SEMINAR NASIONAL PENELITIAN DAN PENDIDIKAN KIMIA “Kontribusi Penelitian Kimia Terhadap Pengembangan Pendidikan Kimia”
SINTESIS POLI(ESTER-URETAN) DARI SENYAWA β -BUTIROLAKTON SEBAGAI ALTERNATIF POLIMER YANG BERSIFAT MUDAH TERBIODEGRADASI M. Hasan1), S.I. Rahayu2), C.L. Radiman 2), I M. Arcana2) 1) Staf Pengajar Jurdik Kimia FKIP Univ. Syiah Kuala Banda Aceh 2) Staf Pengajar Departemen Kimia Institut Teknologi Bandung
ABSTRAKS Sintesis poli(ester-uretan) dari senyawa β-butirolakton telah dilakukan dengan menggunakan katalis kompleks distannokasan. Sintesis dilangsungkan pada suhu 100 oC dan tekanan 2–5 mmHg. Monomer β-butirolakton yang akan digunakan terlebih dahulu dimurnikan dengan cara destilasi vakum. Proses sintesis dilakukan dalam dua tahap, yaitu tahap pembentukan prepolimer antara senyawa β-butirolakton dan neopentil glikol dan tahap pembentukan polimer, yaitu reaksi antara prepolimer yang diperoleh pada tahap pertama dengan difenil metana diisosianat (MDI). Karakterisasi terhadap prepolimer dan poli(ester-uretan) meliputi: analisis sifat termal, penentuan sifat fisik, dan uji sifat mekanik. Hasil penelitian menunjukkan bahwa sifat fisik seperti viskositas cenderung meningkat dengan bertambahnya kandungan monomer β-butirolakton dalam prepolimer. Demikian juga sifat termal, dimana titik leleh juga meningkat pada kondisi tersebut. Adapun sifat poli(ester-uretan) tergantung pada komposisi prepolimer dan MDI. Kata Kunci: β-butirolakton, Prepolimer, Poli(Ester-Uretan). 1. Pendahuluan Produksi plastik sebagai bahan pengemas, peralatan rumah tangga, pipa, komponen kendaraan bermotor dari tahun ke tahun semakin meningkat. Hal ini dilakukan mengingat plastik sangat praktis pemakaiannya, dibanding produk serupa dari bahan logam. Bahan baku plastik yang digunakan umumnya berasal dari polimer sintetik seperti polipropilena (PP), polietilena (PE), polivinilklorida (PVC), polistirena (PS), dan sebagainya. Polimer sintetik terutama jenis poliolefin merupakan polimer yang relatif tahan terhadap degradasi baik oleh mikroba yang ada dalam tanah maupun degradasi yang disebabkan oleh pengaruh
radiasi sinar matahari. Akibatnya semakin lama pencemaran lingkungan dari limbah plastik ini semakin meningkat dan dapat menjadi ancaman serius terhadap kelestarian lingkungan hidup. Untuk mengatasi hal ini banyak upaya yang telah dilakukan, diantaranya sampah plastik dibakar. Dalam hal ini timbul masalah baru yakni terjadinya pencemaran udara dengan dihasilkannya gas karbon monoksida (CO) sebagai akibat pembakaran tidak sempurna, disamping gas beracun lainnya, seperti gas HCN, HCl, dan lainlain. Upaya lainnya yang sedang dikembangkan yaitu membuat suatu material plastik yang mudah terdekomposisi oleh mikroba (biodegradable) dan mudah terdegradasi oleh pengaruh radiasi sinar matahari (fotodegradable).
Seminar Nasional Penelitian dan Pendidikan Kimia, 9 Oktober 2004
1
Biodegradasi polimer dipicu oleh adanya enzim yang dihasilkan oleh mikroba tertentu. Enzim inilah yang mengkatalisis reaksi hidrolisis atau dekomposisi polimer rantai panjang menjadi satuan satuan rantai yang lebih pendek. Penelitian tentang biodegradasi polimer telah menjadi topik yang sangat menarik dalam penelitian akhir-akhir ini. Hal ini disebabkan karena mikroba terdapat secara alamiah di alam terutama di tempat pembuangan sampah sehingga dapat dimanfaatkan untuk memusnahkan sampah plastik. Poliester merupakan salah satu polimer sintetik yang mudah terbiodegradasi. Hal ini disebabkan karena dalam rantai utama polimer terdapat gugus ester (-COO) yang mudah terhidrolisis. Poliester yang berasal dari senyawa lakton memiliki sifat mudah terbiodegradasi, termoplastik, dan biokompatibel. Akan tetapi kelemahannya poliester ini memiliki sifat termal dan sifat mekanik yang kurang baik[1] . Beberapa poliester dari kelompok ini antara lain poli(βhidroksibutirat) dan polimer yang mirip dengannya dapat dihasilkan oleh beberapa bakteri sebagai sumber karbon dan energi cadangan[2] . Poliuretan (PU) merupakan salah satu polimer sintetik yang sangat banyak digunakan sebagai bahan baku untuk membuat busa, cat,pelapis, elastomer dan aplikasi dalam bidang biomedik. PU yang dimodifikasi melalui penambahan gugus yang bersifat biokompatible, blood compatibility seperti unit glukosa dan asam dihidroksamat banyak digunakan dalam bidang kesehatan, yakni sebagai bahan baku untuk membuat produk seperti benang jahit operasi, organ tubuh artifisial, dan pembungkus kapsul. PU memiliki sifat yang bervariasi, mulai dari busa yang lunak sampai elastomer yang keras dan kaku. Sifat tersebut sangat ditentukan oleh rasio bagian lunak (soft segment) dan bagian keras (hard segment) dalam struktur molekulnya. Semakin tinggi rasio bagian keras maka akan semakin keras dan kaku polimernya[3] . Rasio ini sangat ditentukan oleh jenis dan komposisi diisosianat pada saat sintesis. Penggunaan 4,4-difenilmetan-diisosianat (MDI), dan toluil diisosianat (TDI) akan menghasilkan PU dengan bagian keras lebih besar, sedangkan penggunaan heksametilen diisosianat (HMDI) akan menghasilkan bagian lunak lebih besar. Penggunaan MDI akan menghasilkan PU dengan sifat mekanik dan sifat termal yang baik. Selain itu MDI lebih reaktif dibanding TDI, sehingga penggunaan MDI pada sintesis PU dapat berlangsung pada suhu yang lebih rendah
dibanding TDI dan HMDI. Akan tetapi kelemahannya polimer yang dihasilkan bersifat kaku dan getas. Penelitian mengenai sintesis PU yang dimodifikasi telah dilakukan. Chen, Z., et al[3] memodifikasi rantai utama PU dengan cara menambahkan gugus/unit glukosa untuk mendapatkan PU yang bersifat blood compatibility, yakni suatu bahan polimer yang digunakan untuk memproduksi organ tubuh artifisial, seperti jantung buatan. Rohaeli, E[4] menggunakan tapioka dan PEG serta MDI untuk mensintesis PU yang bersifat mudah terbiodegradasi. Buruiana, T., et al[5] juga telah mensintesis PU yang menambahkan segmen asam dihidrokasamat untuk mendapatkan PU yang bersifat biokompatibel dengan material lainnya. Mengingat PU merupakan salah satu polimer yang sangat luas pemakaiannya, terutama dalam bidang biomedik, maka perlu disintesis PU selain memiliki sifat termal dan mekanik yang baik, juga bersifat tidak kaku dan getas, bersifat termoplastik, mudah terbiodegradasi dan biokompatible dengan material lainnya. Hal ini dapat dilakukan dengan cara mensintesis PU secara kimia yang dapat memiliki sifat-sifat seperti di atas. Untuk itu dalam penelitian ini akan dilakukan sintesis suatu poli(ester-uretan) yang berasal dari senyawa β- butirolakton. Sintesis polimer ini dilakukan lewat pembentukan oligomer antara senyawa diol dengan senyawa lakton. Sintesis oligomer ini menggunakan katalis kompleks distannoksan. Selanjutnya oligomer yang diperoleh direaksikan dengan senyawa MDI untuk menghasilkan poli(ester-uretan).
2. Eksperimen Percobaan yang dilakukan meliputi: persiapan laboratorium, sintesis katalis kompleks distannoksan, sintesis oligomer dan karakterisasi. Karakterisasi terhadap oligomer hasil sintesis meliputi: Penentuan struktur dengan alat FTIR, penetuan sifat termal dengan alat Differential Thermal Analysis (DTA), penentuan viskositas dengan viscometer ostwald, serta penentuan bilangan hidroksi secara titirimetri. 2.1 Bahan
Seminar Nasional Penelitian dan Pendidikan Kimia, 9 Oktober 2004
2
Bahan kimia yang diperlukan ialah: dibutiltin oksida, dibutiltin diklorida, etanol 95 %, neopentil glikol, δ-valerolakton, asam oksalat, nitrogen cair, metanol teknis, kalium hidroksida, indikator phenolptalein, kloroform p.a, asam asetat anhidrida, piridin, n-heksana p.a. 2.2 Pembuatan katalis kompleks distannoksan Sebanyak 14,9 gram dibutiltin oksida (Bu2 SnO) dan 6,07 gram dibutiltin diklorida (Bu2 SnCl2 ) direfluk dalam 200 mL etanol 95 % (v/v) selama 6 jam hingga homogen dan transparan. Kemudian larutan dibiarkan di udara sampai muncul padatan putih, lalu disaring. Kristal yang terbentuk direkristalisas i dengan pelarut heksana pada suhu 0oC. Selanjutnya kristal tersebut diuji titik lelehnya. Distannoksan yang terbentuk diharapkan mempunyai titik leleh sekitar 109-121 .
2.3 Sintesis Kopolimer
2.4. Sintesis Polimer Poli(ester-Uretan) Batch pemanas yang berisi minyak parafin dihidupkan dan temperatur diatur sebesar 100 oC. Oligomer ditimbang dengan berat tertentu diisi kedalam gelas kimia, lalu dimasukkan ke dalam pemanas yang telah mencapai suhu seperti diinginkan sambil diaduk. Setelah semua kopolimer meleleh, dimasukkan MDI dengan berat yang tertentu, lalu terus di aduk sekitar 15 menit. Polimer yang terbentuk selanjutnya dimurnikan dengan menggunakan pelarut kloroform dan etanol dan dilakukan dengan cara sonikasi hingga semua pengotor larut. Kemudian disaring, residu berupa polimer dikeringkan, dan dilakukan karakterisasi. 6. Karakterisasi Karakterisasi terhadap oligomer meliputi penentuan struktur, penentuan viskositas, pengukuran sifat termal dan pengukuran bilangan hidroksi. Sedangakan terhadap polimer dilakukan penentuan sifat termal dan sifat mekanik. Struktur oligomer yang dihasilkan ditentukan dengan alat FTIR Shimadzu series 8000. Sampel diukur dalam bentuk pelet KBr dengan berat sampel dibuat konstan. Viskositas oligomer hasil sintesis ditentukan secara viskometri dengan alat viskometer Ostwald, dimana hasilnya dikonversi dari data waktu alir menjadi viskositas instrinsik. Penetuan sifat termal berupa titik leleh dilakukan dengan alat DTA. Bilangan hidroksi kopoliester yang dihasilkan ditentukan dengan metode titirimetri.
Sebanyak 0,20 g katalis distannoksan diisi ke dalam reaktor polimerisasi, selanjutnya dipanaskan pada suhu 80 oC selama 4 jam dalam kondisi vakum (tekanan 5 mmHg). Sebanyak 5,0 g δ-valerolakton dan 0,625 g neopentil glikol (perbandingan mol δ-valerolakton dan neopentil glikol = 10 : 1) selanjutnya dimasukkan ke dalam reaktor yang telah berisi katalis, kemudian dilakukan degassing sebanyak dua kali dengan cara 3. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN pengadukan dan pendinginan dengan nitrogen cair. 3.1 Data Hasil Sintesis Kopolimer dan Polimer Setelah itu reaktor di seal dalam keadaan vakum Poli (ester-uretan) dan selanjutnya dilakukan polimerisasi pada suhu o Data hasil sintesis kopolimer dapat dilihat 100 C selam a 4 jam. Kondisi yang sama diulang pada tabel 1, sedangan data mengenai sintesis untuk komposisi: mol δ-valerolakton: polimer selengkapnya ada di tabel 2. neopentilglikol adalah 20:1; 30:1; 40:1 dan 50:1. Tabel 1. Data hasil sintesis kopolimer dari monomer β-butirolakton No Perb.Mol Titik Viskositas Bilangan (BL:NG) Leleh (oC ) [η] x103 Hidroksi 1 10 : 1 ** # # 2 20 : 1 ** # # 3 30 : 1 ** 34,82 131,403 4 40 : 1 55,07 43,94 126,540 5 50 : 1 75,25 50,61 114,588 Keterangan: ** masih berwujud cair pada suhu kamar.
No
Kode
Tabel 2. Data hasil sintesis Polimer poli(ester-uretan) RendeSifat Mekanik
Seminar Nasional Penelitian dan Pendidikan Kimia, 9 Oktober 2004
Titik
3
Polimer
men (%)
Kuat Perpanja-ngan Modulus Leleh tarik (%) Young (oC) (Mpa) (MPa) 1 PU - 33 72,16 12,461 12,84 0,971 326,46 2 PU – 34 86,46 3,955 3,075 1,286 332,91 3 PU – 35 88,12 * 319,97 Keterangan: *Tidak dapat dibuat film, karena rapuh kopolimer dengan ke dua sifat ini. Kekuatan tarik polimer justeru menurun dengan meningkatnya 3.2 Struktur Kopolimer Struktur kopolimer yang dihasilkan dari fraksi monomer β-butirolakton dalam kopolimer. reaksi antara β-butirolakton dan neopentilglikol Bahkan pada pada variabel dimana kandungan mol monomer ini di atas 30:1, polimer yang dihasilkan ditentukan dengan FTIR. Berdasarkan spektra bersifat rapuh, getas, sehingga sukar dibuat film. FTIR, dapat diinterpretasi gugus fungsi yang memberikan serapan pada frekuensi tertentu. Data ini juga diperkuat oleh hasilpenentuan sifat termal, dimana titik leleh polimer semakin kecil Adapun hasil interpretasi spektra diperoleh seiring dengan meningkatnya kandungan monomer frekuensi absorpsi dan gugus fungsi yang mengabsorpsi adalah sebagai berikut: v= 3440 cm-1 β-butirolakton dalam kopolimer. Hal ini (s, -OH); v= 2954,7 dan 2877,6 cm -1 (s, C-H dari – disebabkan makin banyak kandungan senyawa CH 2-); v= 1728,1 cm -1 (s, -C=O dari R-CO-O-R), lakton dalam polimer, jumlah gugus hidroksil yang v=1473,5 cm-1(s, CH3 -C), v=1396 cm - 1(m, CH3 -C) terdapa dalam molekul tersebut semakin berkurang. dan pada v=1180,4 cm-1 (s, -CH 2-CO-O-R). Dengan demikian fleksibilitas rantai poli(esteruretan) yang terbentuk juga akan berkurang. 3.3 Pengaruh komposisi monomer terhadap viskositas, bilangan hidroksi dan titik leleh kopolimer 4.KESIMPULAN Berdasarkan data pada tabel 1, tampak Reaksi pembentukan oligomer antara bahwa viskositas semakin tinggi dengan monomer β-butirolakton dan neopentil glikol telah bertambahnya kandungan senyawa β-butirolakton berlangsung. Hasilnya yaitu terbentuknya dalam kopolimer, namun untuk komposisi 20:1 ke kopolimer blok, dimana semakin besar jumlah mol bawah viskositasnya sangat rendah, dimana hasil monomer β-butirolakton maka rantai oligomer sintesisnya masih berwujud cair, komposisi 30:1 yang terbentuk semakin panjang. Titik leleh dan berbentuk jel, sedangkan untuk komposisi 40:1 dan viskositas oligomer yang terbentuk semakin tinggi 50:1 diperoleh kopolimer berbentuk serbuk. seiring dengan bertambah besar jumlah mol βDemikian juga dengan bilangan hidroksi yang butirolakton, sedangkan bilangan hidroksi menurun ceenderung menurun seiring dengan dengan dengan meningkatnya jumlah mol monomer meningkatnya kandungan monomer tersebut. Hal tersebut. Karakteristik polimer poli(ester-uretan) ini dperkirakan terjadi pertambahan panjang rantai hasil sintesis sangat terkait dengan komposisi kopolimer karena bertambahnya kandungan monomer dalam kopolimer, dimana semakin tinggi monomer β-butirolakton.Hasil ini didukung oleh kandungan monomer senyawa lakton dalam data titik leleh yang cenderung meningkat juga kopolimer semakin rendah kekuatan tarik dan titik seiring dengan bertambahnya fraksi monomer lelehnya. dalam kopolimer. Akan tetapi titik leleh yang berada di atas suhu kamar terjadi mulai komposisi 5. Daftar Pustaka 40:1. 1. Findley, R.H., and White, D.C.,(1983). Appl. Environ. Microbiol., 45 : 71. 3.4 Pengaruh Komposisi Monomer dalam Kopolimer Terhadap Sifat Termal dan 2. Lori, A.H., Yuri, Y.S., and Richarde, Mekanik Polimer A.G.,(1996), Enzyme-Catalyzed Polimerizations of ∈- caprolactone: effect of initiator on Berdasarkan data hasil sintesis polimer product strukture, propagation kinetics, and dari kopolimer dan MDI sebagaimana tercantum mechanism, Macromolecules , 29, 7759-7766. dalam tabel 2, terlihat bahwa ada hubungan yang sifnifikan antara komposisi monomer dalam Seminar Nasional Penelitian dan Pendidikan Kimia, 9 Oktober 2004
4
3. Shen, Y., Zhiguan, S., Wifeng, Z., and Kemin, Y., (1996), Novel rare earth catalysts for the living polimerization and block copolymerization of ∈-caprolactone, Macromolecules, 29, 8289-8295.
5.Buruiana, T., Spridon, D., Buruiana, E. C., Hefco, V., Uglea, C. V.,(1999), Polyurethane based on dihydroxamic acids. Synthesis, Chemical characterization, and biological activity, J. Biomater. Sci. Polym. Edn., 10, 11, pp. 1159-1170.
4. Rohaeti, E., Surdia, N.M., Radiman, C.L.,Ratnaningsih, E., (2000), Thermal Properties of Synthesized Polyurethane from Tapioca Starch, Proc. The Sec. Int. Workshop On Green Polymers, Bandung-Bogor
Seminar Nasional Penelitian dan Pendidikan Kimia, 9 Oktober 2004
5
