TEKNIK POLIMERISASI (POL)

MODUL PRAKTIKUM LABORATORIUM INSTRUKSIONAL TEKNIK KIMIA TEKNIK POLIMERISASI (POL) Disusun oleh: Hilman Prasetya Edi Dr. IGBN Makertihartha Dr. Melia Laniwati Gunawan Dr. Ardiyan Harimawan PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2014

DAFTAR ISI DAFTAR ISI... 1 DAFTAR GAMBAR... 3 DAFTAR TABEL... 4 BAB I PENDAHULUAN... 5 BAB II TUJUAN DAN SASARAN... 6 II.1. Tujuan... 6 II.2. Sasaran... 6 BAB III RANCANGAN PERCOBAAN... 7 III.1. Perangkat dan Alat Ukur... 7 III.2. Bahan... 7 III.3. Skema Alat Percobaan... 8 BAB IV PROSEDUR KERJA... 9 IV.1. Prosedur Percobaan... 10 IV.2. Tes I Analisa Kadar Formaldehid Bebas... 11 IV.3. Tes II ph Larutan... 12 IV.4. Tes III Penentuan Viskositas Sampel... 12 IV.5. Tes IV Penentuan Kadar Resin... 13 IV.6. Tes V Penentuan Densitas Sampel... 13 DAFTAR PUSTAKA... 14 LAMPIRAN A TABEL DATA MENTAH... 15 A.1. Penentuan Kinetika Reaksi... 15 A.2. Penentuan ph Larutan Sampel... 16 A.3. Penentuan Viskositas Larutan Sampel... 16 A.4. Penentuan Densitas Larutan Sampel... 16 A.5. Penentuan Kadar Resin... 17 LAMPIRAN B PROSEDUR PERHITUNGAN... 18 B.1. Penentuan Jumlah Formadehid... 18 B.2. Penentuan Jumlah Urea... 18 B.3. Penentuan Jumlah Katalis dan Buffer... 18 B.4. Penentuan Kadar Formaldehid Bebas... 19 B.5. Penentuan Orde dan Konstanta Laju Reaksi... 19 POL 1

B.6. Penentuan Kadar Resin... 24 B.7. Penentuan Konsentrasi Resin (C r )... 24 B.8. Penentuan Viskositas Resin... 24 B.9. Penentuan Densitas Resin... 25 B.10. Penentuan Massa Molekul Rata-Rata (MR)... 25 LAMPIRAN C DATA SPESIFIKASI DAN LITERATUR... 26 C.1. Densitas Air pada Berbagai Temperatur... 26 C.2. Viskositas Air pada Berbagai Temperatur... 26 C.3. Massa Molekul Relatif... 26 C.4. Densitas Zat pada Temperatur Percobaan... 27 POL 2

DAFTAR GAMBAR Gambar 3.1. Skema Alat Percobaan... 8 Gambar 4.1. Diagram Alir Prosedur Percobaan... 10 Gambar 4.2. Diagram Alir Prosedur Tes I... 11 Gambar 4.3. Diagram Alir Prosedur Tes II... 12 Gambar 4.4. Diagram Alir Prosedur Tes IV... 13 Gambar B.1. Kurva Orde Reaksi 1... 22 Gambar B.2. Kurva Orde Reaksi 2... 22 Gambar B.3. Kurva Orde Reaksi 0... 23 Gambar B.4. Kurva Orde Reaksi 1,5... 23 POL 3

DAFTAR TABEL Tabel A.1. Data Penentuan Kineika Reaksi... 15 Tabel A.2. Data ph Larutan Sampel... 16 Tabel A.3. Data Viskositas Sampel... 16 Tabel A.4. Data Densitas Sampel... 17 Tabel A.5. Data Kadar Resin... 17 Tabel B.1. Contoh Data Percobaan... 21 Tabel C.1. Densitas Air... 26 Tabel C.2. Viskositas Air... 26 Tabel C.3. Massa Molekul Relatif Bahan... 26 Tabel C.4. Densitas Bahan... 27 POL 4

BAB I PENDAHULUAN Polimer 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 relative 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 dihasilkan 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 tiga. Reaksi 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. Tahap 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. POL 5

BAB II TUJUAN DAN SASARAN II.1. Tujuan Tujuan pelaksanaan praktikum modul teknik polimerisasi adalah: 1. Praktikan mempelajari salah satu teknik polimerisasi, khususnya polimerisasi kondensasi Urea-Formaldehid. 2. Praktikan mempelajari reaksi polimerisasi tersebut. 3. Praktikan mempelajari pengaruh-pengaruh kondisi operasi terhadap hasil reaksi polimerisasi. II.2. Sasaran Sesuai 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. POL 6

BAB III RANCANGAN PERCOBAAN III.1. Perangkat dan Alat Ukur Perangkat dan alat ukur yang akan digunakan untuk percobaan teknik polimerisasi adalah: 1. Set perangkat modul teknik polimerisasi yang terdiri atas labu berdasar bundar dimana reaksi dilangsungkan, yang dilengkapi dengan pengaduk yang digerakkan oleh motor listrik, thermometer untuk mengamati suhu reaksi, refluks kondensor, dan alat pengambil sampel. 2. Viscometer 3. Waterbath 4. Erlenmeyer 5. Piknometer 6. Labu volumetrik 7. Perangkat titrasi 8. Timbangan/ neraca 9. Oven 10. Cawan perselen III.2. Bahan Bahan-bahan yang akan digunakan untuk percobaan teknik polimerisasi adalah: 1. Urea 2. Formaldehid (dalam bentuk larutan formalin) 3. Na-sulfit 4. Na-karbobat 5. Alkohol 6. Indikator Corellin 7. Asam sulfat POL 7

III.3. Skema Alat Percobaan Keterangan: 1. Waterbath. 2. Reaktor. 3. Tempat pengambil sampel. 4. Termometer. 5. Motor pengaduk. 6. Impeller. 7. Kondensor. Gambar 3.1. Skema Alat Percobaan POL 8

BAB IV PROSEDUR KERJA Pada bab ini akan dijelaskan cara pengerjaan percobaan teknik polimerisasi. Cara kerja percobaan secara umum dijelaskan di bawah ini: 1. Menyusun peralatan sesuai dengan sketsa gambar dan mengecek kondisi peralatan 2. Mempersiapkan peralatan analisa 3. Menghitung dan mempersiapkan zat-zat kimia yang diperlukan dalam reaksi, sesuai dengan kondisi variasi percobaan 4. 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: Analisis ph dengan kertas ph Analisis kadar formaldehid bebas dengan Test I Analisis kadar resin dengan Test V Analisis viskositas, dan stroke cure dengan Test III dan IV A., B., C. Analisis densitas dengan est VI. Jika diperlukan data viskositas tiap sampel perlu dilakukan Test IV.A POL 9

IV.1. Prosedur Percobaan Gambar 4.1. Diagram Alir Prosedur Percobaan POL 10

IV.2. Tes I Analisa Kadar Formaldehid Bebas Tes I dilakukan untuk menganalisa kadar formaldehid bebas dengan menggunakan sodium sulfit. Diagram alir prosedur ditunjukkan pada Gambar 4.2. Dasar reaksi: NaOH yang terbentuk, ekivalen dengan kadar formaldehid bebas dalam larutan. H 2 O + CH 2 O + Na 2 SO 4 HO CH 2 SO 3 Na + NaOH 1 cc sampel 5 cc alkohol 3-5 tetes indikator corralin Campurkan Labu titrasi tertutup Cek titik akhir dengan overtitration dan backtitration Larutan netral Cek titik akhir dengan overtitration dan backtitration Larutan netral Tambahkan 25 cc larutan 2N sodium sulfit segar Larutan campuran Reaksikan selama 10 menit dengan dikocok Larutan hasil reaksi Larutan blanko Titrasi dengan standar H 2 SO 4 Lakukan duplo Hasil analisa data Gambar 4.2. Diagram Alir Prosedur Tes I POL 11

IV.3. Tes II ph Larutan Tes II dilakukan untuk menganalisa ph larutan dengan menggunakan kertas ph. Diagram alir prosedur ditunjukkan pada Gambar 4.3. Gambar 4.3. Diagram Alir Prosedur Tes II IV.4. Tes III Penentuan Viskositas Sampel Tes III dilakukan untuk menentukan viskositas cairan dengan menggunakan viskometer Ostwald pada temperatur konstan. Viskometer dikalibrasi dengan menggunakan air pada suhu tertentu untuk mendapatkan nilai K. POL 12

IV.5. Tes IV Penentuan Kadar Resin Tes IV dilakukan untuk menentukan waktu curing. Diagram alir prosedur ditunjukkan pada Gambar 4.4. Gambar 4.4. Diagram Alir Prosedur Tes IV IV.6. Tes V Penentuan Densitas Sampel Tes V dilakukan untuk menentukan densitas cairan dengan menggunakan piknometer. Piknometer dikalibrasi dengan menggunakan air pada suhu tertentu. POL 13

DAFTAR PUSTAKA 1. Billmeyer Jr., F.W., Textbook of Polymer Science, John Wiley and Sons, 1994, pp. 186-219 2. D Alelio, G.F., Experimental Plastics and Synthetic Reisns, John Wiley and Sons, 1952, pp. 163-166 3. Kirk-Orthmer, Encyclopedia of Chemical Technology, 2nd Edition., Vol. 2, pp. 225-258 4. Buku-buku lainnya yang memuat topik Polycondensation POL 14

LAMPIRAN A TABEL DATA MENTAH A.1. Penentuan Kinetika Reaksi F/U = Volume Formalin = ml Massa Urea = g Massa Amonia = g Massa buffer = g Konsentrasi H 2 SO 4 = M Volume sampel = ml Temperatur = o C Tabel A.1. Data Penentuan Kineika Reaksi Sampel Blanko 0 1 2 3 4 5 6 7 t (menit) Volume H 2 SO 4 (ml) I II Rata-rata T ( o C) C F \ POL 15

A.2. Penentuan ph Larutan Sampel Tabel A.2. Data ph Larutan Sampel Sampel Warna ph Blanko 0 1 2 3 4 5 6 7 A.3. Penentuan Viskositas Larutan Sampel Waktu untuk aqua dm = detik Specific gravity aqua dm = Viskositas aqua dm (T percobaan) = cp Tabel A.3. Data Viskositas Sampel No Cr (g/100ml) t (detik) 1 2 3 4 5 A.4. Penentuan Densitas Larutan Sampel Massa piknometer kosong = g Massa piknometer + aqua dm = g Densitas aqua dm (Tpercobaan) = g/ml Volume piknometer = ml Massa piknometer + Resin = g POL 16

Tabel A.4. Data Densitas Sampel No. 1 2 3 4 5 Volume Sampel (ml) Volume aqua dm (ml) Massa pikno + Resin (g) Massa lresin (g) Densitas Resin (g/ml) A.5. Penentuan Kadar Resin Tabel A.5. Data Kadar Resin No. 1 2 3 4 5 6 7 Massa cawan kosong G1 (g) Massa cawan + Resin basah Massa Cawan + Resin G2 (g) Massa Cawan + Resin G3 (g) Massa Resin (g) POL 17

LAMPIRAN B PROSEDUR PERHITUNGAN B.1. Penentuan Jumlah Formadehid Massa larutan formalin dimana: ρ larutan formalin Misalkan V(volume percobaan) Maka massa larutan formalin massa larutan formalin = ρ*v = 1.079 g/ml = 500 ml = 500 ml*1,079 g/ml = 539,5 g Jika larutan formalin mengandung 36% formaldehid, massa formaldehid = 0,36*539,5 = 194,22 g Massa Formaldehid Mol Formaldehid = MR Mol Formaldehid = 194,22 = 6,47 mol 30 B.2. Penentuan Jumlah Urea Misalkan untuk F/U = 1,65 Maka mol urea = F/1,65 Massa urea = mol urea* MR urea Massa urea = 6,474/1,65 = 3,924 mol = 3,924 mol*66 g/mol = 235,418 g B.3. Penentuan Jumlah Katalis dan Buffer Misal: massa total campuran massa katalis 5% massa total massa buffer 5% massa katalis = X g = 0,05 X = 0,05*0,05*X X = massa (formalin + urea + katalis + buffer) X = 539,5 + 235,418 + 0,05X + 0,05*0,05*X 0,9475 X = 774,918 X = 817,855 g POL 18

Massa NH 4 OH yang ditambahkan = 40,89 g NH 4 OH yang digunakan 21%-W/W = 194,73 g Volume NH 4 OH yang ditambahkan (larutan 21%-W/W) adalah: ( massa 194,73 ) larutan = = 208,49 ml densitas 0,934 Massa Na 2 CO 3 yang ditambahkan = 2,5.10-3.X = 2,045 g B.4. Penentuan Kadar Formaldehid Bebas Misalkan C c,blanko = 0,2 C c,titran H 2 SO 4 = 0,7 Pada kondisi tersebut C sampel = 1,5 Maka konsentrasi formaldehid bebas adalah: C F = massa CH 2O (g) 100 ml = 3 (C c,titran C c,blanko ) NH 2 SO 4 C c,sampel 3 (0,7 0,2) 1 C F = ( ) = 1,05 g/100 ml 1,5 B.5. Penentuan Orde dan Konstanta Laju Reaksi Persamaan umum laju reaksi: dc F dt = k C F n Untuk 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 dt = k C F 1 Integrasi persamaan tersebut adalah sebagai berikut: C F dc F C F C 0 t = k dt 0 ln C F C 0 = k t POL 19

ln C F = ln C 0 kt Dengan 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 dt = k C F 2 Integrasi persamaan tersebut adalah sebagai berikut: C F dc F 2 C F C 0 t = k dt 0 1 C 0 1 C F = kt 1 C F = 1 C 0 + kt Dengan 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 dt = k Integrasi persamaan tersebut adalah sebagai berikut: C F dc F C 0 t = k dt 0 C F C 0 = kt C F = C 0 kt Dengan demikian, bila dialurkan Cf terhadap t (waktu) akan diperoleh hubungan linier dengan gradien garis k menunjukkan konstanta laju reaksi. POL 20

4. Jika diasumsikan reaksi mengikuti orde 1,5 terhadap konsentrasi, persamaan kinetika laju reaksinya adalah: dc F dt = k C F 1,5 Integrasi persamaan tersebut adalah sebagai berikut: C F dc F 1,5 C F C 0 t = k dt 0 2 (C F 0,5 C 0 0,5 ) = kt C F 0,5 = 1 2 kt + C 0 0,5 Dengan 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: Tabel B.1. Contoh Data Percobaan Sampel t V H 2 SO 4 (ml) T C F^ C (menit) ( o F ln C F 1/ C F I II Rata-rata C) -0,5 Blanko 0,2 0,2 0,2 26 0 0 2,8 3,0 2,9 26 8,1 2,092 0,124 0,351 1 15 1,4 1,2 1,3 70 3,3 1,194 0,303 0,551 2 45 0,9 1,1 1 70 2,4 0,876 0,417 0,646 3 60 0,7 0,8 0,75 70 1,65 0,501 0,607 0,779 4 75 0,7 0,7 0,7 70 1,5 0,406 0,667 0,817 5 90 0,65 0,8 0,725 70 1,575 0,454 0,635 0,797 6 120 0,7 0,75 0,725 70 1,575 0,454 0,635 0,797 7 140 0,75 0,7 0,725 70 1,575 0,454 0,635 0,797 POL 21

Jika persamaan kinetika laju reaksi tersebut diasumsikan mengikuti orde 1: Gambar B.1. Kurva Orde Reaksi 1 Jika persamaan kinetika laju reaksi tersebut diasumsikan mengikuti orde 2: Gambar B.2. Kurva Orde Reaksi 2 POL 22

Jika persamaan kinetika laju reaksi tersebut diasumsikan mengikuti orde 0: Gambar B.3. Kurva Orde Reaksi 0 Jika persamaan kinetika laju reaksi tersebut diasumsikan mengikuti orde 1,5: Gambar B.4. Kurva Orde Reaksi 1,5 POL 23

Dari kempat pendekatan/tebakan orde reaksi tersebut, yang paling mendekati kurva linear adalah jika persamaan kinetika reaksi tersebut dimodelkan sebagai persamaan aju reaksi orde 2 (R 2 paling mendekati 1 yaitu 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 dt = 0,0035C F 2 B.6. Penentuan Kadar Resin Persamaan yang digunakan adalah: %Kadar Resin = G3 G1 Massa sampel resin 100% B.7. Penentuan Konsentrasi Resin (C r ) Persamaan yang digunakan adalah: C R = ρ Resin Kadar Resin V Sampel B.8. Penentuan Viskositas Resin Persamaan yang digunakan adalah: μ dinamik = μ aqua dm Q sampel t t aqua dm SG sampel aqua dm μ spesifik C R μ spesifik = μ dinamik t aqua dm (T) 1 = μ intrinsik + k(μ intrinsik ) 2 C R POL 24

SG adalah specific gravity. Dengan mengalurkan grafik μ spesifik /C R terhadap C R, akan diperoleh garis yang menunjukkan fungsi linear dengan slope μ intrinsik. B.9. Penentuan Densitas Resin Persamaan yang digunakan adalah: %Resin = G3 G1 Berat Resin Sampel 100% B.10. Penentuan Massa Molekul Rata-Rata (MR) Persamaan yang digunakan adalah: μ intrinsik = k (MR) a Nilai k didapat dari penyelesaian grafik μ spesifik /C R terhadap C R. Gradien garis tersebut adalah k. μ intrinsik 2. Jika μ intrinsik dan k diketahui, maka MR polimer dapat dihitung. POL 25

LAMPIRAN C DATA SPESIFIKASI DAN LITERATUR C.1. Densitas Air pada Berbagai Temperatur Tabel C.1. Densitas Air Temperatur ( o C 25 26 27 28 ρ (g/ml) C.2. Viskositas Air pada Berbagai Temperatur Tabel C.2. Viskositas Air Temperatur ( o C 25 26 27 28 µ (cp) C.3. Massa Molekul Relatif Tabel C.3. Massa Molekul Relatif Bahan Zat Rumus Molekul MR Urea CO(NH 2 ) 2 60 Formaldehid CH 2 O 30 Amoniak NH 4 OH 35 Natrium Karbonat Na 2 CO 3 106 Natrium Sulfit Na 2 SO 3 126 POL 26

C.4. Densitas Zat pada Temperatur Percobaan Tabel C.4. Densitas Bahan Zat Rumus Molekul ρ (g/ml) Urea CO(NH 2 ) 2 Formaldehid CH 2 O Amoniak NH 4 OH Natrium Karbonat Na 2 CO 3 Natrium Sulfit Na 2 SO 3 POL 27