VISKOSITAS DAN RHEOLOGI II

I.    TUJUAN PERCOBAAN

    Setelah melakukan percobaan ini mahasiswa diharapkan mampu untuk :

1. Menerangkan arti viskosita dan rheologi.
   
2. Membedakan cairan Newton dan cairan non-Newton.
   
3. Menggunakan alat-alat penetuan viskosita dan rheologi.
   
4. Menentukan viskosita dan rheologi cairan Newton dan non Newton.
   

II.    DASAR TEORI

Rheologi berasal dari bahasa Yunani mengalir (rheo) dan logos (ilmu), digunakan istilah ini untuk pertama kalinya oleh Bingham dan Crawford untuk menggambarkan aliran dan deformasi dari padatan. Jadi, rheologi adalah ilmu yang mempelajari sifat aliran zat cair atau deformasi zat padat (Martin, dkk., 2008).

Beberapa tahun ini, prinsip dasar rheologi telah digunakan dalam penyelidikan cat, tinta, berbagai adonan, bahan-bahan untuk pembuat jalan, kosmetik, produk hasil peternakan serta bahan lain. Dalam bidang farmasi, disarankan penerapan dalam formulasi dan analisis dari berbagai produk farmasi seperti emulsi, pasta, suppositoria, dan penyalutan tablet (Martin, dkk., 2008).

Rheologi meliputi pencampuran dan aliran dari bahan, pemasukan ke dalam wadah, pemindahan sebelum digunakan, apakah dicapai dengan penuangan dari botol, pengeluaran dari tube atau pelewatan dari jarum suntik. Rheologi dari suatu produk tertentu yang dapat berkisar dalam konsistensi dari bentuk cair ke semisolid, sampai ke padatan, dapat mempengaruhi penerimaan bagi si pasien, stabilitas fisika, dan bahkan availabilitas biologis (Martin, dkk., 2008).

Viskositas adalah ukuran resistensi atau tahanan suatu zat cair untuk mengalir. Makin besar resistensi suatu zat cair untuk mengalir semakin besar pula viskositasnya. Viskositas mula-mula diselidiki oleh Newton, yaitu dengan mensimulasikan zat cair dalam bentuk tumpukan kartu. Zat cair diasumsikan terdiri dari lapisan-lapisan molekul yang sejajar satu sama lain. Lapisan terbawah tetap diam, sedangkan lapisan diatasnya bergerak dengan kecepatan, konstan, sehingga setiap lapisan akan bergerak dengan kecepatan yang berbanding langsung dengan jaraknya terhadap lapisan terbawah yang tetap. Perbedaan kecepatan dv antara dua lapisan yang dipisahkan dengan jarak dx adalah dv/dx atau kecepatan geser (rate of shear). Sedangkan gaya satuan luas yang dibutuhkan untuk mengalirkan zat cair tersebut adalah F/A atau tekanan geser (shearing stress) (Tim Penyusun, 2009).

    Menurut Newton :

    

    

        h =

    h = koefisien viskositas, satuan Poise (Tim Penyusun, 2009)

    Cairan yang mengikuti hukum Newton, viskositasnya tetap pada suhu dan tekanan tertentu dan tidak tergantung kepada kecepatan geser. Oleh karena itu, viskositanya cukup ditentukan pada satu kecepatan geser. Apabila digambarkan antara kecepatan geser terhadap tekanan geser, maka diperoleh grafik garis lurus melalui titik nol. Contoh cairan Newton adalah minyak jarak, kloroform, gliserin, minyak zaitun dan air. (Tim Penyusun, 2009)

    
 

 

 

 

    Rheogram cairan Newton

 

Berhasil-tidaknya penentuan dan evaluasi sifat-sifat rheologis dari suatu sistem tertentu bergantung pada pemilihan metode peralatan yang tepat. Pada sistem Newton karena rate of shear pada sistem Newton berbanding langsung dengan shearing stress, seseorang dapat menggunakan alat yang beroperasi pada rate of shear tunggal. Peralatan "satu titik" ini memberikan suatu titik (petunjuk) tunggal pada rheogram. Ekstrapolasi garis melalui titik ini ke titik (0,0) akan menghasilkan rheogram lengkap. Sedangkan apabila sistem tersebut merupakan sistem non Newton, peralatan yang digunakan harus bisa bekerja pada berbagai rate of shear. Hanya dengan menggunakan "titik ganda" mungkin dapat diperoleh rheogram lengkap untuk sistem ini. Oleh karena itu, kesimpulan penting adalah bahwa semua viskometer dapat digunakan untuk menentukan viskositas sistem Newton dan hanya viskometer yang mempunyai kontrol shearing stress yang bervariasi yang dapat digunakan untuk bahan-bahan non-Newton. (Martin, dkk, 2008)

        Ada beberapa viskometer yang dapat digunakan untuk menentukan viskositas cairan Newton, antara lain :

1. Viskometer Kapiler
   

   Viskositas dari cairan Newton dapat ditentukan dengan mengukur waktu yang dibutuhkan bagi cairan tersebut untuk lewat antara dua tanda ketika ia mengalir karena gravitasi melalui suatu tabung kapiler vertikal, yang dikenal sebagai viskometer Ostwald. Waktu alir dari cairan yang diuji dibandingkan dengan waktu yang dibutuhkan bagi suatu cairan yang viskositasnya telah diketahui (biasanya air) untuk lewat antara dua tanda tersebut. Jika h₁ dan h₂ masing-masing adalah viskositas dari cairan yang tidak diketahui dan cairan standar, r₁ dan r₂ merupakan kerapatan dari masing-masing cairan serta t₁ dan t₂ adalah waktu alir dalam detik. Viskositas absolute dari cairan yang tidak diketahui, h₁, ditentukan dengan mensubstitusi harga percobaan dalam persamaan,
   

   
    

   Harga h₁/h₂ = hrel dikenal sebagai viskositas relative dari cairan yang diuji. (Martin,dkk, 2008)
   

   Berdasarkan pada hukum Poiseuille untuk suatu cairan yang mengalir melalui suatu tabung kapiler,
   

   
    

   h
   

   Dimana r adalah jari-jari dalam kapiler, t adalah waktu aliran, adalah tekanan atas dalam dyne/cm2 dimana cairan tersebut mengalir, l adalah panjang kapiler dan V adalah volume cairan yang mengalir. (Martin,dkk,2008)
   

   Berikut gambar viskometer Ostwald
   

   
    

   
    

        

 

1. Viskometer Bola Jatuh
   

   Dalam tipe viskometer ini, suatu bola gelas atau bola besi jatuh ke bawah dalam suatu tabung gelas yang hamper vertikal, mengandung cairan yang diuji pada temperatur konstan. Laju jatuhnya bola yang mempunyai kerapatan dan diameter tertentu adalah kebalikan fungsi viskositas sampel tersebut. Viskometer ini cocok digunakan untuk cairan yang mempunyai viskositas yang sukar diukur dengan viskositas kapiler. Viskositas cairan dapat dihitung dengan persamaan Stokes
   

   
    

   h
   

   Dimana :
   

   r    : jari-jari bola (cm)
   

   r₁    ; bobot jenis bola
   

   r₂    : bobot jenis cairan
   

   g    : gaya gravitasi
   

   v    : kecepatan bola (cm.detik-1)
   

   
    

   Persamaan di atas dapat disederhanakan menjadi :
   

   
    

   h = B (r₁- r₂) t
   

   
    

   Dimana :
   

   B    : konstanta bola
   

   t    : waktu tempuh bola jatuh (detik)
   

   (Tim Penyusun, 2009)
   

   
    

   Viskometer Hoeppler merupakan alat yang berdasarkan pada prinsip ini. Sampel dan bola diletakkan dalam tabung gelas dalam dan dibiarkan mencapai temperatur keseimbangan air yang berada dalam jaket di sekelilingnya pada temperatur konstan. Tabung dan jaket air tersebut kemudian dinalik, yang akan menyebabkan bola berada pada puncak tabung gelas dalam. Waktu bagi bola tersebut untuk jatuh antara dua tanda diukur dengan teliti dan diulangi beberapa kali. (Martin, dkk, 2008) Pada viskometer ini tabungnya dipasang miring sehingga kecepatan bola jatuh akan berkurang sehingga pengukuran dapat dilakukan lebih teliti. ( Tim Penyusun, 2009)
   

   
    

   Gambar viskometer bola jatuh
   

   
    

2. Viskometer Cup dan Bob
   

   Prinsip kerjanya sample digeser dalam ruangan antara dinding luar dari bob dan dinding dalam dari cup dimana bob masuk persis ditengah-tengah. Kelemahan viscometer ini adalah terjadinya aliran sumbat yang disebabkan geseran yang tinggi disepanjang keliling bagian tube sehingga menyebabkan penueunan konsentrasi. Penurunan konsentrasi ini menyebabkab bagian tengah zat yang ditekan keluar memadat. Hal ini disebt aliran sumbat. (Andrean,2007 )
   

   
    

3. Viskometer Kerucut dan Lempeng
   

   Viskometer Ferranti-Shirley merupakan contoh dari viskometer kerucut dan lempeng yang berputar. Prinsip kerjanya adalah sampel ditempatkan di tengah lempeng, kemudian dinaikkan posisinya sampai di bawah kerucut. Kerucut dikemudikan oleh motor dengan keceptan yang dapat diubah-ubah. Sampel tersebut di shear di antara lempeng yang diam dan kerucut yang berputar. Rate of shear dalam putaran per menit dinaikkan atau diturunkan oleh sebuah dial pemilih dan tarikan kental atau puntiran (shearing stress) yang dihasilkan pada kerucut tersebut dibaca pada skala penunjuk. (Martin,dkk, 2008)
   

   Viskositas dari cairan Newton yang diukur dalam viskometer kerucut lempeng dihitung dengan menggunakan persamaan :
   

   
    

   h
   

   
    

   Dimana C adalah konstanta alat. T adalah puntiran (torque) yang terbaca. V adalah kecepatan kerucut berputar per menit. (Martin, dkk, 2008)
   

           
   

    SIFAT SENYAWA UJI

1. GLISERIN
   

   a)      Organoleptis                            
   

   Cairan jernih; tidak berwarna; rasa manis; hanya boleh berbau khas lemah (tajam atau tidak enak). Higroskopik; netral terhadap lakmus
   

   b)      Kelarutan                         
   

   Dapat bercampur dengan air dan dengan etanol; tidak larut dalam  kloroform,eter, dalam minyak lemak, dan dalam minyak menguap.
   

c)       Wadah dan Penyimpanan 

    Dalam wadah tertutup rapat.

d)      Khasiat                     

zat tambahan ; pelarut untuk pemberian rasa (seperti vanilla) dan pewarnaan makanana ; agen pengental dalam sirup; pengisi dalam produk makanan rendah lemak (biskuit); pencegah kristalisasi gula pada permen dan es; medium transfer panas pada kontak langsung dengan makanan saat pendinginan cepat; pelumas pada mesin yang digunakan untuk pengolahan dan pengemasan makanan.

(Anonim, 1995)

 

Struktur gliserin ( Susyanaairiani, 2008 ).

 

1. PROPILEN GLIKOL
   

   a)      Organoleptis                             
   

   Cairan kental; jernih; tidak berwarna; rasa khas; praktis tidak berbau; mnyerap air pada udara lembap.
   

   b)      Kelarutan                                 
   

   Dapat bercampur dengan air, dengan aseton, dan dengan kloroform; larut dalam eter dan dalam beberapa minyak essential; tapi tidak dapat bercampur dengan minyak lemak.
   

c)       Wadah dan Penyimpan

Dalam wadah tertutup rapat.

d)      Khasiat                            

Cosolvent

( Anonim, 1995 )

 

1. CMC (CARBOXYLMETHYLCELLULOSUM)
   

   a)      Organoleptis                        
   

   Serbuk atau granul, putih sampai krem; higroskopik.
   

   b)      Kelarutan                           
   

       Mudah terdispersi dalam air membentuk larutan koloidal; tidak larut dalam etanol, dalam eter, dan dalam pelarut organik lainnya.
   

   c)       Wadah dan Penyimpanan
   

       Dalam wadah tertutup rapat.
   

   d)      Kegunaan     
   

   Untuk pengental, stabilisator, pembentuk gel dan beberapa hal sebagai pengemulsi. Didalam sistem emulsi hidrokoloid (Na-CMC) tidak berfungsi sebagai pengemulsi tetapi lebih sebagai senyawa yang memberikan kestabilan.
   

   Struktur CMC :
   

 
 

 ( Anonim, 1995 )

 

1. SUKROSA
   

 

1. Organoleptis    
   

   Hablur putih, atau tidak berwarna; massa hablur atau berbentuk kubus atau serbuk hablur putih; tidak berbau; rasa manis; stabil di udara. Larutannya netral terhadap lakmus
   

2. Kelarutan        
   

   Sangat mudah larut dalam air; lebih mudah larut dalam air mendidih; sukar larut dalam etanol; tidal larut dalam kloroform dan eter.
   

3. Wadah dan penyimpanan
   

   Dalam wadah tertutup baik
   

4. Khasiat        
   

    Pemanis

 

 

 

 

Struktur sukrosa :

 

 

( Anonim, 1995 )

 

III.    ALAT DAN BAHAN

Alat :

• Viskosimeter Bola Jatuh ( Viskosimeter Hoeppler )
  
• Botol Vial
  
• Pipet ukur
  
• Stopwatch
  
• Penangas air
  

Bahan :

• Gliserin
  
• Propilen Glikol
  
• Larutan Gula 5 %
  
• Larutan CMC 2 %
  
• Aquadest
  

 

 

 

 

 

 

IV.    PROSEDUR KERJA

•     Percobaan mengukur viskositas Cairan Newton
  

 

Tabung yang terdapat di dalam alat diisi dengan cairan yang akan diukur viskositasnya sampai hampir penuh

 

 

Dimasukkan bola yang sesuai

 

 

Ditambahkan cairan sampai tabung penuh dan ditutup sedemikan rupa sehingga tidak terdapat gelembung udara di dalam tabung

 

 

Diamati, apabila bola sudah turun melampai garis awal maka kembalikan bola ke posisi semula dengan cara membalikkan tabung.

 

 

Dicatat waktu tempuh bola melalui tabung mulai dari garis m₁ sampai m₃ dalam detik

 

 

Ditentukan bobot jenis cairan dengan menggunakan piknometer

 

 

Dihitung viskositas cairan dengan menggunakan rumus yang telah diberikan

 

• Pembuatan Larutan Gula 5 %
  

  
   

  Beaker gelas ditera 100 mL
  

  
   

 

Ditimbang sakarosa sebanyak 5 gram

 

 

 

Sakarosa dimasukkan ke dalam beaker gelas

 

 

Ditambahkan aquadest secukupnya

 

 

 

Dipanaskan di atas penangas air

 

 

Diaduk hingga larut

 

 

 

Ditambahkan aquadest ad 100 mL

 

 

Diaduk hingga larut dan homogen

 

 

• Pembuatan larutan CMC 2 %
  

  
   

  Gelas beaker ditera 100 mL
  

  
   

  
   

  Ditimbang sakarosa sebanyak 5 gram
  

  
   

  
   

  
   

  Saccharum album dimasukkan ke dalam Erlenmeyer
  

  
   

  
   

  Ditambahkan aquadest secukupnya
  

  
   

  
   

  
   

  Dipanaskan di atas penangas air
  

 

 

Diaduk hingga larut

 

 

 

Ditambahkan aquadest ad 100 mL

 

 

Diaduk hingga larut dan homogen

 

TABEL PENGAMATAN

No.	Jenis cairan	Volume (mL)	Massa vial kosong (gram)	Massa vial + cairan (gram)	Bobot Jenis()
1.	Gliserin
2.	Propilen glikol
3.	Larutan gula 5 %
4	Larutan CMC 2 %