KLORIDA DAN ANHIDRIDA MALEAT
TESIS
RINA RIDARA 177006007
PROGRAM PASCASARJANA MAGISTER KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN 2019
MODIFIKASI PERMUKAAN PULP SELULOSA BAMBU BELANGKE (Gigantochloa pruriens) DENGAN SENYAWA ANTIMIKROBA
[2-(AKRILOILOKSI)ETIL] TRIMETIL AMONIUM KLORIDA DAN ANHIDRIDA MALEAT
TESIS
Diajukan untuk melengkapi tugas dan memenuhi syarat mencapai gelar Magister Sains
RINA RIDARA 177006007
PROGRAM PASCASARJANA MAGISTER KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN 2019
MODIFIKASI PERMUKAAN PULP SELULOSA BAMBU BELANGKE (Gigantochloa pruriens) DENGAN SENYAWA ANTIMIKROBA
[2-(AKRILOILOKSI)ETIL] TRIMETILAMONIUM KLORIDA DAN ANHIDRIDA MALEAT
TESIS
Saya menyatakan bahwa tesis ini adalah hasil karya saya sendiri, kecuali beberapa kutipan dan ringkasan yang masing-masing disebutkan sumbernya.
Medan, 20 September 2019
Rina Ridara 177006007
PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS
Sebagai Sivitas Akademika Universitas Sumatera Utara, saya yang bertanda tangan di bawah ini
Nama : Rina Ridara
Nomor Pokok : 177006007 Program Studi : Magister Kimia Jenis Karya Ilmiah : Tesis
Demi pengembangan ilmu pengetahuan, menyetujui untuk memberikan kepada Universitas Sumatera Utara Hak Bebas Royalti Non-Eksklusif (Non-Exclusif Royalty Free Right) atas Tesis saya yang berjudul:
MODIFIKASI PERMUKAAN PULP SELULOSA BAMBU BELANGKE (Gigantochloa pruriens) DENGAN SENYAWA ANTIMIKROBA
[2-(AKRILOILOKSI)ETIL] TRIMETIL AMONIUM KLORIDA DAN ANHIDRIDA MALEAT
Beserta perangkat yang ada (jika diperlukan) dengan Hak Bebas Royalti Non- Ekslusif ini, Universitas Sumatera Utara berhak menyimpan, mengalih media, menformat, mengelola dalam bentuk data-base, merawat dan mempublikasikan tesis saya tanpa meminta izin dari saya selama mencantumkan nama saya sebagai penulis dan sebagai pemegang dan atau sebagai pemilik hak cipta.
Demikian pernyataan ini dibuat dengan sebenarnya.
Medan, 20 September 2019
Rina Ridara NIM. 177006007
Telah diuji pada
Tanggal : 20 September 2019
Panitia Penguji Tesis
Ketua : Prof. Basuki Wirjosentono, MS, Ph.D Anggota : 1. Dr. Amir Hamzah Siregar, M.Si
2. Prof. Dr. Tamrin, MSc 3. Dr. Darwin Yunus Nst, M.S 4. Dr. Andriayani, M.Si
KLORIDA DAN ANHIDRIDA MALEAT
ABSTRAK
Telah dilakukan penelitian mengenai pulp selulosa yang diisolasi dari bambu Belangke (Gigantochloa pruriens) dengan proses delignifikasi. Kemudian dimodifikasi dengan metode refluks selama 2 jam menggunakan toluena sebagai pelarut dengan penambahan anhidrida maleat (MA). Setelah didapatkan kondisi optimum kemudian ditambahkan senyawa antimikroba [2-(Akriloiloksi)Etil]
Trimetilammonium Klorida (AETAC) dan ammonium persulfat sebagai inisiator, ditambahkan setetes demi setetes dan refluks dilanjutkan selama 2 jam. Kemudian didinginkan, disaring dan dicuci secara menyeluruh menggunakan aseton dan dikeringkan dalam oven hingga berat konstan pada suhu 60oC. Selulosa yang dimodifikasi AETAC-MA (AETAC/MA-g-Cell) kemudian dikarakterisasi menggunakan Fourier Transform Infrared (FTIR) untuk struktur kimia, analisa termal (DSC) dan morfologi permukaan (SEM). Hasil spektra FTIR dari AETAC/MA-g-Cell masih menunjukkan puncak penyerapan yang stabil dari gugus karbonil AETAC/MA (C = O) pada 1705 cm-1 dan menghilangnya puncak serapan ikatan rangkap gugus akriloil (> C = C <) pada 1630 cm-1. Hal ini menunjukkan bahwa AETAC/MA telah berhasil berikatan dengan selulosa, dimana gugus hidroksil selulosa telah diesterifikasi dengan anhidrida maleat dan diikat dengan gugus akriloil AETAC. Data lebih lanjut dari analisis DSC dari selulosa yang dimodifikasi menunjukkan suhu dekomposisi yang lebih rendah dari 300oC bila dibandingkan dengan α-selulosa dari 270oC-400oC. Sedangkan gambar SEM dari selulosa yang dimodifikasi juga menunjukkan permukaan yang lebih kasar jika dibandingkan dengan serat α-selulosa. Selulosa yang dimodifikasi AETAC/MA kemudian dapat digunakan sebagai bahan antimikroba untuk berbagai produk selulosa.
Kata kunci : bambu belangke, modifikasi, selulosa, senyawa antimikroba
MODIFICATION OF PULP CELLULOSE OF BELANGKE BAMBOO (Gigantochloa pruriens) USING ANTIMICROBIAL COMPOUND
[2-(ACRYLOYLOXY)ETHYL] TRIMETHYL AMMONIUM CHLORIDE AND MALEIC ANHYDRIDE
ABSTRACT
In this work, pulp cellulose (Cell) was prepared from Belangke bamboo (gigantochloa pruriens) by Craft delignification process. This then was modified in a bench scale reflux-reactor for 2 hours in toluene as solvent with addition of maleic anhydride (MA). After obtaining the optimum conditions, antimicrobial compounds of [2-(acryloyloxy)ethyl]trimethyl ammonium chloride (AETAC) and ammonium persulphate as initiator was added dropwise and the reflux was further continued for 2 hours, was then cooled down, filtered and washed thoroughly using acetone and dried in oven to constant weight at 60oC. The AETAC/MA-modified Cellulose (AETAC/MA-g-Cell) was then characterised using infrared spectorcopy (FTIR) for chemical structure, differential scanning calorymetry (DSC) for thermal properties and scanning electron microscopy (SEM) for morphological images. Results of FTIR spectra of the AETAC/MA-g-Cell after exhaustive Sokhlet extraction in n-hexane still showed stable absorption peak of AETAC/MA carbonyl group (>C=O) at 1705 cm-1 and dissapearance of double bond absorption peak af acryloyl graoup (>C=C<) at 1630 cm-1. These evidences indicated that the AETAC/MA modifiers have successfully bound into the cellulose, in which hydroxyl groups of the cellulose have esterified with maleic anhydride and bound with acryloyl groups of AETAC. Further data of DSC analysis of the modified cellulose showed slightly lower decomposition temperature of 300oC when compared to that of fresh cellulose of 270oC-400oC.
Whereas SEM images of the modified cellulose also indicated rougher surface when compared to that of fresh cellulose fibres. The AETAC/MA-modified cellulose then may be utilised as antimicrobial materials for various cellulose products.
Keywords: cellulose, Belangke bamboo, modification, antimicrobial compound
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada ALLAH SWT yang telah memberikan rahmat dan hidayah-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan tesis ini yang berjudul:
Modifikasi Permukaan Pulp Selulosa Bambu Belangke (Gigantochloa pruriens) Dengan Senyawa Antimikroba [2-(Akriloiloksi)Etil] Trimetilamonium Klorida dan Anhidrida Maleat adalah merupakan syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains pada Program Pascasarjana Kimia FMIPA USU.
Dalam kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terimah kasih yang tak terhingga kepada : Dr. Kerista Sebayang, M.S, selaku dekan FMIPA, atas kesempatan yang diberikan kepada penulis untuk mengikuti pendidikan di Program Magister Kimia di sekolah Pasca Sarjana USU. Prof. Dr. Tamrin, M.Sc selaku ketua program S2 Kimia, atas kesempatan yang telah diberikan kepada penulis untuk menyelesaikan pendidikan di sekolah Pasca Sarjana USU. Prof. Basuki Wirjosentono, MS. Ph.D selaku komisi pembimbing I dan Dr. Amir Hamzah Siregar, M.Si, komisi pembimbing II yang telah banyak meluangkan waktu untuk memberikan kesempatan, pengarahan dan bimbingan dalam menyelesaikan penulisan tesis ini. Seluruh staf pengajar program Magister Kimia FMIPA USU, penulis mengucapkan terima kasih atas ilmu pengetahuan, pengalaman dan bantuan yang diberikan kepada saya
Terima kasih kepada ayahanda M. Basyah dan ibunda Rosmanidar yang sangat penulis sayangi yang selalu sabar dan penuh kasih sayang mendoakan dan dengan kerja kerasnya telah ikhlas membesarkan, membiayai dan mendidik penulis.
Semoga Tuhan Yang Maha Esa selalu memberikan Ridho dan Rahmatnya bagi kita semua.
Medan, 20 September 2019
Rina Ridara
DAFTAR ISI
Halaman
PENGESAHAN TESIS i
PENETAPAN PANITIA PENGUJI ii
ABSTRAK iii
ABSTRACT iv
PRAKATA v
DAFTAR ISI vi
DAFTAR TABEL vii DAFTAR GAMBAR viii
DAFTAR LAMPIRAN ix
DAFTAR SINGKATAN x
BAB 1 PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang 1
1.2 Permasalahan 3
1.3 Pembatasan Masalah 3
1.4 Tujuan Penelitian 4
1.5 Manfaat Penelitian 4
1.6 Metodologi Penelitian 4
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Bambu 7
2.2 Sifat Fisis dan Mekanis Bambu 8
2.3 Sifat Kimia Bambu 8
2.4 Bambu belangke (Gigantochloa pruriens) 8
2.5 Serat Tekstil dari Bahan Bambu 9
2.6 Selulosa Tekstil Antimikroba Permanen 10
2.7 Anhidrida maleat 12 2.8 Inisiator 13 2.9 Reaksi Grafting 14 2.9.1 Metode Grafting 15
2.10 Selulosa 16
2.10.1 Sifat Kimia Selulosa 18
2.10.2 Sifat Fisika Selulosa 19
2.10.3 Jenis-jenis selulosa 19
2.10.4 Serat Selulosa 20 2.10.5 Modifikasi Serat Selulosa 20 2.10.6 Mekanisme Kopolimerisasi Cangkok pada permukaan Selulosa 21 2.11 Karakterisasi 21
BAB 3 METODE PENELITIAN
3.1 Tempat dan Waktu Penelitian 24
3.2 Alat dan Bahan 24
3.2.1 Alat 24
3.2.2 Bahan 24
3.3 Prosedur Penelitian 25
3.3.1 Preparasi Serbuk Bambu Belangke 25 3.3.2 Isolasi α-selulosa dari Serbuk Bambu Belangke 25 3.3.3 Modifikasi α-selulosa dengan Anhidrida maleat 25 3.3.4 Modifikasi α-selulosa-AM dengan Senyawa Antimikroba
(AETAC) 26
3.4 Bagan Penelitian 27
3.4.1 Preparasi Serbuk Bambu Belangke 27 3.4.2 Isolasi α-selulosa dari Serbuk Bambu Belangke 28 3.4.3 Modifikasi α-selulosa dengan Anhidrida maleat 29
3.4.4 Modifikasi α-selulosa-AM dengan Senyawa Antimikroba
(AETAC) 30
BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Hasil Penelitian 31
4.1.1 Hasil isolasi α-isolasi dari Bambu Belangke 31
4.2 Pembahasan 32
4.2.1 Proses isolasi α-selulosa dari Bambu Belangke 32 4.2.2 Modifikasi α-selulosa dengan Anhidrida maleat 34 4.2.3 Modifikasi α-selulosa-AM dengan AETAC 35 4.2.4 Analisis Fourier Transform Infrared (FTIR) 38 4.2.5 Analisis Differential Scanning Calorimetry (DSC) 40 4.2.6 Analisis Scanning Electron Microscopy (SEM) 41 BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan 45
5.2 Saran 45
DAFTAR PUSTAKA 46
LAMPIRAN 51
DAFTAR TABEL
Nomor Judul Halaman
Tabel
2.1 Spesifikasi amonium persulfat 14
4.1 Hasil modifikasi α-selulosa dengan Anhidrida maleat 34 4.2 Hasil modifikasi α-selulosa-AM dengan senyawa antimikroba 36
DAFTAR GAMBAR
Nomor Judul Halaman Gambar
2.1 Tumbuhan bambu belangke 8 2.2 Syal yang terbuat dari benang tekstil bahan serat bambu 10 2.3 Struktur senyawa antimikroba (AETAC) 11
2.4 Struktur Anhidrida maleat 13
2.5 Struktur Amonium persulfat 13
2.6 Struktur selulosa 17
4.1 Serbuk α-selulosa yang diisolasi dari bambu belangke 29 4.2 Hasil analisis FTIR α-selulosa yang diisolasi dari bambu belangke 33 4.3 Mekanisme reaksi proses grafting α-selulosa-AM-AETAC 37 4.4 Spektrum FTIR dari α-selulosa dengan variasi anhidrida maleat 38 4.5 Spektrum FTIR dari selulosa-AM dengan variasi AETAC 39 4.6 Analisis DSC α-selulosa dari sampel bambu belangke 40 4.7 Analisis DSC α-selulosa dan selulosa/AM-AETAC 41 4.8 Hasil uji SEM dari α-selulosa bambu belangke dengan pembesaran
100x (a) dan 500x (b) 43
4.9 Hasil uji SEM dari selulosa modifikasi AM-AETAC dengan
Pembesaran 100x (a) dan 500x (b) 44
DAFTAR LAMPIRAN
Nomor Judul Halaman
Lampiran
1. Bambu belangke 51
2. Proses isolasi α-selulosa 51
3. Proses modifikasi pulp selulosa bambu belangke dengan Anhidrida
maleat 53
4. Proses modifikasi selulosa-AM dengan senyawa antimikroba
(AETAC) 54
5. Spektrum FTIR
a. Spektrum FTIR α-selulosa bambu belangke 55 b. Spektrum FTIR modifikasi α-selulosa-AM 5 php 56 c. Spektrum FTIR modifikasi α-selulosa-AM 10 php 57 d. Spektrum FTIR modifikasi α-selulosa-AM 15 php 58 e. Spektrum FTIR modifikasi α-selulosa-AM 20 php 59 f. Spektrum FTIR modifikasi α-selulosa-AM-AETAC 10 php 60 g. Spektrum FTIR modifikasi α-selulosa-AM-AETAC 20 php 61 h. Spektrum FTIR modifikasi α-selulosa-AM-AETAC 30 php 62 6. Termogram hasil analisis termal DSC
a. DSC dari α-selulosa bambu belangke 63
b. DSC dari modifikasi α-selulosa dengan AM-AETAC 63 7. Hasil analisis morfologi permukaan (SEM)
a. SEM dari α-selulosa bambu belangke dengan pembesaran
100x (a) dan 500x (b) 64
b. SEM dari modifikasi selulosa dengan AM-AETAC dengan
pembesaran 100x (a) dan 500x (b) 65
8. Perhitungan Luas permukaan selulosa-AM 66
9. Perhitungan Luas permukaan selulosa-AM-AETAC 66
DAFTAR SINGKATAN
AETAC = [2-(Akriloiloksi)Etil] Trimetil ammonium Klorida
AM = Anhidrida maleat
APS = Ammonium persulfat
DSC = Differential Scanning Calorimetry
FTIR = Fourier Transform Infrared
SEM = Scanning Electron Microscopy
BAB 1 PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Di antara berbagai bioresources lignoselulosa non-kayu, bambu telah menarik perhatian banyak peneliti. Bambu memiliki produktivitas biomassa tinggi, mudah tumbuh di berbagai jenis lahan, ketersediaan luas, dan mengandung holoselulosa tinggi. Indonesia memiliki potensi bambu yang sangat besar, lebih dari 162 spesies bambu ditemukan. Namun hanya beberapa yang ditanam yang memiliki nilai ekonomi tinggi. Bambu memiliki beberapa keunggulan seperti dapat dipanen pada umur 3 tahun, batang lurus, kekuatan tinggi, mudah diolah, dan relatif murah.
Bambu dapat ditemukan tumbuh baik di Asia termasuk Indonesia, di mana perkebunan Bambu di Indonesia, India dan Cina termasuk dalam peringkat pertama, kedua dan ketiga (Lobovikov, 2007).
Bambu dapat dimanfaatkan untuk berbagai keperluan seperti serat yang diperkuat, komposit, pulp dan kertas, asam laktat, metana, konstruksi, tekstil, makanan, bioenergi (Fatriasari, 2014).
Bambu untuk pemanfaatan tradisional seperti konstruksi dan komposit, semua batang bambu dapat dimanfaatkan tanpa membuang bagian bambu tertentu.
Pemanfaatan bambu untuk bioenergi, pulp, kertas dan komposit, komponen kimia (selulosa, hemiselulosa, dan lignin) harus dihilangkan dengan proses pretreatment.
Dalam hal ini, lignin dapat menjadi penghambat utama dalam proses pemanfaatan.
Meskipun semua spesies bambu dapat dimanfaatkan, ada variasi pada sifat dasarnya.
Evaluasi pada sifat dasarnya dapat dilakukan sebelum pemanfaatan lebih lanjut.
Efektivitas pretreatment dipengaruhi oleh sifat bambu dan juga metode pretreatment yang dipilih. Banyak proses pengembangan telah dilakukan dalam pemanfaatan bambu untuk komposit, pulp, dan bioenergi. Pusat Penelitian Biomaterial LIPI juga berkontribusi dalam bidang ini dengan melakukan beberapa peningkatan penelitian secara terus menerus. Perkembangan ini memungkinkan pemanfaatan bahan dari bambu untuk diterapkan dalam skala industri. Hal ini sejalan dengan meningkatnya
minat peneliti di dunia untuk memanfaatkan bambu secara optimal (Yusuf dkk, 2017).
Bambu Belangke (Gigantochloa pruriens) yang termasuk 125 jenis bambu di Indonesia dapat tumbuh mencapai panjang 10 meter dengan diameter 5 cm dan panjang ruas 35 cm. Jenis bambu ini telah digunakan oleh masyarakat untuk berbagai keperluan rumahtangga, peralatan, konstruksi, dan industri kerajinan.
Serat tekstil dari bahan bambu masih belum populer, dan bahkan lebih dari 1500 spesies bambu di dunia ini hanya beberapa jenis saja yang diolah menjadi bahan tekstil (Waite, 2010).
Akan tetapi mengingat ketersediaannya, terutama di Indonesia yang melimpah maka prospek serat bambu sebagai bahan tekstil pakaian cukup menjanjikan dibandingkan dengan serat alam lainnya. Dewasa ini telah berkembang penggunaan bahan tekstil antimikroba, sehubungan persepsi masyarakat untuk menggunakan bahan tekstil yang higienis dan bersih semakin meningkat. Bahan tekstil khususnya untuk pakaian dalam memang rentan terhadap paparan dan bahkan dapat menjadi media hidup bagi mikroba yang menyebabkan bahan tekstil tersebut:
mudah berbau, mengalami bercak dan kerusakan (Mahesh et al., 2011).
Telah dikembangkan bahan tekstil antimikroba serat wool menggunakan teknik pelapisan dengan bahan polimer bioaktif, [2-(akriloiloksi)etil] trimetil amonium klorida (AETAC). Sifat antimikroba serat wool terlapisi polimer bioaktif tersebut diuji terhadap bakteri Gram-positif dan Gram-negatif, Staphylococcus aureus dan Klebsiella pneumoniae. Selanjutnya karakteristik permukaan serat diuji menggunakan spektroskopi infrared (ATR-FTIR), morfologi permukaan (SEM), kekuatan tarik dan sudut kontak terhadap air. Hasilnya menunjukkan sifat antibakteri berbasis Q-kitosan terhadap wool dapat ditingkatkan dengan mencangkokkan kain wool dengan polystyrene sulphonate (pSS), aktivitas antibakteri yang sangat baik terhadap Staphylococcus aureus dan Klebsiella pneumoniae tetapi kurang baik terhadap jamur Aspergillus fumigatus. Pencangkokkan kain wool dengan pSS tidak hanya meningkatkan kekuatan tarik kain tetapi juga meningkatkan daya tahan perawatan terhadap beberapa kali pencucian (Hassan, 2015).
Dalam penelitian ini akan dilakukan modifikasi permukaan pulp selulosa dari bambu Belangke dengan senyawa antimikroba (AETAC), dengan bantuan Maleat
anhidrida (AM) dan Amonium persulfat (APS) sebagai komonomer dan inisiator.
Selanjutnya bahan tekstil antimikroba tercangkok AM-AETAC tersebut dikarakterisasi morfologi permukaannya (SEM), gugus fungsi (FTIR), dan analisis termal (DSC).
1.2 Permasalahan Penelitian
1. Bagaimana optimasi dan mekanisme reaksi proses modifikasi dan karakteristik permukaan pulp selulosa dari bambu Belangke dengan bantuan anhidrida maleat melalui uji FTIR.
2. Bagaimana karakteristik selulosa termodifikasi AM-AETAC melalui uji FTIR (gugus fungsi), SEM (Morfologi) dan DSC (Analisis termal).
1.3 Pembatasan Masalah
1. Bambu belangke yang digunakan berasal dari Pangkalan Brandan Kecamatan Sei Lepan, Kabupaten Langkat, Sumatera Utara, terletak di pesisir pantai timur pulau Sumatera, sekitar 60 km di sebelah utara Kota Binjai.
2. Isolasi α-Selulosa dihasilkan dengan menggunakan metode kimia yang melibatkan bahan-bahan kimia sebagai bahan untuk melarutkan bagian- bagian bambu belangke yang tidak diinginkan sehingga pulp yang dihasilkan berkadar selulosa tinggi.
3. Modifikasi permukaan pulp selulosa bambu belangke dengan [2- (akriloiloksi)etil] trimetil amonium klorida (AETAC) 80% dilakukan dengan refluks dan pengadukan dengan pelarut toluena dan penambahan maleat anhidrida (AM) dan amonium persulfat (APS) sebagai komonomer dan inisiator.
4. Karakterisasi pulp selulosa termodifikasi AM-AETAC morfologi permukaan (SEM), gugus fungsi (FTIR), analisis termal (DSC).
1.4 Tujuan Penelitian Penelitian ini bertujuan:
1. Mendapatkan optimasi dan mekanisme reaksi proses modifikasi dan karakteristik permukaan pulp selulosa dari bambu Belangke dengan bantuan anhidrida maleat melalui uji FTIR.
2. Mendapatkan karakteristik selulosa termodifikasi AM-AETAC melalui uji FTIR (gugus fungsi), SEM (Morfologi), dan Analisis termal (DSC).
1.5 Manfaat Penelitian
Penelitian ini diharapkan dapat bermanfaat sebagai berikut:
1. Dapat memanfaatkan bambu belangke sebagai bahan baku pembuatan selulosa sehingga mampu memberikan nilai tambah secara ekonomi pada tumbuhan bambu belangke.
2. Dapat Memberikan informasi tentang penggunaan optimum dari bahan Maleat anhidrida dan senyawa antimikroba (AETAC) sehingga dapat dimodifikasi dengan selulosa yang diisolasi dari α-selulosa yang berasal dari bambu belangke.
3. Dapat memanfaatkan bambu belangke sebagai bahan baku pembuatan selulosa yang dimodifikasi dengan Maleat anhidrida dan senyawa antimikroba (AETAC) yang kemudian dapat digunakan sebagai bahan antimikroba untuk berbagai produk tekstil.
1.6 Metodologi Penelitian
Penelitian ini berupa eksperimen laboratorium. Ada beberapa tahapan penelitian yaitu:
1. Tahap pertama adalah penyiapan bambu belangke yang kemudian diisolasi untuk mendapatkan α-Selulosa. Karakterisasi yang dilakukan yaitu analisis gugus fungsi dengan menggunakan Fourier Transform Infrared (FT-IR), morfologi dengan Scanning Electron Microscopy (SEM), Analisis termal Differential Scanning Calorimetry (DSC).
Variabel tetap
Variabel terikat
Analisis gugus fungsi FTIR Analisis permukaan SEM Analisis termal DSC
2. Tahap kedua adalah modifikasi α-selulosa dengan maleat anhidrida (AM) di refluks dan pengadukan dengan pelarut toluena. Optimasi reaksi dilakukan dengan variasi kadar AM. Pelarut toluena diuapkan pada suhu 110oC dan dicuci dengan aseton. Hasil selulosa termodifikasi AM dikeringkan dalam oven suhu 70oC sampai berat tetap kemudian dikarakterisasi dengan Fourier Transform Infrared (FT-IR).
Variabel tetap
Berat α-Selulosa 100 php Suhu (60-70oC)
Waktu reaksi (2 jam) Variabel bebas
Anhidrida maleat (5, 10, 15, 20) php Variabel terikat
Analisis Gugus fungsi FTIR
3. Tahap ketiga adalah modifikasi α-selulosa-AM dengan AETAC dan amonium persulfat sebagai inisiator, direfluks dan pengadukan dengan pelarut toluena. Optimasi reaksi dilakukan dengan variasi kadar AETAC dan kadar APS yang tetap. Pelarut toluena diuapkan pada suhu 110oC habis dan dicuci dengan aseton. Hasil α-selulosa termodifikasi AM-AETAC dikeringkan dalam oven suhu 70oC sampai berat tetap kemudian dikarakterisasi dengan Fourier Transform Infrared (FT-IR), Scanning Electron Microscopy (SEM), dan Analisis termal Differential Scanning Calorimetry (DSC).
Variabel tetap
Amonium persulfat 1.5 php Berat α-Selulosa 100 php
Anhidrida maleat 15 php Suhu (60-70oC)
Waktu reaksi (2 jam) Variabel bebas
AETAC (10, 20, 30) php Variabel terikat
Analisis Gugus fungsi FTIR Analisis permukaan SEM Analisis termal DSC
BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Bambu
Tanaman bambu tergolong keluarga Gramineae (rumput-rumputan) disebut juga rumput raksasa, berumpun dan terdiri dari sejumlah batang (buluh) yang tumbuh secara bertahap, dari mulai rebung, batang muda dan sudah dewasa pada umur 4-5 tahun. Batang bambu berbentuk silindris, berbuku-buku, beruas-ruas berongga, berdinding keras, pada setiap buku terdapat mata tunas atau cabang. Akar bambu terdiri dari rimpang (rhizome) berbuku dan beruas, pada buku akan ditumbuhi oleh serabut dan tunas yang dapat tumbuh menjadi batang (Sugesty et al., 2015).
Pada kondisi normal, pertumbuhan bambu lurus ke atas dan ujung batang melengkung karena menopang berat daun. Tinggi tanaman bambu berkisar antara 0,3 – 30 m dengan diameter batang 0,25 – 25 cm dan ketebalan dindingnya mencapai 25 mm. Batang bambu berbentuk silinder, terdiri dari banyak ruas/buku-buku dan berongga pada setiap ruasnya (Winarto dan Ediningtyas, 2012).
Indonesia diperkirakan memiliki 157 jenis bambu yang merupakan lebih dari 10% jenis bambu di dunia. Jenis bambu di dunia diperkirakan terdiri atas 1.250 – 1.350 jenis. Di antara jenis bambu yang tumbuh di Indonesia, 50% di antaranya merupakan bambu endermik dan lebih dari 50% merupakan jenis bambu yang telah dimanfaatkan oleh penduduk dan sangat berpotensi untuk dikembangkan (Widjaja dan Karsono, 2004).
Bambu dalam bentuk bulat dipakai untuk berbagai macam konstruksi seperti rumah, gudang, jembatan, tangga, pipa saluran air, tempat air, serta alat-alat rumah tangga. Bambu bentuk belahan dapat dibuat bilik, dinding atau lantai, reng, pagar, kerajinan dan sebagainya. Beberapa jenis bambu akhir-akhir ini mulai banyak digunakan sebagai bahan penghara industri supit, alat ibadah, serta barang kerajinan, peralatan dapur, topi, tas, kap lampu, alat musik, tirai, dan lain-lain. Sering ditemui barang-barang yang berasal dari bambu yang dikuliti khususnya dalam keadaan basah mudah diserang oleh jamur biru dan bulukan sedangkan bambu bulat utuh
dalam keadaan kering karena dapat diserang oleh serangga bubuk kering dan rayap kering (Widnyana, 2008).
2.2 Sifat Fisis dan Mekanis Bambu
Sifat fisis dan mekanis merupakan informasi penting untuk memberi petunjuk tentang cara pengerjaan maupun sifat barang yang dihasilkan. Beberapa hal yang mempengaruhi sifat fisis dan mekanis bambu adalah umur, posisi ketinggian, diameter, tebal daging bambu, posisi beban (pada buku atau ruas), posisi radial dari luas sampai ke bagian dalam dan kadar air bambu (Widnyana, 2008).
2.3 Sifat Kimia Bambu
Sifat kimia bambu meliputi kadar selulosa (berkisar antara 42,4% - 53,6%), lignin (berkisar antara 19,8% - 26,6%), pentosan (1,24% - 3,77%), abu (1,24% - 3,77%), silika (0,10% - 1,78%), serta kelarutan dalam air dingin (4,5% - 9,9%), air panas (5,3% - 11,8%) dan alkohol benzen (0,9% - 6,9%) (Widnyana, 2008).
2.4 Bambu Belangke (Gigantochloa pruriens)
Bambu Belangke (Gigantochloa pruriens) memiliki jumlah batang dalam satu rumpun rata-rata sebanyak 50-90 batang yang dapat tumbuh dengan cepat mencapai tinggi maksimum 12 m dalam waktu 9 - 10 minggu. Diameter batang sekitar 4 – 5 cm dengan panjang buku 25 – 35 cm. Cabang bambu yang tumbuh pada batang utama berkembang ketika buluh mencapai tinggi 12 m setelah minggu ke 10 (Cao et al., 2014).
Gambar 2.1 Rumpun tumbuhan bambu Belangke (Gigantochloa pruriens)
Batang bambu, seperti halnya sumber biomassa alami mengandung: bahan ekstraktif, holoselulosa, α-selulosa, lignin dan kandungan abu (Wahab et al., 2013).
Beberapa peneliti telah memanfaatkan batang bambu sebagai sumber pulp larut kualitas tinggi melalui proses biorefinery yang juga menghasilkan etanol sebagai hasil samping (Yuan et al., 2017).
2.5 Serat Tekstil dari Bahan Bambu
Dewasa ini pengolahan dan pemanfaatan serat bambu masih terbatas untuk bahan peralatan, rumahtangga, dan konstruksi ringan, sedangkan serat tekstil yang terbuat dari bahan bambu masih terbatas untuk barang-barang kerajinan (Mohanty et al., 2005).
Untuk bahan pengisi pada preparasi berbagai bahan biopolimer dan biokomposit masih banyak menggunakan serat alami maupun serat hasil pertanian.
Hal ini sehubungan dengan karakteristik serat bambu yang keras dan kurang lentur, sehingga lebih banyak digunakan sebagai bahan papan partikel (Rowell et., 2000).
Febrianto dkk., menyelidiki karakteristik papan partikel-terorientasi (Oriented Strand Board: ASB) yang terbuat dari bahan bambu Betung dengan perekat polimer turunan poliuretan. Adanya kandungan lignin dalam serat batang bambu yang berfungsi sebagai perekat dan pelapis serat bambu dapat mencegah terjadinya interaksi kimia- fisika antara permukaan serat bambu dengan matriks polimer yang digunakan (Febrianto et al., 2012).
Serat bambu terbuat dari pulp tanaman bambu. Serat tekstil ini dibuat dari bambu alami dan bahan aditif lainnya. Bahkan, serat bambu merupakan serat selulose teregenerasi, yang dihasilkan dari pulp bambu, diproses dari jelaga bambu.
Serat bambu terlihat seperti kapas yang belum dipintal, ukurannya lebih tipis dari pada rambut, mempunyai permukaan serat yang bulat dan halus, sehingga tahan abrasi (www.teonline.com). Kain yang terbuat dari serat bambu sangat lembut, dapat dipakai langsung terkena kulit. Para pemakai kain yang alergi terhadap serat alami lain seperti wool atau rami, tidak mengalami iritasi kulit jika memakai kain dari serat bambu.
Gambar 2.2 Syal yang terbuat dari benang tekstil bahan serat bambu.
Untuk itu sebelum serat bambu digunakan terlebih dahulu dicuci dengan bahan kimia seperti NaOH untuk menghilangkan lapisan lemak dan lignin, dan bahkan mengalami proses delignifikasi parsial pada permukaan agar gugus hidroksil (-OH) dari selulosa serat bambu dapat “terbuka” dan berinteraksi kimia-fisika dengan matriks bahan perekat yang digunakan. Seperti bahan biomassa lainnya serat bambu juga dapat mengalami reaksi pirolisis pada suhu diatas 300oC dalam atmosfer bebas oksigen yang dapat menghasilkan tar maupun senyawa hidrokarbon cair dan gas, dan analisis sifat termal serat bambu ini penting artinya untuk mengestimasi suhu pemanfaatannya dalam berbagai bidang aplikasi (Sait et al., 2012).
2.6 Selulosa Tekstil Antimikroba Permanen
Pemanfaatan bahan bambu sebagai serat tekstil dalam skala industri memang belum populer karena masih bersaing dengan bahan serat alam lainnya, seperti kayu dan biomassa limbah pertanian (Fu et al., 2012). Sehubungan ketersediaannya di Indonesia cukup melimpah, maka pemanfaatannya sebagai serat tekstil yang terbarukan perlu diperhatikan untuk mendukung prospek industri kecil dan rumahtangga (Nayak et al., 2016). Serat bambu dapat diolah menjadi serat rayon dengan pelarut CS2, dan bahkan dapat diolah menjadi rayon nanokomposit dengan pengisi nanoZnO (Sheikh et al., 2014). Kohler (2012) menyatakan bahwa pemanfaatan rayon bambu sebagai bahan tekstil untuk sprei dan kain linen tempat tidur.
Bahan tekstil antimikroba dewasa ini semakin diperlukan terutama untuk pakaian dalam dan kaus kaki yang sangat rentan terpapar dan bahkan menjadi media hidup mikroba, bakteri dan jamur (Gokarneshan et al., 2017). Pengolahan bahan tekstil antimikroba yang sekarang umumnya menggunakan pengisi logam nanopartikel berbasis perak (Ag) maupun Ag/Cu (Filipowska et al., 2011). Bahan pengisi nanopartikel antimikroba logam tersebut dicampurkan secara homogen dalam matriks rayon dan dibentuk menjadi benang dengan proses mikrospinning (Paszkiewicz et al., 2016). Hasan (2015) telah melapisi serat wool dengan senyawa antimikroba golongan ammonium kuarterner: [2-(akriloiloksi)etil] trimetilammonium klorida (AETAC) dan polimer bioaktif kitosan untuk menghasilkan serat tekstil antimikroba. Sifat antimikroba serat wool-terlapisi-polimer bioaktif tersebut diuji terhadap bakteri Gram-positif dan Gram-negatif, Staphylococcus aureus dan Klebsiella pneumoniae serta terhadap jamur Aspergillus fumigatus (Tusief et al., 2015). Sifat antimikroba dari serat tekstil tersebut cukup efektif, namun bila dimanfaatkan dalam kontak dengan media ekstraktif, nanopartikel maupun pelapis antimikroba tersebut dapat tercuci dan bahkan dapat menyebabkan kontaminasi ke dalam media. Bahan tekstil selulosa antimikroba permanen adalah bahan tekstil selulosa termodifikasi kimia dengan senyawa antimikroba bergugus fungsi aktif atau terpolimerkan (Shaikh et al., 2012).
Gambar 2.1 Struktur senyawa antimikroba [2-(akriloiloksi)etil] trimetil amonium klorida (AETAC) (Hassan, 2015).
Mekanisme antibakteri dalam menghambat atau membunuh bakteri adalah:
a. Penghambatan sintesis dinding sel, dengan cara menghambat pembentukan peptidoglikan sehingga menimbulkan lisis pada sel. Contohnya sefalosporin, penisilin, dan ß-laktam.
b. Merusak membran sel sehingga makromolekul dan ion keluar dari sel, kemudian sel rusak atau terjadi kematian. Contohnya polimiksin B dan daptomisin.
c. Penghambatan sintesis protein pada ribosom bakteri. Contohnya aminoglikosida, tetrasiklin, kloramfenikol, makrolida.
d. Penghambatan sintesis asam nukleat dengan penghambatan proses transkripsi dan replikasi. Contohnya rifampisin dan kuinolon.
e. Mengganggu jalur metabolisme bakteri. Contohnya sulfonamid dan trimetoprim (Nester et al., 2012).
Teknik mengaplikasikan zat antibakteri ke dalam tekstil dapat dilakukan dengan berbagai cara bergantung pada sifat zat antibakteri dan jenis serat tekstilnya.
Untuk aplikasi pada serat sintetik, zat antibakteri dapat ditambahkan ke dalam bahan polimer sebelum proses pembuatan serat. Cara ini merupakan yang terbaik karena zat antibakteri terikat secara fisik di dalam serat sehingga memiliki ketahanan yang cukup kuat. Cara lain adalah dengan pelapisan, yaitu cara pad-dry-cure yang juga pernah dilakukan dalam mengaplikasikan zat antibakteri seperti triklosan baik pada kain dari serat alam maupun serat sintetik. Cara berikutnya adalah dengan melakukan modifikasi permukaan melalui pembentukan jaringan interpenetrasi (Liu et al., 2011). Immobilisasi poliamida ke dalam polietilenatereftalat (PET) melalui pembentukan jaringan interpenetrasi, telah terbukti menghasilkan biosida yang efektif (Liu, 2010). Cara lain yang banyak dikembangkan adalah metode kimia, yaitu dengan melakukan grafting polymerization, pembentukan ikatan kovalen dan ion- exchange/chelation. Metode kimia dengan cara pembentukan ikatan kovalen dapat dilakukan pada serat alam dan serat regenerasi seperti katun, wool dan viscose.
Karena beragamnya kondisi reaksi grafting, maka hanya reagen yang reaktif tinggi seperti aldehida, gugus alkil terhalogenasi, epoxida, asilklorida yang dapat digunakan untuk modifikasi kovalen (Chattopadhyay, 2013).
2.7 Anhidrida Maleat (AM)
Anhidrida Maleat (cis-butenadioat anhidrida, anhidrida toksilat, dihidro-2,5- dioksofuran) memiliki rumus kimia C4H2O3. Dalam keadaan murni, Anhidrida Maleat tidak berwarna atau berwarna putih padat dan memiliki bau yang tajam.
Anhidrida Maleat biasa digunakan dalam penelitian polimer sebagai senyawa penghubung (kopling agent) karena mempunyai gugus polar dan non polar. Maleat anhidrida memiliki berat molekul 98,06, larut dalam air, meleleh pada temperatur
60oC, mendidih pada 202oC dan spesifik gravity 1,5 g/cm3. Anhidrida Maleat merupakan senyawa vinil tidak jenuh yang merupakan bahan mentah dalam sintesa resin poliester, pelapisan permukaan karet, deterjen, bahan aditif dan minyak pelumas, plastisizer dan kopolimer. Anhidrida Maleat mempunyai sifat kimia yang khas yaitu adanya ikatan etilenik dengan gugus karbonil di dalamnya, ikatan ini berperan dalam reaksi adisi senyawa organik (Wirjosentono, 2013).
Gambar 2.2 Struktur Anhidrida maleat (Farhan et al., 2017).
2.8 Inisiator
Inisiator merupakan sumber radikal bebas dalam polimerisasi emulsi. Dalam hal ini radikal bebas merupakan atom atau gugus apa saja yang memiliki satu atau lebih elektron tidak berpasangan, dengan adanya inisiator maka inisiasi yang merupakan tahap awal polimerisasi akan berlangsung. Inisiator bukan katalis yang sebenarnya. Hal ini dikarenakan inisiator dipakai dalam jumlah tertentu pada reaksi kimia.
Inisiator yang umum digunakan dalam polimerisasi emulsi diantaranya adalah inisiator termal dan redoks. Inisiator termal yaitu inisiator yang tidak stabil terhadap panas dan akan terdekomposisi menjadi radikal pada suhu tertentu sesuai dengan strukturnya. Contoh inisiator termal adalah persulfat, organik peroksida dan hidroperoksida. Sedangkan inisiator redoks yaitu inisiator yang menghasilkan radikal bebas melalui reaksi oksidasi reduksi pada temperatur yang relatif rendah. Inisiator sering digunakan untuk membentuk radikal bebas. Kebanyakan polimer sintetik secara komersil dapat dihasikan melalui proses polimerisasi reaksi rantai yang kadang-kadang disebut polimerasi adisi.
Dalam penelitian ini digunakan inisiator termal, yaitu ammonium persulfat (APS). Alasan digunakannya inisiator termal karena dibanding dengan inisiator redoks, inisiator termal lebih stabil (colloidal stability), hal ini dikarenakan adanya gugus sulfat yang bermuatan negatif disetiap ujung rantai polimer yang akan terbentuk (Urban, 2002).
N H
H H
H
2
S
O O
O O
O S
O O
O 2
Gambar 2.3 Struktur Amonium persulfat (Dwisatria, 2012).
Adapun spesifikasi dari Amonium persulfat dapat ditunjukkan pada tabel 2.1 berikut.
Tabel 2.1 Spesifikasi amonium persulfat (Dwisatria, 2012)
Rumus molekul (NH4)2S2O8
Berat molekul (g/mol) Wujud fisik
Titik leleh Kerapatan (g/cm3)
Kelarutan
pH (larutan jenuh, 25oC)
Waktu paruh (jam)*
228,18
Serbuk kristal putih, higroskopis yang tak berbau
120oC 1,982
620 (g/liter H2O, 20oC)
±4,4
± 192 (50oC)
± 8,4 (70oC)
± 0,55 (90oC) Keterangan * : Nilai pendekatan dan tergantung pada pH
2.9 Reaksi Grafting
Sebuah kopolimer graf adalah sebuah polimer dimana menempel satu atau lebih spesies blok pada rantai.
Contoh M-M-M-M-X-M-M-M-M
G
G G G
M = monomer X = unit rantai yang diserang G = rantai cabang
2.9.1 Metode Grafting
A. Mekanisme Radikal Bebas
Adalah metode tertua dan terluas penggunaannya karena relatif sederhana.
Ada 5 metode grafting dengan mekanisme radikal bebas, yaitu:
1. Metode Kimia (chemical method)
Radikal bebas dilepaskan oleh inisiator seperti benzoil peroksida (BPO) atau azobisisobutironitrik (AIBN).
2. Metode Fotografting
Kelompok khromoponik dipolimer menyerap radiasi elektromagnetik pada daerah visibel dan elektromagnetik. Hasilnya pemutusan ikatan dan kemudian pada dekomposisi radikal dimana menghasilkan inisiasi grafting.
Contoh: Metilmetakrilat tergrafting pada poly (metil-vinil-keton).
3. Metode Radiasigrafting
Pada metode ini kopolimer graft dimulai pada daerah radikal pada rantai polimer dengan energi radiasi yang tinggi pada daerah vakum atau medium lainnya.
4. Metode Plasmagrafting
Grafting plastik seperti fiber dengan pemberian sinar. Dengan suhu yang rendah merupakan sistem yang kompleks untuk elektron, atom, spesies ionisasi dan pelepasan atom dan molekul.
5. Metode Kimia mekanik grafting
Mekanisme yang bersifat reaktif dan ultrasonik menyebabkan polimer mengalami degradasi disebabkan oleh sebuah radikal bebas.
B. Mekanisme ionik
Merupakan teknik yang baik untuk persiapan kopolimer graft. Metode ini dibagi dua yaitu :
1. Metode Anionik
Graft kopolimerisasi mengalami inisiasi oleh anion dengan reaksi basa dengan asam proton pada rantai utama polimer.
Contoh: Poliamida dilapisi dengan logam natrium dalam larutan amonia dan mengalami grafting dengan unit monomer.
2. Metode Kationik
Reaksi inisiasi diantara alkil halida dan asam lewis merupakan contoh untuk kationik grafting.
C. Mekanisme koordinasi
Stereospesifik inisiator memberikan stereo blok kopolimer mengandung rangkaian isotaktik dan heterotaktik. Greber menggrafting hidrokarbon kedalam poli (stirena- cobutadiena) menggunakan ziegler natta.
D. Mekanisme Coupling
Polimer yang mengandung hidrogen yang aktif digunakan untuk sintesis kopolimer graft, poly (etilena oksida) adalah grafting yang mudah kedalam nilon.
Faktor-faktor yang mempengaruhi daerah grafting pada polimer adalah:
a. Struktur dasar sebuah polimer
b. Struktur dasar monomer dan komonomer c. Struktur dan konsentrasi inisiator
d. Efisiensi kecepatan proses; Efisiensi kecepatan monomer dan inisiator dengan polimer, Efisiensi kecepatan proses menentukan konsentrasi reaktan
e. Suhu; proses suhu yang tinggi secara umum menyebabkan polimer mengalami degradasi, mengurangi half-life inisiator, mengubah kecepatan atau kespesifikan reaksi (Singh, 1992).
2.10 Selulosa
Selulosa merupakan komponen utama kayu dan serat tanaman, sedangkan katun yang berasal dari kapas merupakan selulosa murni. Selulosa tidak larut dalam air dan bukan merupakan karbohidrat pereduksi. Jika dihidrolisis dalam suasana asam akan menghasilkan banyak molekul o-glukosa. Selulosa memiliki ikatan beta pada unit-unit monosakaridanya, dan merupakan poli beta-D-glukopiranosida, yang
diantara monomer-monomernya berikatan secara 1-beta-4-beta glikosida. Selulosa umumnya terdiri dari sekitar 300.000 satuan monomer dan mempunyai berat molekul berkisar dari 250.000 sampai lebih dari 1.000.000 g/mol, dengan rumus molekul (C5H10O5)n. Di dalam molekul selulosa, monomer-monomernya tersusun secara paralel (Riswiyanto, 2009).
Selulosa merupakan salah satu biopolimer alam terbanyak. Polimer ini bersifat dapat diperbaharui, dan dihasilkan setiap tahunnya sebanyak 1,5 x 1011 ton sehingga menjadi sumber bahan mentah terbesar di dunia. Selulosa merupakan senyawa yang bersifat higroskopis, tidak larut tetapi mampu untuk mengembang di dalam air, asam encer dan beberapa pelarut. Kelarutan dapat diperoleh dengan asam pekat tetapi mengalami degradasi besar melalui hidrolisis asetal (glikosidik). Larutan basa menyebabkan pengembangan yang besar dan pemutusan ikatan dengan hemiselulosa. Reaksi kimia dari selulosa terjadi oleh polimorpik alami. Bentuk amorf yang kurang teratur lebih reaktif dibanding bentuk kristal yang teratur sehingga reaksi kimia awal terjadi pada permukaan amorf yang kurang teratur pada serat selulosa (Coffey et al., 1995).
Gambar 2.2 Struktur Selulosa (Voronova et al, 2015).
Selulosa adalah senyawa seperti serabut, liat dan tidak larut dalam air dan ditemukan di dalam dinding sel pelindung tumbuhan, terutama pada tangkai, batang, dahan, dan semua bagian berkayu dari jaringan tumbuhan. Kayu terutama mengandung selulosa dan senyawa polimer lain. Selulosa tidak hanya merupakan polisakarida struktural ekstraselular yang paling banyak dijumpai pada dunia tumbuhan, tetapi juga merupakan senyawa yang paling banyak diantara semua biomolekul pada tumbuhan atau hewan. Selulosa merupakan homopolisakarida linear
tidak bercabang, terdiri dari 10.000 atau lebih unit D-glukosa yang dihubungkan oleh ikatan β 1,4 glikosida senyawa ini akan kelihatan seperti amilosa dan rantai utama glikogen (Lehninger, 1988).
Selulosa merupakan senyawa organik yang paling berlimpah yang merupakan homopolimer linear terdiri dari unit D-glukopiranosa (sehingga disebut unit anhidroglukosa) yang memiliki ikatan β 1,4 glikosida. Meskipun selulosa memiliki struktur molekular yang unik dan sederhana, struktur supramolekular yang kompleks dapat dibentuk sehingga memiliki pengaruh pada sifat kereaktifannya pada modifikasi kimia. Selulosa tidak larut dalam air dan memiliki DP lebih dari 30.
Dalam pelarut organik yang umum, menghasilkan ikatan hidrogen yang kuat yang dibentuk dari gugus hidroksil dan cincin dari jembatan atom oksigen diantara keduanya dan diantara rantai polimer (Heinze et al. 2006).
Selulosa terdapat pada beberapa invertebrata dan terutama pada tanaman sebagai komponen struktural. Sel mamalia tidak mampu memecah ikatan β 1,4 selulosa. Hanya hewan memamah biak dan beberapa jenis hewan lainnya yang mengandung flora bakteri pemecah selulosa dapat menggunakan selulosa sebagai sumber energi. Pada manusia, selulosa yang tidak dapat dicerna ini penting sebagai pengisi usus (Robert, 1996).
2.10.1 Sifat Kimia Selulosa
Berdasarkan struktur kimia selulosa, selulosa terdiri dari karbon (44,44%), hidrogen (6,71%) dan oksigen (49,39%). Rumus kimia selulosa (C6H10O5)n dimana n disebut sebagai derajat polimerisasi (DP) yang mempresentasikan jumlah gugus glukosa di dalam glukosa.
Sifat kimia selulosa erat hubungannya dengan struktur kimia selulosa. Setiap cincin selulosa mempunyai tiga hidroksil aktif yaitu satu gugus hidroksil primer dan dua gugus hidroksil sekunder. Oleh karena itu selulosa memiliki beberapa jenis reaksi yang berhubungan dengan gugus hidroksil selulosa. Tetapi ketiga hidroksil tersebut juga dapat membentuk ikatan hidrogen di antara molekul. Ikatan hidrogen tersebut memiliki pengaruh yang kuat terhadap morfologi dan reaktifitas rantai selulosa, khususnya pada ikatan hidrogen intermolekul yang dibentuk oleh C3 dan oksigen yang berdekatan pada cincin molekul. Ikatan-ikatan hidrogen ini tidak hanya
dapat memperkuat integritas linier dan rigiditas molekul selulosa tetapi juga dapat mengatur rantai molekul untuk bersusun secara berdekatan membentuk daerah dengan kristalitas yang tinggi (Gea, 2018).
2.10.2 Sifat Fisika Selulosa
Hidroksil bebas dari selulosa mempunyai atraksi kuat terhadap banyak pelarut dan larutan, tetapi kemampuan mengabsorpsi air hanya bisa dilakukan di daerah amorf, tidak pada daerah kristalin. Di dalam proses penyerapan air, ikatan hidrogen di daerah amorf pada selulosa dapat dipisahkan, dan ikatan hidrogen di dalam molekul selulosa digantikan oleh ikatan hidrogen antara molekul selulosa dan molekul air sehingga membentuk ikatan hidrogen baru, dan beberapa ikatan hidrogen di dalam molekul selulosa tetap. Hal ini berhubungan dengan swelling selulosa (Gea, 2018).
2.10.3 Jenis-jenis Selulosa
Berdasarkan Derajat Polimerisasi (DP) dan kelarutan dalam senyawa natrium hidroksida (NaOH) 17,5%, selulosa dapat dibedakan menjadi tiga jenis :
1. Selulosa alfa adalah selulosa berantai panjang, tidak larut dalam larutan NaOH 17,5% atau larutan basa kuat dengan Derajat Polimerisasi (DP) 600 – 1500 sebagai penentu tingkat kemurnian selulosa. α-selulosa dapat digunakan sebagai penduga atau penentu tingkat kemurnian dari suatu selulosa. Selulosa dengan derajat kemurnian α lebih besar dari 92% dapat digunakan sebagai bahan baku pembuatan propelan atau bahan peledak. Untuk kualitas dibawahnya digunakan sebagai bahan baku pada industri kertas dan industri kain (Sugiyama, 1991).
2. Selulosa beta adalah selulosa berantai pendek, larut dalam larutan NaOH 17,5%
atau basa kuat dengan DP (Derajat Polimerisasi) 15 – 90 dan juga dapat mengendap bila di netralkan.
3. Selulosa gamma adalah sama seperti selulosa beta, tetapi Derajat Polimerisasinya kurang dari 15 (Widodo, 2012).
2.10.4 Serat Selulosa
Serat selulosa merupakan salah satu sumber daya alam yang melimpah, dapat diperbaharui, dan ramah lingkungan. Kebutuhan serat alam akan terus meningkat seiring dengan meningkatnya kebutuhan bahan-bahan yang ramah lingkungan (Mulyawan et al, 2015).
Serat dicirikan oleh modulus dan kekuatannya yang tinggi, elongasi (daya rentang) yang baik, spinabilitas (kemampuan untuk diubah menjadi filamen-filamen) dan sejumlah sifat-sifat lain yang bergantung pada apakah ia dipakai dalam tekstil, kawat, tali, kabel dan lain-lain. Sifat-sifat serat lainnya yang dapat dimasukkan adalah daya serap (dyeability), resistensinya terhadap bahan kimia, serangga dan jamur, kekusutan, dan luster. Serat dikelompokkan menjadi dua, yaitu serat alam dan serat sintetis. Serat alam yang utama ada dua yaitu kapas yang merupakan selulosa polisakarida dan wol yang merupakan suatu protein. Selulosa tidak larut dalam air, tidak berasa, dan bukan merupakan karbohidrat pereduksi. Jika dihidrolisis dalam suasana asam akan menghasilkan banyak molekul D-Glukosa. Selulosa mempunyai ikatan β pada unit-unit monosakaridanya, dan merupakan poli-D-glukopiranosa.
Selulosa sebagai polimer karbohidrat mempunyai struktur molekular yang merupakan pengulangan unit β-D-glukopiranosa yang terikat secara kovalen antara gugus OH pada atom karbon C4 dan C1 (β-1, 4-glucan). Polimer ini merupakan rantai-rantai atau mikrofibril yang mengandung sampai 14.000 satuan unit D- Glukosa. Unit-unit ini terdapat sebagai berkas-berkas terpuntir mirip tali, yang terikat satu sama lain oleh ikatan hidrogen. Serat selulosa adalah suatu adsorben yang mempunyai luas permukaan besar, derajat swelling yang tinggi dalam air (Setiawan, 2012).
2.10.5 Modifikasi Serat Selulosa
Modifikasi pada selulosa dapat mengubah sifat fisik dan kimianya sehingga memiliki sifat yang baru. Modifikasi selulosa dengan teknik pencangkokan dapat menghasilkan penukar ion (Puspitasari, 2008). Prinsip yang digunakan dalam modifikasi selulosa secara langsung antara lain dengan esterifikasi, eterifikasi, halogenasi dan oksidasi. Modifikasi gugus fungsi pada selulosa dilakukan dengan cara derivatisasi gugus-gugus hidroksil pada posisi 2, 3, dan 6 dari selulosa. Proses
tersebut menghasilkan produk yang kurang selektif bila digunakan sebagai penukar ion. Hal ini dapat dipahami karena jumlah gugus aktif penukaran ionnya sedikit dan tidak semua gugus hidroksil dapat diderivatisasikan karena alasan sterik dan reaktivitas.
Metode yang sampai sekarang masih berkembang adalah metode pengcangkokkan. Selulosa dicangkok dengan suatu monomer yang dapat dijadikan sebagai anion untuk mengikat kation dan sebagai pengkelat ion logam atau dengan mengfungsionalisasikan kembali monomer yang telah tercangkok tersebut dengan monomer lain yang dijadikan sebagai pengkelat ion logam sehingga kapasitas dan selektivitas pertukaran ionnya dapat ditingkatkan. Pengcangkokkan dilakukan untuk mendapatkan serat selulosa termodifikasi yang sesuai dengan aplikasinya yaitu sebagai penukar ion, adsorben logam berat, dan perbaikan sifat fisik dan kimia dalam bidang tekstil (Setiawan, 2012).
2.10.6 Mekanisme Kopolimerisasi Cangkok pada Permukaan Serat Selulosa Kopolimerisasi cangkok monomer vinil untuk modifikasi sifat permukaan serat selulosa telah banyak dilakukan untuk mendapatkan gugus-gugus fungsi tertentu dan memberikan kekuatan mekanik yang baik. Hasil kopolimerisasi cangkok telah banyak digunakan sebagai penukar ion, biomaterial, biosensor, katalis polimer, dan sebagai adsorben protein dan zat warna. Sifat-sifat serat tercangkok seperti kemampuan menyerap air (wetability), permeabilitas dan ketahanan termal sangat dipengaruhi oleh rantai-rantai yang tercangkok pada permukaan serat (Basuki, 2000).
2.11 Karakterisasi
2.11.1 Fourier Transform Infrared (FTIR)
Fourier transform infrared (FTIR) adalah teknik yang digunakan untuk mendapatkan spektrum inframerah penyerapan, emisi, fotokonduktivitas atau hamburan Raman dari padat, cair atau gas. Spektrometer FTIR secara bersamaan mengumpulkan data spektral dalam berbagai spektrum yang luas. Hasil spektrum memperlihatkan absorbsi dan transmisi molekular, membentuk sidik jari molekul sampel. Seperti halnya sidik jari, tidak ada dua struktur molekul berbeda yang memiliki spektrum inframerah yang sama. Hampir semua molekul menyerap sinar
inframerah dan masing-masing molekul hanya menyerap sinar inframerah pada frekuensi tertentu. Hal ini menunjukkan karakteristik khas untuk setiap molekul.
Masing-masing jenis molekul hanya menyerap pada frekuensi tertentu dan akan terbentuk pola spektrum absorpsi yang khas atau sidik jari pada spectrum inframerah.
Sistem analisis spektroskopi inframerah (IR) telah memberikan keunggulan dalam mengkarakterisasi senyawa organik dan formulasi suatu material. Analisis inframerah (IR) akan menentukan gugus fungsi dari molekul yang memberikan regangan pada daerah serapan inframerah. Tahap awal identifikasi suatu senyawa, harus diketahui pita serapan yang karakteristik untuk masing-masing senyawa dengan membandingkan spektrum yang telah dikenal. Pita serapan yang khas ditunjukan oleh monomer penyusun material dan struktur molekulnya (Lawson, 2001).
Pada suhu biasa molekul-molekul organik dalam keadaan vibrasi yang tetap.
Setiap ikatan memiliki frekuensi rentang (streching) dan bengkok (bending) yang karakteristik dan dapat menyerap sinar pada frekuensi tertentu. Vibrasi dua atom yang dihubungkan secara ikatan kimia dapat dianalogikan dengan dua massa/bola yang dihubungkan dengan pegas. Berdasarkan analog ini kita dapat membayangkan untuk merentangkan pegas membutuhkan tenaga yang lebih besar daripada membengkokannya. Ini berarti tenaga rentang ikatan lebih besar daripada tenaga untuk membengkok. Serapan rentang ikatan akan mucul pada frekuensi yang lebih tinggi dalam spektrum inframerah daripada serapan bengkok dari ikatan yang sama.
Bila dicermati, dalam kimia organik molekul dua tom tidak lain merupakan gugus fungsi. Gugus fungsi adalah gugus yang menentukan sifat-sifat senyawa. Hingga dapat disimpulkan bahwa kegunaan spektrometri inframerah secara kualitatif adalah untuk menentukan gugus fungsi (Sastrohamidjojo, 2013).
2.11.2 Scanning Electron Microscopy (SEM)
Scanning Electron Microscope (SEM) adalah sebuah mikroskop elektron yang didesain untuk mengamati permukaan objek secara langsung. SEM memiliki perbesaran 10 – 3.000.000 kali, depth of field 4 – 0.4 mm dan resolusi sebesar 1 – 10 nm. Kombinasi dari perbesaran yang tinggi, depth of field yang besar, resolusi yang
baik, kemampuan untuk mengetahui komposisi dan informasi kristalografi membuat SEM banyak digunakan untuk keperluan penelitian dan industri (Nayak et al., 2016).
Teknik SEM pada hakikatnya merupakan pemeriksaan dan analisa permukaan. Data atau tampilan yang diperoleh adalah data dari permukaan. Dari gambar permukaan yang diperoleh merupakan fotografi dengan segala tonjolan, lekukan, dan lubang pada permukaan (pori-pori). Gambar fotografi diperoleh dari penangkapan elektron sekunder yang dipancarkan oleh spesimen. Sinyal elektron sekunder yang dihasilkan ditangkap oleh detektor yang diteruskan ke monitor. Pada monitor akan diperoleh gambar yang khas menggambarkan suatu struktur permukaan spesimen. Selanjutnya gambar di monitor dapat dipotret dengan menggunakan film hitam putih atau dapat pula direkam ke dalam suatu disket (Lu, 2005).
2.11.3 Analisis Termal Differential Scanning Calorimetry (DSC)
Analisis DSC digunakan untuk mempelajari transisi fase, seperti melting, suhu transisi glass (Tg) atau dekomposisi eksotermik, serta untuk menganalisa kestabilan terhadap oksidasi dan kapasitas panas suatu bahan. Suatu teknik yang digunakan untuk menentukan temperatur dari transformasi material dengan mengkuantisasi panasnya. Data yang dihasilkan berupa kurva aliran panas ke sampel minus aliran panas ke reference terhadap waktu atau temperatur (Sheikh et al., 2014).
Analisis termal diferensial adalah teknik dimana suhu dari sampel dibandingkan dengan material referen inert selama perubahan suhu terprogram. Suhu sampel dan referen akan sama apabila tidak terjadi perubahan, namun pada saat terjadinya beberapa peristiwa termal, seperti pelelehan, dekomposisi atau perubahan struktur kristal pada sampel, suhu dari sampel dapat berada di bawah (apabila perubahannya bersifat endotermik) ataupun di atas (apabila perubahan bersifat eksotermik) suhu referen.
Analisis termal merupakan suatu analisa dengan memberikan input kalor untuk mengetahui karakterisasi dari sampel. Suatu analisa termal memiliki keuntungan yaitu jumlah material yang dibutuhkan hanya sedikit. Hal ini memastikan keseragaman distribusi suhu dan resolusi yang tinggi (Saputra, 2009).
BAB 3
METODE PENELITIAN
3.1 Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Ilmu Dasar FMIPA USU Medan, Laboratorium Kimia Fisika FMIPA USU Medan, uji FTIR di laboratorium organik FMIPA UGM Yogyakarta dan laboratorium PTKI Medan, uji SEM dilaboratorium Terpadu USU Medan dan Uji DSC di Laboratorium PTKI Medan. Penelitian ini dilakukan dari bulan Januari 2019 sampai Juli 2019.
3.2 Alat dan Bahan 3.2.1 Alat
Peralatan yang digunakan pada penelitian ini meliputi alat-alat gelas, panci aluminium, neraca analitis, termometer, hot plate, magnetik stirer, statif dan klem, indikator universal, oven, pemotong gerinda, Fourier Transform Infrared (FTIR) Shimadzu Prestige 21, Scanning Electron Microscope (SEM) Hitachi TM3000 Tabletop Microscope, Differential Scanning Calorimetry (DSC) Shimadzu DSC- 60Plus.
3.2.2 Bahan
Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah bambu belangke, aquadest, Asam nitrat (HNO3) 65%, pelarut Toluena 99%, Natrium nitrit (NaNO2), Natrium hidroksida (NaOH), Natrium sulfit (Na2SO3), Natrium hipoklorit (NaOCl) 12%, Hidrogen peroksida (H2O2) 30%, senyawa antimikroba [2-(akriloiloksi)etil] trimetil amonium klorida (AETAC) 80%, monomer Anhidrida maleat (AM), inisiator Amonium peroksida (APS).
3.3 Prosedur Penelitian
3.3.1 Preparasi Serbuk Bambu Belangke
Bambu belangke yang diperoleh dicuci dengan air sampai bersih kemudian dikeringkan di bawah sinar matahari sampai kering kemudian dipotong dengan alat pemotong gerinda sampai menjadi serbuk.
3.3.2 Isolasi α-Selulosa dari Serbuk Bambu Belangke
Ditimbang sebanyak 75 gram Serbuk Bambu Belangke kemudian dimasukkan ke dalam beaker glass dan ditambahkan 1 L campuran HNO3 3,5% dan 10 mg NaNO2 dipanaskan di atas hot plate pada suhu 90oC selama 2 jam. Setelah itu disaring dan ampas dicuci hingga filtrat netral. Selanjutnya ditambahkan dengan 750 ml larutan yang mengandung NaOH 2% dan Na2SO3 2% pada suhu 50oC selama 1 jam lalu disaring dan ampas dicuci sampai filtrat netral. Selanjutnya dilakukan pemutihan dengan 500 ml larutan NaOCl 1,75% pada temperatur mendidih selama 30 menit. Ampas tersebut disaring dan dicuci sampai filtrat netral. Setelah itu dilakukan pemurnian α-selulosa dari sampel dengan 500 ml larutan NaOH 17,5 % pada suhu 80oC selama 0,5 jam lalu disaring, dicuci hingga filtrat netral. Dilanjutkan pemutihan dengan H2O2 10% pada suhu 60oC selama 15 menit. Dicuci dan disaring selulosa yang terbentuk hingga netral. Dilakukan pengeringan dengan oven selama 3 jam pada suhu 60oC dan disimpan dalam desikator (Ohwoavworhua, 2005).
Karakterisasi α-selulosa yang dihasilkan meliputi: % rendemen, analisis sifat kimia- fisika, gugus fungsi (FTIR), morfologi (SEM), analisis termal (DSC).
3.3.3 Modifikasi α-Selulosa Bambu Belangke dengan Anhidrida Maleat.
Modifikasi α-selulosa bambu belangke dengan anhidrida maleat dilakukan dengan refluks selama 2 jam menggunakan pelarut toluena sebagai media. Optimasi reaksi dilakukan dengan kadar selulosa tetap (100 php) dengan variasi anhidrida maleat (5, 10, 15, 20 php). Pelarut toluena diuapkan pada suhu 110oC, kemudian dicuci dengan aseton untuk menghilangkan maleat bebas. Hasil selulosa-AM dikeringkan dalam oven pada suhu 70oC sampai berat tetap, kemudian dikarakterisasi dengan analisis gugus fungsi (FTIR).
3.3.4 Modifikasi α-selulosa-AM dengan senyawa antimikroba [2-(akriloiloksi)etil] trimetil amonium klorida (AETAC).
Modifikasi permukaan α-selulosa-AM dengan senyawa antimikroba [2- (akriloiloksi)etil]trimetilammonium klorida (AETAC) 80% dilakukan dengan fase refluks, pengadukan dengan pelarut toluena dan ammonium persulfat (APS) sebagai inisiator. Optimasi reaksi dilakukan dengan mereaksikan kondisi optimum selulosa- AM sebelumnya dengan variasi kadar AETAC 80% yaitu 10, 20, 30 php dan kadar APS yang tetap yaitu 1,5 php. Pelarut toluena diuapkan pada suhu 110oC, kemudian dicuci dengan aseton untuk menghilangkan maleat bebas. Hasil modifikasi α- selulosa-AM dengan [2-(akriloiloksi)etil]trimetilamonium klorida (AETAC) dikeringkan dalam oven pada suhu 70oC sampai berat tetap, kemudian dikarakterisasi dengan analisis gugus fungsi (FTIR), morfologi permukaan (SEM), dan analisis termal (DSC).
3.4. Bagan Penelitian
3.4.1. Persiapan serbuk bahan baku bambu belangke
dicuci dengan air sampai bersih
dikeringkan dibawah sinar matahari sampai kering dipotong dengan alat pemotong gerinda sampai menjadi serbuk
Bambu Belangke
serbuk Bambu Belangke
3.4.2. Ekstraksi -Selulosa dari Bambu Belangke (Ohwoavworhua, 2005).
Dimasukkan ke dalam beaker glass
Ditambahkan 1 L campuran HNO3 3,5% dan 10 mg NaNO2
Dipanaskan diatas hotplate pada suhu 90oC selama 2 jam Disaring dan ampas dicuci hingga filtrat netral
Ditambahkan dengan 750 mL larutan yang mengandung NaOH 2% dan Na2SO3 2% pada suhu 50oC selama
1 jam
Disaring dan dicuci hingga filtrat netral
Diputihkan dengan 500 mL larutan NaOCl 1,75% pada temperatur mendidih selama 0,5 jam Disaring dan dicuci hingga filtrat netral
Ditambahkan 500 ml NaOH 17,5% dan dipanaskan pada suhu 80oC
Disaring dan dicuci hingga filtrat netral
Diputihkan dengan H2O2 10% pada suhu 60oC selama 15 menit
Disaring dan dicuci dengan aquadest
Dikeringkan pada suhu 60o dalam oven Disimpan dalam desikator
Dikarakterisasi
75 g serbuk Bambu Belangke
Filtrat Residu
Filtrat Residu
Filtrat Selulosa
Filtrat
- Selulosa
Filtrat
- Selulosa basah
- Selulosa
Uji FTIR Uji DSC
% rendemen
3.4.3. Modifikasi α-Selulosa Bambu Belangke dengan Anhidrida Maleat.
ditambahkan pelarut toluena sebanyak 100 ml.
ditambahkan Anhidrida maleat sebanyak 5 php direfluks pada suhu 60-70oC selama 2 jam diuapkan pelarut toluena pada suhu 110oC
didinginkan
disaring
dicuci dengan aseton
dikeringkan dalam oven pada suhu 70oC sampai berat tetap
dikarakterisasi
Dilakukan prosedur yang sama untuk variasi kadar AM 10, 15, 20 php 10 g α-Selulosa
α-selulosa-AM
Gugus fungsi (FTIR)
filtrat residu
3.4.4. Modifikasi α-selulosa-AM dengan senyawa antimikroba [2-(akriloiloksi)etil]trimetilamonium klorida (AETAC).
ditambahkan pelarut toluena sebanyak 100 ml.
ditambahkan amonium persulfat 1,5 php ditambahkan AETAC sebanyak 10 php direfluks pada suhu 60-70oC selama 2 jam diuapkan pelarut toluena pada suhu 110oC didinginkan
disaring
dicuci dengan aseton
dikeringkan dalam oven pada suhu 70oC sampai berat tetap
dikarakterisasi
Dilakukan prosedur yang sama untuk variasi kadar AETAC 20 dan 30 php.
α-Selulosa-AM 100:15 php
α-Selulosa termodifikasi AM-AETAC
Analisis Gugus fungsi (FTIR) Analisis Morfologi (SEM) Analisis Termal (DSC)
filtrat residu
BAB 4
HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Hasil Penelitian
4.1.1 Isolasi α-selulosa dari bambu belangke
Berdasarkan serangkaian proses delignifikasi, swelling dan proses pemutihan yang telah dilakukan dalam penelitian ini sehingga diperoleh α-selulosa yang berwarna putih. Pada tahap isolasi α-selulosa ini digunakan 75 gram serbuk bambu belangke dan pada akhir proses menghasilkan α-selulosa murni sebanyak 10,95 gram (sebanyak 14,6% dari berat awal bambu belangke yang digunakan). Gambar 4.1 menunjukkan hasil α-selulosa yang diperoleh dari penelitian ini.
Gambar 4.1 Serbuk α-selulosa yang diisolasi dari bambu belangke
