## Jurnal Riset Fisika Indonesia
Volume 3, Nomor 2, Juni 2023
ISSN: 2776-1460 (print); 2797-6513 (online) https://journal.ubb.ac.id/jrfi/article/view/4163
Pengaruh Iradiasi Gamma dan Asam Akrilat terhadap Sifat Mekanik Polimer Super Water Absorbent (SWA) Berbasis Onggok
Indah Puspita 1, * ) , Mersi Kurniati 2 , Christina Winarti 3
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
3) Kelompok Riset Peningkatan Nilai Tambah Produk Pertanian, Pusat Riset Agroindustri, Badan Riset dan Inovasi Nasional (BRIN)
Jl. Kawasan PUSPIPTEK Serpong,  Tangerang Selatan 1531, Banten, Indonesia
*E-mail korespondensi: indahpuspita@ubb.ac.id

## Info Artikel:
Dikirim: 1 Juni 2023 Revisi: 16 Juni 2023 Diterima: 30 Juni 2023

## Kata Kunci:
Onggok; Super Water  Absorbent
Polymer;  Acrylic Acid

## Abstract
The  Super  Water  Absorbent  (SWA)  polymer  is  a  type  of  polymer  that  has exceptional water absorption capabilities while remaining insoluble in water. In this  study,  the  authors  conducted  research  on  the  modification  of  SWA  by including  acrylic  acid  and  acrylamide  monomers,  followed  by  a  crosslinking process utilising gamma irradiation. This study investigated the impact of acrylic acid  and  gamma  irradiation  on  the  mechanical  characteristics  of  SWA.  The experimental  findings  demonstrated  a  notable  enhancement  in  the mechanical properties of the hydrogel by the incorporation of acrylic acid. This was evidenced by a substantial rise in the hardness value, which rose from 11.09 mJ to 36.13 mJ.

## PENDAHULUAN
Polimer super water absorben (SWA) merupakan polimer dengan karakteristik yang unik, yaitu mampu mengabsorbsi air atau pun cairan lainnya dalam jumlah yang sangat tinggi tanpa larut [1]. Polimer superabsorben berbasis polimer alam banyak dikembangkan saat ini karena bahan bakunya melimpah di alam dan dapat diperbaharui. Selain itu, harga bahan polimer alami juga lebih murah dibandingkan dengan polimer sintetik. Salah satu polimer alami yang banyak dimanfaatkan dalam pembuatan polimer superabsorben adalah pati.
Pati  banyak  dimanfaatkan  sebagai  bahan  dasar  polimer  super  water  absorben  (SWA) karena  memiliki kemampuan untuk  membentuk gel dan memiliki kemampuan untuk swelling [2].    Penelitian  sebelumnya  telah  melakukan  sintesis  hydrogel  dari  pati  singkong  (tapioka) menggunakan teknik iradiasi [3]. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa penggunaan iradiasi gamma sebagai metode pengikatan silang mampu meningkatkan nilai swelling dan sifat mekanik
SWA secara signifikan. Penggunaan pati singkong memiliki keterbatasan karena merupakan salah satu bahan pangan  yang  banyak dikonsumsi  Masyarakat,  sehingga harganya  cukup  tinggi dan jumlahnya terbatas. Oleh sebab itu, pada penelitian ini dilakukan pembuatan SWA dari onggok singkong.
Onggok  merupakan  limbah  padat  agroindustri  yang  dihasilkan  dari  industri  pengolahan singkong menjadi tapioka. Onggok yang dihasilkan dari proses pengolahan tersebut cukup tinggi, yaitu  sekitar  10  hingga  15  %  dari  bahan  baku  singkong  yang  digunakan  [4].  Onggok  memiliki kandungan  karbohidrat  dalam  jumlah  yang  sangat  tinggi,  yaitu  sekitar  82%  [5].  Hal  ini menyebabkan  karakteristik  onggok  hampir  sama  dengan  tapioka.  Kelemahan  penggunaan polimer  alami  seperti  onggok  dalam  pembuatan  SWA  diantaranya  polimer  alami  mudah mengalami retrogasi, rendahnya stabilitas gel yang dihasilkan, serta sifat mekanik yang rendah.
Hal  ini  menyebabkan  perlu  dilakukan  penambahan  monomer  sintetik  dan  metode pengikatan  silang  guna  menghasilkan  WSA  dengan  sifat  mendekati  sintetik.  Asam  akrilat  dan akrilamida  merupakan  monomer  yang  banyak  digunakan  dalam  pembuatan  SWA  berbasis sintetik karena bersifat reaktif dan mudah mengalami reaksi pengikatan silang [6]. Oleh sebab itu  penelitian  ini  melakukan  pembuatan  SWA  dari  onggok  singkong  yang  di  kopolimerisasi dengan  asam  akrilat  dan  akrilamida.  Metode  pengikatan  silang  menggunakan  iradiasi  gamma dilakukan  pada  penelitian  ini  untuk  menghasilkan  struktur  tiga  dimensi  polimer  yang  saling bertaut  silang.  Metode  ikat  silang  menggunakan  iradiasi  gamma  dilakukan  karena  proses berlangsung dengan cepat, tidak memerlukan penambahan inisiator dan agen pengikat silang yang  bersifat  toxic,  tidak  menimbulkan  residu  pada  SWA  yang  dihasilkan,  serta  biaya  yang relative  murah.  Oleh  sebab  itu  perlu  dilakukan  penelitian  untuk  menganalisis  pengaruh penambahan  monomer  dan  reaksi  ikat  silang  dengan  iradiasi  gamma  terhadap  sifat  mekanik hidrogel yang dihasilkan.

## METODE PENELITIAN

## Alat dan Bahan
Bahan yang diperlukan pada penelitian ini diantaranya adalah onggok yang diperoleh dari industri rumahan di daerah Ciluar Bogor, asam akrilat, akrilamida, aquades, ethanol 95%, asam klorida  (HCL),  dan  Kalium  Hidroksida  (KOH).  Sifat  mekanik  SWA  pada  penelitian  ini  diperiksa menggunakan perangkat Texture Analyzer Brookfield.

## Prosedur Penelitian Preparasi bahan
Onggok  singkong  disiapkan  melalui  pencucian  yang  dilanjutkan  dengan  pengeringan  di bawah sinar matahari selama 2 hari. Selanjutnya onggok dikeringkan pada oven dengan suhu 60 ˚C  selama  12  jam  untuk  mengeringkan  kadar  air  yang  tersisa.  Onggok  yang  telah  ker ing selanjutnya  digiling dan disaring  menggunakan  saringan  100 mesh  sehingga  dihasilkan  serbuk onggok. Serbuk onggok selanjutnya dilarutkan dalam aquades dengan nisbah 1:10 (b/v) dengan cara diaduk dan dipanaskan pada suhu 90 ˚C hingga membentuk gelatin.
Larutan akrilamida disiapkan dengan melarutkan akrilamida pada aquades dengan nisbah (1:10)  b/v.  Asam  akrilat  yang  digunakan  terlebih  dahulu  dilakukan  penetralan  pH  dengan pencampuran Asam akrilat dan larutan KOH konsentrasi 10% hingga mencapai pH 4.98.
Pembuatan Super Water Absorbent (SWA)
Tahap ini diawali dengan menurunkan suhu larutan onggok tergelatinisasi hingga mencapai suhu ruang. Selanjutnya dilakukan pencampuran larutan akrilamida dengan perbandingan onggok dan
akrilamida  1:1.  Suspensi  selanjutnya  diaduk  menggunakan magnetic  stirrer selama  30  menit hingga homogen. Suspensi yang telah homogen selanjutnya dicampurkan dengan larutan asam akrilat  dengan  volume  yang  divariasikan.  Volume  larutan  akrilamida  yang  ditambahkan divariasikan  berdasarkan  rasio  onggok,  akrilamida,  dan  asam  akrilat  berturut – turut  1:1:0.5. Perlakuan  kontrol  adalah  suspensi  yang  tidak  mendapatkan  penambahan  asam  akrilat. Pengadukan selanjutnya dilanjutkan selama 1 jam hingga campuran homogen.
Campuran yang telah homogen selanjutnya dimasukan dalam plastik klip dan direkatkan. Sampel  selanjutnya  diberikan  paparan  iradiasi  gamma  dengan  dosis  10  kGy  dengan  laju  5 kGy/jam.  Sampel  yang  telah  terpapar  iradiasi  selanjutnya  akan  membentuk  gel.  Gel  yang dihasilkan dikeringkan dalam oven pada suhu 60 ˚C hingga massa konstan.

## Prosedur Analisis Data
Data yang didapatkan dari pengujian sifat mekanik menggunakan Texture Analyzer terdiri dari beban, beban maksimum, kekerasan ( hardness ), regangan ( strain, 𝜖 ), dan tegangan ( stress, 𝜎 ).  Modulus  elastisitas  bahan  didapatkan  dari  kemiringan  kurva  tegangan  terhadap  regangan pada  pembebanan  20  hingga  80%.  Modulus  elastisitas  yang  didapatkan  digunakan  untuk menghitung densitas ikatan silang menggunakan Persamaan (1) sebagai berikut.
𝑌  = 𝜎 𝜖 =  3𝑁𝑘𝑇 (1)
N merupakan densitas ikatan silang (m 3 ), k adalah konstanta Boltzmann = 1.38065 × 10 -23 J K -1 , dan T adalah suhu mutlak pengujian sampel (K).
Kemampuan SWA dalam menyerap air ditunjukkan oleh nilai equilibrium degree of swelling (EDS). Nilai EDS ditentukan melalui persamaan (2).
𝐸𝐷𝑆  = 𝑚 𝑠 − 𝑚 0 𝑚 0 ×  100% (2)
m s merupakan massa ekuilibrium hidrogel setelah direndam dalam air dan m 0 adalah massa awal hidrogel.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Parameter pertama yang diuji dalam analisis sifat mekanik adalah kekerasan ( hardness). Nilai  ini  menunjukan  kekuatan  sampel  SWA  dalam  menahan  beban  [7].  Nilai  ini  diperoleh berdasarkan  massa  maksimum  yang  dibebankan  kepada  benda  sebelum  benda  mengalami deformasi  [8].  Hasil  pada  Tabel  1  menunjukkan  nilai hardness SWA  menurun  dari  33.54  mJ menjadi 11.09 mJ ketika dosis iradiasi ditambahkan dari 0 kGy menjadi 10 kGy pada SWA dengan rasio  onggok,  akrilamida,  dan  asam  akrilat  1:1:0,  atau  pada  sampel  yang  tidak  mendapatkan penambahan asam akrilat. Hasil ini berbanding terbalik dengan nilai EDS  pada Gambar 1 yang menunjukkan peningkatan nilai EDS dari 223.4% menjadi 778% ketika dosis iradiasi ditambahkan menjadi 10 kGy. Hal ini disebabkan proses iradiasi gamma menghasilkan struktur tiga dimensi pada  rantai  polimer  SWA,  sehingga  kemampuan  SWA  dalam  menyerap  air  ketika  diberikan perlakuan  iradiasi  semakin  meningkat  [5].  Peningkatan  volume  air  yang  berdifusi  pada  rantai polimer  SWA  menyebabkan  jarak  antar  ikatan  pada  SWA  semakin  merenggang.  Hal  ini menimbulkan  penurunan  pada  tingkat  kekerasan  ( hardness )  SWA.  Nilai  kekerasan  SWA berbanding lurus dengan nilai tegangan maksimum ( stress ). Nilai stress maksimum menunjukkan besarnya tegangan yang dialami oleh sampel ketika mendapat beban maksimum atau pada saat hardness maksimum. Nilai ini menunjukkan besarnya beban yang mampu diterima oleh bahan sebelum  pecah  atau  mengalami  deformasi  [9].  Nilai hardness dan stress berbanding  terbalik dengan nilai regangan ( strain ).
Rasio Onggok: Akrilamida : Asam Akrilat Dosis Iradiasi (kGy) Hardness (mJ) Tegangan Maksimum (Pa) Regangan Maksimum Modulus Elastisitas (Pa) Densitas Ikatan Silang (× 10 25 m -3 ) 1:1:0 0 33.54 205345.99 0.47 961541 7.738 1:1:0 10 11.09 84444.96 0.64 283180 2.279 1:1:0.5 10 36.13 118733.79 0.57 306453 2.466

## Gambar 1. Equilibrium Degree of Swelling SWA
Nilai regangan menunjukkan tingkat elastisitas bahan untuk meregang sebelum mengalami deformasi  ketika  diberikan  beban  [10].  Nilai  ini  didapatkan  berdasarkan  rasio  perubahan ketinggian sampel ketika menerima beban maksimum terhadap ketinggian awal sampel. Nilai ini berbanding lurus dengan nilai EDS. Regangan yang semakin tinggi menunjukkan sampel bersifat semakin  elastis  dan  semakin  mampu  untuk  memanjang  menghasilkan  rongga  yang  semakin besar  untuk  menampung  air.  Hal  ini  didukung  oleh  data  yang  disajikan  pada  Tabel  1  yang menunjukkan nilai regangan meningkat dari 0.4677 menjadi 0.6401 ketika dosis iradiasi sebesar 10 kGy diberikan pada SWA yang tidak diberikan penambahan asam akrilat.
Hasil  pada  Gambar  1  juga  menunjukkan  nilai  EDS  dan  sifat  mekanik  SWA  yang mendapatkan  penambahan  asam  akrilat  dengan  rasio  onggok:akrilamida:asam  akrilat  bernilai 1:1:0.5. Hasil pada Gambar 1 menunjukkan bahwa pada perlakuan dosis iradiasi gamma sebesar 10 kGy, SWA yang mendapatkan penambahan asam akrilat memiliki nilai EDS yang lebih tinggi dibandingkan dengan sampel SWA 10 kGy yang tidak mendapatkan penambahan asam akrilat. Peningkatan  EDS  yang  terjadi  sangat  signifikan,  yaitu  dari  778%  menjadi  6824.8%.  Hal  ini disebabkan  asam  akrilat  yang  telah  dinetralkan  akan  mengalami  ionisasi  menghasilkan  anion karboksilat yang bersifat hidrofilik dan mampu mengikat air [11]. SWA yang berinteraksi dengan air  akan  menyebabkan  interaksi  antara  anion – anion  pada  SWA  dengan  molekul  air  yang menghasilkan  gaya  tolak – menolak  antar  rantai  polimer  SWA,  sehingga  rantai  polimer mengalami ekspansi dan SWA mengalami pembengkakan ( swelling ) [12].
Hasil pada Tabel 1 juga menunjukkan sifat mekanik SWA yang mendapatkan penambahan asam akrilat. Berdasarkan hasil pada Tabel 1, penambahan asam akrilat dengan rasio Onggok : Akrilamida : Asam Akrilat 1:1:0.5 meningkatkan kekerasan ( hardness) SWA dari 11.09 mJ menjadi 36.14 mJ. Asam akrilat memiliki ikatan rangkap asam tak jenuh dan asam karboksilat atau ester alifatik yang bersifat reaktif terhadap reaksi pengikatan silang [13]. Ikatan yang bersifat reaktif pada  asam  akrilat  menyebabkan  asam  akrilat  mudah  mengalami  reaksi  untuk  membentuk
struktur  pertautan  silang.  Pertautan  silang  yang  dihasilkan  ini  menyebabkan  SWA  yang mendapatkan  penambahan  asam  akrilat  memiliki  sifat  mekanik  yang  lebih  baik  dibandingkan dengan SWA yang tidak mendapatkan penambahan asam akrilat. Parameter utama dalam sifat mekanik  SWA  adalah  kekerasan  ( hardness ).  Semakin  tinggi  nilai hardness SWA,  sifat  mekanik SWA semakin baik.

## Gambar 2. Kurva hubungan tegangan terhadap regangan SWA onggok
Modulus  elastisitas  SWA  ditentukan  berdasarkan  kemiringan  kurva  tegangan  terhadap regangan yang disajikan pada Gambar 2. Nilai modulus elastisitas SWA pada berbagai perlakuan dirangkum pada Tabel 1. Hasil pada Tabel 1 menunjukkan pada SWA dengan rasio 1:1:0, modulus elastisitas SWA mengalami penurunan dari 961541 Pa menjadi 283180 Pa. Hasil ini berbanding lurus dengan nilai kekerasan ( hardness ) dan tegangan. Nilai modulus elastisitas yang diperoleh pada  sampel  SWA  yang  dihasilkan  pada  penelitian  ini  lebih  tinggi  dibandingkan  dengan  hasil penelitian serupa yang dilakukan oleh Kakkar dan Madhan yang memiliki nilai modulus elastisitas sebesar  4530  Pa  [14].  Nilai  modulus  elastisitas  yang  diperoleh  pada  penelitian  ini  digunakan untuk menentukan kerapatan (densitas) ikatan silang menggunakan Persamaan (1) [5].

## Gambar 3. Densitas ikatan silang SWA Onggok
Nilai densitas ikatan silang untuk SWA yang dihasilkan pada penelitian ini disajikan pada Gambar 3. Nilai densitas ikatan silang menunjukkan kerapatan ikatan silang pada rantai polimer
SWA setelah direndam dalam air.  Hasil pada Gambar 3 menunjukkan SWA onggok yang tidak mendapatkan penambahan asam akrilat mengalami penurunan nilai densitas ikatan silang dari 7.74 × 10 25 /m 3 menjadi 2.28 × 10 25 /m 3 ketika diberikan iradiasi gamma sebesar 10 kGy. Iradiasi gamma yang dipaparkan pada sampel SWA menyebabkan terbentuknya ion – ion radikal yang bersifat  tidak  stabil.  Ion – ion  radikal  yang  tidak  stabil  ini  memicu  terbentuknya  ikatan  antar rantai  polimer  untuk  mencapai  kestabilan  [3].  Ikatan  antar  rantai  polimer  menyusun  rantai polimer tiga dimensi yang saling bertaut silang. Struktur pertautan silang tiga dimensi ini menjadi tempat  untuk  memerangkap  molekul  air  sehingga  dapat  tersimpan  dalam  struktur  SWA.  EDS yang semakin tinggi menunjukkan jumlah air yang diperangkap dalam struktur polimer semakin banyak.  Hal  ini  menyebabkan  ikatan  antar  rantai  tiga  dimensi  merenggang,  sehingga kerapatannya mengalami penurunan.
Reaksi pengikatan silang menggunakan iradiasi gamma melibatkan efek langsung dan efek tidak  langsung.  Pada  efek  langsung,  larutan  campuran  onggok,  akrilamida,  dan  asam  akrilat diberikan paparan iradiasi gamma sehingga menghasilkan polimer dan monomer radikal yang kemudian  mengalami  rekombinasi  untuk  membentuk  polimer  baru  yang  berikatan  silang. Sementara itu, efek tidak langsung terjadi ketika melibatkan proses radiolisis air. energi tinggi yang dilepaskan oleh iradiasi gamma menyebabkan disosiasi molekul air menjadi hidrogen dan hidroksil radikal. Selanjutnya, ion hidrogen (H + ) dan hidroksil (OH - ) radikal menginisiasi polimer hingga membentuk polimer radikal dan kemudian saling membentuk ikatan [15].

## KESIMPULAN
Metode pengikatan silang menggunakan iradiasi gamma dan penambahan monomer asam akrilat berpengaruh secara signifikan terhadap nilai equilibrium degree of swelling (EDS) dan sifat mekanik polimer super water absorbent. Nilai EDS SWA meningkat dengan penambahan asam akrilat dan pemberian metode pengikatan silang menggunakan iradiasi gamma. Kekerasan dan tegangan  maksimum  SWA  yang  tidak  menerima  penambahan  SWA  mengalami  penurunan dengan pemberian iradiasi gamma dengan dosis 10 kGy. Namun penambahan asam akrilat pada metode ikatan silang menggunakan iradiasi gamma mampu meningkatkan EDS dan sifat mekanik SWA.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]   A. K. R. Gallardo, A. P. Silos, L. S. Relleve and L. V. Abad, "Retrogradation in radiation- synthesized cassava starch/acrylic acid super water absorbent and its effect on gel stability," Radiation Physics and Chemistry, vol. 199, p. 110313, 2022.
[2]   A. A. Danimayotsu, N. M. Shofiana and D. Permatasari, "Pengaruh penggunaan pati kentang (Solanum tuberosum) termodifikasi asetilasi-oksidasi sebagai gelling agent terhadap stabilitas gel natrium diklofenak," Pharmaoeutional Journal of Indonesia, vol. 3, no. 1, pp. 25-32, 2017.
[3]   I. Puspita, C. Winarti and M. Kurniati, "Synthesis of cassava starch based nano - hydrogels using gamma iradiation," IOP Conf Series: Earth and Environmental Science, vol. 299, pp. 1-10, 2019.
[4]   K. Sriroth, R. Chollakup, S. Chotineeranat, K. Piyachomkwan and C. G. Oates, "Processing of cassava waste to improved biomass utilization," Bioresour Technol, vol. 71, pp. 63-69, 2000.
[5]   I. Puspita, M. Kurniati, C. Winarti and A. Maddu, "Cassava waste pulp – poly(acrylamide- acrylic acid) based hydrogels using gamma irradiation," J Phys Conf Ser , vol. 1912, p. 012017, 2021.
[6]   D. Feng, B. Bai, C. Ding, H. Wang and Y. Suo, "Synthesis and Swelling Behaviors of Yeast- g -Poly(acrylic acid) Superabsorbent Co-polymer," Ind Eng Chem Res , vol. 53 , p. 12760–9, 2014.
[7]   I. Puspita and M. Kurniati, "Sifat Mekanik dan Densitas Ikatan Silang Hidrogel Berbasis Tapioka Nanopartikel," Jurnal Riset Fisika Indonesia, vol. 3, no. 1, pp. 32-42, 2022.
[8]   C. Yuan, L. Du, G. Zhang, Z. Jin and H. Liu, "Influence of cyclodextrins on texture behavior and freeze – thaw stability of kappa – carrageenan gel," Food Chemistry, vol. 210, pp. 600-605, 2016.
[9]   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.
[10]  X. Gong, Y. Xi, S. Xuan, C. Guo and L. Zong, "The investigation on the nonlinearity of plasticine – like magnetorheological material under oscillatory shear rheometry," Journal of Rheology, vol. 56, no. 6, pp. 1372-1380, 2012.
[11]  Erizal, "Sintesis hidrogel superabsorben poli(akrilamida-ko-kalium akrilat) dengan teknik radiasi dan karakterisasinya," Jurnal Ilmiah Aplikasi Isotop dan Radiasi, vol. 6, no. 2, pp. 105-116, 2010.
[12]  Erizal, M. Lana, R. A. K. Setyo and B. Abbas, "Sintesis dan karakterisasi hidrogel superabsorben berbasis asam akrilat hasil iradiasi gamma," Jurnal Ilmiah Aplikasi Isotop dan Radiasi, vol. 11, no. 1, pp. 27-38, 2015.
[13]  T. Fekete, J. Borsa, E. Takacs and L. Wojnarovits, "Synthesis and characterization of superabsorbent hydrogels based on hydroxyethylcellulose and acrylic acid," Carbohydrates Polymers, vol. 166, pp. 300-308, 2017.
[14]  P. Kakkar and B. Madhan, "Fabrication of keratin - silica hydrogel for biomedical applications," Materials Science and Engineering, vol. 66, pp. 178-184, 2016.
[15]  E. Jabbari and S. Nozari, "Swelling behacior of acrylic acid hydrogels prepared by gamma radiation crosslinking of polyacrylic acid in aqueous solution," Europian Polymer Journal, vol. 36, pp. 2685-2692, 2000.