SINTESIS POLI(ESTER-URETAN) DARI SENYAWA b-butirolakton SEBAGAI ALTERNATIF POLIMER YANG BERSIFAT MUDAH TERBIODEGRADASI

(1)

Seminar Nasional Penelitian dan Pendidikan Kimia, 9 Oktober 2004

₁

SEMINAR NASIONAL PENELITIAN DAN PENDIDIKAN KIMIA

“Kontribusi Penelitian Kimia Terhadap Pengembangan Pendidikan Kimia”

SINTESIS POLI(ESTER-URETAN) DARI SENYAWA

β -BUTIROLAKTON

SEBAGAI ALTERNATIF POLIMER YANG BERSIFAT

MUDAH TERBIODEGRADASI

M. Hasan1), S.I. Rahayu2), C.L. Radiman2), I M. Arcana2) 1) Staf Pengajar Jurdik Kimia FKIP Univ. Syiah Kuala Banda Aceh

2) Staf Pengajar Departemen Kimia Institut Teknologi Bandung

ABSTRAKS

Sintesis poli(ester-uretan) dari senyawa β-butirolakton telah dilakukan dengan menggunakan katalis kompleks distannokasan. Sintesis dilangsungkan pada suhu 100 oC dan tekanan 2–5 mmHg. Monomer β-butirolakton yang akan digunakan terlebih dahulu dimurnikan dengan cara destilasi vakum. Proses sintesis dilakukan dalam dua tahap, yaitu tahap pembentukan prepolimer antara senyawa β-butirolakton dan neopentil glikol dan tahap pembentukan polimer, yaitu reaksi antara prepolimer yang diperoleh pada tahap pertama dengan difenil metana diisosianat (MDI). Karakterisasi terhadap prepolimer dan poli(ester-uretan) meliputi: analisis sifat termal, penentuan sifat fisik, dan uji sifat mekanik. Hasil penelitian menunjukkan bahwa sifat fisik seperti viskositas cenderung meningkat dengan bertambahnya kandungan monomer β-butirolakton dalam prepolimer. Demikian juga sifat termal, dimana titik leleh juga meningkat pada kondisi tersebut. Adapun sifat poli(ester-uretan) tergantung pada komposisi prepolimer dan MDI.

Kata Kunci: β-butirolakton, Prepolimer, Poli(Ester-Uretan). 1. Pendahuluan

Produksi plastik sebagai bahan pengemas, peralatan rumah tangga, pipa, komponen kendaraan bermotor dari tahun ke tahun semakin meningkat. Hal ini dilakukan mengingat plastik sangat praktis pemakaiannya, dibanding produk serupa dari bahan logam. Bahan baku plastik yang digunakan umumnya berasal dari polimer sintetik seperti polipropilena (PP), polietilena (PE), polivinilklorida (PVC), polistirena (PS), dan sebagainya.

Polimer sintetik terutama jenis poliolefin merupakan polimer yang relatif tahan terhadap degradasi baik oleh mikroba yang ada dalam tanah maupun degradasi yang disebabkan oleh pengaruh

radiasi sinar matahari. Akibatnya semakin lama pencemaran lingkungan dari limbah plastik ini semakin meningkat dan dapat menjadi ancaman serius terhadap kelestarian lingkungan hidup.

Untuk mengatasi hal ini banyak upaya yang telah dilakukan, diantaranya sampah plastik dibakar. Dalam hal ini timbul masalah baru yakni terjadinya pencemaran udara dengan dihasilkannya gas karbon monoksida (CO) sebagai akibat pembakaran tidak sempurna, disamping gas beracun lainnya, seperti gas HCN, HCl, dan lain-lain. Upaya lainnya yang sedang dikembangkan yaitu membuat suatu material plastik yang mudah terdekomposisi oleh mikroba (biodegradable) dan mudah terdegradasi oleh pengaruh radiasi sinar matahari (fotodegradable).

(2)

₂

Biodegradasi polimer dipicu oleh adanya enzim yang dihasilkan oleh mikroba tertentu. Enzim inilah yang mengkatalisis reaksi hidrolisis atau dekomposisi polimer rantai panjang menjadi satuan satuan rantai yang lebih pendek. Penelitian tentang biodegradasi polimer telah menjadi topik yang sangat menarik dalam penelitian akhir-akhir ini. Hal ini disebabkan karena mikroba terdapat secara alamiah di alam terutama di tempat pembuangan sampah sehingga dapat dimanfaatkan untuk memusnahkan sampah plastik.

Poliester merupakan salah satu polimer sintetik yang mudah terbiodegradasi. Hal ini disebabkan karena dalam rantai utama polimer terdapat gugus ester (-COO) yang mudah terhidrolisis. Poliester yang berasal dari senyawa lakton memiliki sifat mudah terbiodegradasi, termoplastik, dan biokompatibel. Akan tetapi kelemahannya poliester ini memiliki sifat termal dan sifat mekanik yang kurang baik[1]. Beberapa poliester dari kelompok ini antara lain poli(β -hidroksibutirat) dan polimer yang mirip dengannya dapat dihasilkan oleh beberapa bakteri sebagai sumber karbon dan energi cadangan[2].

Poliuretan (PU) merupakan salah satu polimer sintetik yang sangat banyak digunakan sebagai bahan baku untuk membuat busa, cat,pelapis, elastomer dan aplikasi dalam bidang biomedik. PU yang dimodifikasi melalui penambahan gugus yang bersifat biokompatible, blood compatibility seperti unit glukosa dan asam dihidroksamat banyak digunakan dalam bidang kesehatan, yakni sebagai bahan baku untuk membuat produk seperti benang jahit operasi, organ tubuh artifisial, dan pembungkus kapsul. PU memiliki sifat yang bervariasi, mulai dari busa yang lunak sampai elastomer yang keras dan kaku. Sifat tersebut sangat ditentukan oleh rasio bagian lunak (soft segment) dan bagian keras (hard segment) dalam struktur molekulnya. Semakin tinggi rasio bagian keras maka akan semakin keras dan kaku polimernya[3]. Rasio ini sangat ditentukan oleh jenis dan komposisi diisosianat pada saat sintesis. Penggunaan 4,4-difenilmetan-diisosianat (MDI), dan toluil diisosianat (TDI) akan menghasilkan PU dengan bagian keras lebih besar, sedangkan penggunaan heksametilen diisosianat (HMDI) akan menghasilkan bagian lunak lebih besar. Penggunaan MDI akan menghasilkan PU dengan sifat mekanik dan sifat termal yang baik. Selain itu MDI lebih reaktif dibanding TDI, sehingga penggunaan MDI pada sintesis PU dapat berlangsung pada suhu yang lebih rendah

dibanding TDI dan HMDI. Akan tetapi kelemahannya polimer yang dihasilkan bersifat kaku dan getas.

Penelitian mengenai sintesis PU yang dimodifikasi telah dilakukan. Chen, Z., et al[3] memodifikasi rantai utama PU dengan cara menambahkan gugus/unit glukosa untuk mendapatkan PU yang bersifat blood compatibility, yakni suatu bahan polimer yang digunakan untuk memproduksi organ tubuh artifisial, seperti jantung buatan. Rohaeli, E[4] menggunakan tapioka dan PEG serta MDI untuk mensintesis PU yang bersifat mudah terbiodegradasi. Buruiana, T., et al[5] juga telah mensintesis PU yang menambahkan segmen asam dihidrokasamat untuk mendapatkan PU yang bersifat biokompatibel dengan material lainnya.

Mengingat PU merupakan salah satu polimer yang sangat luas pemakaiannya, terutama dalam bidang biomedik, maka perlu disintesis PU selain memiliki sifat termal dan mekanik yang baik, juga bersifat tidak kaku dan getas, bersifat termoplastik, mudah terbiodegradasi dan biokompatible dengan material lainnya. Hal ini dapat dilakukan dengan cara mensintesis PU secara kimia yang dapat memiliki sifat-sifat seperti di atas.

Untuk itu dalam penelitian ini akan dilakukan sintesis suatu poli(ester-uretan) yang berasal dari senyawa β- butirolakton. Sintesis polimer ini dilakukan lewat pembentukan oligomer antara senyawa diol dengan senyawa lakton. Sintesis oligomer ini menggunakan katalis kompleks distannoksan. Selanjutnya oligomer yang diperoleh direaksikan dengan senyawa MDI untuk menghasilkan poli(ester-uretan).

2. Eksperimen

Percobaan yang dilakukan meliputi: persiapan laboratorium, sintesis katalis kompleks distannoksan, sintesis oligomer dan karakterisasi. Karakterisasi terhadap oligomer hasil sintesis meliputi: Penentuan struktur dengan alat FTIR, penetuan sifat termal dengan alat Differential Thermal Analysis (DTA), penentuan viskositas dengan viscometer ostwald, serta penentuan bilangan hidroksi secara titirimetri.

(3)

₃

Bahan kimia yang diperlukan ialah: dibutiltin oksida, dibutiltin diklorida, etanol 95 %, neopentil glikol, δ-valerolakton, asam oksalat, nitrogen cair, metanol teknis, kalium hidroksida, indikator phenolptalein, kloroform p.a, asam asetat anhidrida, piridin, n-heksana p.a.

2.2 Pembuatan katalis kompleks distannoksan

Sebanyak 14,9 gram dibutiltin oksida (Bu2SnO) dan 6,07 gram dibutiltin diklorida

(Bu2SnCl2) direfluk dalam 200 mL etanol 95 %

(v/v) selama 6 jam hingga homogen dan transparan. Kemudian larutan dibiarkan di udara sampai muncul padatan putih, lalu disaring. Kristal yang terbentuk direkristalisas i dengan pelarut heksana pada suhu 0oC. Selanjutnya kristal tersebut diuji titik lelehnya. Distannoksan yang terbentuk diharapkan mempunyai titik leleh sekitar 109-121 .

2.3 Sintesis Kopolimer

Sebanyak 0,20 g katalis distannoksan diisi ke dalam reaktor polimerisasi, selanjutnya dipanaskan pada suhu 80oC selama 4 jam dalam kondisi vakum (tekanan 5 mmHg). Sebanyak 5,0 g

δ-valerolakton dan 0,625 g neopentil glikol (perbandingan mol δ-valerolakton dan neopentil glikol = 10 : 1) selanjutnya dimasukkan ke dalam reaktor yang telah berisi katalis, kemudian dilakukan degassing sebanyak dua kali dengan cara pengadukan dan pendinginan dengan nitrogen cair. Setelah itu reaktor di seal dalam keadaan vakum dan selanjutnya dilakukan polimerisasi pada suhu 100 oC selam a 4 jam. Kondisi yang sama diulang untuk komposisi: mol δ-valerolakton: neopentilglikol adalah 20:1; 30:1; 40:1 dan 50:1.

2.4. Sintesis Polimer Poli(ester-Uretan)

Batch pemanas yang berisi minyak parafin dihidupkan dan temperatur diatur sebesar 100 oC. Oligomer ditimbang dengan berat tertentu diisi kedalam gelas kimia, lalu dimasukkan ke dalam pemanas yang telah mencapai suhu seperti diinginkan sambil diaduk. Setelah semua kopolimer meleleh, dimasukkan MDI dengan berat yang tertentu, lalu terus di aduk sekitar 15 menit. Polimer yang terbentuk selanjutnya dimurnikan dengan menggunakan pelarut kloroform dan etanol dan dilakukan dengan cara sonikasi hingga semua pengotor larut. Kemudian disaring, residu berupa polimer dikeringkan, dan dilakukan karakterisasi.

6. Karakterisasi

Karakterisasi terhadap oligomer meliputi penentuan struktur, penentuan viskositas, pengukuran sifat termal dan pengukuran bilangan hidroksi. Sedangakan terhadap polimer dilakukan penentuan sifat termal dan sifat mekanik. Struktur oligomer yang dihasilkan ditentukan dengan alat FTIR Shimadzu series 8000. Sampel diukur dalam bentuk pelet KBr dengan berat sampel dibuat konstan. Viskositas oligomer hasil sintesis ditentukan secara viskometri dengan alat viskometer Ostwald, dimana hasilnya dikonversi dari data waktu alir menjadi viskositas instrinsik. Penetuan sifat termal berupa titik leleh dilakukan dengan alat DTA. Bilangan hidroksi kopoliester yang dihasilkan ditentukan dengan metode titirimetri.

3. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN 3.1 Data Hasil Sintesis Kopolimer dan Polimer Poli (ester-uretan)

Data hasil sintesis kopolimer dapat dilihat pada tabel 1, sedangan data mengenai sintesis polimer selengkapnya ada di tabel 2.

Tabel 1. Data hasil sintesis kopolimer dari monomer β-butirolakton No Perb.Mol (BL:NG) Titik Leleh (oC ) Viskositas [η] x103 Bilangan Hidroksi 1 2 3 4 5 10 : 1 20 : 1 30 : 1 40 : 1 50 : 1 ** ** ** 55,07 75,25 # # 34,82 43,94 50,61 # # 131,403 126,540 114,588 Keterangan: ** masih berwujud cair pada suhu kamar.

Tabel 2. Data hasil sintesis Polimer poli(ester-uretan)

(4)

₄

Polimer men (%) Kuat tarik (Mpa) Perpanja-ngan (%) Modulus Young (MPa) Leleh (oC) 1 2 3 PU - 33 PU – 34 PU – 35 72,16 86,46 88,12 12,461 3,955 * 12,84 3,075 - 0,971 1,286 - 326,46 332,91 319,97 Keterangan: *Tidak dapat dibuat film, karena rapuh

3.2 Struktur Kopolimer

Struktur kopolimer yang dihasilkan dari reaksi antara β-butirolakton dan neopentilglikol ditentukan dengan FTIR. Berdasarkan spektra FTIR, dapat diinterpretasi gugus fungsi yang memberikan serapan pada frekuensi tertentu. Adapun hasil interpretasi spektra diperoleh frekuensi absorpsi dan gugus fungsi yang mengabsorpsi adalah sebagai berikut: v= 3440 cm-1 (s, -OH); v= 2954,7 dan 2877,6 cm-1 (s, C-H dari – CH2-); v= 1728,1 cm-1 (s, -C=O dari R-CO-O-R),

v=1473,5 cm-1(s, CH3-C), v=1396 cm- 1(m, CH3-C)

dan pada v=1180,4 cm-1 (s, -CH2-CO-O-R).

3.3 Pengaruh komposisi monomer terhadap viskositas, bilangan hidroksi dan titik leleh kopolimer

Berdasarkan data pada tabel 1, tampak bahwa viskositas semakin tinggi dengan bertambahnya kandungan senyawa β-butirolakton dalam kopolimer, namun untuk komposisi 20:1 ke bawah viskositasnya sangat rendah, dimana hasil sintesisnya masih berwujud cair, komposisi 30:1 berbentuk jel, sedangkan untuk komposisi 40:1 dan 50:1 diperoleh kopolimer berbentuk serbuk. Demikian juga dengan bilangan hidroksi yang ceenderung menurun seiring dengan dengan meningkatnya kandungan monomer tersebut. Hal ini dperkirakan terjadi pertambahan panjang rantai kopolimer karena bertambahnya kandungan monomer β-butirolakton.Hasil ini didukung oleh data titik leleh yang cenderung meningkat juga seiring dengan bertambahnya fraksi monomer dalam kopolimer. Akan tetapi titik leleh yang berada di atas suhu kamar terjadi mulai komposisi 40:1.

3.4 Pengaruh Komposisi Monomer dalam Kopolimer Terhadap Sifat Termal dan Mekanik Polimer

Berdasarkan data hasil sintesis polimer dari kopolimer dan MDI sebagaimana tercantum dalam tabel 2, terlihat bahwa ada hubungan yang sifnifikan antara komposisi monomer dalam

kopolimer dengan ke dua sifat ini. Kekuatan tarik polimer justeru menurun dengan meningkatnya fraksi monomer β-butirolakton dalam kopolimer. Bahkan pada pada variabel dimana kandungan mol monomer ini di atas 30:1, polimer yang dihasilkan bersifat rapuh, getas, sehingga sukar dibuat film. Data ini juga diperkuat oleh hasilpenentuan sifat termal, dimana titik leleh polimer semakin kecil seiring dengan meningkatnya kandungan monomer

β-butirolakton dalam kopolimer. Hal ini disebabkan makin banyak kandungan senyawa lakton dalam polimer, jumlah gugus hidroksil yang terdapa dalam molekul tersebut semakin berkurang. Dengan demikian fleksibilitas rantai poli(ester-uretan) yang terbentuk juga akan berkurang.

4.KESIMPULAN

Reaksi pembentukan oligomer antara monomer β-butirolakton dan neopentil glikol telah berlangsung. Hasilnya yaitu terbentuknya kopolimer blok, dimana semakin besar jumlah mol monomer β-butirolakton maka rantai oligomer yang terbentuk semakin panjang. Titik leleh dan viskositas oligomer yang terbentuk semakin tinggi seiring dengan bertambah besar jumlah mol β -butirolakton, sedangkan bilangan hidroksi menurun dengan meningkatnya jumlah mol monomer tersebut. Karakteristik polimer poli(ester-uretan) hasil sintesis sangat terkait dengan komposisi monomer dalam kopolimer, dimana semakin tinggi kandungan monomer senyawa lakton dalam kopolimer semakin rendah kekuatan tarik dan titik lelehnya.

5. Daftar Pustaka

1. Findley, R.H., and White, D.C.,(1983). Appl. Environ. Microbiol., 45 : 71.

2. Lori, A.H., Yuri, Y.S., and Richarde,

A.G.,(1996), Enzyme-Catalyzed Polimerizations of ∈- caprolactone: effect of initiator on product strukture, propagation kinetics, and mechanism, Macromolecules , 29, 7759-7766.

(5)

₅

3. Shen, Y., Zhiguan, S., Wifeng, Z., and Kemin, Y., (1996), Novel rare earth catalysts for the living polimerization and block

copolymerization of ∈-caprolactone, Macromolecules, 29, 8289-8295. 4. Rohaeti, E., Surdia, N.M., Radiman,

C.L.,Ratnaningsih, E., (2000), Thermal Properties of Synthesized Polyurethane from Tapioca Starch, Proc. The Sec. Int. Workshop On Green Polymers, Bandung-Bogor

5.Buruiana, T., Spridon, D., Buruiana, E. C., Hefco, V., Uglea, C. V.,(1999), Polyurethane based on dihydroxamic acids. Synthesis, Chemical characterization, and biological activity, J. Biomater. Sci. Polym. Edn., 10, 11, pp. 1159-1170.