PENGEMBANGAN DAN KARAKTERISASI SIFAT LISTRIK
FILM KITOSAN SEBAGAI SENSOR ASETON DENGAN
PENAMBAHAN Carboxymethyl Cellulose (CMC)
TESIS
Oleh
MELLY FRIZHA
127026010/FIS
PROGRAM PASCASARJANA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
PENGEMBANGAN DAN KARAKTERISASI SIFAT LISTRIK
FILM KITOSAN SEBAGAI SENSOR ASETON DENGAN
PENAMBAHAN Carboxymethyl Cellulose (CMC)
TESIS
Oleh
MELLY FRIZHA
127026010/FIS
PROGRAM PASCASARJANA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
PENGEMBANGAN DAN KARAKTERISASI SIFAT LISTRIK
FILM KITOSAN SEBAGAI SENSOR ASETON DENGAN
PENAMBAHAN Carboxymethyl Cellulose (CMC)
TESIS
Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains dalam Program Studi Magister Ilmu Fisika Pada Program Pascasarjana Fakultas MIPA Universitas Sumatera Utara
Oleh
MELLY FRIZHA 127026010/FIS
PROGRAM PASCASARJANA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
PENGESAHAN TESIS
Judul Tesis : PENGEMBANGAN DAN KARAKTERISASI SIFAT LISTRIK FILM KITOSAN SEBAGAI SENSOR ASETON DENGAN PENAMBAHAN
Carboxymethyl Cellulose (CMC)
Nama Mahasiswa : MELLY FRIZHA Nomor Induk Mahasiswa : 127026010
Program Studi : Magister Ilmu Fisika
Fakultas : Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara
Menyetujui Komisi Pembimbing
Dr. Tulus Ikhsan Nasution, S.Si, M.Sc Dr. Nasruddin MN, M.Eng.Sc Ketua Anggota
Ketua Program Studi, Dekan FMIPA USU,
Dr. Nasruddin MN, M.Eng.Sc Dr. Sutarman M.Sc
PERNYATAAN ORISINALITAS
PENGEMBANGAN DAN KARAKTERISASI SIFAT LISTRIK FILM KITOSAN SEBAGAI SENSOR ASETON DENGAN
PENAMBAHAN Carboxymethyl Cellulose (CMC)
TESIS
Dengan ini saya menyatakan bahwa saya mengakui semua karya tesis ini adalah hasil kerja saya sendiri kecuali kutipan dan ringkasan yang tiap satunya
telah dijelaskan sumber dengan benar
Medan, Juni 2014
PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS
Sebagai civitas akademika Universitas Sumatera Utara, saya yang bertanda tangan di bawah ini:
Nama : Melly Frizha
NIM : 127026010
Program Studi : Magister Ilmu Fisika Jenis Karya Ilmiah : Tesis
Demi pengembangan ilmu pengetahuan, menyetujui untuk memberi kepada Universitas Sumatera Utara Hak Bebas Royalti Non - Eksklusif (Non - xlusive
Royalty Free Right) atas tesis saya yang berjudul:
PENGEMBANGAN DAN KARAKTERISASI SIFAT LISTRIK FILM KITOSAN SEBAGAI SENSOR ASETON DENGAN
PENAMBAHAN Carboxymethyl Cellulose (CMC)
Beserta perangkat yang ada (jika diperlukan). Dengan hak bebas royalti Non-eksklusif ini, Universitas Sumatera Utara Berhak Menyimpan, mengalih media, memformat, mengelola dalam bentuk data-base, merawat dan mempublikasi tesis saya tanpa meminta izin dari saya selama tetap mencantukan nama saya sebagai penulis dan sebagai pemegang dan atau sebagai pemilik hak cipta
Demikian pernyataan ini dibuat dengan sebenarnya.
Medan, Juni 2014
Telah diuji pada
Tanggal : 02 Juli 2014
PANITIA PENGUJI TESIS
Ketua : Dr. Tulus Ikhsan Nasution, S.Si, M.Sc
DAFTAR RIWAYAT HIDUP
DATA PRIBADI
Nama Lengkap Berikut Gelar : Melly Frizha, S.Si
Tempat Dan Tanggal Lahir : Kotanopan, 08 Juli 1990
Alamat Rumah : Jl. Perintis Kemerdekaan, Pasar Kotanopan Mandailing Natal
Telepon/Fax/Hp : 085275452203
E-Mail : mellyfrizha@yahoo.com
frizhamelly.12@gmail.com
Instansi Tempat Bekerja : -
Alamat Kantor : -
DATA PENDIDIKAN
SD : SD Negeri 142618 Kotanopan Tamat : 2002
SMP : SMP Negeri 1 Kotanopan Tamat : 2005
SMA : SMA Negeri Plus Mandailing Natal Tamat : 2008
i
KATA PENGANTAR
Alhamdulillah, wa syukrillah...
Sesungguhnya, segala sesuatu, ilmu yang bermanfaat, pengetahuan yang mencerahkan manusia adalah dari Allah SWT semata. Maka, tiada kata yang mampu dituliskan untuk mengungkapkan rasa syukur atas nikmat yang begitu besar. Semoga setiap ilmu pengetahuan yang bertambah seiring berjalannya waktu senantiasa menuntun kita untuk semakin mengakui kebesaran-Nya dan meraih ridho ilahi.
Atas berkat rahmat Allah SWT dengan takdir dan ketetapannya, penghargaan atas junjungan kita Baginda Rasullullah SAW yang meneladani umatnya dalam pengelolaan ego, potensi, hukum-hukum alam yang melingkupi kita serta upaya untuk menambah khasanh ilmu pengetahuan dan wawasan penulis khususnya tentang material elektronik, maka tesis dengan judul “Pengembangan dan Karakterisasi Sifat Listrik Film Kitosan Sebagai Sensor Aseton dengan Penambahan Carboxymethyl Cellulosa (CMC) dapat diselesaikan. Karya sederhana ini merupakan muara kecil dari sekian banyak pengembangan material elektronik yang dibangun melalui konsep-konsep dasar fisika pada umumnya.
Karya ini tentunya dimungkinkan oleh dukungan dan kesempatan serta berbagai fasilitas dari berbagai pihak, untuk itu pada kesempatan ini penulis menghaturkan ucapan terimakasih yang tulus pada:
1. Bapak Prof. Dr. Dr. Syahril Pasaribu, DTM&H, M.Sc (CTM), Sp. A(K), selaku Rektor Universitas Sumatera Utara.
2. Bapak Dr. Sutarman, M.Sc, selaku Dekan Fakultas Matematika & Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Sumatera Utara.
3. Bapak Dr. Nasruddin MN, M. Eng. Sc, selaku Ketua Program Studi Pascasarjana (S2/S3) Ilmu Fisika Universitas Sumatera Utara sekaligus sebagai anggota Komisi Pembimbing atas segala bantuannya selama perkuliahan penulis dan atas saran-saran yang membangun moril penulis dalam pelaksanaan penelitian dan penyelesaian tesis.
4. Bapak dan Ibu staf pengajar di lingkungan Program Studi Magister (S2) Ilmu fisika USU atas semua ilmu yang telah diberikan kepada penulis.
5. Ucapan maaf dan terima kasih kepada Bapak Dr. Tulus Ikhsan Nasution, S.Si, M.Sc selaku Ketua Komisi Pembimbing penulis yang telah membuka wawasan penulis tentang dunia fisika yang lebih baru dan luas. Atas kesempatan menjadi bagian dalam kelompok penelitian Beliau yang membuat penulis merasa bangga dengan sebutan peneliti muda serta dorongan bagi penulis untuk terus semangat dalam berkarya dengan bermanfaat bagi yang lain.
6. Bapak Prof. Dr. Eddy Marlianto, M.Sc, Dr. Kerista Sebayang, M.S dan Dr. Ferdinand Sinuhaji, M.S selaku komisi pembanding, atas saran dan kritik yang diberikan.
tidak menjadi anak kampung dengan pemikiran kampungan. Kepada Ikatan Alumni SMAN Plus Madina, Everything By Heart and Mestakung.
8. Keluarga besar Laboratorium Fisika Dasar LIDA USU, terima kasih untuk kesempatan mengembangkan diri sebagai asisten dan menimba ilmu fisika lebih dalam secara praktek.
9. Seluruh rekan-rekan seperjuangan stambuk 2012 Pascasarjana (S2) Ilmu Fisika atas kerjasama dan kebersamaan dalam mengatasi berbagai masalah dalam perkuliahan bersama penulis.
Akhirnya, tidak terlupakan ucapan terima kasih kepada yang paling tersayang Ayahanda D. Nasution dan Ibunda K.S. Harahap yang tiada henti memberikan curahan perhatian, dukungan baik moril dan materil hingga penulis berada di tahap ini. Semoga tesis ini sebagai salah satu wujud takzim ananda atas doa-doa yang diberikan. Kepada Abang dan adik-adik tercinta jangan mau kalah
ya…!. Dan kepada pihak-pihak yang tidak dapat disebutkan satu persatu, yang
telah banyak memberikan bantuan bagi penulis, terima kasih atas semua yang diberikan.
Sebagai produk dari keterbatasan manusia, maka tentu hasil dari penelitian ini sangat menunggu dan terbuka untuk menerima masukan demi proses pemeliharaan transformasi ilmu pengetahuan dalam institusi pendidikan tinggi. Akhir kata semoga penelitian ini membawa manfaat.
iii
PENGEMBANGAN DAN KARAKTERISASI SIFAT LISTRIK FILM
KITOSAN SEBAGAI SENSOR ASETON DENGAN
PENAMBAHAN Carboxymethyl Cellulose (CMC)
ABSTRAK
Pengembangan film kitosan sebagai sensor aseton dilakukan untuk meningkatkan karakteristik film kitosan baik kondisi fisis ataupun sifat listriknya. Hal ini dilakukan karena karakteristik film kitosan murni yang rapuh dan lemah sehingga sifat listrik yang dihasilkan cenderung tidak stabil. Karena itu film kitosan dimodifikasi dengan penambahan CMC yang divariasikan mulai 0,01 g, 0,05 g, 0,1 g dan 0,5 g. Dalam penelitian ini, film kitosan dan kitosan - CMC difabrikasi dengan metode elektrodeposisi. Karakteristik film hasil fabrikasi meliputi pengukuran dengan PSA, pengamatan dengan Mikroskop Optik, uji DTA, uji FTIR dan UV-Vis untuk karakteristik fisik film. Sedangkan sifat listrik film ditentukan melalui uji linieritas, selektivitas, respon, recovery,
reproducibility, repeatability serta life time dengan mengekspos sensor dengan
gas aseton dengan konsentrasi 0,1 ppm, 0,5 ppm, 1 ppm, 5 ppm, 10 ppm dan udara normal. Hasil - hasil tersebut menunjukkan bahwa sensor aseton berbasis film kitosan dengan 0,05 g CMC memiliki karakteristik fisik yang baik, yakni: permukaan film yang merata, sifat termal tinggi serta energi gap sebesar 3,91 eV. Diperoleh performansi sifat listrik sensor yang lebih tinggi dan stabil tanpa merubah struktur dasar film kitosan, yang mengindikasikan bahwa penambahan CMC damapt meningkatkan kualitas film kitosan.
DEVELOPMENT AND CHARACTERIZATION OF THE ELECTRICAL
PROPERTIES OF CHITOSAN FILMS AS ACETONE SENSOR
WITH THE ADDITION OF Carboxymethyl Cellulose (CMC)
ABSTRACT
Development of chitosan films as acetone sensor has been done to improve the chitosan film characteristics such as physical condition and its electrical properties. This was done because of the characteristics of pure chitosan films are fragile and weak so that the electrical properties tend to be unstable. Therefore, the chitosan films were modified by adding CMC in to chitosan solution with the variation of 0.01 g, 0.05, 0.1 g and 0.5 g. In this study, chitosan films and chitosan - CMC films were fabricated with electrodeposition method. Chitosan films were characterized using PSA, Optic Microscope, DTA, FTIR and UV-Vis spectroscopy. While the electrical properties included linierity, selectivity, response and recovery, repeatability, stability, reproducibility and life time. The testing was carried out by exposing the sensor to acetone gas for various concentrations. The results showed that acetone sensor based on chitosan - 0.05 w/v CMC has the best physical condition and electrical properties, such as homogenous surface, high thermal properties and the gap energy of 3,91 eV. High and stable electrical properties of the sensor have been obtained, indicating that the addition of CMC can improve the quality of chitosan film sensor.
v
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR ... i
ABSTRAK ... ... iii
ABSTRACT ... iv
DAFTAR ISI ... v
DAFTAR TABEL ... viii
DAFTAR GAMBAR ... ix
BAB I PENDAHULUAN ... 1
1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Perumusan Masalah ... 3
1.3 Batasan Masalah ... 4
1.4 Tujuan Penelitian ... 4
1.5 Manfaat Penelitian ... 5
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 6
2.1 Kitosan ... 8
2.1.1 Sumber Kitosan ... 8
2.1.2 Sifat - Sifat Kitosan ... 9
2.1.3 Aplikasi Kitosan ... 11
2.2 Carboxymethyl Cellulose (CMC) ... 12
2.2.1 Sumber CMC ... 13
2.2.2 Sifat - Sifat CMC ... 14
2.2.3 Aplikasi CMC ... 15
2.3 Film Kitosan Dengan Penambahan CMC ... 15
2.4 Teknik Deposisi Film ... 17
2.4.1 Klasifikasi Teknik Deposisi Film ... 18
2.4.2 Metode Elektrodeposisi ... 19
2.4.3 Dasar Metode Elektrodeposisi ... 20
2.4.4 Sistem Dalam Elektrodeposisi ... 20
2.5 Teknologi Sensor ... 22
2.5.1 Definisi Umum Sensor ... 22
2.5.2 Klasifikasi Sensor ... 23
2.6 Aseton ... 26
2.6.1 Sumber Aseton ... 26
2.6.2 Sifat Fisika Dan Kimia Aseton ... 27
2.6.2.1 Sifat Fisika Aseton ... 28
2.6.2.2 Sifat Kimia Aseton ... 28
2.6.3 Pemeriksaan Gas Aseton Nafas ... 43
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... 31
3.4.1 Pembuatan Larutan homogen Kitosan dan Kitosan - CMC ... 35
3.4.2 Fabrikasi Film Kitosan dan Film Kitosan - CMC ... 36
3.4.3 Uji Aplikasi Film Kitosan Sebagai Sensor Aseton ... 37
3.5 Karakterisasi Film Kitosan Dan Film Kitosan - CMC ... 38
3.5.1 Pengukuran Distribusi Ukuran Partikel Larutan ... 39
3.5.2 Pengamatan Permukaan Film ... 41
3.5.3 Analisa Sifat Termal Film ... 42
3.5.4 Analisa Gugus Fungsional Film ... 45
3.5.5 Analisa Sifat Absorbansi Film ... 46
3.6 Analisa Statistik Data Listrik Film Sensor Aseton ... 48
3.6.1 Analisa Regresi Linier ... 48
3.6.2 Standar Deviasi ... 51
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ... 52
4.1 Pengaruh Penambahan CMC pada Larutan Kitosan ... 52
4.1.1 Tingkat Kekeruhan Larutan ... 52
4.1.2 Tingkat Keasaman Larutan ... 54
4.1.3 Distribusi Ukuran Partikel Larutan ... 55
4.2 Hasil Fabrikasi Film Kitosan dan Film Kitosan - CMC ... 57
4.2.1 Konsentrasi larutan Kitosan ... 58
4.2.2 Elektroda ... 58
4.3 Karakterisasi Film Kitosan dan Film Kitosan - CMC ... 59
4.3.1 Pengamatan Permukaan Film ... 59
4.3.2 Analisa Sifat Termal Film ... 63
4.3.3 Analisa Gugus Fungsional Film ... 66
vii
4.4 Hasil Pengujian Sifat Listrik Sensor Aseton ... 71
4.4.1 Uji Linieritas Sensor ... 72
4.4.2 Uji Selektivitas Sensor ... 75
4.4.3 Uji Respon dan Recovery Sensor ... 78
4.4.4 Uji Repeatability Sensor ... 80
4.4.5 Uji Stability Sensor ... 84
4.4.6 Uji Reproducibility Sensor ... 85
4.4.7 Uji Life Time Sensor... 88
4.6 Mekanisme Kerja Sensor Aseton ... 94
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 99
4.1 Kesimpulan... 99
4.2 Saran ... 100
DAFTAR PUSTAKA ... 101
LAMPIRAN A ... 105
LAMPIRAN B ... 107
LAMPIRAN C ... 109
DAFTAR TABEL
No. Judul Halaman
2.1 2.2
Sumber - sumber kitin/kitosan di alam Spesifikasi kitosan
2.6 Daftar sensor gas aseton yang telah difabrikasi 30 3.1 Daftar penggunaan laboratorium dan peralatan penelitian 31 3.2 Peralatan untuk pembuatan sampel larutan kitosan dan
larutan kitosan - CMC
32
3.3 Peralatan fabrikasi film kitosan dan film kitosan - CMC 32
3.4 Peralatan uji sensor aseton 32
3.5 Peralatan karakterisasi larutan/film kitosan dan kitosan - CMC
Bahan pembuat film kitosan dan film kitosan - CMC Gugus fungsional utama untuk kitosan
Tingkat kekeruhan larutan Tingkat keasaman larutan
Range pengukuran respon untuk tiap sensor
STDEV untuk tiap sensor dengan pengulangan sebanyak 5x
ix
DAFTAR GAMBAR
No. Judul Halaman
2.1 2.2
Serbuk kitosan komersil. Struktur unit berulang kitin.
6 7
2.3 Struktur unit berulang kitosan. 7
2.4 Struktur unit berulang selulosa. 7
2.5 Sumber - sumber utama kitosan. 8
2.6 Carboxymethyl Cellulose (CMC) Komersil. 12
2.7 Struktur kimia CMC. 13
2.8 Keteraturan dalam struktur selulosa. 14
2.9 Klasifikasi dasar teknik - teknik deposisi film. 18 2.10 Skema sederhana pelapisan material dengan teknik
elektrodeposisi.
20
2.11 Komponen - komponen pendukung sensor. 23
2.12 Klasifikasi umum sensor. 24
2.13 2.14
Grafik linieritas sensor.
Grafik respon dan recovery sensor.
24 25
2.15 Grafik repeatability sensor. 25
2.16
Grafik reproducibility sensor. Struktur molekul aseton.
Diagram alir pelaksanaan penelitian. Bentuk sensor yang akan difabrikasi. Skema alat uji sifat listrik film kitosan. PSA dengan metode DLS.
Contoh presentasi distribusi ukuran partikel.
(a). Mikroskop optik metalurgi, (b). Skema kerja mikroskop optik .
Alat DTA.
(a). Skema alat DTA untuk tempat sampel, (b). Plot grafik hasil DTA.
Sampel film kitosan dan film kitosan - CMC. FTIR untuk analisa gugus fungsi suatu senyawa. Skema bagian dari alat spektroskopi UV-Vis. Contoh garis regresi dalam grafik.
Tampilan fisik larutan kitosan dan larutan kitosan - CMC. Mekanisme transfer H+ pada larutan kitosan - CMC. Distribusi ukuran partikel larutan kitosan murni.
Distribusi ukuran partikel larutan kitosan - CMC 0,01 g.
4.5
Distribusi ukuran partikel larutan kitosan - CMC 0,05 g. Distribusi ukuran partikel larutan kitosan - CMC 0,1 g. Distribusi ukuran partikel larutan kitosan - CMC 0,5 g. (a). Pembentukan film kitosan murni,
(b). Pembentukan film kitosan - CMC.
Sensor aseton berbasis film kitosan dan film kitosan - CMC hasil fabrikasi.
Tampilan permukaan film kitosan murni.
Tampilan permukaan film kitosan dengan 0,01 g CMC. Tampilan permukaan film kitosan dengan 0,05 g CMC. Tampilan permukaan film kitosan dengan 0,1 g CMC. Tampilan permukaan film kitosan dengan 0,5 g CMC. Analisa DTA untuk film kitosan tanpa penambahan CMC. Analisa DTA untuk film kitosan dengan 0,01 g CMC. Analisa DTA untuk film kitosan dengan 0,05 g CMC. Analisa DTA untuk film kitosan dengan 0,1 g CMC. Analisa DTA untuk film kitosan dengan 0,5 g CMC. Analisa FTIR untuk film kitosan tanpa penambahan CMC. Analisa FTIR untuk film kitosan dengan 0,01 g CMC. Analisa FTIR untuk film kitosan dengan 0,05 g CMC. Analisa FTIR untuk film kitosan dengan 0,1 g CMC. Analisa FTIR untuk film kitosan dengan 0,5 g CMC.
Perbandingan spektrum absorbsi sampel film kitosan dan film kitosan - CMC.
Grafik linieritas keluaran sensor berbasis film kitosan tanpa penambahan CMC pada variasi konsentrasi aseton.
Grafik linieritas keluaran sensor berbasis film kitosan dengan 0,01 g CMC pada variasi konsentrasi aseton.
Grafik linieritas keluaran sensor berbasis film kitosan dengan 0,05 g CMC pada variasi konsentrasi aseton.
Grafik linieritas keluaran sensor berbasis film kitosan dengan 0,1 g CMC pada variasi konsentrasi aseton.
Grafik linieritas keluaran sensor berbasis film kitosan dengan 0,5 g CMC pada variasi konsentrasi aseton.
Selektivitas sensor terhadap perubahan konsentrasi aseton berbagai konsentrasi aseton.
Repeatability sensor berbasis film kitosan dengan 0,01 g
CMC diuji pada berbagai konsentrasi aseton.
Repeatability sensor berbasis film kitosan dengan 0,05 g
CMC diuji pada berbagai konsentrasi aseton.
xi
Repeatability sensor berbasis film kitosan dengan 0,1 g CMC
diuji pada berbagai konsentrasi aseton.
Repeatability sensor berbasis film kitosan dengan 0,5 g CMC
diuji pada berbagai konsentrasi aseton.
STDEV repeatability tiap sensor pada berbagai konsentrasi. Grafik temperatur kerja dan %relative humidity tiap sensor.
Reproducibility sensor berbasis pure chitosan pada variasi
konsentrasi aseton.
Reproducibility sensor berbasis CS - CMC 0,01 w/v pada
variasi konsentrasi aseton.
Reproducibility sensor berbasis CS - CMC 0,05 w/v pada
variasi konsentrasi aseton.
Reproducibility sensor berbasis CS - CMC 0,1 w/v pada
variasi konsentrasi aseton.
Reproducibility sensor berbasis CS - CMC 0,5 w/v pada
variasi konsentrasi aseton.
STDEV Reproducibility tiap sensor.
Life time sensor pada kondisi normal air pada pengujian, (a).
Per hari, (b). Per minggu.
Life time sensor pada kondisi 0,1 ppm Aseton pada
pengujian, (a). Per hari, (b). Per minggu.
Life time sensor pada kondisi 0,5 ppm Aseton pada
pengujian, (a). Per hari, (b). Per minggu.
Life time sensor pada kondisi 1 ppm Aseton pada pengujian,
(a). Per hari, (b). Per minggu.
Life time sensor pada kondisi 5 ppm Aseton pada pengujian,
(a). Per hari, (b). Per minggu.
Life time sensor pada kondisi 10 ppm Aseton pada pengujian,
(a). Per hari, (b). Per minggu.
Ilustrasi permukaan sensor aseton berbasis film kitosan (a). Sebelum diekspos, (b). Sesudah diekspos.
Ilustrasi permukaan sensor aseton berbasis film kitosan - CMC (a). Sebelum diekspos, (b). Sesudah diekspos.
Sensor aseton berbasis film kitosan dengan 0,5 CMC. Mekanisme kerja sensor aseton.
