Aplikasi Isotop dan Radiasi. J 996
KARAKTERISTIK KOPOLIMER TEMPEL LDPE-g-PDMAEA Mirzan T. Razzak*, A. Widadi**, Darsono*, dan Siti Soedarini**
.
Pusat Aplikasi
Isotop dan Radiasi,
BAT AN
.. Jurusan Kimia. Universitas Indonesia
ABSTRAK KARAKTERISTIK KOPOLIMER TEMPEL LDPE-g-PDMAEA. Studi penempelan N.N-Dimetilaminoetilakrilat (OMAEA) pada film polietilen kerapatan rendah (LOPE) dengan teknik radiasi simultan telah dilakukan. Beberapa sifat dan karakteristik dari kopolimer tempel LOPE-g-PDMAEA seperti spektroskopi inframerah, mikroskop elektron, siCat hidrofilisitas, konduktivitas listrik, siCatmekanik, dan kestabilan kimia juga dipelajari. Modifikasi secara kimia dilakukan dengan cars saponifikasi gugus ester akrilat menjadi garam akrilat. Perbaikan dari sifat yang diamati menunjukkan bahwa kopolimer tempel hidrofilik ini dapat diaplikasi secara praktis, misalnya sebagai membran polimer sintesis atau biomaterial.
ABSTRACT CHARACTERISTIC ation grafting
OF THE
LDPE-g-PDMAEA
of N,N-dimethylamineethyl-acrylate
Some properties tron microscope,
(OMAEA)
GRAFT
COPOLYMER.
onto low density
A study on the simultaneous
polyethylene
films (LOPE)
and characteristic of the LOPE-g-POMAEA graft copolymer such as infra-red spectroscopy, hydrophilic properties, electrical conductivity, mechanical properties, and chemical stability
radi-
has been made. scanning elecwere also stud-
ied. Chemical modification by saponification reaction was done to convert the ester acrylates into their acrylate salts. An improvement in these properties was observed which makes prossible to use these hydrophilic graft copolymers in some practical application
such as synthetic
polymeric
membranes
or biomaterials.
PENDAHULUAN Kopolimerisasi tempel merupakan salah satu cara untuk memodifikasi sifat kimia daD fisika daTi bahan polimer, diantaranya untuk mendapatkan bahan membran maupun bahan polimer fungsional yang dapat digunakan dalam bidang kedokteran. Pada umumnya, polietilen (PE) dan polimer yang mengandung gugus floc seperti Polietilen Fluoro Etilen (pTFE) banyak digunakan sebagai bahan dasar polimer yang akan dimodifikasi, karena mereka memiliki sifat mekanik, kestabilan termal daD kimia yang baik, daD dapat menginduksi reaksi kopolimerisasi tempel jika diiradiasi (I). Penempelan monomer viml dan monomer akrilat pada polietilen dan polimer yang mengandung gugus floc telah dilakukan serta suat dan karakteristik dari kopolimer tempel yang dihasilkan dipelajari secara seksama (2-{). Dalam makalah sebelumnya (7), telah dilaporkan kinetika radiasi kopolimerisasi tempel DMAEA dengan film LDPE, berikut ini dilaporkan beberapa sifat daD karakte-ristik dari kopolimer tempel Polietilen daD dimetilaminoetil-akrilat (LDPE-g-PDMAEA) tersebut.
BAHAN DAN METODE Bahan. Film kopolimer tempel polietilen daD dimetilamino-etilakrilat (LDPE-g-PDMAEA) dibuat
dengan jalan radiasi simultan monomer N,N-Dimetilaminoetilakrilat (DMAEA) pada polietilen kerapatan rendah (LDPE). lradiasi dilakukan pada dosis 5, 10, 15, dan 20 kGy dengan laju dosis 5 kGy/jam (7). Bahan kimia lain berupa pelarut kualitas analisis langsung digunakan tanpa pemurnian lebih Ianjut. Saponifikasi Kopolimer Tempel. Kopolimertempel yang sudah bersih direaksikan dalam KOH 2,5%, kemudian dipanaskan selama 10 jam pada subu 80-90. C untuk mengubah gugus ester akrilat menjadi garam kalium akrilat. Kadar Penyerapan Air. Sampel yang telah diketahui beratnya direndam dalam air destilasi pada subu ruang, sehingga kesetimbangan penyerapan air tercapai (umumnya sampai 24 jam). Sampel dipindahkan daD kelebihan air dihilangkan dengan kertas saring. Kadar penyerapan air dihitung dari kenaikan berat saat basah.
-
S (%) = (Ws Wg)/Wg x 100 di mana: S
=
adalah kadar penyerapan air
Ws = adalah berat film basah Wg
=
berat film kering
Pengukuran Sudut Kontak Air. Sudol kontak antara air dengan sampel diukur dengan Face Contact Angle Meter (KYOWA) pada suhu mango Pengukuran dilakukan pada selang waktu 30-60 detik setelah penetesan air.
Apbu,6i /6otOp don Radiasi, /996
Sifat Mekanik. Pengukuran kuat tarik (TB) dan .ur putus (Ea>dilakukan dengan menggunakan Instron, tcstCl 1122. Spektroskopis Inframerab. Sampel LDPE dan LDPE-J-PDMAEA berupa f1lmtipis yang trasparan, maka umpellangsung ditempatkan pada tempat sampeI. Spektrum inframerah film LDPE dan LDPE-g-PDMAEA diukur cknpn menggunakan spektrofotometer IR-Hitaehi pada bilaDpn gelombang antara 500-4000 em-I. Konduktivitas Listrik. Sampel kopolimer tempel clikondisikandalam KCl3N selama 10jam pada suhu 8090°C. Resistansi listrik diukur dalam KCl 3N pada sOOu ruang dengan menggunakan Ohmmeter. Kestabilan Kimia. Tes kestabilan kimia dilakukan clcngan merendam sampel pada beberapa asam (asam uetat ~ N dan HCI 5 N) dan basa (KOH 5 N) selama 48 jam, dan persentase berat yang hilang pada sampel film ditentukan. Pengamatan Mikroskop Elektron. Confab sampel dipotong dengan ukuran 0,5 em x 0,5 em ditempel pada tempat sampel, dilapisi emas (-400 A) dalam vacuum jar lalu dilakukan pengamatan dengan menggunakan alat Scanning Electron Microscopy (SEM) buatan JEOL JSM-T3oo.
HASD.. DAN PEMBAHASAN Spektroskopi JR. Spektra inframerah dari film LDPE asli dan film LDPE-g-PDMAEA dapat dilihat pada Gambar 1. Terlihat adanya penambahan pita-pita serapan di 3500, 1720, 1580, dan 1180 em-I. Bilangan gelombang di 3500 em-Idan 1580 em-Imerupakan serapan vibrasi uIur O-H daD vibrasi ulur N-H yang menunjukkan adanya ikatan hidrogen ~O. Serapan utama pada kopolimer tempel ini terlihat pacta serapan vibrasi uIur c=o di 1720 em-I daD vibrasi uIur C-O di 1180 em-'. Hal ini menunjutbn bahwa DMAEA yang mempunyai gugus fungsional scsuai telah menempel pada polimer dasar LDPE. Silat Hidrofilisitas. Film polietilen setelah ditempet clcngan gugus yang bersifat hidrofilik mempunyai kemampuan untuk menyerap air atau pelarut polar lainnya. Sifat hidrofilisitas kopolimertempel LDPE-g-PDMAEA dapat dilihat dari sifat pemQasahan (sudut kontak air) clan kadar penyerapan (absorpsi) air. ' Pada Gambar 2 terlihat penurunan, sudut kontak air dengan bertambahnya kadm' pencropelap, yang menunjukkan bertambahnya hidrofilisitas permukaan pOlimer. Setelah saponifikasi sudut kontak kopolimer menurun, disebabkan oleh solvasi air yang besar pacta gugus ion karboksilat. Pada Gambar 3 terlihat bahwa kenaikan kadar penyerapan air sejalan dengan bertambahnya kadar penempelan. Kadar penyerapan air tidak dipengaruhi oleh kondisi-kondisi pereobaan, tetapi dipengaruhi oleh kadar penempelan. LAWLER dan CHARLESBY (8), mempelajari penempelan asam akrilat pada polietilen dengan teknik radiasi simuItan dan menemukan kadar penyerapan airnya Dolpada kadar penempelan kurang daTi 15%, sedang HEGEZY (9), mendapatkan kadar penyerapan air sekitar
u.
40% pada kadar penempelan kurang dari 20% pada penempelan NVP pada film LDPE dengan teknik yang sarna. Pada studi ini. kenaikan kadar penyerapan air eenderung linier pada kadar penempelan kurang dari 20%. Setelah saponifikasi. kadar penyerapan air bertambah karena solvasi air pada gugus ion karboksilat. Konduktivitas Listrik. Konduktivitas listrik yang tinggi merupakan karakterisasi utama pacta membran penukar ion, sedangkan untuk biomaterial konduktivitas listrik yang tinggi tidak diperlukan. Adanya sifat hantaran listrik disebabkan oleh adanya gugus yang ionik atau gugus yang polar. Polietilen mempunyai konduktivitas listrik yang kecil (- 10-16n-Iem-I). tetapi setelah penempelan, mempunyai koduktivitas listrik yang besar. Gambar 4 memperlihatkan bahwa konduktivitas listrik meningkat dengan bertambahnya kadar penempelan. Fakta tersebut menunjukkan bahwa proses penempelan berawal daTi kedua permukaan film LDPE masuk sampai ke bagian tengah film. Homogenitas tercapai pada kadar penempelan di alas 20%. di mana konduktivitas listrik cenderung konstan. Setelah saponifikasi, konduktivitas listrik lebih besar dibandingkan dengan sebelum disaponifIkasi, karena perubahan gugus ester akrilat menjadi garam kalium akrilat (-COO- K+)yang bersifat ionik. ELLINGHORST, ~!!t. (9), membuat membran penukar ion dengan teknik penempelan monomer N,N-dimetilaminoetilakrilat (DMAEA) pada film AFLON (COP 1FEIED) secara radiasi daD mendapatkan bilangan transpor dan konduktivitas listrik yang optimum pada kadar penempelan an tara 40-60%. Pacta studi ini basil yang didapat memungkinkan pula penggunaan kopolimer tempel ini sebagai membran penukar ion. Sirat Mekanik. Sifat mekanik polimer yang baik sangat diperlukan pada aplikasi praktis. Pada penelitian ini sifat mekanik yang ditunjukkan oleh pengukuran kuat tarik (Ts) daD mulur putus memperlihatkan penurunan jika dibandingkan dengan Ts daD Eb polietilen sebelum penempelan. Gambar 5 daD 6 memperlihatkan penurunan Ts dan Eb pada kopolimer tempel LDPE-g-PDMAEA dalam keadaan kering clan basah dengan bertambahnya kadar penempelan. Pacta kadar penempelan di alas 20% Ts dan Eb dalam keadaan kering eenderung konstan. Dalam keadaan basah Eb lebih besar dibandingkan dalam keadaan kering, sedangkan pada Ts eenderung tetap. Setelah saponifikasi Ts daD Eb dalam keadaan kering dan basah lebih kecil dari sebelum saponiflkasi, disebabkan pengaruh pe11lanasandan perubahim,struktur molekuI. Kestabilan Kimia. Tabel I menunjukkan penurunan berat kopolimer tempel LDPE-g-PDMAEA tanpa perlakuan daD saponifikasi, setelah direndam dalam HCI. asam asetat. dan KOH selama 48 jam. Polietilen mempunyai kestabilan kimia yang baik pada beberapa bahan kimia dan setelah penempelan kestabilan kimianya masih cukup baik. Kestabilan kimia yang baik sangat diperlukan pada aplikasi praktis. Pengamatan Mikroskop Elektron. Gambar 7a memperlihatkan permukaan LDPE sebelum penempelan. Gambar 7b clan 7c menunjukkan perubahan permukaan film LDPE setelah penempelan, daD terlihat dengan
Aplikasi Isotop don Radiasi. 1996
3. ISHIGAKI,I., et. at, Graft polymerization of acrylic acid onto polyethylene film by preirradiation method, Journal of Applied Polymer Science 27 (1982) 1033.
pelarot aseton permukaannya lebih halos dibandingkan dengan pelarot etilasetat. Setelah saponifikasi, permukaan cenderong menjadi halus dan terbentuk pori-pori yang asimetrik (Gambar 7d).
4. YASUDA, H., and LAMAZE, C.E., Ionic reverse osmosis membrane of grafted polyethylene, Journal of Applied Polymer Science 15 (1971) 16650.
Tabel 1. Kestabilan kimia kopolimer tempel LDPE-g-PDMAEA setelah direndam dalam beberapa bahan kimia selama 48 jam Asam Asetat Kadar 5N (%MT) fuaftinsz (%) Tanpa Saponi Saponi fikasi fikasi
HCI5N (% IL\W)
5. RAO ZHIGONG, et. al., Gas-phase and liquid-phase preirradiation grafting of AAc onto LDPE and HDPE films for pervaporation membranes, Radiat, Phys, Chern. 19 (1992) 121.
KOH 5N (%IL\W)
Tanpa Saponi fikasi
Saponi fikasi
Tanpa Saponi Saponi fikasi fikasi
0,01 0,02 O,ll 0,12
0,02 0,02 0,08 0,09
0,00 0,00 0,01 0,01
6. RAZZAK, M.T., OTSUHATA, KK., and TABATA, Y., Modification of natural robber tubes for biomaterials. II. Radiation-induced grafting ofN,N-dimethylamino-ethylacrylate (DMAEA) onto natural rubber (NR) tubes, Journal of Applied Polymer Science 38 (1989) 829.
-----
0 18 22 32
0,00 0,00 0,05 0,35
0,00 0,01 0,03 0,02
0,00 0,00 0,00 0,00
7. WIDADI, A., RAZZAK, M.T., DARSONO, dan SOEDARINI, S., "Studi kinetika iradiasi kopolimerisasi tempel N-N-Dimethylaminoetil akrilat (DMAEA) pada film polietilen", Aplikasi Isotop dan Radiasi Dalam Bidang Industri, Pertanian dan Lingkungan (Risalah Pertemuan Ilmiah Jakarta, 1993), BATAN, Jakarta (1994) 95.
KESIMPULAN Dari hasil karakteristik tersebut memungkinkan film LDPE-g-PDMAEA dapat dipakai sebagai membran penukar ion.
8. LAWLER, J.P., and CHARLESBY, A., Grafting of acrylic acid onto polyethylene using radiation as initiator, Radiat, Phys. Chern. 15 (1980) 595. 9. HEGAZY, E.A., et. aI., Study on radiation grafting of acrylic acid onto fluorine-containing polymer, Journal of Applied Polymer Science, 26 (1981) 3871.
DAFfAR PUSTAKA I. RAZZAK, M.T., Radiation grafting studies on the modification of fluoropolymers and natural robber for biomaterial, Pill Dissertation, University of Tokyo (1988).
10. ELLINGHORST,G., et.al., Radiation initiated grafting of polymer film an alternative technique to prepare membrane for various separation problems, Radiat. Phys. Chern. 22 (1983) 22.
2. TABBADOR, S.H., FAZILAT, F., and GOULOUBANDI, R., Preparation of cationic membrane of polyethylene film by gamma-irradition, J. Macromol Scien. Chern. Al3 8 (1979) 1213.
..,.
- ... ._.A -
N
i.. Lh.fi..&.f~l ,,4;~1"":;. -OC-\!'.~'...s ~;~I';',. f'~'~ VT A A " J.. 1.:. ;";_1. ;,,) ~5 ;-:(:t~'~ "
l\H""'o('
~~~
.
~
.
F?l-BATAN
Aplikasi [solop dan Radiasi. J 996
100,
/-
-~"\.
.f'" ".'
,
1 1 I I I
,
,!" "
,I
'0.
, {
I
,I
I
i,1 1 , " I ,
-
I \
"
28.
T
\, \ I II
Go.
111"
r/"('"""'"
I I I
,-'
\1
I:)I
/' I
~
II
I
(',
'
I
III \ I I \ 0
I' -, ,I II II II II 1/
"oor,, ,.
(
V
(I (' II r
Ii
\1
.,..,., "
;
I
~
,.
(JVVVV' .,.1,111'1':
~
.
,I
&G,
'
0
I~"
I'
h
I
I'
/,--
,\
1,1
-\
\
loJ
., :L-
'
.\ ( J
,-
,
' I I "'. ,'.," I \' I "I' I \' I I \ I I I :1,' " \ I II 1I"0 \ \1 I
!
,
;,n
-,
T "I~.O.(.
,-,O",,,',
'~... (,
Gambar I. Spektrum inframerah film LOPE daD film LDPE-g-PDMAEA
100. 40r
, ,"""
"t
//
30
/"
A/a.
~ ':'
,
.I
25
'~ I:: CI:I
~ '-' ...
.~
go ...
20
~
161-
:I
Q)
~
0. Q)
]
/
...
;/
...
.g
.g
~
==' 00
0
6
1
1
101-
I
/[;:] .. /:>-"
/~;l
'"
pI
~
.
..//
i
'r}/ J( "" " " " " " """"'11"
10
0
~
-
8
10
18
20
'" 28
30
"" 38
III
jj ~O
Kadar penempelan (%)
Kadar penempelan (%)
Gambar 2, Kurva hubungan sudut koDiak air dengan ka-
Gambar 3, Kurva hubungan kadar penyerapan air dengan kadar penempelan 0 = tanpa perlakuan; !!.= saponifikasi
dar penempelan t:I = tanpa perlakuan:
~ = saponifikasi
Aplikasi Isotop dan Radiasi. 1996
800
.. tBOr 160
~
a s'" 0
~
---
iOO
,~IJ <100
Ac:
~
-, 500 ::I --""
E'" ;:::
.0
q
.'AOO
./
~
.
l
.~
~ 'g
1
~
~
Jt.)
I
0
/;'
I /
]
1
~
..... ""
!l
100
'-.~\-
<10"
",fr--f'-~ "-
20
.0
JO
.10 ,. 'J;
c..
~ ::::E
. [""7':::' Q A
-, 100
60
0
Kadar penempelan
~: P-
-, ~OO
20 ,.
~ ~
'13 "A-,
--J1
10
't!. ,...::
LL.LLLlJ...LLJ..!
..
0
(%)
10
20
JO
0 ~O
Kadar penempelan (%) Gambar
4: Kurvasemi-loghubungankonduktivitaslistrik dengan kadar penempelan 0 = tanpa per-
Gambar 5. Kurva hubungan Ts daD Eb dengan kadar penempelan dalam keadaan kering 08 = tanpa perlakuan; AA = saponifikasi
lakuan; A = saponifikasi
100
--
~
""8(;0
100 TOO 1.10"
I'
"'.
"'s
~ ~
I" too~ I'
I
,...::
~
60"'
~
~O
'-'
a
.... .... ""
~
,-
1
.
120 I-
I
~
"
I
..
I
. .IUO
""'~""...,. ~'~
:JUO
'200 ...
'-"---4
0 LJ...I..J..J..J.UJ..J...LU..I..LLU J.1..Ll.J-,-.J..LLUJ..LL 0 10 20 JO
~
0
J§
~
a'" S.
'2
~o,. 20"
"eo
JSCO
E
~
100
.0
0
Kadar penempelan (%) Gambar 6. Kurva hubungan Ts daD Eb dengan kadar penempelan dalam keadaan basah C8 = tanpa perlakuan; 11A.= saponifikasi
Apli,",si /sotop dan Radiasi, 1996
Gambar 7a. Foto rnikrograf elektron permukaan film LDPE
//
/
Gambar 7b. Foto mikrograf elektron permukaan film LDPE-g-PDMAEA, kadar penempelan 32%, pelarut aseton, 1000 x
ISl
Aplikasi
Gambar 7c. Foto mikrograf elektron permukaan film LDPE-g-PDMAEA, nempelan 32%, pelarut etil asetat, 1000 x
kadar pe-
Gambar 7d. Foto mikrograf elektron permukaan film LDPE-g-PDMAEA, kadar penempelan 32%, pelarut etilasetat setelah disaponifikasi dengan 2,5% KOH, 1000 x
Jsotop
d41l Radiosi.
J 996
Aplikasi Isotop dan Radiasi. 1996
DISKUSI
ERIZAL Hal apakah yang mendasari kesimpulan Anda bahwa kopolimer LDPE-g-PDMAEA dapat digunakan untuk membran penukar ion, padahal Anda tidak membicarakan (menyinggung) masalah karakter polimer yang dapat digunakan untuk membrane penukar ion (apakah cukup hanya dengan adanya pori-pori)? DARSONO Konduktivitas listrik yang tinggi merupakan karakterisasL utama membrane penukar ion daD kestabilan terhadap bahan kimia, serta penyerapan air yang tinggi. Film LDPE-g-PDMAEA dengan kadar penempelan 32% temyata dapat menyerap air kurang lebih 35% dengan demikian LDPE-g-PDMAEA adalah polimer yang hidrofilik serta setelah saponiftkasi konduktivitas listriknya meningkat. Jadi, bukan atas dasar pori-pori, karena membrane penukar ion bukan untuk filter/penyaring. ISNI M. Pada Gambar 4, terlihat konduktivitas listrik dari LDPE-g-pDMAEA lebih besar daripada yang tanpa perlakuan (saponifikasi) mohon dijelaskan? DARSONO Setelah saponifikasi, konduktivitas listrik lebih besar dibandingkan sebelum disaponifikasi, karena perubahan gugus ester akrilat menjadi garam kalium akrilat (COOK) yang bersifat ionik.
,
DARMAWAN Anda tadi mengatakan bahwa absorpsi air tidak bergantung pacta kondisi percobaan, tetapi hanya bergantung pada dosis radiasi. Apakah pacta penelitian ini telah
""
dilakukan pengaruh suhu, misalnya terhadap daya absorpsi air dari kopolimer tempel ini, karena beberapa kopolimer temyata bersifat termosensitif seperti NIPAAm daD lainlain. Pacta temperatur berapa absorpsi air dilakukan?
DARSONO
Nilai adsorpsi air bergantung pacta besar kedlnya derajat penempelan, sedangkan derajat penempelan dipengaruhi oleh dosis radiasi. Pacta percobaan ini tidak dilakukan pengaruh suhu terhadap absorpsi air kopolimer tempel LDPE-g-PDMAEA. Pengujian absorpsi air tersebut dilakukan pacta suhu kamar.
HERWINARNI I. Apa beda kopolimer tempel LDPE-g-PDMAEA memakai radiasi dengan kopolimer tempel LDPE di-grafting secara konvensional? 2. Sebagai standar karakterisasi kopolimer tempel LDPEg-PDMAEA dipakai standar apa?
DARSONO I. LDPE-g-PDMAEA yang dibuat secara radiasi berarti pembuatannya dilakukan dengan menggunakan radiasi pengion. Dalam hal ini dapat dilakukan dengan teknik radiasi simultan, pra-iradiasi ataupun pra-iradiasi dalam lingkungan oksigen (pra-iradiasi peroksidasi), sedang LDPE-g-PDMAEA yang dibuat secara konvensional berarti dibuat melalui reaksi kimia dengan bantuan energi panas daD katalis. Mengenai sifat kopolimer seharusnya adalah sarna. 2. Karakterisasi kopolimer tempel LDPE-g-PDMAEA" dapat dilakukan dengan pengukuran spektrum IR yang dapat menunjukan gugus fungsi DMAEA (gugus karbaril dan gugus amine).
