Teknologi Polimer Departemen Departemen Teknik Kimia Kimia FT USU
SELULOSA ASETAT Serat selulosa ester yang paling umum digunakan yaitu selulosa asetat, sebuah selulosa yang mengalami reaksi asetilasi parsial. Serat ini banyak digunakan dalam bidang tekstil karena harganya harganya yang ekonomis, ekonomis, warna terang dan variasi sifat yang beraneka beraneka ragam. Penggunaan Penggunaan terbesar serat selulosa selulosa ini yaitu sebagai sebagai serat material pada filter rokok. rokok. Serat selulosa selulosa triasetat atau yang dikenal dikenal sebagai sebagai selulosa selulosa asetat primer merupak merupakan an selulosa selulosa dengan dengan asetilasi asetilasi sempurn sempurna. a.
Gambar 7. Plastik dengan Pengisi Selulosa Asetat (www.art-social.com) Perbedaannya yaitu terletak pada struktur penyusun. Selulosa asetat memiliki dua atau lebih gugus hidroksil, sedangkan triasetat tidak memiliki gugus hidroksil dalam strukturnya. Meskipun sifat serat berbeda, dan lebih unggul bila dibandingkan dengan dengan selulo selulosa sa asetat, asetat, pengg penggunaa unaan n triaseta triasetatt tidak tidak terlalu terlalu menonjo menonjoll dikaren dikarenakan akan pertimbangan pertimbangan pada segi segi lingkung lingkungan an dalam pembuatan pembuatan serat. serat.
Gambar 8. Struktur Selulosa Asetat (Kirk Othmer, 1998)
Page | 7
Teknologi Polimer Departemen Departemen Teknik Kimia Kimia FT USU
Gambar 9. Struktur Selulosa Triasetat (Kirk Othmer, 1998) SIFAT DAN KARAKTERISTIK SERAT SELULOSA ASETAT
Asetat merupakan serat berharga yang dibuat dengan biaya rendah dan kualitas mengalungkan yang baik. Sifat dari asetat membuat serat ini dikenal sebagai serat yang bagus. Asetat digunakan dalam proses pembuatan kain seperti kain satin, kain brokat, brokat, dan kain kain taffeta taffeta untuk menonjolkan menonjolkan sifat yang yang cantik dan baik. baik. Karakteristik dari serat asetat : •
Bersifat selulosa dan termoplastik
•
Absorpsi selektif dan penghilangan zat organik tingkat rendah
•
Dapat berikatan dengan plasticizers, tahan terhadap panas dan tekanan
•
Dapat Dapat larut larut dalam dalam berbag berbagai ai pelarut pelarut (terutam (terutamaa aseton aseton dan beberap beberapaa pelarut pelarut organik lainnya)
•
Bersifat hidrofilik; asetat mudah basah dengan perpindahan cairan yang baik dan absorpsi yang bagus; dalam keadaan kering ketahanan asetat berkurang
•
Serat asetat bersifat hipoalergenik
•
Luas permukaan yang tinggi
•
Dibuat dari sumber yang dapat diperbaharui : pulp kayu
•
Dapat dijadikan kompos dan diinsinerasi
•
Lemah terhadap larutan alkali kuat dan agen oksidator kuat.
PEMBUATAN SELULOSA ASETAT DAN TRIASETAT
Produk Produksi si polimer polimer asetat asetat dan triasetat triasetat dilaku dilakukan kan dengan dengan proses proses esterifik esterifikasi asi selulosa murni dengan asetat anhidrida; pulp kayu merupakan sumber utama selulosa. Selulosa yang digunakan harus memiliki tingkat kemurnian tinggi. Hal ini dilakukan dengan tujuan untuk mendapatkan kelarutan polimer yang besar untuk pembuatan serat karena pengotor hemiselulosa membentuk gel yang tidak diinginkan. Pulp kayu yang terasetilasi memiliki kandungan alfa selulosa sebesar 95-98%. Kebanya Kebanyakan kan selulos selulosaa asetat asetat dibuat dibuat berdas berdasark arkan an proses proses pelarut pelarutan. an. Selulos Selulosaa diasetilasi dengan asetat anhidrida (CH 3CO)2, sebagai solven digunakan asam asetat Page | 8
Teknologi Polimer Departemen Departemen Teknik Kimia Kimia FT USU (CH3COOH) COOH) dan katal katalis is asam asam sulfat sulfat (H2SO4). Proses kedua yang digunakan, yaitu metil metilen en klor klorida ida meng mengga ganti ntika kan n asam asam aset asetat at sebag sebagai ai solv solven en dan dan seba sebaga gaii katali kataliss digunakan asam perklorat. Proses larutan terdiri atas empat tahap : (1) penyediaan selulosa untuk asetilasi; (2) asetilasi; (3) hidrolisis; (4) pemulihan polimer selulosa asetat dan pelarut Skema proses pembuatan selulosa asetat diberikan pada gambar berikut :
Gambar 10. Skema Pembuatan Selulosa Asetat (Kirk Othmer, 1998) 1. Penyed Penyediaa iaan n selulos selulosa a untuk untuk aset asetilas ilasii
Pulp kayu disuplai dalam sebuah roll dengan beban 300 kg. Lembaran pulp harus harus terdis terdispe pers rsii tanp tanpaa merus merusak ak serat serat indiv individu idual al untu untuk k meng menghas hasilk ilkan an luas luas permukaan permukaan yang cukup untuk asetilasi asetilasi sempurna. sempurna. Beberapa Beberapa pembuatan pembuatan menggunakan disk refiner , ada juga yang menggunakan metoda basah. Dalam satu Page | 9
Teknologi Polimer Departemen Departemen Teknik Kimia Kimia FT USU contoh, untuk meningkatkan pencapaian proses, maka pulp-pulp halus ( fluffed ( fluffed ) diaduk dengan campuran asam asetat-air selama 1 jam pada temperatur 25-40 oC. Tahap Tahap aktivas aktivasii termas termasuk uk dalam dalam proses proses katalis katalis rendah rendah dengan dengan mengg menggunak unakan an campuran campuran asam asetat-asam asetat-asam sulfat dengan dengan konsentrasi konsentrasi asam sulfat 1-2% dari berat pulp. Tahap aktivasi berlangsung berlangsung selama 1-2 jam dimana derajat polimerisasi polimerisasi dari selu selulo losa sa berk berkur uran ang. g. Peng Pengon ontr trol olan an wakt waktu u akti aktiva vasi si dan dan temp temper erat atur ur dapa dapatt menghasilkan derajat polimerisasi yang diinginkan. Pulp kemudian diumpankan ke reaktor asetilasi setelah tahap pengolahan awal dan aktivasi. 2. Asetilasi
Esterifikasi selulosa dengan asetat anhidrida membebaskan panas 1.03 kJ/g selu selulo losa sa dan dan reak reaksi si aset asetat at anhi anhidr drid idaa deng dengan an air air dari dari taha tahap p pret pretre reat atme ment nt menghasilkan panas 3.3 kJ/g air. Oleh karena itu, heat sink dibutuhkan sink dibutuhkan untuk dua reaksi eksotermik eksotermik yang terdapat pada proses asetilasi. Pada asetilasi asetilasi katalis tinggi, panas terbentuk terbentuk dengan dengan sangat sangat cepat dan sebuah sebuah bejana berjaket tidak menyed menyediaka iakan n kapasi kapasitas tas pendin pendingin ginan an yang yang tidak tidak mencuk mencukupi. upi. Maka, Maka, campura campuran n asetilasi sedikit didinginkan di bejana terpisah yang dinamakan dengan crystallizer sehingga beberapa asam asetat membeku. Hal ini sangat penting dalam tahap awal asetilasi, dimana bila terdapat sedikit kenaikan temperatur akan mengurangi derajat polimerisasi. polimerisasi. Ketik etikaa aset asetil ilas asii tela telah h sia siap, maka aka camp campu uran ran dita ditam mbahk bahkan an air air untu ntuk menghilangkan anhidrida yang berlebihan dan membuat konsentrasi air sebesar 510% untuk hidrolisis. Konsentrasi selulosa asetat yang didapat sekitar 10-25%. Semua proses asetilasi komersial bersifat heterogen. Proses homogen dengan bahan baku baku serpihan pulp pulp ( flaked pulp) pulp) akan membuat kualitas produk asetat lebih baik meskipun meskipun kerugiannya kerugiannya terletak terletak pada pada biaya pemulihan pemulihan pelarut. pelarut. 3. Hidro drolis lisis
Jumlah Jumlah gugus gugus asetil asetil yang yang terdapat terdapat pada pada setiap setiap unit unit anhidro anhidroglu glukos kosaa pada pada kekomplitan reaksi asetilasi yaitu kurang dari 3.0 dan harus dikurangi hingga 2.4 untuk membuat selulosa asetat sekunder yang dapat larut dalam aseton. Jumlah gugu guguss aset asetil il diku dikuran rangi gi dan dan gugu guguss sulfa sulfatt yang yang berga bergabu bung ng diku dikura rang ngii deng dengan an hidrolisis asam dengan pengaruh pengontrolan waktu, temperatur dan keasaman. Gugus sulfat yang lebih mudah terhidrolisis daripada gugus asetil meningkatkan keasam keasaman an reaksi. reaksi. Tempera Temperatur tur hidrolis hidrolisis is berkisa berkisarr 50-10 50-100 0oC dan dan wakt waktu u reak reaksi si bervariasi bervariasi dari 1 hingga hingga 24 jam. Hidrolisis juga dapat dilakukan dilakukan pada kondisi kondisi lain. Sebagai contoh, ketika dilakukan pada temperatur yang lebih tinggi, akan terjadi degradasi terhadap polimer dan yield produk yang berkurang.
Page | 10
Teknologi Polimer Departemen Departemen Teknik Kimia Kimia FT USU 4.
Pemulihan Polimer
Pengendapan, pencucian, dan pengeringan merupakan tahap terakhir dalam pembuatan pembuatan polimer. Pengendapan Pengendapan dimulai dengan menghidrolis menghidrolisis is larutan selulosa asetat dengan asam asetat encer (10-15%) hingga mencapai titik pengendapan. Asam asetat yang encer ditambahkan secepat mungkin dan segera diaduk. Untuk memperoleh bubuk endapan, larutan yang diaduk kemudian diencerkan sampai endapan endapan terbent terbentuk. uk. Proses Proses lain lain melibat melibatkan kan ekstrus ekstrusii dari larutan larutan terhidro terhidrolisi lisiss ke dalam dalam larutan larutan asam; asam; proses proses ini kemudi kemudian an memben membentuk tuk untaian untaian halus halus yang bila dipotong akan membentuk pelet. Endapan selulosa asetat kemudian disaring dari asam asetat encer (25-36%). Asam Asam aset asetat at dan dan garam garam yang yang tersi tersisa sa dari dari netra netralis lisas asii asam asam sulfa sulfatt kemu kemudia dian n dihilangkan dengan pencucian. Polime Polimerr basah basah kemudia kemudian n dikerin dikeringka gkan n hingga hingga mencapa mencapaii kelemb kelembaban aban 1-5%. 1-5%. Asam Asam aset asetat at ence encerr yang yang kemu kemudi dian an dida didapa patk tkan an dari dari taha tahap p penc pencuc ucia ian n dan dan pengendapan pengendapan tidak dapat digunakan digunakan untuk proses proses lainnya. lainnya. Faktor Faktor pemulihan pemulihan dan daur ulang merupakan keperluan ekonomi. Polime Polimerr asetat asetat dan triasetat triasetat merupa merupakan kan padatan padatan amorf amorf putih putih dalam dalam bentuk bentuk glanular, glanular, serpihan, bubuk bubuk dan serat. Polimer Polimer ini digunakan sebagai sebagai bahan baku baku dalam pembuatan serat, film, dan plastik. Densitas polimer bervariasi dari 100 kg/m3 untuk bentuk serat hingga 500 kg/m 3 untuk bentuk granula. 5. Pem Pemulih lihan Asa Asam m
Sekitar 4.0-4.5 kg asam asetat per kg selulosa asetat digunakan dalam proses larutan; 0.5 kg digunakan untuk produk dan sisanya 3.5-4.0 kg dipulihkan sebagai larutan larutan dengan dengan kandun kandungan gan asam asam asetat asetat 25-35% 25-35%.. Larutan Larutan ini juga juga mengan mengandun dung g garam terlarut dari netralisasi asam sulfat yang larut dan selulosa berat molekul rendah dan hemiselulosa asetat. Asam asetat dipulihkan dari aliran asam lemah dengan ekstraksi pelarut dengan solven seperti etil asetat atau metil etil keton. Hasil Hasil ekstrak ekstrak kemudi kemudian an diumpa diumpanka nkan n ke kolom kolom distilas distilasii dan fasa rafinat rafinat yang yang meng mengan andu dung ng garam garam anor anorga gani nik k diamb diambil. il. Ekst Ekstrak raksi si pelar pelarut ut di dist distila ilasi si dan dan meninggalkan sisa asam asetat glasial.
PEMBUATAN SERAT SELULOSA ASETAT DAN TRIASETAT 1. Pros Proses es Ek Ekst stru rusi si
Larutan polimer diubah ke bentuk fiber dengan ekstrusi. Proses ekstrusi kering atau dry spinning merupakan proses utama dalam asetat dan triasetat. Pada operasi ini, larutan polimer dalam pelarut volatil dipaksa melalui sejumlah orifis paralel ke kabinet yang berisi udara hangat; serat dibentuk dengan penguapan pelarut. Dalam ekstrusi basah, larutan polimer dipaksa melalui spinneret ke sebuah cairan yang Page | 11
Teknologi Polimer Departemen Departemen Teknik Kimia Kimia FT USU mengko mengkoagu agulas lasikan ikan filamen filamen dan menghi menghilan langka gkan n pelarut pelarut.. Dalam Dalam ekstrus ekstrusii leleh, leleh, lelehan polimer dipaksa melalui multihole die ke udara yang akan mendinginkan untaian benang menjadi filamen. Proses ekstrusi kering terdiri atas empat operasi : pelarutan polimer dalam pelarut volatil; penyaringan penyaringan larutan untuk menghilangk menghilangkan an material tidak larut; ekstrus ekstrusii larutan larutan untuk untuk memben membentuk tuk serat; serat; dan peluma pelumasan san,, pemben pembentuk tukan an rajutan rajutan benang (yarn formation formation), ), dan penge pengepakan. pakan. 2. Pela Pelaru ruta tan n Poli Polim mer
Kons Konsen entr tras asii opti optimu mum m untu untuk k spin spinni ning ng laru laruta tan n aset asetat at berg bergan antu tung ng pada pada keseimbangan antara konsentrasi padatan tertinggi dengan produk larutan yang memiliki memiliki viskositas viskositas besar. Meskipun Meskipun konsentrasi padatan yang tinggi membentuk membentuk serat dengan sifat yang baik tetapi akan mengurangi jumlah pelarut yang akan dipulihkan. Solven dengan komposisi aseton 95% dan air 5% serta kandungan padatan polimer polimer 20-30% 20-30% bergantung bergantung pada berat molekul molekul polimer. polimer. Viskositas Viskositas larutan pada temperatur ruangan sekitar 100-300 Pa.s Selulosa triasetat kurang larut dalam aseton dan solven lain yang umumnya digunakan untuk proses ekstrusi kering yaitu hidrokarbon terklorinasi, metil asetat, asam asetat, dan dimetil sulfoksida. Polimer Polimer asetat dan triasetat diumpankan diumpankan ke pencampur pencampur beban berat bersamaan deng dengan an solve solven n dan dan sebu sebuah ah alat alat filte filterr sepe seperti rti serat serat kayu kayu-pu -pulp lp.. Kons Konsen entra trasi si,, tempe temperat ratur ur,, dan dan keho kehomo moge genan nan penca pencamp mpur uran an meru merupak pakan an fakto faktorr yang yang perlu perlu dikon dikontro trol. l. Untu Untuk k serat serat yang yang puda pudar, r, sekit sekitar ar 1-2% 1-2% pigm pigmen en titan titaniu ium m dioks dioksida ida ditambahkan dalam proses pencampuran atau injeksi setelah proses filtrasi. 3. Peny Penyar arin inga gan n Laru Laruta tan n
Larutan polimer, yang bebas dari selulosa tak terasetilasi, mengandung partikel kontaminan kaku dan pengotor harus melewati spinneret dengan diameter lubang 30-80 um. Partikel yang tidak diinginkan seperti hemiselulosa asetat yang terdapat pada pengoto pengotorr selulosa selulosa cenderung cenderung ditipiskan ditipiskan daripada daripada dihilangkan. dihilangkan. 4. Ekstrusi
Filtrat Filtrat yang yang berupa berupa larutan larutan polime polimerr terpana terpanaska skan n kemudia kemudian n diumpa diumpanka nkan n ke spinneret untuk ekstrusi pada volume konstan. Spinneret merupakan bahan dari stainless steel dan mengandung tiga belas hingga ratusan lubang untuk membentuk serat sesuai ukuran dan bentuk yang diinginkan. Sebelum masuk ke spinneret, larutan ekstusi yang dinamakan dope dipanaskan untuk mengurangi viskositas dan menyediakan panas untuk menyorotkan solven dari filamen filamen yang yang terekstr terekstrusi usi.. Laruta Larutan n polime polimerr yang yang panas panas menyat menyatu u seketik seketikaa filamen dari spinneret masuk ke kolom dengan udara kering. Pemanasan dengan Page | 12
Teknologi Polimer Departemen Departemen Teknik Kimia Kimia FT USU udara udara kering kering akan akan membua membuatt solven solven mengua menguap. p. Sekitar Sekitar 80% dari solven solven dapat dapat dihilangkan dalam pemanasan ini. Aliran udara dapat bersifat searah (cocurrent) dan berlawanan arah (counter current) terhadap pergerakan serat. Solven yang digunakan untuk membentuk dope diuapkan ketika proses ekstrusi berlangsung berlangsung dan dan harus dipulihka dipulihkan. n. Hal ini biasanya biasanya menggunakan menggunakan metoda metoda adsorbsi adsorbsi dengan karbon aktif atau kondensasi. Untuk pemurnian akhir, solven kemudian didistilasi. KEGUNAAN UTAMA SELULOSA ASETAT •
•
Bidang Pakaian : tombol, kacamata hitam, pelapis, blus, gaun, pernikahan dan pakaian pesta, perabot perabot rumah, gorden, gorden, kain pelapis dan dan penutup penutup slip. slip. Penggunaan bidang industri : rokok dan filter lainnya, tinta untuk pena dengan ujung serat
Gambar 11. Ujung Pen dengan Bahan Selulosa Asetat (www.art-social.com)
Gambar 12. Filter Rokok (www.tokorokok.com) •
Produk dengan daya serap tinggi : popok dan produk bedah.
•
Mainan Produk Lego
Gambar 13. Mainan Lego (www.brickset.com)
Page | 13
