SINTESIS DAN KARAKTERISASI POLIMER KONDUKTIF POLIANILIN SEBAGAI MATRIKS MATERIAL KOMPOSIT PENYERAP GELOMBANG MIKRO

SINTESIS DAN KARAKTERISASI POLIMER KONDUKTIF POLIANILIN SEBAGAI MATRIKS MATERIAL KOMPOSIT PENYERAP GELOMBANG MIKRO Ageng Bimantoro, Azwar Manaf, Mas Ayu Elita Hafizah Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Indonesia E-mail : [email protected]

Abstrak Telah disintesis material polimer konduktif Polianilin (PANi) dengan menggunakan metode polimerisasi oksidatif Anilin secara kimiawi (chemical) kemudian dilakukan pemberian doping asam protonik yang bervariasi berupa asam kuat HCl, HClO4, dan H2SO4. Sampel-sampel ini kemudian dikarakterisasi dengan menggunakan spektrofotometer FTIR, Conductivity Meter, PSA (Particle Size Analyzer), dan VNA (Vector Network Analyzer) untuk mengetahui gugus fungsi, nilai konduktivitas listrik, ukuran partikel, dan daya serap gelombang mikro dengan rentang frekuensi tertentu (rentang 8-12 GHz) yang terdapat pada material tersebut. Hasil karakterisasi berdasarkan penelitian menunjukkan bahwa Polianilin (PANi) yang telah terdoping asam protonik (terprotonasi) atau telah menjadi polimer konduktif memiliki karakteristik puncak pita serapan IR pada bilangan gelombang antara 1141 cm-1 – 1177 cm-1. Ukuran partikel masing-masing bentuk Polianilin hasil penelitian telah menjadi nanopartikel dengan rentang ukuran partikel masing-masing bentuk material ini mulai dari 4-9 nm. Polianilin yang memiliki konduktivitas listrik tertinggi yaitu Polianilin dengan doping asam protonik HClO4 (PANi(HClO4)) sebesar 3,6 mS/cm dan memiliki serapan gelombang mikro terendah yaitu -6,98 dB pada frekuensi 11,34 GHz. Nilai permitivitas terendah dimiliki oleh PANi(HClO 4) akan tetapi dengan nilai permitivitas yang rendah (dielectric constant negatif dan dielectric loss minimum) dan konduktivitas listrik yang tinggi, membuat serapan gelombang mikro komposit dengan PANi tersebut sebagai matriks akan meningkatkan jumlah serapan gelombang mikro dan meminimalisir gelombang mikro yang ditransmisikan. Serapan gelombang mikro material komposit tertinggi dimiliki oleh komposit dengan campuran PANi rekayasa (PANi-ES) sebagai matriks dan Barrium Hexaferrite (BHF) yang telah disonikasi selama 5 jam sebagai filler dengan perbandingan komposisi % berat PANi rekayasa dan BHF 30 : 70. Material komposit tersebut adalah PANi(HClO4)/5BHF yang memiliki serapan gelombang mikro tertinggi yaitu -38,3 dB pada frekuensi 12,28 GHz. Kata Kunci: Doping asam protonik; Filler; Komposit; Matriks; Nanopartikel; Permitivitas; Polimer konduktif; Polianilin; Polimerisasi oksidatif Anilin; Protonasi; Sifat dielektrik.

Abstract Polyaniline (PANi) conducting polymers have been synthesized using chemical oxidative polymerization method on Aniline then carried granting varying protonic acid doping form strong acid HCl, HClO 4, and H2SO4. These samples were then characterized using FTIR spectrophotometer, Conductivity Meter, PSA (Particle Size Analyzer), and VNA (Vector Network Analyzer) to determine the functional groups, the value of the electrical conductivity, particle size, and the absorption of microwaves by a certain frequency range (range 8-12 GHz) contained in these materials. The results of the study showed that the characterization based on Polyaniline (PANi) which has been doped protonic acid (protonated) or has become conducting polymers have peaks characteristic IR absorption band at wave number of 1141 cm-1-1177 cm-1. The particle size of each form of Polyaniline research has become nanoparticles with a particle size range of each form of this material ranging from 4-9 nm. Polyaniline which has the highest electrical conductivity by doping Polyaniline protonic acid HClO4 (PANi (HClO4)) of 3,6 mS / cm and has a low absorption of microwaves is -6,98 dB at a frequency of 11,34 GHz. Low permittivity value owned by PANi (HClO 4) but with a lower value of permittivity (negative dielectric constant and minimum dielectric loss) and high electrical conductivity, making the absorption of microwaves by PANi composites such as matrix will increase the amount of microwave absorption and minimize microwave transmitted. The highest microwave absorption of composite materials owned by the composite with a mixture of modified PANi (PANi-ES) as a matrix and Barrium Hexaferrite (BHF) which had

Sintesis dan..., Ageng Bimantoro, FMIPA, 2014

been sonicated for 5 hours as a filler with a composition ratio wt% modified PANi and BHF 30 : 70. The composite material is PANi(HClO4) / 5BHF which has the highest absorption of microwaves -38,3 dB at a frequency of 12,28 GHz. Keyword: Composite; Conducting polymers; Dielectric properties; Filler; Matrix; Nanoparticle; Oxidative polymerization of Aniline; Permittivity; Polyaniline; Protonic acid doping.

Pendahuluan Teknologi penyerapan gelombang elektromagnetik merupakan salah satu teknologi yang perlu dikembangkan untuk mengontrol masalah yang ditimbulkan oleh Electromagnetic Interference (EMI). Teknologi ini telah melahirkan sebuah material baru yaitu Radar Absorbing Material (RAM). Salah satu aplikasi material ini yaitu pada bidang militer. Material ini bersifat meredam pantulan atau menyerap gelombang mikro, sehingga benda yang dilapisi dengan RAM tidak terdeteksi oleh Radio Detection and Ranging (RADAR). Berbagai penelitian dalam rangka mengembangkan Radar Absorbing Material (RAM) semakin banyak dilakukan. Salah satunya adalah penelitian tentang penggunaan polimer konduktif sebagai matriks untuk meningkatkan kualitas RAM yang berbasis material komposit [1]. Polianilin (PANi) merupakan salah satu material polimer konduktif yang telah menarik perhatian sejak Mac Diarmid, dkk menyelidiki bahan ini sebagai polimer konduktif dan banyak dikaji pada lebih dari dua dekade terakhir karena sifat fisika dan kimianya yang khas sehingga memiliki potensi aplikasi yang luas [2,3]. Material polimer konduktif ini sangat unik yaitu dapat mengalami perubahan sifat listrik dan optik yang dapat balik (reversible) melalui reaksi redoks dan doping-dedoping atau protonasi-deprotonasi, lebih mudah disintesis baik dengan metode secara elektrokimia maupun secara kimiawi dibandingkan dengan polimer konduktif lainnya, stabilitas termal di lingkungan baik, dan konduktivitas listriknya cukup tinggi [1-5]. Sejauh ini, Polianilin telah digunakan pada berbagai aplikasi seperti sensor kimia khususnya sensor gas, piranti elektrokromik, sel fotovoltaik, LED (Light-Emitting Diodes) polimer, baterai sekunder, dan juga digunakan sebagai matriks material komposit penyerap gelombang elektromagnetik berupa gelombang mikro [1,4,6,7]. Nilai konduktivitas listrik dari Polianilin (PANi) dapat meningkat secara signifikan setelah dilakukan doping menggunakan asam protonik berupa asam kuat. Beberapa penelitian mengenai karakteristik sifat PANi yang awalnya bersifat tidak memiliki konduktivitas listrik dapat berubah menjadi polimer yang memiliki nilai konduktivitas listrik yang tinggi setelah dilakukan doping dengan menggunakan jenis asam protonik seperti H2SO4, HCl, HClO4 dll.


Proses ini dilakukan di dalam kondisi tertentu seperti panas untuk mendapatkan sifat PANi yang berbeda [7,8]. Hasil penelitian menunjukkan bahwa nilai konduktivitas listrik yang terukur masih dalam rentang bahan semikonduktor dimana nilai konduktivitas listrik dari ketiga PANi dalam bentuk pellet yang telah didoping yaitu PANi(HClO4), PANi(HCl), PANi(H2SO4) berturut-turut adalah 5,31 ohm-1cm-1, 4,17 ohm-1cm-1, dan 3,92 ohm-1cm-1 dan juga stabilitas termal ketiga Polianilin tersebut cukup baik [8]. Besarnya nilai konduktivitas listrik tersebut jauh lebih tinggi dibandingkan dengan PANi sebelum diberi doping asam protonik, yaitu 10-10 S/cm [9,15]. PANi yang berawal tidak memiliki sifat konduktivitas listrik dapat diubah menjadi suatu polimer yang konduktif namun belum dikaji lebih lanjut kemampuan polimer tersebut jika dilihat dari sifat dielektriknya. Oleh karena itu, pada penelitian ini dilakukan sintesis dan karakterisasi PANi yang didoping dengan menggunakan tiga jenis asam protonik yang berbeda. Selain sifat konduktivitas listrik, juga dilakukan kajian lebih lanjut terhadap sifat dielektriknya. Selanjutnya PANi yang sudah bersifat konduktif dibuat komposit dengan BaO.6(Fe1.7Mn0.15Ti0.15O3) atau Barrium Hexaferrite

(BHF)

untuk

dikaji

kemampuan

penyerapan

terhadap

gelombang

elektromagnetik. Penelitian ini bertujuan untuk: 

Mempelajari pengaruh penambahan berbagai doping asam protonik pada PANi terhadap sifat dielektrik



Mempelajari pengaruh sifat dielektrik PANi rekayasa terhadap daya serap gelombang mikro



Menghasilkan prototype material komposit dengan PANi sebagai matriks untuk aplikasi penyerap gelombang mikro

Tinjauan Teoritis Polianilin (PANi) adalah suatu molekul besar yang dibentuk oleh pengulangan kesatuan kimia yang kecil dan sederhana yang disebut monomer Anilin (C6H5NH2), yang bergabung dengan cara ikatan kovalen [9]. Polimer ini dapat dibuat (disintesis) dengan cara elektrokimia dan secara kimiawi [4,8,11]. Sintesis dengan cara elektrokimia menghasilkan PANi dalam bentuk film tipis, sedangkan dengan cara kimiawi akan diperoleh PANi dalam wujud bubuk (serbuk) [10,11]. Polianilin yang dihasilkan mempunyai sifat yang sangat dipengaruhi oleh cara sintesis dan parameter sintesis yang digunakan [8].


Berdasarkan level oksidasinya, Polianilin dapat disintesis dalam beberapa bentuk nonkonduktif atau isolatifnya, yaitu basa Leukomeraldin (LB) yang tereduksi penuh, basa Emeraldin (EB) yang teroksidasi setengah, dan basa Pernigranilin (PB) yang teroksidasi penuh [12-14]. Dari ketiga Polianilin (PANi) dalam bentuk non-konduktif (basa), hanya Polianilin dalam bentuk basa Emeraldin (EB) yang dapat dibuat konduktif dengan pemberian doping asam protonik (proses protonasi) seperti HCl, HClO4, H2SO4, dll, dimana protonproton (H+) ditambahkan ke gugus –N=, sementara jumlah elektron pada rantai tetap dan dengan pemberian doping asam protonik tersebut mengakibatkan terjadinya kelainan rantai dalam bentuk pasangan dikation karena adanya pengikatan dopan A- seperti Cl-, HSO4-, ClO4, dll. Keberadaan dopan A- di dalam Polianilin merupakan sesuatu yang unik yang tidak terdapat pada polimer konduktif yang lain, karena kelainan rantai ini tidak mengubah jumlah elektron yang berada pada rantai. Masuknya dopan A- ke dalam polimer karena terikat secara ionik dengan kation yang muncul pada rantai. Hal ini yang menyebabkan Polianilin (PANi) menjadi polimer konduktif. Hanya PANi-EB yang dapat dibuat konduktif karena polimer non-konduktif atau isolatif tersebut paling stabil dan juga paling luas diteliti karena konduktivitasnya dapat diatur dari 10-10 S/cm hingga 100 S/cm melalui pemberian doping asam protonik, sedangkan bentuk basa Pernigranilin (PB) dan basa Leukomeraldin (LB) tidak dapat dibuat konduktif. Hasil akhir dari proses protonasi PANi-EB ini adalah Polianilin dalam bentuk garam Emeraldin (ES) yang bersifat konduktif [7,8,12,15]. Bentuk dari Polianilin basa Emeraldin (EB) berubah menjadi Polianilin garam Emeraldin (ES) yang bersifat konduktif melalui reaksi oksidasi dengan asam-asam protonik seperti HCl, HClO4, H2SO4, dll. Sebaliknya, Polianilin garam Emeraldin (ES) dapat dikembalikan bentuknya menjadi Polianilin basa Emeraldin (EB) melalui reaksi reduksi dengan agen pereduksi (reduktor) seperti NH4OH, NaOH, dll. Kedua proses tersebut disebut proses protonasi-deprotonasi atau doping-dedoping [5,12,14,16]. Proses tersebut dapat digambarkan sebagai berikut :

Gambar 1. Proses Protonasi-Deprotonasi atau Doping-Dedoping Polianilin


Kedua bentuk Emeraldin tersebut memiliki sifat listrik dan sifat optik yang berlawanan, PANi-EB yang bersifat non-konduktif atau isolatif dan PANi-ES yang bersifat konduktif atau semikonduktif. Derajat konduktivitas Emeraldin ini bergantung pada tingkat doping yang diberikan, yaitu jumlah proton (H+) yang didopingkan ke dalam struktur Emeraldin. Sifat optik dari PANi-EB berwarna biru sedangkan PANi-ES berwarna hijau sehingga karakteristik absorbsi optiknya berbeda. Sifat listrik (konduktivitas) dan sifat optik (indeks bias dan abosrbsivitas) Emeraldin dapat divariasikan melalui reaksi oksidasi-reduksi oleh agen-agen oksidan dan reduktan. Karakteristik ini dapat dimanfaatkan untuk sensor kimia [5,12,14,17]. Gambar 2(a). 2(b). dan 2(c). menunjukkan pola difraksi Polianilin (PANi) dengan variasi doping asam protonik (terprotonasi) HCl, HClO4, dan H2SO4. Terlihat bahwa pola difraksi sinar-x dari PANi-ES tersebut menunjukkan pola difraksi yang sama dan tidak menunjukkan pola yang tajam (jelas), seperti pada pola difraksi yang dimiliki oleh logam, garam atau material kristal organik dengan berat molekul rendah. Tampak pula bahwa bagian amorf tidak terpisah dari difraksi kristalin. Namun demikian beberapa puncak secara umum teramati [8].

Gambar 2(a). Pola difraksi sinar-x dari Polianilin dengan doping asam protonik HCl

Gambar 2(b). Pola difraksi sinar-x dari Polianilin dengan doping asam protonik HClO4


Gambar 2(c). Pola difraksi sinar-x dari Polianilin dengan doping asam protonik H2SO4

Gambar 3. menunjukkan salah satu material penyerap gelombang mikro berbasis material campuran La0.8Ba0.2MnO3(LBMO)dan BaO.6(Fe1.7Mn0.15Ti0.15O3) (BHF) dengan variasi ukuran partikel (waktu sonikasi) dan variasi komposisi kedua material tersebut.

0.0

0.0

1BHF30/LMO70 1BHF50/LMO50 1BHF70/LMO30

-2.5

3BHF30/LMO70 3BHF50/LMO50 3BHF70/LMO30

-5.0

-7.5

-7.5

-10.0

-10.0

RL (dB)

RL (dB)

-5.0

-2.5

-12.5 -15.0

-12.5 -15.0

-17.5

-17.5

-20.0

-20.0

-22.5

-22.5

-25.0

-25.0

9

10

11

12

9

Frequency (GHz)

10

11

12

Frequency (GHz)

0.0 5BHF30/LMO70 5BHF50/LMO50 5BHF70/LMO30

-2.5 -5.0

RL (dB)

-7.5 -10.0 -12.5 -15.0 -17.5 -20.0 -22.5 -25.0 9

10

11

12

Frequency (GHz)

Gambar 3. Karakteristik serapan gelombang mikro LBMO/BHF dengan variasi waktu ultrasonik dan variasi komposisi

Dari grafik pada Gambar 3. menunjukkan tren yang sama yaitu penambahan komposisi BHF mengakibatkan kenaikan pada nilai serapan gelombang mikro yang dihasilkan. Hal ini menunjukkan bahwa material magnetik (BHF) memiliki peran yang kuat terhadap


karakteristik nilai serapan material. Dimana semakin tinggi konsentrasi BHF, nilai serapan gelombang mikro material tersebut semakin tinggi [17].

Metode Penilitian Polianilin (PANi) dengan berbagai doping asam protonik (HCl, HClO4, H2SO4) disintesis melalui proses protonasi (doping) pada Polianilin tanpa doping (PANi-EB). Tahap pertama ialah membuat monomer Anilin (C6H5NH2) menjadi polimer Polianilin melalui polimerisasi oksidatif Anilin dengan mereaksikan 60 mL Anilin dengan 750 mL HCl 1.5 M melalui proses pengadukan pada suhu ruang ± 27oC. Lalu secara terpisah, mereaksikan 75 gr APS (Ammonium Persulfate) yang berperan sebagai inisiator dengan 750 mL HCl 1.5 M melalui pengadukan pada suhu ruang ± 27oC. Kemudian dilakukan pencampuran antara larutan inisiator dan larutan Anilin – HCl dengan laju penetesan ± 2 mL/menit seraya dilakukan pengadukan pada suhu ruang ± 27oC. Rangkaian proses polimerisasi (inisiasi, propagasi, dan terminasi) selesai ketika larutan APS (inisiator) telah habis dan proses pengadukan selesai. Pengendapan dilakukan dengan mendiamkan campuran kedua larutan tersebut sampai terbentuk endapan polimer Polianilin yang berwarna hijau kehitaman. Kemudian dilakukan penyaringan dan pembilasan dengan menggunakan aquades dan metanol (CH3OH) secara berurutan dan terbentuklah Polianilin (PANi) garam Emeraldin (ES). Garam Emeraldin (ES) yang telah terbentuk dilarutkan ke dalam Amonium Hidroksida (NH4OH) 0.1 M kemudian diaduk selama 15 jam. Proses ini dinamakan proses deprotonasi (dedoping). Setelah 15 jam, proses pengadukan selesai dan didiamkan kembali sampai terbentuk endapan polimer Polianilin (PANi) berwarna biru kehitaman. Lalu dilakukan penyaringan dan pembilasan dengan menggunakan NH4OH 0.1 M dan Tetrahidrofuran (THF) 1.5 M. Endapan yang dihasilkan sudah membentuk basa Emeraldin (EB) yang kemudian dikeringkan dalam desikator sampai membentuk padatan yang nantinya dapat dijadikan serbuk (powder). Setelah itu, masing – masing 8 gr (0,022 mol) serbuk PANi-EB dilarutkan ke dalam berbagai asam protonik (HCl, HClO4, H2SO4) sebanyak 80 mL kemudian diaduk selama 10 jam. Proses ini dinamakan proses protonasi (doping). Endapan yang terbentuk disaring dan dibilas dengan aquades lalu dikeringkan dalam desikator. Padatan (serbuk) Polianilin (PANi) yang didapat sudah membentuk struktur garam Emeraldin (ES) berwarna hijau kehitaman. Serbuk PANi rekayasa tersebut kemudian dikarakterisasi sifat listrik (konduktivitas), ukuran partikel, dan gugus fungsi dengan menggunakan Conductivity Meter, PSA (Particle Size Analyzer),


dan spektrofotometer FTIR. Lalu masing – masing serbuk PANi tersebut dibuat menjadi pellet berdiameter 25 mm dan tebal 3 mm untuk keperluan karakterisasi serapan gelombang mikro dengan menggunakan VNA (Vector Network Analyzer). Pembentukan material komposit PANi/BHF dengan cara memadu secara mekanik serbuk PANi rekayasa (PANi yang terprotonasi dengan asam protonik yang bervariasi) sebagai matriks dan BHF dengan sonikasi 0 jam dan 5 jam sebagai filler dengan perbandingan komposisi masing – masing %berat PANi rekayasa dan BHF dari berat total sampel yaitu 30 : 70. Kemudian serbuk komposit tersebut dibuat menjadi pellet berdiameter 25 mm dan tebal 3 mm untuk keperluan karakterisasi serapan gelombang mikro dengan menggunakan VNA (Vector Network Analyzer).

Hasil dan Pembahasan

Gambar 4. Spektrum Transmitans IR PANi-ES Hasil Polimerisasi Anilin

Dari spektrum transmitan IR tersebut, terdapat pita-pita absorpsi karakteristik Polianilin pada bilangan gelombang 1564 cm-1 dan 1477 cm-1 yang masing-masing ditandai sebagai vibrasi stretching C=C dari cincin-cincin quinoid dan cincin-cincin benzenoid sebagai backbone Polianilin. Pada bilangan gelombang 1435 cm-1 menunjukkan vibrasi stretching gugus aromatik amonium yang merupakan puncak karakteristik Polianilin dan pita-pita absorpsi pada bilangan gelombang 1305 cm-1 dan 1246 cm-1 ditandai sebagai vibrasi stretching C-N dari aromatik amina sekunder. Sedangkan puncak kuat pada bilangan gelombang 1141 cm -1 bersesuaian dengan vibrasi stretching C=N dari cincin quinoid terprotonasi yang membuat


Polianilin menjadi polimer konduktif. Kemudian terdapat vibrasi bending C-H pada bilangan gelombang 989 cm-1 dan 819 cm-1. Hasil karakterisasi ini sesuai dengan hasil proses polimerisasi oksidatif pada monomer Anilin yang menghasilkan Polianilin yang terdoping oleh asam protonik HCl sebagai sumber proton (H+) sehingga membentuk Polianilin garam Emeraldin (ES) yang bersifat konduktif atau semikonduktif.

Gambar 5. Spektrum Transmitans IR PANi-EB Hasil Deprotonasi

Pada bilangan gelombang 829 cm-1 menunjukkan vibrasi bending C-H dan pita absorpsi pada bilangan gelombang 1163 cm-1 menunjukkan vibrasi stretching C=N dari cincin Quinoid. Kemudian vibrasi stretching C-N ditunjukkan pada bilangan gelombang 1244 cm-1 dan 1319 cm-1. Pita-pita absorpsi karakteristik Polianilin lainnya pada bilangan gelombang 1500 cm -1 dan 1587 cm-1 masing-masing ditandai sebagai vibrasi stretching C=C dari cincin Benzenoid dan vibrasi stretching C=C dari cincin Quinoid. Pita-pita absorpsi karakteristik Polianilin yang khas pada bentuk basa Emeraldin (EB) yaitu pada bilangan gelombang 3055 cm -1 dan 3234 cm-1 yang masing-masing menunjukkan vibrasi stretching N-H dan vibrasi stretching =N-H dan membuktikan bahwa Polianilin dalam bentuk ini sudah tidak lagi terdoping oleh asam protonik (HCl).


Gambar 6. Spektrum Transmitans IR (a.) PANi(HCl); (b.) PANi(HClO4); (c.) PANi(H2SO4)

Spektrum transmitans IR ketiga Polianilin (PANi) tersebut memiliki puncak pita-pita absorbsi karakteristik yang sama. Spektrum IR Polianilin (PANi) yang didoping HCl memiliki puncak pita-pita absorpsi karakteristik Polianilin dengan bilangan gelombang 1553 cm-1 dan 1484 cm-1 yang ditandai sebagai vibrasi stretching C=C dari cincin-cincin quinoid dan cincincincin benzenoid sebagai backbone Polianilin. Begitu juga pada puncak pita-pita absorpsi karakteristik Polianilin yang didoping HClO4 pada bilangan gelombang 1569 cm-1 dan 1486


cm-1 dan yang didoping H2SO4 pada bilangan gelombang 1557 cm-1 dan 1491 cm-1 menunjukkan vibrasi yang sama dengan Polianilin dengan doping HCl. Lalu puncak absorpsi kuat pada Polianilin yang didoping HCl, HClO4, dan H2SO4 dengan masing-masing bilangan gelombang 1154 cm-1, 1152 cm-1, dan 1177 cm-1 bersesuaian dengan vibrasi stretching C=N dari cincin quinoid terprotonasi yang menunjukkan Polianilin sudah terdoping oleh asam protonik sebagai sumber proton (H+) atau strukturnya sudah berubah bentuk dari Emeraldine Base (EB) menjadi Emeraldine Salt atau garam Emeraldin (ES). Puncak-puncak absorpsi selanjutnya menunjukkan vibrasi stretching C-N dari aromatik amina sekunder pada bilangan gelombang 1306 cm-1 dan 1247 cm-1 untuk Polianilin dengan doping HCl (PANi(HCl)), 1308 cm-1 dan 1245 cm-1 untuk Polianilin dengan doping HClO4 (PANi(HClO4)), dan pada bilangan gelombang 1288 cm-1 dan 1232 cm-1 untuk Polianilin dengan doping H2SO4 (PANi(H2SO4)). Sehingga dapat disimpulkan bahwa semua puncak absorpsi karakteristik Polianilin yang terdoping asam protonik HCl, HClO4, dan H2SO4 yang ditunjukkan pada Gambar 6. sama dengan karakteristik puncak-puncak absorpsi Polianilin hasil proses polimerisasi oksidatif Anilin secara kimiawi (chemical) yang strukturnya juga berbentuk garam Emeraldin (ES). Tabel 1. menunjukkan nilai konduktivitas listrik masing-masing Polianilin (PANi) hasil proses polimerisasi, deprotonasi, dan protonasi secara berurutan. Tabel 1. Nilai Konduktivitas masing-masing PANi hasil proses sintesis PANi Polianilin (PANi) PANi-ES (Hasil Polimerisasi) PANi-EB (Hasil Deprotonasi) PANi(HCl) PANi(H2SO4) PANi(HClO4)

Nilai Konduktivitas Listrik 0,1 mS/cm 0,0175 mS/cm 0,92 mS/cm 1,52 mS/cm 3,6 mS/cm

Dari Tabel 1. Didapatkan konduktivitas listrik PANi-EB jauh lebih kecil dibandingkan dengan nilai konduktivitas listrik PANi-ES hasil polimerisasi dan PANi rekayasa (PANi-ES dengan doping asam protonik bervariasi) [7,8,12,15]. Di antara PANi-ES tersebut, nilai konduktivitas listrik tertinggi dimiliki oleh PANi(HClO4) sebesar 3,6 mS/cm. Hal ini dikarenakan derajat kelarutan asam pKa yang dimiliki oleh HClO4 lebih besar dibandingkan dengan asam kuat lainnya yaitu -10. Dimana nilai pKa menunjukkan jumlah proton (H+) yang terdapat pada asam dan besar-kecilnya konduktivitas listrik tergantung pada jumlah proton (H+) yang didopingkan ke dalam Polianilin (PANi-EB) tersebut [5,12,14,16].


Gambar 7. Grafik distribusi ukuran partikel masing-masing bentuk PANi

Ukuran partikel Polianilin hasil polimerisasi oksidatif Anilin (PANi-ES) mencapai 5,24 nm. Waktu proses polimerisasi Anilin mempengaruhi ukuran partikel PANi-ES yang dihasilkan. Proses polimerisasi yang dilakukan berlangsung selama 6 jam 52 menit dengan laju penambahan larutan campuran APS dan HCl adalah ± 2 mL/menit. Perpanjangan waktu polimerisasi akan menyebabkan penurunan viskositas, akibat hidrolisis pada rantai polimer. Adanya hidrolisis pada rantai Polianilin (PANi) didukung oleh kecenderungan menurunnya ukuran partikel dan polidispersitas distribusi ukuran partikel semakin sempit. Kemudian suhu pada saat proses polimerisasi juga sangat berpengaruh terhadap viskositas Polianilin (PANi). Pada saat penelitian, proses polimerisasi dilakukan pada suhu ruang (± 27 OC). Dimana pada suhu tersebut, cukup membuat viskositas PANi menjadi turun akibat hidrolisis pada rantai PANi sehingga terjadi penurunan ukuran partikel. Proses polimerisasi oksidatif dengan suhu yang terlalu tinggi dan melalui proses pengadukan mengakibatkan ukuran partikel yang terbentuk semakin besar. Hal ini diakibatkan karena adanya kenaikan suhu dan pengadukan sehingga radikal – radikal bebas yang terbentuk menjadi terlalu banyak karena luas permukaannya

semakin

diperluas

dengan

pengadukan.

Dengan

demikian,

proses

polimerisasinya baik propagasi maupun terminasi akan cepat tercapai dan rantai polimer yang terbentuk juga semakin panjang, sehingga diameter ukuran partikel yang terbentuk juga akan semakin besar [8,18]. Konsentrasi HCl yang digunakan pada proses polimerisasi Anilin yaitu 1,5 M, membuat hidrolisis PANi semakin tinggi. Semakin tinggi hidrolisis pada rantai PANi maka ukuran partikel akan cenderung turun menjadi PANi dengan ukuran nano. Konsentrasi asam yang tinggi pada proses polimerisasi juga mengakibatkan keasaman medium polimerisasi meningkat sehingga kation radikal Anilin akan lebih banyak terbentuk sehingga Polianilin


yang terbentuk (PANi-ES) juga semakin banyak. Proses pengadukan pada saat polimerisasi oksidatif Anilin juga memiliki pengaruh pada penurunan ukuran partikel. Pengadukan saat proses polimerisasi mempengaruhi banyaknya endapan PANi yang dihasilkan dan menghomogenkan PANi yang terbentuk. Semakin lama pengadukan, molekul polimer Polianilin yang terbentuk semakin banyak karena molekul polimer yang dihasilkan teragregasi (homogen) dan ukuran partikelnya pun menjadi nano [18,19]. Akan tetapi, proses pengadukan yang terlalu cepat membuat ukuran partikel semakin besar. Ukuran partikel yang semakin besar diakibatkan karena dengan kecepatan pengadukan yang cepat mengakibatkan pembentukan radikal kation pada monomer menjadi terlalu aktif (banyak) sehingga proses polimerisasi yang terjadi pun menghasilkan rantai polimerisasi yang semakin panjang dan kemungkinan juga terjadi dimer atau oligomer dari Anilin tersebut dan hal ini membuat ukuran partikel dari Polianilin tersebut juga semakin besar. Oleh karena itu, kecepatan pengadukan pada saat penelitian tidak dengan menggunakan kecepatan yang tinggi (sonikasi) untuk menghindari rantai polimer yang terlalu panjang ataupun hasil samping polimer dan berakibat pada ukuran partikel yang semakin besar [8,18,19,20]. Ukuran partikel PANi-EB yang dihasilkan dari proses deprotonasi (dedoping) yaitu 6,4 nm. Hal ini disebabkan penggunaan Amonium Hidroksida (NH4OH) yang cukup banyak sehingga semakin banyak Polianilin berstruktur garam Emeraldin atatu Emeraldine Salt (PANi-ES) yang terdeprotonasi menjadi Polianilin tanpa doping dengan strukturnya yang berbentuk Emeraldine Base atau basa Emeraldin (PANi-EB) dan diikuti dengan penambahan ukuran partikel PANi tersebut. Hal tersebut juga didukung dengan proses deprotonasi yang berlangsung selama 15 jam dengan kecepatan pengadukan rendah dan konsentrasi NH4OH yang digunakan 0,1 M menyebabkan PANi-EB yang terbentuk menjadi homogen dan terjadi peningkatan luas permukaan (ukuran partikel) nanopartikel PANi-EB menjadi 6,4 nm. Waktu proses deprotonasi yang lama karena Polianilin garam Emeraldin (PANi-ES) sulit larut pada pelarut organik dan agar didapatkan Polianilin dengan bentuk struktur basa Emeraldin atau Emeraldine Base (PANi-EB) yang homogen. Lamanya proses pengadukan juga dilakukan pada saat protonasi yang berlangsung selama 10 jam dengan kecepatan yang stabil (tidak cepat) menghasilkan Polianilin garam Emeraldin (PANi-ES) yang homogen. Kemudian ukuran partikel masing – masing PANi rekayasa (PANi-ES) hasil proses protonasi tersebut yaitu PANi(HCl) sebesar 4 nm, PANi(HClO4) sebesar 9 nm, dan PANi(H2SO4) sebesar 9 nm dimana ketiga Polianilin (PANi-ES) tersebut sudah menjadi nanopartikel [8,18,19,21].


Gambar 8. Karakteristik serapan gelombang mikro masing-masing bentuk Polianilin (PANi)

Dari grafik serapan gelombang mikro tersebut, didapatkan serapan tertinggi yaitu Polianilin yang strukturnya berbentuk Emeraldine Salt (ES) yaitu PANi(HCl) dengan nilai konduktivitas listrik terendah dibandingkan dengan PANi-ES lainnya (PANi(H2SO4) dan PANi(HClO4) dimana serapan gelombang mikronya sebesar -31,5 dB pada frekuensi 11,3 GHz. Kemudian serapan gelombang mikro Polianilin selanjutnya disusul oleh Polianilin yang terdoping asam protonik (terprotonasi) H2SO4 dan HClO4 yang masing-masing serapannya sebesar -9 dB pada frekuensi 11,28 GHz dan -6,98 dB pada frekuensi 11,34 GHz. Serapan gelombang mikro terendah terdapat pada Polianilin yang terdoping asam protonik (terprotonasi) HClO4 dengan nilai konduktivitas listrik tertinggi. Serapan gelombang mikro PANi tersebut sebesar -6,98 dB pada frekuensi 11,34 GHz. Pelebaran puncak serapan gelombang mikro yang terjadi diakibatkan peran dielektrik, selain berkontribusi dalam peningkatan jumlah serapan.

Gambar 9. Permitivitas kompleks PANi rekayasa (PANi-ES) dan PANi-EB


Gambar 9. menunjukkan permitivitas kompleks dari masing – masing bentuk Polianilin (PANi) dimana hasil tersebut diperoleh dari program penghitungan nilai permitivitas dari data VNA menggunakan alogaritma Nicholson – Ross – Weiss (NRW) dengan MATLAB R2012. Dari grafik permitivitas ril dan imajiner di atas terlihat PANi(HClO 4) memiliki nilai permitivitas yang paling rendah dibandingkan dengan PANi yang lainnya. Hal ini sesuai dengan teori dimana semakin besar nilai konduktivitas listrik (resistivitas kecil) maka semakin rendah nilai permitivitasnya. Sebaliknya, semakin rendah nilai konduktivitas listrik maka semakin besar nilai permitivitasnya (good dielectric) [22,23]. Hal inilah yang menyebabkan serapan gelombang mikro PANi(HClO4) paling rendah dibandingkan dengan serapan PANi lainnya [24]. Nilai permitivitas ril (dielectric constant) yang negatif merupakan sifat unik yang dimiliki material polimer Polianilin yang disebut LHM (Left-Handed Materials). Akan tetapi, dari nilai permitivitas ril yang negatif dan nilai permitivitas imajiner (dielectric loss) yang rendah yang dimiliki PANi(HClO4), akan membuat serapan gelombang mikro material komposit dengan PANi rekayasa sebagai matriks menjadi maksimum dan gelombang mikro yang ditransmisikan menjadi minimum. Sehingga dengan nilai permitivitas ril yang rendah (negatif), nilai permitivitas imajiner yang minimum, dan nilai konduktivitas listrik yang tinggi akan menghasilkan material penyerap gelombang mikro yang baik (dengan nilai serapan yang tinggi) [23]. Gambar 10. Menunjukkan serapan gelombang mikro Polianilin yang telah terdoping asam protonik (terprotonasi) yang bervariasi yaitu PANi(HCl), PANi(HClO4), dan PANi(H2SO4) yang kemudian dipadu secara mekanis dengan serbuk BHF (Barrium Hexaferrite) hasil sonikasi 0 jam (proses milling) dan 5 jam sehingga dihasilkan material komposit PANi/BHF dengan komposisi % berat antara PANi (matriks) dan BHF (filler) yaitu 30 : 70 dari berat total sampel kompositnya.


Gambar 10. Karakteristik serapan gelombang mikro prototype material komposit PANi/BHF dengan variasi waktu sonikasi BHF dan variasi doping asam protonik PANi

Berdasarkan grafik antara frekuensi dan RL (Reflection Loss) material komposit PANi/BHF dengan variasi doping asam protonik Polianilin dan variasi waktu sonikasi BHF di atas, tampak bahwa variasi waktu sonikasi BHF (Barrium Hexaferrite) mempengaruhi serapan gelombang mikro pada material komposit tersebut dan terlihat tren pergeseran ke arah frekuensi yang lebih tinggi seiring dengan semakin kecilnya ukuran partikel material komposit PANi/BHF. Dari hasil karakterisasi tersebut dapat disimpulkan bahwa material komposit PANi/BHF dengan PANi yang telah didoping asam protonik yang bervariasi (PANi rekayasa) dan telah menjadi nanopartikel dengan BHF yang telah disonikasi 5 jam (nanopartikel) memiliki serapan gelombang mikro terbesar dibandingkan material komposit PANi/BHF dengan PANi rekayasa dan BHF hasil milling (sonikasi 0 jam). Karena dengan ukuran partikel material yang kecil (nanopartikel), arus eddy dapat dihindari. Arus eddy disebabkan oleh nilai konduktivitas listrik yang tinggi dimana arus tersebut dapat


menghasilkan medan magnet dengan arah berlawanan sehingga menyebabkan terjadinya refleksi gelombang mikro [24]. Oleh karena itu, penggunaan logam sebagai material penyerap gelombang mikro tidak disarankan. Selain memiliki beberapa kekurangan dari sifat fisik dan segi proses sintesisnya, logam juga termasuk reflektor yang baik karena material konduktor (logam) ini memiliki sifat listrik (konduktivitas) yang baik (tinggi). Di antara ketiga material campuran (komposit) antara PANi rekayasa dan BHF hasil sonikasi 5 jam, PANi(HClO4)/5BHF memiliki serapan gelombang mikro terbesar yaitu -38,3 dB pada frekuensi 12,28 GHz dibandingkan dengan material komposit PANi/BHF lainnya yang terdoping asam protonik HCl dan H2SO4 (PANi(HCl) dan PANi(H2SO4)) dengan waktu sonikasi BHF yang sama (5 jam). Dimana serapan gelombang mikro komposit PANi(HCl)/5BHF (-25,3 dB pada frekuensi 12,28 GHz) dan PANi(H2SO4)/5BHF (-25,7 dB pada frekuensi 12,28 GHz). Hal ini membuktikan bahwa semakin besar nilai konduktivitas listrik PANi maka makin besar pula serapan gelombang mikronya dimana PANi(HClO4) memiliki nilai konduktivitas listrik tertinggi dibandingkan dengan PANi(HCl) dan PANi(H2SO4). Selain itu terjadi penambahan jumlah serapan dan pelebaran puncak serapan gelombang mikro pada material komposit PANi rekayasa/BHF baik BHF yang sudah menjadi nanopartikel (sonikasi 5 jam) maupun BHF yang belum menjadi nanopartikel (sonikasi 0 jam atau hasil milling). Hal tersebut disebabkan oleh kontribusi dari material dielektriknya yaitu Polianilin yang telah terdoping asam protonik (PANi(HCl), PANi(H2SO4), PANi(HClO4)) dan kontribusi dari material magnetik BHF dimana komposisi BHF yang tinggi akan menaikkan nilai serapan gelombang mikro material komposit tersebut [17]. Jika dibandingkan dengan material penyerap gelombang mikro dengan campuran BHF dan LBMO yang telah diteliti sebelumnya [17], bahwa material dengan campuran Polianilin yang terprotonasi dan BHF memiliki serapan gelombang mikro yang lebih besar dan puncak serapan juga lebih lebar. Sehingga dapat disimpulkan bahwa Polianilin (PANi) yang telah terdoping asam protonik (terprotonasi) yang digunakan sebagai salah satu komponen penyusun material komposit (matriks) dapat meningkatkan serapan gelombang mikro dan melebarkan puncak serapan material komposit dengan campuran BHF sebagai filler. Juga material dengan serapan gelombang mikro yang baik harus memiliki komponen magnetik dan komponen dielektrik sebagaimana sifat gelombang mikro yang terdiri dari komponen magnetik dan elektrik [24].


Kesimpulan Berdasarkan hasil penelitian, bahwa hasil karakterisasi FTIR menunjukkan Polianilin (PANi) yang telah terdoping asam protonik (terprotonasi) atau telah menjadi polimer konduktif memiliki karakteristik puncak pita serapan IR pada bilangan gelombang antara 1141 cm -1 – 1177 cm-1. Ukuran partikel masing – masing bentuk Polianilin (PANi) bervariasi mulai dari 4 – 9 nm dan sudah menjadi nanopartikel. Polianilin yang memiliki konduktivitas listrik tertinggi yaitu Polianilin dengan doping asam protonik HClO4 (PANi(HClO4)) sebesar 3,6 mS/cm dan memiliki serapan gelombang mikro terendah yaitu -6,98 dB pada frekuensi 11,34 GHz. Nilai permitivitas terendah dimiliki oleh PANi(HClO4) akan tetapi dengan nilai permitivitas yang rendah (dielectric constant negatif dan dielectric loss minimum) dan konduktivitas yang tinggi, membuat serapan gelombang mikro komposit dengan PANi tersebut sebagai matriks akan meningkatkan jumlah serapan gelombang mikro dan meminimalisir gelombang mikro yang ditransmisikan. Serapan gelombang mikro komposit tertinggi adalah komposit dengan campuran PANi rekayasa (PANi-ES) sebagai matriks dan BHF yang telah disonikasi selama 5 jam sebagai filler. Material komposit tersebut adalah PANi(HClO4)/5BHF yang memiliki serapan gelombang mikro tertinggi yaitu -38,3 dB pada frekuensi 12,28 GHz. Material campuran PANi (matriks) dan BHF (filler) memiliki serapan lebih tinggi dibandingkan dengan material LBMO/BHF.

Saran 

Penulis menyarankan untuk membuat Polianilin (PANi-ES) dengan memvariasikan komposisi PANi-EB dan doping asam protonik serta konsentrasi asamnya.



Penulis menyarankan untuk melakukan karakterisasi konduktivitas dan serapan gelombang mikro PANi-ES dengan komposisi dan konsentrasi yang bervariasi tersebut.



Penulis menyarankan untuk membuat prototype material komposit dengan komposisi PANi (matriks) dan BHF (filler) yaitu 50 : 50 dan 70 : 30.



Penulis menyarankan untuk melakukan karakterisasi serapan gelombang mikro material komposit dengan komposisi yang bervariasi tersebut.


Daftar Pustaka [1] Nasution, Erika L., dan Astuti. Sintesis Nanokomposit PANi/Fe3O4 sebagai Penyerap Magnetik pada Gelombang Mikro. Jurnal Fisika Unand. 2012. Vol.1 No.1: 37-44. [2] Vilcnik, Maja. Et.al. Influence of Polymerization Parameters on the Molecular Weight of Polyaniline. Acta Chim. Slov. 1998. 45(2): 173-183. [3] Suwardi, Partana, C. F., Salirawati, D. Sintesis dan Karakterisasi Polianilin dan Poli(anilin-N,N-dimetilanilin sebagai Bahan Sensor Tekanan. Jurnal Kimia UNY. Yogyakarta: FMIPA UNY. [4] Vivekanandan, J. , Ponnusamy, V., Mahudeswaran, A., and Vijayanand, P. S. Synthesis, Characterization and Conductivity Study of Polyaniline Prepared by Chemical Oxidative and Electrochemical Methods. Arc. Of App. Sci. Research. 2011. 3(6): 147-153. [5] Shabnam Virji, Jiaxing Huang, Richard B.Kaner and Bruce H.Weiller. Polyaniline Nanofiber Gas Sensors: Examination of Response Mechanism. Nano Letter. 2004. Vol.4(3): 491-496. [6] Kulkarni, M. Kale, B., Apte, S. Naik, S. Mulik, U. and Amalnerkar, D. Synthesis and Characterization

of

Polyaniline

Nanofibres

by

Rapid

Liquid-Liquid

Interfacial

Polymerization Method. Chemistry & Chemical Tech. 2011. Vol. 5, No.1: 55-58. [7] Nascimento, Gustavo M. D. and Temperini, Marcia L. A. Structure of Polyaniline Formed in Different Inorganic Porous Materials: A Spectroscopy Study. European Polymer Journal. 2008. 44: 3501-3511. [8] Asrori, M. Z. Analisis Kestabilan Panas Polianilin dan Karakterisasinya sebagai Material Polimer Konduktif. Tesis. 1997. Depok: FMIPA UI. [9] J.L. Bredas, R. Silbeu. Conjugated Polymers. 1991. 1: 141-210. [10] Stejskal, J., Sapurina, I., Prokes, J., Zemek, J. In-situ Polymerized Polyaniline Films. Synthetic Metals. 1999. 105: 195-202. [11] Chiang, J. C., Macdiarmid, A.G. Polyaniline : Protonic Acid Doping of The Emeraldine Form To The Metallic Regime. Synthetic Metals. 1986. 13: 193-205. [12] Stejskal, J. and Gilbert, R.G. Polyaniline. Preparation Of A Conducting Polymer (IUPAC Technical Report). Pure Appl. Chem. 2002. Vol.74. No.5: 857-867. [13] Xing, S., Zhao, C., Jing, S., Wang, Z. Morphology and Conductivity of Polyaniline Nanofibres Prepared by ‘Seeding’ Polymerization. Polymer. 2006. 47: 2305-2313. [14] Elsayed, A. H., M. S. Mohy Eldin, A. M. Elsyed, A. H. Abo Elazm, E. M. Younes, H. A. Motaweh. Synthesis and Properties of Polyaniline/Ferrites Nanocomposites. International


Journal Electrochemistry Science 6. 2011: 206-221. [15] Maddu, A., Wahyudi, S. T., Kurniati, Mersi. Sintesis dan Karakterisasi Nanoserat Polianilin. Jurnal Nanosains dan Nanoteknologi. 2008. Vol.1. No.2: 74-78. [16] G.M. Do Nascimento, P. Corio, R.W. Novicks, M.L.A. Temperini and M.S. Dressselhaus. Synthesis and Characterization of Single-Wall-Carbon-Nanotube-Doped Emeraldine Salt and Base Polyaniline Nanocomposites. Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry. 2005. Vol.43: 815. [17] Arianti. Karakteristik Serapan Gelombang Mikro Material Campuran Nanopartikel BaO.6(Fe1.7Mn0.15Ti0.15O3) dan La0.8Ba0.2MnO3 Melalui Proses Pemaduan Mekanik dan Ultrasonik Daya Tinggi. Skripsi. 2014. Depok: FMIPA UI. [18] Zul, Nurlita. Polimerisasi Anilin pada Permukaan Nanopartikel Ag sebagai Pendeteksi Ion Logam Berat dalam Sistem Koloid. Tesis. 2012. Depok: FMIPA UI. [19] Puteri, Z. Pengaruh Kondisi Bulk Polymerization terhadap Ukuran Partikel Polianilin (Emeraldin Terprotonasi) serta Aplikasi Bentuk Tersulfonasinya dalam Mereduksi Cr(VI). Skripsi. 2011. Depok: FMIPA UI. [20] Asrori, M. Z., Permana, A., Sukma, D., Darminto. Pengembangan Nanokomposit PANi(HCl)-TiO2 sebagai Material Pelapis Anti Korosi. Prosiding Seminar Nasional ke-16 Teknologi dan Keselamatan PLTN Serta Fasilitas Nuklir. 2010. Hal. 275-281. Surabaya. [21] Draman, S.F.S., Daik, R., Ahmad, M. Flourescence Characteristics of Sulfonated Polyaniline Solution in DMF when Exposed to Oxygen Gas. 2006. Vol.8 No.1: 037-044. [22] John, H., Thomas, M. R., Jacob, J., Mathew, K. T., and Joseph, R. Conducting Polyaniline Composites as Microwave Absorbers. Polymer Composites. 2007. Page: 588-592 [23] Phang, S. W., Hino, T., Abdullah, M. H., and Kuramoto, N. Applications of Polyaniline Doubly Doped with P-Toluene Sulphonic Acid and Dichloroacetic Acid as Microwave Absorbing and Shielding Materials. Materials Chemistry and Physics. 2007. 104: 327-335. [24] Manawan, M. T. E. Peningkatan Sifat Magnetik dan Absorpsi Gelombang Mikro pada Sistem Nanokomposit Berpenguat Hexaferit melalui Proses Mechanical Alloying dan Destruksi Ultrasonik Daya Tinggi. Disertasi. 2014. Jakarta: FMIPA UI.


SINTESIS DAN KARAKTERISASI POLIMER KONDUKTIF POLIANILIN SEBAGAI MATRIKS MATERIAL KOMPOSIT PENYERAP GELOMBANG MIKRO

Recommend Documents