Pembuatan dan Karakterisasi Polimer Hibrid Poli(trimetoksisilil ...

Jurnal Material dan Energi IndonesiaVol. 01, No. 03 (2011) 167 – 172© Jurusan Fisika FMIPA Universitas PadjadjaranPEMBUATAN DAN KARAKTERISASI POLIMER HIBRIDPOLI(TRIMETOKSISILIL PROPIL METAKRILAT)PINA PITRIANA, NORMAN SYAKIR, FITRILAWATI ‡Jurusan Fisika, FMIPA, Universitas PadjadjaranJl. RayaBandung-Sumedang Km.21 Jatinangor 45363, Sumedang, Jawa Barat, Telp. 022-7796014RAHMAT HIDAYATLaboratorium Magnetik dan Fotonik, Jurusan Fiska, Institut Teknologi BandungJl. Ganesha 10, Bandung 40132, Jawa BaratAbstrak. Kami mensintesis prekursor polimer hibrid organik-anorganik poli(3-(trimetoksisilil propilmetakrilat) dari monomer 3-(trimetoksisilil propil metakrilat) dengan menggunakan metoda sol-gel. Untukmelihat efek hidrolisis terhadap jumlah prekursor polimer yang dihasilkan kami memvariasi rasio monomerdan air. Film tipis prekursor polimer hibrid pada substrat silikon dibuat dengan teknik spin-casting. Untukmendapatkan polimer hibrid, film prekursor tersebut dikenakan proses fotopolimerisasi dengan menggunakanfotoinisiator Irgacure 819. Karakterisasi polimer hibrid tersebut dilakukan dengan menggunakanspektroskopi FT-IR. Hasil pengukuran dengan spektroskopi FT-IR menunjukkan telah terbentuknya rantaiutama anorganik (-O-Si-O-) dan ikat silang organik (-C-C-), yang mengindikasikan berhasilnya pembuatanpolimer hibrid.Kata kunci : Polimer hibrid anorganik-organik, metoda sol-gel, film tipis, fotopolimerisasiAbstract. We synthesized hybrid inorganic-organic polymer of poly(3-trimethoxysilyl propyl methacrylate)from monomer of 3-(trimethoxysilyl propyl methacrylate) using sol-gel technique. We varied ratio ofmonomer/water to investigate hydrolysis effect on the polymer yield. Thin film samples of hybrid polymerwere deposited on the silicon substrates by the spin-casting methods. The hybrid polymer samples werefurther studied by using FT-IR infrared spectroscopies. The results of Infrared spectroscopy measurementsclearly showed of inorganic (-O-Si-O-) and organic (-C-C-) bonds which indicated a formation hybridpolymer.Keywords : Inorganic-organic hybrid polymer, sol-gel method, thin film, photopolymerization1. PendahuluanPolimer merupakan molekul besar yang tersusun dari mer yang berikatan secara kovalen [1].Struktur dan macam molekul pembentuk rantai polimer dapat divariasikan sehingga bahan tersebutmemiliki sifat yang bervariasi dan banyak diaplikasikan dalam kehidupan sehari-hari. Beberapakendala aplikasi bahan polimer diantaranya adalah stabilitas termal yang rendah (Tg kurang dari100 °C), resistansi kimiawi, dan ketahanan terhadap cuaca yang lebih rendah dibandingkan bahananorganik seperti gelas. Di sisi lain, bahan anorganik memiliki stabilitas termal yang baik (Tgmencapai orde 800 °C) dan memiliki sifat transparansi cahaya (di daerah cahaya tampak) yangbaik, namun proses fabrikasinya harus dilakukan pada temperatur tinggi. Kondisi tersebut tidakcocok dengan teknologi fabrikasi devais polimer, sulit untuk mengintegrasikan komponen yangterlibat. Selain itu, temperatur pemrosesan yang tinggi dapat merusak struktur dan molekulmolekulfungsional polimer.‡ email : fitrilawati@phys.unpad.ac.id167

168P. Pitriana dkkKeterbatasan bahan polimer seperti yang telah dijelaskan di atas telah memacu perkembanganpolimer hibrid yang merupakan perpaduan antara polimer organik dan anorganik [2, 3, 4]. Polimerhibrid memiliki sifat fisika dan kimia yang berada di antara sifat gelas dan polimer organik.Polimer tersebut diharapkan memiliki gabungan keunggulan bahan organik, serta keunggulananorganik seperti stabilitas termal, resistansi kimia dan ketahanan terhadap cuaca yang lebih baik.Seperti sifat polimer pada umumnya, sifat optik polimer hibrid diharapkan dapat pula dimodifikasimelalui variasi struktur dan macam molekul pembentuknya, serta penambahan material dopan ataumolekul fungsional. Hal tersebut diharapkan dapat membuka peluang aplikasi yang luas daripolimer hibrid. Beberapa aplikasi potensi aplikasi polimer yang telah dilaporkan antara lain selsurya, serat optik, dan host bahan luminisen untuk beberapa aplikasi optoelektronika, sepertielectronic displays, laser, , dan penguat optik (optical amplifier) [4].Polimer hibrid dapat disintesis dari senyawa silicon alkoxides (Si-OR), yang telah ditambahkangugus organik (CH 3 atau acrylic) yang dapat dipolimerisasi. Monomer silicon alkoxides memilikibentuk umum R'nSi(OR)4-n, dimana R' dapat berupa grup organik fungsional dan nonorganik-anorganikhydrolyzabel, , sedangkan R adalah grup alkyl [5].Dalam makalah ini akan diuraikan tentang pembuatan polimer hibrid ikat silang dari monomer 3-(trimetoksisilil propil metakrilat) (TMSPMA) dengan menggunakan metoda solgelberikut hasil karakterisasinya. Dari bahan yang dibuat tersebut akan dikaji potensinya untukaplikasi optik.2. EksperimenPrekursor polimer hibrid poli(3-(trimetoksisilil propil metakrilat) dibuat dengan proses sol-gelyang terdiri atas reaksi hidrolisis dan polikondensasi. Proses sol-gel merupakan prosespolimerisasi bagian anorganik, yaitu untuk membuat ikatan(-Si-O-Si-). Bahan yang digunakandalam proses sol-gel yaitu monomer 3-(trimetoksisilil propil metakrilat) 98% (TMSPMA, Aldrich),etanol (C 2 H 5 OH , Merck) sebagai pelarut, 1N asam klorida (HCl, Merck) sebagai katalis danakuades (H 2 O). Struktur kimia dari monomer TMSPMA diperlihatkan pada Gambar 1.Gambar 1. . Struktur molekul monomer 3-(Trimethoxysilyl) propyl methacrylate(Aldrich)Proses sol-gel diawali dengan melarutkan monomer ke dalam etanol, kemudian diaduk sehinggamenjadi satu fase. Setelah itu, ke dalam larutan tersebut ditambahkan akuades lalu diadukmenggunakan magnetic stirrer. . Setelah akuades bereaksi dengan larutan yang terbentuk,ditambahkan katalis HCl. Campuran tersebut kemudian diaduk hingga terbentuk gel transparan.Hasil yang didapat selanjutnya di purifikasi untuk menghilangkan sisa monomer, air dan katalisyang tidak bereaksi. Dalam penelitian ini lima macam prekursor polimer hibrid yang memilikiperbandingan volume monomer dan H 2 O yang berbeda. Perbandingan volume monomer bandingH 2 O yang digunakan yaitu 1:4, 1:8, 1:12, 1:16, dan 1:20. Khusus untuk sampel denganperbandingan 1:16, variasi waktu polimerisasi untuk melihat yield yang dihasilkan sebagai fungsi

Pembuatan dan Karakterisasi Polimer Hibrid Poli(trimetoksisilil propil metakrilat) 169waktu. Semua sampel dibuat pada kondisi yang sama yaitu suhu 60 o C dan kecepatan pengadukansekitar 200 rpm.Proses selanjutnya adalah fotopolimerisasi untuk membentuk ikat-silang pada rantai organik.Untuk maksud tersebut, dipergunakan sample dalam bentuk film tipis. Proses pembuatan film tipismeliputi tahapan pembersihan substrat, persiapan larutan prekursor, deposisi film, pre-bake,fotopolimerisasi, dan postbake. Larutan prekursor polimer hibrid disiapkan dengan melarutkanprecursor dalam kloroform, lalu ditambahkan fotoinisiator. Fotoinisiator yang digunakan adalahIrgacure-819 (Ciba Speciality Chemical Inc.) yang memiliki struktur kimia seperti diperlihatkanpada Gambar 2. Konsentrasi dari fotoinisator yang digunakan adalah 1% dari massa prekursor.Substrat yang dipakai untuk pembuatan film tipis polimer hibrid adalah substrat wafer silikonuntuk karakterisasi FTIR dan film tipis dibuat dengan teknik spin-casting.Gambar 2. Struktur molekul fotoinisiator Irgacure-819 (Ciba Speciality Chemical Inc.)Proses pre-bake dilakukan dalam oven dengan suhu 50 o C selama 10 menit. Proses pre-bakedilakukan untuk meningkatkan homogenitas film dan daya lekat (adhesi) film dengan permukaansubstrat. Proses fotopolimerisasi dilakukan di dalam chamber yang dialiri dengan gas nitrogen.Penggunaan gas nitrogen dimaksudkan untuk menghindari kontak antara permukaan film tipisdengan oksigen yang dapat mengganggu proses polimerisasi. Sumber cahaya yang digunakanadalah lampu Merkuri (home made) dan diletakkan sekitar 25 cm di atas chamber. Prosesfotopolimerisasi dilakukan selama 4 menit, pengecekan keberhasilan dalam prosesfotopolimerisasi dapat dilakukan secara visual dengan melihat apakah film tipis pada permukaansubstrat telah kering. Langkah selanjutnya adalah proses post-bake, yaitu dengan memanaskansampel yang sudah difotopolimerisasi di dalam oven 50 o C selam 6 jam. Proses ini bertujuan untuklebih meningkatkan daya lekat film pada permukaan substrat, dan melanjutkan proses polimerisasiyang belum sempurna. Setelah semua proses tersebut dilakukan, film tipis siap digunakan untukproses karakterisasi.Karakterisasi FTIR dilakukan untuk mengamati struktur perubahan struktur molekul polimerhibrid sebelum dan sesudah fotopolimerisasi pada gugus samping organiknya (ikatan rangkapC=C). Sepektrometer FTIR yang digunakan adalah Shimadzu 8400, yang dapat mengidentifikasiikatan dalam suatu molekul antara 4400 cm -1 hingga 400 cm -1 .3. Hasil dan PembahasanUntuk mengetahui kinerja briket arang sampah tersebut, telah dilakukan serangkaian uji (test) yangdilaksanakan di Laboratorium Jurusan Teknik Mesin, Politeknik Negeri Jakarta maupun diLaboratorium Geomekanika Divisi Mekanika Batuan TekMIRA-Bandung dengan hasil sebagaiberikut:

170 P. Pitriana dkkPrekursor polimer hibrid yang telah dibuat terdiri dari lima variasi perbandingan volume monomerdengan air. Hasil prekursor polimer hibrid yang terbentuk berupa gel bening transparan yangsangat kental. Jumlah prekursor polimer yang di dapat dinyatakan dalam yield, yaituperbandingan massa prekursor polimer dengan massa monomer.35003000Time (minutes)250020001500100050000.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30Monomer:H2OGambar 3. Pengaruh perbandingan monomer-H 2O terhadap waktu pembentukan prekursor polimer hibridPada Gambar 3 diperlihatkan waktu yang diperlukan untuk proses sol-gel hingga didapatkan hasilyang berbentuk gel. Kurva tersebut menunjukkan bahwa semakin banyak air yang digunakan,maka waktu yang diperlukan untuk proses sol-gel menjadi lebih lama. Kurva hubungan antarabanyaknya yield yang didapat dari tiap sampel ditunjukkan pada Gambar 4. Dari kurva tersebuttampak bahwa sampel yang memberikan yield terbanyak (0,92) adalah sampel denganperbandingan antara monomer dengan air adalah 1:16. Hal ini mengindikasikan bahwaperbandingan 1:16 merupakan perbandingan yang bagus karena ada sekitar 92% monomer yangbereaksi membentuk polimer.Gambar 4. Pengaruh perbandingan monomer-H 2O terhadap yield prekursor polimer hibridUntuk melihat laju reaksi, pada Gambar 5 diperlihatkan kurva yield sebagai fungsi waktu untuksampel dengan perbandingan monomer/air 1:16. Tampak bahwa setelah 600 menit yield yangterbentuk adalah sekitar 12%. Waktu polimerisasi yang lebih lama akan menghasilkan yield yanglebih banyak, namun hubungan tersebut tidak linear.

Pembuatan dan Karakterisasi Polimer Hibrid Poli(trimetoksisilil propil metakrilat) 171Gambar 5. Pengaruh waktu polimerisasi terhadap yield prekursor polimer hibrid yang dihasilkanGambar 6. Spektrum FTIR dari film prekursor polimer hibrid (bawah) dan film polimer hibrid yangtelah mengalami proses fotopolimerisasi (atas) pada substrat silikonPada Gambar 6 diperlihatkan perbandingan spektrum antara prekursor polimer dan polimernya.Identifikasi puncak-puncak serapan pada spektrum FTIR prekursor dan film polimer hibriddiperlihatkan pada tabel 1. Perbedaan antara struktur prekursor polimer hibrid yang belumdifotopolimerisasi dengan yang sudah difotopolimerisasi terdapat pada vibrasi ikatan C=C dalamgrup methacrylate. Pada gambar tersebut terlihat bahwa ada penurunan intensitas transmitansigugus C=C (1635 cm -1 ) pada film polimer hibrid dibandingkan dengan film prekursor. Haltersebut bersesuaian dengan proses fotopolimerisasi, yang mana ikatan rangkap C=C terputus olehradikal fotoionisator dan berubah menjadi ikatan tunggal C-C. Dari gambar tersebut terlihat jugabahwa gugus –Si-O-Si- simetrik dan asimetrik muncul pada 1112 cm -1 dan 780 cm -1 yang berasaldari rantai anorganik prekursor polimer hibrid. Adanya ikatan anorganik -Si–O-Si menunjukkanproses sol-gel yang dilakukan berhasil membuat ikatan (propagasi) bagian anorgaik. Namun, hasilpolimer hibrid yang didapatkan masih mengandung gugus OH. Hal ini menunjukkan tidak semuagugus fungsional monomer TMSPMA berpropagasi. Kehadiran gugus OH merupakan kondisiyang tidak diinginkan karena dapat mengurangi performans divais apabila polimer ini dipakaiuntuk suatu divais aktif.

172 P. Pitriana dkkTabel 1. Identifikasi spektrum FTIR dari prekursor polimer hibridBilangangelombang (cm -1 )3465 O-H (regang)Identifikasi gugus2955 C-H (regang asimetrik) dalam CH 32889 C-H (regang simetrik) dalam CH 31714 C=O (regang)1635 C=C alifatik dan aromatik1291 Si-O- CH 3 (regang)1112 Si-O- Si (regang simetrik)780 Si-O- Si (regang asimetrik)4. KesimpulanPada penelitian ini telah berhasil dilakukan sintesis polimer hibrid anorganik-organik poli(3-(trimetoksisilil propil metakrilat) dengan teknik sol-gel dan fotopolimerisasi. Besar yield polimeryang dihasilkan ditentukan oleh proses sintesis. Konfirmasi keberhasilan proses sol-gel terlihatdari spektrum FT-IR. Spektrum FTIR dalam bentuk prekursor gel menunjukkan adanya ikatanrantai utama anorganik (Si-O-Si) dan gugus samping organik (C=C). Proses fotopolimerisasi telahberhasil dilakukan yang diindikasikan oleh konversi ikatan rangkap (C=C) pada gugus sampingkedalam bentuk ikatan tunggal (C-C) pada spektrum FTIR. Hasil eksperimen ini menunjukkanbahwa proses sol-gel yang dilakukan telah menghasilkan polimer hibrid yang memilikikemungkinan yang baik untuk aplikasi komponen optik.Ucapan terima kasihPenelitian yang dibiayai oleh Direktorat Jendral Pendidikan Tinggi, Departemen PendidikanNasional dalam Proyek Penelitian Hibah Bersaing Tahun Anggaran 2008 no.013/SP2H/PP/DP2M/III/2008Daftar Pustaka1. J.M.G. Cowie, Polymers: Chemistry and Physics of Modern Materials, Chapman & Hall,United Kingdom (1991).2. K-H. Haas, ”Hybrid Inorganic–Organic Polymers Based on Organically Modified Si-Alkoxides ”, Advanced Engineering Material 2 (2000) 571-582.3. Karl Heinz Haas, Klause Rose, ” Hybrid inorganic/organic polymers with nanoscale buildingblock: precursors, processing, properties and applications”, Rev.Adv.Mat.Sci. 5 (2003), 47-52.4. G. Kickelbick, Hybrid Materials, Wiley-VCH Verlag GmbH, Germany (2007).5. B. Lebeau and C. Sanchez, ”Sol-gel derived hybrid inorganic-organic nanocomposites foroptics ”. Current opinion in solid state & Materials science, 4 (1999),11-23.