MODUL 2.07 Teknik Polimerisasi

Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II

Departemen Teknik Kimia ITB

-1/18-

MODUL 2.07 Teknik Polimerisasi

I. Pendahuluan

Polimer sudah menjadi material yang memenuhi kebutuhan hidup sehari-hari

manusia. Polimer dapat menjadi bahan bermacam-macam alat kebutuhan manusis seperti

botol, tali, plastik, teflon, dan lainnya. Penggunaannya semakin digemari karena sifatnya

yang ringan, tahan korosi, beberapa bahan relatif tahan asam, beberapa bahan relatif

tahan sampai temperatur tinggi, dan kuat. Polimer adalah senyawa yang bermassa

molekul relatif besar dan terdiri atas monomer-monomer.

Urea-formaldehid resin adalah hasil kondensasi urea dengan formaldehid. Resin

jenis ini termasuk dalam kelas resin thermosetting yang mempunyai sifat tahan terhadap

asam, basa, tidak dapat melarut dan tidak dapat meleleh. Polimer termoset dibuat dengan

menggabungkan komponen-komponen yang bersifat saling menguatkan sehingga

dihasilakn polimer dengan derajat cross link yang sangat tinggi. Karena sifat-sifat di atas,

aplikasi resin urea-formaldehid yang sangat luas sehingga industri urea-formaldehid

berkembang pesat. Contoh industri yang menggunakan industri formaldehid adalah

addhesive untuk plywood, tekstil resin finishing, laminating, coating, molding, casting,

laquers, dan sebagainya.

Pembuatan resin urea-formaldehid secara garis besar dibagi menjadi 3. Yang

pertama adalah reaksi metiolasi, yaitu penggabungan urea dan formaldehid membentuk

monomer-monomer yang berupa monometilol dan dimetil urea. Reaksi kedua adalah

penggabungan monomer yang terbentuk menjadi polimer yang lurus dan menghasilkan

uap air. Tahp ini disebut tahap kondensasi. Proses ketiga adalah proses curing, dimana

polimer membentuk jaringan tiga dimensi dengan bantuan pemanasan dalam oven.

Pada praktikum ini akan dipelajari pengaruh beban rasio urea-formaldehid pada

pembentukan resin. Untuk itu digunakan variasi perbandingaan formaldehid dan urea

(F/U). Untuk mempelajari kinetika reaksi, sebelum proses curing larutan resin urea-

formaldehid dideteksi konsentrasi jumlah formaldehid yang bebas.



Modul 2.07 Teknik Polimerisasi Halaman 2 dar 18

II. Tujuan

Tujuan pelaksanaan praktikum Modul Teknik Polimerisasi adalah:

1. Praktikan mempelajari salah satu teknik polimerisasi, khususnya polimerisasi

kondensasi Urea-Formaldehid

2. Praktikan mempelajari reaksi polimerisasi tersebut

3. Praktikan mempelajari pengaruh-pengaruh kondisi operasi terhadap hasil reaksi

polimerisasi

III. Sasaran

Sesuai tujuan di atas, hasil percobaan polimerisasi Urea-Formaldehid ini

diharapkan berupa:

1. Mekanisme reaksi polimerisasi kondensasi dan persamaan reaksinya.

2. Parameter-parameter persamaan reaksi polimerisasi.

3. Penggunaan persamaan Huggins untuk menentukan berat molekul polimer.

IV. Tinjauan Pustaka

Reaksi urea-formaldehid pada pH di atas 7 adalah reaksi metilolasi, yaitu adisi

formaldehid pada gugus amino dan amida dari urea, dan menghasilkan metilol urea.

Pada tahap metilolasi , urea dan formaldehid bereaksi menjadi metilol dan dimetil urea.

Rasio dari senyawa mono dan dimetilol yang terbentuk bergantung pada rasio

formaldehid dan urea yang diumpankan. Reaksi berlangsung pada kondisi basa dengan

amoniak (NH4OH) sebagai katalis dan Na2CO3 sebagai buffer. Buffer ini berfungsi

menjaga kondisi pH reaksi agar tidak berubah tiba-tiba secara drastis.

Analisa awal dilakukan dengan menggunakan blanko berupa larutan formaldehid,

NH4OH dan Na2CO3. Sampel ke-0 diambil setelah urea ditambahkan pada larutan dan

diaduk sempurna. Setelah itu dilakukan pemanasan sampai 70 0C untuk mempercepat

reaksi.

Reaksi metilolasi diteruskan dengan reaksi kondensasi dari monomer-monomer

mono dan dimetilol urea membentuk rantai polimer yang lurus. Derivat-derivat metilol

merupakan monomer, penyebab terjadinya reaksi polimerisasi kondensasi. Polimer yang




dihasilkan mula-mula mempunyai rantai lurus dan masih larut dalam air. Semakin lanjut

kondensasi berlangsung, polimer mulai membentuk rantai 3 dimensi dan semakin

berkurang kelarutannya dalam air. Reaksi kondensasi ini dilakukan dalam sebuah labu

berleher yang dilengkapi kondensor ohm meter, termometer, agitator dan pipa untuk

sampling point. Labu berleher ini ditempatkan dalam waterbath.

Kondensor berfungsi mengembunkan air yang menguap selama proses

polimerisasi. Hal ini dimaksudkan mempercepat tercapainya kesetimbangan reaksi.

Agitator berfungsi membuat larutan tetap homogen selama proses.

Pada proses curing, kondensasi tetap berlangsung, polimer membentuk rangkaian

3 dimensi yang sangat kompleks dan menjadi thermosetting resin. Hasil reaksi dan

kecepatannya, sangat dipengaruhi oleh faktor-faktor:

1. perbandingan molekul pereaksi

2. katalis

3. pH sistem

4. temperatur

5. waktu reaksi.

Perubahan pada kondisi reaksi akan menghasilkan resin yang sangat bervariasi,

sehingga produk akhir yang dihasilkan mempunyai sifat fisika, kimia, dan mekanis

yang berbeda. Oleh sebab itu, kondisi reaksi ditentukan oleh produk akhir yang

dikehendaki.

Pada prinsipnya, pembuatan produk-produk urea-formaldehid dilakukan melalui

beberapa tahapan:

1. tahap pembuatan intermediate, yaitu dampai didapatkan resin yang masih

berupa cairan atau yang larut dalam air/pelarut lain

2. tahap persiapan (preparation sebelum proses curing), yaitu pencampuran

dengan zat-zat kimia, filter, dan sebagainya

3. tahap curing yaitu proses terakhir yang oleh pengaruh katalis, panas, dan

tekanan tinggi, resin yang dirubah sifatnya menjadi thermosetting resin.

V. Rancangan Percobaan

V.1 Perangkat dan Alat Ukur

1. Set perangkat modul Teknik Polimerisasi yang terdiri atas labu berdasar bundar

dimana reaksi dilangsungkan, yang dilengkapi dengan pengaduk yang




digerakkan oleh motor listrik termometer untuk mengamati suhu reaksi, refluks

kondensor, alat pengambil sampel, alat pemanas listrik yang diatu roleh slide

regulator.

2. Viscometer

3. Water bath

4. Erlenmeyer

5. Piknometer

6. Labu volumetrik

7. Perangkat titrasi

8. Timbangan/ neraca

9. Oven

10. Cawan perselen

V.2 Bahan/ Zat Kimia

1. Urea

2. Formaldehid (dalam bentuk larutan formalin)

3. Na-sulfit

4. Na-karbobat

5. Alkohol

6. Indikator Corellin

7. Asam sulfat

V.3 Cara Kerja

1. Menyusun peralatan sesuai dengan sketsa gambar dan mengecek kondisi

peralatan

2. Mempersiapkan peralatan analisa

3. Menghitung dan mempersiapkan zat-zat kimia yang diperlukan dalam reaksi,

sesuai dengan kondisi variasi percobaan

4. melakukan percobaan reaksi kondensasi. Extent of reaction diamati dengan

mengambil sampel pada waktu tertentu dan dianalisa kadar formaldehid bebas

dengan cara Test I. Reaksi dihentikan jika dari hasil tersebut di atas kadar

formaldehid yang konstan.

5. Analisa hasil reaksi dilakukan sebagai berikut:

1. analisis pH dengan kertas pH




2. analisis kadar formaldehid bebas dengan Test I

3. analisis kadar resin dengan Test V

4. analisis viskositas, dan stroke cure dengan Test III dan IV A., B., C.

5. analisis densitas dengan est VI. Jika diperlukan data viskositas tiap sampel

perlu dilakukan Test IV.A




Prosedur kerja praktikum teknik polimerisasi disajikan pada Gambar 1.

Formalin

masukkan

Labu Bundar

Tambahkan:Na2CO3H2O sebagai buffering agent sebanyak 5%jumlah katalis dan bahan pembantu lain

Campuran

Sampel 0

aduk rata

Tambahkan:Urea jumlah tertentuCampurkan, Aduk

Sampel 1Panaskan perlahan sampai mendidih

Terjadi Refluks

Atur refluks secara perlahan

Sampel 2

Sampel 3

Sampel 4

Sampel 5

Dinginkan sampaisuhu kamar

Sampel 0dingin

HasilSampel 0


Sampel 1dingin

HasilSampel 1


Sampel 2dingin

HasilSampel 2


Sampel 3dingin

HasilSampel 3


Sampel 4dingin

HasilSampel 4


Sampel 5dingin

HasilSampel 5

Sampel n Dinginkan sampaisuhu kamar

Sampel ndingin

HasilSampel n

Panaskan selama 15 menit



Teruskan pemanasan sampai batas waktu yangditentukan , atau sampai analisis kondisi semuasampel sama sehingga reaksi dapat dihentikan

Analisis

Analisis

Analisis

Analisis

Analisis

Analisis

Analisis




Prosedur Test I

Test I dilakukan untuk menganalisa kadar formaldehid bebas dengan menggunakan

sodium sulfit. Dasar reaksinya adalah:

H2O + CH2O + Na2SO4 → HO-CH2-SO3Na + NaOH

Sehingga NaOH yang terbentuk ekivalen dengan kadar formaldehid bebas dalam larutan.

Prosedur pengerjaan Test I disajikan pada Gambar 2.

1cc sampel 5 cc alkohol3-5 tetesindikatorcorrelin

Labu titrasitertutup

Campurkan

Larutan Netral

Tambahkan:25 cc lar. 2N sodium sulfite segar

Cek titik akhir denganOvertitration dan back titration

Larutan Netral

Cek titik akhir denganOvertitration dan back titration

Larutan Campuran

Larutan Hasil Reaksi

Reaksikan selama 10 menitdengan dikocok

Titrasi dengan standar H2SO4Lakukan duplo

Larutan Blanko

Hasil Analisa Data

Perhitungan




Prosedur Test II

Test II dilakukan untuk menguji pH larutan dengan menggunakan kertas pH. Prosedur

Test II dapat dilihat pada Gambar 3.

Kertas pH

Celupkan ke dalamlarutan sampel

Kertas pH berubah warnakarena asam/basa

Cek warna kertas pHdengan warna-warnastandar sesuai pH nya

Didapat datapH larutan sampel

Prosedur Test III

Test III dilakukan untuk menentukan viskositas cairan dengan alat viskosimeter Ostwald

pada temperatur konstan. Viskometer dikalibrasi dengna menggunakan air pada suhu

tertentu untuk mendapatkan harga K.




Prosedur Test IV

Test IV dilakukan untuk menentukan waktu curing. Prosedur Test IV dapat dilihat pada

Gambar 4.

Cawan porselenbermulut lebar

d = 10 cm

Panaskan sampai 140 oCselam 30 menit

Cawan panas

Dinginkan dalam eksikator

Cawan dinginTimbang Didapat massa cawan G1

Resin Masukkan 10 grampada cawan

Cawan + ResinTimbang

Didapat massacawan+resin awal

Panaskan sampai 140 oCselama 1 jam

Cawan + Resin Panas

Dinginkan dalam eksikator sampai temperatur kamar

Cawan + Resin DinginDidapat massa

cawan+resin G2TimbangPanaskan sampai 140 oCselama 1 jam

Cawan + Resin Panas



cawan+resin G3

Panaskan sampai 140 oCselama 30 menit

Cawan + Resin Panas



cawan+resin G4

Lakukan analisis secara DUPLO

Data Duplo

Perhitungan

Data Kadar Resin




Prosedur Test V

Test V dilakukan untuk menentukan densitas sampel dengan piknometer. Prosedur Test

V dapat dilihat pada Gambar 5.

Piknometer

Kalibrasi dengan air murni

Piknometer diketahui volumenyapada suhu percobaan Larutan Sampel

Piknometerberisi sampel

Perhitungan

Didapat dataDensitas Sampel

V.4 Data Percobaan

1. Densitas Air pada Berbagai Temperatur

Temperatur (0C) ρ (g/mL)

25

26

27

28

2. Viskositas Air pada Berbagai Temperatur

Temperatur (0C) µ (cP)

25

26

27

28

3. Massa molekul relatif

Zat Rumus Molekul MR

Urea

Formaldehid

Amoniak

Natrium Karbonat

Natrium sulfit

CO(NH2)2

CH2O

NH4OH

Na2CO3

Na2SO3

60

30

35

106

126




4. Densitas Zat pada Temperatur Percobaan

Zat Rumus Molekul ρ (g/mL)

Urea

Formaldehid

Amoniak

Natrium Karbonat

Natrium sulfit

CO(NH2)2

CH2O

NH4OH

Na2CO3

Na2SO3

5. Penentuan Densitas Resin

Massa piknometer kosong = g

Massa piknometer + aqua dm = g

Densitas aqua dm (pada T percobaan) = g/mL

Volume piknometer = mL

Massa piknometer + resin = g

No Volume Sampel (mL)

Volume Aqua dm (mL)

Massa pikno + larutan (g)

Massa lar.(g)

Densitas lar. (g/mL)

1

2

3

4

5

6. Penentuan Viskositas

Waktu dalam aqua dm = detik

Gravitasi spesifik aqua dm =

Viskositas aqua dm (pada T percobaan)= cP

No Cr (g/100mL) t (detik) 1

2

3

4

5

7. Penentuan Kadar Resin

Massa cawan kosong = g

Massa cawan basah = g

Massa cawan kering = g




Massa resin basah = g

Massa resin kering = g

Kadar resin = g

8. Penentuan Kinetika Reaksi

F/U=

Volume formalin = mL

Massa urea = g

Massa amonia = g

Massa buffer = g

Konsentrasi H2SO4= M

Volume sampel = mL

Temperatur = 0C

t V H2SO4 T Sampel (menit) I II Average (0C)

Cf

Blanko 0 1 2 3 4 5 6 7

V.5 Contoh Perhitungan

1. Penentuan Jumlah Formaldehid

Massa larutan formalin = ρ*V

dimana: ρ larutan formalin = 1.079 g/mL

Misalkan V(volume percobaan) = 500 mL

Maka→ massa larutan formalin = 500 mL*1,079 g/mL

massa larutan formalin = 539,5 g

Jika larutan formalin mengandung 36% formaldehid,

massa formaldehid = 0,36*539,5 = 194,22 g




moldformaldehiMol

MRaldehidmassa formdehid Mol formal

474,630

22,194 ==

=

2. Penentuan Jumlah Urea

Misalkan untuk F/U = 1,65

Maka → mol urea = F/1,65 = 6,474/1,65 = 3,924 mol

Massa urea = mol urea* MR urea = 3,924 mol*66 g/mol

Massa urea = 235,418 g

3. Penentuan Jumlah Katalis dan Buffer

Misal: massa total campuran = X g

massa katalis 5% massa total = 0,05 X

massa buffer 5% massa katalis = 0,05*0,05*X

X = massa (formalin + urea + katalis + buffer)

X = 539,5 + 235,418 + 0,05X + 0,05*0,05*X

0,9475 X = 774,918

X = 817,855 g

Massa NH4OH yang ditambahkan = 40,89 g

NH4OH yang digunakan 21%-W/W= 194,73 g

Volume NH4OH yang ditambahkan (larutan 21%-W/W) adalah:

mL 49,208934,0

73,194larutandensitasmassa

=

=

Massa Na2CO3 yang ditambahkan = 2,5.10-3.X = 2,045 g

4. Penentuan Kadar Formaldehid Bebas

Misalkan Cc,blanko = 0,2

Cc,titran H2SO4 = 0,7

Pada kondisi tersebut C sampel = 1,5

Maka → konsentrasi formaldehid bebas adalah:

g/100mL 1,051,5

1*0,2) - (0,7*3C

CSONH*) C - (C*3

mL 100(g) OCH massaC

f

sampelc,

42blankoc,titranc,2f

=

=

=

=




5. Penentuan Orde dan Konstanta Laju Reaksi

Persamaan umum laju reaksi: nf

f C*kdt

dC=−

Untuk menentukan orde dan konstanta laju reaksi secaea sederhana digunakan

metoda integral.

1. Jika diasumsikan reaksi mengikuti orde 1 terhadap konsentrasi, persamaan

kinetika laju reaksinya adalah:

1f

f C*kdt

dC=−

Integrasi persamaan tersebut adalah sebagai berikut:

kt - lnC lnC

k.tCC

ln

dt*kCdC

0f

0

f

0f

f

0

=

−=

−= ∫∫tC

C

f

Dengan demikian, bila dialurkan ln Cf terhadap t (waktu) akan diperoleh

hubungan linier dengan gradien garis –k menunjukkan konstanta laju reaksi.



2f

f C*kdt

dC=−


ktC1

C1

k.tC1

C1

dt*kCdC

0f

f0

02

f

f

0

+=

−=−

−= ∫∫tC

C

f

Dengan demikian, bila dialurkan 1/Cf terhadap t (waktu) akan diperoleh

hubungan linier dengan gradien garis k menunjukkan konstanta laju reaksi.






kdt

dCf =−


kt-CC-ktC-C

dt*kdC

0f

0f

0f

0

==

−= ∫∫tC

C

f

Dengan demikian, bila dialurkan Cf terhadap t (waktu) akan diperoleh

hubungan linier dengan gradien garis –k menunjukkan konstanta laju reaksi.

4. Jika diasumsikan reaksi mengikuti orde 1,5 terhadap konsentrasi, persamaan


1,5f

f k.Cdt

dC=−


( )0,5

00,5

f

0,50

0,5f

05,1

f

f

Ck.t21C

k.tCC.2

dt*kCdC

0

−−

−−

+−=

−=−

−= ∫∫tC

C

f

Dengan demikian, bila dialurkan Cf terhadap t (waktu) akan diperoleh

hubungan linier dengan gradien garis –0,5.k. Konstanta laju reaksi adalah 2

kali gradien.

Berikut contoh data percobaan:

t V H2SO4 T Sampel (menit) I II Average (0C)

Cf ln Cf 1/Cf Cf ^-0,5

Blanko 0.2 0.2 0.2 26 0 0 2.8 3 2.9 26 8.1 2.0919 0.1235 0.3514 1 15 1.4 1.2 1.3 70 3.3 1.1939 0.3030 0.5505 2 45 0.9 1.1 1 70 2.4 0.8755 0.4167 0.6455 3 60 0.7 0.8 0.75 70 1.65 0.5008 0.6061 0.7785 4 75 0.7 0.7 0.7 70 1.5 0.4055 0.6667 0.8165 5 90 0.65 0.8 0.725 70 1.575 0.4543 0.6349 0.7968 6 120 0.7 0.75 0.725 70 1.575 0.4543 0.6349 0.7968




7 140 0.75 0.7 0.725 70 1.575 0.4543 0.6349 0.7968

Jika persamaan kinetika laju reaksi tersebut diasumsikan mengikuti orde 1:

Kurva Orde Reaksi 1

y = -0.0098x + 1.472R2 = 0.6502

0.0000

0.5000

1.0000

1.5000

2.0000

2.5000

0 50 100 150t (menit)

ln C

f


Kurva Orde Reaksi 2

y = 0.0035x + 0.2624R2 = 0.727

0.00000.10000.20000.30000.40000.50000.60000.70000.8000

0 50 100 150t (menit)

1/C

f


Kurva Reaksi Orde 0

y = -0.0338x + 5.0139R2 = 0.5235

0123456789

0 50 100 150t (menit)

Cf

Jika persamaan kinetika laju reaksi tersebut diasumsikan mengikuti orde 1,5:




Kurva Reaksi Orde 1/2

y = 0.0029x + 0.496R2 = 0.6981

0.0000

0.2000

0.4000

0.6000

0.8000

1.0000

0 50 100 150t (menit)

Cf^

-0,5

Dari kempat pendekatan/tebakan orde reaksi tersebut, yang paling mendekati

kurva linear adalah jika persamaan kinetika reaksi tersebut dimodelkan sebagai

persamaan laju reaksi orde 2 (R2 paling mendekati 1yaitu 0,727). Dan konstanta

laju reaksi persamaan kinetika tersebut adalah 0,035. Maka secara umum

persamaan kinetika reaksi polimerisasi urea formaldehid sesuai rangkaian data

tersebut adalah:

2f

f C*0035,0dt

dC=−

6. Penentuan Kadar Resin

Persamaan yang digunakan:

%100*basahresin massakeringresin massa Resin Kadar =

7. Penentuan Densitas Resin


piknometer volumepiknometer dalamresin massa

resin =ρ

8. Penentuan Konsentrasi Resin (Cr)


sampel V*resinKadar *C resinr ρ=

9. Penentuan Viskositas Resin

sampeldm aqua

sampel

dm aqua

(T) dm aquadinamik t*

gQ

*t

µµ =

g adalah gravitasi spesifik




1µµ

µ(T) dm aqua

dinamikspesifik −=

( ) r2

intrinsikintrinsikr

spesifik .CµkµC

µ+=

Dengan mengalurkan grafik µspesifik/Cr terhadap Cr, akan diperoleh garis yang

menunjukkan fungsi linear dengan slope µintrinsik.

10. Penentuan Massa Molekul Rata-Rata (MR)

Persamaan yang digunakan: a

intrinsik (MR)*kµ =

Nilai k didapat dari penyelesaian grafik µspesifik/Cr terhadap Cr. Gradien garis

tersebut adalah k. µintrinsik2.

Jika µintrinsik dan k diketahui, maka MR polimer dapat dihitung.

Daftar Pustaka

1. Billmeyer Jr., F.W., Textbook of Polymer Science, John Wiley and Sons, 1994, pp.

186-219

2. D’Alelio, G.F., Experimental Plastics and Synthetic Reisns, John Wiley and Sons,

1952, pp. 163-166

3. kirk-Orthmer, Encyclopedia of Chemical Technology, 2nd Edition., Vol. 2, pp. 225-

258

4. Buku-buku lainnya yang memuat topik Polycondensation

MODUL 2.07 Teknik Polimerisasi

Documents

Transcript of MODUL 2.07 Teknik Polimerisasi