BAB VI UREA FORMALDEHID 6.1. Tujuan Percobaan - Mempelajari polimerisasi kondensasi urea formaldehid - Mengetahui reaksi pembentukan polimer urea formaldehid 6.2. Tinjauan Pustaka Polimer, atau kadang-kadang disebut makromolekul, ialah molekul besar yang dibangun dari perangkaian berulang sejumlah besar satuan yang lebih kecil yang disebut monomer. Polimer dapat tergolong alami atau sintetik. Polimer alami yang paling penting ialah karbohidrat (pati,selulosa), protein, dan asam nukleat (DNA, RNA). Polimer sintetik dapat digolongkan ke dalam dua jenis, bergantung pada bagaimana cara pembuatannya. Polimer adisi (juga disebut polimer rantai-tumbuh, chain-growth polymer) dibuat melalui adisi satu unit monomer ke unit lain dengan cara berulang-ulang. Polimer kondensasi (juga dinamakan polimer seselangkah, step-growth polymer) biasanya dibuat melalui reaksi di antara dua jenis gugus fungsi, dengan melepas beberapa molekul kecil, seperti air. [3] Ikatan pada molekul polimer umumnya dibagi menjadi empat jenis, seperti dijelaskan berikut ini. - Ikatan ion, ikatan yang kuat dan terjadi di antara unsur-unsur yang mempunyai keelektronegatifan. Pada polimer ikatan jenis ini tidak begitu penting. - Ikatan kovalen, ikatan ini juga cukup kuat dan mempunyai energi kira-kira 50 sampai 100 kkal/bilangan Avogadro ikatan. - Ikatan hidrogen, ikatan ini lemah dan mempunyai energi berkisar 2-5 kkal. - Ikatan hasil interaksi dipol-dipol, ikatan ini mempunyai energi kurang dari satu kkal (ikatan ini terjadi antarmolekul). [5] Thermoplastic adalah polimer yang tidak memiliki ikatan silang antar molekul. Material thermoplastic dapat ditemukan dalam struktur linear atau bercabang. Sebuah material thermoplastic yang mengalami proses pemanasan, akan menjadi cairan yang sangat kental yang dapat dibentuk dengan menggunakan peralatan pengolahan plastik. Tidak perduli berapa kali pun proses tersebut diulang, thermoplastic akan selalu melunak bila dipanaskan dan mengeras jika didinginkan. Terdapat 22 jenis plastik yang termasuk dalam kategori ini. Sedangkan thermoset memiliki sifat yang sebaliknya. Thermoset memiliki ikatan silang antar molekul yang kuat dan apabila dipanaskan akan mengalami perubahan kimia sehingga bentuknya tidak dapat kembali. Dalam kondisi mentah umumnya thermoset berbentuk tepung atau cair. Karena sifatnya yang mudah didaur ulang, maka jenis plastik thermoplastic akan lebih tepat untuk dikembangkan sebagai material dalam bangunan. Dengan demikian material bangunan ini tidak menjadi
sampah ketika bangunan tersebut dihancurkan atau ingin mengganti material lain, tetapi dapat didaur ulang menjadi produk yang dapat bermanfaat. [2] Urea-formaldehid (dikenal juga sebagai urea-metanal) adalah suatu resin atau plastik thermosetting yang terbuat dari urea dan formaldehid yang dipanaskan dalam suasana basa lembut seperti amoniak atau piridin. Reaksi urea-formaldehid merupakan reaksi kondensasi antara urea dengan formaldehid. Pada umumnya reaksi menggunakan katalis hidroksida alkali dan kondisi reaksi dijaga tetap pada pH 8-9 agar tidak terjadi reaksi Cannizaro, yaitu reaksi diproporsionasi formaldehid menjadi alkohol dan asam karboksilat. Untuk menjaga agar pH tetap maka dilakukan penambahan ammonia sebagai buffer ke dalam campuran. Struktur urea-formaldehid sebagai berikut:
Gambar 6.2.1 Struktur molekul urea-formaldehid
Reaksi ini secara umum berlangsung dalam 3 tahap yakni inisiasi, propagasi (kondensasi), dan proses curing. - Tahap metilolasi, yaitu adisi formaldehid pada gugus amino dan amida dari urea, dan menghasilkan metilol urea. - Tahap selanjutnya propagasi, yaitu reaksi kondensasi dari monomer-monomer dan dimetilol urea membentuk rantai polimer yang lurus. - Tahap terakhir adalah proses curing yaitu ketika kondensasi tetap berlangsung, polimer membentuk rangkaian 3 dimensi yang sangat kompleks dan menjadi resin thermosetting. Resin thermosetting mempunyai sifat tahan terhadap asam, basa, serta tidak dapat melarut dan meleleh. Temperatur curing dilakukan pada sekitar temperatur 120 oC dan pH < 5. [4] Secara umum, senyawa amino pada senyawa organik dapat direaksikan dengan berbagai senyawa aldehid yaitu melalui reaksi polikondensasi yang menghasilkan suatu polimer yang kompleks. Reaksi yang terjadi:
(amida)
(aldehida)
(urea)
Gambar 6.2.2 Reaksi polikondensasi membentuk polimer kompleks
Dalam penelitian ini digunakan urea sebagai senyawa amino dan formaldehid sebagai senyawa aldehid. Reaksi polikondensasi sendiri atas 2 langkah, yaitu reaksi adisi dan reaksi kondensasi. Pada reaksi adisi terjadi reaksi antara formaldehid dengan gugus hidroksil. Reaksi ini disebut metilolisasi atau hidroksi metilisasi yang akan membentuk monometilol urea dan dimetilol urea. Reaksi adisi terjadi sebagai berikut: (urea)
(formaldehid)
(monomer urea-formaldehid)
Gambar 6.2.3 Reaksi adisi antara formaldehid dengan gugus hidroksil
Gugus aldehid menarik satu atom H dari gugus NH2, menjadi gugus metilol. Urea mempunyai 4 atom H di gugus amina, maka dimungkinkan hasil reaksinya berbentuk monometilol sampai tetrametilol urea. Reaksi ini dapat terjadi dalam suasana asam atau basa. Selanjutnya terjadi reaksi kondensasi antara unit monomer yang disertai pembebasan H2O untuk membentuk sebuah dimer, sebuah rantai polimer, atau sebuah jaringan polimer yang kompleks. Berikut reaksinya:
(monomer urea-formaldehid)
(polimer urea-formaldehid)
(air)
Gambar 6.2.4 Reaksi kondensasi antara unit monomer yang disertai pembebasan H2O
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. Dengan turunnya pH, kecepatan polimerisasi meningkat dengan cepat sehingga viskositas larutan juga semakin besar. [1] 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 jika digunakan katalis. Katalis yang diguanakan pada percobaan ini adalah NH4OH karena reaksi ini berlangsung pada kondisi basa. - Temperatur Kenaikan temparatur 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. [4] Keuntungan dari perekat urea-formaldehid antara lain larut dalam air, keras, tidak mudah terbakar, sifat panasnya baik, tidak berwarna ketika mengeras, dan harganya murah. [6]
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 monomermonomer yang belum sempurnya bereaksi membentuk polimer. Monomer ini biasanya beracun misalnya formaldehid yang dapat menyebabkan kanker. Polimer jenis ini banyak digunakan di industri untuk berbagai tujuan seperti: - Bahan adesif (61 %) - Papan fiber berdensitas medium (27 %) - Harwood plywood (5 %) - Laminasi (7 %) - Produk mebelir (furniture) [4] 6.3. Tinjauan Bahan - Aquadest Rumus molekul : H2O Bentuk fisik : cairan tak berwarna dan tidak berbau Berat molekul : 18,02 g/mol Densitas : 0,62 g/cm3 Titik didih : 100 oC Titik beku : 0 oC - Amonium hidroksida Rumus molekul : NH4OH Bentuk fisik : cairan tak berwarna dan berbau amonia Berat molekul : 35,05 g/mol Densitas : 0,89 g/cm3 Titik didih : 27 oC Titik beku : - 69,2 oC - Formaldehid Rumus molekul : H2OC Bentuk fisik : cairan tak berwarna dan berbau menyengat Berat molekul : 30,02 g/mol Densitas : 1,03 g/cm3 Titik didih : 98 oC Titik beku : - 15 oC - Natrium karbonat Rumus molekul : Na2CO3 Bentuk fisik : padatan putih tidak berbau Berat molekul : 105,99 g/mol Densitas : 1,55 g/cm3 Titik didih : 400 oC Titik beku : -851 oC
- Urea Rumus molekul Bentuk fisik Berat molekul Densitas Titik didih Titik beku
: CH4N2O : padatan warna pink : 60,06 g/mol : 2,07 g/cm3 : 1323 oC : 132,7 oC
6.4. Alat dan Bahan A. Alat - alat yang digunakan: - alumunium foil - batang pengaduk - beakerglass - botol aquadest - corong kaca - gelas ukur - karet penghisap - kertas pH - labu leher tiga - oven - pipet volume - refluks kondensor - waterbath
B. Bahan-bahan yang digunakan: - amonium hidroksida (NH4OH) - aquadest (H2O) - asam sulfat (H2SO4) - formalin (H2OC) - natrium karbonat (Na2CO3) - urea (CH4N2O)
6.5. Prosedur percobaan Pembuatan resin urea-formaldehid skala laboratorium - masukkan 100 ml formalin (37%-w/w) ke dalam labu bundar berleher yang dilengkapi kondensor, termometer, agitator, dan waterbath (heater) - tambahkan 0,425 gram Na2CO3 sebagai buffering agent - tambahkan 43,35 ml NH4OH sebagai katalis - tambahkan 53,23 gram urea kemudian aduk secara teratur hingga tampak homogen - panaskan larutan secara perlahan sampai mendidih - setelah mendidih, akan terjadi refluks - stelah terjadi refluks, atur temperatur heatet menjadi 65 °C - panaskan selama 3 jam sejak terjadi refluks pertama - setelah 3 jam, ambil larutan secukupnya kemudian dimasukkan dalam wadah tahan panas misalnya cawan penguap - masukkan larutan dalam cawan penguap ke dalam oven dengan temperatur pemanasan sekitar 120 °C selama 24 jam hingga larutan mengeras membentuk resin
6.6. Data Hasil Pengamatan Tabel 6.6.1. Data Pengamatan Reaksi No
Perlakuan
Pengamatan
1.
H2CO + Na2CO3H2O
2.
A + NH4OH
3.
B + urea
4.
C lar.D (hingga mendidih)
- Terdapat gelembung - warna keruh
D lar.E suhu 65 C selama 3 jam
Warna keruh
Tidak ada perubahan warna
Lar.E dioven pada suhu 120C selama 1 jam
Larutan E menjadi mulai sedikit mengental
Mulai nampak bentuk resin urea formaldehid
Lar.E di teruskan dioven pada suhu 120C selama 6 jam
Larutan E benarbenar mengental
Terbentuk resin ureaformaldehid
Lar.E dicuplik dan didiamkan pada suhu ruang
Larutan E yang semula kental menjadi sangat keras
Terbentuk resin ureaformaldehid
lar.A Agak keruh
lar.B lar.C
Agak keruh Keruh
Kesimpulan Terjadi perubahan warna Tidak terjadi perubahan warna Terjadi perubahan warna - Air sudah mendidih - tidak ada perubahan warna
Tabel 6.6.2. Data Pengamatan Gambar No.
Gambar
Keterangan
1.
Setelah pecampuran seluruh bahan, larutan urea-formaldehid akan dipanaskan dengan menggunakan hotplate pada suhu 70 oC hingga mendidih. Hal ini dilakukan agar larutan tidak menguap dan tidak membutuhkan waktu yang lama pada saat penurunan suhu konstan 65 oC.
2.
Pada proses refluks, terjadi tahap metilolasi dan tahap propagasi. Pada tahap metilolasi terjadi reaksi adisi formaldehid pada gugus amino dan gugus amida dari urea yang menghasilkan metilol urea. Sedangkan, pada tahap propagasi terjadi reaksi kondensasi dari monomer-monomer urea-formaldehid dan dimetilol urea yang akan membentuk polimer rantai lurus.
3.
Setelah melalui proses refluks, larutan dituangkan kedalam cetakan dan dipanaskan dalam oven pada suhu 120 oC. Didalam oven urea-formaldehid melalui tahap terakhir yaitu proses curing. Pada proses curing gugus –OH dari metilol bereaksi dengan –H dari –NH2 atau –NH urea dan menghasilkan H2O. Reaksi ini yang membentuk polimer ureaformaldehid, 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.
4.
Setelah dipanaskan di oven, larutan dalam cetakan dikeluarkan. Pada proses ini terjadi adanya ikatan rantai cabang (network) karena reaksi crosslink membuat polimer yang terjadi semakin keras.
6.7. Persamaan Reaksi (urea)
(formaldehid)
(monomer urea-formaldehid)
(monomer urea-formaldehid)
(polimer urea-formaldehid)
(air)
6.8. Pembahasan - Reaksi kondensasi yang terjadi pada pembuatan urea-formaldehid adalah reaksi kondensasi antara unit monomer yang disertai pembebasan H2O untuk membentuk sebuah dimer, sebuah rantai polimer, atau sebuah jaringan polimer yang kompleks. Reaksinya adalah: - 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. - Katalis NH4OH digunakan pada reaksi urea formaldehid karena pada reaksi tersebut terjadi pada suhu diatas 70 oC. - Na2CO3 digunakan sebagai buffer yang berfungsi untuk menjaga kondisi pH reaksi agar tidak berubah tiba-tiba secara drastis. - Refluks digunakan untuk mempercepat terjadinya reaksi dengan pemanasan tanpa mengurangi volume zat yang bereaksi, sebab pelarut yang menguap dapat terkondensasi dengan adanya kondensor tegak pada rangkaian refluks. - Dimasukkan ke dalam oven agar mempercepat proses pengentalan dan pengeringan resin urea-formaldehid.
6.9. Kesimpulan - Dalam pembuatan urea-formaldehid terjadi reaksi antara urea dan formalin dengan penambahan larutan NH4OH sebagai katalis dan larutan Na2CO3 sebagai buffer. Kemudian melalui proses refluks dan pengeringan di oven diperoleh resin urea-formaldehid.
VI. Urea Formaldehida 1. Penentuan jumlah formaldehida formalin = 1,079 g/mL V = 100 mL massa formalin = 100 × 1,079 = 107,9 gram jika larutan formalin 37% massa formaldehid = 0,37 × 107,9 = 39,923 gram mol formaldehid
= = = 1,331 mol
2. Penentuan jumlah urea misal F/U = 1,65 mol urea = 0,806 mol massa urea = n × Mr = 0,806 × 66 = 53,23 gram 3. Katalis dan Buffer Diketahui : massa katalis 5% masa total massa buffer 5% masa katalis massa NH4OH yang digunakan adalah 21% W/W ρ NH4OH
= 0,05 X = 0,05 . 0,05 X = 40,48 gram = 0,934 g/cm3
Ditanya : Massa total bahan (X), V NH4OH, dan Massa Na2CO3.....? Penyelesaian - X = massa (formalin + urea + katalis + buffer) X = 107,9 + 53,23 + 0,05 X + 0,05 .0,05 X 0,9475 X = 161,13 X = 170,058 gram - V NH4OH
=
ρ
= = 43,35 mL
- Massa Na2CO3
= 0,05 . 0,05 X = 170,058 = 0,425 gram
DAFTAR PUSTAKA Amanda, Bernadeta Ariane. 2010. Pembuatan mikrokapsul dari urea-formaldehid, Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik UGM. Yogyakarta. Felixon, Kandy. 2011. Penelitian Terhadap Pengembangan Penggunaan Material Plastik (Polikarbonat) Pada Selubung Bangunan, Jurusan Arsitektur, Fakultas Teknik Universitas Tarumanagara. Palembang. Hart, Harold., Leslie E. Craine, & David J. Hart. 2003, Kimia Organik Suatu Kuliah Singkat, Erlangga, Jakarta. Resin Urea-Formaldehid” http://www.id.wikipedia.org diakses 13 Desember 2013. S. Riswiyanto. Kimia Organik, Erlangga, Jakarta. Sari, Nasmi Herlina. 2011. Ketahanan bending komposit hybrid serat batang kelapa/serat gelas dengan matrik urea formaldehyde, Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Mataram. Lombok.
