SINTESIS STYRENE MENJADI POLYSTYRENE DENGAN METODE POLIMERISASI SUSPENSI

Transkripsi

1 SINTESIS STYRENE MENJADI POLYSTYRENE DENGAN METODE POLIMERISASI SUSPENSI Natalia Suseno, Niken Ariestanti, Widya Devi P., Imelda Santoso Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Surabaya Abstract : Such polymer products as plastic, fiber, and elastomer, can be found in daily life of human being in terms of various needs. Realizing the importance of synthetic polymer roles especially plastics, there are many studies have been conducted to study how to make the polymer. The study is aimed to do a sintesa styrene using polymerization suspension and is expected to gain polystyrene that can be used as main material of producing plastics or can be made into Styrofoam. The study results in two optimum conditions based on the measures using surface response method. First is constrained by crystal size ( 2 mm). Optimum condition is gained on monomer concentration of N and on polymerization time of 4 hours. While the second optimum condition is not limited by the crystal size and gained on 4 hours polymerization time. Keywords : styrene, polystyrene, yield PENDAHULUAN TINJAUAN TEORI Dewasa ini perkembangan industri polimer semakin pesat. Ditinjau dari segi manfaat, polimer banyak dijumpai dalam kehidupan sehari hari, seperti plastik, karet, lem dan serat. Menyadari pentingnya peranan polimer sintetik khususnya untuk bahan plastik, maka banyak penelitian yang dilakukan berhubungan dengan pembuatan bahan tersebut. Proses polimerisasi adalah proses pembentukan polimer (makromolekul) dari pengulangan satuan-satuan sederhana monomernya. Proses polimerisasi ini dipengaruhi oleh beberapa faktor, antara lain temperatur reaksi, jenis dan konsentrasi dari inisiator, monomer pelarut, suspending agent, waktu polimerisai, serta kecepatan pengadukan. Permasalahan yang sering timbul dalam proses polimerisasi khususnya polimerisasi secara suspensi ini adalah dalam penentuan kondisi operasi optimum yang dapat menghasilkan produk polimer dengan ukuran kristal tertentu. Penelitian ini bertujuan untuk melakukan sintesa styrene dengan cara polimerisasi suspensi dan diharapkan mendapatkan hasil (yield) yang optimum dengan ukuran kristal tertentu. Selain itu dipelajari pengaruh konsentrai monomer, suhu, dan waktu terhadap yield dan ukuran kristal yang terbentuk. Untuk menentukan kondisi operasi yang optimum digunakan metode statistik. Polimerisasi Suspensi Polimerisasi heterogen dipelopori dengan penemuan polimerisasi emulsi. Selanjutnya berkembang menjadi polimerisasi suspensi. Polimerisasi suspensi dikembangkan di USA selama perang dunia kedua pada pabrik karet sintetik. Setelah perang dunia kedua, Harkin mempelopori penelitian tentang mekanisme polimerisasi emulsi dan pengukuran dilakukan oleh Smith-Ewart, Polimerisasi suspensi adalah salah satu dari sejumlah proses dimana berbagai zat organik tak jenuh dapat dipolimerisasi. Polimerisasi suspensi membutuhkan empat bahan dasar yaitu monomer, medium disperse, suspending agent dan inisiator. Jika zat-zat tersebut dicampur dalam suatu tempat pada range suhu tertentu maka akan terbentuk suspensi dari butiran monomer dalam medium disperse yang kontinyu. (KirkOthmer, 1983) Pada dasarnya proses polimerisasi suspensi sama dengan proses polimerisasi emulsi dan polimerisasi dispersi. Perbedaan penting antara polimerisasi suspensi, emulsi dan dispersi yaitu pada pembentukan partikel polimer dan ukuran polimer. Pada suspensi pembentukan partikel terjadi dalam fasa monomer dan menghasilkan ukuran partikel dengan diameter µ m. Pada emulsi pembentukan polimer terjadi pada fasa air (medium), kelarutan inisiator dalam air lebih besar daripada 8

2 Sintesis Styrene, Suseno, Ariestanti, Devi P., Santoso dalam monomer, menghasilkan partikel dengan ukuran diameter 0,05-5 µm dan produk akhir berupa lateks. Pada polimerisasi dispersi pembentukan polimer sama dengan pada proses polimerisasi emulsi, bedanya partikel polimer akan segera terpisahkan bila diencerkan dengan air dan ukuran partikel yang dihasilkan lebih besar dari emulsi yaitu 0,5-10 µm. (Rodriguez, 1989) Inisiator Radikal Bebas dan Suspending Agent Beberapa jenis monomer mengalami polimerisasi oleh pemanasan tanpa hadirnya suatu inisiator radikal bebas tambahan, tetapi sebagian besar monomer memerlukan beberapa jenis inisiator. Inisiator inisiator ini dapat dikelompokkan menjadi empat tipe utama yaitu peroksida dan hiperoksida; senyawa azo; redoks; fotoinisiator. (Odian, 1970) Menurut Smith Ewart, jumlah inisiator tidak berpengaruh pada laju polimerisasi. Bila menggunakan inisiator redoks akan didapat laju polimerisasi yang tinggi dibanding dengan menggunakan inisiator yang lain. (KirkOthmer, 1983) Inisiator akan membentuk radikal aktif pada sistem dispersing agent air monomer. Inisiator akan bereaksi dengan molekul monomer yang tidak larut dalam air membentuk radikal monomer aktif. Inisiator dapat masuk ke dalam micelle dan bereaksi dengan molekul monomer membentuk radikal monomer aktif, seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini : Insiator masuk ke dalam micelle kemudian kumpulan dari emulsifier akan membentuk micelle dimana monomer terperangkap di dalamnya. Emulsifier umumnya berupa sodium, atau garam potassium sulfat atau sulfat. Sedangkan suspending agent umumnya digunakan polimer alam, misalnya karbohidrat (kanji, agar agar, pectin dan gum tanaman), bahan protein (glue, gelatin), polimer sintesis (garam garam dari asam poli akrilat, poli vinil alkohol). Proses Polimerisasi Suspensi (Odian, 1970) Gambar 1. Tahapan yang terjadi selama proses polimerisasi suspensi Pada tahap pertama konsentrasi partikel naik dengan naiknya waktu dan selanjutnya konstan pada tahap kedua dan ketiga. Inti partikel terjadi pada tahap pertama dengan laju polimerisasi naik terhadap waktu dan konsentrasi partikel bertambah. Tahap pertama merupakan tahap yang terpendek diantara kedua tahap lainnya yaitu hanya 2-15% konversi. Tahap pertama dapat lebih panjang untuk laju inisiasi rendah dan perlu waktu lebih lama agar konsentrasi partikel konstan. Pada tahap kedua laju polimerisasi dapat konstan atau sedikit naik terhadap waktu. Pada tahap ini partikel polimer bertambah besar dan butiran monomer turun. Pada titik transisi dari tahap kedua ke ketiga terjadi pada konversi yang rendah pada saat itu kelarutan air dalam monomer naik dan partikel polimer yang terbentuk semakin besar. Konsentrasi partikel sama pada tahap ketiga dengan tahap kedua tetapi pada tahap ketiga terjadi penurunan konsentrasi monomer terhadap waktu. Konversi akhir didapat 100%, dimana akan terbentuk partikel polimer berbentuk bola dengan diameter nm. Pengaruh Variabel variabel proses polimerisasi Pengaruh variabel variabel proses polimerisasi seperti suhu, konsentrasi monomer dan waktu terhadap laju dan konversi reaksi dapat diketahui melalui mekanisme dan penurunan kinetika reaksi radikal bebas Reaksi untuk tiap tahap polimerisasi radikal dapat dinyatakan sebagai berikut : Tahap inisiasi kd (lambat) I 2R * (cepat) R * M RM * 9

3 Tahap propagasi RM * M RMM * RMM * M RMMM * kp M k.t ln M o RM i * M RM i 1 * Tahap terminasi Coupling/kombinasi Disproporsionasi M ln ktd RM m * RM n * RM m RM n Penentuan laju reaksi overall diperoleh pada laju yang mengendalikan reaksi paling lambat yaitu pada tahap propagasi. o. 1 x m M o k.t ln 1 x m k.t (4) dimana : E k A. exp R.T Tahap propagasi dimana : untuk polimerisasi heterogen radikal monomer dinyatakan sebagai berikut : M * (3) Dari reaksi di atas maka persamaan (3) dapat diganti menjadi berikut : ktc RM m * RM n * RM m n v p k p. M *.M dm k.dt M mol radikal N 2. A Liter massa reaksi radikal A = bilangan Avogadro = 6, mol radikal (1) Dari persamaan (2) menunjukkan bahwa laju propagasi dipengaruhi oleh konsentrasi monomer, sedangkan dari persamaan (4) menunjukkan bahwa konversi atau yield untuk orde satu dipengaruhi oleh waktu dan suhu polimerisasi. Pada polimerisasi addisi banyaknya monomer yang terkonversi menjadi polimer dapat dinyatakan dengan yield, dimana hubungan antara keduanya ditunjukkan sebagai berikut : Konversi reaksi, dimana : mol monomer Liter partikel.s kp mol monomer Liter partikel. mol radikal Liter partikel mol radikal N 2. A Liter massa reaksi M vp mol monomer Liter partikel 10 1 C C n n 1 a..x mol n Mo (5) a A : M. 1 x mol o Untuk orde satu : 1 dm. k. M v dt a R : M.x mol o dm N k p.. M dt 2. A dm N k p.. M dt 2. A C C a gram a M: mol Mo mol monomer Liter massa reaksi vp mol monomer yang bereaksi x m mol monomer awal 1 a..x mol n Mo (2) Persamaan (5) bila diubah ke dalam gram adalah sebagai berikut : untuk gram monomer yang bereaksi :

4 Sintesis Styrene, Suseno, Ariestanti, Devi P., Santoso a.x.m o a.x Mo METODE PENELITIAN (6) untuk gram polimer yang beraksi : 1 a..x.m n a.x n Mo dimana, n yield (7) Mn Mo gram po lim er yang terbentuk a.. x x gram monomer awal a. (8) Dari persamaan (6) dan (7) dapat diketahui bahwa gram monomer yang bereaksi sama dengan gram polimer yang terbentuk sehingga persamaan (8) menunjukkan bahwa yield sama dengan konversi. Prosedur Percobaan Dilarutkan styrene dengan air, dilarutkan polivinil alkohol dalam air dan dipanaskan pada suhu 80 oc, dicampurkan larutan styrene dan polivinil alcohol dengan ditambahkan sedikit benzoil peroksida, dilakukan polimerisasi pada suhu tertentu (90 oc). Penetapan suhu polimerisasi dilakukan pada percobaan pendahuluan, dipisahkan polimer yang terbentuk, pada selang waktu tertentu setelah proses polimerisasi dihentikan, dilakukan penimbangan massa polimer yang terbentuk, diukur diameter kristal yang terbentuk dengan mikrometer, diulangi langkah nomer 1-7 dengan memvariasikan waktu polimerisasi (4-6 jam) dan konsentrasi monomer awalnya (0,788 1,388 M), dilakukam perhitungan untuk mencari kondisi optimum dengan metode response surface, dikarakterisasi gugus fungsi polystyrene pada kondisi optimum dengan FTIR, dilakukan pengukuran berat molekul pada berbagai hasil polimerisasi secara random. Gambar Alat Percobaan : Menentukan setting untuk setiap faktor (2) Membuat rancangan percobaan Melakukan percobaan berdasarkan rancangan percobaan Melakukan pemodelan regresi dengan minitab Melakukan pengujian terhadap model regresi Menghitung kondisi optimum percobaan Gambar 2. Susunan Alat Percobaan Gambar 3. Prosedur Perhitungan Kondisi Optimum dengan Metode Response Surface 11

5 Pengujian Serentak Pengujian Individu Pengujian Lack of Fit Pengujian Asumsi pada Error Pengujian Identik Pengujian Independen Gambar 4. Prosedur Pengujian terhadap Model Regresi HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN Kondisi percobaan : Suhu Polimerisasi : 90 oc Ketinggian Pengaduk : 1/3 dari ketinggian larutan Kecepatan Putaran Pengaduk selama Pemanasan : 500 rpm Kecepatan Putaran Pengaduk selama Pendinginan : 500 rpm Volume Total Larutan : 330 ml Massa Benzoil Peroksida : 0.5 gram Massa Polivinil Alkohol : 0.5 gram Kondisi Pendinginan : mendadak, Tpendingin = 3-5 oc, t = 30 menit 12 Pengujian Distribusi Normal

6 Sintesis Styrene, Suseno, Ariestanti, Devi P., Santoso 13

7 14

8 Sintesis Styrene, Suseno, Ariestanti, Devi P., Santoso Model regresi yang didapat adalah : Y1 = 92,2876 1,0737 B + 1,532B2 Y2 = 3, ,0064 A + 0,232 A2 dimana : Y1 : yield, Y2 : diameter kristal polimer A : konsentrasi monomer B : waktu polimerisasi t (jam) Yield (%) Diameter (mm) 4 99,895 3, ,279 3, ,394 3,563 Tabel 3. Pengaruh Waktu Polimerisasi (jam) terhadap Yield dan Diameter Kristal pada Konsentrasi Monomer 1,088 M [S] (M) Yield (%) Diameter (mm) 0,788 90,707 2,276 1,088 92,279 3,446 1,388 95,481 5,488 Tabel 4. Pengaruh Konsentrasi Monomer (M) terhadap Yield dan Diameter Kristal pada Waktu Polimerisasi 5 jam 15

9 6 5 Dia me 4 ter (m m) ,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5 Konsentrasi Monomer (M) Gambar 5. Hubungan Diameter Kristal Terhadap Konsentrasi Monomer 0.3 y = x R = viskositas y = x R = konsentrasi (%) Gambar 6. Hubungan viskositas intrinsik terhadap konsentrasi pada massa 41,1863 gram polystyrene Berat molekul dihitung sebagai berikut : Viskositas intrinsic, k.m v dimana : k = 9, dl/g; a = 0,65 Berat molekul polystyrene pada massa 41,1863 gram Dari gambar 4. diperoleh viskositas intrinsik [ ] = 0,1394 maka berat molekul polistyren : 0,1504 = 9, M v0,65 Mv = ,92 a PEMBAHASAN Dari percobaan pendahuluan diperoleh bahwa polimerisasi suspensi styrene menjadi polystyrene terjadi pada suhu 90 oc. Pada suhu di bawah 90 oc menghasilkan polystyrene dengan bentuk dan ukuran kristal yang tidak seragam, dan membutuhkan waktu polimerisasi yang lebih lama dibandingkan polimerisasi pada suhu 90 oc. Pada 16 suhu di atas 100 oc diperoleh polystyrene dengan bentuk dan ukuran kristal yang tidak seragam serta berwarna kuning keruh. Hal ini disebabkan karena pelarut (air) mendidih pada suhu 100 oc sehingga menyebabkan polystyrene yang dihasilkan mempunyai rongga. Dari penurunan model kinetika orde satu menunjukkan bahwa konsentrasi monomer awal tidak berpengaruh terhadap yield. Kecenderungan ini sesuai dengan data hasil penelitian dan juga didukung oleh hasil pengolahan data statistik. Dari tabel 3 ditunjukkan bahwa waktu polimerisasi seolah-olah berpengaruh terhadap bentuk dan ukuran kristal maupun terhadap yield, sedangkan dalam perhitungan dengan statistika menunjukkan bahwa waktu polimerisasi hanya berpengaruh pada yield saja sedangkan terhadap ukuran dan diameter kristal tidak ada pengaruhnya. Hal ini disebabkan karena pada tabel 3, konsentrasi monomer dianggap

10 Sintesis Styrene, Suseno, Ariestanti, Devi P., Santoso tetap sedangkan antara konsentrasi monomer dan waktu polimerisasi saling berpengaruh sehingga tidak bisa salah satunya dianggap tetap. Dari tabel 4, menunjukkan pada waktu polimerisasi yang sama, semakin besar konsentrasi maka yield dan bentuk kristal cenderung makin besar. Hal ini bertentangan dengan hasil perhitungan dengan statistika. Sedangkan pada perhitungan dengan statistika menunjukkan bahwa konsentrasi monomer hanya berpengaruh pada ukuran dan diameter kristal saja sedangkan untuk yield tidak ada pengaruhnya. Hal ini disebabkan karena pada tabel 4 waktu polimerisasi dianggap tetap sedangkan antara konsentrasi monomer dan waktu polimerisasi saling berpengaruh sehingga tidak bisa salah satunya dianggap tetap. Dari gambar 5 dapat dilihat bahwa semakin besar konsentrasi monomer juga menyebabkan ukuran kristal semakin besar karena dengan bertambahnya konsentrasi monomer maka larutan akan semakin pekat sehingga membutuhkan kecepatan pengadukan yang semakin besar. Tetapi dalam penelitian ini kecepatan pengadukan ditetapkan sebesar 500 rpm sehingga ukuran kristal juga semakin besar. Dari hasil FTIR dapat diketahui bahwa produk yang dihasilkan dari penelitian adalah polystyrene karena pada panjang gelombang cm-1 dan panjang gelombang cm-1 menunjukkan karakteristik dari polystyrene (bentuk beads) Dalam penelitian ini diperoleh dua kondisi optimum berdasarkan perhitungan stastistik dengan metode response surface, yang pertama adalah kondisi optimum yang dibatasi oleh ukuran kristal ( 2 mm). Kondisi optimum ini diperoleh di sekitar konsentrasi monomer 1,034 M dan pada waktu polimerisasi 4 jam. Hal ini dikarenakan pada kondisi optimum tersebut, bentuk dan ukuran kristal seragam dan sesuai dengan polystyrene yang diproduksi di industri. Sedangkan kondisi optimum yang kedua adalah kondisi optimum yang tidak dibatasi oleh ukuran kristal. Kondisi optimum ini diperoleh pada konsentrasi monomer terbesar dalam penelitian ini, yaitu pada waktu polimerisasi tersingkat, 4 jam. Hal ini dikarenakan pada waktu polimerisasi 4 jam mempunyai yield yang terbesar 99,89%, dengan bentuk dan ukuran juga seragam tetapi ukurannya tidak sesuai dengan ukuran polystyrene yang diproduksi di industri. Kesesuaian antara pengaruh variabel proses (konsentrasi monomer dan waktu polimerisasi ) terhadap yield dibandingkan terhadap tinjauan secara teoritis melalui pendekatan kinetika adalah sebagai berikut; jika ditinjau dari pengaruh konsentrasi monomer, model ini sesuai dengan permodelan kinetika orde satu tetapi jika ditinjau dari pengaruh waktu polimerisasi model ini bertentangan. Hal ini disebabkan kemungkinan penggunaan metode untuk mendapatkan yield kurang tepat jika digunakan metode gravimetri. Pada metode gravimetri digunakan cara penimbangan massa polimer untuk mendapatkan besarnya yield, sedangkan massa polimer yang terbentuk dari hasil polimerisasi secara keseluruhan. tidak dapat diperoleh mengingat adanya sebagian polystyrene yang menempel pada pengaduk dan reaktor. Polystyrene yang terbentuk pada kondisi optimum mempunyai berat molekul pada range antara seperti ditunjukkan pada perhitungan viskositas intrinsik dari gambar 6. KESIMPULAN Dari penelitian yang telah dilakukan, diperoleh kesimpulan sebagai berikut : 1. Dalam penelitian ini suhu polimerisasi ditentukan pada 90oC, karena pada suhu selain 90 oc bentuk dan ukuran kristal tidak seragam. 2. Waktu polimerisasi pengaruhnya tidak terlalu besar terhadap bentukkristal. 3. Konsentrasi monomer awal tidak berpengaruh pada yield tetapi berpengaruh terhadap bentuk dan ukuran kristal.. 4. Dari hasil FTIR dapat diketahui bahwa produk yang dihasilkan dari penelitian adalah polystyrene karena pada panjang gelombang cm1 merupakan karakteristik polystyrene dengan gugus fungsi aromatic C-H. 5. Polimerisasi styrene juga dipengaruhi oleh kecepatan pengadukan untuk menghasilkan ukuran dan bentuk kristal yang seragam. 6. Hasil pengolahan data statistik menunjukkan bahwa : - Untuk ukuran kristal tertentu ( 2 mm) : Kondisi optimum ini diperoleh di sekitar konsentrasi monomer 1,034 N dan pada waktu polimerisasi 4 jam. - Jika tidak dilakukan pembatasan terhadap ukuran kristal kondisi optimum ini diperoleh pada waktu polimerisasi 4 jam. 7. Berat molekul dari polimer yang terbentuk adalah

11 DAFTAR NOTASI [S] = konsentrasi styrene, M.P. Stevens Kimia Polimer, Cetakan pertama. Jakarta : Pradnya Paramita. mol L A = bilangan Avogadro = 6, radikal mol radikal [ ] = viskositas intrinsik (deciliter/gram) A = konsentrasi monomer, (M) Ad = faktor tumbukan Ap = faktor tumbukan B = waktu polimerisasi, (jam) e1 = error untuk yield e2 = error untuk diameter kristal Ed = energi aktivasi reaksi individual Ep = energi aktivasi reaksi individual f = efisiensi inisiator Hpengaduk = ketinggian pengaduk, cm kd = konstanta laju inisiator dissosiasi Kec putar = kecepatan putar pengaduk, rpm kp = konstanta laju propagasi Mn : berat molekul polimer Mo : berat molekul monomer Np = jumlah partikel per unit volume fasa cair R = konstanta untuk gas T = suhu polimerisasi, oc t = waktu polimerisasi, jam Tpendingin = suhu pendinginan, oc vi = kecepatan inisiasi vp = kecepatan propagasi VTot larutan = volume total larutan, ml DAFTAR PUSTAKA B J Mc Grattan, R A Spragg and H M Wilson Perkin Elmer NEWS & REVIEW, Practical considerations for FT-IR measurements in solid phase synthesis. Beaconsfield, HP9 1QA, England, Perkin-Elmer; volume4/edition1/section1.htm Hunter, W.G Statistics for Experimenters. New York : John Willey & Sons. Kirk Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, 3 th ed, John Willey & Sons. Mc Ketta, John J.1976.Encyclopedia of Chemical Processing and Design, vol. 18, Executive Editor, Marcel Dekker Inc. 18 Myers, R.H Response Surface Methodology, Library of Congress Catalog Card, , United States of America. Odian, G Principles of Polymerization, 2 nd ed. New York : John Willey & Sons. Rodriguez, Ferdinand Principles of Polymer System, 2 nd edition, International Student Edition. Mc Graw-Hill International Book Company. Rosen, S.L Fundamental Principles of Polymeric Materials, 2 nd edition. New York : John Willey & Sons Inc. Shi-Yow in, Chong-Shyan Chern, Tien Jung Hsu, I.Capek Emulsion Polymerization of Styrene:double emulsion effect, Journal Polymer, 42, Young, R.J., Lovel, P.A Introduction to Polymers, 2 nd edition, Chapman & Hall.