Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi IIISerpong, 20 -21 Oktober 1998 ISSN 1410-2897

STUD I PENDAHULUAN TRANSISI FASAMIKROEMULSI AIR -SYNPERONIC NP 5 -HEPTANA

DENGAN TEKNIK HAMBURAN NEUTRON SUDUT KECILS3G

Edy Girl R. futral, Epung S. Bahruml, Indarto P!, Shahidan RadimawI Pusat Penelitian Sains Materi -BATAN, Serpong

2)Dept. of Nuclear Science. lJniversity Kebangsaan Malaysia(]ifABSTRAK

STUDI PENDAHULUAN TRANSISI FASA MIKROEMULSIAIR -SYNPERONICNP 5 -HEPTANA DENGAN

TEKNIK HAM BURAN NEUTRON SUDUT KECIL. Transisi rasa dalam mikroemulsi Air -Synperonic NP 5 -Heptana telah

dapat dipela;iari dengan teknik hamburan neutron sudut kecil (SANS). Perubahan rasa ini ditandai dengan terjad~~ya perubahanstruktur mise! dari struktur bola menjadi struktur lamelar atau sebaliknya. Puncak Bragg pada sekitar q = 0.1 A memberikan

informasi adanya tingkat keteraturan yang tinggi pada jarak panjang, yaitu terbentuknya struktur lamelar dengan jarak antarlamelar, d = 62 A.

ABSTRACT

A STUDY PHASE TRANSITION OF WATER -SYNPERONIC NP 5 -HEPTANE MICROEMULSION BYSMALL ANGLE NEUTRON SCATTERING TECHNIQUE. Phase transisition of Water -Synperonic NP5 -Hepatnemicroemulsion has been investigated by small angle neutron scattering technique (SANS). The transition of spherical micellesstructure to lam-t:flar structure or the other way has shown the phase transition of the microemulsion system. A Bragg peakabout q = 0 I A corresponds to highly ordered long-range of micelles which is formed the lamellar structure with the average

lamellar distance. d. about 62 A.

menjadi sistem gel atau kristal cair dan sebaliknya. Halini berdasarkan diagram rasa sistem mikroemulsi Air -

Synperonic NP 5 -Heptana. Dengau mengamati transisirasa dalam sistem mikroemulsi sebagai fungsi daTikomposisi masing-masing komponen, maka dapatdiperoleh diagram rasa terner sistem mikroemulsitersebut. .

PENDABULUAN

TEORIDASAR

Misel daD mikroemulsi adalah agregat denganukuran antara 0.01 -0.1 ~m yang terdiTi daTi molekulamfifilik dalam pelarut air atau organik, Gambar 1.Molekul amfifilik atau disebut juga surfaktan tersebutumumnya terdiTi daTi bagian yang suka air (hidrofilik)alan gugus polar daD bagian yang tidak suka air(hidrofobik) daD teTikat dengan gugus polar tersebut.Pada konsentrasi yang relatif rendah, jumlah molekulamfifilik dalam larutao baik air maupun organik rendah,terbentuk agregat yang disebut dengan misel. Bilakonsentrasi surfaktan dinaikkan maka misel yangmemiliki struktur bola akan mengembang daD pactaakhimya akan membentuk struktur lamelar [5,6].

Pembentukan misel daD kemampuannyamelarutkan molekul lainnya seperti air atau molekulorganik di samping tidak larut dalam suatu pelarutlainnya merupakan syarat daTi molekul amfifilik. Bilamisel tersebut larut terhadap molekullain dalam salahsatu bagiannya, maka larutao yang terjadi terdiTi daTitiga komponen, yaitu molekul amfifilik, air daD minyak

Harnburan neutron sudut kecil (SANS) merupakanteknik yang penting da1am mempelajari material kompleks,seperti polimer. liquid crystal (kristal cair). larutan misel,mesofasa liotropik atau molekul amfifilik [I]. Hal inidisebabkan karena teknik SANS mampu mengamatistrukturdengan ukuranantaraO.OOI-O.11-Ull [1,2,3]. Untuksistem dua rasa yang mengandung unsur hidrogen cukupbesar. penggantian atom H dengan D yang memilikipenampang hamburan positif akan memberikaninhomogenitas sistem sehingga akan lebih mudahdiamati di dalam campuran.

Bentuk daD ukuran mise], molekul amfifilikdalam sistem emulsi maupun mikroemulsi dapatdipelajari menggunakan teknik SANS [1.4] Di sampingdapat mempelajari bentuk daD ukuran mikroemulsi,seperti pembentukan tetesan daD teballapisan surfaktanatau molekul amfifilik, teknik SANS dapat jugadigunakan untuk melihat terjadinya pembentukanstruktur dalam sistem emulsi tersebut [2,5]. Bilakonsentrasi air daD minyak dalam sistem emuisi ataumikroemulsi divariasikan dapat menyebabkanterjadinya sistem dua rasa yang kontinu [4].

Dalam makalah ini akan diterangkan transisirasa dari sistem mikroemulsi Air -Synperonic NP5 -

Heptana menggunakan teknik SANS. Denganmemvariasikan komposisi ketiga komponen tersebut,sistem mikroemulsi Air -Synperonic NP 5 -Heptanaakan memiliki perubahan rasa dari sistem mikroemulsi

Pro.\"iding Pertemuan Ilmiah ,\'ains Materi III,\'erpong, 20 -21 Oktober 1998 ISSN 1410-2897

OIL

INVERTED MICELL£~MICELLE

nt..=2dsin(8/2) (1)

Dalam hamburan sudut kecil, lebih seringdigunakan istilah q, yang diterjemahkan sebagaimomentum transfer, yaitu :

q = ki -ks (2)

ki adalah vektor gelombang datang dan ks ada1ah vektorgelombang hamburan.

ki = ks = 2 7t It.. (3)

q = 2 ki sin 8/2

dan q = 'l:ks sin e 12 (4)SO A )0 A

Mise! terinve",i (It> = 0003 ~)Mise! (Ij) ~ noos,,",) Maka

~\~cOJ\/'"¥ OIL '\/\.10

~~~

q = (47t/A.) sin (8 /2) (5)

k merupakan vektor, besaran skalamya adalah Ikl. Makabesaran vektor g~lombang dinyatakan sebagai :

q = (4n/A.) sin (8 /2) (6)

Subtitusi daTi persamaan Bragg, persamaan (1), makahubungan q dengan ukuran atau dimensi daTi obyek

adalah :

2 nIq = din atau q = 2 nn/d (7)D/V HICROEHULSION

WID MICROEMULSION

100 ;. TATA KERJAMikroemulsi O/W(IjI = 001 mm)

100 iMikroemuisi W/O (oJ! = OOlmm)

BahanGambar I.Gambaran sederhana struktur misel dan

mikroemulsi [4)Cuplikan mikroemulsi Air -Synperonic NP5 -

Heptana diperoleh daTi Dr. Shahidan Radiman daTi

Department of Nuclear Physics, University KebangsaanMalaysia. Synperonic NP5 adalah polypropylene-co-polyethylene oxide (PP-co-PEO), yaitu merupakankopolimer blok dengan massa molekul1500. KomposisiAir -Synperonic NP5 -Heptan~ (W/S/O) yangdigunakan dalam percobaan ini adalah :

Al : W/S/O = 23/73/4A2 : W/S/O = 20/70/10A3 : W/S/O = 17/67/16A4 : W/S/O = 13/64/23

Struktur rantai PP -PEa :

[ CH2(CH3)CH]n [CH2CH20]n

yang disebut dengan sistem lnikroemulsi; Secara umum,sistem lnikroemulsi dapat dinyatakan dalam diagram rasadengan tiga komponen, Gambar 2.

Hamburan sudut kecil merupakan teknik

Tata Kerja

w--01-

(iambar 2. Diagram rasa pembentukan sistem mikroemulsi

air-surfaktan-minyak [5J

pengamatan yang berkaitan pada fenomena difraksi,sehingga berkaitan erat dengan difraksi Bragg yangdinyatakan da!am persamaan Bragg:

Cuplikan dimasukkan ke dalam sel yang terbuatdari bahan quartz berukuran 2.0 x 2.0 cm, dengan tebalcuplikan I rom. Sel tersebut ditempatkan pada dudukancuplikan (sample holder) di dalam kamar cuplikan(sample chamber) daTi spektrometer hamburan neutron

sudut kecil.Kondisi pengukuran cuplikan dengan

spektrometer hamburan neutron sudut kecil :

Edv Giri Rahman Putra dkk.

Data basil percobaan diolah dengan programreduksi data SANS dari Prof. Kell Mortensen,RISO -Demnark. kemudian diplot dengan program grafikIa:>R

(b) I~I

Gambar 4. Profil /lamburan sudut kecil Al (W/S/O73/4Xa)dua dimensi (b) satu dimen.~i, X

..~ ..,.", TlHE .,~:,,".28/"""';-"M"~-'""""'."'T!;,£. "',.~"T .Pf'O-I""-.'-!"";-1.mt-S3

fu.1. ." ..~.

Data hasil pengukuran pada posisi detektor 1.5meter. Gambar 4 sampai dengan Gambar 7 dapatditunjukkan bahwa cuplikan sistem mikroemulsi Air -

Synperonic NP5 -Heptana memberikan fenomenahamburan sudut kecil. gambar (a). Secara kualitatifdapat ditunjukkan bahwa pola hamburan sudut kecildari cuplikan memberikan puncak difraksi dengan

"*'"DO" .".'0"'-" ,- .L7;";",.'",,'-""'" ,.TI"'. ""C.;o~Hf .='--""'-'.-53

.,..L SO"-L ~ -.-''"'"

~

,~.

n

~

;(a)

~

'M 129

mu Z9

ow RUt ~- .-.0--." o-~-,.--~<I""'no] ,

1St: ' ..J

1281

(b)

291 ~

~..~

({co])

(yamhar :\ Profit hamhuran ~udut kecil ~el quartz kosong

(a) dU:I dimen~i (h) ~atu dimen~i. X ~ 64

326

.25"v

.70

.is

.00765025.

;If:----

200..,.2~07"..00,~.~75..OS0

Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi IIISerpong, 20 -21 Oktober 1998 ISSN 1410-2897

I

~,20;.-1S.....

~

(iamhar 6. Profil hamburan "udut kecil A3 (W/S/O =

17/67/16) (a) dua dimen"i (b) "atu dimensi, X

~0.05 0.10 0.15 0.20

Gambar 8. Kurva I terhadap q cuplikan mikroemulsiAir. Synperonic NP5 .Heptana

..oec.,.,-"...

,...

l=e

~

Diagram rasa untuk sistem mikroemulsi Air -Synperonic NP5 -Heptana, Gambar 9, terdiri daTi tigadaerah yaitu daerah dua rasa, daerah rasa gel atau kristalcair dan daerah satu rasa atau mikroemulsi. Dalampercobaan, cuplikan yang digunakan adalah Al : W/S/O= 23/73/4, A2 : W/S/O = 20/70/10, dan A3 : W/S/O = 171

67/16 berada dalam rasa gel atau kristal cair dengan sistemmikroemulsi O/W. Sedangkan cuplikan A4 : W/S/O so 131

64/23 berada dalam rasa mikroemulsi dengan sistemmikroemulsi W/O. Cuplikan A3 : W/S/O= 17/67/16 beradadekat pada daerah transisi rasa gel atau kristal cair menjadisatu rasa atau lnikroemulsi atau sebaliknya.

Gambar 7 Profil bamburan !;udut kecil A4 (W/S/O = 13/64123) (a) dua dimen!;i (b) satu dimensi. X = 64

Edy Giri Rahman Putra dkk. 327

Prosiding Pertemuan Ilmiah Sain.\' Materi IIISerpong, 20 -21 Oktoher 1998 ISSN1410-2897

,... 1 ..~

I

1I

(W/O)

\(;:Go,... dIM fOIa

~~,-

V",--ti..,.-AO-C Gamhar 9. Diagram rasa

NP5 -Heptana

mikroemulsi Air -Synperonic Gambar 10. Skema sederhana perubahan sifat larutan darisistem air-surfaktan-minyak [5 )

KESIMPULANPada cuplikan A3 : W/S/O = 17/67/16 memberikan

puncak Bragg yang sangat tajam atau sempit. Hal inidisebabkan karena pada komposisi tersebutstruktur bolayang dimiliki oleh misel dalam si~te~ mikroemulsi O~maupun W 10 akan berubah menJadi struktur lamelar.Adanya tingkat keteraturan yang tinggi pada jarakpanjang dalam struktur lamelar akan meningkatkan hasilpenjumlahan gelombang-gelombang neutron yangdihamburkan dan dinyatakan dalam faktor struktur S( q).Setelah terjadi inversi dari sistem mikroemulsi O/Wmenjadi W 10 atau sebaliknya, maka struktur lamelar akanberubah menjadi misel dengan struktur bola kembali.Berkurangnya tingkat keteraturan yang tinggi padajarakpanjang akan memberikan puncak Bragg yang lebar.

Secara teoritis, salah satu faktor yangmenyebabkan teljadinya inversi darisistem emulsi WIOmenjadi O/W adalah perubahan konsentrasi ataukomposisi dari air atau minyak (5]. Dalam rasa yang kayadengan air. maka akan sistem merniliki sistem emulsi 01W. Di mana minyak akan terdispersi dalarn air atau rninyakmenjadi rasa diskontinu daD air sebagai rasa kontinu.Demikian pula sebaliknya bila sistem berada dalarn rasayang kaya minyak, Garnbar 10. Hal ini dapat dibuktikanbahwapadacuplikan AI: W/S/O= 23ml4 bera.dadalarnrasa yang lebih kaya dengan air dibanding rasa minyak,sehingga sistem emulsinya adalah O/W. Sedangkan padacuplikan A4 : W/S/O = 13/64/23 berada dalarnfasayang

lebih kaya dengan minyak dibanding air. maka sistememulsinya adalah W 10.

Teknik SANS dapat mengamati trnnsisi fasa sistemmikroemulsi Air -Synperonic NP5 -Heptana dari fasa gelatau kristal cair (sistem emulsi O/W) ke fasa mikroemulsi(sistem emulsi W/O) atau sebaIiknya.

Misel dengan struktur lamelar akan memberikanpuncak Bragg yang tajam, karena struktur lamelar inimemberikan tingkat keteraturan yang tinggi pada jarakpanjang dalam suatu sistem emul~\ Puncak Bragg ~adamomentum transfer, q = 0.1 A akan membenkaninfromasi mengenaijarak antar lamelar, d = 62 A.

DAFTARPUSTAKA

[1 J. KELL MORTENSEN, Neutron News, Vol. 7, No.4

(1996),31.-35.[2J. P. S. GOYAL, ,S'mallAng/eNeutron &attering, RCN

IAEA Workshop on Small Angle NeutronScattering, Bhabha Atomic Research Center,Bombay India, 17 -25 April 1995.

[3J. JULIA S. lllGGINS, HENRI C. BENOIT, Polymersand Neutron ,S'cattering, Clarendon Press -Oxford,1994.

[4J. S. H. CHEN,Ann. Rev. Phys. Chem., 37 (1986),351-399.

[5]. ARllIUR W. ADAMSON, Physical Chemistry of.S'urfaces, John Wiley & Sons, Inc., 1990.

[6J. DUNCAN J. SHAW, Intoduction to Colloid and,S'urface Chemistry, Butterworths, 1980.

[7]. ODIAN, PrinciplesofPo/ymerization, John Wiley& Sons, Inc., 1991.