C - 13
PENGARUH KONSENTRASI KATALIS TIMAH(II) OKTOAT TERHADAP VISKOSITAS
DAN MASSA MOLEKUL POLI(ASAM LAKTAT) PADA POLIMERISASI ASAM LAKTAT
DENGAN METODE RING OPENING POLYMERIZATION
EFFECT OF CONCENTRATION STANNOUS(II) OCTOATE CATALYST TOWARD
VISCOSITY AND MOLECULAR WEIGHT OF POLI(LACTIC ACID) AT
POLYMERIZATION LACTIC ACID USING RING OPENING POLYMERIZATION METHOD
Muchammad Tamyiz, Rudiana Agustini
Jurusan Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Universitas Negeri Surabaya, Jl. Ketintang Surabaya 60231
E-mail: [email protected]
Abstrak -
Poli(asam laktat) (PLA) merupakan polimer yang dapat diuraikan secara hayati sehingga penggunaannya sebagai plastik dapat mengurangi efek buruk dari plastik. PLA dibuat dengan polimerisasi pembukaan cincin dari L-asam laktat tanpa atau dengan katalis timah(II) oktoat (Sn(Oct)2) pada konsentrasi tertentu. Penelitian ini bertujuan menganalisis viskositas dan massa molekul PLA. Viskositas Poli(asam laktat) diukur dengan viskometer Ostwald, dan massa molekul berdasarkan persamaan Mark-Houwink. Hasil penelitian menunjukkan bahwa penambahan konsentrasi katalis memberikan pengaruh nyata terhadap peningkatan massa molekul PLA. Viskositas dan massa molekul tertinggi didapatkan dengan penambahan konsentrasi katalis Timah(II) Oktoat (Sn(Oct)2) sebesar 0,15 %wt pada suhu 160oC dengan waktu polimerisasi 5 jam, masing-masing sebesar 0,2090 dan 10557,0618 gram/mol. Pada konsentrasi 0,20 %wt massa molekul mengalami penurunan. Hal ini dikarenakan adanya depolimerisasi pada rantai polimer yang terbentuk. Poli(asam laktat) yang dihasilkan bersifat keras, tapi getas. Hal ini merupakan ciri khas dari Poli-L-(Asam Laktat) (PLLA).Kata-kata kunci: viskositas, massa molekul, poli(asam laktat)
Abstrac - Poly(lactic acid) (PLA) is a polymer that can be degraded biologically so its application as
plastic reduce the bad effect of plastic. PLA were synthesized by Ring Opening Polymerization of
L-lactic acid with or without using stannous(II) octoate (Sn(Oct)
2) catalyst at some concentration. The
objective of the research is to analyse viscosity and molecular weight of poly(lactic acid). Poly(lactic
acid) viscosity was measured by Ostwald viskometry and molecular weight based on Mark-Houwink
equation. The result showed that the addition of stannous(II) octoate (Sn(Oct)
2) catalyst give effect on
increasing of molecular weight of PLA. The highest viscosity and molecular weight ware obtained by
addition of stannous(II) octoate (Sn(Oct)
2) catalyst at 0,15 %wt attemperature 160°C for 5 hours, was
0,2090 and 10557,0618 gram/mol. At concentration 0,20 %wt molecular weight was reduced. It caused
by depolymerization of polymer chains. Poli(lactic acid) obtained have hard properties, but brittle. It
showed characteristic of Poli-L-(Lactic Acid) (PLLA).
Key words: viskosity, molecular weight, poli(lactic acid)
PENDAHULUAN
Plastik konvensional merupakan suatu polimer dengan bahan utamanya adalah minyak bumi. Plastik konvensional diproduksi hampir 250 juta ton setiap tahunnya dan telah banyak digunakan di dalam setiap bidang aktivitas manusia. Sumber-sumber minyak bumi yang terbatas dan penggunaan plastik konvensional secara besar-besaran menyebabkan masalah lingkungan yang serius. Masalah tersebut diakibatkan karena proses degradasi alami yang sulit dan membutuhkan waktu relatif lama agar terdegradasi secara sempurna. Oleh sebab itu, diperlukan suatu plastik ramah lingkungan (biodegradable plastic) yang digunakan sebagai pengganti plastik konvensional. Poli(Lactic Acid) (PLA) diketahui sebagai salah satu plastik
biodegradable yang memiliki beberapa aplikasi di dunia industri dalam bentuk plastik, serat, dan lain sebagainya (P. Mainilvarlet, 1997). Poli(lactic acid) menjadi kandidat yang menjanjikan sebagai bahan alam terbarui (renewable resource) untuk pembuatan plastik. Namun demikian, Poly-(L)-Lactic Acid (PLLA) dan Poly-(D)-Lactic Acid (PDLA) bersifat kristalin sedangkan Poly-(DL)-Lactic Acid (PDLLA) bersifat amorf. Oleh karena inilah, PLLA dan PDLA lebih kuat tetapi bersifat brittle pada suhu kamar. Saat ini, poli(asam laktat) diproduksi dari bahan alam seperti pati-patian (Gray, 2006).
Menurut Averous (2008), sintesis PLA adalah sebuah proses yang terdiri dari beberapa langkah, dimulai dari produksi asam laktat sampai pada tahap
C - 14
Struktur Asam Laktat Struktur Asam Laktat 3-D
polimerisasi. Polimerisasi asam laktat dapat diproduksi melalui tiga metode, yaitu: (1) Polikondensasi langsung (direct condensation-polymerization) asam laktat yang menghasilkan PLA dengan massa molekul rendah dan rapuh sehingga sebagian besarnya tidak dapat digunakan kecuali jika ditambahkan chain coupling agent untuk meningkatkan panjang rantai polimer; (2) Kondensasi dehidrasi azeotropik (Azeotropic dehydration condensation) asam laktat dengan menggunakan pelarut azeotropik, yang dapat menghasilkan PLA dengan massa molekul mencapai 15.400 g/mol dan rendemen sebesar 89% dan (3) Polimerisasi pembukaan cincin (Ring Opening Polymerization, ROP). Proses polimerisasi dengan metode ROP dilakukan melalui tiga tahapan yaitu polikondensasi asam laktat, depolimerisasi sehingga membentuk dimer siklik dan dilanjutkan dengan polimerisasi pembukaan cincin, sehingga diperoleh PLA dengan massa molekul tinggi.Polimerisasi pembukaan cincin menghasilkan PLA dengan massa molekul 2×104 g/mol hingga 6.8×105 g/mol.
Berbagai katalis telah digunakan untuk mendapatkan hasil yang maksimal dalam produksi laktida dan meminimalkan rasemisasi. Salah satu cara untuk menghasilkan laktida dengan kemurnian yang tinggi adalah dengan meminimalkan rasemisasi, sehingga polimerisasi laktida menghasilkan poli(asam laktat) dengan sifat termal dan mekanik yang baik. Katalis berbasis Sn merupakan salah satu katalis untuk sintesis laktida, karena memiliki tiga keuntungan: (1) Katalis berbasis Sn menghasilkan derajat rasemisasi yang rendah pada suhu tinggi (Kricheldorf dan Serra, 1985). (2) Tingkat keracunannya sangat rendah daripada katalis logam yang lain. (3) Prosedur pemurnian dari PLA telah diketahui dengan baik (Kricheldorf dan Lee, 1995). Stannous octoate memiliki titik didih lebih dari 200oC. Kenyataan tersebut membuat stannous octoate dapat mengontrol laju polimerisasi dan terjadinya rasemisasi pada suhu tinggi. Liesbetini Hartoto, dkk. (2005), melakukan penelitian, yaitu rekayasa proses produksi poli(asam laktat) dari pati sagu sebagai bahan baku plastik biodegradable, dengan menggunakan variasi jenis bakteri dan kondisi operasi proses fermentasi untuk menghasilkan asam laktat, dan dengan proses polimerisasi kondensasi langsung dapat dihasilkan PLA. Hanny Widjaja, dkk. (2006), melakukan penelitian mengenai sintesis PLA dari limbah pembuatan indigenous starch untuk pembuatan plastik ramah lingkungan, dimana pada penelitian ini, variasi yang dipakai adalah jenis bakteri untuk fermentasi, dimana nantinya diperoleh bakteri yang terbaik untuk menghasilkan asam laktat, yang dengan proses polikondensasi azeotropik dapat dihasilkan PLA.
Beberapa sintesis yang dilakukan, misalnya menggunakan laktida dengan tingkat keasaman 0,01 % massa per massa (dalam bentuk asam laktat). Laktida dipanaskan pada suhu 80°C selama 3 jam. Setelah itu, katalis berupa timah oktoat ditambahkan sebanyak 0,2 % berdasarkan massa laktida. Suhu
ditingkatkan secara perlahan hingga 180°C. Polimerisasi dilakukan selama 2 jam diikuti pada suhu 150°C selama 4 jam dan 120°C selama 13 jam. Polimerisasi tersebut menghasilkan poli(asam laktat) dengan rendemen cukup tinggi yaitu 90%. Poli(asam laktat) yang diperoleh memiliki massa molekul 235.000 g/mol, viskositas intrinsik 0,69, titik leleh 170°C (Ramakrishna, et al., 2006). Hyon et al. (1997) telah menghasilkan PLA dengan massa molekul maksimum pada konsentrasi katalis stannous octoate 0,05% pada 130oC. Drumright et al. (2000) kerapian polimerisasi pembukaan cincin laktida dengan Sn(Oct)2 memberikan PLA dengan massa molekul sampai 106 g/mol pada 140 – 180oC dengan konsentrasi katalis dari 100 – 1000 ppm selama 2 – 5 jam. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh konsentrasi katalis timah(II) oktoat terhadap viskositas dan massa molekul poli(asam laktat) pada polimerisasi asam laktat dengan metode ring opening polymerization (ROP).
1. Teori Dasar
Asam Laktat
Asam laktat (asam 2-hidroksi propanoat) merupakan senyawa organik yang dihasilkan dari proses fermentasi karbohidrat oleh mikroorganisme tertentu. Asam ini dikenal pertama kali oleh kimiawan Swedia yang bernama Scheele pada tahun 1780 sebagai komponen asam dari susu. Namun, asam ini pertama kali diproduksi secara komersial oleh Charles E. Avery di Amerika Serikat pada tahun 1881 (Narayanan et al. 2003).
Asam laktat mempunyai dua isomer optik, salah satunya sebagai L (+) asam laktat atau (S)-asam laktat, dan yang lain adalah D (-)-asam laktat atau (R)-asam laktat. L-(+)-(R)-asam laktat dapat dipolimerisasi menjadi poly(lactic acid) sebagai bahan dasar plastik biodegradable. Asam laktat memiliki sifat fisika antara lain: berbentuk cairan pekat tidak berwarna dan tidak berbau, bersifat higroskopis pada suhu kamar, asam lemah dengan daya penguapan rendah, memiliki massa jenis 1,249 g/cm3 pada temperatur 4oC dan 15oC, memiliki massa molekul 90,08 g/mol, memiliki titik beku 16,8oC dan titik didih 122oC (pada tekanan 14 mmHg). Sedangkan sifat kimia asam laktat antara lain: Asam laktat larut dalam eter, alkohol, gliserin dan air. Asam laktat tidak larut dalam kloroform, eter
C H OH COOH CH3 C OH H COOH CH3
L (+) asam laktat D (-) asam laktat
C - 15 disulfida, dan karbon disulfida (Sa’id, 1987). Asam laktat dapat bereaksi dengan tes iodoform karena mengandung gugus CH3–CHOH. Gugus hidroksil dari asam laktat dapat mengalami asetilasi dengan cepat. Destilasi destruktif asam laktat akan menghasilkan asetaldehid dan asam formiat, dengan tes resorsinol asam sulfat akan menunjukkan warna merah, sedangkan dengan FeCl3 akan memberikan warna kuning (Jennes, dalam Handayani, 2001).
Laktida
Dimer siklik dari asam laktat yang umumnya disebut laktida (3,6-dimetil-1,4-dioksan-2,5-dion). Sifat fisika dari laktida adalah mudah terdehidrasi, Sehubungan dengan dua atom karbon asimetris di dalam molekul, laktida terdapat dalam tiga bentuk berbeda.
Gambar 2. Tiga struktur dari laktida (3,6-dimetil-1,4- dioksan-2,5-dion)
Selain itu, pada tiga struktur diastereoisomer di atas, terdapat juga rasemik dari D-laktida dan L-laktida sebagai rac-L-laktida atau DL-L-laktida (Tabel 1). Tabel 1. Sifat fisika dari laktida
Sumber: Poly(Lactic Acid) Synthesis, Structures, Properties, Processing, and Application (Auras, Rafael, et al., 2010)
Produksi laktida kali pertama dijelaskan oleh Pelouze pada tahun 1845. Dia menyelidiki esterifikasi dari asam laktat dengan pemanasan dan penghilangan air dan diperoleh sebuah prepolimer yang tidak lagi penuh dengan campuran air. Ketika dilanjutkan dengan pemanasan pada prepolimer, dia mengunggkapkan bahwa di dalam distilasi fraksinasi terbentuk kristal yang bagus. Dia mampu menyimpulkan rumus kimia dan memberi nama “laktida” untuk zatnya. Prosedur selanjutnya dijelaskan dalam paten oleh Gruter dan Pohl pada tahun 1914. Asam laktat diestrifikasi pada 120-135oC, dan udara dipaksa masuk ke dalam reaktor untuk menghilangkan air. Selanjutnya, zinc oksida ditambahkan sebagai katalis dan laktida didistilasi di bawah kondisi vakum pada 200oC. Sebuah langkah utama ke depan adalah menggunakan katalis timah. Kemudian penggunaan katalis koordinasi dalam polimerisasi secara berkala.
Polimerisasi Pembukaan Cincin
Polimerisasi pembukaan cincin (ring opening polymerization) merupakan metode yang lebih baik untuk menghasilkan massa molekul polimer yang tinggi. Dan sekarang telah diadopsi sehubungan dengan berkembangnya fermentasi dekstrosa jagung yang secara signifikan mengurangi biaya produksi asam laktat. Prosesnya berdasarkan pada penghilangan air di bawah kondisi tekanan lebih rendah, tanpa pelarut, untuk menghasilkan dimer intermediet, dikenal sebagai laktida.
Polimerisasi pembukaan cincin dari dimer tercapai dengan pemanasan, sekali lagi tanpa memerlukan pelarut. Dengan mengontrol kemurnian dimer, dimungkinkan untuk menghasilkan kisaran yang besar dari massa molekul. Polimer dengan kandungan L-laktida yang tinggi dapat digunakan untuk menghasilkan polimer kristalin, ketika bahan D-laktida lebih tinggi (>15%) memiliki sifat lebih amorf. Dengan memvariasi jumlah dan urutan dari unit D-laktida dalam polimer, sifat produknya dapat dirubah. Dampak dari perubahan tersebut adalah sifat kelelehan, sifat termal, dan sifat penghalang (Anonim, 1998).
Berdasarkan pada metode intermediet laktida ini, NatureWork LLC telah mengembangkan sebuah hak paten, biaya yang rendah pada proses berkelanjutan untuk produksi polimer berbahan dasar asam laktat (Gruber, 2001). Prosesnya menggabungkan substansi lingkungan dan keuntungan ekonomi dari sintesis antara laktida dan PLA dalam lelehan lebih baik daripada dalam larutan dan untuk kali pertama, secara komersial mampu menyediakan komoditas compostable polimer yang terbuat dari bahan terbarui. Prosesnya dimulai dengan reaksi kondensasi berkelanjutan dari larutan asam laktat untuk menghasilkan prepolimer PLA dengan massa molekul rendah (gambar 3).
Gambar 3. Produksi dari PLA dengan massa molekul tinggi melalui prepolimer dan laktida
Kemudian prepolimernya dikonversi ke dalam campuran dari stereoisomer laktida menggunakan katalis timah untuk meningkatkan laju dan selektivitas dari reaksi intramolekular siklisasi. Selanjutnya campuran cairan laktida dimurnikan dengan distilasi vakum. Akhirnya, PLA berpolimer tinggi dihasilkan menggunakan katalis timah(II) oktoat (Gruber, et al., 2001).
C - 16 Poli(asam laktat) ditemukan pada tahun 1932 oleh Carothers (DuPont) yang memproduksi PLA dengan massa molekul rendah dengan memanaskan asam laktat pada kondisi vakum. Pada tahap selanjutnya, DuPont dan Ethicon memfokuskan pembuatan aplikasi medical grade satures, implan dan kemasan obat. Baru-baru ini, beberapa perusahaan seperti Shimadzu dan Mitsui Tuatsu di Jepang telah memproduksi sejumlah PLA untuk berbagai aplikasi plastik. Poli(asam laktat) atau Poli laktida (PLA) dengan rumus kimia (CH3CHOHCOOH)n adalah sejenis polimer atau plastik yang bersifat biodegradable, thermoplastic dan merupakan poliester alifatik yang terbuat dari bahan-bahan terbarukan seperti pati jagung atau tanaman tebu.
Saat ini, PLA sudah digunakan untuk beragam aplikasi, diantaranya dibidang medis, kemasan dan tekstil. Dibidang medis, PLA sudah lama digunakan sebagai benang jahit pada saat operasi serta bahan pembungkus kapsul. Selain itu, pada dasawarsa terakhir PLA juga dikembangkan dalam upaya perbaikan jaringan tubuh manusia. PLA juga telah dikembangkan untuk pembuatan kantong plastik (retail bags), kontainer, bahkan edible film untuk sayuran dan buah. Dalam bentuk film dan bentuk foam digunakan untuk pengemas daging, produk susu, atau roti. Dapat juga digunakan dalam bentuk botol dan cangkir sekali pakai untuk kemasan air, susu, jus dan minuman lainnya. Piring, mangkok, nampan, tas, film pertanian merupakan penggunaan lain dari jenis plastik ini. Dibidang tekstil PLA juga telah diaplikasikan untuk pembuatan kaos dan tas. Di Jepang, PLA bahkan sudah dikembangkan sebagai bahan dasar pembuatan compact disc (CD) oleh Sanyo.
Katalis Tin(II)-2-ethylhexanoate
Tin(II)-2-etilheksanoat (Sn(Oct)2) (7) paling banyak digunakan secara luas karena laju reaksi yang tinggi, kelarutannya dalam melt monomer, dan kemampuannya untuk menghasilkan massa molekul tinggi (Swift, G., 1993). Mekanisme pemasukan koordinasi ditunjukkan pada gambar 7. Model molekul memperlihatkan dua alkohol (alkohol tersebut sebagai inisiator seperti MeOH atau iPrOH) pertukaran dengan ligan oktoat (8a), dilanjutkan dengan koordinasi laktida pada logam pusat (8b). Pemasukkan alkohol (8c) dilanjutkan dengan pembukaan cincin (8d) menjadikan monomer linear (8e) dan memulai propagasi.
Kerapian polimerisasi pembukaan cincin laktida dengan Sn(Oct)2 memberikan PLA massa molekul sampai 106 g/mol pada 140 – 180oC dengan konsentrasi katalis dari 100 – 1000 ppm selama 2 – 5 jam (Drumright et al., 2000). Sebuah inisiator atau co-inisiator adalah suatu zat yang dapat memulai reaksi polimerisasi. Dibuktikan oleh Kowalski et al. bahwa Sn(Oct)2 memerlukan aktivasi dengan R-OH (gambar 8) (A.Kowalski, et al., 2000).
Viskositas
Viskositas adalah ketahanan suatu cairan terhadap aliran (deformasi). Nilai viskositas ditentukan dengan membandingkan waktu alir pada alat viskometer Ostwald atau hukum Poise ville. Viskositas merupakan besaran yang harganya tergantung terhadap temperatur, jika temperatur naik maka viskositas akan turun dan jika temperatur turun maka viskositas akan naik, serta berhubungan dengan laju dan waktu alir suatu zat (Rosida, 2007). Kelebihan metode viskositas adalah lebih cepat dan lebih mudah, serta perhitungannya sederhana. Dengan metode berbeda, Jing S. et al. (2006) melaporkan bahwa polikondensasi langsung sukses dilakukan dengan SnCl2 yang diaktivasi oleh p-toluenesulfonic acid (TSA). Pada jumlah optimum katalis, yaitu 0,45 wt% SnCl2 dan dengan rasio mol TSA yang setara, PLLA dengan Mv 5.08 x 104 g/mol dapat dihasilkan pada 528 W selama 40 menit. Ini menjadi pertimbangan bahwa SnCl2 mengkatalisis tidak hanya polikondensasi OLLA tetapi juga dekomposisi polimer. Laju katalisasi meningkat dengan peningkatan konsentrasi katalis. Ketika konsentrasi katalis meningkat pada nilai tertentu, laju katalisis untuk mendekomposisi menjadi lebih cepat daripada untuk polikondensasi.
Penentuan Massa Molekul
Massa molekul merupakan variabel yang teristimewa penting sebab berhubungan langsung dengan sifat kimia polimer. Umumnya polimer dengan massa molekul tinggi mempunyai sifat yang lebih kuat. Polimer-polimer diangggap memiliki massa molekul yang berkisar antara ribuan hingga jutaan dengan massa molekul optimum yang bergantung pada struktur kimia dan penerapannya. Nilai massa molekul yang diperoleh bergantung pada besarnya ukurandalam metode pengukurannya. Sampel suatu polimer sesungguhnya terdiri atas sebaran ukuran molekul dan sebaran massa molekul. Oleh karena itu, setiap penentuan massa molekul akan dihasilkan harga rata-rata.
Massa molekul suatu polimer merupakan massa molekul rata-rata dari tiap rantai polimernya. Massa molekul polimer dapat dinyatakan dalam beberapa bentuk, yaitu massa molekul rata-rata berat (weight average molar mass) (Mw), massa molekul rata-rata jumlah (Number average molar mass) (Mn), massa molekul rata-rata viskositas (Viscosity average molar mass) (Mv), dan massa molekul rata-rata Z (Z average molar mass) (Mz). Mw dapat ditentukan dengan hamburan cahaya (light scattering) dan ultrasentrifugasi. Sedangkan Mn dapat ditentukan dengan analisis gugus ujung dan sifat koligatif (krioskopi dan ebulliometri). Adapun Mv dan Mz dapat ditentukan dengan metode pengukuran viskositas.
Metode ini mengukur viskositas dengan cara membandingkan waktu alir pelarut dan larutan polimer pada berbagai kepekatan atau konsentrasi. Viskometer memiliki keunggulan, yaitu untuk mencapai berbagai konsentrasi, larutan polimer dapat diencerkan dalam viskometer dengan menambahkan
C - 17 sejumlah terukur pelarut. Pengukuran dilakukan dengan viskometer dalam penangas air bersuhu tetap untuk mencegah naik turunnya viskositas akibat perubahan suhu (Steven, 2001). Pengukuran massa molekul dengan metode ini didasarkan pada persamaan Mark– Houwink–Sakurada, yaitu:
[ ] = k(Mv)
αk dan α merupakan tetapan Mark–Houwink – Sakurada, [η] adalah viskositas intrinsik, dan Mv merupakan massa molekul viskositas (Hwang et al, 1997). Nilai k dan α bukan merupakan tetapan yang bernilai mutlak. Tetapan tersebut bergantung pada polimer, pelarut, dan suhu (Steven, 2001). Pelarut dan suhu yang digunakan pada penelitian ini adalah etil asetat dan 25°C. Nilai k dan α secara berturut-turut adalah 1,58×10-4 dan 0.78.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Penentuan Viskositas Intrinsik PLA
Pada penentuan viskositas intrinsik PLA langkah pertama yang dilakukan adalah mengukur laju alir pelarut PLA yaitu etil asetat. Hasil pengukuran pelarut sebagaimana ditunjukkan pada tabel 2 berikut.
Tabel 2. Pengukuran laju alir pelarut
Pelarut Waktu laju alir
Rata-rata I (detik) II (detik) III (detik)
Etil Asetat 11,9 11,9 11,9 11,9
Pada tabel 2, pengukuran laju alir etil asetat dilakukan dengan menggunkan penangas es dimana suhu dikontrol sebesar 25oC. pengukuran tersebut melalui beberapa kali ulangan dan mendapatkan hasil pengukuran waktu 11,90 detik sebanyak tiga kali, serta hasil rata-rata dari sejumlah ulangan tersebut menunjukkan waktu laju alir rata-rata sebesar 11,90 detik. Viskositas hasil polimerisasi PLA tanpa katalis (kontrol) diukur laju alirnya untuk setiap konsentrasi masing-masing sebanyak 3 kali ulangan pada suhu 25oC dengan menggunakan viskometer Ostwald. Data pengukuran laju alir PLA tanpa katalis terlihat pada tabel 3.
Tabel 3. Pengukuran laju alir PLA tanpa katalis
Kons. PLA
Waktu laju alir
Rata-rata I (detik) II (detik) III (detik)
0,20% 11,90 12,00 12,00 11,97
0,30% 12,00 12,20 12,00 12,07
0,40% 12,20 12,20 12,20 12,20
0,50% 12,30 12,30 12,30 12,30
Pengukuran waktu laju alir PLA tanpa katalis pada tabel 3 menunjukkan bahwa waktu laju alir meningkat seiring meningkatnya konsentrasi PLA. Hal tersebut sesuai dengan teori bahwa semakin besar konsentrasi suatu zat dalam larutan, maka semakin besar pula waktu laju alir yang diperlukan. Selain itu, waktu laju alir juga ditentukan oleh besarnya suhu, semakin besar suhu akan menyebabkan gaya antar molekul semakin rendah sehingga waktu alir akan
semakin rendah. Dari data pengukuran waktu laju alir PLA tanpa katalis pada tabel 3, maka akan diperoleh hasil perhitungan viskositas PLA tanpa katalis seperti terlihat pada tabel 4.
Tabel 4. Perhitungan viskositas PLA tanpa katalis
Konsentrasi PLA
Besaran viskositas
ηrelatif ηspesifik ηreduksi (mL/g)
0,20% 1,0056 0,0056 0,02801
0,30% 1,0140 0,0140 0,04669
0,40% 1,0252 0,0252 0,06303
0,50% 1,0336 0,0336 0,06723
Perhitungan viskositas PLA tanpa katalis menunjukkan hal serupa, dimana kenaikan konsentrasi PLA memberikan kenaikan viskositas relatif, viskositas spesifik, dan viskosits reduksi. Viskositas relatif (ηrelatif) ditentukan dengan cara membandingkan waktu alir pelarut dengan waktu alir larutan polimer (t0/t). Dari data viskositas spesifik tersebut dapat diperoleh viskositas intrinsik [η] dengan cara memplotkan ηspesifik/[PLA] (ηreduksi) sebagai sumbu y dan konsentrasi sebagai sumbu x seperti terlihat pada gambar 4.
Gambar 4. Grafik antara ηreduksi dengan konsentrasi PLA
pada pengukuran viskositas tanpa katalis (kontrol)
Pada gambar 4 didapatkan persamaan garis y = 13,3987x + 0,0043 dengan regresi linear sebesar R2 = 0,9401. Viskositas intrinsik diperoleh dari ekstrapolasi ηspesifik terhadap konsentrasi PLA dimana konsentrasi larutan mendekati nol yang oleh Huggins dinyatakan dengan persamaan berikut :
= [ ] + [ ]
dimana k merupakan konstanta polimer dalam pelarut tertentu. Sehingga dari persamaan garis tersebut didapatkan ηintrinsik sebesar 0,0043. Selanjutnya, viskositas hasil polimerisasi PLA dengan konsentrasi katalis Sn(Oct)2 0,05 %wt diukur laju alirnya untuk setiap konsentrasi PLA masing-masing sebanyak 3 kali ulangan pada suhu 25oC dengan menggunakan viskometer Ostwald. Data pengukuran laju alir PLA dengan konsentrasi katalis Sn(Oct)2 0,05, 0,10, 0,15, dan 0,29 %wt terdapat pada Lampiran I. Tabel keseluruhan penentuan viskositas intrinsik pada konsentrasi Sn(Oct)2 0, 0,05, 0,10, 0,15, dan 0,20 %wt ditunjukkan pada tabel 5 berikut.
y = 13.3987x + 0.0043 R² = 0.9401 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.00% 0.20% 0.40% 0.60%
η
re d u ksi Konsentrasi PLAC - 18 Tabel 5. Nilai viskositas intrinsik berdasarkan kenaikan konsentrasi Sn(Oct)2
Konsentrasi Sn(Oct)2
Viskositas Intrinsik Rata-rata
(mL/g) I II III 0,00% 0,0043 0,0043 0,0043 0,0043 0,05% 0,0059 0,0069 0,0079 0,0073 0,10% 0,1493 0,1843 0,1649 0,1662 0,15% 0,1924 0,2104 0,2241 0,2090 0,20% 0,1589 0,1731 0,1662 0,1661
Data yang diperoleh pada tabel 5 dianalisis menggunakan statistik anova satu arah (Lampiran II), meliputi uji normalitas, uji homogenitas, uji anova dan uji lanjutan Post Hoc. Pada uji normalitas dan uji homogenitas didapatkan data sebagai berikut:
Tabel 6. One-Sample Kolmogorov-Smirnov Test
Viskositas Intrinsik
N 15
Normal Parametersa,b Mean ,110480 Std. Deviation ,0905948 Most Extreme Differences Absolute ,271
Positive ,271
Negative -,266
Kolmogorov-Smirnov Z 1,051
Asymp. Sig. (2-tailed) ,220
a. Test distribution is Normal. b. Calculated from data.
Tabel 7. Levene's Test of Equality of Error Variancesa
Dependent Variable:Viskositas_Intrinsik
F df1 df2 Sig.
2,751 4 10 ,089
Tests the null hypothesis that the error variance of the dependent variable is equal across groups.
a. Design: Intercept + Konsentrasi
Persyaratan data disebut normal dan homogen jika memiliki nilai signifikan (p)
0,05. Hasil uji normalitas data pada tabel 6 diperoleh harga signifikan (p)
0,05 yakni 0,220, sehingga dapat disimpulkan bahwa data berdistribusi normal. Hasil uji homogenitas data diperoleh harga signifikan (p)
0,05 yakni 0,089, sehingga dapat dikatakan data bersifat homogen. Data yang berdistribusi normal dan homogen selanjutnya diuji anova, seperti pada tabel 8 sebagai berikut:
Tabel 8. One-way ANOVA
F Sig. Viskositas_Intrinsik Between Groups 232,327 ,00000000081
Within Groups Total
Uji One-way anova pada tabel 8 menunjukkan Sig. 0,00000000081 < 0,05, berarti H0 ditolak dan H1 diterima yang menyatakan ada pengaruh konsentrasi katalis timah(II) oktoat terhadap viskositas pada polimerisasi asam laktat dengan metode ring opening polymerization (ROP). Untuk mengetahui perbedaan masing-masing perlakuan dilakukan uji lanjutan dengan menggunakan Post Hoc (Lampiran II). Hasil uji lanjutan Post Hoc selanjutnya dapat dibuat notasi pada masing-masing konsentrasi katalis Sn(Oct)2 yang ditunjukkan pada tabel 9.
Tabel 9. Notasi Perbedaan Viskositas Intrinsik Variasi Konsentrasi Katalis Sn(Oct)2
Perlakuan Notasi Rata-rata Kontrol 0,004300 a P1 0,006900 a P2 0,166167 b P3 0,208967 c P4 0,166067 b Keterangan:
Notasi berbeda menunjukkan adanya perbedaan. Tabel 9 di atas menunjukkan bahwa terdapat tiga notasi berbeda yaitu a, b, dan c. Hal tersebut menunjukkan adanya perbedaan antar perlakuan. Viskositas intrinsik tetinggi ditunjukkan pada notasi (c) yakni pada P3, sehingga konsentrasi katalis Sn(Oct)2 optimum adalah 0,15 %wt. Dimana konsentrasi Sn(Oct)2 optimum memiliki viskositas intrinsik tertinggi.
Hasil yang diperoleh pada tabel 9 di atas dapat dibuat kurva yang menggambarkan hubungan antara viskositas intrinsik dengan konsentrasi katalis Sn(Oct)2, seperti pada Gambar 5.
Gambar 5. Nilai viskositas intrinsik berdasarkan kenaikan konsentrasi Sn(Oct)2
Gambar 5 di atas menunjukkan pada konsentrasi katalis Sn(Oct)2 0,15 %wt memiliki nilai viskositas intrinsik tertinggi yakni 0,2090. Hal ini menyatakan bahwa konsentrasi katalis Sn(Oct)2 0,15 %wt merupakan konsentrasi katalis optimum untuk viskositas intrinsik PLA hasil polimerisasi.
Penentuan Massa Molekul PLA
Data perhitungan massa molekul PLA dengan konsentrasi katalis Sn(Oct)2 0,05, 0,10, 0,15, dan 0,29 %wt terdapat pada Lampiran I. Tabel keseluruhan penentuan massa molekul pada konsentrasi Sn(Oct)2 0, 0,05, 0,10, 0,15, dan 0,20 %wt ditunjukkan pada tabel 10.
Tabel 10. Hasil perhitungan massa molekul berdasarkan kenaikan konsentrasi Sn(Oct)2
Kons. Sn(Oct)2
Massa Molekul (g/mol) Rata-rata (g/mol) I II III 0,00% 62,98 62,98 62,98 62,9846 0,05% 103,66 126,70 150,71 127,0313 0,10% 6.525,57 8.548,35 7412,30 7495,4110 0,15% 9.032 ,97 10.130,39 10983,72 10557,0618 0,20% 7.068,32 7.888,13 7487,30 7481,2547
Data yang diperoleh pada tabel 10 dianalisis menggunakan statistik anova satu arah (Lampiran II),
0.0043 0.0073 0.1662 0.2090 0.1661 0.0000 0.0500 0.1000 0.1500 0.2000 0.2500 0.00% 0.05% 0.10% 0.15% 0.20% 0.25%
η
in tr in si kC - 19 meliputi uji normalitas, uji homogenitas, uji anova dan uji lanjutan Post Hoc. Pada uji normalitas dan uji homogenitas didapatkan data sebagai berikut:
Tabel 11. One-Sample Kolmogorov-Smirnov Test Massa_Molekul
N 15
Normal Parametersa,b Mean 5043,142807 Std. Deviation 4328,2067328 Most Extreme Differences Absolute ,271
Positive ,271
Negative -,234
Kolmogorov-Smirnov Z 1,049
Asymp. Sig. (2-tailed) ,221
a. Test distribution is Normal. b. Calculated from data.
Tabel 12. Levene's Test of Equality of Error Variancesa
Dependent Variable:Massa_Molekul
F df1 df2 Sig.
2,879 4 10 ,080
Tests the null hypothesis that the error variance of the dependent variable is equal across groups.
a. Design: Intercept + Konsentrasi
Persyaratan data disebut normal dan homogen jika memiliki nilai signifikan (p)
0,05. Hasil uji normalitas data pada tabel 11 diperoleh harga signifikan (p)
0,05 yakni 0,221, sehingga dapat disimpulkan bahwa data berdistribusi normal. Hasil uji homogenitas data diperoleh harga signifikan (p)
0,05 yakni 0,080, sehingga dapat dikatakan data bersifat homogen. Data yang berdistribusi normal dan homogen selanjutnya diuji anova, seperti pada tabel 13 sebagai berikut:
Tabel 13. One-way ANOVA
F Sig.
Massa_Molekul Between Groups 149,768 ,00000000706 Within Groups
Total
Uji One-way anova pada tabel 13 menunjukkan Sig. 0,00000000706 < 0,05, berarti H0 ditolak dan H1 diterima yang menyatakan ada pengaruh konsentrasi katalis timah(II) oktoat terhadap massa molekul pada polimerisasi asam laktat dengan metode ring opening polymerization (ROP).
Selanjutnya untuk mengetahui perbedaan masing-masing perlakuan dilakukan uji lanjutan dengan menggunakan Post Hoc (Lampiran II). Hasil uji lanjutan Post Hoc selanjutnya dapat dibuat notasi pada masing-masing konsentrasi katalis Sn(Oct)2 yang ditunjukkan pada Tabel 14.
Tabel 14. Notasi Perbedaan Viskositas Intrinsik Variasi Konsentrasi Katalis Sn(Oct)2
Perlakuan Notasi Rata-rata Kontrol 62,984600 a P1 127,031300 a P2 7495,411000 b P3 10049,032433 c P4 7481,254700 b Keterangan:
Notasi berbeda menunjukkan adanya perbedaan.
Tabel 14 di atas menunjukkan bahwa terdapat tiga notasi berbeda yaitu a, b, dan c. Hal tersebut menunjukkan adanya perbedaan antar perlakuan.
Aktivitas tetinggi ditunjukkan pada notasi (c) yakni pada P3, sehingga konsentrasi katalis Sn(Oct)2 optimum adalah 0,15 %wt. Dimana konsentrasi Sn(Oct)2 optimum memiliki massa molekul tertinggi.
Hasil yang diperoleh pada tabel 14 di atas dapat dibuat kurva yang menggambarkan hubungan antara massa molkul dengan konsentrasi katalis Sn(Oct)2, seperti pada Gambar 6.
Gambar 6. Grafik massa molekul PLA berdasarkan kenaikan konsentrasi katalis Sn(Oct)2
Gambar 6 di atas menunjukkan pada konsentrasi katalis Sn(Oct)2 0,15 %wt memiliki nilai massa molekul tertinggi yakni 10.557,0618 gram/mol. Hal ini menyatakan bahwa konsentrasi katalis Sn(Oct)2 0,15 %wt merupakan konsentrasi katalis optimum untuk massa molekul PLA hasil polimerisasi. Penampakan fisik dari PLA hasil penelitian yang menggunakan konsentrasi katalis Sn(Oct)2 sebesar 0,15 %wt dengan massa molekul paling besar memberikan karakter yang menyerupai PLLA yaitu bersifat keras, tapi getas.
KESIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Berdasarkan hasil penelitian yang dilakukan dapat disimpulkan sebagai berikut:
1. Ada pengaruh konsentrasi katalis timah(II) oktoat terhadap viskositas pada polimerisasi asam laktat dengan metode ring opening polymerization (ROP).
2. Viskositas optimum pada polimerisasi asam laktat dengan metode ring opening polymerization (ROP) adalah 0,2090 dengan konsentrasi katalis Sn(Oct)2 0,15 %wt.
3. Ada pengaruh konsentrasi katalis timah(II) oktoat terhadap massa molekul pada polimerisasi asam laktat dengan metode ring opening polymerization (ROP).
4. Massa molekul poli(asam laktat) optimum pada polimerisasi asam laktat dengan metode ring opening polymerization (ROP) adalah 10.557,0618 gram/mol dengan konsentrasi katalis Sn(Oct)2 0,15 %wt.
Saran
Perlu dilakukan penelitian lanjutan mengenai pembuatan PLA dengan metode ROP dan pengujian poli(asam laktat) lebih lanjut dengan analisis termogravimetri (TGA) untuk melihat
62.98 127.03 7,495.41 10,557.06 7,481.25 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 0.00% 0.05% 0.10% 0.15% 0.20% 0.25% M as sa M o lk u l
C - 20 ketahan PLA terhadap panas (mengukur massa PLA yang hilang akibat pemanasan) dan Differential Scanning Calorimetry (DSC) untuk mengetahui titik transisi gelas PLA yang dihasilkan. PLLA yang dihasilkan masih diperlukan proses tambahan misalnya blending agar dapat digunakan untuk retail bags, sutures, dan lain-lain.
DAFTAR PUSTAKA
A. J. Nijenhuis, D. W. Grijpma, A. J. Pennings, 1992, Macromolecules. 25, 6419–6424.
Anonymous, 2005. Highlights in Bioplastics, Berlin: IBAW Publication.
Aulana, Lena Nur., 2005. Pemanfaatan Hidrolisat Pati Sagu Untuk Produksi Asam Laktat oleh Lactobacillus casei FNCC 266, Skripsi. Bogor: Institut Pertanian Bogor.
Auras, R. 2002. Polylactic Acid as a New Biodegradable Commodity Polymer.
Avérous, L., 2008. Polylactic Acid: Synthesis, Properties and Applications, dalam Monomers, Polymers and Composites from Renewable Resources (Ed Mohamed Naceur Belgacem dan Alessandro Gandini), 1st Editon, Chapter 21. Amsterdam: Elsevier Ltd.
Botelho, Thiago., Nadia Teixira and Felipe Aguiar, 2004. Polylactic Acid Production from Sugar Molasses, International Patent WO 2004/057008 A1.
Cowd. 1991. Kimia Polimer. Harry Firman, penerjemah. Bandung: ITB Press. Terjemahan dari: Polymer Chemistry. D. R. Witzke, 1997.Introduction to properties,
engineering, and prospects of polylactide polymers, Ph.D. thesis, Department of Chemical Engineering, Michigan State University, East Lansing, MI.
Datta R, Tsai SP, Bonsignore P, Moon SH, Frank JR. 1995. Technological and Economic-Potential of Poly(Lactic Acid) and Lactic-Acid Derivatives. Fems Microbiology Reviews 16(2-3):221-231.
Drumright, R. E.; Gruber, P. R.; 2000. Adv. Mater. 12, 1841.
Du, Y. J.; Lemstra, P. J.; Nijenhuis, A. J.; Van Aert, H. A. M.; Bastiaansen, C. 1995. Macromolecules, 28, 2124-2132.
G. T. Jin. 1995. The Theory and Progress of Macromolecular. Technology, 2005. Bei Jing:Chemical Industry Press, ,
Ginting, A. Br., Sutri I., dan Jan S., 2005. Penentuan Parameter Uji dan Ketidakpastian Pengukuran Kapasitas panas pada Differential Scanning Calorimeter. J. Tek. Bhn, Nukl. Vol. 1(1): 1 – 57.
Gruber, Pat and O’Brien, Michael, 2001. Biopolymer. Volume 6, Chapter 8, Polylactides: NatureWorks® PLA, June 2001.
Gray A. 2006. U working on a better plastic made from corn.http://www.mndaily.
com/sections/Campus.html [25 Maret 2006]. H. Pohl, 1914. U.S. Patent 1,095,205, (to Gruter). H. R, Kricheldorf,.; Kreiser-Saunders, I.; Boettcher,
C. 1995. Polymer, 36, 1253-1259.
H. R. Kricheldorf and A. Serra, 1985. Polym. Bull., 14, 497.
Handayani, Maylani Asri. 2001. Pengaruh Lama Inkubasi terhadap Kadar Laktosa dan Asam Laktat pada Pembuatan Yoghurt Susu Kambing. Skripsi yang tidak dipublikasikan.Surabaya: Jurusan Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Negeri Surabaya.
Hartoto, Liesbetini., Ani Suryani dan Erliza Hambali, 2005. Rekayasa Proses Produksi Asam Polilaktat (PLA) dari Pati Sagu Sebagai Bahan Baku Utama Plastik Biodegradable, Bogor: Institut Pertanian Bogor.
Henton, D. E., P. Gruber, J. Lunt, and J. Randall, Polylactic acid technology, in A. K. Mohanty, M. Misra and L. T. Drzal. (Ed.). 2005. Natural Fibers, Biopolymers, and Biocomposites, CRC Press, USA, pp. 527-577.
Hofvendahl, K and Hagerdal, B. H. 1997. L. Lactid Acid Production from Whole Wheat Flour Hydrolysate Using Strain of Lactobacilli and Lactococci.Enzyme Microbiology Technology. 2013. 303-307.
Hofvendahl, Karin .dan Bärbel Hahn–Hägerdal, 2000. Factors affecting the fermentative lactic acid production from renewable resources, dalam Enzyme and Microbial Technology, no 26 tahun 2000, Halaman 87-107, Lund: Department of Applied Microbiology, Lund Institute of Technology/Lund University.J. Pelouze, J. Chem. Pharm. 1845, 53, 112– 124.
Hwang JK, SP Hong, CT Kim. 1997. Effect of molecular weight and NaCl concentration on dilute solution properties of chitosan. J Food Sci Nutr 2: 1-5
Hyon, S.; Jamshidi, K.; Ikada, Y., 1997. Synthesis of Polylactides With Different Molecular Weights. Biomaterials, 18, 1503-1508.
Jennes, R. and S.Patton, 1969, Principles of Dairy Chemistr, Willey Eastern Publ. Ltd. NewYork.
Kaitian X et al. 1996. Poly (D,L-lactic acid) homopolimers: synthesis and characterization. Turkey Journal of Chemistry. 20:43-53.
Kowalski, A., Duda, A., Penczek, S. 2000. Macromolec. 33, 7359-7370.
L. Fambri, C. Migliaresi., K. Kesenci, E. Piskin, 2002, Biodegradable polymers, in: R. Barbucci (Ed.), Integrated Biomaterials Science, Kluwer Plenum Publications, New York, Chapter 4, pp. 119–187.
C - 21 M. H. Hartmann, 1998, High molecular weight
polylactic acid polymer, in: D. L. Kaplan
(Ed.), Biopolymers from
RenewableResources, Springer, Berlin, Chapter 15, pp. 367–411.
Mitchell, Brian S., 2004. An Introduction to Materials Engineering and Science: For Chemical and Materials Engineers, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc.
Narayan, Ramani. 2003. Biobased Biodegradable Products - An Assesment. Michigan State University. Michigan
Nasiri, Syah Johan A., 2008. Mengenal Polylactic acid, dalam Majalah Sentra POLIMER, Tahun VII nomor 27, Jakarta.
NatureWorks LLC, 2010.
http://www.ingeofibers.com/ingeo/
home.asp (accessed April 2004).
Nurjannah, St., 2008. Modifikasi Pektin Untuk Aplikasi Membran Dengan Asam DIkarboksilat Sebagai Agen Penaut Silang. Skripsi Departemen Kimia FMIPA IPB. Bogor
Ohara, H., et al,. 1998. Method for producing Polylactid Acid. US Patent 5,770,682. P. Mainilvarlet, R. Rahm, and S. Gogolewski, 1997.
Biomaterials, 18, 257.
Porter, Keith A., 2006. Ring Opening Polymerization of Lactide for The synthesis of Poly (Lactic Acid), www.chemistry.illinois.edu/.
Pranamuda, H., 2001. Pengembangan Bahan Baku Plastik Biodegradabel.
R. Auras, L.-T. Lim, S. E. M. Selke, and H. Tsuji, 2010. Poly(lactic acid): Synthesis, Structures, Properties, Processing, and Applications. John Wiley & Sons, Inc. R. Datta et al., 1995. Technological and economic
potential of poly( lactic acid) and lactic acid derivatives, dalam FEMS Microbiology Reviews, no 16 tahun 1995, Halaman
221-231, Argonne: Waste Management and Bioengineering Section, Energy Systems Division, Argonne National Laboratory. Ramakrishna, S.V., Rangaswamy, V., Jain, D.,
Jagdambalal , R.J., Patel, S., Kar, S., Ramachandran, S., Ganeshpure, P.A., Satpathy, U.S., 2006, Process for the Production of Polylactic Acid from Renewable Feedstock,US Patent Publication, US 2006/003062A1.
Rohman, Saeful, 2008. Bioplastik Bukan Material Baru, Mengapa di Indonesia Belum Diporduksi Secara Massal?, dalam Majalah Sentra POLIMER, Tahun VII nomor 27, Jakarta.
Rosida A. 2007. Pencirian Poliblend Poliasamlaktat dengan Poliprolakton. [skripsi]. Bogor: Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor.
S. I. Moon, C. W. Lee, M. Miyamoto, and Y. Kimura, J. 2000. Polym. Sci.; Part A: Polym. Chem., 38, 1673.
Steven M P. 2001. Kimia Polimer. Sopyan I, penerjemah. Jakarta : Pradnja Paramitha. Terjemahan dari : Polymer Chemistry : An introduction.
J. Shu, P. Wang, Y. M. Zhang, and X. J. Mi, J.. 2006. Rapid Melt Polycondensation of L-Lactic Acid under Microwave Irradiation. Macromolecular Research, Vol. 14, No. 6, pp 659-662
Said, E.G. 1987. Bioindustri: Penerapan Teknologi Fermentasi. Jakarta: Mediatama Sarana Perkasa.
Swift, G. 1993, Acc. Chem. Res. 26, 105.
T. Matsuo, et al., 2005, U.S. Patent 25222379A1, (to Hitachi/Toyota).
