## STUDI KONDUKTIVITAS ELEKTROLIT POLIMER KITOSAN/PVA+KOH

## (Conductiviy study of Chitosan/PVA+KOH polymer eletrolyte)
R.Putri 1 , A.Maddu 2 , Irzaman 2

## 1. Departemen Fisika, Universitas Muhammadiyah Riau
2. Departemen Fisika, Institut Pertanian Bogor

## ABSTRAK
The  blend-based  polymer  electrolyte  consisting  of  chitosan  and  polyvinyl alcohol  (PVA)  as host  polymers  and  potassium  hydroxide  (KOH)  as  the  complexing  salt  was  studied.  Polymer electrolyte were obtained by the casting technique. An attempt was also made to investigate the effect  of  TiO2  concentration  in  the  chitosan/PVA+KOH  polymer  electrolyte.  The  best  ionic conductivity  values  of  1,105  x  10-2  S  cm-1  at  room  temperature  were  obtained  for  the  sample containing 35%wt of KOH and 1,210 x 10-2 S cm-1 for the sample containing 50% wt TiO2. The polymer  electrolyte  with  good  ionic  conductivity  properties  were  characterized  by  thermal analysis  (DSC).  The  glass  transition  temperature  about  75.30  °C  for  the  optimum Chitosan/PVA+KOH Key words : polymer electrolyte, conductivity, chitosan

## 1. PENDAHULUAN
Udang merupakan salah satu komoditas ekspor perikanan  Indonesia  yang jumlahnya dari  tahun  ke  tahun  semakin  meningkat. Potensi  udang  pada  tahun  2009  sebesar 540.000  ton,  limbah  yang  diperkirakan mencapai 324.000 ton. Jika limbah sebanyak ini  tidak  ditangani  dengan  baik,  maka  akan menimbulkan dampak negatif bagi lingkungan [1,2].
Kulit  udang  mengandung  kitin  sebesar 99,1%.  Jika  diproses  lebih  lanjut  akan dihasilkan  kitosan.  Kitosan  memiliki  gugus aktif  amina  bebas  dan  hidroksil.  Dengan adanya gugus-gugus ini, maka kitosan dapat dimodifikasi  menjadi  berbagai  produk. Modifikasi  yang  dapat  dilakukan  adalah alkilasi, sililasi, tosilasi, pembentukan garam kuartener,  sulfatasi,  fosforilasi,  dan  tiolasi [2,3].  Kitosan  juga  dapat  dimodifikasi dengan  cara  dicampur  dengan  polimer  lain seperti  polivinil  alkohol(PVA)  dan  poli (asam akrilat).
Pencampuran kitosan/PVA dapat dimanfaatkan  sebagai  elektrolit  polimer untuk  berbagai  macam  aplikasi.  Hal  ini dapat  dilihat  dari  kedua  potensi  bahan tersebut.  Kitosan  bersifat  polielektrolit kationik  karena  adanya  gugus  amino, biodegradable,  bisa  membentuk  film,  dan bisa  berfungsi  sebagai  agen  pengkelat  ion logam.  Sedangkan  PVA  memiliki  sifat mekanik  yang  bagus  dan  kemampuan terdegradasi  alami  pada  kondisi  tertentu. Pencampuran  kitosan  dan  PVA  dapat memperbaiki kekuatan mekanik dan meningkatkan konduktivitas elektrolit polimer [1,2].
Penelitian ini bertujuan untuk menentukan komposisi optimum
kitosan/PVA+KOH.  Komposisi  optimum merupakan  komposisi  elektrolit  polimer yang menghasilkan nilai konduktivitas ionik paling  tinggi.  Selain  itu  juga  diteliti  efek penambahan filler TiO 2 terhadap  komposisi kitosan/PVA+KOH optimum..

## 2. METODOLOGI PENELITIAN
Penelitian ini
dilakukan di
Laboratorium Biofisika Departemen  Fisika
IPB dan Sentra Teknologi
Polimer PUSPITEK  Serpong dari Mei  2008 sampai Januari 2009.
Bahan-bahan  yang  digunakan  dalam penelitian  ini diantaranya  adalah  kitosan, polivinil  alkohol  (PVA),  aquades,  asam asetat, KOH, dan TiO 2 . Alat yang digunakan dalam  penelitian  ini  adalah  neraca  analitik, gelas  piala, pipet tetes, pipet  Mohr,  gelas ukur  Iwaki  10  ml dan  100  ml, hot  plate, cawan  petri, hot plate  stirrer, tissue, Bransonic  2510 dan furnace (tanur).  Alat karakterisasi  yang  digunakan  diantaranya adalah: LCR meter dan Rheometric

## Scientific DSC.
Kitosan  sebanyak  0,25  gram  dilarutkan dalam 10 ml asam asetat 1% dengan metode sonikasi selama 4 jam. Kemudian ditambahkan  PVA  sebanyak  0,25  gram. Proses  pencampuran  dilakukan  dengan menggunakan hot plat stirrer pada temperatur  80 o C  sampai  larutan  homogen. Campuran kitosan-PVA yang telah homogen ditambahkan KOH dengan variasi
konsentrasi 0 – 50% wt. Campuran kitosan/PVA+KOH dengan berbagai konsentrasi  didinginkan  pada  suhu  ruang dan diukur konduktivitasnya dengan menggunakan LCR meter. Efek penambahan filler TiO 2 pada  campuran kitosan/PVA+KOH  optimum  diamati  pada variasi  konsentrasi  0 – 60%  wt  dengan  cara mengukur konduktivitasnya.

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN Konduktivitas ionik kitosan/PVA
Kajian  yang  paling  penting  dalam kompleks elektrolit polimer adalah
pengukuran konduktivitas ioniknya. Konduktivitas  ionik  yang  ditunjukkan  oleh suatu matriks elektrolit polimer adalah hasil dari  penambahan  (doping)  unsure  alkali  ke dalam matriks polimer tersebut. Unsur alkali yang  ditambahkan  ke  dalam  polimer kitosan/PVA  adalah  kalium  dari  senyawa KOH  dengan  berbagai  konsentrasi  (%wt). Dari  Gambar  1,  dapat  dilihat  bahwa  nilai konduktivitas  ionik  meningkat  dengan semakin banyaknya KOH yang ditambahkan. Konduktivitas ionik kitosan/PVA  tanpa  penambahan  KOH sekitar  0,325 x  10 -2 S  cm -1 .  Konduktivitas meningkat  ketika  ditambahkan  KOH  ke dalam polimer tersebut. Peningkatan konduktivitas ionik akibat adanya penambahan  KOH berkaitan dengan adanya peningkatan  jumlah  ion  pembawa  muatan (K + )  dan  reaksi  ion  tersebut  di  dalam  rantai polimer [4].
Pada  batas  tertentu  penambahan garam KOH mengakibatkan penurunan nilai konduktivitas ionik elektrolit polimer kitosan/PVA.  Nilai  konduktivitas  ionik paling  tinggi  yaitu  pada  penambahan  KOH sebesar 35%. Konduktivitas ionik kitosan/PVA  pada  kondisi  penambahan KOH 35 % (optimum) adalah sebesar 1,105 x  10 -2 S  cm -1 .  Nilai  ini  lebih  besar  0,255 x 10 -2 S cm -1 dibandingkan dengan konduktivitas ionik elektrolit polimer PVA+KOH  40%  yang  telah  dilakukan  A.A Mohamad  dan  A.  K.  Arof  pada  tahun  2006 [5].  Senyawa  KOH  yang  ditambahkan  pada elektrolit  polimer  kitosan/PVA,  5%  lebih rendah  dibandingkan  dengan  elektrolit polimer  PVA+KOH.  Penambahan  kitosan pada  PVA  terbukti  dapat  meningkatkan konduktivitas ionik elektrolit polimer karena kitosan  sendiri  merupakan  polimer  yang bersifat konduktif.
Gambar 1 Variasi konduktivitas ionik elektrolit polimer kitosan/PVA terhadap persentase penambahan KOH (% wt)
Gambar 2 Hubungan antara temperatur dan konduktivtas ionik kitosan/PVA+KOH 35 %
Hubungan konduktivitas ionik elektrolit polimer kitosan/PVA+KOH terhadap temperatur  dapat  dilihat  pada  Gambar  2. Elektrolit  polimer  yang diukur  merupakan elektrolit  polimer  dengan  konduktivitas ionik  paling  tinggi  (35%  KOH). Dari Gambar  2,  dapat  dilihat  bahwa  semakin tinggi  temperatur,  maka  konduktivitas  ionik elektrolit polimer juga semakin tinggi. Pada batas  temperatur  tertentu,  konduktivitas elektrolit  polimer  semakin  menurun  dengan semakin  meningkatnya  temperatur.  Nilai konduktivitas ionik elektrolit polimer optimum  pada  suhu  75,40 o C.  Adanya temperatur  optimum  ini  berpengaruh  dalam aplikasi  elektrolit  polimer  tersebut.  Selain itu,  peningkatan  konduktivitas  terhadap temperatur  berkaitan  dengan  apa  yang terjadi  pada  kristal  ionik  yaitu  terjadinya proses  lompatan  ion  ke  bagian  tetangga atom terdekat yang kosong. Pada temperatur tinggi, pergerakan termal rantai polimer dan disosiasi garam semakin meningkat sehingga  konduktivitas  semakin  meningkat.
Pada  temperatur  rendah,  kehadiran  garam KOH menyebabkan interaksi garam-polimer atau  interaksi  kation-dipol  yang  akan meningkatkan energi kohesif jaringan polimer.  Ketika  terjadi  penurunan  volume bebas,  gerak  segmental  polimer  dan  ion akan  terhalang,  sehingga  terjadi  penurunan konduktivitas ionik [6].

## DSC (Differential Scanning Calorimetry)
Salah satu teknik yang digunakan untuk menentukan  temperatur  transisi  gelas  (Tg) elektrolit  polimer  adalah  DSC  (Differential Scanning  Calorimetry).  Temperatur  transisi gelas  (Tg)  merupakan  sifat  yang  penting dalam polimer, di mana pada temperatur ini terjadi  perubahan  dari  keadaan  glassy  ke keadaan rubbery. Tinggi rendahnya temperatur  transisi  gelas  dipengaruhi  oleh kekuatan  ikatan  antar  rantai  pada  polimer dimana  kekuatan  ikatan  makin  besar  maka temperatur  transisi  gelas  juga  makin  tinggi [7].  Temperatur  transisi  gelas  PVA  adalah 85  oC  sedangkan  kitosan  adalah  150  oC. Temperatur  transisi  gelas  kitosan  sulit ditentukan  karena  kitosan  mempunyai  sifat kristalin  dan  berbentuk  heterosiklik  dimana kuatnya  ikatan  antar  dan  intermolekul hidrogen di dalam polimer kitosan. Sifat ini biasanya  juga  ditemukan  pada  beberapa polisakarida  seperti  turunan  selulosa  dan kitin.
Gambar 3 Temperatur transisi gelas (Tg) Kitosan/PVA+KOH
Analisa  DSC  telah  dilakukan  pada  polimer elektrolit kitosan/PVA+KOH dengan perbandingan  kitosan:  PVA  =  1  :  1  dan penambahan  KOH  35%.  Dari  analisa  ini (Gambar  3)  hanya  diperoleh  satu  titik transisi  gelas  yaitu  75,30  oC.  Titik  transisi gelas  ini  lebih  mendekati  dan  lebih  rendah dari  Tg  PVA.  Hal  ini  dapat  dijelaskan sebagai  berikut,  penambahan  kitosan  pada PVA akan menyebabkan terjadinya peningkatan  fleksibilitas  rantai  polimer. Peningkatan fleksibilitas rantai menyebabkan  kemampuan  atom-atom  pada struktur  polimer  untuk  berputar  atau melakukan  segmental  di  antara  rantai- rantainya  semakin  meningkat.  Akibatnya temperatur  transisi  gelas  paduan  polimer tersebut semakin menurun.
Konduktivitas ionik akan semakin meningkat dengan semakin turunnya temperatur  transisi  gelas  elektrolit  polimer. Pada  kondisi  penambahan  garam  optimum diperoleh  nilai  temperatur  gelas  tertentu yang  nilainya  merupakan  kombinasi  dari temperatur  transisi  gelas  masing-masing polimer  pembentuknya.  Penelitian  yang telah  dilakukan  Osman  pada  kitosan+Li menunjukkan  bahwa  penambahan  garam pada  elektrolit  polimer  akan  menurunkan temperatur  transisi  gelas  dan  meningkatkan konduktivitas  ioniknya  [7].  Pada  kondisi tertentu,  terjadi  peningkatan  nilai  Tg  ketika penambahan garam melebihi jumlah optimum.  Meningktanya  nilai  Tg  akan menyebabkan menurunnya fleksibilas segmental  dan  semakin  kakunya  rantai polimer.  Kekakuan  rantai  polimer  terjadi akibat  adanya  ikatan  silang  antara  kation pada  garam  dengan  segmen  di  sekeliling rantai yang juga akan menurunkan mobilitas kation.

## Efek Penambahan filler TiO 2
Salah  satu  cara  untuk  meningkatkan konduktivitas ionik elektrolit polimer adalah dengan  menambahkan  filler.  Penambahan filler tergantung pada aplikasi yang diinginkan.  Untuk  aplikasi  dye-sensitized solar  cells  (DSSC),  filler  TiO2  dapat ditambahkan  pada  elektrolit  polimer  [6,8]. Pada  penelitian  ini,  elektrolit  polimer kitosan/PVA+KOH  35%  ditambahkan  filler TiO2  dengan  variasi  konsentrasi  0-60%  wt. Hasil  penelitian menunjukkan  (Gambar  4) bahwa semakin banyak TiO2 yang ditambahkan,  konduktivitas  ionik  elektrolit polimer semakin tinggi. Konduktivitas ionik elektrolit polimer maksimum pada konsentrasi penambahan TiO2 sebesar 50%. Konduktivitas ionik elektrolit polimer dengan penambahan TiO2 optimum menghasilkan konduktivitas sebesar 1,210 x 10-2  S  cm-1.  Nilai  ini  lebih  besar  0,154  x 10-2  S  cm-1  dari  konduktivitas  ionik elektrolit  polimer  kitosan/PVA+KOH  35% yang  hanya  1,105  x  10-2  S  cm-1. Penambahan filler TiO2 dapat meningkatkan kekuatan mekanik, meningkatkan konduktivitas  ionik,  dan  stabil  dalam interface [8,9].
Gambar 4 Efek penambahan TiO2 pada elektrolit polimer kitosan/PVA+KOH

## 4. KESIMPULAN
Pada  penelitian  ini  telah  dihasilkan elektrolit polimer kitosan/PVA+KOH
dengan  komposisi  optimum  KOH  35%  wt. Nilai  konduktivitas  ionik  yang  dihasilkan pada kondisi optimum adalah 1,105 x 10 -2 S cm -1 .  Konduktivitas  ionik  elektrolit  polimer meningkat  dengan  semakin  meningkatnya temperatur.  Namun  pada  temperatur  diatas transisi gelas  konduktivitas  menurun  karena adanya  transisi  polimer.  Transisi  elektrolit polimer  terjadi  pada  temperatur  75,30 o C. Penambahan filler TiO 2 akan  meningkatkan konduktivitas ionik elektrolit polimer.
Elektrolit polimer dengan penambahan filler TiO 2 50% wt menunjukkan nilai konduktivitas  ionik  yang  lebih  tinggi  yaitu sekitar 1,210 x 10 -2 S cm -1 .

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Aisyah IN. Pembengkakan Hidrogel Kitosan-Polivinil Alkohol [skripsi].
Bogor: Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut
Pertanian Bogor; 2005
[2] Kaban  J. Modifikasi  Kimia  Dari Kitosan  dan  Aplikasi  Produk  Yang
Dihasilkan. Medan: Fakultas Matematika  dan  Ilmu  Pengetahuan Alam,  Universitas  Sumatera  Utara;
2009
[3] Wan  Y,  Creber  KAM,  Peppley  B, Bui  VT. Synthesis,  characterization
and  ionic  conductive  properties  of phosphorylated chitosan membranes.
Macromol. Chem.  Phys 2003;  204: 850-858.
[4] Idris  NH,  Majid  SR,  Khiar  ASA, Hassan MF, and Arof AK. Conductivity Studies on Chitosan/PEO  Blends  with  LiTFSI Salt. Ionics 2005; 11: 375
[5] Mohamad  AA,  Arof  AK. Effect  of storage  time  on  the  properties  of PVA – KOH  alkalinesolid  polymer electrolyte  system. Ionics 2006;12:
57 – 61
[6] Rajendran S, Babu RS, Renuka Devi
K. Ionic  conduction  behavior  in PVC – PEG blend polymer electrolytes  upon  the  addition of TiO2. Ionics 2008; DOI 10.1007/s11581-008-0222-3 [7] Osman Z. Thermal and Conductivity Studies  of  Chitosan  Acetate-Based
Polymer  Electrolytes. lonics 2005;
11:397
[8] Lakshman Dissanayake MAK. Nano-Composite Solid Polymer Electrolytes  for  Solid  State  Ionic
Devices. Ionics 10 (2004) 221
[9] Majid SR, Idris NH, Hassan MF,
Winie T, Khiar ASA and Arof AK. Transport Studies on Filler-doped Chitosan Based Polymer Electrolyte. Ionics 2005; 11: 451