maraknya penggunaan perangkat elektronik

seperti handphone serta laptop/netbook

mendorong para ahli untuk mengembangkan alternatif sumber penyimpanan energi. Baterai merupakan salah satu sumber penyimpanan energi yang paling efektif. Baterai terdiri dari dua komponen penting yaitu elektrolit dan elektroda. Elektrolit atau konduktor ionik berperan sebagai

jembatan untuk mentransfer ion-ion yang

dihasilkan oleh elektroda. Pada awalnya elektrolit berbentuk cairan, namun elektrolit cair memiliki kekurangan diantaranya kurang praktis, mudah bocor dan mudah korosi. Oleh karena itu orang beralih kepada elektrolit bermatriks padatan sebagai elektrolit baterai. Membran elektrolit padat yang ideal harus memiliki stabilitas kimia, stabilitas termal konduktivitas proton yang tinggi, fleksibilitas tinggi, biaya yang rendah dan ketersediaan bahannya yang melimpah di alam (Yuan, et al. 2009 ; Fonseca, and Neves 2006).

Berbagai jenis material terus dikembangkan

dalam pembuatan elektrolit padat baterai.

Penggunaan polimer sintetis sebagai bahan elektrolit padat ternyata masih memiliki beberapa

kekurangan. Selain harganya yang mahal,

dampak lingkungan akibat menumpuknya sampah kimia juga menjadi salah satu permasalahan yang sering muncul. Kembali ke alam merupakan solusi yang paling di rekomendasikan untuk mengatasi masalah tersebut. Kitosan merupakan salah satu jenis polimer alam yang berpotensi sebagai bahan

elektrolit padat. Kitosan adalah biopolimer

karbohidrat alam yang diturunkan dari proses deasetilasi kitin. Kitin sendiri merupakan senyawa biopolimer kedua yang paling banyak ditemukan dialam setelah selulosa(Rinaudo, 2006; Muzzareli and Muzzareli 2005; Yahya and Arof 2003). Penelitian elektrolit padat dengan bahan dasar kitosan telah banyak dilakukan (Yahya and Arof 2003; Kadir et al. 2011; Shujahadeen et. al. 2010). Salah satunya adalah fabrikasi film elektrolit padat berbasis kitosan menggunakan teknik implantasi ion. Konduktivitas ionik membran yang dihasilkan

masih relatif rendah yaitu sekitar 10-7 S/cm

(Yulianti, et al. 2012). Selain itu fabrikasi bahan elektrolit padat dengan cara menambahkan garam lithium ke dalam matriks kitosan menggunakan

metode casting juga masih memiliki kekurangan.

Kebanyakan garam-garam yang ditambahkan bersifat higroskopis sehingga berpengaruh dalam aplikasi serta sifat mekanik yang kurang bagus pada daerah konduksi (Munshi, 1995).

Berbagai usaha telah dilakukan guna

mendapatkan bahan elektrolit padat yang memiliki konduktivitas tinggi, stabilitas mekanik dan fleksibilitas tinggi. Salah satu upaya yang banyak saat ini adalah dengan menyisipkan nanomaterial ke dalam matriks polimer. Material baru ini disebut

dengan Polymer/clay nanocomposite (Kurian et al.

2012) Clay memiliki struktur lembaran, dimana

jarak antar lembarannya berada pada orde nanometer. Partikel–partikel berukuran nanometer memiliki luas permukaan interaksi yang tinggi. Interaksi yang maksimal antara matriks polimer dengan nanopartikel akan menghasilkan pola pendispersian yang merata pada matriks polimer. Konfigurasi ini menyebabkan perubahan yang signifikan terhadap sifat fisis bahan yang dihasilkan. Keunggulan material ini antara lain meningkatkan kekuatan, kekakuan, kestabilan dimensi dan resistensi terhadap suhu tinggi. Salah

satu jenis clay yang banyak dipelajari saat ini

adalah montmorillonite. Sejumlah hasil penelitian

menunjukan bahwa penambahan montmorillonite

ke dalam matriks polimer terbukti mampu

meningkatkan sifat mekanik material yang

dihasilkan (.Kusmono 2010; Hartono 2011). Berdasarkan uraian di atas, pada makalah ini dilaporkan hasil penelitian mengenai pembuatan dan kajian konduktivitas ionik serta kuat tarik

bahan nanokomposit polimer kitosan dan

monmorilonit yang kemudian ditambah dengan

garam lithium berupa Lithium Perklorat (LiClO4)

dengan tujuan untuk mendapatkan bahan polimer elektrolit berbasis kitosan dengan konduktivitas ionik dan sifat mekanik yang lebih baik.

BAHAN DAN METODE

Bahan

Bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah kitosan dari kulit kerang produksi Institut Pertanian Bogor dengan nilai derajat deasetilasi

sebesar 86%, asam asetat 1%, montmorillonite K

10 (Sigma-Aldrich), lithium perklorat (LiClO4)

(Sigma-Aldrich) dan aquades.

Metode

Pada penelitian ini dibuat dua seri sampel. Untuk sampel seri pertama diawali dengan

pembuatan nanokomposit kitosan-montmorillonite.

Proses pembuatan membran nanokomposit

dilakukan menggunakan metode casting. Langkah

pertama adalah melarutkan kitosan ke dalam asam asetat 1%. Larutan kemudian didiamkan selama 3 hari 3 malam sambil sesekali diaduk

(16)

(17)

Langkah selanjutnya adalah menambahkan

montmorillonite ke dalam matriks kitosan dengan variasi komposisi 2%, 5%, 10%, 15% dan 20% dalam persen berat. Larutan kitosan ditambahkan

montmorillonite kemudian diaduk

menggunakanmagnetic stirrer selama kurang lebih

dua jam sehingga terbentuk larutan yang homogen.

Selanjutnya masing-masing komposisi

(kitosan + montmorillonite) ditebarkan di atas plat kaca dan dimasukkan ke dalam pengering sampai terbentuk membran. Sampel yang dihasilkan

kemudian dikarakterisasi untuk mengetahui

komposisi yang paling optimum.

Selanjutnya, sampel seri kedua diperoleh

dengan cara menambahkan garam LiClO4 ke

dalam campuran larutan kitosan dan

montmorillonite. Variasi komposisi garam yang ditambahkan yaitu 5% , 10%, 20%, 30% dan 40% (dalam persen berat). Komposisi kitosan dan

montmorillonite yang digunakan diperoleh dari

komposisi optimum membran nanokomposit

kitosan-montmorillonite pada sampel seri pertama.

Dengan teknik yang sama maka diperoleh

membran nanokomposit kitosan montmorillonite

dengan variasi komposisi garam lithium. Membran

nanokomposit yang dihasilkan kemudian

dikarakterisasi kembali untuk mengetahui

perubahan sifat fisis akibat penambahan garam-garam lithium.

Karakterisasi yang dilakukan meliputi

konduktivitas ionik, kuat tarik dan kristalinitas membran. Kekuatan tarik diuji menggunakan alat

Universal Testing machine (UTM) strograph VGS S-E Toyoseiki berdasarkan American Standard Testing and Material (ASTM) D-1822 L. Konduktivitas ionik membran diukur menggunakan LCR Hi-tester Hioki 3532-50. Identifikasi fasa dan kristalinitas sampel di karakterisasi menggunakan

peralatan Shimadzu X-Ray Diffractometter

XD-610.

1. Analisis Konduktivitas ionik membran Kitosan

Nilai konduktivitas ionik membran

nanokomposit kitosan-montmorillonite yang diukur

dengan berbagai variasi frekuensi ditunjukkan pada Gambar 1. Nilai frekuensi yang digunakan

adalah pada rentang 42-106 Hz.

Pada Gambar 1 secara umum terlihat bahwa konduktivitas ionik membran mengalami kenaikan dengan kenaikan frekuensi. Selain itu juga terlihat

bahwa penambahan montmorillonite ke dalam

matriks polimer kitosan tidak memberikan

perubahan yang signifikan terhadap konduktivitas ionik membran dimana pada rentang frekuensi 42

Hz-1 MHz, nilai konduktivitas membran

mengalami kenaikan berkisar pada 10-10-10-7 .

Nilai konduktivitas yang terukur dapat

dibedakan menjadi dua yaitu konduktivitas AC dan

konduktivitas DC. Konduktivitas AC adalah

konduktivitas yang nilainya dipengaruhi oleh

perubahan frekuensi, sedangkan konduktivitas DC

merupakan konduktivitas yang nilainya tidak dipengaruhi oleh perubahan frekuensi, pada sampel ini terjadi pada kisaran frekuensi rendah

(42- 150 Hz). Nilai konduktivitas DC untuk

masing-masing membran ditunjukan pada Tabel 1.

Konduktivitas DC diperoleh melalui hasil fitting

garis pada kurva hubungan antara nilai

konduktivitas dan frekuensi yang mengikuti

persamaan Universal Power Law (UPL): () =

dc + A n

(Pradan 2008), sehingga dapat diketahui

pengaruh penambahan montmorillonite terhadap

konduktivitas DC membran (film) kitosan.

Gambar 1. Pengaruh frekuensi pada konduktivitas ionik membran kitosan pada variasi penambahan

Montmorillonite

Tabel 1: Konduktivitas DC membran kitosan dengan penambahan montmorillonite pada berbagai komposisi. No. Komposisi montmorillonite (%) Konduktivitas dc 1. 0 8,16 x 10-10 2. 2 2,60 x 10-10 3. 5 5,18 x 10-10 4. 10 2,29 x 10-10 5. 15 2,74 x 10-10 6. 20 5,66 x 10-10

(18)

(19)

J. Kimia Kemasan, Vol.35 No.2 Oktober 2013 : 77-83 80 Berdasarkan data pada Gambar 1 dan

Tabel 1 terlihat bahwa nilai konduktivitas ionik

membran untuk berbagai variasi komposisi

montmorillonite masih berada pada orde 10-10.

Penambahan montmorillonite tidak meningkatkan

nilai konduktivitas secara signifikan dikarenakan struktur dari montmorillonitei walaupun kaya akan ion-ion seperti Al atau Mg tetapi ionnya terikat dalam bentuk senyawa koordinasi dalam struktur oktahedral (Hartono 2011). Konduktivitas ionik

kitosan awal yaitu sebesar 8,16 x 10-10 S/cm. Nilai

konduktivitas ionik membran cenderung

mengalami penurunan setelah ditambah

montmorillonite. Penurunan nilai konduktivitas ionik terjadi saat komposisi montmorillonite 2 %

yaitu sebesar 2,60 x 10-10 S/cm. Penurunan ini

disebabkan karena adanya penggumpalan

(aglomerasi) yang justru akan menghalangi loncatan atau transport ion pada membran. Ini terlihat dari hasil gambar mikroskop optik yang dapat dilihat pada Gambar 2.

Penambahan garam Lithium Perklorat

(LiClO4) dilakukan guna meningkatkan nilai

konduktivitas ionik bahan. Komposisi LiClO4 yang

ditambahkan adalah 5%, 10%, 20%, 30% dan 40 % berat dari polimer kitosan. Hasil pengukuran konduktivas ionik membran dengan variasi komposisi garam lithium disajikan pada gambar 3 dan Tabel 2.

a b

Gambar 2. Hasil mikroskop optik membran a). kitosan dan b). kitosan + montmorillonite

Gambar 3. Pengaruh frekuensi terhadap konduktivitas ionik membran kitosan /montmorillonite pada variasi komposisi LiClO4

Tabel 2: Konduktivitas DC membran kitosan /

montmorillonite dengan penambahan LiClO4 pada berbagai komposisi

No. Komposisi LiClO4 (%) Konduktivitas dc

1. 5 1,43 x 10-9 2. 10 3,05 x 10-9 3. 20 4,79 x 10-7 4. 30 5,16 x 10-7 5. 40 2,38 x 10-5

Dari Gambar 3. dan Tabel 2. terlihat secara umum terjadi perubahan nilai konduktivitas setelah ditambah garam LiClO4. Nilai konduktivitas ionik

membran setelah ditambah LiClO4 mengalami

perubahan yang sangat signifikan dari nilai

konduktivitas awal sekitar 10-10 menjadi 10-5

Konduktivitas membran mengalami kenaikan hingga 100.000 kali lipat. Kenaikan konduktivitas

ionik setelah penambahan garam lithium

dikarenakan permukaan yang kaya akan ion - ion lithium yang dimiliki oleh membran. Semakin banyak komposisi garam yang ditambahkan, konduktivitas ionik membran juga semakin meningkat. Hal ini berarti semakin banyak ion yang bergerak akibat penambahan garam lithium

dalam membran. Secara keseluruhan nilai

Konduktivitas optimum diperoleh pada komposisi

LiClO4 40% yaitu sebesar 2,38 x 10

-5

S/cm.

2. Analisis Kuat Tarik membran Kitosan

Kekuatan tarik berperan penting terhadap

sifat mekanik nanokomposit polimer yang

dihasilkan. Kekuatan tarik di ukur dari besarnya

gaya maksimum yang digunakan untuk

memutuskan/mematahkan spesimen awal bahan dengan luas penampang tertentu

Pada penelitian sebelumnya (Costa, et. al

2010), penambahan garam LiClO4 pada fabrikasi

membran kitosan dengan teknik casting ternyata

menghasilkan sampel yang bersifat higroskopis. Penambahan garam justru menyebabkan sampel menjadi rapuh dan lembek sehingga tidak memungkinkan untuk dilakukan uji tarik. Pada

penelitian ini telah ditambahkan montmorillonite ke

dalam matriks kitosan guna meningkatkan

kekuatan mekanik membran. Dari hasil

karakterisasi uji tarik, dapat diketahui pengaruh

penambahan montmorillonite pada berbagai

komposisi terhadap kekuatan tarik nanokomposit polimer yang ditunjukan pada Gambar 4.

50 m 50 m

(20)

Gambar 4. Pengaruh penambahan montmorillonite

terhadap kuat tarik film kitosan.

Pengaruh penambahan montmorillonite

terhadap nanokomposit polimer yang dihasilkan

ditunjukan pada Gambar 4. Tampak bahwa

penambahan montmorillonite mampu

meningkatkan kekuatan tarik nanokomposit.

Peningkatan kuat tarik disebabkan karena sifat

dasar montmorillonite yang memiliki kekakuan

tinggi sehingga membatasi gerakan molekul

polimer. Luas kontak permukaan struktur

nanokomposit yang besar juga menyebabkan ikatan yang kuat antara matriks polimer kitosan

dengan lapisan montmorillonite. Kuat tarik

optimum diperoleh pada komposisi

montmorillonite 5% yaitu sebesar 93,1 MPa. Pada Gambar 4 juga terlihat adanya penurunan kuat tarik nanokomposit. Penurunan

terjadi saat penambahan konsentrasi

montmorillonite 10% yaitu sebesar 64,98 MPa.

Penurunan kuat tarik disebabkan adanya

aglomerasi montmorillonite. Penggumpalan ini

menyebabkan terbentuknya daerah antarmuka (interface) atau daerah kosong antara kitosan dan

montmorillonite. Hal ini disebabkan karena

montmorillonite yang dicampur masih berupa serbuk sedangkan kitosan yang berperan sebagai pengikatnya sudah dalam bentuk larutan. Adanya daerah yang kosong, ketika sampel nanokomposit ditarik akan lebih cepat patah dan bersifat lebih getas. Hasil ini serupa dengan penelitian yang dilakukan oleh Rudi Hartono yang melakukan

penambahan montmorillonite pada matriks

polipropilen (Hartono 2011).

Pengaruh penambahan LiClO4 terhadap

besarnya kuat tarik membran juga dianalisis. Pengaruh penambahan garam lithium terhadap kuat tarik membran disajikan pada gambar 4.

Berdasarkan hasil pengukuran rata – rata kekuatan tarik membran diperoleh bahwa semakin

Gambar 5. Pengaruh penambahan LiClO4 terhadap

kuat tarik membran kitosan

montmorillonite

banyak LiClO4 yang ditambahkan maka nilai kuat

tarik membran semakin menurun.

Peningkatan jumlah LiClO4 akan menurunkan

kekuatan gaya antar molekul sehingga mobilitas antar rantai molekul kitosan meningkat. Hal ini

memungkinkan LiClO4 yang merupakan molekul

higroskopis kecil dapat dengan mudah masuk diantara rantai – rantai polimer. Penurunan kuat tarik ini kemudian merubah sifat rigid membran menjadi lebih fleksibel. Fenomena di atas merujuk kepada hasil penelitian yang dilakukan oleh Taufik

Nurkalih bahwa penambahan garam LiClO4

dalam matriks polimer PEO juga menurunkan kuat tarik membran yang dihasilkan (Nurkalih, 2009) Penurunan kuat tarik juga berkaitan dengan perubahan kristalinitas yang dimiliki oleh polimer

akibat penambahan garam. Material yang amorf

tentunya akan memiliki kekuatan mekanik yang lebih rendah dibandingkan dengan material yang

bersifat kristalin. Penambahan garam LiClO4 telah

merubah struktur polimer kitosan yang bersifat

semikristalin menjadi lebih amorf. Perubahan

struktur polimer ditunjukan pada pola difraksi yang disajikan pada Gambar 6.

3. Identifikasi Pergeseran Puncak Difraksi dan Kristalinitas Membran Kitosan-Montmorillonite

Identifikasi pergeseran puncak difraksi dan

kristanilitas membran dikarakterisasi

menggunakan XRD. Selain itu analisis XRD

dilakukan untuk memonitor pembentukan

nanokomposit. Hasil karakterisasi XRD disajikan

dalam bentuk pola difraksi yang ditampilkan pada Gambar 6 dan Gambar 7

(21)

J. Kimia Kemasan, Vol.35 No.2 Oktober 2013 : 77-83 82 001 001 001 001 001 001 4 5 6 7 8 9 10 4 5 6 7 8 9 10 Kitosan + Mont 20 % Kitosan + Mont 15 % Kitosan + Mont 10 % Kitosan + Mont 5 % Kitosan + Mont 2 % Montmorillonit Dua Tetha Kitosan + Mont 20 % Kitosan + Mont 15 % Kitosan + Mont 10 % Kitosan + Mont 5 % Kitosan + Mont 2 % Montmorillonit In te n s it a s Dua Tetha

Gambar 6. Pola difraksi membran nanokomposit polimer kitosan-montmorillonite

Gambar 6 menunjukan pola difraksi sinar-X

untuk montmorillonite dan kitosan +

montmorillonite dengan berbagai komposisi yang

diukur pada sudut 2 theta (3-15). Puncak

montmorillonite muncul pada sudut 2 theta 8,96° merupakan puncak refleksi pada bidang 001

dimana jarak antar bidang (d001) 9,87 Å yang

dihitung menggunakan persamaan Bragg (Cullity 1978). Pada Gambar 6 ditunjukkan bahwa terjadi sedikit pergeseran puncak – puncak difraksi ke arah sudut yang lebih rendah pada film kitosan +

montmorillonite dengan komposisi (2-15)%. Hal ini menunjukkan terjadi interkalasi polimer ke dalam antar lapisan montmorillonite. Salah satu atau beberapa rantai polimer berhasil masuk atau

menyisip di antara lapisan montmorillonite yang

jaraknya berada pada orde nanometer. Akibatnya

jarak antar kisi pada montmorillonite menjadi

semakin besar. Pola ini menunjukkan

terbentuknya nanokomposit. Sedangkan pada

penambahan montmorillonite lebih lanjut (20%)

ternyata menggeser puncak 001 ke sudut yang lebih besar. Hasil ini sesuai dengan penelitian yang telah dilakukan oleh Dillip K. Pradhan mengenai pembuatan membran nanokomposit

dengan menambahkan montmorillonite pada

matriks polimer PEO (Pradhan 2008).

Gambar 7. merupakan pola difraksi kitosan

dan kitosan yang telah ditambah montmorillonite

dan garam LiClO4 pada berbagai komposisi. Pola

difraksi kitosan (spektrum paling bawah) memiliki puncak-puncak yang tidak tajam pada posisi sudut 2 theta 11,97° dan 18,52 dimana pola difraksi ini umumnya dimiliki oleh bahan yang bersifat

semikristalin. Semakin banyak garam LiClO4 yang

ditambahkan ke dalam matriks kitosan, tentunya akan mempengaruhi struktur kristal kitosan.

Gambar 7. Pola Difraksi Membran Nanokomposit Polimer Kitosan-Montmorillonite-LiClO4 (:

puncak montmorillonite,  : puncak kitosan)

Pada penambahan LiClO4 sebesar 20%

puncak kitosan sudut 2 theta 11,97° tidak muncul, hanya tinggal satu puncak. Sedangkan pada

penambahan LiClO4 40%, puncak kitosan hilang

sama sekali, dan pola difraksi seperti ini biasanya dijumpai pada bahan yang bersifat amorf.

Penambahan garam LiClO4 ke dalam matriks film

kitosan telah mengubah struktur polimer yang bersifat semikristalin menjadi lebih amorf. Pada sudut dua tetha 27,05° terdapat puncak yang sangat tajam. Puncak ini berasal dari silikat yang

merupakan salah satu kandungan dari

montmorillonite (Purwaningsih, et.al 2012).

KESIMPULAN

Telah berhasil dibuat membran polimer

elektrolit berbasis nanokomposit kitosan

montmorillonite. Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan dapat diperoleh kesimpulan bahwa

penambahan montmorillonite pada polimer kitosan

sampai komposisi tertentu dapat meningkatkan kekuatan tarik film kitosan sampai 93,11 MPa.

Selain itu penambahan garam LiClO4 juga terbukti

dapat meningkatkan konduktivitas ionik film kitosan dengan sangat signifikan. Kondisi optimum diperoleh pada film nanokomposit kitosan dengan

komposisi montmorillonite 5% persen berat dan

LiClO4 40% dengan nilai konduktivitas ionik

sebesar 2,382x10-5 S/cm dan kuat tarik sebesar

15,19 MPa. 0 10 20 30 40 50 60 70 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 4 Kitosan

Kitosan + Mont 5 % + LiClO4 5 %

Kitosan + Mont 5 % + LiClO4 20 % Kitosan + Mont 5 % + LiClO4 40 %

In te n s it a s

(22)

DAFTAR PUSTAKA

Aziz, S. B., Z.H.Z Abidin and A.K Arof. 2010. Effect of silver nanoparticles on the DC conductivity in chitosan silver triflate polymer electrolyte. Physica B 405 (21): 4429 - 4433 Costa, M.M., A.J. Terezo, A.L. Matos, W.A.

Moura, J.A. Giacometti, and A.S.B. Sombra. 2010. Impedance spectroscopy study of dehydrated chitosan and chitosan containing

LiClO4. Physica B: Condensed Matter 405

(21): 4439-444

Cullity, B.D. 1978. Elements of X-Ray Diffraction.

Reading, Massachusetts -Menlo Park,

California – London –Amsterdam - Don Mills, Ontario - Sydney: Addison-Wesley Publishing Company Inc.

Fonseca, C. Polo and S. Neves. 2006.

Electrochemical properties of a

biodegradable polymer electrolyte applied to a rechargeable lithium battery. Journal of Power Sources. 159: 712-716

Hartono, R. 2011. Pengaruh Komposisi

Montmorillonite pada Pembuatan

Polipropilen – Nanokomposit terhadap

Kekuatan Tarik dan Kekerasannya.

Prosiding Seminar Nasional Teknik Kimia, UGM. Yogyakarta.

Kadir, M.F.Z, Z. Aspanal, S.R Majid and A.K. Arof 2011. FTIR studies of plasticized poly(vinyl

alcohol)–chitosan blend doped with NH4NO3

polymer electrolyte membrane.

Spectrochimica Acta Part A 78 (3): 1068-1074

Kurian, M., M.E. Galvin, P.E Trapa, D.R Sadoway,

and Mayes A.M. 2005. Single-ion

Conducting Polymer-silicate Nanocomposite electrolytes for Lithium Battery applications. Electrochimica Acta 50: 2125–2134

Kusmono. 2010. Studi Kuat tarik Dan Morfologi

Nanokomposit Berbasis Poliamid

6/Polipropilen/Clay. Seminar Nasional

Tahunan Teknik Mesin (SNTTM) ke-9.UGM. Yogyakarta.

Munshi, M.Z.A. 1995. Handbook of Solid State

Batteries and Capacitors. Singapore: World Scientific Publishing.

Muzzarelli, R.A.A and C. Muzzarelli. 2005. Chitosan chemistry: relevance to the biomedical sciences. Adv. Polym. Sci. 186: 151-209

Nurkalih, Taufik. 2009. Pembuatan Polielektrolit Padat untuk Aplikasi Baterai dari Polimer yang dapat Terbiodegradasi. Skripsi S1. Bandung: Departemen Kimia. FMIPA-ITB. Pradhan, Dillip K., R. N. P. Choudhary, and B. K

Samantaray. 2008. Studies of Dielectric Relaxation and AC Conductivity Behavior of

Plasticized Polymer Nanocomposite

Electrolytes. Int. J. Electrochem. Sci. 3(5): 597 – 608

Purwaningsih, Eka, Supartono dan Harjono. 2012. Reaksi Transesterifikasi Minyak Kelapa Dengan Metanol Menggunakan Katalis Bentonit. Indo. J. Chem. Sci. 1 (2): 133–139. Rinaudo, M. 2006. Chitin and chitosan: Properties and application. Prog. Polym. Sci. 31: 603-632

Yahya, M.Z.A and A.K. Arof. 2002. Characteristics of Chitosan-Lithium Acetate-Palmitic Acid Complexes. Journal of New Materials for Electrochemical Systems 5(2): 123-128 Yahya, M.Z.A and A.K. Arof. 2003. Effect of oleic

acid plasticizer on chitosan–lithium acetate solid polymer electrolytes. Eur Polym. J. 39: 897-902

Yuan, Xiao Zi et al. 2009. Electrochemical

Impedance Spectroscopy in PEM fuell Cells.

London, Dordrecth, Heidelberg. New York: Springer International Publisher.

Yulianti, E., A. Karo Karo, L. Susita, and Sudaryanto. 2012. Synthesis of Electrolyte

Polymer Based on Natural Polymer

Chitosan by Ion Implantation Technique.

(23)

(24)

Analisis Struktur Kristal LiFePO4………..Indra Gunawan dkk 85

ANALISIS STRUKTUR KRISTAL LiFePO

4

OLIVINE

SEBAGAI BAHAN KATODA BATERAI Li-ION

(CRYSTAL STRUCTURE ANALYSIS OF OLIVINE LiFePO4

AS CATHODE MATERIALS FOR Li-ION BATTERY)

Indra Gunawan, Ari Handayani, dan Saeful Yusuf

Pusat Teknologi Bahan Industri Nuklir, BATAN Kawasan Puspiptek, Serpong 15314, Tangerang Selatan

E-mail: [email protected]

Received : 22 Mei 2013; revised : 17 September 2013; accepted : 18 September 2013

ABSTRAK

Sintesis LiFePO4 dilakukan dengan pencampuran LiCl, FeCl2.4H2O dan H3PO4 ekuimolar ke dalam air.

Homogenasi larutan dilakukan dengan pengaduk magnetik pada suhu 60o C. Prekursor LiFePO4 diperoleh

setelah pemanasan 200o C dengan furnace selama 2 jam. Sintering prekursor LiFePO4 dilakukan pada suhu

700o C dengan furnace selama 4 jam dengan aliran N2 untuk membentuk fasa kristalit LiFePO4. Kemurnian fasa

dan struktur kristal dianalisis dengan menggunakan XRD. Analisis struktur kristal dari pola difraksi sinar-X dilakukan dengan perangkat lunak FULLPROF. Pengamatan morfologinya dilakukan dengan menggunakan

SEM dengan kombinasi Energy Dispersive Spectroscopy (EDS) dan pengukuran gugus fungsional dengan FT-IR. Hasil analisis struktur kristal menunjukkan bahwa senyawa LiFePO4 memiliki struktur Kristal orthorhombic, space group 62, simbol Pnma (Hermann-Mauguin) dengan parameter kisi a= 6.0019999, b= 10.330000, c=

4.6999998.

Kata kunci : LiFePO4, Katoda, Baterai Li-ion

ABSTRACT

Synthesis of LiFePO4 was done by mixing of LiCl, FeCl2.4H2O and H3PO4 at equimolar amount in water as solvent. Homogenization of solution was performed with a hot plate-magnetic stirrer at a 60o C. LiFePO4 precursor was obtained after heating at 200o C for 2 hours in a furnace while solvent removal. Sintering of LiFePO4 precursor was heat treated at 700o C for 4 hours in a furnace in N2 gas flow to form LiFePO4 crystallites phase. The phase purity and crystal structure were confirmed by using XRD. Structural model analysis of X-ray diffraction patterns was performed with the software of FULLPROF. Morphology observations were performed by using SEM with combination of Energy Dispersive Spectroscopy (EDS), and the functional groups analysis by FTIR. The results of analysis showed that the LiFePO4 compound has a crystal structure of orthorhombic, Space group 62, Symbol Pnma (Hermann-Mauguin), Cell parameter a= 6.0019999, b= 10.330000, c= 4.6999998.

Keywords : LiFePO4, Cathode, Li-ion battery

PENDAHULUAN

Penelitian ini merupakan bagian dari penelitian energi baru dan terbarukan yang dapat diisi ulang dari sumber energi lain yang murah dan berkelanjutan. Sebagai bagian dari

program penelitian PTBIN di bidang

pengembangan sumber enrgi baru dan

terbarukan untuk mendukung penguasaan

teknologi di bidang energi. Pembuatan bahan katoda LiCoO2 telah dilakukan (Panjaitan 2010;

Nugraha 2010). Pada penelitian ini akan dikembangkan lithium ferophospat(LiFePO4)

sebagai alternatif lain dari bahan katoda untuk sel baterai berbasis lithium. Penggunaan senyawa lithium dalam bentuk fosfat akan mudah dipasangkan dengan lithium elektrolit padat, gelas atau polimer.

Lithium iron phospat telah menjadi salah satu kandidat yang paling menjanjikan sebagai bahan katoda untuk baterai sekunder lithium interkalasi berdasarkan penelitian Padhi, dkk (1997) dibandingkan dengan bahan katoda konvensional, seperti LiCoO2 dan LiNiO2.

(25)

J. Kimia Kemasan, Vol.35 No.2 Oktober 2013 : 85 - 89 86

LiFePO4 menunjukkan banyak keuntungan

seperti tidak beracun, murah, berstruktur stabil sehingga aman untuk digunakan sebagai bahan katoda baterai lithium ukuran besar di kendaraan listrik dan hibrida dengan kapasitas teoritis tinggi (170 mAh/g). Lihium iron phospat memiliki ikatan kovalen kuat antara oksigen dan fosfat

membentuk satuan polianion yang kuat

sehingga memiliki kestabilan yang lebih baik dibanding oksidanya. Pembentukan polianion juga memperbesar ruang bebas yang tersedia bagi lithium. Ikatan logam P-O- membantu menstabilkan energi redoks dari kation logam dan memungkinkan perpindahan ion lebih cepat. Di samping itu ikatan antara atom oksigen dalam fosfat lebih kuat dibanding dengan cobalt, sehingga beberapa sel LiFePO4 memiliki sifat

tahan panas dalam pemakaiannya (Jayaprakash 2008; Mai 2008; Wang 2007).

Komposisi tipikal film katoda adalah substrat logam LiFePO4 72 wt%, asetilena hitam

8 wt%, dan 20 wt% polietilena oksida sebagai

pengikat. Acetylene black memastikan

konduktivitas listrik sepanjang film (Doeff, 2003), dan pengikat membuat film utuh selama pemrosesan. Bahan-bahan ini dilarutkan pada substrat logam menggunakan asetonitril. Kapasitas elektrokimia bahan adalah 85 mAh/g (Koichi 2007; Levi 1997).

Konduktifitas katoda utamanya ditentukan oleh kandungan besi. Pemilihan garam fospat

dikarenakan ukuran molekul yang

memungkinkan ion lithium bergerak dari dan ke elektrolit dalam proses penggunaan (discharge) dan pengisian ulang (recharge). Kandungan lithium dalam katoda dapat diharapkan sebagai sumber ion dari komponen baterai berbasis

lithium. Pengembahan baterai lithium ini

diharapkan menjadi solusi permasalahan energi terkait dengan isu lingkungan.

Tujuan kegiatan ini adalah untuk menentukan struktur kristal terbentuk dan

impuritasnya dengan menggunakan XRD,

pengamatan morfologi permukaan dan

pengukuran FTIR dari LiFePO4yang diperoleh.

BAHAN DAN METODE Bahan

Percobaan dilakukan dengan

menggunakan bahan-bahan: lithium chloride (LiCl) (Merck, Jerman), ferrochloride tetrahidrat (FeCl2.4H2O) (Merck, Jerman), asam fospat

(H3PO4) (Merck, Jerman), air suling sebagai

pelarut. Sedangkan alat-alat yang digunakan antara lain X-ray diffractometry (XRD, Shimadzu XD 610) yang digunakan untuk menentukan kemurnian fasa dan struktur kristal. Morfologi permukaan diamati dengan Scanning Electron

Microscope dengan kombinasi Energy

Dispersive Spectrometry (SEM-EDS, JEOL JSM

6510 LA), dan gugus fungsional diukur dengan FTIR (FT-IR Tensor 27 Bruker).

Metode

Bahan-bahan LiCl, FeCl2 dan H3PO4

dicampur dengan perbandingan stoikiometris dan dilarutkan dengan air. Pemanasan dilakukan pada 60° C dengan plat pemanas dan pengaduk magnetik agar homogen. Penguapan pelarut sekaligus pemanasan awal (presinter) dilakukan pada suhu 200o C selama 2 jam. Prekursor dipanaskan dengan furnace pada suhu 700o C selama 4 jam dengan mengalirkan gas N2 untuk

membentuk fasa kristalit LiFePO4. LiFePO4 yang

diperoleh dikarakterisasi dengan XRD, SEM-EDS dan FTIR.

Penghalusan pola difraksi dilakukan pertama sekali dengan menggunakan prosedur Lebail (1988), dengan memperkirakan struktur kristal dari fase yang mungkin ada dan memberi nilai awal parameter kisi. Setelah itu hasil pola difraksi yang disimulasikan oleh program digunakan untuk penghalusan berikutnya mirip dengan yang digunakan dalam metode Rietveld, yaitu : penghalusan latar belakang, parameter dan konstanta kisi. Gambar 1a dan 1b menunjukkan pola difraksi hasil simulasi dan penghalusan Rietveld untuk serbuk prekursor

dan LiFePO4 terbentuk. Pola difraksi untuk

intensitas teramati (Yobs), intensitas yang

dihitung (Ycalc), posisi Brag dan deviasi (Yobs

-Ycalc) terlihat dengan jelas di gambar tersebut.

Pada Gambar 1a pola difraksi prekursor terdiri dari dua fasa yaitu Li3PO4 sebanyak 21,1 % dan

LiFePO4 sebanyak 79,9 %. Puncak utama

difraksi Li3PO4 terjadi pada sudut 2Θ = 16,9 o

; 19,8o; 23,1o; 29,2o; 30,4o; 35,5o; dan 40,4o bersesuaian dengan bidang [020], [011], [101], [200], [210], [211] dan [022]. Puncak utama difraksi LiFePO4terjadi pada sudut 2Θ = 17,04

o

; 20,7o; 24o; 29,6o; 30,98o; 35,5o dan 42,2o sesuai dengan bidang kristal [020], [011], [101], [200], [210], [201] dan [112]

Hal ini menunjukkan bahwa rute sintesis yang dikembangkan di sini memberikan reaktan yang sangat reaktif, karena pada tahap presinteringLiFePO4 sudah terbentuk.

Pada pencampuran LiCl, FeCl2 dan

H3PO4 kemudian dilakukan pemanasan

sehingga pelarutnya menguap, dari pola XRDnya dapat diasumsikan reaksi yang terjadi adalah :

(26)

Analisis Struktur Kristal LiFePO4………..Indra Gunawan dkk 87 0 .1 .2 .3 .4 .5 .6 .7 .8 .9 1 0 .1 .2 .3 .4 .5 .6 .7 .8 .9 1 x/a y /b precursor_instrm0 -0.479 -0.357 -0.235 -0.113 0.009 0.131 0.253 0.375 0.496 0.618 0.740 0.862 0.984 1.106 1.228 1.350 1.472 1.593 1.715 1.837 0 .1 .2 .3 .4 .5 .6 .7 .8 .9 1 0 .1 .2 .3 .4 .5 .6 .7 .8 .9 1 x/a y /b pd67 -3.212 -2.791 -2.369 -1.947 -1.525 -1.103 -0.681 -0.259 0.163 0.585 1.007 1.429 1.851 2.273 2.695 3.117 3.539 3.961 4.383 4.805 Setelah dilakukan pemanasan pada 700o

C selama 4 jam reaksi yang terjadi adalah Li3PO4 + 3FeCl 3LiFePO4+ Cl2 ……(2)

Secara keseluruhan reaksi (1) dan (2) jika dijumlahkan adalah:

LiCl + H3PO4 + FeCl LiFePO4 + HCl

+H2 +1/2 Cl2 ...(3)

Gambar 1b memperlihatkan pola

penghalusan dan menghasilkan profile LiFePO4

orthorombik dengan parameter kisi a= 6.02 Ǻ,

b= 10.2999 Ǻ, c= 4.70 Ǻ. Parameter lain dan

faktor realibility hasil penghalusan analisis struktur tertera di Tabel1

Gambar 2 adalah peta densitas Fourier.

Program Fourier menghitung kepadatan

hamburan di dalam sel satuan simetri kristal apapun dengan satuan jumlah elektron per Ångstrom kubik. Gambar 3 adalah foto SEM dari LiFePO4. Partikel LiFePO4 berbentuk polihedral,

berpori dan sedikit teraglomerasi, partikel polihedral diperkirakan berukuran antara 1 dan 5 µm. Di sini dapat diamati beberapa void masih bisa ditemukan diantara partikel, karena gas-gas

yang menguap keluar dari reaktan

menyebabkan serbuk terbentuk porous. Hasil komposisi kimia permukaan komposit LiFePO4

ditunjukkan juga dengan Gambar 3.

Pengamatan dilakukan dengan SEM-EDS pada perbesaran 350 X. Pengamatan mode spot memperlihatkan distribusi unsur-unsur Fe sebesar 6,51 % berat, P sebesar 9,04 % berat, O sebesar 58,6 % berat dan C sebesar 25,04 %

berat. Unsur Li tidak dapat teramati oleh EDS karena berat atomnya rendah

FTIR adalah instrumen yang cukup memadai untuk menyelidiki struktur ikatan suatu bahan. Spektrometri FTIR dari sampel prekursor dan LiFePO4 ditunjukkan pada Gambar 4 dan

Gambar 5. Dari spektroskopi FTIR prekursor, spectrum absorbsi berasal dari getaran intramolekular (PO4)

-, yang melibatkan

perpindahan atom oksigen pada bilangan gelombang 898 - 1094 cm-1 dan 551-680 cm-1. Dari Gambar 5, spektrum FTIR untuk getaran intramolekular (PO4)

sampel LiFePO4 terlihat

lebih halus dan sempit, dibandingkan dengan Gambar 4, yang berada dalam kisaran bilangan gelombang 966-1103 cm-1 dan 538-625 cm-1.

Pada kurva Gambar 5, jika dibandingkan dengan kurva Gambar 4, terdapat perbedaan pada penyerapan panjang gelombang di kisaran 650-950 cm-1 dimana getaran anion fosfat lain seperti (P2O7)- dan (P3O10)- tampak di Gambar 5

namun tidak di Gambar 4. Tidak adanya struktur ini didalam prekursor menunjukkan bahwa tidak terdapat kompleks tersebut didalam prekursor LiFePO4. Absorbsi pada bilangan gelombang

1113 cm-1 berasal dari vibrasi peregangan simetris dan anti-simetris O-P-O. Absorbsi pada 1059 dan 1103 cm-1 berasal dari vibrasi anti-simetris peregangan P-O. Absorbsi di 966 dan 625 cm-1 berasal dari vibrasi peregangan P-O. Absorbsi pada 569 cm-1 berasal dari vibrasi anti-simetris O-P-O. Absorbsi di 538 cm-1 berasal dari vibrasi simetris O-P-O.

Tabel 1. Hasil-hasil analisis struktur (metode Rietveld)

Parameter Fase1 : LiFePO4 Fase 2: Li3PO4

a(Ǻ) 6.020000 6.122093 b(Ǻ) 10.299992 10.482502 c(Ǻ) 4.700005 4.943085 Rp, % 1.86 1.86 Rwp, % 4.29 4.29 RE, % 4.30 4.30 RF, % 1,19 0,72 Fraksi, % 79,9 21,1 Densitas, g/cm3 1,79 0,544 (a) (b)

(27)

J. Kimia Kemasan, Vol.35 No.2 Oktober 2013 : 85-89 88 Gambar 3. Foto SEM dari komposit LiFePO4

Gambar 4. Spektrum prekursor dengan FTIR

Gambar 5. Spektrum LiFePO4 dengan FTIR