KOPOLIMERISASI CANGKOK 4-VINIL PIRIDIN PADA SERAT POLI- PROPILEN DENGAN METODE PEROKSIDASI SECARA IRADIASI UNTUK PENUKAR ION

Aplikasi Isotop danRadiasi, 1996

KOPOLIMERISASI

CANGKOK 4-VINIL PIRIDIN PADA SERAT

POLI-PROPILEN DENGAN METODE PEROKSIDASI SECARA IRADIASI

UNTUK PENUKAR ION

Ita Yulita*, Endang Asijati W*., Mirzan T. Razzak**, daD Darsono**

*FMIPA, Universitas Indonesia **Pusat Aplikasi Isotop daD Radiasi, BATAN

ABSTRAK

KOPOLIMERISASI CANGKOK 4-VINIL PIRIDIN PADA SERAT POLIPROPILEN DENGAN METODE

PEROKSIDASI SECARA lRADIASI UNTUK PENUKAR ION. Dipelajari kopolimerisasi cangkok monomer 4-vinil piri-din (4-VP) pads serat polipropilen (PP) dengan menggunakan metode peroksidasi secara iradiasi. Percobaan dilakukan dengan terlebih dahulu menentukan jenis pelarut yang akan digunakan pads proses pencangkokan. Pengaruh dosis total iradiasi, konsentrasi monomer, temperatur, daD waktu pemanasan dipelajari terhadap derajat pencangkokon. Selanjutnya, dilakukan karakterisasi serat PP-g-4VP dengan Spektroskopi Inframerah clan kapasitas penukar ion Cu2+ pads pH 4. Hasil percobaan m-enunjukkan, metanol dapat digunakan untuk pencangkokan 4-VP. Derajat pencangkokan terbesar (31,04%) diperoleh pads dosis iradiasi 20 kGy, konsentrasi monomer 4-VP 20% volume, clan pemanasan 120 menit pads temperatur 80.C. Spektrum IR 'clariserat PP-g-4VP menunjukkan adanya puncak pada daerah 1550-1600 em'. dan 350 em-! yang merupakan bukti adanya gugus fenil dan N-H dari piridin. Kapasitas penukar ion Cu2+terbesar yang diperoleh adalah 1,8 mek/g serat.

ABSTRACT

RADIATION GRAFTING OF 4-VINYL PIRIDINE ONTO POLYPROPILENE BY PEROXIDATION FOR ION EXCHANGE. Graf copolymerization of 4-vinil piridine (4-VP) onto polypropilene (PP) by radiation have been studied. The selection of solvent for solubility of 4- VP was tested. The effect of irradiation dose, concentration of monomer, time and heating temperature were studied. The capability ofPP-g-4VP fiber to exchange Cu2+ in solution was investigated by measur-ing the absorption capacity at pH 4. The concentration of CU2+which has been absorb by fiber was measured using AAS. The result swowed that methanol is a suitable solvent for the grafted 4-VP. The maximum degree of grafting was obtained at dose of20 kGy, concentration of monomer 20% volume, and at heating temperature of 80. C for 180 minutes. The inua red spectrum ofPP-g-4VP swowing peak area at 1550-1660 cm- and 3500-3220 em' which indicator the vinyl group and N-H from piridine. The maximum of capacity of Cu2+ ion 1.85 mek/g fiber.

PENDAHULUAN

Pengembangan teknik radiasi polimer akhir-akhir ini yang memungkinkan pencangkokan (grafting) mono-mer pada kerangka polimono-mer, membuka kemungkinan baru untuk membuat suatu penukar ion. Untuk dapat meman-faatkan serat PP sebagai penukar ion perlu dilakukan modifikasi, sehingga bersifat hidrofilik daD memiliki gugus fungsi tertentu yang dapat berperan sebagai penukar ion.

Penelitian yang dilakukan ini bertujuan membuat suatu penukar kation yang dapat mengadopsi ion logam dari larutao dengan menggunakiffi kerangka polipropilen (PP) yang dicangkok dengan monomer 4-vinil piridin (pP-g-4VP). Metode pencangkokan yang digunakan adalah peroksidasi dengan memanfaatkan sumber radiasi sinar gamma 6OCO,fasilitas PAIR-BAT AN, dengan laju dosis tetap 5,45 kay/jam. Pad a percobaan ini dipelajari pengaruh pelarut, konsentrasi monomer, dosis total radiasi, temperatur, dan lamanya pencangkokan.

Kopolimer yang diperoleh (pP-g-4VP) dinyatak<q\ dalaril derajat pencangkokan (%), karakterisasi dilakukan dengan Spektroskopi Infamerah daDkapasitas penukar ion Cu2+pada pH 4.

BAHAN DAN METODE

Alat. Unit grafting, Ampul reaksi, Sumber radi-asi sinar gamma daTi 6OCO,Spektrofotometer Absorpsi Atom, AA-782 Nippon Jarrel Ash, Ogawa Seiki, Co Ltd., Spektroskopi Inframerah, FfIR, 8201 PC, Shimatzu, IR Spektrofotometer.

Bahan. Polipropilen berbentuk serat yang ber-asal dari PT. Sunglindo Jaya Makmur. Bahan kimia yang digunakan dalam pemelitian ini adalah pro analisis buatao MERCK, yaitu 4-vinil piridin, metanol, n-heksa-na, Pirogalol, NaOH butiran, CUSO4 5 Hp, Na2CO3, CH3COOH,C~COONa.

Prosedur. Setengah gram seTal PP yang telah dibersihkan dengan n-heksana diiradiasi dalam udara

Aplikasi Isotop dan Radiasi, 1996

dengan dosis total iradiasi tertentu. SetelOOiradiasi, PP di-masukkan ke dalam ampul tertutup yang berisi monomer dalam atmosfer nitrogen, daD proses pencangkokan dalam metanol dilakukan dengan waktu daD temperatur pema-nasan tertentu. Serat PP-g-4VP yang diperoleh dibersihkan dengan metanol. Dilakukan variasi dosis iradiasi (10, 20, dan 30 kGy) dan kondisi pencangkokan, yaitu: konsentra-si monomer (5, 10, 15, 20, daD 25% volume), waktu pemanasan (60, 120, daD 180 menit), daD temperatur pemanasan (60, 70, dan 80°C).

Pengujian Serat PP-g-4VP.

1. Serapan inframerah. Diambil 4 mg serat PP daD pp. g-4 VP yang telah dihaluskan daD dilakukan peng-ukuran serapan Inframerabnya dengan menggunakan FfIR.

2. Uji penukaran ion. Ditimbang lebih kurang 0,200 gram serat PP-g-4VP, kemudian dimasukkan ke dalam la-rutan N~CO) 0,2 M dan disetimbangkan pada suhu kamat selam 1jam. Serat yang telOOdicuci hingga ne-tra1dimasukkan ke dalam 100 mI larutan ClP+ 500 ppm yang telah diatur pH-nya dengan bureT CH)COOH/ C~COONa dan disetimbangkan selama 1 jam. Kon-sentrasi larutan logam ditentukan dengan AAS.

BASIL DAN PEMBAHASAN

Pengamh Pelamt. Pelarut yang digunakan pada kopolimerisasi cangkok ini hams dapat melarutkan mono-mer dan membantu difusi monomono-mer ke dalam polimono-mer. Penelitian sebelumnya membuktikan monomer 4- VP dapat larut dalam piridin, benzena, daD sikloheksan, teta-pi konsentrasi yang digunakan di atas 50%. Selain itu, 4-VP dapat larut dalam air dengan konsentrasi 4-VP 80% volume (1). Pelarut-pelarut tersebut memerlukan konsen-trasi 4-VP yang tinggi, dan tidak diinginkan karena ber-siCat karsinogen. Diketahui pula, 4-VP juga dapat tarot dalam campuran metanol-air (2), karena itu dilakukan uji kelarutan pada beberapa komposisi metanol-air. Uji pelamt dapat dilihat pada Tabel 1.

Hasil uji kelarutan pada Tabel I menunjukkan bOOwa pemakaian metanol daD campuran metanol-air dengan perbandingan 2 : 1 dapat melarutkan 4-VP. Per-cobaan pencangkokan 4-VP pacta serat PP selanjutnya dilakukan dengan menggunakan metanol daD campuran metanol-air dengan perbandingan 2 : 1 sebagai pelamt. Hasil pencangkokan yang diperoleh dapat dilihat pacta Tabel 2.

Derajat pencangkokan yang diperoleh pactaperna-kaian kedua jenis pelarut di atas temyata menunjukkan basil yang lebih tinggi diperoleh jika menggunakan me-tanol sebagai pelarut. Keadaan ini membuktikan bOOwa difusi 4-VP ke dalam serat PP dalam metanol lebih besar dibandingkan dalam campuran metanol-air. Berdasarkan basil yang diperoleh ini, maka pelarut yang digunakan pada percobaan pencangkokan4-VP pactaserat PP selanjutnya

adaIOOmetanol.

Pengamb Dosis Total Iradiasi. Derajat pen-cangkokan dipengaruhi oleh konsentrasi radikal bebas daD kemampuan monomer berdifusi ke dalam serat.

Banyak-nya konsentrasi radikal bebas bergantung pacta dosis radi-asi yang diterima. Pengaruh dosis total radiradi-asi pada ber-bagai konsentrasi monomer terhadap derajat pencangkokan tertera pada Gambar 1. Kurva tersebut menunjukkan bOO-wa derajat pencangkokan meningkat dengan naiknya dosis total yang diberikan. Semakin besar dosis total radi-asi yang diberikan, semakin banyak sisi-sisi aktif terben-tuk pada serat PP, sehingga semakin besar kemungkinkan terjadinya reaksi pencangkokan. Pacta konsentrasi mono-mer rendah, terlihat kenaikan derajat pencangkokan yang teratur walaupun tidak tinier. Pola yang berbeda diamati pacta konsentrasi 4-VP yang tinggi. Kenaikan dosis radi-asi lebih lanjut menghradi-asilkan penumnan dalam derajat pencangkokan yang diperoleh. Hal ini diduga terjadi karena pada dosis radiasi yang tinggi, serat PP mengalarni degre-dasi (degredegre-dasi PP terjadi sebelum monomer ditambahkan), sehingga konsentrasi radikal yang tersedia untuk bereaksi dengan monomer semakin sedikit. lradiasi pada dosis to-tal yang tinggi juga mengakibatkan pembentukan radikal OH yang tinggi pada dekomposisi termal, yang menghasil-kan homopolimer yang tinggi pula. Dosis total radiasi optimum yang diperoleh pacta pencangkokan 4-VP pada serat PP adalOO20 kGy.

Pengamh Konsentrasi Monomer. Konsentrasi monomer berpengaruh terhadap difusi monomer ke dalam serat PP yang amorf. Umumnya semakin tinggi konsentrasi monomer, semakin tinggi kecepatan difusi monomer me-nuju sisi-sisi aktif serat PP, sehingga diharapkan derajat pencangkokan yang diperoleh semakin besar. Gambar 2 menunjukkan pengaruh konsentrasi monomer 4-VP ter-hadap derajat pencangkokan, yang dilakukan pacta bebe-Tapa dosis total yang diberikan. Pada Gambar 2 terlihat derajat pencangkokan naik dengan naiknya konsentrasi monomer yang diberikan. Untuk dosis rendah, pengaruh konsentrasi hampir tidak ada, sedangkan pada dosis radi-asi yang lebih tinggi (20 daD 30 kGy) terlihat derajat pen-cangkokan meningkat dengan naiknya konsentrasi mono-mer sampai 20%. Untuk dosis tinggi, kenaikan konsentrasi monomer selanjutnya akan menurunkan derajat pencang-kokan (penurunan terjadi pada konsentrasi yang lebih pe-kat). Hal ini karena semakin pekat konsentrasi monomer, akan semakin banyak monomer yang berekasi dengan radikal OH yang tersedia, yang mengakibatkan pening-katan pembentukan homopolimer.

Dari basil yang diperoleh, pada konsentrasi 4-VP 25%, tidak terlihat perbedaan yang berarti untuk dosis total radiasi 20 daD 30 kGy yang diberikan. Keadaan ini dapat terjadi karena pada dosis tinggi radikal PP sebagian sudah terdegredasi. Berdasarkan basil tersebut untuk percobaan selanjutnya digunakan dosis total radiasi 20 kGy dengan konsentrasi monomer 4-VP 20% volume.

Pengaruh Temperatur daD Waktu Pencang-kokan. Temperatur yang tinggi dan waktu pemanasan yang lebih lama diperlukan karena kestabilan monomer 4-VP yang relatif besar daripada monomer lainnya, karena ada-nya efek resonansi. Pengaruh temperatur daDlamaada-nya pen-cangkokan 4-VP pacta serat PP dapat dilihat pacta Gambar 3. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa waktu pema-nasan mempengamhi derajat pencangkokan, semakin lama waktu pemanasan, semakin besar derajat pencangkokan.

Aplikasi Isotop don Radiasi. 1996 Pencangkokan 4-VP pada serat PP tersebut

memperlihat-kan bahwa derajat pencangkomemperlihat-kan yang diperoleh pada wale-to pemanasan 120 dan 180 meDii tidak jauh berbeda. Hal ini disebabkan pada waktu pemanasan 180 meDii metanol sebagai pelarut sudah banyak yang menguap, sehingga kon-sentrasi 4-VP yang ada dalam larutan sudah berobah men-jadi lebih pekat. Gambar 3 juga memperlihatkan derajat pencangkokan akan semakin naik dengan naiknya tempe-calor. Hal ini menunjukkan pencangkokan 4-VP haros dilakukan pada temperatur yang tinggi disebabkan kesta-bilan dari 4-VP. Energi yang tinggi, yang diperoleh dari temperatur pemanasan yang tinggi, Semakin tinggi tem-peratur reaksi pencangkokan semakin cepat.

Karakterisasi Serat PP-g-4V.

1. Spektra IR. Untuk mengetahui terjadinya pencang-kokan pada serat PP. dilakukan pengujian spektra IR terhadap serat PP (Gambar 4) dan PP-g-4VP (Gambar 5). Pada Gambar 5 terlihat munculnya serat baru pada dae~ah 3200-3500 cm-)dan pada daerah 1550-1600 cm') pada serat PP-g-4VP yang menunjukkan adanya guguS N-H dan fenil dari piridin. Hal ini membukti-kan bahwa 4-VP telah berhasil dicangkokmembukti-kan pada serat PP.

2. Uji penukar ion. Serat PP-g-4VP diuji daya penukar kationnya terhadap ion Cu2+dalam larutan dengan pH 4 setelah disetimbangkan dengan larutan Cu2+500ppm selama 1 jam. Hasil penukaran ion (dalam kapasitas mek/g serat) yang diperoleh pada berbagai derajat pen-cangkokan dapat dilihat pada Tabel 3. Tabel 3 menun-jukkan hubungan antara derajat pencangkokan dengan kapasitas penukaran ion. Kenaikan derajat pencang-kokan mengakibatkan peningkatan kapasitas penu-karan ion Cu2+diduga membentuk ketal dengan gugus 4-VP yang berdekatan sebagai berikut:

CH3 CH3 I I -CH -C CCH -2 I I 2 0 0 I I H-C-H H-C-H H-C

(J

N--Cu --N

Q

C-H

Dari karakterisasi tersebut memungkinkan bahwa serat PP-g-4VP dapat diaplikasikan untuk penukar ion.

KESIMPULAN

Pada pencangkokan 4-VP pada serat polipropilen pelarut yang dapat digunakan adalah metanol. Diperoleh kondisi optimum percobaan, yaitu: dosis total iradiasi 20 kGy, konsentrasi monomer 20%. waktu pemanasan 120 meDii dengan temperatur pemanasan 80°c.

TeIjadi pencangkokan dibuktikan dengan

muncul-nya puncakbaru pada daerah 1550-1660 cm') dan 3200-3500 cm-) yang menunjukkan adanya gugus fenil dan N-H dari piridin. Uji absorpsi yang dilakukan pada serat PP-g-4VP dengan larutan Cu2+pada pH 4 menghasilkan ka-pasitas penukaran ion terbesar 1,85 mek/gram pada dera-jat pencangkokan 29,30%.

DAFTAR PUSTAKA

1. SAYET, H.E., and DESSOUKI, AM., Preparation and selected properties of ion containing reverse osmosis membrans, Radiation Phys. Chern. 283 (1986) 273.

2. MISRA, B.N., gOOD, D.S.. and METHA, I.K., Graft-ing onto polypropilene. I. Effect of solvents in gam-ma radiation indusced graff copolimerization of Poly(acrylonitril), 1. Polym. Sci: Polymer Chern. 23 (1985) 1749.

3. ARY ANTI, S.K., Tesis pasca saIjana yang tidak dipub-likasikan, Universitas Indonesia (1995).

4. SUNDARDI F.. 1. Polym. ScL 22 (1978) 3163.

5. KHAIROU, S.K., Thermal stability of poly(4-vinyl py-ridine) and polymer complexes of 4-vynil pyridine with some transition, metal chorides. Polym, Degra-datin and Stability 46 (1994) 315.

6. KAUR I., AND BARSOLA R, Grafting onto polypro-pilene. V. Graft copolymerization of 4 vynil pyridine with acrylonitrile by preirradiation method. 1. App. Polym. Sci. 41 (1990) 2060.

7. KAUR, I., BARSOLA, R, and MISRA, B.N., Graff copolymmerization of methyl acrylonitrile and 4-vy-nil pyridine, 1. Appl. Polym. ScL 51 (1994) 329.

8. ARY ANTI. S.K., Tesis Pasca SaIjana yang tidak dipub-likasikan. Universitas Indonesia (1995).

9. KHAIROU, S.K., "Thermal stability of poly (4-vinyl pyridine) and polymer complexes of 4-vinyl piridine which some metal", Chorides. Polym. Degredation and Stability, vol. 46, Elevier Sci. Ltd., Nortem Ire-land (1994) 315.

Tabel I. Uji kuantitatif kelarotan 4-VP

-- - - --- ~- - - ~- ~-- ,-

~_._---Pelarot Kelarotan 4-vinil piridin

--- ---Air Metanol-air(l: I) Metanol-air( 1-2) Metanol-air (2: 1) Metanol tidak larot tidak tarot tidak tarot tarot tarot

Aplikasi [salop don Radiasi, J 996

Tabel 2. Pengaruh Pelarut pacta derajat pencangkokan. Kadar 4-VP 20%, dosis 20 kGy, suhu 80°C daD waktu reaksi 120 meDiI

Pelarut ---Derajat pencangkokan (%) Metanol Metanol air (2: 1) 30,16 19,88

Tabel3. Hubungan antara derajat pencangkokan kapasi-tas serat PP-g-4VP ---Derajatpencangkokan (%) Kapasitas, (mek/gram serat) ---7,41 10,24 16,74 28,05 29,30 0,5 0,55 1.01 1.33 1.85 -

--?

_'-' 25 § 20.-~ 0

~

15 §

g

10 Q) c.. ~ 5

'ff'

0

0 -+-5 % <1VP -CJ- 10% 4VP -li-15% 4VP -)Eo- 20% <1VP -w- 25% 4VP 35 30... -5 10 1(9)' 20 kgy 30lkgy

Dosis total radiasi (kGy)

Gambar I. GrafIk hubungan derajat pencangkokan dengan dosis total radiasi

?

_{'-' 25} § ~ ] 20 bI) s::: <:!! 15 ~ c..

-

10 -~

~

-.-10 KGy -(J- 20I<Gy -,~30 '<Gy 35 30

!

1

!,

s+

b

0

...~

---

...---5 10 Hi 20 Konsentrasi 4-VP (%-vv) 25

Gambar 2. Grafik hubungan denijat pencangkokan dengan konsentrasi 4-VP s::: <:!! ~ ] 30 bI) s::: <:!!

g

20 Q) c.. t;j '(if_.... 10.-Q) 0 .50 q:; clOaC ABO°c 40 0

L

~.l

".~.-"I

_.-

T //,,0

"../-~

«::,=1-

--.~----!.'~-

I

120 180

Waktu pemanasan (menit)

Gambar 3. Hubungan derajat pencangkokan dengan wak-tu pemanasan

Aplikasi/sotop dun Radia.n. /996 ABS 1.25 1.0-0.75 0.5 0.25 3390.8

I

,t1'8

"\y

4000.0 - PP .4 VP (20%) ~lIdIa.120 kGY 1460.0 1373.2 2723.3 2360.7 0.0 4000.0 - 1>1>""" ~adiasl

!

1601.~

1l

Jr'J

~'-r

'---'

2000.0 ..,

.-Gambar 4. Spektrum inframerah untuk serat polipropilen asli

962_5 1480.0 1373.2 2358.8 2723.3 159 " 0

j

827_4 1 1161.1

W

095' fi 56G 15 ~ II 752.21 .r)

~J.jl/d\

40.0 ABS 30.0 -20.0 10.0 0.0 h.-2000.0 1000.0 lIe

ApliTalsilsotop don Radiasi, 1996

~ULM.

Percobaan Anda memperoleh basil yang optimum pada dosis 20 kGy dan temperatur 80°c. Apakah kondisi tersebut dalam pengertian untuk dosis 20 kGy pada tem-peratur 80°C?

ITA YULITA

Hasil optimum yang diperoleh adalah pada dosis 20 kGy, dengan konsentrasi monomer 20%, daD tempera-tur pemanasan 80°C, serta waktu pemanasan 120 menit. Variasi dosis total dan konsentrasi monomer dilakukan pada temperatur dan waktu pemanasan tetap, yaitu 80°C dan 120 menit.

YANTIS AB ARIN AH

Mengapa pelarut metanoVair (2: I) lebih efisien daripada air saja sebagai pelarut untuk grafting VP pada polipropilen?

ITA YULITA

Karena 4VP termasuk agak polar sedangkan air adalah pelarut yang polar. sehingga ketika dilakukan uji

DISKUSI

kelarutan 4VP 'Iebih suka' pada metanol air (2:1) yang agak polar dibandingkan pada air.

MER! SUHARTINI

I. Pada uji penukar ion, ion apa saja selain Cu yang dapat diserap oleh penukar ion tersebut dan konsentrasi male-simum yang dapat diserap?

2. Apakah penukar ion tersebut dapat digunakan kembali setelah jernih?

IT A YULIT A

I. Selain Cu yang dapat diserap oleh PP-g-4PV adalah Co, Ni. Hal ini karena 4-PV lebih selektif dibandingkan monomer hidrofilik lain, seperti asam akrilat. Pada pene-litian saya diperoleh kapasitas terbesar 1,85 Mek/gram serat ini bukan merupakan kapasitas maksimum penu-karan secara umum, tetapi kapasitas terbesar yang diper-oleh pada penelitian ini.

2. Dapat. yaitu dengan merendam penukar ion dalam larutan netral, sehingga ion Cu2+dilepaskkan kembali dalam larutan.