SINTESIS POLI(ESTER URETAN) YANG - Digilib

Daftar isi
Sintesis Poli(esteruretan) yang Bersifat dapat Terbiodegradasi yang Berbasis Senyawa O:Valerolakton
(M. Hasan)
SINTESIS POLI(ESTER URETAN) YANG BERSIFAT DAPAT
TERBIODEGRADASI
YANG BERBASIS SENYAWA
o-VALEROLAKTON
M. Hasan
S.1. Rahayu2, c.L. Radiman2 dan I. M. Arcana2
I Prodi Kimia FKlP Univ. Syiah Kuala
Darussalam, Banda Aceh
2 Departemen
Kimia Institut Teknologi Bandung
Jl. Ganesha No.1 0, Bandung
I,
ABSTRAK
SINTESIS POLI(ESTER URETAN) YANG BERSIFAT DAPATTERBIODEGRADASIYANG
BERBASIS
SENYAWA 5-VALEROLAKTON.
Telah disintesis poli(ester uretan) yang bersifat dapat terbiodegradasi melalui
pembentukan prapolimer poliester antara senyawa 5-Valerolakton dan 2,2 dimetil-I-3-prapandiol, dan menggunakan
4-4 diferilmetan-diisosiasianal sebagai chain extender. Tujuan penelitian adalah mempelajari pengaruh komposisi
monomer yang digunakan terhadap viskositas, bilangan hidroksil, sifat termal, dan struktur kopolimer poliester
yang dihasilkan. Pada sintesis polimer dipelajari pengaruh komposisi monomer dalam poliester sebagai poliol serta
panjang rantai prepolimer terhadap karakteristik polimer yang dihasilkan yang meliputi sifat termal, struktur, sifat
mekanik, kristalinitas dan kemampuan biodegradasinya. Hasil penelitian menunjukkan bahwa semakin tinggi
kandungan monomer 0- valerolakton dalam campuran awal komonomer maka terjadi peningkatan kandungan monomer
tersebut dalam kopolimer yang terbentuk, sehingga terjadi peningkatan titik leleh dan viskositas poliester. Hasil ini
juga didukung oleh data bilangan hidroksi poliester yang menurun seiring dengan meningkatnya kandungan
monomer tersebut. Hasil penelitian pada sintesis polimer menunjukkan bahwa telah berhasil diperoleh poliuretan
dengan karakteristik: memiliki T m dan Tgyang tinggi, amorf dan dapat dibiodegradasi oleh mikroba dari lumpur aktif
dalam media LB padat dan cairo Inkubasi dalam media Luria Bertani cair menunjukkan derajat biodegradasi yang
lebih tinggi dibanding dalam media LB padat.
Kata kunci : Poli( ester uretan), prepolimer, sintesis, biodegradasi
ABSTRACT
SYNTHESIS
BIODEGRADABLE
POLY(ESTER
URETHANE)
BASED ON COMPOUND
VALEROLAKTON. Biodegradable poly( ester urethane) has been synthesized through the formation of pre polymer
polyester between compound of 0-VL and DMP by using MDI as chain extender. Goal ofthe research was to study
the inflUence of composition of the monomer toward viscosity, hidroxyle number, thermal properties, and structure
of copolymer yielded. Through synthesis of the polymer was learned the influence of monomer composition
lactones in molecules of polyester as polyol and long chain of prepolymer for polymer characteristic yielded
including the thermal properties, structure, mechanical, and biodegradation ability. An increase of lactones compound
in mixture of comonomers, the obtained coplymer was increase of long chain of molecule and thermal properties,
and also hydroxyle number was decreased. Result of research at synthesis of polymer indicates that poly(ester
urethane) with characteristic: the highest value ofTm and Tg' amorfand can be biodegraded by active sludge has
successfully been obtained. Incubation in liquid media of LB show the highest degree biodegradation campared
than that in solid media.
cS-
Key words: Poly(ester urethane), prepolymer, synthesis, biodegradation
PENDAHULUAN
Poliester merupakan salah satu polimer
sintetik yang dapat terbiodegradasi. Hal ini
disebabkan karena dalam rantai utama polimer
ini terdapat gugus ester (-COO) yang dapat
terhidrolisis dengan baik. Poliesteryang berasal
dariturunan senyawa lakton memiliki sifat mudah
terbiodegradasi, termoplastik dan biokompatibel.
Akan tetapi poliester ini memiliki sifat termal dan
111
Prosiding Simposium
Nasional Polimer V
ISSN 1410-8720
sifat mekanik yang kurang baik [1]. Rendahnya
vakum. Monomer 8-VL dan DMP (perbandingan
sifat mekanik dan sifat termal dari poIiester
ini disebabkan polimer terse but memiliki
berat molekul yang rendah. Beberapa
poliester
dari kelompok ini antara lain
poli-~-hidroksibutirat, poli-8-kaprolakton dan
polimer yang mirip dengannya dapat dihasilkan
oleh beberapa bakteri sebagai sumber karbon dan
energi cadangan [2].
Poliester dari senyawa lakton dengan
berat molekul tinggi dapat disintesis dengan
teknik polimerisasi pembukaan cincin lakton
[3,4,5]. Teknik ini dinilai kurang ekonomis
karena menghasilkan rendemen yang rendah,
selain itu sangat sui it memisahkan an tara
produk sampingan yang dihasilkan. Oleh karena
itu untuk mensintesis po Iiester dengan sifat
mekanik dan termal yang baik perlu dicari
metode sintesisyang lainyang lebihperlu dan lebih
efisien.
Teknik polimerisasi yang lebih menarik
mensintesis polimer yang bersifat dapat
terbiodegradasi adalah melalui pembentukan
poliuretan. Poliester at au polieter yang
telah disintesis
yang memiliki
gugus
hidroksil diperpanjang rantainya dengan cara
direaksikan dengan suatu diisosinat. Pada
penelitian ini digunakan 4,4-difenilmetandiisosianat (MDI) sebagai chain extender
terhadap kopoliester yang diperoleh antara
8-valerolakton (8- VL) dan 2,2-dimetil-l,
3-propandiol (DMP).
mol = 10 : 1) selanjutnya dimasukkan ke dalam
reaktor yang telah berisi katalis, lalu divakum
selama 15menit. Kemudian dilakukan degassing
sebanyak dua kali. Setelah itu reaktor di seal
dalam keadaan vakum dan selanjutnya
dilakukan polimerisasi pada suhu 100 °e
selama 4 jam. Kondisi yang sama diulang untuk
komposisi mol 8-VL: DMP adalah 20: 1; 30: 1;
40:1 dan 50:1. Prepolimer hasil sintesis
dikarakterisasi yang meliputi: analisis struktur
dengan NMR-IH dan NMR-13e dan didukung
oleh analisis gugus fungsi dengan IR, analisis sifat
termal dengan DTA,pengukuran viskositas secara
viskometri, dan penentuan bilangan hidroksil
secara titrimetri.
METODAPERCOBAAN
Bahan
Bahan kimia utama yang digunakan
katalis kompleks distannoksan, neopentil glikol
(Aldrich), 8-valerolakton (Aldrich), nitrogen cair
(PPTN Bandung), kloroform p.a, (E-Merck),
n-heksana p.a. (E-Merck), MDI (E-Merck).
Cara Kerja
Sintesis dan Karakterisasi Prapolimer
Katalis distannoksan
diisi ke dalam
reaktor polimerisasi, selanjutnya dipanaskan
pada suhu 800e selama 4 jam dalam kondisi
112
Sintesis dan Karakterisasi Poli( ester uretan)
Prosedur sintesis poliuretan
yang
dipilih adalah metode satu tahap (one shot
technique). Prepolimer yang telah ditimbang
dengan berat tertentu (perbandingan mol
NeO : OH = 1 : 1) dimasukkan ke dalam
wadah reaksi yang ditempatkan
dalam
batch pemanas pada suhu 100oe. Setelah
prepolimer meleleh, ditambahkan
MDI
secara
perlahan-Iahan
sambi I terus
diaduk selama 90 menit hingga terbentuk
poliuretan. Selanjutnya dibiarkan selama 2 jam
pada suhu kamar. Setelah itu polimer
dimurnikan dengan menggunakan pelarut
kloroform
dan heksan. Reaksi sintesis
kopolimer poliester dapat dilihat pada
Gambar 1.
Setelah dimurnikan, polimer dikarakterisasi
yang meliputi"analisissifat termal dengan DTA,
analisis kristalinitas
dengan XRD dan
uji biodegradasi-beser~
karakterisasinya.
Perlakuanj)iodegradasi
dilakukan dengan
cara t;;.kubasi sampel
mediadengan
Luria
Berta~
padat dalam
dan cair
sumber mikroba campuran dari lumpur aktif.
Inkubasi dilakukan
pada lama waktu
yang divariasikan hingga 30 hari. Setelah
itu dikarakterisasi yang meliputi penentuan
kehilangan berat, penentuan derajat kristalinitas
dengan XRD.
S;ntes;s Poli(esteruretan}
(M. Hasan)
yang
Bersifat
dapat Terb;odegradas;
yang
Berbas;s
,
Senyawa
HASIL DAN PEMBAHASAN
•
Struktur
CAo
IT
,
.
.
r
,:'
no--CH,-CH,-CHr-CH,-;-_O_CH'_,_CH;rO_
eN,
Terbentuknya prapolimer dapat dibuktikan
secara NMR-'H (Gambar 2) dan didukung oleh
NMR-I3C (Gambar 3). Berdasarkan spektrum
pada Gambar 2 dan Gambar 3, terlihat
bahwa prepolimer dengan struktur seperti pada
Gambar 1 dapat dibuktikan. Hal inijelas terlihat
dengan munculnya puncak-puncak
pada
pergeseran kimia, 8 tertentu. seperti yang
tercantum dalam Tabel 1 dan Tabel 2.
Berdasarkan analisis gugus fungsi dengan IR
(Gambar 4) menunjukkan telah terjadi reaksi
polimerisasi
sesuai dengan reaksi pada
Gambar 1. Hasil ini ditegaskan dengan
menurunnya puncak serapan untuk gugus
8 (ppm)
1,55
3,56 --3,98
1,68
3,62
2,25
- -4,07
2,35
hidroksil
pada spektrum 0,83IR- 0,92
prapolimer
dibandingkan serapan IR untuk gugus serupa
pada spektra IR monomer DMP, dimana puncak
serapan gugus tersebut sangat tajam. Hasil
tersebutmembuktikan bahwa gugushidroksiltelah
bereaksi membentuk prepolimer.
A·".lerol.kl
bed
o..Valerolakton
2.2-dimelil·I,J·rrup."di
ii-
--r-., ......•....
__
m....
,.
•••
I'
..
....
Gambar 3. Spektrum NMR-I3C prepolimer
Tabel 1. Data pergeseran kimia untuk proton dalam
molekul poli (o-valerolakton-co-2,2-dimetil-l,
3-propandiol)
menyerap
OCH2CfuCfuCH2COO
OCfuCfu
CfuCOO
c(C!Lh
Proton
dari gugus yang
OCfuC(CH3hCfuO
Pergeseran Kimia,
Tabel 2. Data pergeseran kimia untuk karbon dalam
molekul po Ii (o-valerolakton-co-2,2-dimetil-l,
3-propandiol)
-£00
OCH2CH;Z£H2CH2
OCH;Z£H2CH2
0£H2CH2
C(£H3)2
1enis gugus karbon
0£H2C(CH3hCH3O
Pergeseran Kimia (8)
OHToH
+
•.•••
1I
d,
•••
22,0
173,0
32,0
28,0
34,0
20,0
"-{o~~o~.f."
Poh ..6""IIc:rol.klon-co-
1.2-dimC:lil·I,J ·propudiol
. oeN-o-~~~Neo-tO~oTo~n:}rLo-eH'o-!~
Gambar 1. Reaksi sintesis poli(ester uretan)
•••••••••••
.
HO-CH.-CHI-CHr-CHI-C-o--CH~-'-CHr<>CH.
...
<"
rH"
<
~
•••••
,
•..•••
~ ..•
.,
•.•.••••.
~
.••••••••.•
"'.J- .•..•
~
•.••.
":"'
•.••.•.
~
-
~
II h
<
i
-r-'.'-l"-'''~'''' "\'"·T··T·..•
•. 0
, .•
'T''''
..~ ..'.J.m
J.O
•.-._ •... ..-.-., .... r--o- ..•
1.S
,... ,
·..•.
···T···•.·
e .•
U
·'··'T---' ...·r··T ....T-·,'~,
I.'
t •••••••
(a)
Gambar 2. Spektrum NMR-'H prepolimer
113
ISSN 1410-8720
Prosiding Simposium Nasional Polimer V
.....,.~'
··'Ht ..·'r'..····f·,.,,.~.
•••••
H' ••••
h'~:1 'I· ..·+···....
:
OH f· H
••• ~ ••
(b)
... Q!I;•
,.!~
~,;a'.'.,.~
:r,J,,", .~
.
( c)
Gombar 4. Spektrum IR; (a) 8-VL; (b) DMP;
(c) Prepolimer
Pengaruh Komposisi Monomer Terhadap
Viskositas, Bilangah\ Hidroksil dan Sifat
Termal Prepolimer "-.
---
Komposisi
awal monomer sangat
berpengaruh terhadap karakteristik prepolimer
yang dihasilkan. Semakin tinggi kandungan 0-VL
dalamprepolimermaka titik leleh prepolimeryang
dihasilkan semakin tinggi (GQlJlbar5). Hasil ini
terkait erat dengan berat molekul prepolimer yang
dihasilkanyang semakin tinggi,
Demikian juga halnya dengan viskositas.
Viskositas intrinsik prepolimer yang dihasilkan
juga semakin meningkat seiring dengan
meningkatnya kandungan senyawa 0-VL dalam
prepolimer
(Gambar 6). Hasil tersebut
juga didukung oleh data bilangan hidroksil
(Gambar 7), dimana semakin menurun dengan
meningkatnya fraksi mol senyawa 0-VL dalam
rantai molekul prepolimer yang dihasilkan.
Hasil ini dipengaruhi oleh panjang rantai
molekul prepolimer yang dihasilkan, dimana
dengan meningkatnya kandungan senyawa
0-VL dalam campuran awal monomer maka
semakin panjang rantai molekul prepolimer, Oleh
karena bilangan hidroksil ditentukan olehjumlah
gugus OH bebas yang terdapat dalam setiap rantai
molekul, dan hanya terdapat dua buah gugus OH
(pada ke dua ujung rantai) untuk setiap rantai
molekul prepolimer yang terbentuk, sehingga
semakin panjang rantai molekul prepolimer yang
terbentuk maka rasio gugus OH terhadap jumlah
rantai akan menurun,
75
~ 65
w
,n 55
ca
'~
45
...:
en
:> 35
25
V-1
V-4
V-5
Gambar/6:-Pengaruh komposisi
terhadap yiskositas prepolimer
monomer
210
]I
75
e
200
190
'1:J
.2. 70
:i: 180
.s::
...:
;:; 60
j:: 55
~ 170
g' 160
~ 150
aI 140
50
130
~ 65
..J
V-1
V-2
V-3
V-4
V-1
V·5
Gombar 5. Pengaruh komposisi
terhadap titik leleh kopolimer
V-2
V-3
V-4
V-5
Komposisi Monomer
Komposisi Monomer
114
V-3
Komposisi Monomer
80
0'
V-2
monomer
Gombar 7. Pengaruh komposisi monomer
terhadap bilangan hidroksi kopolimer
Sintesis Poli(esteruretan) yang Bersifat dapat Terbiodegradasi yang Berba~is Senyawa ~Valerolakton
(M. Hasan)
.
Pengaruh Komposisi Monomer dalam
Prepolimer Terhadap Sifat Termal, dan
Kristanilinitas Poli(ester uretan)
Data rendemen hasil sintesis poli( ester
uretan) antara prepolimeryang dihasilkan dengan
MDI dapat dilihat pada Tabel3.
VL. Hal ini berkaitan dengan kemudahan rotasi
rantai molekul polimer. Dengan meningkatnya
kandungan <>- VL maka panjang rantai molekul
prepolimer yang terbentuk semakin panjang,
sehingga akan mempersulit rotasi rantai molekul
tersebut.
<>-
Tabel3. Rendemen hasil sintesis poli(ester uretan)
No
UV-5
Kode UV-l
Polimer . 81,62
UV-4
UV-3
UV-2
88,12
97,13
98,76
92,83
Rendemen (%)
i
t.T
1
Berdasarkan data pada Tabel 3, terlihat
bahwa telah berhasil disintesis poli( ester
uretan dengan rendemen yang tinggi. Hasil
ini disebabkan oleh penggunaan rasio prepolimer
dan MDI pada perbandingan mol gugus NCO
dan OH adalah 1 : 1. Dengan demikian
diperkirakan tetjadi reaksi polimerisasi yang lebih
sempurna pada perbandingan stoikiometri
tersebut.
Data analisis sifat termal poli(ester uretan)
diukur dengan DTA. Kurva DTA polimer pada
berbagai variasi komposisi monomer dalam
prepolimer selengkapnya dapat dilihat pada
Gambar 7. Berdasarkan kurva pada Gambar 8,
terlihatbahwa tidak adanya puncak endoterm yang
menunjukkan suhu leleh polimer, sedangkanyang
muncul pada kurva tersebut adalah suhu transisi
gelas, Tg dan suhu dekomposisi, Td.Data Tg dan
Tdpoli( ester uretan) selengkapnya dapat dilihat
pada Tabel4.
Tabel4. Data Tg dan Td poli( ester uretan) pada berbagai
komposisi monomer 1)-VL dan DMP
Jenis Polimer
- (OC)
296,80
304,96
68,76
79,68
94,33
309,05
294,08
286,04
Td
Tg (0C)
•
Gambar 8. Termogram DTA poli(ester uretan)
pada berbagai komposisi monomer
1)- VL
dan
Berdasarkan analisis kristalinitas polimer
dengan XRD (Gambar 9), terlihat bahwa
poli( ester uretan) yang disintesis pada berbagai
komposisi monomer bersifat amorf. Hasil ini
berkaitan dengan keteraturan rantai molekul
tersebut dalam struktur mikro polimer yang
dihasilkan, dimana sifat amorf dihasilkan oleh
struktur ruang yang tidak teratur/acak dari rantai
molekul tersebut.
!
•
Gambar 9. Difraktogram
sinar-X poli(ester
uretan)
pada
berbagai
komposisi
monomer dalam prepolimer
Hasil Uji Biodegradasi
Berdasarkan kurva pada Gambar 8 dan
Tabel4, terlihat bahwa T g cenderung meningkat
seiringdengan meningkatnya kandungan senyawa
Perlakuan biodegradasi dilakukan dengan
menggunakan sumber mikroba dari lumpur aktif
dan diinkubasi dalam media LB padat dan cairo
115
Prosiding Simposium Nasional Polimer V
ISSN 1410-8720
Data hubungan antara lama waktu biodegradasi
terhadap kehilangan berat sampel polimer dapat
dilihat pada Gambar 8.
~ 25
E
•• 20
.c
:; 15
_LB
___
CI
~
10
~
5
~
o
2
4
Padat
LB cair
6
Komposlsl monomer
dalam oligomer
Gambar 10. Pengaruh jenis media LB (padatcair) terhadap kehilangan berat sampel poli(ester
uretan pada berbagai komposisi monomer dalam
prepolimer
Berdasarkan Gambar 10, terlihat bahwa
pada komposisi 20 :1 dari monomer terjadi
kehilanganberat sampel paling tinggi. Berartipada
komposisi tersebut menunjukkan derajat
biodegradasi yang optimal.
KESIMPULAN
Poli(ester uretan) yang bersifat dapat
dibiodegradasi telah berhasil disintesis dari
kopolimer berbasis monomer dari senyawa
8-valerolakton. Karakteristik prepolimer yang
dihasilkan, seperti sifat termal, viskositas, dan
bilanganhidroksisangatditentukanoleh komposisi
monomer. Karakteristik polimer yang dihasilkan
juga sang at ditentukan oleh panjang rantai
kopolimer diantara monomer tersebut.
DAFfAR PUSTAKA
[1]. FINDLEY, R.H. and WHITE, D.C., App!.
Environ. Microbio!., 45 (71) (1983).
[2]. LORI,A.H., YURI, YS.,andRICHARDE,
A.G, Enzyme-Catalyzed Polimerizations of
I-Aprolactone: Effect of Initiator on Product
Strukture, Propagation Kinetics, and
Mechanism Macromolecules, 29, (1996)
7759-7766
[3]. DOl, Y, TANAHASYI, N., The Chemical
Synthesis of P (3HB) by Ring-Opening
Polymerization
of ®-or (S) b-D-LButyrolactone,
Macromolecules,
27,
(1991) 313 9-3146
116
[4]. JOHN, D.B., LENZ, R.W., LUICK, A.,
Ring opening polimerization; Ivin, KJ.,
Saegusa, T., Eds; Elsevier App!. Sci. Pb!.;
London, 1(7)(1984)461
[5]. LUNDBER, R.D., and COX, E.F., Ring
Opening Polymerization, Marcel Dekker,
New York (1969)