## Jurnal Riset Fisika Indonesia
Volume 3, Nomor 1, Desember 2022
ISSN: 2776-1460 (print); 2797-6513 (online) http://journal.ubb.ac.id/index.php/jrfi/3665
Sifat Mekanik dan Densitas Ikatan Silang Hidrogel berbasis Tapioka Nanopartikel
Indah Puspita 1, * ) , Mersi Kurniati 2
1) Jurusan Fisika, Universitas Bangka Belitung Jl. Kampus Peradaban, Kampus Terpadu Balunijuk Gd. Dharma Penelitian Lt 1, Bangka 33172, Bangka Belitung, Indonesia
2) Divisi Biofisika, Departemen Fisika, IPB University Jl. Meranti Wing S Level 5, Kampus IPB Dramaga Bogor 16680, Jawa Barat, Indonesia
*E-mail korespondensi: indahpuspita@ubb.ac.id

## Info Artikel:
Dikirim: 16 Desember 2022 Revisi: 18 Desember 2022 Diterima: 19 Desember 2022

## Kata Kunci:
Hidrogel; Tapioka; Sifat Mekanik

## Abstract
Tapioca is a natural polymer that is widely used as a raw material for hydrogels. In order  to  improve  the  mechanical  properties  of  tapioca-based  hydrogels,  this research modified tapioca by acid hydrolysis method for 2 hours and 24 hours and by ethanol precipitation method. This modified tapioca was further treated with epichlorohydrin  with  various  concentrations  of  0,  5,  10,  and  20%  to  produce  a three-dimensional cross-linked structure. The results showed that the increasing of epichlorohydrin concentration led to an increasing in the mechanical properties of the hydrogels consisting of hardness, stress, modulus of elasticity, and cross- linked  density.  The  hydrogel  from  tapioca  hydrolyzed  for  24  hours  and  20% epichlorohydrin  was  the  sample  with  the  best  mechanical  properties  with  a hardness of 19.78 mJ, a stress of 78.65 kPa, a modulus of elasticity of 233.84 mJ, and a cross-linked density of 57.61 × 10 24 m -3 .

## PENDAHULUAN
Hidrogel  ( Super  Water  Absorbent  Polymer (SWA))  merupakan  polimer  yang  memiliki kemampuan  penyerapan  air  sangat  tinggi,  yaitu  lebih  dari  100  kali  bobot  keringnya  [1]. Kemampuan ini disebabkan rantai utamanya yang bersifat hidrofilik dan memiliki daya osmosis yang sangat tinggi [2]. Hidrogel juga memiliki kemampuan untuk tidak terlarut dalam air karena memiliki  struktur  tiga  dimensi  yang  saling  berikatan  silang.  Karakteristik  hidrogel  yang  unik menyebabkan hidrogel banyak  diaplikasikan  dalam  berbagai  bidang, diantaranya  pada  bidang pertanian  sebagai  media  tanam  dan  pembawa  pupuk,  dalam  bidang  medis  sebagai  pembalut luka dan penghantaran obat,  dalam bidang industri sebagai diapers, serta banyak aplikasi lainnya [3], [4]. Luasnya penggunaan hidrogel dalam berbagai bidang  menyebabkan hidrogel berbasis polimer  alami  banyak  dikembangkan.  Penggunaan  polimer  alami  membawa  dampak  positif karena ketersediaannya melimpah di alam dan dapat diperbaharui. Hidrogel berbasis polimer alami juga banyak dikembangkan karena harganya lebih  murah dan ramah lingkungan karena dapat terdegradasi secara alami. Salah satu bahan polimer alami yang jumlahnya melimpah di alam adalah pati yang dihasilkan oleh umbi singkong (tapioka).
Tapioka merupakan polisakarida yang tersusun dari dua polimer utama, yaitu amilosa dan amilopektin [5]. Penggunaan Tapioka sebagai bahan baku hidrogel banyak dikembangkan saat ini karena  mudah untuk dimodifikasi melalui pencangkokan monomer. Selain itu, rantai utama polimer  tapioka  tersusun  atas  83%  amilopektin  dan  17%  amilosa  [6].  Tingginya  kandungan amilopektin  yang  ada  pada  tapioka  menyebabkan  tapioka  bersifat  hidrofilik  karena  mampu mengikat  air  dalam  jumlah  yang  tinggi  [7].  Akan  tetapi,  polimer  alami  memiliki  keterbatasan dalam sifat mekaniknya, oleh sebab itu perlu dilakukan modifikasi agar sifat mekanik hidrogel yang  dihasilkan  menyerupai  sifat  mekanik  hidrogel  komersial.  Modifikasi  pada  penelitian  ini dilakukan melalui konversi ukuran partikel tapioka menjadi tapioka nanopartikel. Penggunaan tapioka  nanopartikel  menjanjikan  sifat  mekanik  yang  lebih  baik  karena  area  permukaan  aktif relatif  meningkat.  Hal  ini  menyebabkan  tapioka  nanopartikel  bersifat  lebih  reaktif  dan  lebih mudah untuk mengalami reaksi pengikatan silang [8]. Konversi ukuran partikel tapioka menjadi tapioka nanopartikel pada penelitian ini dilakukan melalui proses hidrolisis asam dan presipitasi etanol [5].
Selanjutnya, dilakukan proses pengikatan silang agar menghasilkan struktur tiga dimensi yang bertaut silang. Proses ini dilakukan dengan penambahan agen pengikat silang ( Crosslinking Agent )  [9].  Salah  satu  agen  pengikat  silang  yang  banyak  digunakan  dalam  proses  modifikasi tapioka  adalah  Epiklorohidrin  (Ech).  Reaksi  yang  dihasilkan  oleh  Ech  dan  Tapioka  akan menghasilkan tapioka yang resisten terhadap perubahan pH, juga menghasilkan ikatan eter antar ikatan  hidroksil  tapioka.  Proses  pengikatan  silang  ini  juga  menyebabkan  peningkatan  sifat mekanik tapioka dan ketahanannya terhadap perubahan suhu. Oleh sebab itu, pada penelitian ini  dilakukan  pengkajian  terhadap  pengaruh  waktu  hidrolisis  tapioka  dan  konsentrasi  agen pengikat silang terhadap sifat mekanik dan kerapatan ikatan silang hidrogel yang dihasilkan.

## METODE PENELITIAN

## Alat dan Bahan
Bahan utama yang digunakan pada penelitian ini adalah tapioka dari industri lokal di Bogor, Jawa  Barat.  Epiklorohidrin  dari  Sigma  Aldrich,  Jerman.  Serta  bahan  lainnya  yang  terdiri  dari aquades,  etanol  konsentrasi  95%,  larutan  Asam  Klorida  (HCl)  2.2  N  (Merck),  dan  Natrium Hidroksida  (NaOH)  5%  (Merck).  Pengujian  sifat  mekanik  hidrogel  dilakukan  menggunakan instrumen Brookfield Texture Analyzer di Balai Besar Penelitian dan Pengembangan Pasca Panen Pertanian, Bogor, Jawa Barat.

## Prosedur Penelitian Preparasi Hidrogel
Hidrogel pada penelitian ini disiapkan melalui dua metode, yaitu modifikasi ukuran partikel dan  penambahan  agen  pengikat  silang  [9].  Ukuran  partikel  tapioka  pada  penelitian  ini dimodifikasi melalui hidrolisis asam dan presipitasi etanol. Pada tahapan hidrolisis asam, tapioka yang  diperoleh  dari  industri  dilarutkan  dalam  larutan  Asam  Klorida  (HCl)  konsentrasi  2.2  N dengan perbandingan tapioka dan HCl adalah 1:2 (b/v). Suspensi ini selanjutnya direndam dalam variasi waktu 2 jam dan 24 jam pada suhu konstan 50 ˚C. Suspensi ini selanjutnya dinetralkan menggunakan NaOH konsentrasi 5% hingga pH 7 kemudian dibilas menggunakan akuades. Pati yang  telah  dibilas  selanjutnya  disaring  dan  dikeringkan  menggunakan  oven  pada  suhu  55  ˚C selama  24  jam  hingga  kadar  air  10%.  Tapioka  yang  dihasilkan  dari  proses  ini  adalah  tapioka terhidrolisis.
Tapioka terhidrolisis selanjutnya diproses menggunakan metode presipitasi etanol. Proses ini diawali dengan melarutkan tapioka yang telah dihidrolisis selama 2 jam dan 24 jam dalam akuades dengan perbandingan 1:10 (b/v). Suspensi ini selanjutnya dipanaskan pada suhu 100 ˚C
hingga  mengalami  gelatinisasi.  Suspensi  yang  tergelatinisasi  selanjutnya  didinginkan  secara perlahan – lahan  pada  suhu  ruang  sambil  ditambahkan  etanol  95%  dengan  cara  diteteskan hingga  volume  etanol  yang  ditambahkan  sama  dengan  volume  pelarut.  Suspensi  selanjutnya didiamkan  hingga  terbentuk  endapan  tapioka  nanopartikel.  Endapan  selanjutnya  dicuci menggunakan etanol konsentrasi 95% untuk menghilangkan kandungan air yang tersisa. Tapioka nanopartikel ini selanjutnya disaring dan dikeringkan mengg unakan oven pada suhu 55 ˚C selama 24 jam hingga kadar air 10%.
Tapioka  dari  proses  presipitasi  etanol  selanjutnya  dilarutkan  dalam  akuades  dengan perbandingan 1:4 (b/v) pada suhu 55 ˚C. Larutan selanjutnya ditambahkan agen pengikat silang berupa epiklorohidrin (Ech) dengan konsentrasi yang divariasikan menjadi 0% (tanpa Ech), 5%, 10%, dan 20% dari massa pati. Larutan selanjutnya diaduk menggunakan magnetic stirrer pada suhu  55  ˚C  selama  satu  jam.  Larutan  selanjutnya  didiamkan  selama  4  jam  hingga  terbentuk endapan.  Endapan  yang  dihasilkan  selanjutnya  disaring  dan  dikeringkan  menggunakan  oven pada suhu 55 ˚C selama 6 jam hingga kering dan dihasilkanlah hidrogel nanot apioka.

## Pengujian Sifat Mekanik
Pengujian sifat mekanik dilakukan menggunakan instrumen Texture Analyzer. Data yang dihasilkan dari pengujian ini terdiri dari Kekerasan ( Hardness ), Regangan ( Strain, 𝜖 ), dan beban maksimum (m, gram). Berdasarkan data yang diperoleh dari instrumen Texture Analyzer tersebut dapat dihitung tegangan ( stress 𝜎 , kPa) hidrogel menggunakan Persamaan (1) sebagai berikut.
𝜎 = 𝐹 𝐴 = 𝑚 ×𝑔 𝐴 (1)
Berdasarkan  nilai  tegangan  dan  regangan,  dapat  ditentukan  data  modulus  elastisitas menggunakan  Persamaan  (2).  Densitas  ikatan  silang  ditentukan  berdasarkan  nilai  modulus elastisitas sesuai dengan Persamaan (2) sebagai berikut [10].
𝑌 = 𝜎 𝜖 = 3𝑁𝑘𝑇 (2)
F merupakan gaya kompresi maksimum yang dibebankan pada sampel (N), A adalah Luas permukaan probe = 1.27 ×10 -4 m 2 , m adalah massa maksimum beban yang diberikan pada sampel (kg),  g  adalah  percepatan  gravitasi  =  9.8  m/s,  N  adalah  densitas  ikatan  silang  (m -3 ),  k  adalah konstanta Boltzmann = 1.38065 × 10 -23 J K -1 , dan T adalah suhu pengujian sampel (K).

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Kekerasan ( Hardness )
Penentuan kekerasan hidrogel dilakukan berdasarkan beban yang terukur oleh instrumen texture  analyzer. Nilai hardness menunjukkan  besaran  gaya  maksimum  yang  menyebabkan hidrogel terdeformasi [11]. Nilai ini ditentukan berdasarkan puncak beban yang diberikan kepada sampel  pada  saat  siklus  kompresi  pertama.  Nilai  kekerasan  hidrogel  menunjukkan  ketahanan hidrogel  dalam  menahan  beban.  Semakin  tinggi  nilai  kekerasan  hidrogel,  maka  kemampuan hidrogel tersebut dalam menahan beban juga semakin baik. Pada penelitian ini, terdapat dua parameter  yang  mempengaruhi  nilai  kekerasan  hidrogel,  yaitu  waktu  hidrolisis  tapioka  dan konsentrasi  agen  pengikat  silang.  Waktu  hidrolisis  tapioka  akan  mempengaruhi  ukuran nanopartikel  tapioka  yang  dihasilkan.  Selama  proses  hidrolisis  asam,  akan  terjadi  pemutusan fraksi amilosa rantai panjang dan titik percabangan amilopektin, sehingga dihasilkan pati dengan jumlah  amilosa  rantai  pendek  yang  lebih  tinggi  [12].  Proses  hidrolisis  asam  juga  menyerang bagian  amorf  granula  pati  secara  cepat  dan  menyisakan  bagian  kristalin  yang  lebih  lambat diserang  [13].  Hal  ini  menyebabkan  proses  ini  menghasilkan  pati  nanokristalin  yang  memiliki
kekuatan  mekanik  lebih  tinggi  dibandingkan  material  asalnya.  Hasil  pada  Gambar  1 menunjukkan, pada sampel kontrol (tanpa penambahan Epiklorohidrin), hidrogel yang dihasilkan dari  tapioka  terhidrolisis  24  jam  memiliki  nilai  kekerasan  sebesar  6.26  mJ  dan  hidrogel  yang dihasilkan  dari  tapioka  terhidrolisis  2  jam  memiliki  nilai  kekerasan  sebesar  2.77  mJ.  Hasil  ini menunjukkan hidrogel dari tapioka terhidrolisis 24 jam memiliki nilai kekerasan yang lebih tinggi dibandingkan dengan hidrogel dari tapioka terhidrolisis 2 jam. Hasil ini sesuai dengan penelitian sebelumnya yang menunjukkan bahwa semakin lama waktu hidrolisis asam, maka kemampuan hidrogel untuk menahan beban semakin meningkat [9].
Gambar 1. Kekerasan ( Hardness ) hidrogel nanotapioka
Nilai kekerasan hidrogel berbasis tapioka nanopartikel yang disajikan pada Gambar 1 juga menunjukkan pengaruh konsentrasi Epiklorohidrin sebagai agen pengikat silang terhadap nilai kekerasan ( hardness ) hidrogel. Hasil pada Gambar 1 menunjukkan pada hidrogel yang dihasilkan dari tapioka terhidrolisis 2 jam dan terhidrolisis 24 jam peningkatan konsentrasi Epiklorohidrin mampu meningkatkan kekerasan hidrogel secara signifikan. Pada hidrogel yang dihasilkan dari tapioka terhidrolisis 2 jam, sampel hidrogel kontrol (tanpa penambahan Epiklorohidrin) memiliki nilai hardness sebesar 2.77 mJ. Penambahan Epiklorohidrin sebagai agen pengikat silang dengan konsentrasi  5%,  10%,  dan  20%,  mampu  meningkatkan  kekerasan  hidrogel  berturut – turut menjadi 5.5. mJ, 6.3 mJ, dan 12.85 mJ. Pola serupa juga ditunjukkan oleh hidrogel yang dihasilkan dari  tapioka  terhidrolisis  24  jam.  Pada  Gambar  1  ditunjukkan  bahwa pada  hidrogel  perlakuan kontrol  (0%  Epiklorohidrin),  kekerasan  hidrogel  bernilai  6.26  mJ.  Nilai  kekerasan  ini  semakin meningkat  dengan  semakin  tingginya  konsentrasi  Epiklorohidrin  yang  ditambahkan.  Semakin tingginya konsentrasi agen pengikat silang, ikatan silang yang terbentuk dalam struktur hidrogel akan  semakin  rapat  [14].  Hal  ini  menyebabkan  struktur  tiga  dimensi  polimer  yang  terbentuk semakin kuat dan kemampuan hidrogel dalam menahan beban juga semakin meningkat. Hasil ini  sesuai  dengan  hasil  penelitian  yang  dilakukan  oleh  Sezer et.al. yang  menyatakan  bahwa peningkatan konsentrasi agen pengikat silang akan meningkatkan kekerasan hidrogel [15].
Tegangan Maksimum (Maximum Stress )
Tegangan  maksimum  hidrogel  ditentukan  berdasarkan  rasio  beban  maksimum  yang diberikan kepada sampel (beban pada saat titik kekerasan maksimum) terhadap luas penampang probe yang digunakan. Nilai tegangan maksimum untuk hidrogel berbasis tapioka nanopartikel pada  berbagai  perlakuan  disajikan  pada  Gambar  2.  Hasil  pada  Gambar  2  menunjukkan peningkatan waktu hidrolisis tapioka pada tahapan preparasi dari 2 jam menjadi 24 jam mampu
2.77 5.50
6.30
12.85 6.26 8.50 13.84 19.78 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 0 5 10 20 H ar d n ess (mJ) Konsentrasi Epiklorohidrin (%) Hidrolisis 2 jam Hidrolisis 24 Jam
meningkatkan nilai tegangan maksimum hidrogel secara signifikan dari 11.22 kPa menjadi 27.01 kPa. Hasil ini sesuai dengan hasil pengujian kekerasan yang menunjukkan bahwa hidrogel yang dihasilkan  dari  tapioka  terhidrolisis  24  jam  memiliki  ketahanan  mekanis  yang  lebih  baik dibandingkan  hidrogel  yang  dihasilkan  dari  tapioka  terhidrolisis  2  jam.  Proses  hidrolisis  yang dilakukan  pada  tapioka menyebabkan  bagian  amorf  pada  rantai polimer  tapioka  terdegradasi dan menyisakan bagian kristalin sehingga dihasilkan tapioka nanokristalin [9]. Selain itu, lamanya waktu hidrolisis menghasilkan nanotapioka dengan ukuran partikel yang semakin kecil. Semakin kecilnya  ukuran  partikel  nanotapioka,  luas  permukaan  aktif  nanotapioka  meningkat  [8]. Meningkatnya  luas  permukaan  aktif  ini  menyebabkan  ikatan  silang  yang  terbentuk  semakin banyak.  Peningkatan  jumlah  ikatan  silang  ini  menyebabkan  rantai  polimer  yang  terbentuk semakin rapat, sehingga kekuatan mekanik hidrogel yang dihasilkan semakin meningkat.
Selain pengaruh waktu hidrolisis, hasil pada Gambar 2 menunjukkan pengaruh konsentrasi epiklorohidrin  terhadap  tegangan  maksimum.  Tegangan  maksimum  merupakan  besarnya tegangan  ( stress )  yang  dialami  oleh  sampel  ketika  menerima  beban  maksimum.  Hasil  pada Gambar 2 menunjukkan sampel hidrogel yang dihasilkan dari tapioka terhidrolisis 2 jam dan 24 jam mengalami peningkatan nilai tegangan maksimum ( stress ) dengan peningkatan konsentrasi epiklorohidrin.  Pada  sampel  hidrogel  dari  tapioka  terhidrolisis  2  jam,  tegangan  sebelum perpatahan mengalami peningkatan secara signifikan dari nilai awalnya 11.22 kPa pada sampel tanpa  epiklorohidrin  menjadi  22.6  kPa,  27.67  kPa,  dan  55.42  kPa  pada  hidrogel  dengan penambahan  epiklorohidrin  dengan  konsentrasi  berturut – turut  sebesar  5%,  10%,  dan  20%. Peningkatan  agen  pengikat  silang  yang  ditambahkan  menyebabkan  rantai  polimer  yang teraktivasi  untuk  melakukan  reaksi  pengikatan  silang  semakin  bertambah  [16].  Hal  ini menghasilkan  struktur  terikat  silang  yang  semakin  rapat  yang  berdampak  pada  kemampuan bahan untuk menahan beban sebelum akhirnya pecah menjadi semakin meningkat [17].
Gambar 2. Tegangan maksimum ( maximum stress ) hidrogel nanotapioka
Regangan Maksimum ( Maximum Strain )
Regangan  maksimum  merupakan  nilai  peregangan  yang  dialami  oleh  sampel  ketika mendapatkan  beban  maksimum.  Nilai  regangan  ini  diperoleh  berdasarkan  rasio  perubahan ketinggian  sampel  ketika  menerima  beban  kompresi  maksimum  terhadap  ketinggian  awal sampel.  Persentase  regangan  hidrogel  yang  dihasilkan  dari  penelitian  ini  pada  berbagai perlakuan disajikan pada Gambar 3. Berdasarkan hasil pada Gambar 3, nilai regangan maksimum sampel  hidrogel  mengalami  fluktuasi  dengan  meningkatnya  konsentrasi    epiklorohidrin  yang ditambahkan.  Pada  hidrogel  yang  dihasilkan  dari  tapioka  terhidrolisis  2  jam,  penambahan epiklorohidrin  sebagai  agen  pengikat  silang  sebanyak  5%  menyebabkan  penurunan  nilai
11.22 22.6 27.67 55.42 27.01 42.15 56.89 78.65 0 20 40 60 80 100 0 5 10 20 St ress (k P a) Konsentrasi Epiklorohidrin (%) Hidrolisis 2 jam Hidrolisis 24 Jam
regangan  maksimum  dari  55%  untuk  hidrogel  kontrol  (tidak  menerima  penambahan Epiklorohidrin)  menjadi  38%.  Selanjutnya  nilai  regangan  ini  kembali  mengalami  penurunan menjadi sebanyak 4% ketika konsentrasi Epiklorohidrin yang ditambahkan meningkat menjadi 10% dan kemudian meningkat kembali menjadi 38% untuk hidrogel dengan 20% Epiklorohidrin. Pola hasil yang serupa juga ditunjukkan oleh hidrogel yang dihasilkan dari tapioka terhidrolisis 24  jam.  Pada  hidrogel  ini,  penambahan  konsentrasi  Epiklorohidrin  dari  0  menjadi  5% menyebabkan  nilai  regangan  maksimum  mengalami  penurunan  dari  49%  menjadi  35%. Selanjutnya,  ketika  konsentrasi  Epiklorohidrin  meningkat  menjadi  10%,  nilai  regangan maksimum kembali mengalami peningkatan menjadi 40% dan bernilai tetap ketika konsentrasi Epiklorohidrin  ditingkatkan  menjadi  20%.  Nilai  regangan  maksimum  hidrogel  menunjukkan kemampuan  seberapa  jauh  hidrogel  untuk  mengalami  perubahan  bentuk  sebagai  respon terhadap beban yang diberikan. Menurut Grandhi et. Al., penurunan nilai regangan maksimum hidrogel disebabkan karena ikatan silang yang terbentuk sampai pada batas yang menghambat gerakan ikatan silang yang reversibel [18].

## Gambar 3. Regangan maksimum hidrogel nanotapioka

## Modulus Elastisitas
Gambar  4  menunjukkan  kurva  tegangan  terhadap  regangan  hidrogel  dari  tapioka terhidrolisis  2  jam  pada  berbagai  konsentrasi  agen  pengikat  silang.  Sementara  itu,  Gambar  5 menunjukkan  kurva  tegangan  terhadap  regangan  hidrogel  dari  tapioka  terhidrolisis  24  jam. Berdasarkan  hasil  pada  Gambar  4,  hidrogel  dari  tapioka  terhidrolisis  2  jam  mengalami peningkatan area kurva ketika konsentrasi Epiklorohidrin meningkat dari 0% menjadi 20%. Pola yang  serupa  juga  ditunjukkan  oleh  Gambar  5  yang  menunjukkan  kurva  regangan – tegangan untuk hidrogel berbasis tapioka terhidrolisis 24 jam. Hasil ini mengindikasikan hidrogel kontrol (0%  Epiklorohidrin)  bersifat  lebih  inelastis  dibandingkan  hidrogel    dengan  konsentrasi Epiklorohidrin 5%, 10%, dan 20% yang bersifat lebih elastis [19]. Berdasarkan indikasi tersebut, hidrogel yang memiliki elastisitas paling tinggi adalah hidrogel dengan konsentrasi epiklorohidrin 20%. Hasil ini juga didukung berdasarkan nilai modulus elastisitas hidrogel yang ditampilkan pada Gambar  6.  Modulus  elastisitas  hidrogel  pada  gambar  tersebut  ditentukan  berdasarkan kemiringan  kurva  tegangan  terhadap  regangan  pada  daerah  elastis.  Daerah  elastis  kurva tegangan  regangan  merupakan  daerah  kurva  regangan – tegangan  yang  memiliki  kemiringan bernilai linier.
55 38 34 38 49 35 40 39 0 10 20 30 40 50 60 0 5 10 20 St rain (% ) Konsentrasi Epiklorohidrin (%) Hidrolisis 2 jam Hidrolisis 24 Jam
Gambar 4. Kurva Tegangan – Regangan kompresi hidrogel berbasis tapioka terhidrolisis 2 jam
Gambar 5. Kurva Tegangan – Regangan kompresi hidrogel berbasis tapioka terhidrolisis 24 jam
0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 Te gan gan (Pa) Regangan 0% Epiklorohidrin 5% Epiklorohidrin 10% Epiklorohidrin 20% Epiklorohidrin 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 90000 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Te gan gan (Pa) Regangan 0% Epiklorohidrin 5% Epiklorohidrin 10% Epiklorohidrin
20% Epiklorohidrin
16.55 61.79 86.01 165.93 53.84 120.62 156.11 233.84 0.00 50.00 100.00 150.00 200.00 250.00 0 5 10 20 Mo d u lu s E las tis ita s (kPa ) Konsentrasi Epiklorohidrin (%) Hidrolisis 2 jam Hidrolisis 24 Jam
Hasil pada Gambar 6 menunjukkan peningkatan waktu hidrolisis tapioka dari 2 jam menjadi 24  jam  mampu  meningkatkan  modulus  elastisitas  hidrogel  pada  semua  variasi  konsentrasi epiklorohidrin. Hasil ini sesuai dengan hasil pengujian kekerasan dan tegangan maksimum yang menunjukkan peningkatan waktu hidrolisis mampu meningkatkan sifat mekanik hidrogel. Sifat mekanik hidrogel pada penelitian ini dipengaruhi secara signifikan oleh waktu hidrolisis tapioka. Selama proses hidrolisis asam, asam klorida akan menyerang bagian amorf polimer pati dengan cepat dan menyisakan bagian kristalin yang terisolasi [20]. Hal ini menyebabkan kondisi rantai polimer pati semakin stabil dan sifat mekaniknya juga semakin baik.
Hasil  pada  Gambar  6  juga  menunjukkan  pengaruh  konsentrasi  agen  pengikat  silang (Epiklorohidrin) terhadap modulus elastisitas hidrogel. Pada hidrogel dari tapioka terhidrolisis 2 jam,  modulus  elastisitas  hidrogel  meningkat  dari  16.55  kPa  pada  sampel  hidrogel  tanpa epiklorohidrin menjadi 61.79 kPa, 86.01 kPa, dan 165.93 kPa pada hidrogel dengan konsentrasi epiklorohidrin 5%, 10%, dan 20%. Pola yang serupa juga ditunjukkan oleh hidrogel yang disintesis dari  tapioka  terhidrolisis  24  jam.  Hasil  pada  Gambar  6  tersebut  menunjukkan,  hidrogel  yang memiliki  elastisitas  paling  balik  adalah  hidrogel  dari  tapioka  terhidrolisis  24  jam  dengan konsentrasi epiklorohidrin 20%.

## Densitas Ikatan Silang (N)
Densitas  ikatan  silang  ditentukan  menggunakan  teori  elastisitas  karet  yang menghubungkan  modulus  elastisitas  hidrogel  dengan  densitas  ikatan  silang.  Densitas  ikatan silang  dihitung  berdasarkan  hasil  pembagian  antara  modulus  elastisitas  dengan  konstanta Boltzmann dan suhu absolut (298 K) [10]. Oleh sebab itu, nilai densitas ikatan silang akan selalu berbanding  lurus  dengan  nilai  modulus  elastisitas.  Densitas  ikatan  silang  hidrogel  berbasis tapioka nanopartikel pada penelitian ini disajikan pada Gambar 7.

## Gambar 7. Densitas ikatan silang hidrogel nanotapioka
Nilai  modulus  elastisitas  tapioka  yang  disampaikan  pada  Gambar  7  menguatkan  hasil pengujian  kekerasan,  tegangan  maksimum  dan  modulus  elastisitas  yang  telah  dibahas  pada bagian sebelumnya. Nilai densitas ikatan silang meningkat dengan meningkatnya waktu hidrolisis tapioka  dan  konsentrasi  agen  pengikat  silang.  Waktu  hidrolisis  yang  semakin  lama  akan menyebabkan  bagian  amorf  rantai  polimer  tapioka  semakin  mengalami  degradasi.  Hal  ini menyisakan bagian kristalin tapioka yang terisolasi dan memiliki ukuran partikel yang semakin kecil.  Ukuran  partikel  yang  semakin  kecil  menyebabkan  sisi  aktif  partikel  tapioka  menjadi semakin besar dan tapioka nanopartikel menjadi lebih reaktif dibandingkan dengan struktur bulk
4.07 15.22 21.19 40.87 13.26 29.71 38.46 57.61 0 10 20 30 40 50 60 70 0 5 10 20 D en sit as Ik at an Silan g (× 10 24 m -3 ) Konsentrasi Epiklorohidrin (%) Hidrolisis 2 jam Hidrolisis 24 Jam
nya [12]. Hal ini menyebabkan ikatan silang yang dapat terpropagasi semakin bertambah dan kekuatan  mekanik  hidrogel  semakin  baik.  Hasil  ini  sesuai  untuk  hidrogel  pada  seluruh  variasi konsentrasi agen pengikat silang.
Selanjutnya,  nilai  modulus  elastisitas  hidrogel  juga  dipengaruhi  oleh  konsentrasi epiklorohidrin  sebagai  agen  pengikat  silang.  Pada  hidrogel  dari  tapioka  terhidrolisis  2  jam, densitas ikatan silang pada sampel yang tidak menerima penambahan epiklorohidrin adalah 4.07 ×  10 24 m -3 .  Nilai  ini  terus  mengalami  peningkatan  dengan  semakin  meningkatnya  konsentrasi agen pengikat silang. Nilai densitas ikatan silang terbesar untuk hidrogel dari tapioka terhidrolisis 2  jam  adalah  40.87  ×  10 24 m -3 untuk  sampel  hidrogel  dengan  konsentrasi  epiklorohidrin  20%. Hidrogel yang dihasilkan dari tapioka terhidrolisis 24 jam juga  menunjukkan hasil yang serupa dengan densitas ikatan silang tertinggi pada sampel hidrogel dengan konsentrasi epiklorohidrin 20% dengan nilai densitas ikatan silang 57.61  × 10 24 m -3 .
Dalam  proses  pembentukan  hidrogel,  agen  pengikat  silang  ( crosslinker )  bertugas  untuk mengaktivasi permukaan polimer utama tapioka sehingga siap untuk membentuk ikatan [21]. Selain  itu,  agen  pengikat  silang  ( crosslinker )  juga  berperan  sebagai  jembatan  untuk menghubungkan  antar  rantai  polimer  sehingga  terbentuk  struktur  tiga  dimensi  yang  saling bertaut  silang  [22].  Semakin  tinggi  konsentrasi  epiklorohidrin  yang  ditambahkan,  sisi  aktif polimer  yang  diaktivasi  untuk  membentuk  ikatan  juga  akan  semakin  banyak.  Hal  ini  juga didukung dengan semakin banyaknya jembatan penghubung antar rantai – rantai polimer induk. Hal  ini  menyebabkan  semakin  tingginya  konsentrasi  agen  pengikat  silang,  ikatan  silang  yang terbentuk semakin banyak sehingga densitas ikatan silang yang terbentuk juga semakin besar. Hasil ini akan menyebabkan sifat mekanik hidrogel semakin baik dan berimplikasi pada semakin besarnya nilai kekerasan hidrogel.

## KESIMPULAN
Waktu  hidrolisis  tapioka  dan  konsentrasi  epiklorohidrin  sebagai  agen  pengikat  silang berpengaruh terhadap  sifat  mekanik  dan densitas  ikatan  silang hidrogel  yang  dihasilkan pada penelitian ini. Parameter sifat mekanik yang diuji terdiri dari kekerasan, tegangan, regangan, dan modulus  elastisitas.  Nilai  seluruh  parameter  dalam  pengujian  sifat  mekanik  dan  densitas pengikatan silang memiliki hubungan yang berbanding lurus dengan waktu hidrolisis tapioka dan konsentrasi  agen  pengikat  silang.  Semakin  tinggi  konsentrasi  epiklorohidrin  sebagai  agen pengikat silang, karakteristik mekanik hidrogel semakin baik yang ditunjukkan dengan semakin tingginya nilai kekerasan, tegangan maksimum, modulus elastisitas, dan densitas ikatan silang. .

## DAFTAR PUSTAKA
[1] A.  Kalhapure,  R.  Kumar,  V.  Singh  and  D.  Pandey,  "Hydrogels:  A  boon  for  increasing agricultural productivity in water - stressed environment," General Articles, vol. 111, no. 11, pp. 1773-1779, 2016.
[2] Erizal,  S.  Dewi  and  A.  Sudrajat,  "Sintesis  hidrogel  polietilen  oksida  berikatan  silang  dan imobilisasi  antibiotik  dengan  cara  induksi  radiasi  gamma  untuk  aplikasi  pembalut  luka," Jurnal Ilmiah Aplikasi Isoton dan Radiasi, vol. 5, no. 2, pp. 177-193, 2009.
[3] G. D. Cha, W. H. Lee, C. Lim, M. K. Choi and D. H. Kim, "Materials engineering, processing, and device application of hydrogel nanocomposites," Nanoscale, vol. 12, no. 19, pp. 10456 - 10473, 2020.
[4] T. Neethu, P. Dubey and A. Kaswala, "Prospect and application of hydrogel technology in agriculture," International Journal of Current Microbiology and Applied Science, vol. 7, no. 5, pp. 3155 - 3162, 2018.
[5] C.  Winarti,  T.  Sunarti  and  N.  Richana,  "Produksi  dan  aplikasi  pati  nanopartikel," Buletin Teknologi Pascapanen Pertanian, vol. 7, no. 2, pp. 104-114, 2011.
[6] E. Syamsir, P. Hariyadi, D. Fardiaz, N. Andarwulan and F. Kusnandar, "Pengaruh proses heat- moisture  treatment  (TMT)  terhadap  karakteristik  fisikokimia  pati," Jurnal  Teknologi  dan Industri Pangan, vol. 11, no. 1, pp. 1139-1153, 2012.
[7] M.  Apriyani  and  E.  Setyadi,  "Sintesis  dan  karakterisasi  plastik  biodegradable  dari  pati onggok  singkong  dan  ekstrak  lidah  buaya  (Aloe  vera)  dengan  plasticizer  gliserol," Jurnal Sains Dasar, vol. 4, no. 2, pp. 145 - 152, 2015.
[8] R.  Suwarda  and M. Maarif,  "Pengembangan  inovasi  teknologi  nanopartikel  berbasis  pati untuk menciptakan produk yang berdaya saing," Jurnal Teknik Industri, vol. 3, no. 2, pp. 104 - 122, 2013.
[9] M.  Kurniati,  C.  Winarti,  F.  Syamani  and  I.  Puspita,  "Nanohidrogel  tapioka  menggunakan epiklorohidrin sebagai agen pengikat silang," Jurnal Teknologi Industri Pertanian, vol. 29, no. 2, pp. 213-221, 2019.
[10] Y. C. B. Piao, "One-pot synthesis and characterization of reduced graphene oxide – gelatin nanocomposite hydrogels," RSC Advances, vol. 6, no. 8, pp. 6171-6181., 2016.
[11] J. Hurler, A. Engesland, B. Kermary and N. Basnet, "Improved texture analysis for hydrogel characterization:  Gel  cohesiveness,  adhesiveness,  and  hardness," Journal  of  Applied Polymer Science, vol. 125, pp. 180-188, 2012.
[12] I. Puspita, C. Winarti, A. Maddu and M. Kurniati, "Synthesis of cassava starch based nano- hydrogels using gamma irradiation," in The 5th International Seminar on Sciences , Bogor, 2019.
[13] D. Corre, J. Bras and A. Dufresne, "Starch nanoparticles: A review," Biomacromolecules, vol. 11, no. 1, pp. 1139 - 1153, 2010.
[14] Y. Chen, K. Zheng, L. Niu, Y. Zhang, Y. Liu, C. Wang and F. Chu, "Highly mechanical properties nanocomposite hydrogels with biorenewable lignin nanoparticles," International Journal of Biological Macromolecules, vol. 128, pp. 414-420, 2019.
[15] A. Sezer, E. Cehver, F. Hatipoglu, A. Bas and J. Akbuga, "Preparation of fucoidan-chitosan hydrogel and its application as burn healing accelerator of rabbits," Biol. Pharm. Bull., vol. 31, no. 12, pp. 2326-2333, 2008.
[16] K.  Anseth,  C.  Bowman  and  L.  Peppas,  "Mechanical  properties  of  hydrogels  and  their experimental determination," Biomaterials, vol. 17, pp. 1647-1657, 1996.
[17] B.  Ghanbarzadeh,  H.  Almasi  and  A.  Entezami,  "Improving  the  barrier  and  mechanical properties  of  corn  starch  -  based  edible  films:  effect  of  citrid  acid  and  carboxymethyl cellulose," Industrial Crops and Products, vol. 33, pp. 229-235, 2011.
[18] T.  Grandhi,  N.  Zaman,  A.  Banda,  V.  Dhamankar,  C.  Chu,  E.  Perotta  and  I.  Kadilaya, "Mechanical characterization of extracellular matrix hydrogels: Comparison of properties measured  by  rheometer  and  texture  analyzer," Asian  Journal  of  Pharmaceutical Technology and Innovation, vol. 6, no. 28, pp. 6-21, 2018.
[19] E.  Kim,  M.  Kim,  J.  Song,  C.  Kang  and  W.  Park,  "Dual  crosslinked  alginate  hydrogels  by riboflavin as photoinitiator," International Journal of Biological Macromolecules, vol. 154, pp. 989-998, 2020.
[20] I. Yunita, W. Prendika and R. Mutia, "Modifikasi pati umbut batang kelapa sawit dengan hidrolisis asam," Jurnal Teknologi Pangan dan Gizi, vol. 21, no. 1, pp. 37-42, 2022.
[21] A. Abidin, G. Susanto and T. Puspasari, "Sintesis dan karakterisasi polimer superabsorben dari akrilamida," Jurnal Teknik Kimia Indonesia, vol. 11, no. 2, pp. 87-93, 2012.
[22] E.  Kalhapure,  E.  Kamoun,  M.  Eldin  and  M.  El-Meligy,  "Hydrogels:  A  boon  for  increasing agricultural productivity in water-stressed environment," General Articles, vol. 111, no. 11, pp. 1773-1779, 2016.