PENGARUH KADAR KATALIS TERHADAP PEMBUATAN RESIN UREA FORMALDEHID SKALA LABORATORIUM Fariz Ihsan Firmanto, Frily Marina Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Sultan Ageng Tirtayasa, Jl. Jend.Sudirman Km.3 Cilegon, 42435, Indonesia
Abstrak Polimer adalah suatu molekul besar yang tersusun dari unit ulangan kimia yang kecil, sederhana dan terikat oleh ikatan kovalen. Polimerisasi adalah proses reaksi molekul monomer bersama dalam reaksi kimia untuk membentuk tiga dimensi jaringan atau rantai polimer. Tujuan dari percobaan ini adalah agar memahami salah satu teknik polimerisasi khususnya polimerisasi kondensasi urea-formaldehid, memahami reaksi polimeri serta mengetahui faktor-faktor yang mempengaruhinya. Aplikasi di dalam industri yaitu adhesive untuk polywood, tekstil resin finishing, laminating, coating, moalding, casting, lacquers dan sebagainya. Pada percobaan ini pertama memasukkan larutan formalin dengan kadar formaldehid 37% sebanyak 250 ml, Na2CO3 sebagai buffer sebanyak 3% dari massa katalis dan NH4OH sebagai katalis sebanyak 3%, 5% dan 7% dari massa total kedalam leher tiga. Setelah tercampur sampel didinginkan lalu menganalisa sampel ke-0 sebelum pemanasan. Kemudian menambahkan urea dan setelah tercampur menganalisa sampel ke-0. Selanjutnya memanaskan campuran hingga pada suhu 80OC dan mengambil sampel setiap 10 menit selama 60 menit. Kemudian menganalisa kadar formaldehid bebasdengan cara mentitrasi menggunakan larutan H2SO4. Selanjutnya menganalisa densitas dengan alat piknometer dan menganalisa viskositas dengan alat viscometer. Hasil dan kesimpulan yang didapat untuk perbandingan umpan F/U = 3 dan variasi katalis 3%, 5%, dan 7% serta buffer 3%. Semakin banyak buffer maka densitas dan viskositas semakin konstan, serta semakin banyak urea-formaldehid yang terbentuk. Semakin lama waktu pemanasan maka semakin banyak reaksi yang terbentuk sehingga semakin sedikit kadar formaldehid bebas.
Kata kunci : Polimer, Polimerisasi, Urea-formaldehid, Formaldehid bebas
1.
Pendahuluan Polimer sudah menjadi material yang memenuhi kebutuhan hidup sehari-hari manusia. Polimer dapat menjadi bahan bermacam-macam alat kebutuhan manusia seperti botol, tali, plastik, Teflon dan lainnya. Penggunaannya semakin digemari karena memiliki sifat yang ringan, tahan korosi, beberapa bahan relatif tahan asam, beberapa bahan relative tahan sampai temperatur tinggi dan kuat. Polimer memiliki macam-macam berdasarkan sumbernya yaitu polimer alam, polimer sintesis. Untuk polimer berdasarkan monomernya yaitu homopolimer dan kopolimer. Kemudian polimer berdasarkan strukturnya yaitu polimer linier, polimer bercabang dan polimer
berikatan silang. Adapun untuk aplikasi di industri formaldehid adalah adhesive untuk plywood, tekstil, resin finishing, laminating coating, molding, casting. Pentingnya dalam praktikum ini adalah untuk mengetahui pengaruh-pengaruh pada kondisi operasi hasil reaksi polimerisasi dan pempelajari reaksi mekanisme pada polimerisasi tersebut. 2.
Tinjauan Pustaka Polimer adalah suatu molekul besar yang tersusun dari unit ulangan kimia yang terkecil, sederhana dan terikat oleh ikatan kovalen. Unit ulangan ini biasanya setara atau hamper setara dengan monomer, yaitu bahan awal dari polimer.
2.1 Jenis-jenis Polimer 2.1.1 Berdasarkan sumbernya 1. Polimer alam, yaitu polimer yang tersedia di alam. Contohnya karet alam, pati, selulosa, dan lain sebagainya.. 2. Polimer sintetik, yaitu polimer buatan hasil sintetis industri atau pabrikan. Contohnya nilon, PVC, polyetilena, polyester dan lain sebagainya. Jenis-jenis kopolimer yaitu: a. Kopolimer acak. - A - B - B - A B-A-A-A-B-A b. Kopolimer silang teratur. - A - B A-B-A-B-A-B-A–B–A c. Kopolimer blok.. - A - A - A - B -B-B-A-A-A–B d. Kopolimer cabang/Graft Copolimer. B – B - B - B - A – A –A–A–A–A–A–A–A 2.1.2 Berdasarkan jenis monomernya 1. Homopolimer, yaitu polimer yang terbentuk dari penggabungan monomer sejenis dengan unit berulang yang sama. Contohnya polysterina, polypropilena, selulosa, PVC, teflon dan lain sebagainya. 2. Kopolimer, yaitu polimer yang terbentuk dari beberapa jenis monomer yang berbeda. Contohnya protein, dakron, bakelit, melamin (urea dan formaldehid) dan lain sebagainya. 2.1.3 Berdasarkan bentuk susunan rantainya 1. Polimer rantai lurus yaitu polimer yang tersusun dengan unit yang berikatan satu sama lainnya membentuk rantai polimer yang panjang. 2. Polimer rantai bercabang yaitu polimer yang terbentuk jika beberapa uit ulang membentuk cabang pada rantai utama. 3. Polimer berikatan silang yaitu polimer yang terbentuk karena beberapa rantai polimer saing
berikatan satu sama lain pada rantai utamanya. 2.1.4 Berdasarkan sifat terhadap panas 1. Polimer termoplas, atau termoplastis yaitu polimer yang melunak jika dipanaskan dan dapat kembali kebentuk semula. 2. Polimer termoset, atau termosetting yaitu polimer yang tidak melunak ketika dipanaskan dan tidak dapat kembali kebentuk semula. 2.2 Pengertian Polimerisasi
Polimerisasi adalah proses bereaksi molekul monomer bersama dalam reaksi kimia untuk membentuk tiga dimensi jaringan atau rantai polimer. Jenis-jenis polimerisasi yaitu: 1. Polimer adisi yaitu polimer yang terbentuk melalui reaksi adisi dari berbagai monomer. Contohnya adalah polistirena (karet ban), polietena (plastik), poliisoprena (karet alam), politetraflouroetena (teflon), PVC, dan poliprepilena (plastik). 2. Polimerisasi kondensasi yaitu polimer yang terbentuk karena monomermonomer saling berikatan dengan melepaskan molekul kecil. Contohnya adalah bakelit, poliuretan, poliamida, (melamin), poliester (nilon), teteron, dan protein. 2.3 Urea Formaldehid Urea formaldehid adalah suatu resin atau plastic thermosetting yang terbuat dari urea dan formaldehid yang dipanaskan dalam suasana basa lembut seperti ammonia atau piridin. Pada umumnya reaksi menggunakan katalis hidriksoda alkali dan kondisi reaksi dijaga tetap pada pH 8-9 agar tidak terjadi reaksi Cannazirio, yaitu reaksi diproporsionasi formaldehid menjai alcohol dan asam karboksilat. Untuk menjaga agar pH tetap maka dilakukan penambahan
amoonia sebagai buffer kedalam campuran. Struktur urea-formaldehid sebagai berikut :
kadar formaldehid bebas yang terdapat pada urea-formaldehid. Persamaan umum laju reaksi:
Gambar 1 sturktur molekul urea-formaldehid
Reaksi ini secara umum berlangsung dalam 3 tahap yakni inisiasi, propagasi, dan proses curing. a) Tahap metilolasi, yaitu adisi formaldehid pada gugus amoni dan amida dari urea dan menghasilkan metilol urea. b) Tahap propagasi, yaitu reaksi kondensasi dari monomer-monomer dan dimetilol urea membentuk rntai polimer yang lurus. c) Tahap curing, yaitu ketika kondensasi tetap berlangsung, polimer membentk rangkaian 3 dimensi yang sangat kompleks dan menjadi resin thermosetting. Resin thermosetting memiliki sifat tahan terhadap asam, basa, serta tidak dapat melarut dan meleleh. Temperature curing dilakukan pada sekitar temperature 1200C dan pH<5. Secara umum, senyawa amino pada senyawa organic dapar dihasilkan dengan berbagai senyawa aldehid yaitu melalui rekasi polikondensasi yang menghasilkan suatu polimer yang kompleks. Reaksi polikondensasi terdiri atas 2 langkah yaitu reaksi adisi dan reaksi kondensasi. Pada reaksi adisi terjadi reaksi antara formaldehid dengan gugus hidroksil. Reaksi ini disebut metilolasi atau hidroksi metilolasi yang akan membetuk monometilol urea dan dimetilol urea. Reaksi adisi terjadi sebagai berikut :
4.
Metode Percobaan 3.1 Diagram Alir Berikut ini adalah diagram alir proses polimerisasi urea formaldehid : Formalin Na2CO3
Campuran homogen Sampel 0 Campuran homogen Pemanasan dengan suhu 750 C Mengambil sampel setiap 10 menit selama 1 jam Analisa sampel Gambar 3 Diagram alir pembuatan urea-formaldehid
1 ml sampel
Faktor -faktor yang dapat mempengaruhi reaksi urea-formaldehid adalah katalis, temperature, waktu reaksi, buffer, dan rasio F/U. pada percobaan ini Pada percobaan ini, agar dapat menentukan orde dan konstanta laju reaksi, dilakukan metode titrasi untuk menentukan
5 ml etanol
3 tetes PP
Erlenmeyer Titrasi dengan H2SO4, dan mencatat volume titran I Na2SO3
Gambar 2 Reaksi Metilolasoi
Na3OH
Labu leher tiga
Larutan
Titrasi dengan H2SO4, dan mencatat volume titran II Gambar 4 Diagram alir analisa formaldehid bebas
3.2 Alat dan bahan Pada penelitian ini bahan yang digunakan pada pembuatan resin ureaformaldehid adalah lauran formalin, natrium
3.3 Prosedur percobaan Pada pembuatan resin urea formaldehid, mula-mula memasukan ummpan berupa larutan formalin 250 ml, NH4OH sebagai katalis, dan Na2CO3 sebagai buffer kedalam labu leher tiga dan mengaduk hingga homogen. Kemudian mengambil sampe sebagai sampel 0. Lalu menambahkan urea sebanyak 73,192 gr dan melakukan pemanasan dengan suhu 750C pada . 10 menit selama 60 menit. Pada setiap sampel dilakukan analisa densitas, viskositas, dan kadar formaldehid bebas. a) Analisa densitas Untuk analisa densitas dilakukan dengan menimbang piknometer kosong dalam neraca analitik. Kemudian menambahkan sampel dengan volume tertentu dan menimbang massanya. Selanjutnya perbedaan massa dihitung dan diperoleh densitas sampel. b) Analisa viskositas Pertama, memasukkan sampel kedalam viscometer ostwald. Kemudian, mencatat waktu yang diperlukan sampel untuk mengalir dari satu batas ke batas lainnya. c) Analisa kadar formaldehid bebas Pertama, mencampurkan 1 ml sampel, 5 ml alkohol, dan 3 tetes indikator pp kedalam erlenmeyer. Kemudian, campuran dititrasi untuk menentukan titik akhir larutan netral. Menambahkan 25 ml sodium sulfat kedalam erlenmeyer. Mereaksikan larutan dengan melakukan pengocokka. Lalu, menitrasi larutan dengan asam sulfat dan melakukannya sebanyak dua kali. 5.
Hasil dan Pembahasan
Resin urea formaldehid adalah suatu polimer yang dihasilkan dari porses polimerisasi kondensasi antara urea dengan formaldehid, dimana resin ini termasuk dalam kelas thermosetting resin yang mempunyai sifat tahan terhadap asam, tahan terhadap basa dan tidak meleleh. Pada percobaan ini digunakan waterbath sebagai tempat pemanas dengan suhu 75oC dengan penambahan katalis 3%, 5%, dan 7%. Kadar F/U adalah 3 dengan basis 250 ml. Reaksi berlangsung selama 1 jam dengan suhu dijaga pada suhu 75oC. Pengambilan sampel tiap 10 menit selama 1 jam untuk menentukan kadar formaldehid bebas yang ada dalam larutan dan menentukan densitas dan viskositas. Kondisi PH dijaga antara 8-10. Pengadukan berlangsung selama proses terjadi agar larutan dalam system selalu homogen. 4.1 Pengaruh Densitas
Variasi
Katalis
terhadap
1.1 1.08
ƿ (g/ml)
karbonat (Na2CO3), larutan amoniak (NH4OH), asam sulfat (H2SO4) 0,5 N, etanol (C2H5OH) 0,25 N, indikator PP, natrium sulfit (Na2SO3), dan urea. Alat yang digunakan pada studi pembuatan resin ureaformaldehid adalah labu leher 3, waterbatch, motor pengaduk dan agitator, thermometer, Erlenmeyer, gelas ukur, piknometer, viscometer oswalt, pipet volume, dan alat titrasi.
1.06 1.04 1.02 0
20 3%
40
60
5%
7%
t (sekon)
80
Gambar 5 Grafik hubungan densitas terhadap waktu
Pada gambar diatas menunjukkan perbandingan antara densitas terhadap waktu dengan katalis pada konsentrasi 3%, 5%, dan 7%, densitas sampel yang diperoleh mengalami fluktuasi. Dari data yang didapat bahwa hampir semua sampel menunjukkan kenaikan kecuali pada katalis 3%. Pada katalis 3% terjadi kenaikan densitas dari menit ke 0 yaitu 1,07 gr/ml meningkat hingga menit ke 10 yaitu 1,08 gr/ml dan kembali turun pada menit ke 20 kemudian terus constant hingga menit ke 60. Menurut teori, semakin lama reaksi berlangsung maka akan semakin banyak produk yang dihasilkan dan akan constant bila semua reaktan terkonversi. Sampel 0 memiliki nilai densitas yang paling rendah karena belum dicampur dengan urea.
4.2 Pengaruh Viskositas
Variasi
Katalis
4.3 Penentuan Orde Reaksi Orde 0
15
10
5
0 0
20 Katalis 3% Katalis 7% Linear (Katalis 5%)
40
60
t
Katalis 5% Linear (Katalis 3%) Linear (Katalis 7%)
Orde 1/2
2 1.5
Cf^-0.5
20
0.5
10
0
y = 0.014x + 0.4819 R² = 0.4567
0
5 0 20 3%
40
60
5%
7%
t (sekon)
80
y = 0.0108x + 0.4048 R² = 0.8411 y = 0.0138x + 0.6448 R² = 0.7806
1
15
0
y = -0.1046x + 6.0951 R² = 0.6995 y = -0.0429x + 2.5714 R² = 0.6665 y = -0.0481x + 3.3335 R² = 0.6268
terhadap
25
μ absolut (m²/s)
semakin kental sehingga waktu yang di butuhkan larutan campuran mengalir dalam viscometer semakin lama. Dengan bantuan katalis membuat proses pembentukan UF semakin cepat yang membuat viksositas disetiap waktu juga meningkat. Dapat disimpulkan yang sesuai dengan teori adalah variasi katalis 3% sedangkan variasi 5% dan 7% tidak sesuai degan teori.
Cf
Hal ini terjadi karena pada menit awal pemanasan, reksi yang terbentuk masih sedikit dan belum homogen sehingga sampel memiliki nilai densitas yang tinggi. Densitas yang tinggi disebabkan oleh resin urea formaldehid yang terbentuk akan semakin banyak sehingga larutan menjadi lebih kental dan kerapatan partikelnya semakin tinggi, dengan bantuan katalis pembentukan urea formaldehid akan semakin cepat seiring dengan bertambahnya katalis di setiap variasi. Dari hasil yang di peroleh, maka dapat disimpulkan bahwa hasil percobaan yang sesuai dengan teori pada vairasi 3%. Sedangkan untuk variasi katalis 5% dan 7% tidak sesuai dengan teori. Hal ini disebabkan oleh penambahan buffer yang kecil yaitu 3% tidak berfungsi secara optimal dan perbandingan formaldehid yang 3 kali dari ureanya membuat rantai polimer yang pendek, sehingga reaksi yang terbentuk juga sedikit.
20
Katalis 3% Katalis 7% Linear (Katalis 5%)
40
60
t
Katalis 5% Linear (Katalis 3%) Linear (Katalis 7%)
80
80
Orde 1
4
Gambar 6 Grafik hubungna viskositas terhadap waktu
y = -0.0297x + 0.8824 R² = 0.7663 y = -0.0299x + 1.2784 R² = 0.569
2
ln Cf
Pada gambar diatas menunjukkan perbandingan antara viskositas terhadap waktu dengan katalis pada konsentrasi 3% 5% dan 7%. Dari data yang didapat bahwa semua sampel dari variasi katalis menunjukkan kenaikan. Namun dari ketiga data, yang memiliki nilai viskositas paling tinggi adalah pada katalis 3% yaitu diatas 20 m2/s. Sedangkan nilai viskositas paling rendah adalah pada katalis 7% yaitu dibawah 15 m2/s. Menurut teori, viskositas akan semakin tinggi seiring dengan semakin lamanya reaksi yang terjadi. Hal ini disebabkan karena semakin banyak resin UF yang terbentuk membuat larutan
y = -0.0342x + 1.7886 R² = 0.7975
0 0
20
-2
40
60
80
t Katalis 3% Linear (Katalis 3%)
Katalis 5% Linear (Katalis 5%)
Katalis 7% Linear (Katalis 7%)
Orde 2
4
1/Cf
3 2 1
y = 0.0146x + 0.1502 R² = 0.8714 y = 0.0274x + 0.3954 R² = 0.7632 y = 0.0294x + 0.1 R² = 0.3503
0 0
20
40
Katalis 3% Katalis 7% Linear (Katalis 5%)
t
60
80
Katalis 5% Linear (Katalis 3%) Linear (Katalis 7%)
Gambar 7 Kurva Orde Reaksi
Untuk penentuan orde reaski ureaformaldehid dilakukan dengan membuar grafik orde reaksi mulai dari orde 0. ½, 1 dan 2. Konstanta laju reakasi menunjukkan mudah tidaknya reaksi berlangsung. Setisp laju reaksi memiliki nilai k tertentu bergantung pada sifat pereaksi. Semakin besar nilai k maka reaksi akan semakin cepat berlangsung, dan semakin kecil nilai k maka reaksi akan semakin lama berangsugn. Laju reaksi hanya akan bergantung pada konsentrasi formaldehid. Oleh karena iitu dalam percobaan ini dilakukan analisa terhadap kadar formldehid bebas. Kadar formaldehid bebas tidak dapat direaksikan secara langsung, oleh sebab itu digunakan Na2SO3 yang direaksikan dengan formaldehid dan membentuk NaOH. Karena jumlah NaOH yang terbentuk sebanding drngan jumlah formaldehid bebas, maka kadar formaldehid bebas dapat ditentukan dengan menitrasi NaOH oleh H2SO4 0.25 N. Dari data yang diperolehpada percobaan ini menunjukkan bahwa semakin lama waktu reaksi, maka kadar formaldehid bebas semakin sedikit. Hal tersebut terjadi karena dengan bertambhanya waktu pengadukan maka akan semakin banyak formsldehid yang bereaksi dengan urea dan membentuk urea-formaldehid. Katalis yang ditambahkan pada percobaan ini adalah NH4OH yang merupakan basa lemah. Katalis meyebabkan reaksi akan berlangsung cepat karena katalis akan menurunkan energy aktivasi yaitu energy minimum yang dibutuhkan oleh suatu reaksi untuk memperoleh produk sehingga waktu reaksi lenih cepat dan dengan penambhaan katalis ini dapat meningkatkan kerja tumbukan partikel sehingga mempercepat laju reaksi.
Pada gambar diatas Menunjukkan bahwa nilai regresi yang paling mendekati 1 adalah pada orde 1/2 dengan menggunakan katalis 3%, sehingga orde reaksi pembentukkan ureaformaldehid merupakan orde 1/2. Dari grafik tersebut menunnjukkan persamaan y=0.0108x + 0.4048, dan diperoleh nilai k sebesar 0.0108. Persamaan kinetika reaksi orde 1/2 adalah −
𝑑𝐶𝑓 = 𝑑𝑡 −0.5
1
= − x 0.0108 + 𝐶𝑂−0.5 2 1 = − x 0.0108 + 𝐶𝑂−0.5 2
Jadi, 𝐶𝑓
6.
𝑘 𝐶𝑓 0.5 ………. (1)
Kesimpulan
Berdasarkan hasil percobaan polimer ini dapat disimpulkan bahwa densitas ureaformaldehid dengan katalis 3%, 5% dan 7% adalah 1.08 g/ml, 1.07 g/ml, dan 1.06 g/ml, sedangkan viskositas urea-formaldehid dengan katalis 3%, 5%, dan 7% adalah 22.93 m2/s, 18.26 m2/s, dan 14.01 m2/s. Hasil optimum pembuatan urea-formaldehid ditunjukkan pada penggunaan katalis 3% karena memiliki densitas dan viskositas yang terbaik, dan orde reaksi optimum adalah orde reaksi 1/2 dengan nilai regresi sebesar 0.8411 dan nilai k sebesar 0.0108, sehingga persamaan
orde
reaksinya
adalah
−
𝑑𝐶𝑓 𝑑𝑡
=
2
0.0108 𝐶𝑓 . 7.
Daftar Pustaka
[1] Clayden, J., Greeves, N. and Warren, S. 2012. Organic Chemistry, Oxford. [2] Harold Hart, Leslie E. Craine, David J. Hart. 2003. Kimia Organik Suatu Kuliah Singkat. Jakarta: Erlangga. [3] Fessenden, R . J dan Fessenden, J. S , 1990. Kimia Organik Edisi Ketiga. Jakarta: Erlangga. [4] Stevens, M.P. 2001. Kimia Polimer. Terjemahan Lis Sopyan. Jakarta : Pradnya Paramita.
[5] Indah, R.J. 2012. Pengaruh Penambahan Urea Pada Media Bagas terhadap Produksi dan Karakterisasi Enzim Selulase Isolat Aspergillus spp. UNILA
[6] Hastuti, Sri. 2010. Analsis Kualitatif
dan Kuantitatif Formaldehid pada Ikan Asin di Madura. Universitas Trunojoyo. [7] Wirjosentono, B. 1995. Analisis dan Karakterisasi Polimer. USU Press. [8] Amanda, Bernadeta Ariane. 2010. Pembuatan mikrokapsul dari ureaformaldehid, Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik UGM. Yogyakarta.
