Hidrogel Berbasis Nanoselulosa Tongkol Jagung dan Asam Akrilat-Akrilamida dengan Metode Ikat Silang Secara Kimia dan Iradiasi Gamma

Abstract

Jagung merupakan salah satu komoditas pangan penting kedua setelah padi. Oleh karena itu, Indonesia menjadi peringkat ke-8 sebagai negara dengan produksi jagung terbesar di dunia. Tingginya produksi jagung tentu berkorelasi dengan limbah tongkol jagung yang dihasilkan di Indonesia. Limbah ini akan terusmenerus dihasilkan sehingga perlu dilakukan pemanfaatan dan pengolahan terkait limbah tersebut. Salah satu upaya dalam pemanfaatan limbah tongkol jagung adalah dengan memanfaatkan kandungan selulosa yang tinggi sebagai bahan baku sintesis hidrogel. Hidrogel merupakan polimer bertaut silang yang mampu menyerap dan menyimpan air dalam jumlah besar. Sintesis hidrogel dilakukan menggunakan polimer alam dan sintetik. Polimer alam tersedia melimpah di alam, tidak bersifat racun dan biaya produksi murah tetapi kemampuan swelling (pembengkakan) rendah sedangkan polimer sintetik mempunyai sifat swelling yang tinggi. Namun, penggunaan polimer sintetik yang berlebihan menyebabkan hidrogel sulit tururai di alam sehingga tidak ramah lingkungan dan bersifat racun. Kekurangan dan kelebihan yang dimiliki oleh masing-masing polimer menentukan sifat dan karakteristik hidrogel sehingga dilakukan kombinasi kedua polimer dimana polimer sintetik menghasilkan hidrogel dengan kemampuan swelling tinggi dan polimer alam menghasilkan sifat mekanik tinggi. Rantai molekul selulosa terdiri dari bagian kristalin, parakristalin dan amorf yang membentuk mikrofibril. Struktur kristal tersebut mempengaruhi kekuatan atau sifat mekanik selulosa. Selain meningkatkan sifat mekanik, selulosa juga berfungsi untuk mengubah matrik polimer menjadi bahan yang biodegradable. Penelitian ini bertujuan untuk mensintesis dan menganalisis hidrogel berbasis nanoselulosa tongkol jagung dan asam akrilat-akrilamida menggunakan metode ikat silang secara kimia dan iradiasi gamma. Modifikasi ukuran partikel selulosa dilakukan menggunakan metode mekanik dalam ultra fine grinder dan ultrasonikasi dengan hasil distribusi ukuran rata-rata partikel berturut-turut sebesar 2853.86 dan 533.57 nm. Nanoselulosa mampu meningkatkan sifat swelling hidrogel karena nanoselulosa akan lebih cepat merespon penyerapan air. Proses ikatan taut silang pada jaringan polimer hidrogel dibentuk menggunakan metode ikat silang secara kimia dan iradiasi gamma. Metode ikat silang kimia menggunakan inisiator ammonium persulfat (APS) dan agen pengikat silang N,N’-metilenbisakrilamida (MBA). Dosis iradiasi metode iradiasi gamma dan MBA pada metode ikat silang kimia menunjukkan adanya pengaruh berbeda nyata pada taraf 5% terhadap nilai swelling, fraksi gel dan derajat grafting. Perlakuan kombinasi larutan nanoselulosa (NS) terhadap akrilamida (AAm) juga menunjukkan adanya pengaruh berbeda nyata pada taraf 5%. Proses pencangkokan yang terjadi pada nanoselulosa tongkol jagung dan asam akrilat-akrilamida menghasilkan nilai derajat grafting lebih dari 90%. Nilai derajat grafting sebanding dengan nilai fraksi gel hidrogel yang menunjukkan adanya ikatan silang yang terbentuk akibat pemberian radiasi gamma dan agen pengikat silang berupa MBA pada metode ikat silang kimia. Semakin banyak ikatan taut silang yang terjadi nilai fraksi gel meningkat dan jaringan polimer hidrogel menjadi lebih rapat dan kaku. Jaringan polimer yang kaku menyebabkan kemampuan swelling hidrogel menurun. Kemampuan hidrogel dalam menyerap dan mengikat air per satuan waktu ditunjukkan dengan analisis kinetika swelling yang berhubungan dengan laju difusi hidrogel dalam menyerap air dan relaksasi rantai polimer hidrogel. Hidrogel metode iradiasi gamma mempunyai laju difusi sebanding dengan relaksasi rantai polimernya (tipe difusi non-Fickian) sedangkan pada metode ikat silang kimia menunjukkan laju difusi lebih rendah dibandingkan relaksasi rantai polimer (tipe difusi Fickian). Sifat mekanik hidrogel ditunjukkan dengan beberapa parameter diantaranya, hardness (kekerasan), strain (tegangan), strain (regangan), modulus elastisitas (Y) dan kerapatan ikatan silang (N). Parameter tersebut mempunyai hubungan korelasi positif. Nilai hardness hidrogel yang semakin meningkat disertai dengan peningkatan parameter lainnya. Hidrogel dengan metode ikat silang secara kimia menunjukkan nilai swelling antara 572 – 7794% sedangkan iradiasi gamma sebesar 872.1 – 15600%. Hasil yang optimum diperoleh pada hidrogel dengan karakteristik sifat mekanik yang tinggi pada metode ikat silang secara kimia ditunjukkan pada konsentrasi NS:AAm (1:1) dengan konsentrasi MBA 1% menghasilkan nilai hardness sebesar 43.23 mJ dengan swelling 1102%, fraksi gel 76.62%, derajat grafting 96.82% dan koefisien difusi (D) yang tinggi sebesar 0.3249 m2h-1. Sementra itu, hasil optimum pada metode iradiasi gamma, yaitu perlakuan NS:AAm sebesar (1:1) dan (1:2) dengan dosis 10 kGy memperoleh kemampuan swelling berturut-turut sebesar 5521% dan 7327% yang dapat dipertimbangkan untuk aplikasi hidrogel selanjutnya. Hidrogel dapat diaplikasikan sebagai bahan diapers, kondisioner tanah, pembalut luka, drug delivery dan media tanam.