BAB VI UREA FORMALDEHID 6.1. Tujuan Percobaan - Mempelajari polimerisasi kondensasi urea formaldehid - Mengetahui reaksi pembentukan polimer urea formaldehid 6.2. Tinjauan Pustaka Polimer adalah molekul raksasa, biasanya bobot molekulnya tinggi, dibangun dari pengulangan unit-unit. Molekul sederhana yang membentuk unit-unit ulangan ini dinamakan monomer (Hart, 2003). Proses penggabungan monomer membentuk polimer disebut proses polimerisasi. Menurut Carothes dan flory, proses polimerisasi terbagi menjadi polimerisasi adisi dan polimerisasi kondensasi. Polimerisasi adisi umumnya terjadi pada monomer berikatan rangkap dan melibatkan molekul tidak stabil sebagai inisiator, kemudian dilanjutkan reaksi adisi monomer lain yang belum bereaksi. Berdasarkan pusat aktifnya, polimer adisi dapat terbagi lagi menjadi polimerisasi radikal, polimerisasi ionik, dan polimerisasi ziegler-natta. Polimerisasi kondensasi merupakan reaksi antara dua pusat aktif membentuk senyawa baru yang lebih besar dan hasil samping (Nurhidayat). terdapat polimer-polimer yang selalu digambarkan oleh awalannya atau singkatan piawai: seperti PVC untuk polivinil klorida, PTFE untik politerafluoro etilena, SBR untuk stirena –butadiena kopolimer (Powell, 1983). Urea Formaldehid (UFO) merupakan salah satu produk dari reaksi polimerisasi kondensasi. Urea CO(NH2)2 dan formaldehida CH2O yang direaksikan menjadi ureaformaldehid (dikenal juga sebagai urea-metanal) adalah suatu resin atau plastik thermosetting yang terbuat dari urea dan formaldehid resin ini memiliki sifat tensilestrength dan hardness permukaan yang tinggi, dan daya absorpsi air yang rendah. Polimer jenis ini banyak digunakan di industri untuk berbagai tujuan seperti bahan adhesif (61%), papan fiber berdensitas medium (27%), hardwood plywood (5%) dan laminasi (7%) pada produk furnitur, panel dan lain-lain (Universitas Syiah Kuala, 2006). Reaksinya terdiri dari dua langkah, yaitu reaksi adisi dan reaksi kondensasi.
67
68
Reaksi adisi terjadi sebagai berikut:
(urea-formaldehid)
(formaldehid)
(urea)
Reaksi kondensasi merupakan kelanjutan dari reaksi adisi, yaitu:
(monomer urea-formaldehid)
(polimer)
(air)
Gugus –OH dari metilol bereaksi dengan -H dari -NH2 atau -NH- urea dan menghasilkan H2O. Reaksi ini berlangsung terus, sehingga membentuk rantai yang panjang, bahkan beberapa posisi menjadi rantai cabang. Reaksi ini yang membentuk polimer urea-formaldehid, dengan ikatan antar urea dihubungkan oleh gugus metilen (CH2). Makin besar ukuran polimer atau panjang rantai yang terbentuk, polimer ini makin sukar larut dalam air. Adanya ikatan rantai cabang (network) karena reaksi crosslink membuat polimer yang terjadi semakin keras. Reaksi kondensasi ini dipengaruhi oleh tingkat keasaman larutan. Pada kondisi asam (pH < 7), kecepatan reaksi sebanding dengan konsentrasi ion hidrogen , tetapi pada kondisi basa, reaksi kondensasi berjalan lambat (Widayati, 2010). Formaldehid lebih mudah disimpan atau diangkut sebagaii larutan dalam air (forrmalin =37% formaldehida dan 7-15% metanol dalam air), atau sebagai suatu polimer padat atau trimer (Fessenden, 1982). Pada prinsipnya, pembuatan produk-produk urea formaldehid melalui tiga tahapan: ( Universitas Syiah Kuala, 2006) 1. Tahap Metilolasi, yaitu adisi formaldehid pada gugus amino dan amida dari urea, dan menghasilkan
metilol
urea.
Urea
dan
formaldehid
direaksikan
dengan
ditambahkannya katalis basa. Basa yang digunakan dapat berupa barium hidroksida ataupun kalium hidroksida.Dari reaksi tsbt diperoleh monomer atau yang disebut mono-metilol dan dimetilol. Monometilol adalah hasil reaksi penggabungan antara 1 molekul urea dengan 1 molekul formaldehid, sedangkan dimetilol adalah hasil reaksi penggabungan 2 molekul formaldehid dan 1 molekul urea.Baik mono-metilol urea
69
maupun dimetilol urea larut dalam air sehingga reaksi pembentukannya dilakukan dalam fasa pelarut air. 2. Tahap Propagansi, Tahap propagasi (kondensasi), yaitureaksi kondensasi dari monomer-monomer mono dan dimetilol urea membentuk rantai polimer yang lurus. Kondensasi lanjutan ini akan menghasilkan jembatan metilen antara dua molekul urea. 3. Tahap curing, yaitu proses terakhir yang dipengaruhi oleh katalis, panas dan tekanan tinggi. Pada proses ini,ketika kondensasi tetap berlangsung, polimer membentuk rangkaian 3 dimensi yang sangat kompleks dan menjadi resin thermosetting. Temperatur curing dilakukan pada sekitar temperatur 120 C dan pH < 5 (Anditania, 2011).
Polimer dapat diklasifikasikan sebagai berikut: 1. Berdasarkan Sumber Berdasarkan sumbernya polimer dapat dikelompokkan dalam 3 kelompok, yaitu: - Polimer Alam, yaitu polimer yang terjadi secara alami. Contoh: karet alam, karbohidrat, protein, selulosa dan wol. - Polimer Semi Sintetik, yaitu polimer yang diperoleh dari hasil modifikasi polimer alam dan bahan kimia. Contoh: selulosa nitrat (yang dikenal lewat misnomer nitro selulosa) yang dipasarkan dibawah nama - nama “Celluloid” dan “guncotton”. - Polimer sintesis, yakni polimer yang dibuat melalui polimerisasi dari monomer monomer polimer. 2. Berdasarkan Bentuk Susunan Rantainya Dibagi atas 3 kelompok yaitu: -
Polimer Linier, yaitu polimer yang tersusun dengan unit ulang berikatan satu sama lainnya membentuk rantai polimer yang panjang.
-
Polimer Bercabang, yaitu polimer yang terbentuk jika beberapa unit ulang membentuk cabang pada rantai utama.
-
Polimer Berikatan Silang (Cross – linking), yaitu polimer yang terbentuk karena beberapa rantai polimer saling berikatan satu sama lain pada rantai utamanya.
70
3. Berdasarkan Reaksi Polimerisasi Dibagi 2 yaitu: - Poliadisi, yaitu polimer yang terjadi karena reaksi adisi. Reaksi adisi atau reaksi rantai adalah reaksi penambahan (satu sama lain) molekul-molekul monomer berikatan rangkap atau siklis biasanya dengan adanya suatu pemicu berupa radikal bebas atau ion. - Polikondensasi, yaitu polimer yang terjadi karena reaksi kondensasi/reaksi bertahap. Mekanisme reaksi polimer kondensasi identik dengan reaksi kondensasi senyawa bobot molekul rendah yaitu: reaksi dua gugus aktif dari 2 molekul monomer yang berbeda berinteraksi dengan melepaskan molekul kecil. Contohnya H2O. Bila hasil polimer dan pereaksi (monomer) berbeda fase, reaksi akan terus berlangsung sampai salah satu pereaksi habis. 4. Berdasarkan Jenis Monomer Dibagi atas dua kelompok: - Homopolimer, yakni polimer yang terbentuk dari penggabungan monomer sejenis dengan unit berulang yang sama. - Kopolimer, yakni polimer yang terbentuk dari beberapa jenis monomer yang berbeda. 5. Berdasarkan Sifat Termal Dibagi 2 yaitu: - Termoplastik, yaitu polimer yang bisa mencair dan melunak. Hal ini disebabkan karena polimer - polimer tersebut tidak berikatan silang (linier atau bercabang) biasanya bisa larut dalam beberapa pelarut. 1. Termoset, yaitu polimer yang tidak mau mencair atau meleleh jika dipanaskan. Polimer - polimer termoset tidak bisa dibentuk dan tidak dapat larut karena pengikatan silang, menyebabkan kenaikan berat molekul yang besar (Anonim, Hlm 1-24). Faktor-faktor yang Mempengaruhi Reaksi Urea-Formaldehid - Katalis Penggunaan katalis pada suatu reaksi akan meningkatkan laju reaksi tersebut. Begitu juga yang terjadi pada reaksi urea-formaldehid ini. Laju reaksinya akan meningkat
71
jika digunakan katalis. Katalis yang diguanakan pada percobaan ini adalah NH4OH karena reaksi ini berlangsung pada kondisi basa. - Temperatur Kenaikan temperatur selalu mengakibatkan peningkatan laju suatu reaksi. Namun, kenaikan temperatur ini dapat mempengaruhi jumlah produk yang terbentuk, bergantung pada jenis reaksi tersebut (eksoterm atau endoterm). Oleh karena itu, diperlukan suatu optimasi untuk mencapai hasil yang diinginkan. Kenaikan temperatur juga dapat menurunkan berat molekul (Mr) resin ureaformaldehid. Hal tersebut dikarenakan adanya pembentukan pusat-pusat aktif yang baru, sehingga memperkecil ukuran molekul resin. - Waktu Reaksi Jumlah dan sifat produk yang dihasilkan dari suatu reaksi juga dipengaruhi oleh waktu reaksi. Makin lama waktu reaksi, jumlah produk yang dihasilkan makin banyak akibatnya, resin yang dihasilkan akan berkadar tinggi dan memiliki Mr tinggi (Amelia, 2009). Kelebihan urea formaldehida yaitu warnanya putih sehingga tidak memberikan warna gelap pada waktu penggunaannya, dapat dicampur perekat melamin formaldehida agar kualitas perekatnya lebih baik, harganya relatif murah dibandingkan perekat sintetis yang lainnya serta tahan terhadap biodeteriorasi dan air dingin (Widayati, 2010). Kerugian penggunaan urea-formaldehid sebagai resin dibandingkan polimer lain adalah resistensinya terhadap kadar air (moisture) apalagi jika dikombinasikan dengan panas. Kondisi ini dapat menyebabkan reaksi balik dan melepaskan monomer – monomer yang belum sempurnya bereaksi membentuk polimer. Monomer ini biasanya beracun misalnya formaldehid yang dapat menyebabkan kanker. Oleh sebab itu, ada baiknya bila kita akan menggunakan peralatan makan yang terbuat dari bahan polimer, sebaiknya peralatan tersebut direndam dahulu dengan air panas dengan tujuan agar monomer – monomer yang belum sempurna bereaksi terlepas pada air rendaman (Amelia, 2009). Kegunaan resin urea-formaldehid: - Bahan ini digunakan untuk barang-barang kecil yang digunakan sehari-hari seperti pelindung cahaya, soket, alat-alat listrik, kancing, tutup wadah, kotak, baki, dan mangkuk.
72
- Salah satu jenis resin yang digunakan sebagai bahan perekat dan pelapis kayu atau kertas. - Resin ini digunakan untuk mencegah berkerut dan kusutnya kain katundan untuk mencegah menyusutnya kayu. - Digunakan untuk laminating. - Karena resin ini sangat terang warnanya dan sehingga lebih cocok untuk pemakaian dekoratif. Contohnya : Counter berwarna cerah dan taplak-taplak dibuat dengan kertas yang diimpregnasi resin urea, serta kayu lapis interior dekoratif biasanya menempel dengan resin urea karena resin fenol yang berwarna gelap bisa mendai lapisan pernisnya. Akan tetapi, kayu lapis eksterior merekat dengan damar fenol karena mempunyai ketahanan cuaca yang lebih baik. - Dalam bidang koting, resin urea-formaldehid kadangkala dipadukan dengan alkyd baking enemels untuk memperbaiki kekerasan. - Resin urea dipergunakan untuk memberikan ketahanan crease danshrink kepada produk melalui reaksi-reaksi ikat silang. - Aplikasi utama lainnya dari polimer urea-formaldehid adalah dalam menginsulasi busa. Hal ini biasanya difabrikasi on-site dengan peralatan pembusaan yang portable. Bahan-bahannya mencakup resin, surfaktan untuk menstabilkan busa, katalis (biasanya asam fosfat), dan udara bertekanan. Surfaktan dan katalis biasanya dicampur terlebih dahulu. Ketiga komponen tersebut (resin, surfaktan plus katalis, dan udara) kemudian dipompakan secara terpisah ke dalam wadahnya untuk diisikan. Busa terbentuk dalam beberapa menit dan mengeras secara sempurna dalam sehari. Telah banyak kontroversi di sekitar pemakaian busa urea-formaldehid untuk menginsulasi rumah karena aspek-aspek kesehatan yang timbul dari lepasnya uap formaldehida. (Amelia, 2009) Penentuan Jumlah Katalis dan Buffer Misal: massa total campuran = X g massa katalis 5% massa total = 0,05 X massa buffer 5% massa katalis = 0,05*0,05*X X = massa (formalin + urea + katalis + buffer). (ITB Modul, 2007)
73
6.3. Tinjauan Bahan Bahan Baku: A. Formaldehid - Rurus kimia
: HCHO
- Bau
: berbau
- Bentuk
: cair
- Berat molekul
: 30,02 g/mol
- pH
:3
- Titik didih
: 98 ºC
- Warna
: tidak berwarna
B. Urea - Rumus kimia
: CO(NH2)2
- Bentuk
: padat
- Berat molekul
: 60,06 g/mol
- Titik didih
: 135 ºC
- Warna
: merah jambu
Bahan Pendukung A. Amonium hidroksida - Rumus kimia
: NH4OH
- Bau
: berbau
- Bentuk
: cair
- Berat molekul
: 35,05 g/mol
- pH
: 13,6
- Titik didih
: 27 ºC
- Warna
: tidak berwarna
74
B. Aquadest - Rumus kimia
: H2O
- Bau
: tidak berbau
- Bentuk
: cair
- Berat molekul
: 18,02 g/mol
- pH
:7
- Titik didih
: 100 °C
- Warna
: tidak berwarna
C. Natrium karbonat - Rumus kimia
: Na2CO3
- Bau
: tidak berbau
- Bentuk
: padat
- Berat molekul
: 105,98 g/mol
- pH
: 11,6
- Titik didih
: 400 ºC
- Warna
: putih
Produk A. Urea formaldehid - Rumus kimia
: [C3H8N2O3]n
- Bentuk
: cair
- Berat molekul
: >100,000
- pH
: 8,5 – 9,5
- Titik didih
: > 93 C
6.4. Alat dan Bahan A. Alat-alat yang digunakan:
B. Bahan-bahan yang digunakan:
- Aluminium foil
- Amonium hidroksida (NH4OH)
- Batang pengaduk
- Aquadest (H2O)
- Beakerglass
- Formaldehid (HCHO)
- Botol aquadest
- Natrium karbonat (NaCO3)
- Corong kaca
- Urea (CH4N2O)
- Gelas ukur - Karet penghisap
75
- Kertas pH - Labu leher tiga - Oven - Refluks kondensor - Pipet volume - Waterbath 6.5. Prosedur Percobaan A. Pembentukan resin urea- formaldehid skala laboratorium - memasukkan 100 mL formalin (37%-w/w) ke dalam labu bundar berleher yang dilengkapi kondensor, termometer, agiator, dan water bath (heater) - menambahkan 0,425 gram Na2CO3H2O sebagai buffering agent - menambahkan 43,35 mL NH4OH sebagai katalis - menambahkan 53,23 gram urea kemudian aduk secara teratur hingga tampak homogen - memanaskan larutan secara perlahan sampai mendidih - setelah mendidih, akan terjadi refluks - setelah terjadi refluks, atur temperatur heater menjadi 65 oC - memanaskan selama 3 jam sejak terjadi refluks pertama - setelah 3 jam, ambil larutan secukupnya kemudian dimasukkan ke dalam wadah yang tahan panas misalnya cawan penguap - memasukkan larutan dalam cawan penguap ke dalam oven dengan temperatur pemanasan sekitar 120 oC selama 24 jam hingga larutan mengeras membentuk resin. 6.6. Data Pengamatan Tabel 6.6.1. Data Pengamatan Reaksi No. 1.
Perlakuan CH4N2O + HCHO
Pengamatan lar A
- Bentuk : cair - Suhu : 27C - Warna : merah jambu keruh
Kesimpulan
76
2.
Lar A + Na2CO3.H2O B
3.
Lar B + NH4OH
4.
Lar C mendidih)
5.
Lar E jam)
lar
lar C
- Bentuk : cair - Suhu : 27C - Warna : merah jambu keruh - Bentuk : cair - Suhu : 27C - Warna : merah jambu keruh
lar D (hingga lar F (selama 1,5
- Tidak terjadi perubahan suhu - Tidak terjadi perubahan warna - Tidak terjadi kenaikan suhu - Tidak terjadi perubahan warna
- Terjadi kenaikan suhu Bentuk : cair - Tidak terjadi Suhu : 98C perubahan warna Warna : merah jambu Bergelembung
- Terjadi penurunan - Bentuk : cair suhu - Suhu : 65C - Warna : merah jambu - Tidak terjadi perubahan warna
6. Lar F lar G (dioven - Bentuk : mengental selama 1 jam) - Suhu : 120C - warna : putih
-
Terjadi kenaikan suhu - Terjadi perubahan warna - Terjadi perubahan zat
Tabel 6.6.2. Data Pengamatan Gambar No. 1.
Gambar
keteranggan Proses pencampuran urea
77
2.
Proses pencampuran formalin
3.
Proses pengadukan dan pemanasan
4.
Larutan setelah pemanasan 1,5 jam
5.
Hasil polimer setelah pemenasan dalam oven selama 1 jam
78
6.7. Persamaan Reaksi Reaksi monomer urea formaldehid:
(urea)
(formaldehid)
(urea-formaldehid)
Reaksi polimer resin urea formaldehid:
(monomer urea-formaldehid)
(polimer)
(air)
6.8. Pembahasan - Refluks digunakan untuk mempercepat terjadinya reaksi dengan pemanasan tanpa mengurangi volume zat yang bereaksi, sebab pelarut yang menguap dapat terkondensasi dengan adanya kondensor tegak. - Reaksi berlangsung pada kondisi basa dengan amoniak (NH4OH) sebagai katalis Penggunaan katalis pada suatu reaksi akan meningkatkan laju reaksi tersebut. Begitu juga yang terjadi pada reaksi urea-formaldehid ini. Laju reaksinya akan meningkat jika digunakan katalis. -
Na2CO3 sebagai buffer. Buffer ini berfungsi menjaga kondisi pH reaksi agar tidak berubah tiba-tiba secara drastis.
-
Pembuatan resin urea-formaldehid secara garis besar dibagi menjadi 3. Yang 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.
- Fungsi pengovennan untuk membantu polimer membentuk jaringan tiga dimensi.
79
6.9. Kesimpulan Dalam polimerisasi kondensasi urea formaldehid dapat melalui tiga tahapan, yaitu tahap metiolasi, tahap propagansi dan tahap curing. Jadi reaksi dalam pembuatan polimer urea formaldehid dengan mereaksikan formaldehida dan urea dengan bantuan katalis NH4OH dan menggunakan Na2CO3 sebagai buffering ada dua, yaitu reaksi adisi dan reaksi kondensasi.
