BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Hidrogel Superabsorben

Hidrogel adalah makromolekul polimer hidrofilik yang berbentuk jaringan

berikatan silang, mempunyai kemampuan mengembang dalam air (swelling), dan

memiliki difusi air yang tinggi (Erizal dkk., 2009). Sifat hidrofilik dari hidrogel

dipengaruhi oleh adanya gugus hidroksil, gugus karboksil, gugus amida,

sedangkan sifat ketidak-larutan dalam air dipengaruhi oleh struktur tiga dimensi

dari hidrogel (Tamat dkk, 2008).

Sifat biologis hidrogel berdasarkan asalnya dapat dibedakan menjadi

hidrogel alami dan hidrogel sintetik. Komponen utama hidrogel sintetik adalah

monomer/polimer sintetik. Apabila ditinjau dari sifat biologisnya, hidrogel yang

diperoleh dari hasil sintetis maupun yang dari alam dapat bersifat biodegradable

(dapat diurai oleh alam), non-biodegradable (tidak dapat diurai oleh alam) dan

bio-erodible (dapat terkikis oleh alam). Hidrogel biodegradable umumnya berasal

dari senyawa alami, misalnya asam amino dan turunannya yang mudah dicerna

oleh enzim sedangkan hidrogel non-biodegradable biasanya terbentuk dari

senyawa sintetik. Hidrogel bio-erodible adalah salah satu jenis hidrogel yang turut

terkikis dalam proses pemakaiannya (Tamat dkk, 2008).

Hidrogel yang merupakan polimer yang memiliki karakteristik hidrofilik

(menyukai air) ini disebabkan oleh kehadiran dari gugus fungsi yang bersifat

water-solubizing, seperti gugus –CONH yang dimiliki akrilamida. Ketika hidrogel

dimasukkan ke dalam air akan terjadi interaksi antara polimer dengan molekul air.

Penggembungan pada polimer terjadi dari keseimbangan antara gaya dispersif

yang terjadi pada rantai hidrasi dan gaya kohesif yang menyebabkan SAP lebih

rapat sehingga mengurangi penetrasi air ke dalam jaringan. Gaya kohesif ini

disebabkan oleh ikatan kovalen crosslinking (Elliott dalam Abidin dkk, 2012).

Bentuk hidrogel menyerupai air karena polimer tersebut hampir seluruh

bagiannya mengandung air, karena sifat yang unik tersebut, hidrogel ini

6

mempunyai potensi aplikasi yang luas sebagai bahan penyerap urin pada popok

bayi (Barleany dkk, 2013), Plester penurun demam (Darwis dan Hardiningsih,

2010), Pembalut Luka bakar (Erizal, 2008), Matriks Controlled Release Fertilizer

(Basuki dkk, 2013), Adsorpsi Ion Logam Cu2+ dan Fe 3+ (Erizal dkk, 2011) dan

dan sebagai media tanam untuk tanaman cabai kering (Startly, 2012).

2.2 Akrilamida

Akrilamida adalah salah satu jenis monomer hidrofilik yang merupakan

bahan baku paling popular untuk pembuatan polimer superabsorben

poliakrilamida (PAAM). Polimer PAAM juga mempunyai beberapa kelemahan

seperti kemampuannya dalam menyerap air (swelling) terbatas dan merupakan

homopolimer dengan sifat fisik yang relatif rendah, sehingga pengembangan

aplikasinya juga terbatas. Selain itu, polimer sintetis seperti PAAM tidak ramah

lingkungan. Penambahan zat lain sangat diperlukan untuk menaikkan sifat

swelling dan sifat fisiknya (Irwan dkk, 2013).

Apabila ditinjau dari struktur kimianya, akrilamida (AAM) yang

merupakan monomer dengan berat molekul yang relatif kecil serta adanya gugus

ikatan rangkap yang peka terhadap iradiasi membentuk ikatan silang, maka AAM

memiliki kepekaan terhadap iradiasi. AAM pertama kali akan berubah menjadi

PAAM dengan melalui tahapan-tahapan inisiasi, propagasi dan terminasi. Pada

tahapan inisiasi AAM akan membentuk radikal bebas, kemudian bereaksi satu

dengan lainya membentuk dimer. Selanjutnya, dimer ini mengalami reaksi lebih

lanjut membentuk polimer (tahap propagasi), dan akhirnya pada tahap terminasi

polimer membentuk ikatan silang satu dengan lainnya dengan struktur jaringan

yang tertentu (Erizal dkk, 2007).

Penelitian yang telah dilakukan Deni Swantomo,dkk (2008) tentang

pembuatan komposit polimer superabsorben menggunakan monomer akrilamida

dan zeolit alam dengan variasi dosis iradiasi 15; 25; 28; 35; 48 kGy dan

perbandingan akrilamida terhadap zeolit 0,5 : 1; 1 : 1; 2:1. Hasil yang didapat

yaitu dengan besarnya perbandingan akrilamida-zeolit dan bertambahnya dosis

7

iradiasi akan meningkatkan konversi komposit yang dihasilkan dan kapasitas

absorpsi polimer superabsorben. Penambahan dosis iradiasi akan menurunkan

kapasitas absorpsi jika ikatan polimer telah sempurna.

Penelitian erizal dan sunarni (2009) tentang sintesis hidrogel

superabsorben telah dilakukan dengan teknik iradiasi sinar gamma pada suhu

kamar dari akrilamida (AAM) dan asam akrilat (AA). Larutan AAM–AA dengan

konsentrasi AA yang bervariasi 0,25% hingga 1% dipapari iradiasi sinar gamma

pada dosis 20 kGy hingga 40 kGy. Hasil evaluasi menunjukkan bahwa fraksi gel

~100 % serta rasio swelling maksimum ~350 g/g diperoleh dari hasil iradiasi

sinar gamma pada dosis 20 kGy dan konsentrasi AA 0,75 %.

Salim dan suwardi (2009) juga telah mensintesis kalium akrilat dengan

penambahan variasi larutan akrilamida-MBA (metilen bis-akrilamida) dan juga

larutan kalium persulfat-SMBS (sodium metabisulfit). Hidrogel yang didapat

berwarna putih dan dengan variasi 0.02 gram MBA serta 0.014 gram SMBS

didapat rasio swelling 184.76 gram air/gr hidrogel. Dari ketiga penelitian tersebut,

penggunaan akrilamida dapat dijadikan sebagai bahan dasar pembuatan hidrogel

superabsorben.

2.3 Kalium AkrilatPolimer yang digunakan untuk pembuatan hidrogel superabsorben harus

memenuhi persyaratan yaitu bersifat hidrofilik, tidak larut dalam air, mempunyai

gugus fungsi yang bersifat ionik, salah satunya adalah poli(asam akrilat)

(swantomo,dkk 2008). Beberapa penelitian menunjukkan asam akrilat mampu

meningkatkan daya serap, contohnya adalah hidrogel poli (Akrilamida – ko –

asam akrilat) yang telah dilakukan oleh Erizal dan Sunarni (2009), pembuatan

superabsorben poli (akrilamida-ko-asam akrilat)-kitosan dengan radiasi sinar

gamma yang menghasilkan daya serap terhadap air yang tinggi yaitu 100 g/g

(Erizal dkk, 2011). Hal ini menunjukkan asam akrilat merupakan bahan polimer

yang mempunyai daya serap yang tinggi.

Asam akrilat (AA) adalah salah satu jenis monomer hidrofilik yang dalam

bentuk ioniknya (-C-OO) mempunyai afinitas yang besar terhadap air, dan paling

populer dipakai sebagai bahan dasar superabsorbent. Sintesis AA menjadi poli

8

asam akrilat (PAA) sukar dilakukan baik secara reaksi kimia maupun iradiasi. Hal

ini disebabkan gugus karboksilat (-COOH) dari AA akan mengalami reaksi

oksidasi (Erizal,dkk 2007), untuk mencegah terjadinya reaksi oksidasi dari asam

akrilat pada pembuatan PAA digunakan asam akrilat dalam bentuk garam kalium

akrilat yang telah dilakukan oleh Barleany (2013).

2.4 Pati

Singkong atau ubi kayu (Manihot esculenta crantz) merupakan salah satu

sumber karbohidrat lokal indonesia yang menduduki urutan ketiga terbesar setelah

padi dan jagung, tanaman ini merupakan bahan baku yang paling potensial untuk

diolah menjadi tepung (balitbang). Tepung tapioka adalah pati dari umbi singkong

yang dikeringkan dan dihaluskan. Pati singkong merupakan sumber karbohidrat

yang relatif cukup tinggi sekitar (80.8-81.3)% sehingga dapat dipakai untuk

kebutuhan bahan pangan ataupun non-pangan.

Penelitian lain tentang pembuatan polimer superabsorben berbasis

akrilamida (AAM)-pati bonggol pisang (Musa paradisiaca) juga telah dilakukan

oleh Irwan,dkk (2013). Pembuatan polimer superabsorben dilakukan dengan

memberikan variasi berat pati terhadap berat akrilamida (AAM). Berat pati yang

diberikan adalah 0, 3, 5, 10, 15, 20, dan 25% (b/b). Hasil penelitian menunjukkan

polimer superabsorben yang dihasilkan dengan penambahan pati memiliki

karaktersitik yang lebih baik dibandingkan hanya poliakrilamida sintetik. Polimer

superabsorben dengan rasio 10% berat pati terhadap berat akrilamida mempunyai

rasio swelling pada air, larutan urea 5% dan NaCl 0,15 M berturut-turut yakni 33

g/g air, 26,86 g/g dan 23,8 g/g.

Barleany, dkk (2013) juga telah mensintesis hidrogel superabsorben

poli(kalium akrilat)-pati dengan iradiasi sinar gamma yang digunakan untuk

penyerapan kandungan urin. Penelitian dilakukan dengan mencampurkan 45 ml

larutan asam akrilat 50% (v/v) dan 6,1 gram kalium hidroksida serta penambahan

variasi pati singkong dan jagung dengan massa 1, 2, 3 gram, lalu diradiasi dengan

sinar gamma pada dosis 10, 20 dan 30 kgy. Hidrogel yang dihasilkan dengan

9

menggunakan pati singkong memiliki nilai rasio swelling lebih besar

dibandingkan dengan penggunaan pati jagung. Nilai rasio swelling hidrogel

dengan pati singkong sebanyak 1 gram dan dosis radiasi 10 kgy yaitu 489 g/g

untuk air, 426 g/g untuk urea, 50,7 g/g untuk NaCl, 44 g/g untuk KCl dan 15,7 g/g

untuk CaCl2. Kedua penelitian tersebut dapat disimpulkan bahwa penambahan

pati pada pembuatan hidrogel dapat meningkatkan rasio swelling pada hidrogel.

2.5 Metode Grafting

Metode pembuatan polimer superabsorben yaitu dengan metode grafting,

yang merupakan penggabungan monomer yang bertindak sebagai side chain

dengan polimer yang bertindak sebagi back bone. Metode yang digunakan ada 2,

yaitu secara langsung lewat reaksi kimia dan dengan menggunakan radikal bebas.

Metode grafting dengan menggunakan radikal bebas juga terbagi dua,

berdasarkan sumber iradiasinya, yaitu sumber iradiasi gamma dan elektron.

Metode ini mempunyai beberapa kelebihan jika dibandingkan dengan metode

kimia, yaitu proses grafting dapat dilakukan pada monomer fase padat, cair, atau

gas, tidak membutuhkan penambahan bahan kimia seperti inisiator, crosslinker,

maupun aktivator sehingga produk yang diperoleh lebih murni. Selain itu, proses

grafting ini tidak memerlukan penambahan panas dan reaksinya mudah

dikendalikan (Andriyanti dkk, 2012).

Reaksi penting yang terjadi pada reaksi kimia polimer dengan iradiasi

sinar gamma, yaitu proses pembentukan radikal bebas yang dapat mengakibatkan

terjadinya degradasi, dan pengikatan silang dari polimer tersebut akan tetapi

apabila kedalam polimer tersebut ditambahkan monomer, maka akan terjadi reaksi

pencangkokan (grafting), karena monomer bersangkutan mengalami proses

polimerisasi sekaligus tercangkok pada rantai utama polimer yang sudah ada.

Selain itu, molekul tereksitasi mengalami proses disosiasi sehingga menghasilkan

radikal bebas. Demikian pula ion negatif mengalami disosiasi radikal bebas. Ion

positif maupun ion negatif akan langsung mengakibatkan terjadinya reaksi kimia

dengan membentuk reaksi ionik sedangkan radikal bebas akan melangsungkan

10

reaksi kimia menurut mekanisme reaksi radikal bebas, reaksi polimerisasi atau

reaksi kimia yang terjadi akibat interaksi radiasi pengion (sinar gamma) dengan

materi pada umumnya berlangsung menurut mekanisme reaksi radikal bebas

(Pertiwi, 2013).

Penelitian yang telah dilakukan oleh Swantomo,dkk (2008) menggunakan

metode grafting dengan iradiasi electron. Proses grafting dengan iradiasi elektron

dari Mesin Berkas Elektron (MBE) mempunyai beberapa kelebihan dibandingkan

dengan iradiasi gamma, diantaranya adalah kapasitas pemprosesan besar, luasan

bahan yang akan di-grafting dapat dikendalikan, efisiensi pemanfaatan energi

yang tinggi, dan keselamatan iradiasi aman.

2.6 Mekanisme Reaksi Radikal Bebas

Pembentukan radikal bebas terjadi saat bahan polimer diiradiasi dengan

sinar gamma atau berkas elektron. Reaksi yang terjadi tidak akan mengakibatkan

perubahan radioaktifitas. Reaksi kimia yang terjadi akan mengikuti mekanisme

radikal bebas. Ada tiga tahap reaksi kimia menurut mekanisme radikal bebas,

yaitu:

a. Tahap inisiasi

Pada tahap inisiasi mula-mula terjadi reaksi pembentukan radikal

bebas oleh suatu inisiator (sinar gamma). Bila sinar gamma berinteraksi

dengan monomer (M), maka M akan membentuk radikal, reaksi inisiasi

dapat digambarkan seperti contoh :

M sinar gamma M● (reaksi pembentukan radikal)

Radikal yang terbentuk (M●) mulai mengadakan mekanisme reaksi kimia:

M● + R RM●

b. Tahap Propagasi

Pada tahap propagasi, radikal-radikal bebas yang dihasilkan oleh

reaksi inisiasi tumbuh dari satu molekul menjadi molekul yang lebih besar.

Radikal (RM● ) bertemu lagi dengan molekul monomer lainnya sehingga

11

terjadi pembentukan radikal-radikal yang lebih besar. Reaksi propagasi

dapat digambarkan sebagai berikut :

RM● + M RM2● (propagasi)

c. Tahapan Terminasi

Tahap terminasi terjadi saat dua radikal bertemu satu sama lain.

Radikal bebas tersebut dapat berasal dari reaksi inisiasi atau propagasi.

Adanya pertemuan kedua radikal tersebut, maka reaksi akan berhenti. Pada

tahap ini akan terjadi polimerisasi, ikatan silang dan pencangkokan dan

juga degradasi polimer. Pada polimerisasi, reaksi terjadi bila monomer

yang diiradiasi merupakan monomer yang dapat berpolimerisasi. Akibat

adanya proses tersebut, maka akan membentuk polimer yang memiliki

berat molekul jauh lebih besar. Pada reaksi pengikatan silang, rantai

polimer saling berikatan silang satu dengan yang lainnya sedangkan pada

reaksi pencangkokan umumnya terjadi bila terdapat monomer dan polimer

yang diiradiasi bersama-sama dan menghasilkan suatu kopolimer. Reaksi

terminasi pembentukan polimerisasi, ikatan silang dan pencangkokan

dapat digambarkan sebagai berikut :

RM2● + RM2

● P (polimerisasi)

(radikal monomer) (radikal monomer) (polimer)

RM2●+ RM2

● P - P●

(radikal polimer) (radikal polimer) (polimer berikatan silang)

RM2●+ P● P● – P(RM2)n●

(radikal monomer) (radikal polimer) (polimer grafting)

Reaksi radiasi pada suatu polimer juga akan mengakibatkan proses

degradasi, dimana terjadi pemutusan ikatan rantai utama pada polimer. Reaksi

degradasi polimer digambarkan sebagai berikut :

P sinar gamma P●

P● + P P1 + P2 (pemutusan ikatan)

(polimer radikal) (polimer) (polimer) (polimer)

(Pertiwi, 2013)

12

2.7 Swelling dan Fraksi Gel

Rasio perbandingan berat hidrogel dalam keadaan menyerap air (swelling)

terhadap berat keringnya atau rasio swelling merupakan salah satu parameter

utama dari pengujian hidrogel. Sifat kimia yang paling penting untuk diuji dari

absorben dalam skala komersial sebagai bahan pada personal care antara lain

sebagai absorben pada popok bayi dan pembalut wanita adalah nilai rasio swelling

dalam urin.

Kapasitas rasio swelling yang dapat diterima adalah berkisar 20-40 g urin

per gram polimer kering (Buchholtz dalam Erizal, 2010). Kandungan urin

sebagian besar didominasi oleh senyawa urea dan konsentrasinya bervariasi pada

setiap individu yang diuji. Pengujian sweling dari hidrogel terhadap urin dapat

dilakukan dengan artificial urin atau dengan larutan urea. Selain adanya

kandungan urea dalam cairan urin, konsentrasi ion-ion garam juga mempengaruhi

daya serap dari hidrogel yang akan digunakan sebagai absorben. Larutan garam

NaCl merupakan salah satu jenis larutan garam yang umumnya dipakai untuk

pengujian kemampuan daya serap hidrogel terhadap air (swelling) (Erizal, 2010).

Rasio swelling hidrogel dapat dihitung dengan menggunakan persamaan

berikut :

Rasio swelling = WsW o

.……………………………………………(1)

dimana :

Ws= Berat hidrogel dalam keadaan swelling (g)

W0= Berat hidrogel dalam keadaan kering (g)

(Erizal dkk, 2007)

Hidrogel akan terjadi swelling apabila timbulnya tekanan osmosis akibat

perbedaan konsentrasi ion-ion dalam media dan dalam kerangka jaringan

hidrogel. Ion-ion yang terikat pada jaringan hidrogel bersifat immobile (tidak

bergerak) yang dapat dianggap terpisah dari larutan luar dengan adanya membran

semipermeabel. Jika hidrogel direndam dalam air, maka akan terjadi tekanan

osmosis maksimum dan hidrogel akan swelling (Erizal dan Sunarni,2009).

13

Fraksi gel merupakan parameter lainnya yang umumnya di gunakan dalam

sintesis hidrogel, mencerminkan fraksi jumlah bahan awal baik monomer /

polimer yang diubah menjadi hidrogel pada proses sintesis. Parameter ini juga

menunjukkan nilai efisiensi dari proses dalam sintesis hidrogel, bergantung pada

kepekaan dari bahan terhadap iradiasi yang dipaparkan. Semakin peka bahan

terhadap iradiasi, maka semakin tinggi efiensi dari proses. Fraksi gel dihitung

dengan menggunakan persamaan berikut ini :

Fraksi gel (%) = WsWo

x100 % ……………………………………(2)

dimana :

Ws= Berat hidrogel dalam keadaan swelling (g)

W0= Berat hidrogel dalam keadaan kering (g)

(Erizal dkk, 2008)