Pembuatan Nitroselulosa dari Bahan SelulosaSebagai Komponen Utama Propelan Double Base

Kendra HartayaPusat Teknologi Dirgantara Terapan

LAPAN Rumpin Bogor 021-75790037, 02170895998kendra19838@yahoo.co.id

Abstrak

Telah dilakukan penelitian pembuatan nitroselulos dari bahan baku selulose (Kapas) teknis yang diperoleh secara bebas di pasaran. Pembuatan dilakukan dengan reaksi nitrasi sederhana menggunakan HNO3 dalam media H2SO4. Nitroselulos yang dihasilkan digunakan sebagai komponen utama bahan bakar roket senjata FFAR (Fin Folded Aerial Rocket). Reaksi nitrasi yang dilakukan dengan mempertimbangkan banyaknya selulos yang bisa dicelupkan kedalam campuran asam, dan melihat perbandingan optimal dari literatur. Hal ini dilakukan karena reaktan selulos berfasa padat yang berbeda fasa reaktan asam.

Dari komposisi literatur, dihasilkan nitroselulos 115 gram memerlukan HNO3 30 cc, H2SO4 40 cc dan reaksi selama 1 jam. Uji bakar terhadap hasil nitroselulos menunjukkan nyala yang menjilat yang khas bagi bahan eksplosif. Uji dengan Fourier Transform Infrared (FTIR) terdapat puncak-puncak yang menunjukkan gugus fungsi nitrat (-NO2).

Abstract

The Nitrocellulose has bee prepared with nitration to cellulos. The nitration is conducted by using nitric acid in sulphuric acid media. The raw material, used to nitration process here, is technical grade with easy to be achieved in market. The nitrocellulose resulted can be used as main component for militer rocket. The strategy for preparing a nitrocellulose is in which by considering how much cellulose can be under mixing of both acid. In the literature, each 115 gr cellulose requires HNO3 30 cc and H2SO4 40 cc.

As a result, the nitrocellulose is resulted from nitration process as long as 1 hours at temperature below 15oC. From burnig test, it shows that flame of nitrocellulose is flatter, characteristics for explosive material, especially propellant. The chemical test, FTIR shows peak of 1390-1260 cm-1 for group –NO2 in nitrocellulose.

PENDAHULUAN

Penelitian teknologi dirgantara adalah adalah bagian tugas fungsi negara yang dibebankan kepada Lapan. Penelitian dan pengembangan peroketan adalah salah satu bagian itu. Selama ini Lapan mengembangkan roket berbahan bakar padat komposit dengan binder HTPB dan oksidator amonium perklorat, dan sedikit bahan aditif bubuk aluminium. Komponen bahan bakar tersebut diadakan secara mengimpor dari luar. Kemandirian penguasaan pembuatan komponen bahan bakar adalah mutlak dilakukan oleh suatu negara. Hal ini mengingat pengadaan bahan-bahan tersebut bersifat strategis.

Roket FFAR (Fin Folded Aerial Rocket) adalah roket senjata yang digunakan oleh angkatan perang kita. Roket ini menggunakan bahan bakar double base yang komponen utamanya adalah nitrogliserin dan nitroselulosa. Penguasaan roket senjata ini juga tidak lepas dari kemandirian dalam hal penguasaan pembuatan bahan bakar tersebut.

Pada tahap awal pembuatan bahan bakar untuk roket ini relatif lebih mudah karena bahan-bahan baku utama tersedia di pasaran baik yang murni atau yang teknis.

Dalam makalah ini disajikan pembuatan nitroselulosa berikut pengujiannya. Nitroselulosa dibuat dengan menggunakan bahan teknis yaitu asam nitrat, asam sulfat, selulosa (kapas). Pengujian dilakukan dengan uji bakar untuk menunjukkan keberhasilan percobaan dengan membandingkan uji bakar selulosa sebelum dan sesudah reaksi. Uji kimia dilakukan dengan uji FTIR untuk menunjukkan keberhasilan reaksi substitusi gugus hidroksil (-OH) dalam selulosa oleh gugus nitro (-NO2) membentuk nitroselulos.

TINJAUAN PUSTAKA

Double base adalah bahan bakar roket FFAR yang komponen utamanya nitrogliserin dan nitroselulos. Jika komponen utama hanya nitroselulosa maka disebut single base. Jika kedalam double base ditambah nnitroguanidin maka dihasilkan triple base. Dikatakan single base karena bahan bakar (fuel) dan oksidan sudah menyatu di dalam senyawa kimia tersebut. Jadi di dalam nitrogliserin, nitroselulosa, atau nitroguanidin masing-masing senyawa tersebut terdapat fuel dan oksidator. Penambahan oksidator dari luar kedalamnya akan dihasilkan propelan double base dengan modifikasi komposit (CMDB, Composite Modified Double Base). Keistimewaan roket double base adalah tidak berasap sehingga tidak menimbulkan jejak, dengan laju awal sangat cepat sehingga cocok untuk roket senjata.

Nitrocellulosa (gambar 1) dibuat dengan nitrasi terhadap selulosa (Gambar 2 di bawah) menggunakan campuran asam nitrat dan asam sulfat.dengan air dengan atau tanpa pengadukan. Komposisi reaktan diatur agar dihasilkan nitroselulose dengan kadar N 12,2%. Nitroselulose yg dihasilkan distabilkan dengan memanaskan dalam asam panas diikuti dengan larutan natrium karbonat encer panas. Kemudian dibuat bubur halus agar bisa melarut cepat dalam nitrogliserin.

Gambar 1. Struktur selulosa

+ 6+NO2 +6H2O

Gambar 2. Reaksi kimia nitrasi selulosa menjandi nitroselulosa

Nitrocellulose (<12,6%N) biasanya dipertahankan basah dan mengandung 30%air agar tidak mudah meledak. Nitroselulose dengan kadar N lebih tinggi dikenal sebagai guncotton dan mudah meledak meski sedikit basah. Jika kering semua jenis nitrocellulose sangat peka terhadap ledakan dan sangat berbahaya. Nitrocellulose kering diperlukan untuk jenis bahan peledak tertentu, dan ini dibuat dengan pengeringan pelan-pelan dari nitroselulose basah dalam aliran air hangat [Fordham, 1980].

Panjang nitroselulos (DP, derajad polimerisasi) yang dinyatakan sebagai banyaknya satuan anhydroglucosa dalam polimer, yang bisa diperoleh melalui pengukuran viskositas. Misalnya DP selulos nitrat (kadar 12%) dalam aseton adalah 170 kali viskositas, dibagi konsentrasi (gr per desiliter). Selulos nitrat komersial (≈12%N) memiliki viskositas intrinsik 0.4-5.0. Ini sesuai DP 70-850, atau berat molekul rata-rata 20,000-250,000. Banyaknya gugus nitrat rata-rata per cincin dikenal sebagai derajad substitusi (DS). Informasi yang sama diberikan oleh kandungan nitrogen dari polimer. Untuk molekul yang teresterifikasi sempurna DS=3 kadar N=14.1%, DS=2.0, kadar N=11.1%. Sebagian besar selulosa nitrat memiliki 10.7%N dan 12.2%N. Polimer kadar N tinggi digunakan untuk eksplosiv. Produk nitrasi dengan DS=2.3 (N = 12.2%), akan mengandung 50% cincin trinitrat, 34% cincin dinitrat, 16% cincin mononitrat, dan tak ada cincin tanpa ester nitrat.

Dalam eksperimen Clark. awalnya selulosa dinitrasi hingga DS= 2.83 dengan menggunakan 64% HNO3, 26% H3PO4, dan 10% P2O3. Hasil adalah mengandung 83% cincin trisubstitusi, 11% 2,6- cincin disubstitusi, dan 6% 3,6-cincin tersubstitusi. Saat hasil ini di masukkan kedalam 95% HNO3 dan 5% H2O untuk 2 jam, 9% cincin trisubstitusi diubah menjadi disubstitusi.. Tak ada pembentukan cincin dengan DS <2. Ini menunjukkan bahwa pada kondisi ini cincin trinitrat sedang dihentikan gugus nitrat dan cincin dinitrat tidak. Distribusi produk yang diperoleh menggunakan 82% HNO3 adalah 40% tri-, 23% 2,6-di-, 12%-3,6-di- and 25% 6-monosubstitusi.

Tidak akan terjadi nitrasi selulosa dengan campuran asam berlangsung sempurna (DP=3, kadar N=14,1%). Yang paling baik dicapai adalah produk dengan kadar N=13,8. Inipun dilakukan tanpa asam sulfat atau dengan asam nitrat dan nitrogen oksida (Bouchonnet et al), atau asam nitrat dan pospor pentaoksida (Lenz et al), atau asetat anhidrid, produk nitrasi sempurna diperoleh 14.1%N. produk ini lebih stabil daripada hasil nitrasi campuran asam, seperti dilakukan Barsha [Selwitz, 1988]. Nitroselulosa yang memiliki suhu nyala 190oC dengan densitas 1,67 gr/cc (pada T=20oC) memiliki energi pembentukan dan entalpi pembentukan dalam tabel 1.

Tabel 1. sifat nitroselulosaKadar N (%) Energi pembentukan, kJ/kg Entalpy pembentukan, kJ / kg

13,313,012,512,011,511,0

-2394-2469-2593-2719-2844-2999

-2483-2563-2683-2811-2936-3094

PERCOBAAN

Urutan dalam percobaan pembuatan nitroselulosa disajikan dalam tahap sebagai berikut :

Kondisikan reaktor pada suhu di bawah 15oC Masukkan asam nitrat kedalam reaktor Tambahkan asam sulfat tetes demi tetes dan jaga suhu tetap di bawah 15oC Masukkan kapas kedalam reaktor sedikit demi sedikit sampai tenggelam Diamkan 1 jam agar terjadi reaksi sambil diaduk Setelah selesai reaksi tiriskan kapas, cucilah dengan air dingin. Cucilah dengan bikarbonat sampai netral, dan akhirnya keringkan. Simpan dan siap dianalisis atau dilakukan pengujian.

HASIL PERCOBAAN

Gambar 1 di bawah ini adalah reaktor proses nitrasi selulosa menjadi nitroselulosa. Dalam gambar ini terlihat seperangkat reaktor yang dilengkapi dengan pengaduk, dan corong tempat memasukkan reaktan.

Gambar 1. Reaktor Nitroselulosa Gambar 2. Nitroselulosa hasil

Gambar 4. Nyala selulosa Gambar 3. Nyala pembakaran NC

Di sebelah kiri bawah terlihat frezzer tempat keluar masuk air dingin untuk membuat reactor berada pada suhu dibawah 15oC. Gambar 2 adalah nitroselulosa hasil proses. Gambar 3 adalah nyala pembakaran nitroseslulosa yang menjilat / menyambar. Sifat ini khas bagi bahan eksplosif terutama propelan. Gambar 4 adalah nyala pembakaran selulosa yang biasa saja. Gambar 4 adalah gambar yang sudah diperbesar sehingga kurang terlihat beda dengan gambar 3. Nyala selulosa sangat kecil sekali. Kaleng silinder yang digunakan untuk pembakaran selulosa dan nitroselulosa memiliki ukuran lubang yang tidak berbeda. Terlihat pembesaran gambar nyala selulosa itu nampak pada pembesaran kelengnya. Gambar 5 adalah kurva FTIR nitroselulosa.

Gambar 5. Kurva analisis FTIR untuk nitroselulosa

Pembahasan

Dari gambar nyala bakar selulosa sebelum dan sesudah dibuat menjadi nitroselulosa ada perbedaan kualitas nyalanya, yaitu nyala biasa dan nyala yang menjilat yang khas bagi nyala bahan eksplosiv. Maka dari sini bisa dinyatakan bahwa pembuatan nitroselulosa sudah berhasil. Dengan kata lain, kapas hasil reaksi mengandung gugus nitro (-NO2). Pernyataan ini diperkuat oleh uji kimia Fourier Transform Infrared (FTIR), yaitu bahwa gugus –NO2 terdapat dalam sampel pada puncak antara 1390-1260 cm-1. namun begitu reaksi nitrasi bisa dikatakan belum selesai mengingat masih adanya puncak gugus hidroksil (-OH) pada puncak 3600-3200 cm-1. Puncak ini bisa disebabkan kemungkinan oleh reaksi balik atau selulosa sisa reaksi.

Dalam nitroselulosa (berat molekul 162) terdapat 3 gugus OH untuk diganti dengan 3 gugus –NO2 melalui proses nitrasi. Sehingga, bisa berlangsung monosubstitusi (penggantian 1 gugus), disubstitusi, trisubstitusi. Oleh karena itu bisa ditabelkan perubahan berat molekul yang terjadi, yaitu :

Selulosa NC 1-subst (DS=1) NC 2-subst (DS=2) NC 3-subst (DS=3)BM %N BM %N BM %N BM %N162 0 191 7,3 220 12,73 249 16,86

DS = derajad substitusi

Karena hibridisasi C dalam ring Nitroselulosa adalah sp3, maka nitroselulosa merupakan bangun ruang, bukan bidang. Oleh karena bangun ruang maka efek sterik akan mengganggu penyerangan gugus –NO2 terhadap gugus –OH sehingga ada dua gugus –OH yang udah untuk diserang, sementara gugus –OH yang ketiga sulit untuk substitusi. Maka dari itu dalam tahap nitrai pertama akan disubstitusi dengan mudah 2 gugus –OH untuk menghasilkan NC disubstitusi dengan kadar N=12,73%. Atas dasar ini bisa diprediksi bahwa kadar N yang terjadi 12,73%. Bila terjadi reaksi dekomposisi (reversibel) maka %N akan lebih kecil. Nitroselulos untuk roket militer memiliki %N lebih besra daripada 3. untuk mendapatkan kadar sebesar ini dilakukan reaksi nitrai lebih lanjut dengan nitrator lain misalnya N2O3 yang dihasilkan dengan pemanasan asam nitrat pekat, atau dengan campuran asam nitrat dan pospor pentaoksida (P2O5) atau asam nitrat dan asetat anhidrid sebagaimana dilakukan Barsa.

Kadar N 16,86% berarti semua gugus –OH sudah diganti dengan gugus –NO2. kadar sebesar ini sulit bisa terjadi. Menurut Bouchonnet, yang bisa dicapai hanya 13,8%, meski diprediksi bisa mencapai 14,1%. Hal ini bisa dipahami karena proses nitrasi memiliki kendala sterik. Efek sterik ini dengan melihat bahwa selulosa merupakan serat polimer dengan berat molekul yeng berbeda-beda. Ada yang pendek, ada yang panjang, bahkan sangat panjang, sehingga berat molekul yang dihasilkan merupakan berat molekul rata-rata. Selain itu laju reaksi makin lama makin menurun, sehingga DS=3 akan lebih sulit terjadi daripada DS=1. dengan kata lain DS=3 selain kendala sterik (susunan atom dalam serat polimernya) internal juga karena eksternal sterik (serat polimer lainnya)

KESIMPULAN

Dari penelitian yang telah dilakukan dan pembahasan yang telah diuraikan dapat diambil kesimpulan sebagai berikut :

Nitroselulosa dapat dibuat dengan reaksi nitrasi terhadap selulosa menggunakan asam nitrat dalam media asam sulfat.

Reaksi nitrasi adalah reaksi substitusi (penggantian) gugus –OH dalam selulosa dengan gugus –NO2 dari asam nitrat dan dihasilkan nitroselulosa atau selulosa nitrat.

Tingkat keberhasilan pembuatan diukur dengan nyala bakar selulosa sebelum dan sesudah reaksi nitrasi. Hasil bakar menunjukkan nyala yang menjilat yang khas bagi bahan eksplosiv (bahan bakar roket)

Uji kimia dilakukan FTIR terhadap sampel nitroselulosa hasil percobaan. Keberhasilan pembuatan ditunjukkan adanya puncak gugus –NO2 pada 1390-1260 cm-1. adanya puncak 3600-3200 cm-1 menunjukkan adanya selulosa yang tidak bereaksi.

DAFTAR PUSTAKA

FORDHAM, S., 1980, Heigh Explosives and Propellants, edisi II, Pergamonpress, New York

Selwitz, Charles., 1988, Cellulose Nitrate in Conservation, Urbanski, Tadeusz, 1963, Chemistry and Technology of Explosive, Jilid II, PergamonAkhavane, Jacqueline, The Chemistry of Explosive, RSC Paperback

UCAPAN TERIMAKASIH

Terimakasih penulis sampaikan kepada Prof Sukandi Nasir Rohili sebagai kepala kelompok penelitian pembuatan Propelan Double Base. Dengan kegiatan itu berhasil diwujudkan tulisan ini. Tak lupa penulis sampaikan kepada peneliti lainnya seperti Prof. Loekman Staibi, Bpk. HM Chawari, Ibu Geni Rosita, Dr. Heri BW, dan para teknisi yang telah membantu dalam melaksanakan penelitian. Semoga jerih payah mereka menjadikan mereka lebih baik di masa mendatang. Amien

DISKUSI

Agus Bayu UtamaPertanyaanBahan apa yang bisa digunakan untuk pembuatan nitroselulos selain kapas.

JawabPada prinsipnya semua bahan bisa digunakan untuk membuat nitroselulosa asal mengandung selulosa, misalnya kayu.

Sulistyo atmadiPertanyaan

Kalau begitu bisa digunakan juga sisa-sisa pakaian kita untuk membuat nitroselulosa ?

JawabSekali lagi saya tegaskan bahan apa saja bisa digunakan untuk membuat nitroselulosa asal memiliki kandungan selulosa.

Peserta dari TNIPertanyaan

Dalam pencampuran kedua asa, mana yang lebih didahulukan ?

Jawab

Pada prinsipnya pengenceran asam itu kan asam ditambah aquades. Jadi dalam hal ini asam yang lebih pekat dimasukkan dulu kedalam reaktor baru ditambahkan asam yang lebih encer. Dalam percobaan ini asam sulfat lebih pekat sehingga masukkan dulu asam sulfat lalu masukkan lagi asam nitrat. Baru masukkan selulosa kedalam reaktor.