ProsidingPertemuanIlrniah gains Materi 1996
POLIMERISASI TEMPEL MONOMER A~Mm PADA SERAT SELULOSA MENGGUNAKAN INISIASI PLASMAl ZUBAIDI S2
ABSTRAK POLIMERISASI TEMPEL MONOMER AKRILAMID PADA SERAT SELULOS.\ MENGGUNAKAN INISIA1,I PLASMA.. Modiflkasi serat-seratselulosatelah dilakukandengan cara polirnerisasitempeldenganmonomer-monomer akrilamid menggunakan inisiasiplasmaawa-muatanpijar (glow dischargeplasma). Seratyang digunakan dalarnpenelitianini ialah serat selulosa alarn (kapas) dan serat selulosaregenerasi(rayon viskosa, rayon kuprammonium dan rayon asetat), sedangkan monomer-monomer yang digunakanialah akrilarnid dan n-isopropilakrilamid. Proses inisiasi denganplasmaawa-muatanpijar pada serat selulosa alarn (kapas)mempunyaikereaktifandan persentempel yang lebih besar dibanding dengan serat-serat selulosa regenerasi. PenggunaanmonomerN-Isopropil akrilarnid memberikanpersen tempel yang lebih besar dibanding menggunakanmonomerakrilamid pada konsentrasiyang sarna. Serat yang telahdirnodiflkasi akanmemperolehkeuntungankeuntungan: daya anti kusut meningkat,kekuatankain meningkatsertamampudiwarnaidenganzatWarDa asarn.
ABSTRACT THE GRAFf POLYMERIZATION OF ACRYLAMIDE MONOMERS ONTO CELLULOSE FIBRES BY PLASMA. The modification of cellulosic fibres have been studied by graft polymerization using glow discharge plasma as initiator. The fibres used in this experiment were natural cellulosic fibre (cotton) and regenerated cellulosic fibres (viscose rayon, cuprammonium rayon and acetate rayon), and the monomers used in this experiment were acrylamide and n-isopropyl acrylarnide. The initiation processby glow discharge plasma onto natural cellulosic fibre (cotton) had a good reactivity and higher grafting yield than the regenerated cellulose fibres. The used of n-isopropyl acrylarnide monomer was giving higher grafting yield compared to acrylarnide monomer in the same concentration. The modified samples will gains: creaserecovery increase, tensile strength increase and able to be dyed with acid dyes.
PENDAHULUAN Prosesmodifikasimenggunakanplasma dalam waktu belakanganini banyak diminati di negara maju maupun negara berkembang, hal tersebut disebabkan karena beberapa keistimewaannya serta penggunaannyayang sangat luas. Plasma awa-muatanpijar (glow dischargeplasma)misalnya,dapatmengadakan pembentukanradikal bebas, disosiasi ikatan kimia, pembentukan ikatan silang, proses pengikisan(etching) pada permukaanpolimer dsb. Di beberapa negara maju proSes tersebut telah digunakan antara lain pada bidang elektronik, proses kimia, optik, biomedikadll. Polimerisasi tempel (grafting) dengan menggunakan plasma awa-muatan pijar telah dilakukan pada berbagai serat dan terbukti sangat efektif untuk menempelkan atau memasukkansuatu gugus /monomer pada rantai polimer serat[1]. Prosestersebut mempunyai banyak harapan bagi industri tekstil untuk proses penyempurnaantekstil,
karenadapat mengadakan reaksiYlmg lehi!l efektif, efisiensi, hemal energi dan dapat mengurangi pencemaran untuk menghadapi ekolabeling/ ISO 14000. Serat selulosa merupakan salah satu jells bahan baku utama tekstil yang cukup banyak diminati karena sifa~ya yang relatif baik. Namun beberapa kekurangan masih perlu diperbaiki. Serat selulosa alam (misalnyakapas,rami, jute dll.) maupun serat selulosa regenerasi(misalnya rayon viskosa, rayon kuprammonium,rayonasetatdll.) masih mempunyaibeberapakelemahandalam sifatsifatnya misalnyadaya tahankusut, dan tidak dapat dicelup dengan zat warna asam, zat warna dispersi dsb. Kerugiannya, kain campuran serat selulosa dengan nilon atau poliesterdan sebagainyatidak dapat dilakukJin pencelupanbersama-sama.Tujuan lain dari penelitian ill adalah memperbaiki beberapa kekurangan dari sifat tersebut dengan cara mensubstitusigugusamida pada serat.Apabila
I Dipresentasikan pada Pertemuan Ilmiah Sains Materi '96, 22 -23 Oktober 1996 2 Balai Besar Litbang lndustri Tekstil -Bandung
202
2.
sebagiangugus hidroksil disubstitusi dengan gugusamida , maka seratselulosaakan mampu di celup dengan zat warna asam. Dengan demikian kain campuran kapas-nilon dapat dicelup hanya satu kali proses saja, sehingga waktu lebih singkatdan hemalbiaya. Proses penyempurnaantekstil yang selamaini digunakanoleh industri adalahcara "Pad-Cure", yaitu kain direndam, diperas dalam resin/monomer kemudian dikeringkan selanjutnyadipanaskan. Cara ini mempunyai beberapa kelemahan seperti boros energi, efektifitas rendah, pencemaran udara dsb. euntungan menggunakancara plasma adalah dapat menghindari kerusakan/degradasi polimer serat oleh pemanasan yang bisa menurunkan kekuatan tarik kain. Hal ini disebabkan karena suhu "curing" dalam industri tekstil biasanya sekitar 200°C, sedangkandengan polimerisasi menggunakan plasma ini hanya sekitar 600 C. Selain itu penempelanmonomer akrilamid pada serat selulosa sulit dilakukan dengan cara "Pad-
Cure". Dengan proses polimerisasi tempel monomer akrilamid pada serat selulosa, diharapkan, akan memperbaikisuat seratdan sekaligus mencari proses penyempurnaan tekstil baru yang lebih bersih dan efisien.
CARA KERJA Proses inisiasi dengan plasma awamuatan pijar (glow discharge plasma) dilakukan pada tekanan 0.04 Torr dengan kekuatan listrik sebesar10 Watt pada 13,56 MHz. selama 60 detik. Selanjutnyadilakukan proses polimerisasi pada larutan akrilamid encerpadakonsentrasisampaidengan5% pada
suhu 60°C selama 60 menit. Hasil polimerisasi diambil, dibilas daD dibersihkan daTi sisa monomer dengan alat ultra-sonic kemudian dikeringkan daD ditentukan berat tetapnya dengan eksikator vakum. Persen tempel dihitung dengan rumus: Persen Tempel= (Wg -Wo)/Wo X 100%, dimana Wg dan Wo masing-masing adalah berat sesudah penempelandaD berat sebelum penempelan. Selanjutnya dilakukan pula pengujian anti kusut, kandunganair (moisture regain), kekuatan daD penodaan /daya celup dengan zat WarDa asam, daD kekuatan tariknya. Bahan Bahan seratyang digunakan terdiri dari serat selulosaalam maupunseratselulosaregenerasi yaitu: Serat selulosa alam (kapas) : [~70-2 (OH)3 ]n Seratselulosaregenerasiyang terdiri dari : a) Rayon viskosa (Serat selulosa regenerasi dari bubur selulosa santat) b) Rayon kuprammonium (Serat selulosa regenerasiregenerasi daTi bubur selulosa dalam cuprammoniumhidroksida) c) Rayonasetat,:[ C~702 (0 CO CH3)3]n Monomer 1) Monomer untuk ditempelkan adalah akrilarnid : CH2= CH -CONH2 2) Monomer n- isopropil akrilarnid CH2 = CH -CONH-CH-(CH3h
203
Alat Skemaalat dalam skalalab. dapatdigambarkansebagaiberikut
.Monomer
L SamcleI_. wat~::batn
Gambar 1
Skemaalai pembangkitplasmaawa muatanpijar daDalai polimeriSasi
BASIL PERCOBAAN: PersenTempel(grafting yield) Serat selulosa alam mempunyaibeberapa keistimewaan dibanding serat regenerasi, yaitu serat kapas mempunyai dinding serat yang tebal daD kekristalan yang lebih tinggi. Hal ini ditunjukkan pula oleh indek bias (refractive Index) serta birefringence serat
204
~~~~~:
kapas lebih tinggi sepenidisajikan pada Tabel 1. Beratjenis kapasjuga lebih tinggi yaitu 1,55 sedangkan serat rayon dan kuprammonium sebesar1,52. Demikian juga kekuatantank serat kapas sebesar3 -4,9 gidenier,sedangkanseratrayon viskosa hanya 1,5 -2,9 gidenier. Sebaliknya, serat regenerasi mempunyai kandungan air (moisture regain /MR.) yang lebih besar yaitu sekitar 13%. sedangkan serat kapas hanyasekitar8%.
Dari basil polimerisasi pada beberapa
serat selulosa tersebut, serat alam
(kapas)
mempunyai persen tempel yang paling tinggi yaitu sebesar 72,8%. Perbedaan tersebut tentu banyak ditentukan oleh sifat radikal bebas pada serat yang telah terinisiasi. Sesuai penelitian yang dilakukan oleh Tomiji Wakida ill. [4] yang meneliti sifat radikalbebas menggunakan alat Electron Spin Resonance Electroscopy (ESR) pada serat yang diekspose dalam plasma temperatur
rendah, menerangkanbahwa : radikal bebas pada serat yang berongga / amorf(misalnya rayon) akan mudah bergabung kembali dan saling menetralkan satu sarna lain sehingga akan mempunyai intensitas radikal rendah. Sebaliknya, radikal -bebas pada serat yang kristalin (misalnya kapas, rami dsb.) akan lebih stabil sehingga mempunyai intensitas radikal tinggi. Oleh karena itu dalam penelitian ini serat kapas dapat mencapai persen tempel sampai 72,8%. Dari basil
ini
dapat disimpulkan bahwa serat kapas
lebih mudah dilakukan polimerisasi tempcl dibanding serat-serat selulosa regenerasi. Dalam hal penggunaan monomer, serat-
serat selulosa-OH cenderung lebih cocok / efektif ditempel dengan monomer n-isopropil akrilamid dari pada selulosa asetat. Akan tetapi untuk monomer akrilamid cenderung sebaliknya. Hasil penempelan monomer nisopropil akrilamid dan akrilamid pada berbagai serat selulosa disajikan pada tabel 1.
Tabcl
Morfologi Serat sebelum dan sesudah polimerisasi diperiksa pennukaannya dengan menggunakan mikroskope elektron (SEM). Pengamatan dilakukan dengan SEM Hitachi S-500A pacta kekuatan 20 KV dengan perbesaran sampai 4000 kali. Hasil pemotretan permukaan serat kapas sebelum, sesudah diekspose pacta plasma awa-muatan pijar (glow discharge plasma) dan sesudah mengalami polimerisasi tempel dengan n-isopropil akrilamid disajikan pacta gambar I, 2 dan 3. Proses glow discharge plasma selain dapat menimbulkan radikal bebas pacta permukaan juga menimbulkan pengikisan permukaan (etching). Dibanding pengikisan pacta serat poliester yang dilakukan pacta penelitian sebelumnya [ I J, pengikisan pacta serat selulosa (kapas) tidak terlihal banyak pengikisan. Terdapat kecenderungan bahwa polimer / serat-serat yang amorf (lunak) lebih sulit terjadi pengikisan dibanding seTal yang kristalin (keras). Permukaan pacta serat yang Lelah dipolimerisasikan lerdapat lapisan akrilamid yang dapat mempengaruhi sifatsifatnya. Tebal dan tipisnya lapisan bergantung pacta waktu polimerisasi yaitu makm lama waktu polimerisasi makin makin besar pula persen tempelnya.
Hasil pencmpclanmonomer N-isopropil akrilamid dan akrilamid padakonsentrasi(5%) padabcrbagaiserat.
205
sandang karena dapat mempengaruhi kenyamanan dalam pemakaian. MR suatu
ZUBAIDI, ~er:lt Ser
Gambar2.Permukaanseratkapassebelum dilakuk~nprosesinisiasi (perbesaran
Gambar 4. Kapas-akrilamid 1,46% (perbesaran
2000X)
4000 x)
Gambar3. PermuukaanseTalkapassesudah mengalamiinisiasi denganplasma (perbesaran4000 x)
206
Gambar 5. Kapas-n-isopropil akrilamid 72,78% (perbesaran 2000X)
and Water Ethanol Sepatarion Characteristics of The PrOductFilm. The Societyof Materials Scienceof Japan, Kyoto -Japan 1990. 9. Antistatic Finish of PolyesterFabrics by Plasma Graft Polymerization., Sen -I Gakkaishi, Vol 43 NO 12 (1987). 10. BIEDERMAN, Y.OSADA, Plasma Chemistryof Polymers,1989
Serat* -+ M -+ Serat -M* Serat -M* -+ Serat -M-M* Serat -M*M + M -+ Serat -M-M-M* dst.
DISKUSI Tanya: Apa alasanpemilihan m\.>nomer akrilamid dan Nisopropil akrilamid Bagaimana cara preparasi cuplikan, apakah semuapermukaanbenangterkena plasmasehinggaaktif
1 2.
Sudaryanto Jawab: I. Dengan adanya gugus akrilamid maka serat bisa dicelup/diwarnai denganjenis zat WarDaasam 2. Sampel diletakkan ditengah-tengah dan dieksposedari semuaarab Tanya: 1. Mohon dijelaskan berapa derajat konversi yang maksimurndari perconbaanini 2. Berapapeningkatansudutpemulihanyang paling baik untuk meningkatkankekuatan bahanyangdicoba
MargaUtama Jawab: 1. Prosesmeliputi tiga tahap: lnisiasi ~ propagasi ~ terminasi Besarnyapenempelandihitung berdasarkan: [(Wp-Wo)/Wo] X 100% Wp = beratsesudahpolimerisasi W0= berat sebelumpolimerisasi Persentempelpadakapaspadakonmsiyang dilakukansebesar1:72 % 2. Sudutkembali sebelumpolimerisasi1300 Sudutkembalisesudahprosesmenjadi 150 0 ~ jadi dayatahankusut kain meningkat.
Tanya:
1. Mengapa persen tempel melebihi angka 100% 2. Bagaimanamekanismepolimerisasitempel yang terjadi
Sudinnan
208
Jawab: 1. Persentasetempel akan berjalan sesuai garis linear, makin lama waktu polimerisasipersentempelmakin besar. 2. Seratyang mempunyairadikal bebasakan bereaksi dengan salah sam monomer, selanjutnya mengikat lagi/tumbuh (propagasi
