DEGRADASI POLIBLEND POLI(ASAM LAKTAT) DENGAN
POLI(ε-KAPROLAKTON) SECARA IN VITRO
NURHAYANI
DEPARTEMEN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2008
DEGRADASI POLIBLEND POLI(ASAM LAKTAT) DENGAN
POLI(ε-KAPROLAKTON) SECARA IN VITRO
NURHAYANI
Skripsi
Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains pada
Departemen Kimia
DEPARTEMEN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2008
Judul :
Degradasi Poliblend Poli(asam laktat) dengan Poli(ε-kaprolakton) Secara In VitroNama : Nurhayani
NIM : G44203048
Menyetujui:
Pembimbing I, Pembimbing II,
Dr. dr. Irma H. Suparto, MS Tetty Kemala, SSi, MSi
NIP 131 606 776 NIP 132 232 787
Mengetahui:
Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Pertanian Bogor
Dr. drh. Hasim, DEA
NIP 131 578 806
PRAKATA
Alhamdulillah, segala puji bagi Allah SWT, karena atas rahmat dan karunia-Nya penulis
dapat menyelesaikan karya ilmiah ini. Karya ilmiah ini berjudul Degradasi Poliblend Poli(asam laktat) dengan Poli(ε-kaprolakton) secara In Vitro, yang dilaksanakan pada bulan Mei sampai dengan Agustus 2007 bertempat di Laboratorium Kimia Anorganik, Kimia Analitik, dan Laboratorium Terpadu, IPB.
Penulis mengucapkan terimakasih kepada berbagai pihak yang telah membantu terselesaikannya karya ilmiah ini, diantaranya Dr. dr. Irma H. Suparto, MS dan Tetty Kemala, SSi, MSi selaku pembimbing yang telah banyak memberikan masukan dan pengarahan, juga kepada Budi Arifin, SSi dan Drs. Ahmad Sjahriza atas diskusi-diskusi berharga yang berkaitan dengan penelitian ini; laboran: Pak Sawal, Pak Eman, Pak Sabur, Pak Nano, Pak Caca, dan Mbak Nur; dan teman-teman seperjuangan: Rio, dan Diana serta rekan-rekan satu Laboratorium: Uti, Ono, Eko, dan Mario.
Ungkapan terimakasih juga penulis haturkan kepada keluarga: Papa, Mama, dan Aput atas doa dan semangat yang diberikan kepada penulis. Ungkapan terimakasih yang terdalam juga kepada Mudo atas segala doa, nasihat, dorongan, semangat, senyum, dan kasih sayangnya. Ucapan terima kasih juga disampaikan kepada Wina, Fithri, Elin, Yulia, Mail, dan rekan-rekan di Laboratorium Analitik atas keceriaan dan kebersamaan yang telah terjalin selama penelitian. Terimakasih kepada Laboratorium Terpadu IPB khususnya Divisi Sertifikasi dan rekan-rekan Kimia 38, 39, 40 dan 41 serta Keluarga Besar M20 (Mbak Atin, Teh Imas, Mbak Yayu, Kak Ullie, Mbak Eva, Mbak Atik, Elka, Mbak Anggi, Eris, Mbak Irma, Mbak Win, Mbak Mini, Aan, Aqilah, Ika, Imonk, Chita, dan Geril) atas canda tawa dan semangat yang diberikan kepada penulis.
Akhir kata, semoga karya ilmiah ini dapat bermanfaat.
Bogor, Januari 2008
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Jakarta pada tanggal 23 April 1985 sebagai anak pertama dari pasangan Nuryanto dan Rosani. Tahun 2003, penulis lulus dari SMU Negeri 60 Jakarta, dan pada tahun yang sama masuk Institut Pertanian Bogor (IPB) melalui jalur Undangan Seleksi Masuk IPB (USMI) pada Departemen Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, IPB. Tahun 2006, penulis mengikuti kegiatan praktik lapangan di Balai Besar Pengawas Obat dan Makanan (BBPOM), Jakarta, dengan judul Penetapan Kadar Nipagin, Nipasol, dan Hidrokuinon dalam Sediaan Kosmetik.
Selama mengikuti perkuliahan, penulis mengikuti organisasi di kampus IPB. Periode kepengurusan 2005/2006 menjadi staf Chem Art, Ikatan Mahasiswa Kimia (Imasika) IPB. Penulis juga mengikuti magang di Laboratorium Terpadu IPB pada Divisi Sertifikasi sejak Desember 2006 sampai dengan sekarang.
DAFTAR ISI
Halaman
DAFTAR TABEL... vii
DAFTAR GAMBAR ... vii
DAFTAR LAMPIRAN ... vii
PENDAHULUAN ... 1
TINJAUAN PUSTAKA Poli(asam laktat) (PLA) ... 1
Sifat Fisik, Mekanis, dan Kimia PLA... 2
Poli(ε-kaprolakton) ... 2
Poliblend... 2
Degradasi Polimer... 3
Viskometri ... 3
BAHAN DAN METODE Bahan dan Alat ... 3
Metode... ... 4
HASIL DAN PEMBAHASAN Pembuatan Poliblend PLA-PCL. ... 4
Degradasi Poliblend secara In Vitro ... 5
Perubahan Massa Sampel ... 5
Perubahan Viskositas Intrinsik ... 5
Perubahan Bentuk Permukaan Poliblend... 5
SIMPULAN DAN SARAN Simpulan ... 6
Saran ... 7
DAFTAR PUSTAKA ... 7
DAFTAR TABEL
Halaman
1 Sifat fisik dan mekanis poli(asam laktat) ... 2
2 Uji kristalinitas dengan difraksi sinar-X (XRD).. ... 3
3 Waktu dan produk degradasi dari beberapa polimer poliester. ... 3
DAFTAR GAMBAR
Halaman 1 Reaksi pembentukan poli(asam laktat)... .... ... 12 Struktur kimia poli-L-asam laktat (L-PLA) (a) dan poli-DL-asam laktat (PDLLA) (b) ... 2
3 Struktur kimia poli(ε-kaprolakton)... 2
4 Bagian-bagian viskometer Ostwald ... 3
5 Perubahan massa film poliblend PCL dan PLA terhadap waktu ... 5
6 Perubahan viskositas intrinsik pada PCL:PLA ... 5
7 Bentuk permukaan polimer setelah degradasi dengan perbesaran 75× pada komposisi PCL:PLA 90:10, 80:20, 70:30, dan 60:40 ... 6
8 Bentuk permukaan awal poliblend dengan perbesaran 75× pada komposisi PCL:PLA 90:10, 80:20, 70:30, dan 60:40... 6
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman 1 Diagram alir kerja penelitian. ...102 Perubahan massa poliblend poli(ε-kaprolakton) dan poli(asam laktat) terhadap waktu...11
3 Perubahan viskositas intrinsik poliblend poli(ε-kaprolakton) dan poli(asam laktat) ...12
PENDAHULUAN
Seiring dengan perkembangan peradaban manusia, teknologi pengemasan juga ber-kembang dengan pesat. Plastik merupakan bahan kemasan yang paling populer dan sangat luas penggunaannya. Akan tetapi, bahan kemasan ini menimbulkan permasalah-an cukup serius. Polimer plastik ypermasalah-ang tidak mudah terurai secara alami mengakibatkan terjadinya pencemaran dan kerusakan lingkungan hidup. Kondisi demikian menyebabkan bahan kemasan plastik tidak dapat dipertahankan penggunaannya secara meluas. Selain itu, plastik dalam proses pembuatannya menggunakan minyak bumi, yang ketersediaannya semakin berkurang dan sulit untuk diperbaharui (non-renewable). Salah satu alternatif untuk mengatasinya adalah dengan membuat plastik dari polimer biodegradabel.
Polimer biodegradabel terdiri dari dua jenis, yaitu alami dan sintetik. Polimer biodegradabel sintetik telah dihasilkan dan dikembangkan dari penelitian yang ekstensif, misalnya poliester alifatik memiliki rantai utama yang dapat dihidrolisis (Amass et al. 1998).
Poliester alifatik merupakan salah satu polimer biodegradabel yang ramah lingkungan dan dapat terurai secara hayati (Amass et al. 1998). Di beberapa negara, polimer sintetik dari jenis poliester alifatik, seperti poli(ε-kaprolakton) (PCL), poli(asam glikolat) (PGA), dan poli(asam laktat) (PLA) sudah mulai diproduksi dalam skala industri. Poli(asam laktat) (PLA) mempunyai sifat biodegradabel dan biokompatibel. Regangan waktu putus PLA lebih rendah 3−5% yang mengakibatkan PLA lebih rapuh dibanding-kan dengan PCL. PLA mempunyai waktu degradasi lebih cepat daripada PCL yaitu 12−16 bulan. Menurut Robani (2004), PLA dalam bentuk L-PLA memiliki laju degradasi yang relatif lambat dikarenakan strukturnya yang kristalin.
Poli(ε-kaprolakton) (PCL) adalah salah satu polimer sintetik yang dapat ter-biodegradasi (Koenig & Huang 1995; Preeti et
al. 2003). PCL adalah poliester alifatik yang
bersifat biokompatibel, dan mempunyai permeabilitas yang baik. PCL memiliki kristalinitas yang tinggi, laju degradasi yang rendah (lebih dari 24 bulan) dan suhu transisi kaca yang rendah sehingga memiliki sifat mekanik yang kurang baik (Broz et al. 2003). Pencampuran PCL dengan PLA dapat
memperbaiki sifat mekaniknya (Broz et al. 2003; Rosida 2007).
Hasil penelitian yang dilakukan oleh Rosida (2007), yaitu proses blending pada berbagai komposisi PCL dan PLA, menghasilkan poliblend yang homogen. Namun, uji degradasi terhadap poliblend PCL dan PLA belum pernah dilakukan.
Oleh karena itu pada penelitian ini dilakukan penelitian lanjutan berupa uji degradasi secara in vitro untuk mengetahui laju degradasi poliblend PLA dan PCL. Penelitian ini bertujuan mempelajari sifat degradasi dari berbagai komposisi poliblend PLA dan PCL terhadap waktu.
TINJAUAN PUSTAKA
Poli(asam laktat) (PLA)
PLA merupakan polimer biodegradabel dan termoplastik, poliester alifatik yang berasal dari asam laktat. Polimer ini mudah dihasilkan dengan bobot molekul tinggi melalui pembukaan cincin laktida menggunakan katalis PbO, SbF5, atau Sb2O3
secara perlahan dengan suhu 100−130 °C (Gambar 1) (Wikipedia 2006). Polimer ini tidak larut dalam air, tetapi larut dalam pelarut organik seperti kloroform dan diklorometana (Alger 1989 dalam Robani 2004).
O CH CH3 C O n Laktida Polilaktida Gambar 1 Reaksi pembentukan poli(asam laktat.
Poliester alifatik ini dapat berada dalam bentuk optis aktif poli-L-asam laktat (L-PLA) atau dalam bentuk campuran rasemiknya poli-DL-asam laktat (PDLLA). L-PLA yang terdapat di alam mempunyai struktur yang kristal; hal ini disebabkan oleh tingginya keteraturan pada rantai polimernya. Sebaliknya PDLLA mempunyai struktur amorf karena rantai polimernya tidak teratur. Umumnya PLA tersusun dari campuran struktur kristalin dan amorf, dengan struktur yang dominan akan memengaruhi struktur sifat polimer tersebut. Karena lebih bersifat amorf, PDLLA lebih disukai daripada L-PLA karena lebih mampu untuk mendispersikan obat secara homogen dalam matriks polimer (Demsey et al. 2003).
Katalis + pemanasan
2
PLA mempunyai sifat biodegradabel, artinya PLA dapat terdegradasi secara alami oleh panas, cahaya, bakteri, maupun oleh proses hidrolisis. Perkiraan waktu degradasi PDLLA adalah 12−16 bulan (Demsey et al. 2003). Selain itu, PLA juga mempunyai sifat biokompatibel, artinya cocok berada dalam tubuh tanpa menimbulkan efek yang berbahaya. Karena mempunyai kedua sifat inilah, PLA kini makin banyak digunakan terutama untuk pembuatan plastik biodegradabel dan sangat cocok digunakan untuk aplikasi medis seperti sistem penyaluran obat, benang bedah, fiksasi ortopedik, maupun pembuatan organ tubuh. PLA memiliki gugus hidroksil pada ujung rantainya menyebabkan PLA dapat terdegradasi secara alami. Struktur PLA disajikan pada Gambar 2.
O C H3 O H n L - P L A (a) PDLLA (b)
Gambar 2 Struktur kimia poli-L-asam laktat (L-PLA) (a) dan poli-DL-asam laktat (PDLLA) (b) (Arches 2006)
Sifat Fisik, Mekanis, dan Kimia PLA
PLA merupakan poliester termoplastik linear yang mengandung ikatan ester dan diproduksi dari sumber yang dapat diperbaharui. Ikatan ester tersebut menyebab-kan PLA dapat terhidrolisis baik melalui reaksi kimia maupun secara enzimatik (Pandey 2004). Bobot molekul PLA bergantung pada proses pembuatannya. Pembuatan PLA dengan cara polikondensasi asam laktat menghasilkan bobot molekul lebih rendah dari 1,6×104. Sementara PLA yang
dibuat dengan cara polimerisasi pembukaan cincin laktida bobot molekulnya berkisar antara 2×104 sampai 6.8 ×105 (Hyon et al
1997). PLA dapat terhidrolisis menjadi monomernya akibat adanya pemanasan. Sifat fisik dan mekanis PLA disajikan pada Tabel 1.
Sifat fisik dan mekanis PLA dapat berkurang apabila dicampur dengan polimer lain yang memiliki sifat fisik dan mekanis yang lebih rendah. Kiremitci & Deniz (1999) menyatakan bahwa suhu transisi kaca PLA turun apabila poli(asam glikolat) dicampur dengan PLA.
Tabel 1 Sifat fisik dan mekanis poli(asam laktat)
Sifat fisik Nilai
Bobot molekul (Dalton) 100,000−300,000 Suhu transisi kaca (°C) 55−70
Titik leleh (°C) 130−215 Kristanilitas (%) 10−40 Kalor lebur (J g-1) 8.1−93.1 Yield Strength, (Mpa) 49 Elongasi (%) 2.5 Sumber: Rezwan et al. (2006)
Poli(ε-kaprolakton)
PCL dapat disintesis dengan polimerisasi pembukaan cincin dari monomer ε-kaprolakton. PCL adalah plastik bio-degradabel, bersifat termoplastik. Polimer ini memiliki sifat tahan terhadap air, minyak, pelarut, dan klor. PCL juga memiliki transisi kaca −65 sampai 60 °C dan titik leleh 58−63 °C. Perkiraan waktu degradasi dari PCL adalah lebih dari 24 bulan (Gunatillake & Adhikari 2003). PCL yang digunakan memiliki Mn = 42500 dan Mw = 65000.
Gambar 3 menunjukkan struktur kimia dari PCL.
O (CH2)5C
O
n
Gambar 3 Struktur kimia poli(ε-kaprolakton) (Huang & Edelmen 1995)
Poliblend
Poliblend adalah hasil pencampuran fisis dari dua atau lebih polimer berbeda atau kopolimer yang tidak berikatan secara kovalen. Interaksi yang terjadi dalam poliblend adalah ikatan van der Waals, ikatan hidrogen, atau interaksi dipol-dipol (Rabek 1980). Poliblend dapat bersifat homogen atau heterogen. Poliblend homogen terlihat bening, mempunyai titik leleh tunggal, dan sifat fisiknya sebanding dengan komposisi komponen-komponen penyusunnya, sedang-kan poliblend heterogen terlihat tidak jelas dan mempunyai beberapa titik leleh (Brown 1988).
Proses pencampuran polimer dapat dikelompokkan menjadi dua jenis, yaitu
3
blending fisika dan blending kimia. Blending fisika terjadi antara dua jenis polimer atau lebih yang memiliki struktur berbeda dan tidak membentuk ikatan kovalen antar-komponen. Proses pencampuran ini disebut poliblend. Blending kimia, yaitu blending yang akan menghasilkan kopolimer, ditandai dengan ikatan kovalen di antara polimer-polimer penyusunnya.
Dalam penelitian pendahuluan yang dilakukan oleh Rosida (2007) telah dihasilkan suatu poliblend PLA dan PCL. Poliblend tersebut mempunyai nilai kuat tarik dan elongasi yang masih berada pada kisaran komponen penyusunnya. Berdasarkan Tabel 2 dapat dilihat bahwa derajat kristalinitas poliblend menurun dengan semakin berkurangnya komposisi PCL. Hal ini juga disebabkan adanya penambahan komposisi PLA yang semakin meningkat.
Tabel 2 Uji kristalinitas dengan difraksi sinar- X (XRD)
PCL (%)
Rerata luas area kristalin (cm2) total Derajat kristalinitas (%) 100 172.9910 332.8808 51.9678 90 115.4201 277.5719 41.5821 60 118.9601 300.9621 39.5266 Sumber: Rosida (2007) Degradasi Polimer
Degradasi adalah peristiwa terurainya suatu senyawa menjadi lebih sederhana karena sebab-sebab alami (Latief 2001), seperti fotodegradasi (degradasi yang melibatkan cahaya), degradasi kimiawi (hidrolisis), degradasi enzimatik, dan degradasi mekanik (angin, abrasi). Degradasi dapat terjadi melalui empat tahap, yaitu penyerapan air, pengurangan kekuatan mekaniknya (modulus dan kekuatan), pengurangan massa molar, dan kehilangan bobot.
Tabel 3 menunjukkan data dari beberapa polimer poliester yang dapat terdegradasi. PCL dapat terdegradasi setelah lebih dari 24 bulan dengan produk degradasinya adalah asam kaproat. Asam kaproat ini dapat dihidrolisis oleh enzim lipase dan esterase yang tersebar luas pada tanaman, hewan, dan manusia.
Tabel 3 Waktu dan produk degradasi dari beberapa polimer poliester
Polimer Waktu degradasi
(bulan) Produk degradasi
PCL >24 asam
kaproat L-PLA >24 asam laktat
DLPLA 12−16 asam laktat
Sumber: Demsey et al. (2003)
Viskometri
Viskometri merupakan metode yang digunakan untuk menentukan ketahanan suatu cairan terhadap aliran. Pengukuran viskositas larutan encer memberikan teknik yang paling sederhana dan paling banyak dipakai untuk menetapkan bobot molekul secara rutin. Viskositas diukur dengan cara menetapkan lamanya aliran sejumlah volume larutan melalui kapiler yang panjangnya tetap. Waktu alir dalam detik dicatat sebagai waktu yang diperlukan oleh meniskus untuk melewati dua tanda batas pada viskometer (Steven 2001) (Gambar 4).
Metode ini mengukur viskositas dengan cara membandingkan waktu alir pelarut dan larutan polimer pada berbagai kepekatan atau konsentrasi. Viskometer memiliki keunggul-an, diantaranya untuk mencapai berbagai konsentrasi larutan polimer cukup diencerkan dengan menambahkan sejumlah tertentu pelarut. Pengukuran dilakukan dengan viskometer dalam penangas air bersuhu tetap untuk mencegah naik turunnya viskositas akibat perubahan suhu (Steven 2001).
Garis pengukur waktu alir
Pipa Kapiler
Resevoir
Gambar 4 Bagian-bagian viskometer Ostwald.
BAHAN DAN METODE Bahan dan Alat
Bahan-bahan yang digunakan adalah PLA hasil sintesis Lukmana (2007) yang berbentuk rasemik, yaitu poli-DL-asam laktat (PDLLA), PCL (Aldrich), diklorometana, kristal K2HPO4·3H2O, kristal KH2PO4, dan akuades.
Alat-alat yang digunakan adalah viskometer Ostwald, mikroskop stereo, pengaduk, pH-meter, penangas air, neraca
