BAB I PENGANTAR A. Latar Belakang Sektor industri termasuk industri kimia di dalamnya, dewasa ini mengalami pertumbuhan yang sangat pesat seiring dengan meningkatnya kebutuhan hidup manusia, baik dari segi kualitas maupun kuantitas. Dengan demikian sektor industri perlu mendapatkan perhatian yang lebih karena merupakan pendukung bagi perkembangan perekonomian lainnya. Salah satu bahan yang paling banyak digunakan dalam industri adalah polimer. Expanded polystyrene merupakan polimer plastik yang dapat digunakan untuk packaging, bahan insulasi, peredam ruangan, bahan dekorasi, stationary, dan design arsitektur. Sampai saat ini Indonesia masih mengimpor expanded polystyrene dalam jumlah yang cukup besar. Dengan adanya ketergantungan ini, maka perlu didirikan pabrik expanded polystyrene di dalam negeri. Pendirian pabrik ini akan mengurangi ketergantungan terhadap luar negeri dan menghemat devisa Negara. Selain itu, bahan bakunya styrene monomer tersedia dalam jumlah cukup besar di Indonesia. Sehingga, keberadaan pabrik expanded polystyrene ini akan memacu pertumbuhan industri lainnya dan meningkatkan pengembangan sumber daya manusia. B. Tinjauan Pustaka Styrene adalah senyawa turunan benzene dengan rumus kimia C 6 H 5 CH=CH 2. Sejauh ini styrene merupan senyawa penting dari kelompok monomer aromatik tak jenuh. Styrene digunakan secara luas dalam pembuatan plastic, termasuk crystalline polystyrene, rubber modified impact polystyrene, styrene butadiene rubber (SBR), acrylonitrile butadiene styrene (ABS), dan styrene acrylonitrile copolymer (SAN). Dalam industri, styrene sebagian besar diperoleh dari dehidrogenasi ethylbenzene (Kirk and Orthmer, 1978). Polimerisasi styrene merupakan polimerisasi adisi. Pada reaksi ini sifat khas yang membedakan dengan polimerisasi kondensasi adalah terbentuknya polimer dengan berat molekul tinggi dalam waktu yang relative singkat. Bagian radikla yang reaktif bereaksi dengan monomer dan tumbuh dengan cepat sehingga ukuran dan berat molekul bertambah. Pada prinsipnya, campuran terdiri dari monomer sisa, 1
polimer dengan berat molekul besar, dan rantai yang sedang tumbuh (Boudy and Boyer, 1952). Polimerisasi monomer styrene dapat dilakukan dengan bulk polymerization, solution polymerization, suspension polymerization dan emulsion polymerization. Berikut ini tinjauan dari proses-proses di atas : a. Bulk Polymerization (polimerisasi curah) Sistem dasar pada polimerisasi curah terdiri dari monomer murni. Polystyrene yang dihasilkan larut dalam styrene monomer sehingga kekentalan sistem akan meningkat seiring bertambahnya konversi dalam reaksi. Ada dua tipe polimerisasi curah yaitu batch dan continuous, dimana continuous saat ini lebih banyak digunakan. Pada tipe batch, reaktor yang berupa agitated vessels mempolimerisasi sampai konversi 80 %. Cairan hasil polimerisasi kemudian dipompa ke bagian batch finishing untuk polimerisasi akhir. Pada tipe continuous, cairan secara kontinyu diinjeksikan dari tangki penyimpan ke dalam reaktor. Umpan reaktor pertama ini mengandung 50 % massa monomer styrene, 100 ppm water, 2000 ppm boron trifluoride. Reaksi polimerisasi menghasilkan panas yang ditransfer keluar dari reaktor oleh mantel pendingin. Kisaran suhu reaksi antara 40-70 o C. Suhu juga dapat dikontrol dengan intermediate shell dan tube heat exchangers. Konversi reaksi mencapai 85 % massa polystyrene pada reaktor kedua. Keunggulan polimerisasi curah : 1. Karena hanya melibatkan monomer, inisiator, dan mungkin bahan pemindah rantai (chain-transfer agents), dengan polimerisasi ini dapat diperoleh polimer semurni mungkin. 2. Polimerisasi curah memberikan yield per volum reaktor paling besar. Kelemahan polimerisasi curah : 1. Kekentalannya yang tinggi dapat menimbulkan pengadukan sulit dilakukan dan pengambilan panas menjadi tidak sempurna, sehingga menyebabkan polimer diperoleh dalam distribusi berat molekul yang besar. 2. Proses sulit dikendalikan, harus dilaksanakan perlahan, dan secara ekonomis tidak menguntungkan. 3. Sulit menghilangkan sisa monomer yang tidak bereaksi. 2
b. Solution Polymerization (polimerisasi larutan) Dalam proses ini, monomer dilarutkan dalam pelarut yang cocok sebelum terjadi polimerisasi, misalnya dalam ethylbenzene. Pelarut dapat membantu mengurangi kekentalan massa reaksi dan melepaskan panas. Pelarut dapat meningkatkan kapasitas panas campuran reaksi tanpa memberikan kontribusi pada pembangkitan panas. Keunggulan polimerisasi larutan: 1. Pengendalian dan pemindahan panas lebih mudah. 2. Perancangan sistem reaktor akan lebih mudah, karena reaksi-reaksi yang terjadi mengikuti hubungan-hubungan kinetika yang telah dikenal. Kelemahan polimerisasi larutan : 1. Kemungkinan terjadinya pengalihan rantai kepada pelarut, yang menyebabkan pembentukan polimer dengan massa molekul lebih rendah. 2. Penggunaan pelarut akan menurunkan laju reaksi dan panjang rata-rata rantai, karena laju dan sekaligus panjang rata-rata rantai polimer sebanding dengan [M]. 3. Pelarut yang mahal, mudah terbakar, bahkan mungkin juga beracun, diperlukan dalam jumlah besar. 4. Pemisahan polimer dan recovery pelarut memerlukan teknologi ekstra. 5. Pemisahan sisa pelarut dan monomer sulit dilakukan. 6. Penggunaan pelarut inert dalam massa reaksi mengurangi yield per volum reaktor. c. Suspension polymerization (polimerisasi suspensi) Pada polimerisasi suspensi, monomer yang mengandung inisiator yang terlarut disebarkan dalam bentuk gelembung-gelembung cairan ke dalam fase cair. Pada umumnya digunakan air sebagai fase cairnya. Hal ini dilakukan dengan pengadukan cepat selama reaksi untuk menjaga tetesan monomer tetap terpisah dan menciptakan suspensi yang lebih seragam. Polimerisasi terjadi dalam gelembung-gelembung cair, dengan kata lain setiap gelembung cair secara efektif mengalami polimerisasi membentuk butiran polimer. Gelembunggelembung cair dijaga tetap terpisah dengan menambahkan sejumlah kecil zat pensuspensi seperti polivynil alkohol dan metal selullose. Polimerisasi dari monomer styrene terjadi pada kisaran suhu 90-95 o C. Suhu air sebesar 95 o C dan suhu monomer styrene 85 o C pada saat masuk 3
reaktor. Untuk mencegah terjadinya polimerisasi sebelum masuk reaktor, inisiator, suspending agent dan stabilizer tidak dipanaskan terlebih dahulu. Keunggulan polimerisasi suspensi : 1. Kemudahan pengambilan panas reaksi. 2. Polimer hasil yang terbentuk berupa butiran kecil sehingga mudah disimpan. Kelemahan polimerisasi suspensi : 1. Prosedurnya rumit dan perlu kehati-hatian dalam menjalankan proses polimerisasi. 2. Yield per volum reaktor rendah. 3. Polimer yang dihasilkan sedikit kurang murni dibandingkan dengan hasil polimerisasi curah, karena sisa-sisa bahan pensuspensi yang teradsorpsi di permukaan partikel. 4. Polimerisasi tidak dapat dilaksanakan secara kontinu. d. Emulsion Polymerization (polimerisasi emulsi) Polimerisasi emulsi dalam beberapa hal menyerupai polimerisasi suspensi, perbedaannya terletak pada penambahan sabun untuk memantapkan tetesan monomer. Sabun juga membentuk agregat molekul sabun atau misel. Misel ini merupakan pembentuk inti dari pembentukan polimer yang ukurannya sangat kecil. Saat terbentuk misel, bagian hidrofobik surfaktan akan berorientasi sejauh mungkin dari media air. Ukuran dari misel ini sekitar 4 nm. Misel ini melarutkan monomer dengan cara mengambil monomer ke dalam bagian misel. Inisiator yang larut dalam fase cair mendifusi ke dalam misel yang penuh dengan molekul-molekul monomer. Inisiator ini akan memicu terjadinya polimerisasi di dalam misel. Hal ini terjadi karena terdapat konsentrasi monomer yang tinggi dan rasio permukaan terhadap volume yang besar. Molekul polimer akan tumbuh dengan cara mengambil monomer berikutnya dari fase cair. Dengan cara ini polimer yang bermassa tinggi dapat terbentuk. Polimerisasi akan terus terjadi dan akan berhenti jika monomer yang tersedia telah habis atau adanya radikal bebas yang menghentikan rantai pengembangan polimerisasi. Selama proses polimerisasi berlangsung, stabilitas dijaga dengan penyerapan molekul surfaktan dari permukaan. 4
Keuntungan polimerisasi emulsi : 1. Pengendalian mudah yaitu viskositas massa reaksi jauh lebih kecil daripada larutan dengan konsentrasi yang sebanding, air menambah kapasitas panas, dan massa reaksi dapat direfluks. 2. Dengan menggunakan konsentrasi sabun yang tinggi dan konsentrasi monomer yang rendah, akan diperoleh laju polimerisasi dan panjang ratarata rantai yang tinggi. Kelemahan polimerisasi emulsi : 1. Sulit untuk memperoleh polimer yang murni. Permukaan partikel-partikel kecil yang sangat luas memberikan ruang yang sangat besar bagi zat-zat pengotor yang teradsorpsi meliputi penarikan air oleh sisa sabun, yang dalam jumlah kecil pun dapat menimbulkan masalah. 2. Air dalam massa reaksi menurunkan yield per volum reaktor. 3. Pemurnian hasil polimer sulit. Mekanisme polimerisasi adisi secara radikal terdiri dari tiga tahapan reaksi, yaitu : 1. Inisiasi Inisiasi merupakan langkah pembentukan radikal bebas. Radikal bebas ditunjukkan dengan fraksi molekul yang mengandung komponen aktif yang memungkinkan terjadinya reaksi selanjutnya. Reaksi inisiasi terdiri dari dua tahap, yaitu tahap disosiasi inisiator menjadi radikal bebas, dan tahap adisi dari radikal ke monomer. 2. Propagasi Reaksi ini ditandai dengan terbentuknya rantai ikatan, dimana radikal monomer dan radikal polimer menyerang dan menggandeng monomer-monomer lain. Radikal bebas diikat salah satu elektron dari ikatan rangkap monomer, sedangkan elektron yang lainnya menjadi radikal bebas yang baru, yang mempunyai kemampuan untuk melanjutkan reaksi. Pada tahap inilah rantai polimer terbentuk. 3. Terminasi Pertumbuhan rantai berlangsung hingga bagian aktif mati. Dua radikal bebas mungkin bertemu dan bergabung membentuk ikatan rangkap, karena terjadi transfer atom hidrogen (disproportionation). 5
Proses yang dipilih adalah proses polimerisasi suspensi karena lebih mudah dalam mengambil panas reaksi yang terjadi (suhu mudah dikontrol), selain itu polystyrene yang terbentuk berupa butiran-butiran kecil sehingga mudah dipisahkan. Penggunaan air sebagai media pertukaran panas lebih ekonomis daripada solven organik dan semakin besar nilai konversi, viskositas polimer yang dihasilkan relatif tidak berubah. 6