bab 2 ta fix
DESCRIPTION
bab 2 penelitianTRANSCRIPT
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Hidrogel Superabsorben
Hidrogel adalah makromolekul polimer hidrofilik yang berbentuk jaringan
berikatan silang, mempunyai kemampuan mengembang dalam air (swelling), dan
memiliki difusi air yang tinggi (Erizal dkk., 2009). Sifat hidrofilik dari hidrogel
dipengaruhi oleh adanya gugus hidroksil, gugus karboksil, gugus amida,
sedangkan sifat ketidak-larutan dalam air dipengaruhi oleh struktur tiga dimensi
dari hidrogel (Tamat dkk, 2008).
Sifat biologis hidrogel berdasarkan asalnya dapat dibedakan menjadi
hidrogel alami dan hidrogel sintetik. Komponen utama hidrogel sintetik adalah
monomer/polimer sintetik. Apabila ditinjau dari sifat biologisnya, hidrogel yang
diperoleh dari hasil sintetis maupun yang dari alam dapat bersifat biodegradable
(dapat diurai oleh alam), non-biodegradable (tidak dapat diurai oleh alam) dan
bio-erodible (dapat terkikis oleh alam). Hidrogel biodegradable umumnya berasal
dari senyawa alami, misalnya asam amino dan turunannya yang mudah dicerna
oleh enzim sedangkan hidrogel non-biodegradable biasanya terbentuk dari
senyawa sintetik. Hidrogel bio-erodible adalah salah satu jenis hidrogel yang turut
terkikis dalam proses pemakaiannya (Tamat dkk, 2008).
Hidrogel yang merupakan polimer yang memiliki karakteristik hidrofilik
(menyukai air) ini disebabkan oleh kehadiran dari gugus fungsi yang bersifat
water-solubizing, seperti gugus –CONH yang dimiliki akrilamida. Ketika hidrogel
dimasukkan ke dalam air akan terjadi interaksi antara polimer dengan molekul air.
Penggembungan pada polimer terjadi dari keseimbangan antara gaya dispersif
yang terjadi pada rantai hidrasi dan gaya kohesif yang menyebabkan SAP lebih
rapat sehingga mengurangi penetrasi air ke dalam jaringan. Gaya kohesif ini
disebabkan oleh ikatan kovalen crosslinking (Elliott dalam Abidin dkk, 2012).
Bentuk hidrogel menyerupai air karena polimer tersebut hampir seluruh
bagiannya mengandung air, karena sifat yang unik tersebut, hidrogel ini
6
mempunyai potensi aplikasi yang luas sebagai bahan penyerap urin pada popok
bayi (Barleany dkk, 2013), Plester penurun demam (Darwis dan Hardiningsih,
2010), Pembalut Luka bakar (Erizal, 2008), Matriks Controlled Release Fertilizer
(Basuki dkk, 2013), Adsorpsi Ion Logam Cu2+ dan Fe 3+ (Erizal dkk, 2011) dan
dan sebagai media tanam untuk tanaman cabai kering (Startly, 2012).
2.2 Akrilamida
Akrilamida adalah salah satu jenis monomer hidrofilik yang merupakan
bahan baku paling popular untuk pembuatan polimer superabsorben
poliakrilamida (PAAM). Polimer PAAM juga mempunyai beberapa kelemahan
seperti kemampuannya dalam menyerap air (swelling) terbatas dan merupakan
homopolimer dengan sifat fisik yang relatif rendah, sehingga pengembangan
aplikasinya juga terbatas. Selain itu, polimer sintetis seperti PAAM tidak ramah
lingkungan. Penambahan zat lain sangat diperlukan untuk menaikkan sifat
swelling dan sifat fisiknya (Irwan dkk, 2013).
Apabila ditinjau dari struktur kimianya, akrilamida (AAM) yang
merupakan monomer dengan berat molekul yang relatif kecil serta adanya gugus
ikatan rangkap yang peka terhadap iradiasi membentuk ikatan silang, maka AAM
memiliki kepekaan terhadap iradiasi. AAM pertama kali akan berubah menjadi
PAAM dengan melalui tahapan-tahapan inisiasi, propagasi dan terminasi. Pada
tahapan inisiasi AAM akan membentuk radikal bebas, kemudian bereaksi satu
dengan lainya membentuk dimer. Selanjutnya, dimer ini mengalami reaksi lebih
lanjut membentuk polimer (tahap propagasi), dan akhirnya pada tahap terminasi
polimer membentuk ikatan silang satu dengan lainnya dengan struktur jaringan
yang tertentu (Erizal dkk, 2007).
Penelitian yang telah dilakukan Deni Swantomo,dkk (2008) tentang
pembuatan komposit polimer superabsorben menggunakan monomer akrilamida
dan zeolit alam dengan variasi dosis iradiasi 15; 25; 28; 35; 48 kGy dan
perbandingan akrilamida terhadap zeolit 0,5 : 1; 1 : 1; 2:1. Hasil yang didapat
yaitu dengan besarnya perbandingan akrilamida-zeolit dan bertambahnya dosis
7
iradiasi akan meningkatkan konversi komposit yang dihasilkan dan kapasitas
absorpsi polimer superabsorben. Penambahan dosis iradiasi akan menurunkan
kapasitas absorpsi jika ikatan polimer telah sempurna.
Penelitian erizal dan sunarni (2009) tentang sintesis hidrogel
superabsorben telah dilakukan dengan teknik iradiasi sinar gamma pada suhu
kamar dari akrilamida (AAM) dan asam akrilat (AA). Larutan AAM–AA dengan
konsentrasi AA yang bervariasi 0,25% hingga 1% dipapari iradiasi sinar gamma
pada dosis 20 kGy hingga 40 kGy. Hasil evaluasi menunjukkan bahwa fraksi gel
~100 % serta rasio swelling maksimum ~350 g/g diperoleh dari hasil iradiasi
sinar gamma pada dosis 20 kGy dan konsentrasi AA 0,75 %.
Salim dan suwardi (2009) juga telah mensintesis kalium akrilat dengan
penambahan variasi larutan akrilamida-MBA (metilen bis-akrilamida) dan juga
larutan kalium persulfat-SMBS (sodium metabisulfit). Hidrogel yang didapat
berwarna putih dan dengan variasi 0.02 gram MBA serta 0.014 gram SMBS
didapat rasio swelling 184.76 gram air/gr hidrogel. Dari ketiga penelitian tersebut,
penggunaan akrilamida dapat dijadikan sebagai bahan dasar pembuatan hidrogel
superabsorben.
2.3 Kalium AkrilatPolimer yang digunakan untuk pembuatan hidrogel superabsorben harus
memenuhi persyaratan yaitu bersifat hidrofilik, tidak larut dalam air, mempunyai
gugus fungsi yang bersifat ionik, salah satunya adalah poli(asam akrilat)
(swantomo,dkk 2008). Beberapa penelitian menunjukkan asam akrilat mampu
meningkatkan daya serap, contohnya adalah hidrogel poli (Akrilamida – ko –
asam akrilat) yang telah dilakukan oleh Erizal dan Sunarni (2009), pembuatan
superabsorben poli (akrilamida-ko-asam akrilat)-kitosan dengan radiasi sinar
gamma yang menghasilkan daya serap terhadap air yang tinggi yaitu 100 g/g
(Erizal dkk, 2011). Hal ini menunjukkan asam akrilat merupakan bahan polimer
yang mempunyai daya serap yang tinggi.
Asam akrilat (AA) adalah salah satu jenis monomer hidrofilik yang dalam
bentuk ioniknya (-C-OO) mempunyai afinitas yang besar terhadap air, dan paling
populer dipakai sebagai bahan dasar superabsorbent. Sintesis AA menjadi poli
8
asam akrilat (PAA) sukar dilakukan baik secara reaksi kimia maupun iradiasi. Hal
ini disebabkan gugus karboksilat (-COOH) dari AA akan mengalami reaksi
oksidasi (Erizal,dkk 2007), untuk mencegah terjadinya reaksi oksidasi dari asam
akrilat pada pembuatan PAA digunakan asam akrilat dalam bentuk garam kalium
akrilat yang telah dilakukan oleh Barleany (2013).
2.4 Pati
Singkong atau ubi kayu (Manihot esculenta crantz) merupakan salah satu
sumber karbohidrat lokal indonesia yang menduduki urutan ketiga terbesar setelah
padi dan jagung, tanaman ini merupakan bahan baku yang paling potensial untuk
diolah menjadi tepung (balitbang). Tepung tapioka adalah pati dari umbi singkong
yang dikeringkan dan dihaluskan. Pati singkong merupakan sumber karbohidrat
yang relatif cukup tinggi sekitar (80.8-81.3)% sehingga dapat dipakai untuk
kebutuhan bahan pangan ataupun non-pangan.
Penelitian lain tentang pembuatan polimer superabsorben berbasis
akrilamida (AAM)-pati bonggol pisang (Musa paradisiaca) juga telah dilakukan
oleh Irwan,dkk (2013). Pembuatan polimer superabsorben dilakukan dengan
memberikan variasi berat pati terhadap berat akrilamida (AAM). Berat pati yang
diberikan adalah 0, 3, 5, 10, 15, 20, dan 25% (b/b). Hasil penelitian menunjukkan
polimer superabsorben yang dihasilkan dengan penambahan pati memiliki
karaktersitik yang lebih baik dibandingkan hanya poliakrilamida sintetik. Polimer
superabsorben dengan rasio 10% berat pati terhadap berat akrilamida mempunyai
rasio swelling pada air, larutan urea 5% dan NaCl 0,15 M berturut-turut yakni 33
g/g air, 26,86 g/g dan 23,8 g/g.
Barleany, dkk (2013) juga telah mensintesis hidrogel superabsorben
poli(kalium akrilat)-pati dengan iradiasi sinar gamma yang digunakan untuk
penyerapan kandungan urin. Penelitian dilakukan dengan mencampurkan 45 ml
larutan asam akrilat 50% (v/v) dan 6,1 gram kalium hidroksida serta penambahan
variasi pati singkong dan jagung dengan massa 1, 2, 3 gram, lalu diradiasi dengan
sinar gamma pada dosis 10, 20 dan 30 kgy. Hidrogel yang dihasilkan dengan
9
menggunakan pati singkong memiliki nilai rasio swelling lebih besar
dibandingkan dengan penggunaan pati jagung. Nilai rasio swelling hidrogel
dengan pati singkong sebanyak 1 gram dan dosis radiasi 10 kgy yaitu 489 g/g
untuk air, 426 g/g untuk urea, 50,7 g/g untuk NaCl, 44 g/g untuk KCl dan 15,7 g/g
untuk CaCl2. Kedua penelitian tersebut dapat disimpulkan bahwa penambahan
pati pada pembuatan hidrogel dapat meningkatkan rasio swelling pada hidrogel.
2.5 Metode Grafting
Metode pembuatan polimer superabsorben yaitu dengan metode grafting,
yang merupakan penggabungan monomer yang bertindak sebagai side chain
dengan polimer yang bertindak sebagi back bone. Metode yang digunakan ada 2,
yaitu secara langsung lewat reaksi kimia dan dengan menggunakan radikal bebas.
Metode grafting dengan menggunakan radikal bebas juga terbagi dua,
berdasarkan sumber iradiasinya, yaitu sumber iradiasi gamma dan elektron.
Metode ini mempunyai beberapa kelebihan jika dibandingkan dengan metode
kimia, yaitu proses grafting dapat dilakukan pada monomer fase padat, cair, atau
gas, tidak membutuhkan penambahan bahan kimia seperti inisiator, crosslinker,
maupun aktivator sehingga produk yang diperoleh lebih murni. Selain itu, proses
grafting ini tidak memerlukan penambahan panas dan reaksinya mudah
dikendalikan (Andriyanti dkk, 2012).
Reaksi penting yang terjadi pada reaksi kimia polimer dengan iradiasi
sinar gamma, yaitu proses pembentukan radikal bebas yang dapat mengakibatkan
terjadinya degradasi, dan pengikatan silang dari polimer tersebut akan tetapi
apabila kedalam polimer tersebut ditambahkan monomer, maka akan terjadi reaksi
pencangkokan (grafting), karena monomer bersangkutan mengalami proses
polimerisasi sekaligus tercangkok pada rantai utama polimer yang sudah ada.
Selain itu, molekul tereksitasi mengalami proses disosiasi sehingga menghasilkan
radikal bebas. Demikian pula ion negatif mengalami disosiasi radikal bebas. Ion
positif maupun ion negatif akan langsung mengakibatkan terjadinya reaksi kimia
dengan membentuk reaksi ionik sedangkan radikal bebas akan melangsungkan
10
reaksi kimia menurut mekanisme reaksi radikal bebas, reaksi polimerisasi atau
reaksi kimia yang terjadi akibat interaksi radiasi pengion (sinar gamma) dengan
materi pada umumnya berlangsung menurut mekanisme reaksi radikal bebas
(Pertiwi, 2013).
Penelitian yang telah dilakukan oleh Swantomo,dkk (2008) menggunakan
metode grafting dengan iradiasi electron. Proses grafting dengan iradiasi elektron
dari Mesin Berkas Elektron (MBE) mempunyai beberapa kelebihan dibandingkan
dengan iradiasi gamma, diantaranya adalah kapasitas pemprosesan besar, luasan
bahan yang akan di-grafting dapat dikendalikan, efisiensi pemanfaatan energi
yang tinggi, dan keselamatan iradiasi aman.
2.6 Mekanisme Reaksi Radikal Bebas
Pembentukan radikal bebas terjadi saat bahan polimer diiradiasi dengan
sinar gamma atau berkas elektron. Reaksi yang terjadi tidak akan mengakibatkan
perubahan radioaktifitas. Reaksi kimia yang terjadi akan mengikuti mekanisme
radikal bebas. Ada tiga tahap reaksi kimia menurut mekanisme radikal bebas,
yaitu:
a. Tahap inisiasi
Pada tahap inisiasi mula-mula terjadi reaksi pembentukan radikal
bebas oleh suatu inisiator (sinar gamma). Bila sinar gamma berinteraksi
dengan monomer (M), maka M akan membentuk radikal, reaksi inisiasi
dapat digambarkan seperti contoh :
M sinar gamma M● (reaksi pembentukan radikal)
Radikal yang terbentuk (M●) mulai mengadakan mekanisme reaksi kimia:
M● + R RM●
b. Tahap Propagasi
Pada tahap propagasi, radikal-radikal bebas yang dihasilkan oleh
reaksi inisiasi tumbuh dari satu molekul menjadi molekul yang lebih besar.
Radikal (RM● ) bertemu lagi dengan molekul monomer lainnya sehingga
11
terjadi pembentukan radikal-radikal yang lebih besar. Reaksi propagasi
dapat digambarkan sebagai berikut :
RM● + M RM2● (propagasi)
c. Tahapan Terminasi
Tahap terminasi terjadi saat dua radikal bertemu satu sama lain.
Radikal bebas tersebut dapat berasal dari reaksi inisiasi atau propagasi.
Adanya pertemuan kedua radikal tersebut, maka reaksi akan berhenti. Pada
tahap ini akan terjadi polimerisasi, ikatan silang dan pencangkokan dan
juga degradasi polimer. Pada polimerisasi, reaksi terjadi bila monomer
yang diiradiasi merupakan monomer yang dapat berpolimerisasi. Akibat
adanya proses tersebut, maka akan membentuk polimer yang memiliki
berat molekul jauh lebih besar. Pada reaksi pengikatan silang, rantai
polimer saling berikatan silang satu dengan yang lainnya sedangkan pada
reaksi pencangkokan umumnya terjadi bila terdapat monomer dan polimer
yang diiradiasi bersama-sama dan menghasilkan suatu kopolimer. Reaksi
terminasi pembentukan polimerisasi, ikatan silang dan pencangkokan
dapat digambarkan sebagai berikut :
RM2● + RM2
● P (polimerisasi)
(radikal monomer) (radikal monomer) (polimer)
RM2●+ RM2
● P - P●
(radikal polimer) (radikal polimer) (polimer berikatan silang)
RM2●+ P● P● – P(RM2)n●
(radikal monomer) (radikal polimer) (polimer grafting)
Reaksi radiasi pada suatu polimer juga akan mengakibatkan proses
degradasi, dimana terjadi pemutusan ikatan rantai utama pada polimer. Reaksi
degradasi polimer digambarkan sebagai berikut :
P sinar gamma P●
P● + P P1 + P2 (pemutusan ikatan)
(polimer radikal) (polimer) (polimer) (polimer)
(Pertiwi, 2013)
12
2.7 Swelling dan Fraksi Gel
Rasio perbandingan berat hidrogel dalam keadaan menyerap air (swelling)
terhadap berat keringnya atau rasio swelling merupakan salah satu parameter
utama dari pengujian hidrogel. Sifat kimia yang paling penting untuk diuji dari
absorben dalam skala komersial sebagai bahan pada personal care antara lain
sebagai absorben pada popok bayi dan pembalut wanita adalah nilai rasio swelling
dalam urin.
Kapasitas rasio swelling yang dapat diterima adalah berkisar 20-40 g urin
per gram polimer kering (Buchholtz dalam Erizal, 2010). Kandungan urin
sebagian besar didominasi oleh senyawa urea dan konsentrasinya bervariasi pada
setiap individu yang diuji. Pengujian sweling dari hidrogel terhadap urin dapat
dilakukan dengan artificial urin atau dengan larutan urea. Selain adanya
kandungan urea dalam cairan urin, konsentrasi ion-ion garam juga mempengaruhi
daya serap dari hidrogel yang akan digunakan sebagai absorben. Larutan garam
NaCl merupakan salah satu jenis larutan garam yang umumnya dipakai untuk
pengujian kemampuan daya serap hidrogel terhadap air (swelling) (Erizal, 2010).
Rasio swelling hidrogel dapat dihitung dengan menggunakan persamaan
berikut :
Rasio swelling = WsW o
.……………………………………………(1)
dimana :
Ws= Berat hidrogel dalam keadaan swelling (g)
W0= Berat hidrogel dalam keadaan kering (g)
(Erizal dkk, 2007)
Hidrogel akan terjadi swelling apabila timbulnya tekanan osmosis akibat
perbedaan konsentrasi ion-ion dalam media dan dalam kerangka jaringan
hidrogel. Ion-ion yang terikat pada jaringan hidrogel bersifat immobile (tidak
bergerak) yang dapat dianggap terpisah dari larutan luar dengan adanya membran
semipermeabel. Jika hidrogel direndam dalam air, maka akan terjadi tekanan
osmosis maksimum dan hidrogel akan swelling (Erizal dan Sunarni,2009).
13
Fraksi gel merupakan parameter lainnya yang umumnya di gunakan dalam
sintesis hidrogel, mencerminkan fraksi jumlah bahan awal baik monomer /
polimer yang diubah menjadi hidrogel pada proses sintesis. Parameter ini juga
menunjukkan nilai efisiensi dari proses dalam sintesis hidrogel, bergantung pada
kepekaan dari bahan terhadap iradiasi yang dipaparkan. Semakin peka bahan
terhadap iradiasi, maka semakin tinggi efiensi dari proses. Fraksi gel dihitung
dengan menggunakan persamaan berikut ini :
Fraksi gel (%) = WsWo
x100 % ……………………………………(2)
dimana :
Ws= Berat hidrogel dalam keadaan swelling (g)
W0= Berat hidrogel dalam keadaan kering (g)
(Erizal dkk, 2008)