Penguasaan Teknologi Pembuatan Propelan DB

12
Penguasaan Teknologi Pembuatan Propelan Double Base Kendra Hartaya Pusat Teknologi Dirgantara Terapan Lapan Rumpin, Bogor [email protected] Abstrak Telah dilakukan penelitian dan tahap-tahap teknologi pembuatan propelan Double Base (DB). Propelan adalah bakar roket yang tersusun atas fuel, oksidator, dan aditif. Propelan base adalah bahan bakar dengan fuel dan oksidator sudah terpadu menjadi satu dalam senyawa kimia, misalnya nitroselulos (NC), atau nitrogliserin (NG). Propelan DB dengan komponen utama penyusun NC dan NG. Baik NG maupun NC dibuat dengan cara nitrasi kimia dengan bahan dasar teknis dengan nitrator asam nitrat dalam media asam sulfat pada suhu rendah. Banyaknya hasil sangat tergantung pada waktu, suhu, dan rasio diantara reaktan. Uji terhadap keberhasilan sintesis NC dan NG dilakukan dengan uji bakar dan uji kimia dengan FTIR (fourier Transfor Infrared) Propelan DB dibuat dengan mencampur komponen NC dan NG dengan sedikit aditif yang berfungsi sebagai stabilizer atau platisizer pada suhu kamar. Pencampuran bisa dilakukan dengan pelarut atau non-pelarut. Uji keberhasilan pembuatan propelan ini uji bakar dan uji statik. PENDAHULUAN Propelan adalah bahan bakar roket yang terdiri dari fuel, oksidator, dan aditif. Lapan dalam pengembangan roket pendorong satelit (RPS-420) menggunakan propelan komposit yang merupakan propelan heterogen dimana ketiga bahan penyusun terpisah secara fisis. Roket jenis ini merupakan roket yang digunakan untuk penelitian. Fuel yang digunakan merupakan polimer organik HTPB (hydroxyl termianted polybutadiene) dengan oksidator amonium perklorat, dan aditif berupa bubuk aluminium.

Transcript of Penguasaan Teknologi Pembuatan Propelan DB

Page 1: Penguasaan Teknologi Pembuatan Propelan DB

Penguasaan Teknologi Pembuatan Propelan Double Base

Kendra HartayaPusat Teknologi Dirgantara Terapan

Lapan Rumpin, [email protected]

AbstrakTelah dilakukan penelitian dan tahap-tahap teknologi pembuatan propelan Double

Base (DB). Propelan adalah bakar roket yang tersusun atas fuel, oksidator, dan aditif. Propelan base adalah bahan bakar dengan fuel dan oksidator sudah terpadu menjadi satu dalam senyawa kimia, misalnya nitroselulos (NC), atau nitrogliserin (NG). Propelan DB dengan komponen utama penyusun NC dan NG. Baik NG maupun NC dibuat dengan cara nitrasi kimia dengan bahan dasar teknis dengan nitrator asam nitrat dalam media asam sulfat pada suhu rendah. Banyaknya hasil sangat tergantung pada waktu, suhu, dan rasio diantara reaktan. Uji terhadap keberhasilan sintesis NC dan NG dilakukan dengan uji bakar dan uji kimia dengan FTIR (fourier Transfor Infrared)

Propelan DB dibuat dengan mencampur komponen NC dan NG dengan sedikit aditif yang berfungsi sebagai stabilizer atau platisizer pada suhu kamar. Pencampuran bisa dilakukan dengan pelarut atau non-pelarut. Uji keberhasilan pembuatan propelan ini uji bakar dan uji statik.

PENDAHULUAN

Propelan adalah bahan bakar roket yang terdiri dari fuel, oksidator, dan aditif. Lapan dalam pengembangan roket pendorong satelit (RPS-420) menggunakan propelan komposit yang merupakan propelan heterogen dimana ketiga bahan penyusun terpisah secara fisis. Roket jenis ini merupakan roket yang digunakan untuk penelitian. Fuel yang digunakan merupakan polimer organik HTPB (hydroxyl termianted polybutadiene) dengan oksidator amonium perklorat, dan aditif berupa bubuk aluminium.

Roket selain digunakan untuk penelitian juga bisa digunakan untuk militer. FFAR (Fin Folded Aerial Rocket) adalah roket yang digunakan untuk kepentingan militer. Roket ini pernah dibuat oleh PT Dirgantara Indonesia dengan teknologi lisensi Belgia. Produksi ini menggunakan beberapa komponen lokal. Komponen roket yang sulit diteukan di dalam negeri adalah bahan bakar.

Propelan FFAR adalah double base, bukan single base. Propelan single base adalah propelan dengan fuel dan oksidatornya sudah terpadu didalam satu senyawa. Contoh propelan single base adalah nitroselulosa, nitrogliserin, dll. Propelan DB adalah dengan komponen utama nitroselulosa dan nitrogliserin. Jika kedalam DB ditambahkan nitroguanidin, maka dihasilakn propelan triple base.

Kemandirian bangsa tidak lepas dari penguasaan kemampuan di bidang pertahanan salah satunya. Penguasaan kemampuan dalam peroketan terutama roket militer adalah bagian dari hal tersebut. Penguasaan ini perlu dikembangkan mengingat Lapan sudah memiliki kemampuan dalam bidang roket penelitian, terutama bagian bahan bakar. Selain itu penguasaan ini penting karena bahan dasar yang dipergunakan sangat

Page 2: Penguasaan Teknologi Pembuatan Propelan DB

murah dan mudah diperoleh di pasaran. Lagi pula teknologi pembuatan juga sederhana pada tingkat awal.

Makalah ini menyajikan kemampuan penguasaan teknologi pembuatan propelan DB. Kemampuan penguasaan ini diwujudkan melalui sederetan langkah yang dilewati untuk mewujudkan hasil propelan DB. Evaluasi terhadap langkah-langkah yang ditempuh ini bersifat kasar. Langkah-langkah tersebut meliputi pembuatan nitrogliserin, pembuatan nitroselulos, pembuatan propelan DB dan pengujiannya. Di kemudian hari bisa dilakukan penyempurnaan pada masing masing bagian untuk mendapatkan hasil yang lebih baik.

TINJAUAN PUSTAKANitrogliserin

Reaksi pembuatan Nitrogliserin dinyatakan sebagai berikut

CH2OH

CHOH

CH2OHGliserin

+ 3HNO3

H2SO4

CH2ONO2

CHONO2

CH2ONO2

Nitrogliserin

+ 3H2O

Gambar 1. Reaksi nitrasi gliserin

Sifat-sifat nitrogliserin disajikan tabel 1 di bawah ini

Tabel 1. Sifat kimia nitrogliserin [2]Rumus kimia C3H5N3O9

Struktur molekul CH2ONO2

CHONO2

CH2ONO2

Berat molekul 227.09Densitas 1.59 g/mlTekanan uap 0.00026 mm of Hg at 20oC

Kelarutan dalam air 1.95 g/L (Rosenblatt)1.25 g/L (Windholz)

Panas detonasi 218oCTitik lebur 2.8oC (bentuk kristal labil)

13.5oC (bentuk kristal stabil)

Nitroselulosa

Page 3: Penguasaan Teknologi Pembuatan Propelan DB

Gambar 1. Struktur selulosa Gambar 2. Struktur NC, DS 2,31

Reaksi pembuatan Nitroselulosa dinyatakan sebagai berikut

C6H10O5 + xHN03 C6H10-x05-x(ONO2)x + xH20

Sifat-sifat selulosa disajikan tabel 2

Tabel 2. Sifat-sifat Nitroselulosa [2]Uraian BesaranSpecific grafityIndeks biastensile strength pada 23°C, 50% rhelongation pada 23°C, dan 50% rhhardness, Sward, % of glasssoftening-point range (Parr), °C

1,58-1,651,519000-16000 lb Inc2

13-1490155-220oC

Kandungan nitrogen dapat bervariase dari mulai DS=1-3. Menurut hipotesis Eder, NC adalah campuran beberapa produk. Eder mempostulasikan ada 6 senyawa NC dengan kadar nitrogen berbeda-beda, yaitu 14,15 ; 12,75 ; 11,15 ; 9,15 ; 6,75 ; 3,75

Propelan Double Base

Propelan Double base diperoleh dengan mencampur antara nitroselulosa dan nitrogliserin. Balistit yang pernah digunakan di Italy memiliki komposisi nitroselulosa :nnitrogliserin =1:1. Sedang untuk JPN nitroselulosa 51% dan nitrogliserin 43%. Dalam penggunaannya untuk melindungi dinding motor roket dari nyala, digunakan inhibitor seperti etil selulosa atau selulosa asetat untuk grain berdiri (free-standing cartridge grains). Selain komponen utama, di dalam propelan double base terdapat plastisizer, stabilizer, modifier, lubrican extrusion, flash supressor. Kadang-kadang perlu penambahan oksidator lain untuk menghasilkan propelan double base termodifikasi CMDB (composite modified double base).

Dalam propelan DB extruded (EDB), bahan dicampur dengan air lalu digulung agar diperoleh lembaran. Ini dihangatkan dan diextrude dan dipress dalam vacuum. Keuntungan propelan ini, murah, reliable, mudah dinyalakan dan diperiksa, dan semua bahan tersedia. Propelan jenis ini mudah mengontrol variable-variabel untuk penelitian. Kelemahannya terbatas pada bentuk dan ukuran (maksimum diameter 12 inci), spesifik impuls 240 detik.

Page 4: Penguasaan Teknologi Pembuatan Propelan DB

Cast Double-Base Propellants (CDB), dikembangkan untuk menghilangkan keterbatasan bentuk dan ukuran EDB. Selongsong diisi dengan leburan bubuk DB, lalu selongsong diisi dengan pelarut leburan NG. Keuntungan propelan ini sama dengan propelan EDB. Selain itu pengaruh panas selama pencetakan kecil karena tidak ada reaksi kimia. Kelemahan CDB sama dengan EDB

METODOLOGIProses pembuatan Nitrogliserin

Susun alat untuk nitrasi gliserin yang terdiri dari pendingin, reactor Reactor dilengkapi dengan pencatat suhu, corong, pengaduk Kondisikan reactor pada T<15oC Masukkan nitrator asam nitrat kedalam reactor sambil diaduk Masukkan asam sulfat kedalam reaktor, aduk hati-hati Masukkan gliserin kedalam reaktor, biarkan agar terjadi reaksi sempurna Setelah selesai reaksi, ambil hasil, pisahkan dan murnikan Produk siap dilakukan pengujian

Proses pembuatan Nitroselulosa Susun alat untuk nitrasi selulosa yang terdiri dari pendingin, reactor Reactor dilengkapi dengan pencatat suhu, corong, pengaduk Kondisikan reactor pada T<15oC Masukkan nitrator asam nitrat kedalam reactor sambil diaduk Masukkan asam sulfat kedalam reaktor, aduk hati-hati Masukkan selulosa kedalam reaktor, biarkan agar terjadi reaksi sempurna Setelah selesai reaksi, ambil hasil, pisahkan dan murnikan Produk siap dilakukan pengujian

Proses pembuatan Propelan DB Campurlah NC dengan pelarut alcohol (larutan NC) Campurlah NG dan aseton (larutan NG) Kedalam larutan NG masukkan dibutil ptalat (DBP) dan dipenil amin (DPA) Campuran ini selanjutnya dimasukkan kedalam larutan NC (leburan propelan DB) Leburan propelan ini siap dicetak menjadi bentuk silinder (propelan silinder), atau atau dibuat lembaran seperti kertas dan digulung menjadi propelan (silinder) hasil

dari gulungan kedua propelan siap dilakukan uji bakar atau uji statik Keringkan di udara terbuka uji bakar dan uji statik.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Gambar 1 adalah nitrogliserin dalam erlemeyer, berupa cairan kental dalam jumlah sedikit yang berada di bawah berberntuk lapisan berwarna pudar. Gambar 2 adalah nitroselulosa hamper tidak berbeda dengan celulosnya. Namun jika NC dibakar akan menunjukkan nyala menjilat seperti gambar 4. gambar 3 adalah nyala nitrogliserin

Page 5: Penguasaan Teknologi Pembuatan Propelan DB

yang tajam menjilat. NG ditaruh di dalam spatula stainless steel dengan pemanasan bagian bawah. Gambar 5 adalah kurva FTIR untuk nitrogliserin untuk meyakinkan bahwa NG terbentuk dengan cara pembuatan demikian. Begitu pula kurva FTIR NC yang disajikan dalam gambar 6. Gambar 7 menunjukkan gambar rangkaian alat untuk pembuatan nitrogliserin dan nitroselulosa. Gambar 8 dan gambar 9 menunjukkan propelan CDB dan EDB. Gambar 10 dan gambar 11 menunjukkan propelan yang sudah diinstal dan siap uji bakar (statik), dan bentuk nyala dengan asap putih tipis.

Gb 1. Hasil Nitrogliserin Gb. 2. Nitroselulosa

Gb3. uji Bakar Nitrogliserin Gb 4. Uji Bakar Nitroselulosa

Gb 5. Uji FTIR Nitrogliserin Gb 6. Uji FTIR Nitroselulosa

Page 6: Penguasaan Teknologi Pembuatan Propelan DB

Gambar 7. Alat proses Nitrasi Gambar 8. Propelan CDB

Gambar 9. Ppropelan EDB Gambar 10. DB siap uji bakar/statik

Gambar 11. Nyala Propelan DB

Komposisi propelan DB yang dibuat disajikan dalam table 1 di bawah ini.

Tabel 1. Komposisi propelan DBBahan Komposisi, %NitrogliserinNitroselulosaDibutil ptalatDipenil AminKarbon

43,552,13,210,2

Pembahasan

Dari uji dengan FTIR nitrogliserin (gambar 5), menunjukkan bahwa adanya puncak gugus nitro pada daerah 1390-1260 cm-1, yaitu 1273 dan 1365 cm-1. FTIR NC, 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. Dari dua kurva ini bisa dikatakan bahwa reaksi nitrasi dalam pembuatan NG dan NC telah berhasil. Keyakinan ini diperkuat dengan uji bakar sample NG dan NC menunjukkan nyala menjilat yang khas bagi bahan eksplosif.

Propelan DB dengan pencetakan baik extrude maupun cast berhasil dibuat. Pada uji bakar kedua bentuk ini meledak dengan lepasnya cap tabung ruang bakar. Uji bakar sampel DB ini bersifat debrise dalam arti abu yang ditinggalkan tidak lebih daripada 5%.

Page 7: Penguasaan Teknologi Pembuatan Propelan DB

Hal ini juga terlihat uji bakar dengan tabung ruang bakar (gambar 11) menghasilkan asap yang tipis sehingga cocok bahan bakar ini untuk kepentingan roket senjata FFAR. Dengan demikian jejak lintasan roket ini sulit dideteksi musuh. Adanya debrise membuktikan bahwa bahan bakar adalah propelan (bahan eksplosif) yang sangat berbeda dengan bahan dasarnya, yaitu selulosa. Uji bakar selulosa meninggalkan arang dan laju bakarnya lambat serta nyalanya tidak menjilat. Sementara itu gliserin sebagai bahan dasar nitrogliserin tidak menyala saat dibakar. Jadi dengan nyala yang menjilat menunjukkan adanya perubahan sifat fisik dari gliserin menjadi nitrogliserin, dan dari selulosa menjadi nitroselulosa. Dengan kata lain proses nitrasi telah berhasil merubah bahan dasar menjadi senyawa yang mengandung gugus nitro.

Uji bakar/statik menunjukkan nyala tersendat-sendat (caving). Hal ini bisa disebabkan adanya udara yang terperangkap saat pencetakan sehingga propelan yang dihasilkan masih berporos. Atau mungkin propelan masih kekurangan oksigen untuk pembakaran. Kekurangan oksigen bisa disebabkan oleh nitrasi yang belum sempurna. Perlunya mengukur sejauh mana kadar N dalam nitroselulosa dan nitrogliserin. Dalam penelitian ini hanya menyajikan penguasaan langkah-langkah dalam menguasai teknnologi pembuatan propelan double base.

KESIMPULAN

Dari penelitian yang sudah dilakukan dan pembahasan yang diuraikan maka dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut :

NG dan NC bisa dibuat dengan metode nitrasi. NC diperoleh dengan nitrasi terhadap selulosa, NG diperoleh dengannitrasi terhadap gliserin. Keberhasilan nitrasi ditunjukkan dengan uji bakar NG dan NC yang menunjukkan nyala menjilat, khas bagi bahan eksplosif. Uji kimia dengan FTIR juga menunjukkan adanya gugus nitro pada serapan 1273 dan 1365 cm -1 untuk NG, dan pada 1390-1260 cm-1 untuk NC.

Propelan DB diperoleh dengan mencampur NG dan NC dengan aditif. Propelan ini dibuat dengan adanya pelarut agar bisa diperoleh campuran yang homogen. Bentuk propelan DB diperoleh dengan mencetak dan menggulung lembaran yang dibuat.

Uji bakar terhadap DB bisa dilakukan dengan menggunakan tabung ruang bakar kecil dengan dimensi kecil. Hasil uji bakar selalu meledak dan cap tabung lepas. Bahkan ada yang nyala tetapi caving (tersendat-sendat)

SARAN-SARAN

Perlunya dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mendapatkan kondisi yang optimal, baik kondisi pembuatan nitroselulosa, nitrogliserin misalnya rasio mol reaktan, lama waktu dan suhu proses nitrasi. Juga rasio komponen dalam pembuatan DB, yaitu antara NG dan NC agar diperleh nyala yang tidak caving, atau tidak meledak saat pengujian bakar / statik.

Perlunya dipikirkan keamanan baik aman bagi penelitianya, lingkungan, dan aman terhadap bahan-bahan / produk karena masing masing komponen ini mengandung bahaya besar.

Page 8: Penguasaan Teknologi Pembuatan Propelan DB

DAFTAR PUSTAKA

Akhavan, Jacqueline, The Chemistry of Explosive, The Royal Society of Chemistry.Selwitz, charles., 1988, Cellulose nitrate in Conservation, The Getty Conservation

Institute.Urbanski, Tadeusz., 1965, Chemistry and Technology of Explosive, Edisi II, Pergamon,

New York………., 1984, Military Explosive, Department of The Army Thechnical ManualFordham, S., 1980, High Explosives and Propellants, Edisi II, Pergamon Press, England.Sally Yost. 2004, Effects of Redox Potential and pH on the Fate of Nitroglycerine in a

Surface and Aquifer Soil (Thesis), Purdue University .............., PT Dirgantara Produksi 10.000 Roket FFAR,

http://www.bumn-ri.com/news.detail.html?news_id=19024,……….., An Introduction to Energetic materials, SNPE Paris,

www.energetic_material.com,

DISKUSI

Pertanyaan Sigit Apa tidak terjadi reaksi saat pencampuran nitrogliserin dan nitroselulosa dalam membuat propelan double base ?

JawabKita belum melangkah sejauh itu pak. Kita masih awal sekali sebatas menguasai langkah-langkah dalam mewujudkan propelan double base. Di kemudian hari penelitian bisa mengarah misalnya pada optimalisasi variable, atau menguji mana yang lebih baik propelan EDB atau CDB, dll ? meski begitu untuk melihat apakah terjadi reaksi saat pencampuran antara NG dan NC bisa dilihat dengan FTIR apakah ada puncak baru selain puncak-puncak serapan NG dan NC.

Pertanyaan Damam SuyadiSaat kuliah pun saya tidak pernnah mendengar propelan double base/ baru kali ini saya mendengarnya. Apa itu yang dimaksud propelan double base ? atau bagaimana agar saya bisa memahami yang dimaksud propelan double base ?

JawabPropelan itu adalah sebutan bagi bahan bakar roket. Di dalam propelan terdapat bahan yang dibakar (fuel), oksidator atau sumber oksigen (digunakan amonium pekrlorat) dan sedikit aditif. Fuel yang digunakan berupa polimer organik seperti HTPB (hydroxyl terminated polibutadien, polimer butadien berujung gugus hidroksil). Digunakan oksidator karena udara tidak mencukupi masuk ke ruang pembakaran untuk pembakaran yang besar agar menghasilkan gaya dorong roket. Jika oksidator dan fuel telah menjadi satu dalam satu senyawa maka disebut propelan base, misal nitrogliserin, nitroselulosa. Ada propelan jenis single base, hanya nitroselulosa saja. Jika kedalam single base

Page 9: Penguasaan Teknologi Pembuatan Propelan DB

ditambah nitrogliserin maka dihasilkan propelan double base. Dan jika kedalam double base ditambah nitroguanidin maka dihasilkan propelan triple base.

Prosiding Jasakiai ISSN 0854-4778, seminar 3 Nasional Desember 2009 hal 283-288