379
SINTESIS POLIMER SUPERABSORBEN BERBASIS SELULOSA DARI ALANG-ALANG (IMPERATA CYLINDRICA) TERCANGKOK ASAM AKRILAT
Sunardi1), Azidi Irwan1), Wiwin Tyas Istikowati2) 1
Prodi Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Lambung Mangkurat, Banjarbaru
2
Jurusan Teknologi Hasil Hutan, Fakultas Fakultas Kehutanan, Universitas Lambung Mangkurat, Banjarbaru
e-mail: sunardialbanyumasi@gmail.com
Jakarta, 7 - 8 November 2013
ABSTRAK
Telah dilakukan penelitian tentang kajian perbandingan berat selulosa dari alang-alang (Imperata cylindrica) dengan berat asam akrilat terhadap karakteristik dari polimer superabsorben pada proses sintesis polimer superabsorben dengan proses kopolimerisasi cangkok. Tujuan penelitian ini untuk
mengetahui pengaruh penambahan selulosa terhadap karakteristik dan kemampuan
mengembang/swelling polimer superabsorben yang dihasilkan. Karakterisasi polimer superabsorben yang diperoleh meliputi pengujian swelling polimer superabsorben dalam air, larutan urea 5% dan NaCl 0,15 M, pengujian retensi air, analisis perubahan gugus fungsi menggunakan Fourier Transform Infra Red (FTIR), dan analisis kristalinitas menggunakan X-Ray Diffraction (XRD). Polimer superabsorben disintesis dengan variasi perbandingan berat selulosa sebesar 0, 3, 5, 10, 15, 20, dan 25% (b/b). Hasil penelitian menunjukkan bahwa polimer superabsorben pada variasi perbandingan berat selulosa terhadap berat asam akrilat sebesar 5% memberikan serapan tertinggi sebesar 1395,00g/g dalam air, 1156,33 g/g dalam larutan urea 5%, dan 194,67 g/g dalam larutan NaCl 0,15 M.
380
I. PENDAHULUAN
Superabsorben adalah suatu istilah yang mencakup sejumlah jenis polimer yang mempunyai kemampuan mengabsorpsi cairan ratusan kali hinggu ribuan kali dari berat
keringnya [1]. Penggunaan polimer
superabsorben sangat banyak diantaranya digunakan dalam pemisahan membran, sebagai
wadah penyimpan air untuk daerah
kering/pertanian [2], pembuatan kemasan barang
[3], dan popok bayi [4]. Umumnya
superabsorben dibuat dari polimer berbasis poli asam akrilat (PAA) yang mempunyai kelemahan dalam menyerap air dan mengembang (swelling) yang terbatas [5], tidak ramah lingkungan [6], dan harganya mahal.
Dewasa ini telah banyak dilakukan penelitian
untuk memodifikasi polimer dengan
memanfaatkan bahan alam untuk meningkatkan kemampuan absorpsi polimer superabsorben terhadap cairan [3]. Bahan alam merupakan polimer alam yang dapat diperbaharui, mudah didapat, harganya murah, dan ramah lingkungan. Salah satu parameter penting dalam sintesis untuk meningkatkan kapasitas absorpsi dari polimer superabsorben adalah perbandingan
selulosa dan monomer dalam proses
pencangkokkan. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui kondisi optimum penambahan selulosa yang digunakan dalam sintesis polimer superabsorben berbasis selulosa dari alang-alang
sebagai material superabsorben untuk
mendapatkan suatu polimer baru dengan kemampuan daya serap terhadap cairan yang relatif besar serta karakteristik yang baik
sehingga dapat meningkatkan kualitas
superabsorbent yang dihasilkan serta dapat meningkatkan nilai guna dari tanaman alang-alang yang sampai saat ini dianggap tanaman pengganggu dan limbah yang tidak bermanfaat.
II. METODE PENELITIAN Alat dan Bahan
Peralatan utama yang digunakan antara lain neraca Ohaus model E12140, pengayak ukuran 60 mesh dan 170 mesh, oven merk
Thermologic, peralatan refluks,
spektrofotometer inframerah dan difraktometer sinar X. Bahan yang digunakan adalah batang tanaman alang-alang (Imperata cylindrica) dari daerah Banjarbaru, Kalimantan Selatan, asam akrilat (AA), ammonium persulfat (APS) dan
N,N′-metilenbisakrilamida (MBA) dari
E.Merck, NaOH, etanol 95% , urea, dan NaCl.
Preparasi sampel
Biomassa alang-alang (Imperata cylindrica) diambil bagian batang dan dipotong dengan ukuran ± 3 cm, dikeringkan kemudian dihancurkan dan diayak hingga lolos saringan 60 mesh. Serbuk halus kemudian direndam dalam 5 % larutan NaOH, dipanaskan pada temperatur ± 85°C sambil diaduk selama 4 jam, kemudian suspensi ditambah larutan H2O2 konsentrasi 5%, lalu di oven selama 20 jam pada suhu ± 85°C. Suspensi disaring dan dinetralkan dengan akuades sampai pH 7 lalu dikeringkan pada temperatur 80°C dan diayak hingga lolos 170 mesh.
381
Sintesis polimer superabsorbenSintesis polimer poli(asam akrilat)-alang-alang dilakukan dengan memasukkan sejumlah tertentu selulosa hasil preparasi dengan variasi persen berat terhadap berat asam akrilat (0, 3, 5, 10, 15, 20, dan 25%) pada labu leher tiga ukuran 250 mL dan ditambahkan akuades. Suspensi kemudian diaduk dengan magnetic stirrer dan dipanaskan pada temperatur 60°C selama 30 menit dengan dialiri gas nitrogen. Sebanyak 80 mg ammonium persulfat sebagai inisiator ditambahkan pada saat temperatur suspensi telah turun pada temperatur 60-65°C. Setelah diaduk selama 15 menit, sebanyak 8 gram asam akrilat dan 8 mg N,N’-metilenbisakrilamida sebagai pengikat silang ditambahkan ke dalam suspensi. Reaksi polimerisasi dilakukan pada temperatur 70°C dengan waktu reaksi selama 3 jam. Produk
hasil polimerisasi kemudian dicuci
menggunakan akuades dan direndam etanol 95% selama 3 jam. Kemudian dikeringkan pada temperatur 70°C sampai berat konstan dan siap digunakan untuk karakterisasi FTIR dan XRD.
Uji Swelling
Lima buah cuplikan polimer
superabsorben dikeringkan dalam oven pada suhu 60 ºC hingga berat konstan. Kemudian
polimer superabsorben direndam pada
temperatur kamar selama 24 jam.
Superabsorben yang telah mengembang
kemudian dipisahkan dari larutan menggunakan saringan. Kemampuan polimer superabsorben mengembang ditentukan dengan menimbang berat sampel mengembang (setelah proses
adsorpsi) dan dihitung dengan persamaan berikut :
Q H2O, urea, NaCl = (m2-m1) / m1
dimana m1 dan m2 adalah berat polimer kering dan berat polimer setelah adsorpsi. Nilai Q H2O, urea, NaCl dihitung sebagai gram larutan air, urea, NaCl per gram sampel.
Pengujian retensi air
Tiga buah cuplikan sampel 0% dan 5% dikeringkan dalam oven pada suhu 60ºC hingga berat konstan dan ditimbang sebanyak 0,05 gram. Polimer superabsorben kering direndam dalam 100 ml air selama 24 jam. Setelah itu disaring dan ditimbang beratnya, kemudian dimasukkan ke dalam oven pada suhu 70ºC. Setiap jam dilakukan penimbangan terhadap sampel, penimbangan dilakukan selama 6 jam.
III. HASIL DAN PEMBAHASAN Sintesis Polimer Superabsorben
Proses pencangkokkan dan penautan silang antara selulosa dengan monomer asam akrilat dianalisis menggunakan FTIR seperti yang ditampilkan pada spektrum gambar 1.
Gambar 1. Spektra FTIR selulosa hasil
preparasi (A), monomer asam akrilat (B), dan polimer superabsorben hasil sintesis (C)
382
Berdasarkan pada gambar 1, spektrum asam akrilat (B) tampak puncak serapan pada bilangan
gelombang 3109,25 cm-1 yang menunjukkan
adanya vibrasi dari gugus hidroksil dari asam akrilat, sehingga serapan yang muncul lebar dan sedang. Puncak serapan pada bilangan
gelombang 2931,80 cm-1 dicirikan sebagai
vibrasi ulur C-H dari gugus akrilat, dan serapan puncak 1705,07 cm-1 dicirikan sebagai gugus C=O dari akrilat. Pada panjang gelombang 1635,64 menunjukkan vibrasi gugus C=C, serta gugus –CH2 pada rantai hidrogel timbul pada serapaan puncak 1435,64 cm-1 [7].
Perbedaan-perbedaan jelas yang tampak pada gambar 1 spektrum FTIR selulosa hasil preparasi, monomer AA dengan polimer superabsorben hasil sintesis. Spektrum polimer superabsorben hasil sintesis menunjukkan serapan pada bilangan gelombang 3448,72 cm-1 yang menunjukkan adanya vibrasi dari gugus hidroksil pada selulosa dan gugus amina
sekunder dari metilenbisakrilamida yang
menunjukkan adanya tumpang tindih
(overlapping) sehingga serapan yang muncul lebar dan sedang. Spektrum khas dari selulosa lainnya yang muncul adalah vibrasi gugus C-O
pada bilangan gelombang 1056,99 cm-1 dan
vibrasi gugus C-H pada bilangan gelombang 2924,09 cm-1. Untuk spektrum tampak lainnya adalah pada bilangan gelombang 1705,07 cm-1 menunjukkan serapan gugus C=O. Sedangkan pada bilangan gelombang 1635,64 cm-1 yang sebelumnya tampak pada spektrum AA menunjukkan adanya vibrasi khas dari C=C
tidak tampak pada spektrum polimer
superabsorben hasil sintesis.
Hasil analisis struktur selulosa tanaman alang-alang hasil pretreatment, asam akrilat dan polimer superabsorbent tercangkok selulosa alang-alang (5%) menggunakan difraktometer sinar X ditunjukkan pada Gambar 2.
Berdasarkan gambar 2 terlihat bahwa
difraktogram monomer asam akrilat (A) memiliki pola acak karena susunannya yang tidak teratur, sehingga menunjukkan kristalinitas yang sangat rendah. Difraktogram selulosa hasil preparasi dari gambar di atas mirip dengan difraktogram selulosa murni yang dilaporkan oleh Li et al.[8]. Pola difraksi dari selulosa hasil preparasi (B) menunjukkan bahwa sebagian struktur selulosa terdapat daerah kristalin dan sebagian lagi merupakan daerah amorf. Menurut Prawirohatmojo dan Siswanto [9], hanya
sebagian molekul-molekul selulosa yang
menyusun serat dengan sejajar yang disebut daerah kristalin dan daerah amorf dikarenakan sebagian dari molekul-molekul selulosa tersebut menyusun serat secara tidak teratur.
Gambar 2. Difraktogram monomer asam akrilat
(A), selulosa hasil preparasi (B), dan polimer superabsorben hasil sintesis (C)
383
Dari difraktogram polimer superabsorben hasil sintesis (C) yang menunjukkan puncak yang melebar dan berstruktur amorf. Melebarnya puncak tersebut di atas menunjukkan bahwa polimer superabsorben hasil sintesis yang diperoleh mempunyai derajat kekristalan yang rendah. Hal tersebut dimungkinkan disebabkan karena terjadinya perubahan struktur dari selulosa dan asam akrilat menjadi polimer superabsorben melalui pengikatan silang dan interaksi kimia pada gugus selulosa.
Pengujian Swelling Polimer Superabsorben dalam Air
Hasil pengujian swelling polimer superabsorbent hasil sintesis dalam air ditunjukkan oleh gambar 3.
Gambar 3. Grafik hubungan variasi persen
berat selulosa terhadap berat asam akrilat dengan kapasitas absorpsi air
Berdasarkan gambar 3 terlihat bahwa polimer superabsorben dengan rasio 5% berat selulosa terhadap berat AA mencapai nilai optimum 1.395,00 g/g terhadap berat kering polimer
superabsorben dibandingkan polimer
superabsorben sintesis yang lain. Terjadinya peningkatan kapasitas absorpsi air seiring meningkatnya penambahan selulosa selama
perendaman 24 jam kemudian setelah mencapai kondisi optimum mengalami penurunan serapan air. Hal ini disebabkan dengan meningkatnya penambahan selulosa, kerapatan ikatan silang dalam polimer superabsorben meningkat. Sehingga daya serap air ke dalam jaringan
polimer superabsorben berkurang dan
menyebabkan swelling polimer superabsorben relatif turun [7].
Pengujian Swelling Polimer Superabsorben dalam Larutan Urea
Pengujian swelling dari polimer superabsorben terhadap urin dapat dilakukan dengan artificial urin atau dengan larutan urea pada konsentrasi 5% dan hasil yang didapatkan relatif hampir sama dengan urin asli [10].
Gambar 4. Grafik hubungan variasi persen
berat selulosa terhadap berat asam akrilat dengan kapasitas absorpsi dalam larutan urea Data hasil penelitian polimer superabsorben menunjukkan bahwa penambahan selulosa sebesar 5% mencapai swelling paling besar yaitu 1.157,33 g/g. Berdasarkan Gambar 4, dapat dilihat bahwa dengan meningkatnya jumlah selulosa yang ditambahkan hingga 25%, swelling polimer superabsorben dalam larutan
384
urea meningkat dan cenderung menurun ketika telah tercapai kondisi optimum. Menurut Zhai et al [11], molekul urea memiliki sisi hidrofilik seperti NH2- yang akan berinteraksi dengan air. Hal ini yang menyebabkan swelling dalam larutan urea lebih kecil dibandingkan dengan swelling polimer superabsorben di dalam air.
Pengujian Swelling Polimer Superabsorben dalam Larutan NaCl
Konsentrasi ion-ion garam juga mempengaruhi daya serap dari polimer superabsorben yang akan digunakan sebagai absorben [7]. Larutan NaCl 0,15 M umumnya digunakan untuk pengujian kemampuan daya serap polimer superabsorben. Pengaruh jumlah penambahan
selulosa terhadap swelling polimer
superabsorben dalam larutan NaCl 0,15 M ditampilkan pada gambar 5.
Gambar 5. Grafik hubungan variasi persen
berat selulosa terhadap berat asam akrilat dengan kapasitas absorpsi dalam larutan NaCl Persen berat selulosa sebesar 5% pada pengujian swelling polimer superabsorben dalam larutan NaCl 0,15 M memiliki nilai swelling paling besar yaitu 195,67 g/g. Berdasarkan gambar 6, terlihat bahwa dengan meningkatnya jumlah
penambahan selulosa, swelling polimer
superabsorben relatif mengalami peningkatan dan mencapai kondisi optimum pada variasi persen berat 5%. Kemudian terjadi penurunan pada persen berat di atas 5%. Penurunan nilai swelling ini disebabkan karena terjadi penurunan tekanan osmosis akibat perbedaan konsentrasi ion-ion dalam larutan NaCl dan struktur jaringan
polimer superabsorben. Jika polimer
superabsorben direndam dalam larutan NaCl, maka akan terjadi tekanan osmosis yang rendah akibat adanya ion-ion Na+ dan Cl- [7].
Pengujian Retensi Air Polimer Superabsorben
Penentuan uji retensi air pada polimer superabsorben merupakan salah satu parameter untuk mengetahui kemampuan suatu polimer
superabsorben dalam mempertahankan
banyaknya jumlah air yang telah diserap oleh polimer superabsorben tersebut. Uji retensi dilakukan terhadap polimer superabsorben hasil sintesis dengan variasi persen berat 0% dan 5% (kondisi optimum) selama 6 jam pada suhu 70°C.
Gambar 6. Grafik hubungan waktu pemanasan
385
Berdasarkan gambar 6 terlihat bahwa baik polimer superabsorben dengan variasi persen berat 0% (PAA) maupun persen berat 5% memiliki kecenderungan penurunan berat air yang tersimpan seiring dengan bertambahnya waktu pemanasan. Poli asam akrilat memiliki nilai retensi sebesar 15,80%, yang artinya air yang hilang sebesar 84,20%, sedangkan polimer superabsorben dengan persen berat 5% memiliki nilai retensi sebesar 6,50% dengan kehilangan air sebesar 93,50%. Polimer superabsorben dengan variasi persen berat 5% hampir kehilangan semua air yang telah diserapnya, sehingga kemampuannya dalam meretensi air lebih rendah dibandingkan dengan PAA. Hal ini dikarenakan ikatan hidrogen yang terjadi antar rantai polimer superabsorben asam akrilat dalam struktur jaringannya lebih kuat, sehingga mampu menahan air lebih banyak dibandingkan polimer superabsorben hasil sintesis. Dengan kata lain, superabsorben PAA mempunyai kemampuan menahan air lebih baik dibanding superabsorben dengan selulosa.
IV. KESIMPULAN
Berdasarkan uraian di atas dapat disimpulkan bahwa penambahan selulosa dari alang-alang (Imperata cylindrica) pada rasio berat 5% dalam proses sintesis polimer
superabsorben mampu memperbaiki
karakteristik dari polimer superabsorben yang dihasilkan. Kemampuan menyerap air dari polimer superabsorben hasil sintesis lebih baik dibandingkan polimer superabsorben dari monomer asam akrilat. Polimer superabsorben dengan rasio berat 5% mempunyai nilai
kapasitas absorpsi air, larutan urea dan larutan NaCl secara berturut-turut sebesar 1395,00 g/g, 1156,33 g/g dan 194,67 g/g.
V. SANWACANA
Ucapan terima kasih disampaikan kepada Kementerian Riset dan Teknologi Republik Indonesia yang telah membiayai penelitian ini melalui Hibah Insentif Sinas Ristek tahun
2013. Ucapan terima kasih juga disampaikan
kepada Asmianoor Latifah, S.Si., Nurhidayati, S.Si., Nurjannah, S.Si dan Aminonatalina, S.Si yang telah membantu pelaksanaan penelitian ini.
VI. DAFTAR PUSTAKA
[1] Ma, Zuohao, Q. Li, Q. Yue, B. Gao, X. Xu, & Q. Zhong. 2010. Synthesis and characterization of a novel superabsorbent based on wheat straw. Bioresource Technology 102: 2853-2858.
[2] Andry, H., T. Yamamoto, T. Irie, S. Moritani, M. Inoue, & H. Fujiyama. 2009. Water retention, hydraulic conductivity of hydrophilic polymers in sandy soil as affected by temperature and water quality. Journal of Hydrology 373: 177–183. [3] Swantomo, D., Kartini, & M.R. Saptaaji.
2008. Pembuatan Komposit Polimer Superabsorben dengan Mesin Berkas Elektron. Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir-BATAN. Jurnal Forum Nuklir vol. 2 no. 2: 1-14.
[4] Kosemund, K., H. Schlatter, J.L.
Ochsenhirt, E. L. Krause, D.S. Marsman, & G.N. Erasala. 2008. Safety evaluation of
386
superabsorbent baby diapers. Regulatory Toxicology and Pharmacology 53: 81–89. [5] El-Rehim, H.A.A. 2005. Swelling of
radiation crosslinked acrylamide-based microgels and their potential applications. Radiation Physics and Chemistry 74: 111– 117.
[6] Deligkaris, K., T.S. Tadele, W. Olthuis, & A.V.D. Berg. 2010. Review: Hydrogel-based devices for biomedical applications. Sensors and Actuators 147: 765–774.
[7] Erizal. 2009. Synthesis and
Characterization of Crosslinked
Polyacrylamide (PAAM)-Carrageenan
Hyrogels Superabsorbent Prepared By Gamma Radiation. Indonesian Journal of Chemistry: 10 (1): 12-19.
[8] Li, A., J. Zhang & A. Wang. 2009. Synthesis, characterization and water absorbency properties of poly(acrylic
acid)/sodium humate superabsorbent
composite. Polymers For Advanced Technologies 16: 675–680.
[9] Prawirohatmodjo, S., & Siswanto. 1997. Kimia Kayu. Bagian Penerbitan Fakultas Kehutanan, Universitas Gadjah Mada. Yogyakarta.
[10] Kark, R. M., Lawrence, J. R. Pollack, V. E., Pirani, C. L., Muehreke, R. C., & Silva, H. 2010. A Primer of Urinalysius. New York. [11] Zhai, N., W.Wang, A. Wang, 2011.
Synthesis and swelling characteristics of a pH responsive guar gum-g-poly(sodium acrylate)/medicinal stone superabsorbent composite. Polymer Composite 1: 1
