4 Hasil dan pembahasan

Transkripsi

1 4 Hasil dan pembahasan 4.1 Sintesis dan Pemurnian Polistiren Pada percobaan ini, polistiren dihasilkan dari polimerisasi adisi melalui reaksi radikal dengan inisiator benzoil peroksida (BPO). Sintesis dilakukan pada reaktor polimerisasi dalam kondisi vakum karena kehadiran udara dan uap air dapat mengganggu proses polimerisasi. Udara (oksigen) dapat bereaksi dengan inisiator benzoil peroksida sehingga kinerja benzoil peroksida sebagai inisiator polimerisasi terhambat. Uap air dapat menyebabkan ketidakmurnian dari polimer yang dihasilkan (Rohandi, 2006). Kondisi polimerisasi sangat mempengaruhi rendemen polimer yang dihasilkan. Semakin besar derajat polimerisasi dan semakin lama waktu polimerisasi akan menghasilkan rendemen polimer yang tinggi. Pada penelitian sebelumnya (Rohandi, 2006), sintesis polistiren dengan derajat polimerisasi sebesar 500 (DP n 500) yang dilakukan selama 16 jam dapat menghasilkan rendemen polistiren sebesar 90%. Pada penelitian ini dilakukan sintesis polistiren dengan kondisi yang sama dengan sebelumnya dan menghasilkan rendemen masing-masing sebesar 89,51% dan 88,88%. Polistiren hasil reaksi masih mungkin mengandung pengotor. Proses pemurnian polistiren dilakukan dengan melarutkannya dalam kloroform, kemudian diendapkan dalam metanol. Proses pelarutan dibantu dengan pengadukan menggunakan magnetic stirrer karena polimer tidak dapat melarut dengan cepat. Setelah disaring dan digerus, polistiren murni dihasilkan dalam bentuk bubuk Analisis derajat kristalinitas Reaksi polimerisasi adisi yang terjadi pada percobaan ini berlangsung melalui mekanisme radikal bebas yang bersifat acak atau tidak teratur. Polistiren yang dihasilkan cenderung memiliki struktur ataktik sehingga polistiren bersifat amorf. Kecenderungan tersebut dibuktikan dengan data difraktogram X-Ray Diffraction (XRD) pada Gambar

2 Berdasarkan data difraktogram XRD dilakukan penentuan derajat kristalinitas. Polistiren hasil sintesis memiliki derajat kristalinitas di bawah 50 % yang berarti polistiren tersebut cenderung bersifat amorf Intensitas θ Gambar 4.1 Difraktogram XRD untuk polistiren hasil sintesis Analisis gugus fungsi Polistiren mempunyai serapan yang khas yaitu puncak ulur =C-H aromatik pada daerah bilangan gelombang cm -1, puncak ulur cincin benzen pada daerah bilangan gelombang cm -1 dan puncak ulur benzen monosubstitusi pada daerah bilangan gelombang cm -1. Dalam spektrum terdapat juga puncak pada bilangan gelombang 3024,38 cm -1 yang berkaitan dengan vibrasi ulur C-H aromatik dan puncak pada bilangan gelombang 1600,92 cm -1 yang berkaitan dengan puncak ulur cincin benzen; puncak pada bilangan gelombang 754,17 cm -1 yang berkaitan dengan puncak ulur benzen monosubstitusi. Selain itu terdapat pula puncak pada 2922,16 cm -1 yang berkaitan dengan puncak ulur C-H. Puncak tersebut berasal dari ikatan C-H pada rantai utama polistiren. Seluruh data menunjukkan adanya kesesuaian antara spektrum polistiren yang dihasilkan dengan data literatur. 29

3 Polistiren 90 %T %T Polistiren cm /cm Gambar 4.2 Spektrum FTIR untuk polistiren hasil sintesis 4.2 Modifikasi Polistiren Polistiren dimodifikasi dengan penambahan asam sulfat dan asam nitrat pekat. Penambahan asam sulfat berfungsi untuk memberikan suasana asam sedangkan asam nitrat berfungsi sebagai donor gugus fungsi NO 2. Keberadaan gugus NO 2 menyebabkan polistiren ternitrasi, sehingga bersifat polar. Hasil akhir reaksinya akan berupa polistiren ternitrasi (PSn) yang berwarna kuning. Mekanisme reaksi yang terjadi: 30

4 Gambar 4.3 Mekanisme nitrasi polistiren pada posisi orto Pada Gambar 4.3, gugus NO 2 terikat pada cincin benzena dalam posisi orto. Namun gugus NO 2 tersebut juga dapat terikat dalam cincin benzena dalam posisi para karena terdapat gugus pengarah orto dan para (gugus alkil). Reaksi substitusi gugus nitro yang lebih disukai adalah substitusi pada posisi para karena rintangan steriknya lebih rendah dibandingkan substitusi pada posisi orto. Mekanisme reaksi substitusi gugus nitro pada posisi para adalah: Gambar 4.4 Mekanisme nitrasi polistiren pada posisi para 31

5 Gugus alkil yang terikat pada benzen tidak mempunyai pasangan elektron bebas tapi gugus alkil dapat melepaskan elektronnya ke dalam cincin benzen. Cincin benzen akan memiliki rapat elektron yang lebih tinggi sehingga dapat menarik elektrofil (Fessenden, 1986) Analisis gugus fungsi Polistiren ternitrasi menghasilkan spektrum yang mirip dengan polistiren murni tetapi tidak memiliki puncak benzen monosubstitusi. Perbedaan yang terlihat antara polistiren ternitrasi dengan polistiren murni adalah munculnya puncak pada bilangan gelombang 1517,98 cm -1 yang berkaitan dengan puncak gugus NO 2 ; puncak pada bilangan gelombang 862,64 cm -1 yang berkaitan dengan energi vibrasi benzen disubstitusi pada posisi para; dan puncak pada bilangan gelombang 746,45 cm -1 yang berkaitan dengan vibrasi benzen disubstitusi pada posisi orto. Intensitas puncak benzen yang disubstitusi pada posisi orto sangat lemah. Hal ini disebabkan polistiren ternitrasi pada posisi orto merupakan produk minoritas. Produk ini sulit terbentuk akibat adanya efek halangan sterik yang besar. 100 %T %T Polistiren nitr asi cm /cm Gambar 4.5 Spektrum FTIR untuk polistiren ternitrasi 32

6 4.3 Isolasi Pati Tapioka Proses pemisahan pati dari kandungan lain di dalam singkong merupakan proses yang sederhana. Adapun hal hal yang harus diperhatikan selama proses isolasi adalah proses pemanasan dan pengambilan susu pati. Pemanasan dilakukan dengan bantuan cahaya matahari atau sekitar suhu 30 0 C. Pemanasan dengan suhu yang terlalu tinggi dapat menyebabkan pati rusak. Proses pengambilan sari pati (susu pati) juga harus cepat dilaksanakan tepat saat singkong selesai diparut. Hal ini disebabkan pati rentan terhadap mikroorganisme. Pada penelitian ini dilakukan dua kali proses isolasi pati dan menghasilkan rendemen masing masing sebesar 27,97% dan 24,79% Analisis gugus fungsi Pati bukanlah senyawa murni melainkan campuran dari beberapa komponen seperti amilosa, amilopektin, dan asam lemak. Oleh karena itu, pati menghasilkan spektrum dengan puncak puncak yang saling bertumpuk. Spektrum pati dapat dilihat pada Gambar Pati Tapioka %T %T Pati cm /cm Gambar 4.6 Spektrum FTIR untuk pati tapioka 33

7 Komponen utama pati yaitu amilosa dan amilopektin merupakan polimer dari glukosa sehingga salah satu karakteristik pati yang paling menonjol adalah munculnya puncak OH intermolekular pada bilangan gelombang 3387,00 cm -1. Puncaknya melebar karena adanya ikatan hidrogen intermolekular yang kuat. Karakteristik pati lainnya adalah puncak ulur C-O pada bilangan gelombang 1082,07 cm -1 ; dan puncak ulur C-H pada bilangan gelombang 1415,75 cm Blending Polistiren dengan Pati Tapioka Pada penelitian ini metoda blending yang digunakan adalah metoda pelelehan. Penambahan polistiren ternitrasi ke dalam poliblend polistiren-pati bertujuan untuk membuat poliblend lebih homogen. Walaupun telah ditambahkan polistiren ternitrasi ternyata film poliblend masih kurang homogen. Film poliblend yang didapat menunjukkan bagian pati yang tidak bercampur dengan polistiren sehingga warna film tidak transparan Analisis gugus fungsi Analisis gugus fungsi dilakukan dengan alat FTIR. Tujuannya adalah untuk memastikan kesesuaian spektrum poliblend yang dihasilkan dengan spektrum komponen penyusunnya. Poliblend menghasilkan spektrum berupa gabungan puncak puncak vibrasi dari polistiren, polistiren ternitrasi, dan pati. Salah satu contohnya adalah poliblend dengan perbandingan PS:Pati:PS ternitrasi sebesar 73:25:2. Spektrumnya dapat dilihat pada gambar 4.7 sedangkan poliblend lain dapat dilihat dalam lampiran A. Pada spektrum poliblend ini muncul puncak vibrasi -OH intermolekular dari pati pada 3444,87 cm -1 ; puncak vibrasi NO 2 dari polistiren ternitrasi pada 1539,20 cm -1 ; dan puncak ulur cincin benzen dari polistiren pada 1600,92 cm -1. Nilai panjang gelombang baik dari poliblend maupun komponen penyusunnya dapat dilihat pada Tabel

8 10 5 %T %T Bland cm /cm Gambar 4.7 Spektrum FTIR untuk poliblend PS: Pati: PS ternitrasi komposisi 73:25:2 Tabel 4.1 Data FTIR poliblend Bilangan gelombang (cm -1 ) PS Pati PSn 90:10:0 88:10:2 73:25:2 Keterangan 754,17 700,16 Ulur benzen 746,45 756,10 750,31 monosubstitusi 862,64 906,54 906,54 Benzen disubstitusi 1082, , , ,56 Ulur C-O 1415, , , ,68 Ulur C-H 1517, , ,20 NO , , , , ,92 Ulur cincin benzen 2922, , , , ,16 C-H alifatik 3024, , , , , ,10 C-H aromatik 3387, , , ,87 -OH intermolekular 35

9 Perbedaan jumlah pati dalam poliblend dapat dibedakan melalui spektrum yang dihasilkan. Caranya adalah membandingkan tinggi persen transmitans dari puncak vibrasi OH intermolekular, yang mewakili pati, dengan tinggi persen transmitans dari puncak ulur cincin benzen, yang mewakili polistiren. Kedua puncak yang dibandingkan tersebut berada dalam sebuah spektrum yang sama. Poliblend dengan kandungan pati lebih banyak akan menghasilkan perbandingan tinggi puncak yang kecil. Tinggi persen transmitans dari puncak vibrasi OH intermolekular dan puncak ulur cincin benzen yang ada dalam spektrum polibend polistiren : pati : polistiren ternitrasi dengan perbandingan 88:10:2 adalah 103 % dan 54 %; sedangkan poliblend dengan perbandingan 73:25:2 adalah 99 % dan 81 % cm. Berdasarkan data tersebut terbukti bahwa poliblend dengan kandungan pati 25 % memiliki perbandingan tinggi persen transmitans dari puncak vibrasi OH intermolekular terhadap puncak ulur cincin benzen yang lebih kecil daripada poliblend dengan kandungan pati 10 %. Hasil spektrum IR poliblend juga menunjukkan bahwa tidak terdapat gugus fungsi dengan ikatan kovalen yang baru. Oleh karena itu antaraksi yang terjadi dalam poliblend adalah antaraksi fisik Analisis termal Pada penelitian ini dilakukan analisis sifat termal dengan menggunakan alat TG/DTA. Data yang terdapat di dalam termogram polistiren dan poliblend diantaranya adalah suhu dekomposisi dan penurunan persen massa. Kemudian suhu dekomposisi dan penurunan persen massa yang tercantum dalam suatu komposisi poliblend dibandingkan dengan komposisi poliblend lainnya. Termogram polistiren dapat dilihat pada Gambar

10 sec C 98.5 % DTG %/min -25 DTA UV C 41.7 % 47.5 TG % DTG DTA TG PS Temperatur Pemanasan C -0.9 % C -1.0 % Gambar 4.8 Termogram TGA/DTA untuk polistiren hasil sintesis Termogram DTA yang berwarna hijau menunjukkan titik leleh (T m ) atau titik transisi gelas (T g ) suatu polimer. Namun pada termogram DTA polistiren tidak ditemukan adanya titik leleh. Oleh karena itu dapat disimpulkan bahwa polistiren yang disintesis bersifat amorf. Polistiren hanya mengalami satu tahap dekomposisi. Proses dekomposisi diawali pada suhu 343,0 0 C dan berakhir pada suhu 450,0 0 C. Poliblend polistiren dan pati menghasilkan termogram dengan dua buah tahapan dekomposisi. Tahapan pertama adalah dekomposisi pati kemudian dilanjutkan dengan dekomposisi polistiren. Sebelum dekomposisi pati dimulai telah terjadi pengurangan persen berat. Massa yang hilang tersebut berasal dari ketidakmurnian dalam pati. Pati dapat langsung terdekomposisi pada suhu tinggi karena pati memiliki banyak gugus hidroksil yang dapat saling berikatan melalui ikatan hidrogen. Ikatan hidrogen akan rusak bila diberikan energi yang besar. 37

11 Termogram poliblend dengan komposisi polistiren: pati: polistiren ternitrasi sebesar 90:10:0; 88:10:2; dan 73:25:2 dapat dilihat dalam Lampiran B. Gabungan termogram untuk ketiga komposisi poliblend tersebut dapat dilihat pada Gambar sec C C 89.3 % 97.5 % C 95.9 % C 96.5 % C 88.0 % C 88.2 % DTG %/min -25 DTA UV TG % DTG DTA TG PS-PATI PS:Pati:PS ternitrasi 88:10:2 PS:Pati:PS ternitrasi 73:25: C 3.6 % C -0.9 % C 4.8 % Temperatur pemanasan Gambar 4.9 Termogram TGA/DTA 38

12 Termogram poliblend tidak menunjukkan perubahan suhu dekomposisi yang berarti. Hasil analisis suhu dekomposisi dapat dilihat pada Tabel 4.2. Tabel 4.2 Suhu dekomposisi pati dan polistiren dalam poliblend PS:PS:Pati T d Pati ( 0 C) T d PS ( 0 C) 100:0:0-343,0-450,0 90:10:0 267,4 362,8 362,8 458,2 88:10:2 256,9 359,2 359,2 457,0 73:25:2 259,2 353,4 353,4 460,5 Polistiren hasil sintesis mulai terdekomposisi pada suhu 343,0 0 C sedangkan dalam poliblend, polistiren mulai terdekomposisi pada suhu di atas C. Hal ini menunjukkan bahwa pati dalam poliblend membuat stabilitas termal polistiren meningkat. Pati yang masuk ke dalam fasa polistiren menyebabkan struktur polistiren lebih teratur dan sulit terdekomposisi. Penambahan polistiren ternitrasi juga mempengaruhi stabilitas termal polistiren. Polistiren ternitrasi menyebabkan antaraksi polistiren dengan pati meningkat sehingga semakin banyak pati yang masuk ke dalam fasa polistiren. Pati yang tersisa lebih sedikit dan lebih cepat terdekomposisi. Akibatnya dekomposisi polistiren dimulai lebih cepat dibandingkan dekomposisi polistiren pada poliblend tanpa tambahan polistiren ternitrasi. Pergeseran suhu dekomposisi ini tidak terlalu jauh berbeda. Pengaruh komposisi pati terhadap persen kehilangan massa dapat dilihat pada Tabel 4.3. Tabel 4.3 Persen kehilangan massa selama TGA PS:PSn:Pati % pati dalam poliblend (saat awal pencampuran) % PS dalam poliblend (saat awal pencampuran) % pati yang terdekomposisi (hasil analisis TGA) % PS yang terdekomposisi (hasil analisis TGA) 90:10: :10: (dengan PSn) :25: (dengan PSn) 15,9 75,2 Data dalam tabel menunjukkan kesesuaian data antara komposisi awal dengan komposisi berdasarkan perhitungan kehilangan berat. 39

13 4.4.3 Sifat mekanik Sebuah polimer dituntut untuk memiliki sifat mekanik tertentu sesuai dengan aplikasi yang diinginkan. Sifat mekanik umumnya dinyatakan dalam kuat putus (tensile strength, tegangan, σ), perpanjangan (regangan, ε), dan modulus Young (E). Sifat mekanik dapat dilihat pada Tabel 4.4. Tabel 4.4 Sifat mekanik Kode PS:Pati:PSn σ(mpa) ε (%) E(MPa) PS 100: 0 : PS-Pati 90:10: : 2 : :10: :15: :20: :25: :30: Pada penelitian ini, poliblend diharapkan memiliki sifat mekanik seperti polistiren. Namun hasil analisis menunjukkan bahwa sifat mekanik poliblend baik kuat putus maupun perpanjangan menurun seiring bertambahnya kandungan pati di dalam poliblend. Hal ini berkaitan dengan sifat pati yang kristalin dan getas. Semakin banyak kandungan pati dalam poliblend, sifat poliblend akan cenderung mengikuti sifat pati. Hal tersebut ditunjukkan melalui penurunan nilai kuat putus dan perpanjangan poliblend. Secara keseluruhan, kuat putus poliblend cenderung turun seiring pertambahan komposisi pati. Kuat putus paling baik dimiliki poliblend dengan komposisi 2 yaitu polistiren: pati: polistiren ternitrasi sebesar 88:10:2. Pada komposisi ini antaraksi antara polistiren dan pati merupakan yang paling baik dibandingkan komposisi poliblend lainnya. Hal ini berarti jumlah pati yang ditambahkan dapat mengisi bagian amorf polistiren dengan baik. Selain itu, kuat putus juga dipengaruhi oleh penambahan polistiren ternitrasi. Poliblend dengan penambahan polistiren ternitrasi memiliki kuat putus lebih tinggi daripada yang tanpa penambahan. Hal ini terlihat pada poliblend polistiren:pati (90:10) dan poliblend komposisi 40

14 2 yang sama sama memiliki kandungan pati sebesar 10%. Kurva kuat putus dari poliblend dapat dilihat dari Gambar ,03 0,025 Kuat putus (MPa) 0,02 0,015 0,01 0,005 0 PS PS-Pati Komposisi Gambar 4.10 Kurva kuat putus poliblend dan polistiren Perpanjangan poliblend tidak menunjukkan perbedaan yang berarti seiring dengan pertambahan komposisi pati. Kurva perpanjangan poliblend dapat dilihat pada Gambar Poliblend komposisi 3 memiliki perpanjangan paling mendekati polistiren sedangkan poliblend polistiren:pati 90:10 memiliki perpanjangan yang paling rendah. Perpanjangan poliblend dengan penambahan polistiren ternitrasi menunjukkan hasil yang lebih tinggi daripada yang tanpa penambahan. Hal ini berarti polistiren ternitrasi telah menjalankan fungsinya sebagai jembatan antara polistiren dan pati sehingga produk poliblend lebih kompatibel. Berdasarkan kuat putus dan perpanjangannya, komposisi 2 merupakan poliblend dengan sifat mekanik paling baik. 1,4 1,2 Perpanjangan (%) 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 PS PS-Pati Komposisi Gambar 4.11 Kurva perpanjangan poliblend dan polistiren 41

15 4.4.4 Analisis kristalinitas Analisis kristalinitas dengan XRD hanya dilakukan pada poliblend dengan komposisi polistiren: pati: polistiren ternitrasi sebesar 90:10:0; 88:10:2; dan 73:25:2. Difraktogram untuk poliblend yang mengandung polistiren ternitrasi dapat dilihat pada gambar 4.12 dan Gambar Difraktogram komposisi poliblend lainnya dapat dilihat dalam Lampiran E. Gambar 4.12 Difraktogram poliblend PS:Pati:PS ternitrasi dengan komposisi 88:10:2 Gambar 4.13 Difraktogram poliblend PS:Pati:PS ternitrasi dengan komposisi 73:25:2 42

16 Nilai derajat kristalinitas baik polistiren murni maupun poliblend hasil sintesis berada di bawah 50% yaitu untuk polistiren bernilai 48,6%; untuk poliblend dengan komposisi PS : Pati sebesar 90 : 10 bernilai 44,2%; untuk poliblend dengan komposisi PS : Pati : PS ternitrasi sebesar 88 : 10 : 2 bernilai 40,3%; dan poliblend dengan komposisi PS : Pati : PS ternitrasi sebesar 73 : 25 : 2 bernilai 47,3%. Nilai derajat kristalinitas di bawah 50% menunjukkan bahwa polimer hasil sintesis cenderung bersifat amorf. Pengaruh pati dalam poliblend dilihat berdasarkan difraktogram poliblend dengan komposisi polistiren: pati: polistiren ternitrasi sebesar 88:10:2 dan 73:25:2. Hasil perbandingan luas daerah kristalin terhadap luas daerah keseluruhan memperlihatkan adanya kenaikan daerah kristalin walaupun tidak signifikan. Kenaikan tersebut dipengaruhi oleh banyaknya kandungan pati di dalam poliblend dan. sifat pati yang cenderung lebih kristalin dibandingkan polistiren. Semakin banyak jumlah pati dalam poliblend, semakin besar sumbangan sifat pati terhadap sifat poliblend. Poliblend dengan kandungan pati yang tinggi akan memiliki derajat kristalinitas yang lebih tinggi dibandingkan poliblend dengan kandungan pati lebih rendah. Adapun pengaruh kristalinitas antara poliblend dengan dan tanpa penambahan polistiren ternitrasi tidak menunjukkan perbedaan yang signifikan sehingga perlu dianalisis lebih lanjut Analisis sifat permukaan Analisis sifat permukaan dilakukan menggunakan mikroskop optik dengan perbesaran 400 kali. Keseluruhan hasilnya dapat dilihat dalam Lampiran. Hasil foto polistiren, poliblend dengan dan tanpa penambahan polistiren ternitrasi dapat dilihat pada Gambar (a) (b) 43

17 (c) (d) Gambar 4.14 Mikrograf a) polistiren, b) poliblend PS:Pati dengan komposisi 90:10, c) poliblend PS:Pati:PS ternitrasi dengan komposisi 88:10:2, d) poliblend PS:Pati:PS ternitrasi dengan komposisi 73:25:2 Mikrograf polistiren menunjukkan permukaan yang halus dan tidak berpori. Mikrograf poliblend menunjukkan permukaan yang berpori. Hal ini disebabkan perbedaan kepolaran polistiren dan pati serta ukuran molekul pati. Polistiren bersifat non polar sedangkan pati bersifat polar. Antaraksi yang terjadi antara kedua bahan tersebut rendah sehingga menghasilkan poliblend yang tidak merata. Pati juga termasuk molekul berukuran besar. Akibatnya hanya sebagian kecil pati yang dapat mengisi bagian amorf polistiren. Perubahan permukaan poliblend dipengaruhi oleh peningkatan komposisi pati dan penambahan polistiren ternitrasi dalam poliblend. Peningkatan komposisi pati menyebabkan permukaan poliblend semakin berpori. Poliblend dengan komposisi pati rendah yaitu 96:2:2 dan 88:10:2 memiliki permukaan yang paling mendekati permukaan polistiren. Penambahan polistiren ternitrasi dalam poliblend menghasilkan mikrograf yang lebih halus daripada poliblend tanpa polistiren ternitrasi. Hal ini terlihat pada mikrograf komposisi polistiren: pati: polistiren ternitrasi sebesar 90:10:0 dan 88:10:2. Polistiren ternitrasi dapat meningkatkan antaraksi antara polistiren dan pati karena memiliki gugus non polar maupun gugus polar. Hasil analisis permukaan ini mempertegas hasil analisis termal dan analisis mekanik. Mikrograf poliblend menunjukkan adanya pencampuran antara fasa pati dan fasa polistiren. Hal ini sesuai dengan hasil analisis termal dimana polistiren yang mengandung pati lebih sulit terdekomposisi dibandingkan polistiren murni. Hasil permukaan juga memperlihatkan bahwa poliblend dengan penambahan polistiren ternitrasi lebih homogen dibandingkan poliblend tanpa penambahan polistiren ternitrasi pada komposisi pati yang sama (pati 10%). Kehomogenan polimer akan mempengaruhi sifat mekaniknya. Berdasarkan perbandingan mikrograf poliblend, poliblend PS: Pati: PS ternitrasi dengan perbandingan 88: 10: 2 44

18 merupakan poliblend yang homogen. Poliblend dengan komposisi ini juga memiliki sifat mekanik yang lebih baik dibandingkan poliblend dengan komposisi lainnya. 45