PENGARUH PENAMBAHAN BENTONIT PADA SUPERABSORBEN POLIMER KOMPOSIT HIDROGEL BERBASIS SELULOSA

Tanggal 6 Mei 2010

PENGARUH PENAMBAHAN BENTONIT PADA

SUPERABSORBEN POLIMER KOMPOSIT HIDROGEL

BERBASIS SELULOSA

Nuri Astrini, Lik Anah dan Agus Haryono

Pusat Penelitian Kimia (P2K) – LIPI Jl. Cisitu Sangkuriang, Bandung 40135

e-mail: n_astrin@yahoo.com

ABSTRAK

PENGARUH PENAMBAHAN BENTONIT PADA SUPERABSORBEN POLIMER KOMPOSIT HIDROGEL BERBASIS SELULOSA. Telah dilakukan sintesa hidrogel Superabsorbent Polymer Composit

(SAPC) melalui reaksi kopolimerisai cangkok (graft coplymerization) antara Carboxymethyl Cellulose (CMC),

asam akrilat (AA), potasium persulfat (KPS) sebagai inisiator dan N,NI_{-Methylene (Bis) Acrylamide (MBA)}

sebagai crosslinker. Proses pembuatan komposit dilakukan setelah proses polimerisasi selesai dengan menambahkan serbuk bentonit. Konsentrasi bentonit divariasikan dalam rentang 0 %w/w hingga 15 %w/w . Sebagai variabel tetap adalah asam akrilat 100 %, CMC 10 %, MBA 3,75 %w/w dan KPS 2,5 %w/w pada suhu

60o_{C selama 5 jam. Pengaruh dari bentonit terhadap kemampuan penyerapan air hidrogel dipelajari, dimana}

hasil daya serap air tertinggi ditunjukkan oleh angka swelling ratio 54,38 g H₂O/g hidrogel jika jumlah bentonit

yang ditambahkan 10 %w/w. Mekanisme reaksi kopolimerisasi cangkok, dan morfologi dari komposit juga dilakukan menggunakan Fourier Transform-Infra Red (FT-IR) dan Scanning Electron Microscope (SEM).

Kata kunci : CMC, Superabsorben komposit, Hidrogel, Daya serap air, Bentonit

ABSTRACT

THE EFFECT OF BENTONITE ADDITION ON SUPERABSORBENT POLYMER COMPOSITE HYDROGEL BASED CELLULOSE . Superabsorbent Polymer Composite (SAPC) hydrogel

has been synthesized by graf copolymerization of mixture Carboxymethyl Cellulose (CMC), Acrylic Acid (AA), potassium persulfate (KPS) as initiator and N, N’-Methylene (Bis) Acrylamide (MBA ) as crosslinker. Composite was prepared by adding bentonite to the polymer hydrogel. Concentration of bentonite were varied in range of 0 -15 wt%. As fixed variable were AA 100 wt%, CMC 10 wt%, KPS 2.5 wt% and MBA

3.75 wt% at 60o_{C for 5 hours. The effect of bentonite on water absorbency was discussed and the highest}

water absorbancy of 54.38 g/g was obtain when the amount of bentonite in the feed was 10 wt%. The graft copolymerization reaction mechanism and morphology of the composite were also investigated by Fourier Transform-Infra Red (FT-IR) and Scanning Electron Microscope (SEM).

Key words : CMC, Superabsorbent composite, Hydrogel, Water absorbency, Bentonite

PENDAHULUAN

Material hidrogel Superabsorbent Polymer

Composite (SAPC) merupakan jaringan polimer

hidrophilik tiga dimensi dengan ikatan silang yang mampu membengkak (swelling) dalam air dan menahan air tersebut dalam keadaan bengkak (swollen) [1]. Berdasarkan sifatnya yang dapat menyerap air atau larutan dalam jumlah besar, hidrogel juga dapat melepaskannya secara terkendali, maka hidrogel diaplikasikan pada bidang pertanian, kesehatan, kosmetik dan personal care (pembalut wanita dan popok bayi) [2-5].

Namun demikian, kebanyakan superabsorben terbuat dari polimer sintetis, dari bahan asam akrilat dan

akrilamid yang tidak dapat terurai dengan baik, khususnya pada aplikasi pertanian dan perkebunan. Oleh karena itu banyak perhatian pada pembuatan polimer SAPC yang disiapkan melalui polimerisasi cangkok antara monomer vinil terhadap rantai polimer alam.

Selulosa adalah bahan organik alami yang tersedia melimpah di dunia dan dapat digunakan untuk preparasi berbagai jenis material baru. Turunan selulosa seperti Carboxymethyl Cellulose (CMC) dengan gugus

carboxymethyl (-CH₂-COOH) yang terikat ke beberapa gugus hydroxyl dari monomer glucopyronase yang bersenyawa dengan batang tubuh selulosa memiliki

Indonesian Journal of Materials Science ISSN : 1411-1098

aplikasi potensial sebagai polimer fungsional yang ramah

lingkungan karena bersifat biocompatible,

biodegradable, renewable resources dan tidak beracun

yang dapat larut dalam air.

Akan tetapi dengan tingginya biaya produksi dan rendahnya kekuatan gel dari superabsorben yang dihasilkan, maka aplikasinya terbatas. Untuk meningkatkan keterbatasan ini maka dapat digunakan bahan anorganik dengan harga yang murah. Penambahan bahan anorganik clay sebagai filler pada matriks polimer antara lain akan memperbaiki sifat mekanik, meningkatkan daya serap air dan mengurangi biaya produksi superabsorben [6]. Beberapa peneliti terdahulu telah melakukan pembuatan superabsorben komposit, dengan menggunakan bahan anorganik seperti attapulgite,

vermiculite dan celite [4, 7, 8].

Serbuk mineral bentonit adalah clay yang sebagian besar (75%) terdiri dari monmorillonit dan mineral-mineral minor lainnya. Bentonit merupakan lapisan oktahedral aluminium silikat yang mempunyai gugus –OH reaktif pada permukaan seperti terlihat pada Gambar 1. Jenis lempung ini menunjukkan sifat koloid yang kuat dan memiliki sifat mengembang jika bersentuhan dengan air. Pada superabsorben komposit biasanya terjadi interaksi antara serbuk mineral, bagian reaktif dari monomer dan polimer alam . [8, 9]

Peneliti melaporkan hasil sintesis superabsorben komposit melalui reaksi kopolimerisasi cangkok antara

CMC dan AA menggunakan N,N’-methylene-bisacrylamide sebagai crosslinker dan potasium

persulfat (KPS) sebagai inisiator dan bentonit dalam larutan. Pengaruh penambahan bentonit terhadap sifat superabsorben di pelajari dan hasilnya dikarakterisasi dengan menggunakan FT-IR dan SEM, serta daya serap air secara analisis swelling ratio.

METODE PERCOBAAN

Bahan

Carboxymethyl Cellulose (CMC), Acrylic acid

(AA) 99,8% dari E-Merck, potasium persulfat (KPS) dari E-Merck, N’N-Methylene (Bis) Acrylamid (MBA), NaOH dari E-Merck, aseton teknis dan bentonit diperoleh dari PT. Madu Lingga Persada (MLP).

Cara Kerja

Pembuatan Hidrogel CMC-g-PAA

Dalam reaktor gelas leher tiga volume 1 L yang dilengkapi dengan pengaduk mekanik dan kondensor, dimasukkan CMC 10 %w/w terhadap AA, kemudian dilarutkan dengan air suling (aquadest) dan di aduk hingga homogen pada suhu kamar. Larutan tetap diaduk dan dialiri gas N₂selama 30 menit dan dipanaskan dengan penangas air (water bath) pada suhu 60o_{C. Selanjutnya}

ke dalam larutan dimasukkan inisiator KPS 2,5 %w/w yang sebelumnya telah dilarutkan dengan sejumlah

aquadest sebagai inisiasi polimerisasi cangkok (graft).

Setelah pengadukan selama 30 menit kemudian dimasukkan 12 gram asam akrilik (AA) yang dinetralkan dengan 30% NaOH dan 3,75 %w/w crosslingker MBA. Jumlah volume aquadest dalam sistem diatur hingga level tertentu agar kecepatan pengadukan tetap. Setelah berjalan selama 5 jam proses sintesis, kemudian ditambahkan bentonit dan diaduk selama 15 menit untuk membuat hidrogel komposit, setelah itu ditambahkan larutan hidroquinon dan tunggu 5 menit maka reaksi selesai. Selanjutnya produk dikeluarkan dari reaktor dan dikeringkan pada suhu 40o_{C hingga kering. Selanjutnya}

dilakukan pencucian dengan aquadest dua kali dan aceton satu kali kemudian dimasukkan ke dalam oven hingga kering.

Karakterisasi

Spektrum inframerah dari sampel dilakukan menggunakan pelet KBr dengan alat FT-IR Prestige-21 Shimadzu spectrophotometer pada bilangan gelombang antara 4000 cm-1_{hingga 500 cm}-1_{. Fotomikrograf sampel}

dilakukan menggunakan alat SEM (JSM-6360LA, JEOL, Ltd) setelah sampel dilapisi dengan emas.

Pengujian Swelling Hidrogel Superabsorbent

Polymer Composite dalam Air

Rasio swelling adalah ukuran kemampuan polimer dalam menyerap air, dan ini sangat menentukan aplikasi dari produk hidrogel SAPC yang dihasilkan. Rasio Swelling dilakukan dengan metode tea-bag. Berat jaring nilon kering ditimbang terlebih dahulu (W

n).

Timbang sampel sebanyak 0,1 (W

o) gram dan dimasukkan

dalam kantong kain nilon. Kemudian hidrogel kering direndam dalam air suling hingga waktu tertentu pada suhu ruang dan dibiarkan diikat diudara selama 15 menit dan ditimbang kembali sebagai (W

t). Selanjutnya

hidrogel direndam kembali ke dalm air atau larutan dalam wadah yang sama untuk pengujian rasio swelling pada interval waktu tertentu hingga pada selang waktu 2 jam. Rasio swelling hidrogel hasil pengujian pada masing-masing waktu perendaman dihitung dengan menggunakan Persamaan (1) :

o n o t W W W W Swelling Rasio    _{... (1)}

Selain itu, dilakukan pula uji Equilibrium Swelling (ES) yaitu rasio swelling dari hidrogel pada keadaan maksimum setelah hidrogel direndam selama 24 jam.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Spektrum Fourier Transfor-Infra Red

Mekanisme reaksi graft copolymerization dan gugus fungsi yang terbentuk telah dipelajari dengan spektroskopi FT-IR pada daerah 4000 cm-1 _hingga

500 cm-1_{yang disajikan pada Gambar 2.}

Gambar 2(a) dari spektrum bentonit, pita serapan pada 1028 cm-1 _{merupakan ciri dari regangan gugus}

-Si-O-Si-, pita serapan 1629 cm-1_{vibrasi atom-atom khas}

monmorilonit, puncak 3454 cm-1_{merupakan gugus OH.}

Pada Gambar 2(b) terlihat bahwa spektrum CMC pita serapan pada 1695 cm-1_{dan 1436 cm}-1_{merupakan regang}

asimetrik dan simetrik dari gugus -COO-, ciri puncak absorbsi dari CMC muncul pada pita serapan 3327 cm-1

sebagai gugus hidroksi (OH). Spektrum CMC-g-PAA/

Bent komposit pada Gambar 2(c) muncul dua puncak

serapan baru pada bilangan gelombang 1757 cm-1_dan

1464 cm-1 _{diduga merupakan reaksi antara gugus}

karboksilat pada CMC dan asam akrilik (AA) dengan gugus hidroksil pada bentonit, sedang puncak serapan 1051 cm-1_{sebagai gugus -Si-O-Si- dari bentonit [8].}

Pengukuran Kapasitas Penyerapan Air

Proses komposit dilakukan dengan penambahan bentonit pada hidrogel CMC-g-PAA yaitu dengan

berbagai variasi jumlah rasio bentonit 5 %w/w , 10 %w/w dan 15 %w/w. Pengaruh jumlah bentonit terhadap sifat kemampuan menyerap air dari komposit hidrogel CMC-g-PAA/Bent yang dihasilkan disajikan pada Tabel 1, Gambar 3 dan Gambar 4.

Jelas terlihat bahwa banyaknya micropowder bentonit merupakan faktor penting yang mempengaruhi kesetimbangan penyerapan air komposit superabsorben

CMC-g-PAA/Bent, dimana daya serap air menurun

dengan bertambahnya jumlah bentonit. Dengan adanya partikel mineral anorganik clay dalam jaringan akan berperan sebagai penambah titik jaringan. Densitas ikatan silang superabsorben komposit akan meningkat dengan meningkatnya jumlah bentonit sehingga akan menurunkan daya serap air [10].

Terlihat dari Gambar 3 dan Gambar 4 bahwa dengan konsentrasi bentonit 10 %w/w AA memberikan

swelling tertinggi dan pada penambahan bentonit lebih

banyak akan menurunkan kemampuan swelling komposit hidrogel yang dihasilkan. Kecenderungan

6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 1 4 0 0 1 6 0 0 18 0 0 2 0 0 0 2 4 0 0 2 8 0 0 3 2 0 0 3 6 0 0 4 0 0 0 1 / c m 2 2 . 5 3 0 3 7 . 5 4 5 5 2 . 5 6 0 6 7 . 5 7 5 8 2 . 5 9 0 9 7 . 5 %T 3639.683620.393608.81 3589.533516.233454.513421.723361.933329.14 3242.34 3197.98 2077.33 1938.46 1834.30 1718.58 1685.79 1629.85 1539.20 1436.97 1365.60 1273.02 1112.93 1028.061004.91 923.90 887.26 788.89 684.73 615.29 545.85 516.92 B e n t o n i t a 1028 1629 3454 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 1 4 0 0 1 6 0 0 1 8 0 0 2 0 0 0 2 4 0 0 2 8 0 0 3 2 0 0 3 6 0 0 4 0 0 0 1 / c m 4 0 4 5 5 0 5 5 6 0 6 5 7 0 7 5 8 0 8 5 9 0 9 5 1 0 0 %T 3577.95 3327.21 3174.83 3035.96 2839.222798.71 2719.63 2565.332501.672463.10 2353.162310.72 2183.422158.35 1913.39 1728.22 1695.43 1625.99 1612.49 1436.971411.891367.53 1301.95 1244.09 1147.65 1049.28 987.55970.19 902.69 866.04 825.53 729.09 678.94 526.57 3OK b %T 1436 1695 3327 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 1 4 0 0 1 6 0 0 1 8 0 0 2 0 0 0 2 4 0 0 2 8 0 0 3 2 0 0 3 6 0 0 4 0 0 0 1 / c m 5 2 . 5 5 5 5 7 . 5 6 0 6 2 . 5 6 5 6 7 . 5 7 0 7 2 . 5 7 5 7 7 . 5 8 0 8 2 . 5 8 5 8 7 . 5 9 0 9 2 . 5 9 5 9 7 . 5 % T 3724.54 3664.753641.603614.60 3479.58 3230.77 3157.47 3047.532993.52 2690.702646.342617.40 2439.952411.02 2349.30 2314.58 2179.56 2123.63 1986.68 1944.25 1757.15 1639.49 1558.48 1508.33 1462.041421.54 1359.82 1305.81 1122.57 1080.14 1051.20 931.62893.04858.32 692.44669.30630.72599.86 516.92 1 1O K c 4000 2800 2000 1400 1000 1051 1462 1757 3474 Bilangan gelombang (cm-1₎

Gambar 2. Spektrum FT-IR dari (a) Bentonit, (b) CMC

dan (c) CMC-g-PAA/Bent komposit

Tabel 1. Pengaruh jumlah bentonit terhadap sifat penyerapan air

dari SAPC hidrogel

Sampel Bentonit (wt%) Kesetimbangan Swelling (g/g) CMC-g-PAA/Bent-0 0 49.62 CMC-g-PAA/Bent-5 5 49.83 CMC-g-PAA/Bent-10 10 54.38 CMC-g-PAA/Bent-15 15 42.63 0 10 20 30 40 50 60 0 20 40 60 80 100 120

Waktu sw elling (menit)

S w e lli n g ra tio (g /g ) 0% 5% 10% 15%

Gambar 3. Pengaruh bentonit terhadap daya serap air SAPC hidrogel 0 10 20 30 40 50 0 5 10 15 Bentonit (%) E q u ili b ri u m S w e lli n g (g /g )

Gambar 4. Kesetimbangan swelling pada SAPC hidrogel

Indonesian Journal of Materials Science ISSN : 1411-1098

menurunnya kesetimbangan penyerapan (absorbsi) air dengan meningkatnya jumlah bentonit dapat memberikan fakta bahwa penambahan bentonit menghasilkan generasi yang mempunyai lebih banyak titik-titik (points) ikatan silang dalam jaringan polimer, sehingga akan menaikkan densitas ikatan silang komposit dan mengakibatkan penurunan elastisitas ikatan seperti ditunjukkan oleh Gambar 5. Hal ini juga terjadi pada penambahan dengan kaolin, vermiculite, celite dan

attapulgite dikarenakan bahan anorganik yang

ditambahkan pada preparasi komposit hidrogel

merupakan serbuk mineral hydrated layered

aluminosilicate dengan gugus reaktif OH- _pada

permukaannya. Serbuk bahan anorganik /clay dapat disebarkan secara luas dalam air dan berikatan silang dengan Acrilyc Acid (AA) [4, 7, 8, 11].

Namun demikian sifat dan kemampuan hidrogel dalam menyerap air sangat ditentukan pula oleh beberapa faktor seperti jenis bahan hidrogel dan derajat ikatan silangnya. Mekanisme pembuatan

rantai graft yang umum adalah menggunakan

polimerisasi radikal bebas yang mempunyai tiga tahapan proses, diantaranya inisiasi, propagasi dan terminasi . Proses inisiasi adalah proses pembentukan radikal bebas dari inisiator. Sedangkan proses propagasi adalah proses pertumbuhan polimer sebagai akibat dari penggabungan monomer-monomer ke dalam rantai radikal aktif yang kemudian dilanjutkan dengan proses terminasi yang merupakan proses penghentian propagasi. Beberapa kelompok inisiator radikal bebas yang banyak digunakan dalam polimerisasi antara lain : peroksida, persulfat, inisiator redoks dan senyawa azo.

Pada penelitian ini pengunaan inisiator potasium persulfat (KPS) menghasilkan hidrogel dengan daya serap air yang lebih kecil dibandingkan jika menggunakan inisiator benzoil peroksida (BPO) dan amonium persulfat (APS) yaitu berturut-turut sebesar 54,38; 126,56 dan 310 g H

2O/g [8, 12]. Dari literatur

diketahui bahwa inisiator KPS pada umumnya

digunakan pada polimerisasi emulsi, sehingga besar kemungkinan pada polimerisasi cangkok pembentukan rantai graft tidak optimal [13]. Salah satu hal penting dari polimerisasi cangkok adalah tidak dikehendakinya

pembentukan homopolimer (B) yang tidak terikat secara kimiawi pada substrat polimer (A) sebagai tulang punggung. Homopolimer dapat terjadi jika inisiator yang digunakan menghasilkan radikal bebas dalam larutan sebelum membentuk makroradikal, sehingga akan berpengaruh pula pada reaksi ikatan silang menghasilkan jejaring polimer yang dapat menyerap air.

Analisis Scanning Electron Microscope

Karakterisasi terhadap morfologi permukaan

hidrogel dilakukan dengan menggunakan

Scanning Electron Microscope (SEM). Foto SEM dari

komposit hidrogel CMC-g-PAA dan CMC-g-PAA/Bent ditunjukkan pada Gambar 6. Dari Gambar 6(a) terlihat bahwa kopolimerisasi cangkok menghasilkan

CMC-g-PAA dengan struktur yang porous dan

jaringan melebar serta membentuk lubang-lubang. Pada Gambar 6(b) komposit CMC-g-PAA/Bent terlihat mempunyai permukaan yang kasar dan rapat, hal ini kemungkinan disebabkan oleh bentonit yang menyebar dan mengisi rongga-rongga. Dari hasil pengamatan fotomikro tidak terlihat adanya pemisahan fasa, sehingga dapat dinyatakan bahwa berdasarkan homogenitasnya maka hasil sintesis superabsorben merupakan hidrogel polimer komposit [11].

KESIMPULAN

Dari hasil penelitian yang telah dilakukan maka dapat disimpulkan bahwa proses komposit hidrogel

Gambar 6. Photo SEM dari hidrogel (a) CMC-g-PAA

dan (b) CMC-g-PAA/Bent komposit (a)

(b)

Gam bar 5. Skema struktur dari CMC-g-PAA/Bent

suprabsorben komposit

Partikel bentonite berikatan dengan AA secara kimia Partikel bentonit mengisi secara fisik

Rantai CMC Rantai AA

dengan bahan organik polimer alam Carboxymethyl

Cellulose (CMC) dan bahan anorganik bentonit melalui

proses kopolimerisasi cangkok dalam larutan encer telah memberikan produk hidrogel dengan daya serap air tertinggi 54,38 g H

2O/g hidrogel yang dicapai dengan

konsentrasi penambahan bentonit sebanyak 10 %w/w. Sesuai hasil analisis FT-IR, diketahui bahwa reaksi

grafting terjadi antara gugus karboksilat (-COO-)

pada CMC dan acrilic acid (AA) dengan gugus hidroksil (-OH) pada permukaan bentonit. Swelling

ratio menurun hingga 22 % pada penambahan bentonit

diatas 10 %w/w.

UCAPAN TERIMAKASIH

Terima kasih disampaikan kepada Proyek Tematik DIPA PPKimia-LIPI yang telah mendanai penelitian ini. Juga terimakasih kepada saudara Hartini Sari Purwani, Yati Ruchyati, Hidayat dan Samsudin yang telah turut berpartisipasi dalam pelaksanaan percobaan di Laboratorium Proses Kimia.

DAFTAR ACUAN

[1]. P. K. SAHOO and P. K. RANA, J. Master Sci., 41 (2006) 6470-6475

[2]. A. LL SUO, J. M. QIAN, Y. YAO and W. ZANG,

J. Appl. Polym. Sci.,103 (3) (2007) 1382-1388

[3]. A. LI, J. ZHANG and A. WANG, Bioresource

Technology, 98 (2007) 327-332

[4]. J.P. ZHANG, A. LI and A. WANG, Carbohidrat

Polymers, 65 (2006) 150-158

[5]. G. PENG, S. M. XU and J. WANG, Bioresource

Tech., 99 (208) 444-447

[6]. KIATKAMJORNWONG S., Science Asia, 33 (1)

(2007) 39-43

[7]. Y. XIE and A. Q. WANG, J. Polym. Res ., 16 (2009) 143-150

[8]. A. POURJAVADI , M. S. AMINI-FAZL and

M. AYYARI , Express Polymer Letter,1(8)(2007) 488-494.

[9]. ARRYANTO, YATEMAN, SEMNAS Kimia dan

Pendidikan Kimia FMIPA Unnes, (2006)

[10]. J. W. CHEN and Y.M. ZHOA, J. App. Polym. Sci.,

74 (1999) 119-124

[11]. K. KABIRI and M. ZOHURIAAN-MEHR,

Polymer for Advanced Technologies, 14 (2003)

438-444.

[12]. L. ANAH, N. ASTINI dan A.N. SUHARTO, Berita

Selulosa, 45 (1) (2010) 1-8

[13]. Material Safety Data Sheet, Potassium Persufate, MSDS Ref.No.: 7727-21-1 , Date Approved : 06/26/ 2009 , Revision No.: 11 , Trademark of FMC Corporation