Modul 207 Teknik Polimerisasi

Microsoft Word - MODUL_204_TEKNIK_POLIMERISA.DOC

MODUL 2.07 Teknik PolimerisasiI. PendahuluanPolimer 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.II. TujuanTujuan pelaksanaan praktikum Modul Teknik Polimerisasi adalah:1. Praktikan mempelajari salah satu teknik polimerisasi, khususnya polimerisasi kondensasi Urea-Formaldehid2. Praktikan mempelajari reaksi polimerisasi tersebut3. Praktikan mempelajari pengaruh-pengaruh kondisi operasi terhadap hasil reaksi polimerisasiIII. SasaranSesuai 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 PustakaReaksi 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 mempercepatreaksi.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 yangdihasilkan 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 rangkaian3 dimensi yang sangat kompleks dan menjadi thermosetting resin. Hasil reaksi dan kecepatannya, sangat dipengaruhi oleh faktor-faktor:1. perbandingan molekul pereaksi2. katalis3. pH sistem4. temperatur5. 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 lain2. tahap persiapan (preparation sebelum proses curing), yaitu pencampuran dengan zat-zat kimia, filter, dan sebagainya3. tahap curing yaitu proses terakhir yang oleh pengaruh katalis, panas, dantekanan tinggi, resin yang dirubah sifatnya menjadi thermosetting resin.V. Rancangan PercobaanV.1 Perangkat dan Alat Ukur1. Set perangkat modul Teknik Polimerisasi yang terdiri atas labu berdasar bundar dimana reaksi dilangsungkan, yang dilengkapi dengan pengaduk yangdigerakkan oleh motor listrik termometer untuk mengamati suhu reaksi, refluks kondensor, alat pengambil sampel, alat pemanas listrik yang diatu roleh slide regulator.2. Viscometer3. Water bath4. Erlenmeyer5. Piknometer6. Labu volumetrik7. Perangkat titrasi8. Timbangan/ neraca9. Oven10. Cawan perselenV.2 Bahan/ Zat Kimia1. Urea2. Formaldehid (dalam bentuk larutan formalin)3. Na-sulfit4. Na-karbobat5. Alkohol6. Indikator Corellin7. Asam sulfatV.3 Cara Kerja1. Menyusun peralatan sesuai dengan sketsa gambar dan mengecek kondisi peralatan2. Mempersiapkan peralatan analisa3. Menghitung dan mempersiapkan zat-zat kimia yang diperlukan dalam reaksi, sesuai dengan kondisi variasi percobaan4. 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 pH2. analisis kadar formaldehid bebas dengan Test I3. analisis kadar resin dengan Test V4. 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.FormalinmasukkanLabu BundarTambahkan:Na2CO3H2O sebagai buffering agent sebanyak 5%jumlah katalis dan bahan pembantu lainCampuranaduk rata

Sampel 0Tambahkan:Urea jumlah tertentu

Campurkan, AdukPan

Dinginkan sampai suhu kamarDinginkan sampai

Sampel 0 dinginSampel 1 dingin

AnalisisAnalisis

HasilSampel 0HasilSampel 1Atur

Sampel 2

Dinginkan sampai suhu kamar

Sampel 2 dingin

Analisis

HasilSampel 2Panaskan selama 15 menitSampel 3


Sampel 3 dingin

Analisis



Sampel 4 dingin

Analisis



Sampel 5 dingin

Analisis

HasilSampel 5Teruskan pemanasan sampai batas waktu yang ditentukan , atau sampai analisis kondisi semua sampel sama sehingga reaksi dapat dihentikan


Sampel n dingin

Analisis

HasilSampel nProsedur Test ITest I dilakukan untuk menganalisa kadar formaldehid bebas dengan menggunakan sodium sulfit. Dasar reaksinya adalah:H2O + CH2O + Na2SO4 HO-CH2-SO3Na + NaOHSehingga NaOH yang terbentuk ekivalen dengan kadar formaldehid bebas dalam larutan. Prosedur pengerjaan Test I disajikan pada Gambar 2.1cc sampel 5 cc alkohol

3-5 tetes indikator correlinCampurkanLabu titrasi tertutupCek titik akhir denganOvertitration dan back titrationLarutan NetralCek titik akhir denganOvertitration dan back titrationLarutan NetralTambahkan:25 cc lar. 2N sodium sulfite segarLarutan CampuranReaksikan selama 10 menit dengan dikocokLarutan Hasil Reaksi

Larutan BlankoTitrasi dengan standar H2SO4Lakukan duploPerhitunganHasil Analisa DataProsedur Test IITest II dilakukan untuk menguji pH larutan dengan menggunakan kertas pH. ProsedurTest II dapat dilihat pada Gambar 3.Kertas pHCelupkan ke dalam larutan sampelKertas pH berubah warna karena asam/basa

Cek warna kertas pH dengan warna-warna standar sesuai pH nya

Didapat data

pH larutan sampelProsedur Test IIITest 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 IVTest IV dilakukan untuk menentukan waktu curing. Prosedur Test IV dapat dilihat padaGambar 4.Cawan porselen bermulut lebard = 10 cmPanaskan sampai 140 oCselam 30 menitCawan panasDinginkan dalam eksikatorCawan dinginResin Masukkan 10 gram pada cawan

Timbang

Didapat massa cawan G1Cawan + Resin

Timbang

Didapat massa cawan+resin awalPanaskan sampai 140 oCselama 1 jamCawan + Resin PanasDinginkan dalam eksikator sampai temperatur kamar

Didapat massaCawan + Resin DinginPanaskan sampai 140 oCselama 1 jam

Timbang

cawan+resin G2Cawan + Resin PanasDinginkan dalam eksikator sampai temperatur kamarCawan + Resin DinginPanaskan sampai 140 oCselama 30 menit

Didapat massa cawan+resin G3Cawan + Resin PanasDinginkan dalam eksikator sampai temperatur kamarCawan + Resin Dingin

Didapat massa cawan+resin G4Lakukan analisis secara DUPLOData DuploPerhitunganData Kadar ResinProsedur Test VTest V dilakukan untuk menentukan densitas sampel dengan piknometer. Prosedur TestV dapat dilihat pada Gambar 5.PiknometerKalibrasi dengan air murniPiknometer diketahui volumenyapada suhu percobaan Larutan SampelPiknometer berisi sampelPerhitunganDidapat dataDensitas SampelV.4 Data Percobaan1. Densitas Air pada Berbagai TemperaturTemperatur (0C) (g/mL)252627282. Viskositas Air pada Berbagai TemperaturTemperatur (0C) (cP)252627283. Massa molekul relatifZatRumus MolekulMR

Urea

Formaldehid

Amoniak

Natrium Karbonat

Natrium sulfitCO(NH2)2CH2O NH4OH Na2CO3Na2SO3603035106

126

4. Densitas Zat pada Temperatur PercobaanZatRumus Molekul (g/mL)

Urea

Formaldehid

Amoniak

Natrium Karbonat

Natrium sulfitCO(NH2)2CH2O NH4OH Na2CO3Na2SO3

5. Penentuan Densitas ResinMassa piknometer kosong = gMassa piknometer + aqua dm = gDensitas aqua dm (pada T percobaan) = g/mL Volume piknometer = mLMassa piknometer + resin = gNo VolumeSampel (mL)

VolumeAqua dm (mL)

Massa pikno

+ larutan (g)

Massa lar.(g)

Densitas lar. (g/mL)

1

2

3

4

5

NoCr (g/100mL)t (detik)

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 = g8. Penentuan Kinetika ReaksiF/U=Volume formalin = mL Massa urea = gMassa amonia = g Massa buffer = g Konsentrasi H2SO4= M Volume sampel = mLTemperatur = 0CSampelBlanko01234567

t V H2SO4 T(menit) I II Average (0C) CfV.5 Contoh Perhitungan1. Penentuan Jumlah FormaldehidMassa larutan formalin = *Vdimana: larutan formalin = 1.079 g/mL Misalkan V(volume percobaan) = 500 mLMaka massa larutan formalin = 500 mL*1,079 g/mLmassa larutan formalin = 539,5 gJika larutan formalin mengandung 36% formaldehid, massa formaldehid = 0,36*539,5 = 194,22 gMol formaldehid

massa formaldehidMRMol formaldehid 194,22 6,474 mol302. Penentuan Jumlah UreaMisalkan untuk F/U = 1,65Maka mol urea = F/1,65 = 6,474/1,65 = 3,924 molMassa urea = mol urea* MR urea = 3,924 mol*66 g/molMassa urea = 235,418 g3. Penentuan Jumlah Katalis dan BufferMisal: massa total campuran = X gmassa katalis 5% massa total = 0,05 Xmassa 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*X0,9475 X = 774,918X = 817,855 gMassa NH4OH yang ditambahkan = 40,89 gNH4OH yang digunakan 21%-W/W= 194,73 gVolume NH4OH yang ditambahkan (larutan 21%-W/W) adalah: massa larutan densitas

208,49 mLMassa Na2CO3 yang ditambahkan = 2,5.10-3.X = 2,045 g4. Penentuan Kadar Formaldehid BebasMisalkan Cc,blanko = 0,2Cc,titran H2SO4 = 0,7Pada kondisi tersebut C sampel = 1,5Maka konsentrasi formaldehid bebas adalah:massa CH O (g) 3 * (C c,titran - C c,blanko ) * NH 2 SO 4 2 C

100 mL

C c,sampel C 3 * (0,7 - 0,2) *1 1,05 g/100mLf 1,5 5. Penentuan Orde dan Konstanta Laju ReaksiPersamaan umum laju reaksi: dC f k * C ndt fUntuk 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: dC f k * C 1dt fIntegrasi persamaan tersebut adalah sebagai berikut:C f tdC f k * dtC C f 0ln C f k.tC 0lnCf

lnC0 - ktDengan demikian, bila dialurkan ln Cf terhadap t (waktu) akan diperoleh hubungan linier dengan gradien garis k menunjukkan konstanta laju reaksi.2. Jika diasumsikan reaksi mengikuti orde 2 terhadap konsentrasi, persamaan kinetika laju reaksinya adalah: dC f k * C 2dt fIntegrasi persamaan tersebut adalah sebagai berikut:C dC f C0 f 0

k * dt 1 1 k.tC 0 C f 1 1 ktC f C 0Dengan demikian, bila dialurkan 1/Cf terhadap t (waktu) akan diperoleh hubungan linier dengan gradien garis k menunjukkan konstanta laju reaksi.3. Jika diasumsikan reaksi mengikuti orde 0 terhadap konsentrasi, persamaan kinetika laju reaksinya adalah: dC f k dtIntegrasi persamaan tersebut adalah sebagai berikut:C f dC fC0

t k * dt0C f - C 0 -ktC f C 0 - ktDengan 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 kinetika laju reaksinya adalah: dC f k.C 1,5dt fIntegrasi persamaan tersebut adalah sebagai berikut:C dC f

1,5

k * dtC C f 02.C 0,5 C

0,5 k.t0,5 f

12

k.t C 0

0,5Dengan 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:f f f f71400.750.70.725701.5750.45430.63490.7968

Jika persamaan kinetika laju reaksi tersebut diasumsikan mengikuti orde 1:2.50002.00001.50001.00000.50000.0000

Kurva Orde Re ak s i 1y = -0.0098x + 1.472R2 = 0.65020 50 100 150t (m e nit)Jika persamaan kinetika laju reaksi tersebut diasumsikan mengikuti orde 2:Kurva Orde Re ak s i 20.80000.70000.60000.50000.40000.30000.20000.10000.0000

y = 0.0035x + 0.2624R2 = 0.7270 50 100 150t (m e nit)Jika persamaan kinetika laju reaksi tersebut diasumsikan mengikuti orde 0:Kurva Re ak s i Orde 09876 y = -0.0338x + 5.01395 R2 = 0.5235432100 50 100 150t (m e nit)Jika persamaan kinetika laju reaksi tersebut diasumsikan mengikuti orde 1,5:1.0000

Kurva Re ak s i Orde 1/20.80000.60000.40000.2000

y = 0.0029x + 0.496R2 = 0.69810.0000

0 50 100 150t (m e nit)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: dC f 0,0035 * C 2dt f6. Penentuan Kadar ResinPersamaan yang digunakan:Kadar Resin massa resin kering *100%massa resin basah7. Penentuan Densitas ResinPersamaan yang digunakan: resin

massa resin dalam piknometer volume piknometer8. Penentuan Konsentrasi Resin (Cr) Persamaan yang digunakan:C r resin * Kadar resin * V sampel9. Penentuan Viskositas Resin dinamik

aqua dm (T)t aqua dm

Q sampel*g aqua dm

* t sampelg adalah gravitasi spesifik spesifik

dinamik 1 aqua dm (T) spesifikC

intrinsik

k

intrinsik

2 .CrDengan mengalurkan grafik spesifik/Cr terhadap Cr, akan diperoleh garis yang menunjukkan fungsi linear dengan slope intrinsik.10. Penentuan Massa Molekul Rata-Rata (MR)Persamaan yang digunakan: intrinsik k * (MR)Nilai k didapat dari penyelesaian grafik spesifik/Cr terhadap Cr. Gradien garis tersebut adalah k. intrin 2Jika intrinsik dan k diketahui, maka MR polimer dapat dihitung.Daftar Pustaka1. Billmeyer Jr., F.W., Textbook of Polymer Science, John Wiley and Sons, 1994, pp.186-2192. DAlelio, G.F., Experimental Plastics and Synthetic Reisns, John Wiley and Sons,1952, pp. 163-1663. kirk-Orthmer, Encyclopedia of Chemical Technology, 2nd Edition., Vol. 2, pp. 225-2584. Buku-buku lainnya yang memuat topik Polycondensation

Sampel 1suhu kamaraskan perlahan sampai mendidihTerjadi Refluksrefluks secara perlahan

Sampel n

6.

Penentuan ViskositasWaktu dalam aqua dm = detikGravitasi spesifik aqua dm =Viskositas aqua dm (pada T percobaan)=cP

194,73

0,934

f

0

t

f

C

2

f

t

0

f

0

C

Sampelt

(menit)V H2SO4T (0C)

C

ln C

1/C

C ^-0,5IIIAverageBlanko0.20.20.226002.832.9268.12.09190.12350.35141151.41.21.3703.31.19390.30300.55052450.91.11702.40.87550.41670.64553600.70.80.75701.650.50080.60610.77854750.70.70.7701.50.40550.66670.81655900.650.80.725701.5750.45430.63490.796861200.70.750.725701.5750.45430.63490.7968

ln Cf

1/Cf

Cf

Cf^-0,5

r

a

sik .

Documents

Modul 207 Teknik Polimerisasi