BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang 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 relatif 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 komponenkomponen yang bersifat saling menguatkan sehingga dihasilakn 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. Pada praktikum ini akan dipelajari pengaruh beban rasio urea-formaldehid pada pembentukan resin. Untuk itu digunakan variasi perbandingaan formaldehid dan urea (F/U). 1.2 Tujuan Percobaan Tujuan dari percobaan ini adalah untuk mempelajari pengaruh perubahan kondisi reaksi antara urea dan formalin pada kecepatan reaksi dan hasil reaksi pada tahap intermediate .
1
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Urea Urea ditemukan pertama kali oleh Hilaire Roulle pada tahun 1773. Senyawa ini merupakan senyawa organik pertama yang berhasil disintesis dari senyawa anorganik. Urea adalah senyawa organik yang tersusun dari unsur karbon, hidrogen, oksigen dan nitrogen dengan rumus CON2H4 atau (NH2)2CO. Urea juga dikenal dengan nama carbamide yang terutama digunakan di kawasan Eropa. Nama lain yang juga sering dipakai adalah carbamide resin, isourea, carbonyl diamide dan carbonyldiamine. Urea ( karbamida ) adalah senyawa turunan dari asam karboksilat yang mengikat gugus amida.Urea disintesis di industri dari amonia dan karbon dioksida untuk digunakan sebagai bahan dalam sintesa polimer , obat – obatan , sumber nitrogen non-protein bagi ternak ruminansia , dan untuk pupuk nitrogen 2.2. Formaldehid Formaldehid mempunyai rumus HCHO dengan nama IUPAC Metanal dan mempunyai titik didih sebesar -21oC dan titik leleh sebesar -117oC. Formaldehida pertama kali disintesa oleh kimiawan yang berasal dari Rusia pada tahun 1859 yang bernama Aleksander Butlerov, tetapi didefinisikan oleh Hoffman pada tahun 1867. Di pasaran, formalin bisa ditemukan dalam bentuk yang sudah diencerkan, dengan kandungan formaldehid 10-40 persen. Sifat-sifat Formalin meskipun formaldehida menampilkan sifat kimiawi seperti pada umumnya aldehida, senyawa ini lebih reaktif daripada aldehida lainnya. Formaldehida merupakan elektrofil, bisa dipakai dalam reaksi substitusi aromatik elektrofilik dan sanyawa aromatik serta bisa mengalami reaksi adisi elektrofilik dan alkena. Dalam keberadaan katalis basa, formaldehida bisa mengalami reaksi, menghasilkan asam format dan metanol. Formaldehida bisa membentuk trimer siklik, 1,3,5-trioksana atau polimer linier polioksimetilena. Formasi
2
zat ini menjadikan sifat-sifat gas formaldehida berbeda dari sifat gas ideal, terutama pada tekanan tinggi atau udara dingin. Formaldehida bisa dioksidasi oleh oksigen atmosfer menjadi asam format, karena itu larutan formaldehida harus ditutup serta diisolasi supaya tidak kemasukan udara. Dalam industri, formaldehid dibuat dengan cara oksidasi dari metanol. Larutan 37% formaldehid dalam air (dengan metanol sebagai zat pengstabil) disebut formalin dengan berat molekul 30,03 gram/mol dan densitas 1,10 gr/ml. Dipasaran formaldehida dijual dalam bentuk larutan dengan kadar antara 10%-40%.Formaldehida dapat menghasilkan resin termoset yang keras, biasanya dipakai sebagai lem permanent, misalnya untuk kayu lapis/triplek dan karpet. Formalin dipakai sebagai desinfektan, insektisida, larutan pengawet mayat, sedangkan dalan industri digunakan sebagai bahan peledak, resin, plastik, tekstil, dan zat warna. Sifat fisika dan kimia : - Tampilan: cairan jernih (tidak berwarna) - Bau: berbau menusuk, keras - Kelarutan: sangat larut - Berat jenis dan pH: 1.08 dan 2.8 - Volatilasi (21oC): 100 - Titik didih dan titik cair: 96oC dan –15oC - Kepadatan uap (1 atm): 1.04 - Tekanan Uap: 1.3 @ pada 20oC 2.3. Urea Formaldehid Di laboratorium, urea formaldehid resin yang dibuat dengan memperlakukan urea dengan formaldehida dalam media basa atau netral untuk menghasilkan urea dimetilol, yang kemudian mengalami polikondensasi, proses kimia yang menghasilkan polimer, ketika dipanaskan dalam suatu medium asam. Resin ini terutama digunakan sebagai perekat dalam density fiberboard industri menengah (MDF) karena dapat diproduksi
3
dengan biaya yang sangat rendah dari bahan baku mudah tersedia. MDF digunakan untuk pembuatan mebel, panel lantai, bahan bangunan dalam ruangan, dan banyak lagi. Resin urea-formaldehid merupakan produk yang sangat penting saat ini di bidang plastik, pelapisan dan perekat. Hasil reaksi antara urea dan formaldehida adalah resin yang termasuk ke dalam golongan thermosetting, artinya mempunyai sifat tahan terhadap asam, basa, tidak dapat melarut dan tidak dapat meleleh. Di bidang plastik, resin urea formaldehid merupakan bahan pendukung resin fenolformaldehid yang penting karena dapat memberikan warna-warna terang. Selain itu, laju pengerasan pada temperatur kamar yang cepat membuat resin ini cocok digunakan sebagai perekat. Reaksi antara urea dan formaldehid yang menghasilkan resin urea-formadehid merupakan salah satu contoh reaksi polimerisasi yang dapat dipelajari dengan mudah dan sederhana di laboratorium. Melalui percobaan ini, praktikan diharapkan dapat memahami proses polimerisasi seperti pembentukan monomer/dimer dan pembentukan rantai polimer, khususnya yang melibatkan reaksireaksi yang terlibat dalam pembentukan resin urea-formaldehid. 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. Reaksi ureaformaldehid pada pH di atas 7 adalah reaksi metilolasi, yaitu adisi formaldehid pada gugus amino dan amida dari urea, dan menghasilkan metilol urea. Pada tahap metilolasi , urea dan formaldehid bereaksi menjadi metilol dan dimetil urea. Rasio dari senyawa mono dan dimetilol yang terbentuk bergantung pada rasio formaldehid dan urea yang diumpankan. Reaksi berlangsung pada kondisi basa dengan amoniak (NH4OH) sebagai katalis dan Na2CO3 sebagai buffer. Buffer ini berfungsi menjaga kondisi pH reaksi agar tidak berubah tiba-tiba secara drastis. Faktor – faktor yang dapat mempengaruhi reaksi kondensasi urea formaldehid adalah : •
Perbandingan umpan Umumnya, Perbandingan mol umpan (formalin/urea) yang digunakan pada percobaan ini adalah 1,6 dimana perbandingan umpan berada pada batas standar
4
yang ditentukan, perbandingan umpan harus berada dalam range antara 1,25 – 2,0 hal tersebut dimaksudkan agar mempermudah analisis baik analisis densitas, viskositas, kadar resin dan formalin bebas. Besarnya perbandingan mol umpan formalin dengan urea sangat mempengaruhi pada produk (polimer) yang dihasilkan, bila perbandingan umpan kurang dari 1,25 maka resin yang dihasilkan memiliki kadar formalin yang rendah dan menghasilkan polimer yang kekerasan dan kepadatannya rendah, sedangkan bila perbandingan umpan lebih dari 2 maka resin yang dihasilkan memiliki kadar formalin yang tinggi dan menghasilkan polimer yang kekerasan dan kepadatannya tinggi. •
Pengaruh pH Kondisi reaksi sangat berpengaruh terhadap reaksi atau hasil reaksi selama proses kondensasi polimerisasi terjadi. Dalam suasana asam akan terbentuk senyawa Goldsmith dan senyawa lain yang tidak terkontrol sehingga molekul polimer yang dihasilkan rendah. Senyawa Goldsmith :
H
H
N
CH2
N
CH2OH
C
O
C
O
N
CH2
N
H
Gambar 2.3.1. Rumus Senyawa Goldsmith
5
Senyawa Goldsmith tidak diinginkan karena mempunyai rantai polimer lebih pendek tetapi stabil terhadap panas. Dalam suasana basa kuat, formaldehid akan bereaksi secara disproporsionasi dimana sebagian akan teroksidasi menjadi asam karboksilat dan sebagian tereduksi menjadi alkohol. Reaksi yang terjadi adalah : 2H
CO H
formaldehid •
+ OH-
H CO O + CH3OH
basa kuat
asam karboksilat
alkohol
Katalis Katalis adalah zat yang meningkatkan laju reaksi kimia tetapi zat itu tidak mengalami perubahan kimia yang permanent. Katalis menimbulkan lindasan alternatif bagi jalannya reaksi, dengan energi aktivasi yang lebih rendah. Katalis yang biasa digunakan dalam percobaan ini adalah NH3. Pada proses curing nitrogen berperan sebagai penyerap panas
•
Temperatur reaksi Temperatur reaksi tidak boleh melebihi titik lelehnya karena dimetilol urea yang terjadi akan kehilangan air dan formaldehid. Menurut Kadowaki dan Hasimoto, temperatur optimum reaksi adalah 85oC. Sedangkan titik lelehnya menurut De Chensne adalah 150 oC. Dan menurut Einhorn adalah 126 oC. Kenaikan temperatur akan mempercepat laju reaksi, hal ini dapat ditunjukkan dengan persamaan Arrhenius yaitu : K = A e-Ea/RT
•
Buffer
Buffer ( larutan penyangga ) adalah larutan yang dapat menahan perubahan pH larutan bila asam atau basa ditambahkan, atau bila larutan diencerkan. Buffer ini berpengaruh untuk menjaga agar reaksi tetap berlangsung pada rentang pH antara 8 sampai 10 sehingga reaksi dapat berjalan stabil. Buffer yang dipakai dalam percobaan ini adalah
6
Na2CO3.H2O . Larutan buffer mengandung suatu komponen asam atau basa yang tidak saling bereaksi. Sehingga ion H+ atau OH- yang lepas akan digantikan oleh larutan buffer, meskipun pergantiannya tidak maksimum. •
Kemurnian zat umpan Zat umpan yang digunakan harus murni karena adanya zat pengotor dikhawatirkan akan mempengaruhi terbentuknya polimer atau terjadinya reaksi samping .
Pembuatan produk-produk urea formaldehid pada prinsipnya melalui tiga tahap yaitu : 1. Tahap intermediate Merupakan suatu tahap untuk mendapatkan resin yang masih berupa larutan dan larut dalam air atau pelarut lainnya. Pada tahap ini reaksi metilolasi tergantung pada jumlah perbandingan antara urea dan formalin yang digunakan. 2. Tahap persiapan Pada tahap ini resin merupakan produk dari tahap intermediate yang dicampurkan dengan bahan lain. Penambahan bahan akan menentukan produk akhir dari polimer. 3. Tahap curing Tahap curing merupakan tahap akhir dari polimerisasi. Pada tahap ini dilakukan pemanasan dan akhirnya resin diubah sifatnya menjadi thermosetting yang mempunyai sifat tidak dapat larut, tidak dapat meleleh dan tahan terhadap asam dan basa. Dalam pecobaan ini resin formaldehid termasuk jenis termosetting resin yang mempunyai sifat : 1. Tahan terhadap panas 2. Tahan terhadap asam dan basa 3. Tidak melarut 4. Tidak mudah meleleh
7
Reaksi formaldehid yang berlangsung pada pH antara 8 sampai 10 merupakan reaksi metilolasi, yaitu reaksi formaldehid pada gugus amino dari urea yang menghasilkan metilol urea. Reaksi ini berlangsung dalam suasana basa lemah, karena itu harus dilakukan pengontrolan pH yang hati – hati karena turunan metilol berkondensasi secara cepat dalam suasana asam. Pengaturan suasana basa ini dapat dilakukan dengan penambahan amonia, larutan NaOH dalam air . Mula-mula polimer yang dihasilkan mempunyai rantai lurus dan masing-masing dapat larut dalam air. Proses polimerisasi mulai membentuk rantai tiga dimensi dan kelarutannya dalam air semakin berkurang. Rantai tiga dimensi ini merupakan salah satu perbedaan antara termosetting dan termoplastik. Perbedaan lainnya adalah bahwa resin termosetting tidak dapat didaur ulang (recycle) sedangkan termoplastik bisa didaur ulang. Reaksi yang terjadi adalah : CH2O + H2N - CO - NH2 HOCH2 - NH - CO - NH2 HOCH2 - NH - CO + CH2O HOCH2 - CO - NH - CH2OH Pada proses curing kondensasi tetap berlangsung untuk membentuk rantai tiga dimensi yang sangat kompleks dan menjadi termosetting resin. Reaksinya adalah : H2N - CO - NH - CH2OH + n H2N - CO - NH - CH2OH NCHN- CO - NH - CH2 + ( 2n+1) H2O Proses pembentukan resin Urea Formaldehid dapat di klasifasikan pada 2 tahap reaksi, yaitu : 1. Reaksi Metilolasi Langkah pertama pada pembentukan resin ini terjadi pencampuran urea dan formaldehid dalam suasana basa. Reaksi ini dikenal sebagai metilolasi atau hidroksi metilolasi. Reaksi ini berada dalam keadaan mono atau di yang dihasilkan dalam keadaan basa (pH 8-10). Reaksinya :
8
Gambar 2.3.2. Reaksi Metilolasi Urea Formaldehid Dalam suasana asam, metilol urea mengalami kondensasi menjadi UF resin. 2. Reaksi Polimerisasi Kondensasi Reaksi polimerisasi kondensasi adalah reaksi penggabungan monomer-monomer sejenis menjadi polimer, dimana setiap tahap selalu membentuk senyawa-senyawa antara yang stabil (dimer, trimer dst) dan selalu disertai pengeluaran molekul kecil. Dalam reaksi polimerisasi urea dalam formaldehid dalam fasa larutan, monomethilol urea yang terbentuk pada reaksi awal mengalami kondensasi membentuk senyawa rantai metilen. Penggabungan unit as-amino dengan rantai etilen akan dikatalisasi hanya dengan asam untuk memperbolehkan proses kondensasi menjadi butiran resin.
9
Gambar 2.3.4. Reaksi Kondensasi Urea Formaldehid Pengontrolan terhadap reaksi polimerisasi sangat penting dilakukan karena banyaknya polimer yang dapat terbentuk.Selain kondisi reaksi, waktu reaksi, kapan reaksi harus diberhentikan untuk mendapatkan produk polimer yang dikehendaki. Beberapa analisa yang dapat dilakukan yaitu : 1. Penentuan kadar formaldehida bebas 2. Penentuan pH larutan 3. Penentuan viskositas larutan 4. Penentuan densitas resin 5. Penentuan kadar resin 6. Penentuan Berat Molekul Anggapan-anggapan yang digunakan dalam percobaan ini antara lain : 1. Tidak ada reaksi samping. 2. Pengaruh pH sangat besar terhadap laju dan produk reaksi. Untuk menghindari reaksi samping maka kondisi pH harus dijaga antara 8 - 10.
10
3. Laju reaksi hanya bergantung pada konsentrasi formaldehida. Oleh karena itu dalam percobaan ini dilakukan analisa terhadap konsentrasi CH2O bebas. 4. Produk yang tinggal setelah pemanasan selama lebih kurang satu jam pada 140 o
C di dalam cawan adalah resin yang terbentuk.
2.4 Resin Urea Formaldehid Resin urea formaldehid adalah suatu polimer yang dihasilkan dari polimerisasikondensasi antara urea dengan formaldehid, dimana resin ini termasuk dalam kelas thermosetting resin yang mempunyai sifat tahan terhadap asam, tahan terhadap basa, dan tidak meleleh. Resin urea-formaldehid atau biasa disebut resin urea adalah resin termoset yang didapat lewat reaksi urea dan formalin, dimana urea dan formaldehid (37% formalin) bereaksi dalam alkali netral dan lunak. Untuk resin cetakan, ditambah 97-160 gram formalin 37% (1,2-2,0 mol sebagai formaldehid pada 60 gram (1 mol) urea), dan pH diatur sampai 7-8,5 dengan air ammonia, larutan natrium hidroksida dalam air, trietanolamin, dan sebagainya, dan biarkan reaksi berturut-turut untuk 2-3 jam pada suhu 40oC atau 1,0-1,5 jam pada 70oC. Larutkan kondensat awal yang didapat dalam heksametilentetramin 1-8% (heksamin), dan tambahkan 2948 gram bubur selulosa (α-selulosa) dan campurkan secukupnya untuk kira-kira 1 jam. Makin sedikit bubur selulosa yang terdapat sebagai pengisi, semakin transparan produk yang didapat, tetapi berkurang kekuatannya, menyusut lebih banyak dan lebih mudah retak. Resin campuran ini dikeringkan untuk 2-3 jam mulai 60oC sampai 90-95oC, didehidrasi dan dikondensasi. Bahan yang kering kemudian dibubukkan untuk 20-48 jam, lalu ditambahkan bahan pewarna, pemplastis, pengeras (asam oksalat, asam ftalat, amonium ftalat dan garam-garam lain). Di samping itu, bahan digunakan sebagai perekat, cat, pengubah kertas dan serat (formalin sisa dilarang menurut hukum). Resin urea sendiri lebih jelek dari pada resin fenol, resin melamin, dan sebagainya,dalam hal ketahanan air , kestabilan dimensi dan ketahanan terhadap penuaan, karena itu, beberapa bahan lain ditambahkan, atau
11
diproses menjadi kopolimer dengan fenol, melamin dan sebagainya, untuk memperbaiki sifat-sifat tersebut diatas dilakukan : a.Pencetakan Proses yang dipakai yaitu pencetakan tekan, pengalihan dan injeksi. Dalam pencetakan tekan, bahan diproses pada temperature cetakan 130-150oC, tekanan 150300 kg/cm2, selama 30-40 detik per 1 mm ketebalan dari benda cetakan. b. Penggunaan Bila benda cetakan kaku, tahan terhadap pelarut dan busur listrik, jernih dan dapat diwarnai secara bebas, maka bahan ini banyak digunakan untuk barang-barang kecil yang diperlukan sehari-hari seperti perlindungan cahaya, soket, alat-alat listrik, kancing, tutup wadah, kotak, baki dan mangkuk. Beberapa permasalahan yang masih ada yaitu ketahanan terhadap penuaan dan ketahanan terhadap air. Permintaan terhadap urea-formaldehid dewasa ini belum meningkat. Reaksi pembentukan resin urea formaldehid secara umum berlangsung dalam 3 tahap yakni inisiasi, propagasi (kondensasi), dan proses curing. 1.
Tahap metilolasi, yaitu adisi formaldehid pada gugus amino dan amida dari urea, dan menghasilkan metilol urea
2. Tahap selanjutnya propagasi, yaitu reaksi kondensasi dari monomer-monomer mono
dan dimetilol urea membentuk rantai polimer yang lurus 3.
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. Reaksinya adalah : H2N - CO - NH - CH2OH + n H2N - CO - NH - CH2OH NCHN- CO – NH CH2 + ( 2n+1) H2O
2.5. Polimer Polimer sudah menjadi material yang memenuhi kebutuhan hidup sehari-hari manusia. Polimer dapat menjadi bahan bermacam-macam alat kebutuhan manusis seperti
12
botol, tali, plastik, teflon, dan lainnya. Penggunaannya semakin digemari karena sifatnya yang ringan, tahan korosi, beberapa bahan relatif tahan asam, beberapa bahan relatif tahan sampai temperatur tinggi, dan kuat. Polimer adalah senyawa yang bermassa molekul relatif besar dan terdiri atas monomer-monomer. Polimer termoset dibuat dengan menggabungkan komponen-komponen yang bersifat saling menguatkan sehingga dihasilakn 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. 2.5.1. Berdasarkan Asal Polimer a. Polimer alam Jenis polimer ini terdapat pada makhluk hidup. Contoh dari polimer alam adalah protein, amilum, selulosa, karet alam, wol, sutera dan katun. Polimer alam mudah mengalami kerusakan yang disebabkan oleh mikroorganisme atau ulap/rayap. b. Polimer sintesis Jenis polimer ini terbentuk sebagai hasil reaksi dari bahan-bahan kimia. Contoh dari polimer sintesis ini adalah polivinilklorida (PVC), teflon, dan karet sintesis. 2.5.2. Berdasarkan jenis monomer a. Homopolimer yaitu polimer yang terbentuk dari monomer – monomer yang sejenis b. Kopolimer yaitu polimer yang terbentuk dari monomer – monomer tak sejenis.
2.5.3 Berdasarkan Sifat Polimer a.
Polimer thermosetting yaitu polimer yang pada mulanya kenyal tatkala dipanaskan, tetapi sekali didinginkan tidak dapat dilunakkan lagi, sehingga tidak dapat diubah menjadi bentuk lain.
13
b.
Polimer thermoplastic yaitu polimer yang bersifat kenyal (liat) apabila dipanaskan dan dapat dibentuk menurut pola yang diinginkan. Setelah pendinginan, polimer kehilangan sifat kekenyalan dan mempertahankan bentuknya yang baru. Proses ini dapat diulang dan kita dapat mengubahnya menjadi bentuk lain.
2.5.5. Berdasarkan jenis reaksi a. Polimerisasi adisi , yang terjadi jika monomer – monomer mengalami reaksi adisi tanpa terbentuk zat lain. Jadi yang terbentuk hanya polimer yang merupakan penggabungan monomer – monomernya . b. Polimerisasi kondensasi , yaitu suatu reaksi dari dua buah molekul atau gugus fungsi dari molekul ( biasanya senyawa organik ) yang membentuk molekul yang lebih besar dan melepaskan molekul yang lebih kecil yaitu air. 2.6 Kinetika reaksi Kinetika reaksi menjelaskan faktor-faktor yang mempengaruhi laju reaksi. Laju reaksi atau kecepatan reaksi ialah laju atau kecepatan berkurangnya pereaksi atau terbentuknya produk reaksi. Faktor-faktor yang mempengaruhi laju reaksi ialah: konsentrasi, temperatur, katalis, dan luas permukaan. Persamaan yang menyatakan laju sebagai fungsi konsentrasi setiap saat yang mempengaruhi laju reaksi disebut hukum laju atau persamaan laju reaksi. Konsentrasi merupakan salah satu faktor yang memepengaruhi laju reaksi, dimana sebagai contoh pada reaksi A
+ B
C. Dimana pada waktu reaksi
berlangsung, zat C terbentuk dan semakin lama jumlahnya semakin banyak sebaliknya zat A dan zat B berkurang, dan semakin lama semakin sedikit. Orde reaksi adalah
jumlah pangkat konsentrasi dalam hukum laju bentuk
diferensial. Persamaan orde reaksi
14
Orde 1
A
P
− dCa = KCa 1 dt
∫
1 − dCa = K ∫ Ca dt
ln
Cao = K .t Ca1
Ln Cao/Ca
Orde 2
A
− dCa = KCa 2 dt
∫
P
t(wakt u)
− dCa = K ∫ dt Ca 2
1 1 − = K .t C A C Ao 1 1 = K .t + CA C Ao
1/ CA
t (waktu)
15
1/CAO BAB III METODELOGI PERCOBAAN
3.1. Skema Alat
Air keluar
Kolom refluks
Motor listrik
Air masuk
Seal gliserin
termometer
Pengambilan sampel
Pemanas listrik
Gambar 3.1. Alat untuk Percobaan Urea Formaldehida
16
3.2. Alat Alat-alat yang digunakan pada percobaan ini yaitu : 1. Labu bundar 2. Kondensor 3. Buret 50 ml 4. Pipet volume 25 ml 5. Pipet volume 10 ml 6. Erlenmeyer 250 ml 7. Gelas ukur (50 ml, 10 ml) 8. Termometer 9. Stopwatch 10. Corong 11. Motor pengaduk dan pengaduknya 12. Beaker glass (500 ml, 250 ml) 13. Pemanas listrik 14. Filler 15. Erlenmeyer bertutup 250 ml 16. Labu ukur 250 ml 17. Piknometer 25 ml 18. Viskometer Ostwald 19. Pipet tetes 20. Cawan porselen 21. Batang Pengaduk 22. Kertas pH 23. Statif 24. Seal Gliserin 25. Neraca 26. Eksikator 27. Waterbatch
17
3.3. Bahan Bahan-bahan yang digunakan yaitu : • Formalin • Urea • Alkohol • Indikator PP • Asam Sulfat (H2SO4) • Natrium Sulfit (Na2SO3) • Aquadest • Natrium Karbonat (Na2CO3 . H2O) • Amonia (NH3) 3.4. Cara Kerja 1. Memasukan formalin (40 %) 500 mL, buffer (Na2CO3.H2O), 5 % katalis (NH3) ke dalam labu didih bundar dan hidupkan motor pengaduk. 2. Campuran diaduk sampai merata dan diambil sampel nol. 3. Memasukkan sejumlah tertentu urea (setelah dihitung dari perbandingan umpan) diaduk sampai melarut dan kemudian diambil sampel 1 dan dicatat suhunya. 4. Campuran dipanaskan perlahan-lahan sampai mendidih. Pada saat terjadinya refluks diambil sampel 2, dicatat suhu refluksnya. 5. Selanjutnya diambil sampel setiap 12 menit sekali sampai sampel 6 6. Dilakukan analisa terhadap semua sampel yang diambil. Analisa Kandungan Formalin Bebas Reaksi :
18
H2O + CH2O +
Na 2SO3 HO – CH2 – SO3 + NaOH
NaOH yang terbentuk ekivalen dengan kadar formaldehida bebas dalam larutan. 1. 1 ml sampel dilarutkan dengan 5 ml etanol 96% dalam erlenmeyer ditambahkan 1 tetes indikator fenoftalein dan 25 ml Na2SO3 1 N, dikocok selama 10 menit. 2. Larutan dititrasi dengan larutan standar H2SO4 2 N 3. Melakukan titrasi Blanko Analisa pH Larutan 1. Kertas pH dicelupkan ke dalam larutan sampel, warna yang terbentuk disesuaikan dengan warna standar. 2. Mencatat pH sesuai dengan warna pada standar. Analisa Viskositas Larutan dengan Viskometer 1.
Memasukkan
sejumlah
tertentu
aquadest
yang
telah
diketahui
temperaturnya ke dalam viskometer. 2. Mencatat waktu alir yang diperlukan aquadest untuk menempuh jarak tertentu dalam viskometer tersebut. 3. Memasukkan sejumlah sampel yang akan ditentukan viskositasnya ke dalam viskometer sejumlah sama dengan aquadest 4. Mencatat waktu alir yang diperlukan untuk menempuh jarak tertentu dalam viskometer tersebut. Analisa kadar resin dalam larutan a. Cawan porselain dipanaskan selama setengah jam, didinginkan dalam eksikator dan ditimbang.
19
b. Menimbang 10 gram sampel ke dalam cawan porselen yang telah diketahui massanya. c. Cawan yang berisi sampel dipanaskan di ruang asam selama 1/2 jam, kemudian didinginkan dalam eksikator dan kemudian ditimbang. d. Diulangi langkah c sampai dengan mendapat massa yang konstan. Analisa densitas resin dengan piknometer a. Menimbang piknometer kosong. b. Kalibrasi
volume
piknometer
dengan
aquadest
yang
diketahui
temperaturnya. c. Menimbang piknometer yang berisi penuh sampel resin
20
BAB IV PEMBAHASAN
a. Komposisi umpan Perbandingan mol umpan (formalin/urea) yang digunakan pada percobaan ini
adalah
1,6 dimana perbandingan umpan berada pada batas standar yang ditentukan, perbandingan umpan harus berada dalam range antara 1,25 – 2,0 hal tersebut dimaksudkan agar larutan resin yang terbentuk tidak kental dan tidak encer.Larutan resin yang dihasilkan berwarna putih keruh dengan kekentalan yang cukup sehingga mempermudah analisis baik analisis densitas, viskositas, kadar resin dan formalin bebas. Besarnya perbandingan mol umpan formalin dengan urea sangat mempengaruhi pada produk (polimer) yang dihasilkan, bila perbandingan umpan kurang dari 1,25 maka resin yang dihasilkan memiliki kadar formalin yang rendah dan menghasilkan polimer yang kepadatan dan kekerasan rendah ,sedangkan bila perbandingan umpan lebih dari 2 maka resin yang dihasilkan memiliki kadar formalin yang tinggi dan menghasilkan polimer yang kepadatan dan kekerasan yang tinggi.
b. Densitas dan viskositas resin Viskositas dan densitas akan semakin tinggi seiring dengan semakin lama reaksi berlangsung. Kenaikan densitas dan viskositas ini ditunjukkan pada grafik hubungan densitas dan viskositas terhadap waktu. Hal ini disebabkan oleh resin/urea formaldehid yang terbentuk akan semakin banyak dengan bertambahnya waktu yang menyebabkan larutan menjadi agak kental. Karena larutan menjadi agak kental, maka partikel–partikelnya menjadi lebih rapat sehingga densitas, viskositas dan kadar resin semakin besar.
c. Kadar formalin bebas
21
Penentuan kadar formalin bebas dilakukan untuk menganalisa seberapa banyak formalin yang telah bereaksi dengan urea dan membentuk resin urea formaldehida. Dengan adanya penurunan volume titrasi maka akan mengakibatkan penurunan konsentrasi formaldehida bebas, yaitu CAawal = 3.3125 dan CA akhir = 0.2250. Hal ini menunjukkan makin banyaknya gugus formaldehida yang melakukan reaksi metilolasi membentuk urea yang selanjutnya akan membentuk resin untuk urea formaldehida. Hal ini disebabkan karena banyak formaldehid yang bereaksi dengan urea membentuk resin, dan resin yang terbentuk semakin besar dengan penambahan waktu. Analisa kadar formalin bebas dilakukan untuk mengetahui sebarapa banyak formalin yang telah bereaksi dengan urea yang membentuk resin urea formaldehida. Berdasarkan reaksi dibawah, analisis kadar formalin bebas dapat dilakukan dengan cara titrasi dengan menggunakan asam sulfat. H2O + CH2O + Na 2SO3 HO – CH2 – SO3 + NaOH 2 NaOH + H2SO4 Na2SO4 + 2 H2O Dilihat dari grafik hubungan antara CH 2O bebas terhadap waktu menunjukkan grafik yang turun. Penurunan konsentrasi CH2O bebas ini menunjukkan makin banyaknya formalin yang bereaksi membentuk resin urea formaldehida, dan dengan bertambahnya waktu reaksi, maka CH2O yang bereaksi semakin banyak sehingga kadar CH 2O bebas semakin berkurang.
d. pH reaksi Pada percobaan ini pH reaksi berada diantara range 6 - 10. Hal ini terjadi karena adanya penambahan buffer yang bertujuan untuk menjaga reaksi agar tetap berlangsung dalam range pH 8 - 10. Kondisi tersebut diperlukan agar reaksi metilolasi berlangsung sehingga harus dilakukan pengontrolan pH karena turunan metilol akan berkondensasi cepat dalam suasana asam yang membentuk senyawa Goldsmith.
e. Orde reaksi dan konstanta laju reaksi
22
Dari grafik Ln ( Cao/Ca ) yang dhubungkan terhadap waktu, didapatkan harga k = 0,143 menit
-1
dan regresi = 0,910 dan grafik antara 1/Ca yang dihubungkan terhadap waktu, didapat
harga k = 0,244 L/mol.menit dan regresi = 0,930. Dengan melihat perbandingan nilai regresi antara grafik Ln ( Cao/Ca ) terhadap grafik 1/C, terlihat bahwa nilai regresi yang paling mendekati adalah pada orde 2. Maka dapat disimpulkan bahwa reaksi urea formaldehid ini merupakan reaksi orde 2.
f.
Berat molekul rata-rata Pada percobaan ini diperoleh berat molekul rata-rata sebesar 27498,72
gr/mol. Berat
molekul rata – rata resin ini tinggi yaitu diatas 40000 gr/mol, sehingga polimer yang dihasilkan digolongkan ke dalam jenis polimer tingkat tinggi. Sedangkan harga derajat polimerisasinya adalah 11876.612. Hal ini menunjukkan bahwa resin yang dibutuhkan mampu menghasilkan polimer besar.
g. Energi aktivasi Pada percobaan ini diperoleh nilai energi aktivasi sebesar -46018 (J/mol.K). Harga tersebut menunjukan energi yang dibutuhkan untuk membentuk resin urea formaldehid dengan berat molekul 27498,72 gr/mol adalah sebesar
-46018 J/mol.K. Reaksi ini merupakan reaksi
endoterm karena pada percobaan pembentukan resin urea formaldehid ini membutuhkan energi dalam bentuk panas yang diserap dari pemanas labu bundar.
h.
Kadar Formaldehid Bebas dan % Kadar Resin Kadar Formaldehid bebas tidak dapat diperkirakan secara langsung, oleh sebab itu
digunakan Na2SO3 yang direaksikan dengan formaldehid membentuk NaOH. Karena jumlah NaOH yang terbentuk sebanding dengan jumlah formaldehid bebas, maka kadar formalin bebas dapat ditentukan dengan mentitrasi NaOH oleh H2SO4 0,5N. H2O + CH2O + Na 2SO3 HO – CH2 – SO3 + NaOH 2 NaOH + H2SO4 Na2SO4 + 2 H2O
23
Dari Grafik hubungan CH2O bebas terhadap waktu, terlihat bahwa semakin lama waktu reaksi, kadar formaldehid bebas semakin sedikit. Hal ini disebabkan karena dengan bertambahnya waktu pengaduklan maka akan semakin banyak formaldehid yang bereaksi dengan urea membentuk resin.
i.
Pengaruh pengadukan Dilakukannya pengadukan bertujuan untuk mempercepat terjadinya reaksi dan untuk
mempercepat perpindahan massa sehingga terjadinya homogenisasi. Selain itu pengadukan juga berfungsi untuk menghambat terjadinya pembekuan Resin, sehingga larutan mudah dianalisa dengan baik.
j.
Katalis Katalis yang ditambahkan pada percobaan ini adalah
NH 3 yang merupakan asam
lemah, namun apabila direaksikan dengan air akan bersifat basa lemah. Apabila ditambahkan NH3 maka reaksi yang terjadi akan berlangsung cepat karena katalis ini akan menurunkan energi aktivasi yaitu energi minimum yang dibutuhkan oleh suatu reaksi untuk memperoleh produk sehingga waktu reaksi lebih cepat dan dengan penambahan katalis ini dapat meningkatkan kerja tumbukan partikel sehingga mempercepat laju reaksi. Sedangkan pada tahap curing dimana pada tahap ini dilakukan proses pemanasan, katalis berfungsi sebagai penyerap panas.
24
BAB V KESIMPULAN
1.
Reaksi kondensasi polimerisasi urea formaldehid berlangsung pada orde 2 dengan konstanta laju reaksi sebesar 0,005 menit-1.
2.
Resin yang dihasilkan mempunyai berat molekul rata-rata 27498,72 gr/mol dengan derajat polimerisasi sebesar 305,5413. Polimer ini digolongkan pada jenis polimer tingkat tinggi dan mempunyai sifat transparan, keras tetapi getas dan tidak larut dalam air dingin.
3.
Pembentukan resin urea formaldehida dipengaruhi oleh temperatur, katalis, pH dan komposisi umpan.
4.
Semakin lama waktu pengadukan, maka densitas, viskositas dan resin yang dihasilkan akan semakin banyak pula.
5.
pH resin yang dihasilkan berkisar antara 6 – 10.
6.
Kadar resin tertinggi yang dihasilkan adalah 72,7703%, kadar resin terendah sebesar 49,2874% dan kadar resin rata-rata yang dihasilkan sebesar 51,5613%.
25
DAFTAR PUSTAKA
1.
Fessenden, Fessenden, 1997, “Dasar-dasar Kimia Organik”, Binarupa Aksara, Jakarta
2.
J.Geankoplis, Christie, 1993, “Transport Processes and Unit Operations 3 rd editions”, Prentice Hall P T R, New Jersey
3.
Team Lab TK UNJANI, 2001, ”Diktat Petunjuk Praktikum Laboratorium Teknik Kimia II”, Fak. Teknik, Universitas Jenderal Achmad Yani, Cimahi
26
LAMPIRAN A DATA LITERATUR A.1.
Data Fisik Air Tabel A.1. Data fisik air
Data fisik pada suhu (T = oC)
25
26
27
28
ρ (kg/m3)
997,04
996,78
996,51
996,233
5
3
3
0,93
0,8704
0,86
μ (cP)
A.2.
0,86
Berat dan Rumus molekul Tabel A.2. Data berat molekul Zat
Rumus Molekul
Mr (g/mol)
Urea
CO(NH2)2
60,06
Formaldehid
CH2O
30,03
Amonia
NH4OH
35
Natrium karbonat
Na2CO3
106
Natrium sulfit
Na2SO3
126
A.3.
Densitas zat
27
Tabel A.3. Densitas zat Zat
ρ (g/ml)
Formalin
1,079
Ammonia
0,934
A.4.
Data tetapan Mark-Houwink & Kohn Tabel A.4. Tetapan Mark-Houwink & Kohn Rentang Mr
K
a
6000 - 20000
0,000
0,80
2 9000 - 17000
0,000
0,50
3 7000 - 70000
0,001
0,60
4
LAMPIRAN B
28
DATA PERCOBAAN
No
t
F/U
=
1,6/1
Volume Formalin
=
600
Massa Urea
=
367,2 gr
Massa Total Campuran
=
697,95 gr
Buffer (5 % katalis)
=
1,75
gr
Volume H2SO4 1 N
=
62,5
ml
Massa Na2SO3 1 N
=
63
gr
Berat piknometer kosong
=
25,14 gr
Berat pikno + air
=
50,25 gr
Waktu viskositas air
=
5,18
Waktu Refluks
=
34,68 menit
T(°C)
ml
detik
Berat Cawan (gram)
Pikno+sampe
t.viskositas
29
Sampel (menit)
BC Kosong
BC 1
BC 2
BC 3
l (gram)
(detik)
0
12
26,2
-
-
-
-
55,32
10.5
1
24
89
24,16
46,25
42,40
41,8 5
60,43
22,9
2
36
91
25,34
36,72
33,30
31,3 0
60,73
24,3
3
48
90
47,32
58,40
53,66
51,5 0
60,80
27,4
4
60
86
32,95
43,66
36,96
34,8
60,90
29,5
5
72
87
27,48
38,82
33,69
32,6 7
61,18
32,5
6
84
91
33,92
45,20
40,25
38,6 1
61,25
37,3
7
96
88
29,43
40,65
37,34
35,3 3
61,55
41,2
8
108
89
31,12
42,74
38,01
36,1 1
61,68
41,4
9
120
89
29,22
40,20
37,04
35,0 1
61,79
41,7
10
134
89
43,06
60,60
56,50
54,9 0
61,93
41,9
30
No sampl e
Volume titrasi V1
V2
pH sebelu m
t(menit)
0
12
1.12
1
10
9
1
24
1
0.9
9
9
2
36
0.8
0.8
8
8
3
48
0.7
0.8
8
8
4
60
0.7
0.6
8
8
5
72
0.6
0.5
8
8
6
84
0.7
0.6
8
8
7
96
0.6
0.5
8
8
8
108
0.5
0.6
8
8
9
120
0.5
0.6
8
8
10
134
0,5
0,6
8
8
pH sesudah
31
LAMPIRAN C PERHITUNGAN ANTARA
C.1 Penentuan Viskositas, Densitas, dan Kadar Resin Tabel C.1.Penentuan Viskositas, Densitas,dan Kadar Resin No Sampel
Densitas Resin (gr/ml)
Visko Resin (gr/cm.s)
Kadar Resin
0
1,1977
0,0021
1
1,4005
0,0054
-0,1051
2
1,4124
0,0058
-0,1732
3
1,4152
0,0066
-0,1340
4
1,4192
0,0071
-0,2546
5
1,4303
0,0079
-0,1882
6
1,4331
0,0090
-0,1707
7
1,4450
0,0101
-0,1506
8
1,4501
0,0102
-0,1836
9
1,4545
0,0103
-0,1482
10
1,4601
0,0103
-0,1038
32
C.2 Penentuan Kadar Formalin Bebas Tabel C.2 Penentuan Kadar Formalin Bebas No Sampel
Volume Rata- Rata (mL)
Kadar CH2O/100 ml
CH2O (gr/ml)
0
1,06
-1,8318
-0,0183
1
0,95
-1,9144
-0,0191
2
0,80
-2,0270
-0,0203
3
0,75
-2,0646
-0,0206
4
0,65
-2,1396
-0,0214
5
0,55
-2,2147
-0,0221
6
0,65
-2,1396
-0,0214
7
0,55
-2,2147
-0,0221
8
0,55
-2,2147
-0,0221
9
0,55
-2,2147
-0,0221
10
0,55
-2,2147
-0,0221
33
C.3 Penentuan Molekul Rata - Rata Tabel C.3 Pennentuan molekul rata-rata No Sampel
Nsp
0
1,4351
1
2
5,2101
5,6458
Cr
Nsp/Cr
-0,0013
4137,459 9
-0,0024
2327,990 5
3
6,5084
-0,0019
3439,250 4
4
7,1065
-0,0036
1972,337 5
5
8,0008
-0,0027
2994,830 3
-0,0024
3830,128 8
-0,0022
4878,511 6
-0,0027
4004,721 4
-0,0021
4997,951 8
6
9,3502
7
10,527 4
8
10,624 7
9
10,744 2
10
10,845 6
-0,0015
7181,894
34
6
C.4 Penentuan Orde dan Konstanta Laju Reaksi C.4.1 Penentuan Orde 1 dan Konstanta Laju Reaksi Tabel C.4.1 Penentuan Orde 1 dan Konstanta Laju Reaksi No Sampel
t Sampel
Ca
12
61,00 0
2,727
0,227
24
63,75 0
2,771
0,115
36
67,50 0
2,828
0,079
3
48
68,75 0
2,847
0,059
4
60
-
2,882
0,048
0
1
2
LnCao/Ca
K1
35
71,25 0
5
6
7
8
9
10
72
73,75 0
2,917
0,041
84
71,25 0
2,882
0,034
96
73,75 0
2,917
0,030
108
73,75 0
2,917
0,027
120
73,75 0
2,917
0,024
134
73,75 0
2,917
0,024
C.4.2 Penentuan Orde 2 dan Konstanta Laju Reaksi Tabel C.4.2 Penentuan Orde 2dan Konstanta Laju Reaksi
36
No Sampel
t Sampel
Ca
12
61,00 0
2,727
0,248
24
63,75 0
2,771
0,124
36
67,50 0
2,828
0,083
48
68,75 0
2,847
0,062
60
71,25 0
2,882
0,050
72
73,75 0
2,917
0,041
84
71,25 0
2,882
0,035
96
73,75 0
2,917
0,031
108
73,75 0
2,917
0,028
120
73,75 0
2,917
0,025
134
73,75 0
2,917
0,025
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
LnCao/Ca
K2
37
C.5. Penentuan Energi Aktivasi Tabel C.5. Penentuan Energi Aktivasi No Sampel
T(K)
1/T
K1
Ln K1
K2
Ln K2
0
299
0,0033
0,227
-1,482
0,248
-1,395
1
310
0,0032
0,115
-2,159
0,124
-2,088
2
321
0,0031
0,079
0,000
0,083
-2,493
3
328
0,0030
0,059
0,000
0,062
-2,781
4
342
0,0029
0,048
0,000
0,050
-3,004
5
350
0,0029
0,041
0,000
0,041
-3,186
6
355
0,0028
0,034
-3,372
0,035
-3,340
7
362
0,0028
0,030
-3,494
0,031
-3,474
8
363
0,0028
0,027
-3,612
0,028
-3,591
9
364
0,0027
0,024
-3,717
0,025
-3,697
10
364
0,0027
0,024
-3,717
0,025
-3,697
38
LAMPIRAN C CONTOH PERHITUNGAN D.1 Kalibrasi piknometer Massa air
= (massa pikno + air) – (massa pikno kosong) = 50,25 gr – 25,14 gr = 25,11 gr
Pada suhu 25o C, densitas air = 0,997 gr/ml Volume piknometer
= 25,11 gr/0,997 gr/ml = 25,18 ml
D.2 Berat umpan Masa Formalin total
= 600 mlx 1,3248 gr.ml x 37% = 294,1056 gr
Mol Formalin
= 294,1056 gr/30,03 gr/mol = 9,79 mol
F/U
= 1,6
Mol Urea
= mol Formalin/1,6 = 9,79/1,6
39
= 6,12 mol Massa Urea
= 6,12 mol x 60,06 gr/mol = 367,2 gr
M campuran total (x)
= Massa (formalin + urea + katalis + buffer) = (294,1056 + 366 + 5%x + 5%(5%x) gr
(x) Massa katalis
= 697,95 gr
= 5% x 697,95 gr = 34,9 gr
Massa buffer
= 5%(5% x 596,8) = 1,49 gr
D.3 Pembuatan Na2SO3 1 N dalam 1000 ml
D.4 Pembuatan H2SO4 0,25 N dalam 1000 ml N H2SO4 = 96 % x (1,84 gr/ml /(98 gr/mol/2 ekiv)) x 1000 ml = 36,05 N V1. N1
=
V2.N2
1000 ml x 0,25 N = V2 x 36,05 N V2
= 6,934 ml
D.5 Densitas resin
40
ρ resin
= ((massapikno + resin) – (massapikno kosong))/Vpikno = (57,32 gr – 25,14 gr)/26,38 ml = 1,2315 gr/ml
D.6 Viskositas resin µ resin = (t resin x ρ resin x µ air) / ( t air x ρ air) = (10,56 x 1,2315 x 0,8704) / (4,56 x 0,997) = 2,4897 gr/cm.s D.7 Viskositas intrinstik Nsp
= (µ resin - µ air)/ µ air = (2,4897 – (0,8740))/ 0,8740 = 1,8486
D.8 Kadar Formalin Bebas
D.9 Kadar Resin % resin = (G4 – G1)/10 x 100% = (46,25 - 41,85)/10 x 100% = 44 %
41
D.10 Konsentrasi resin Cr = (% resin x ρ resin x V resin)/100 = (44% x 1,2315 x 1)/100 = 0,54186gr/ml D.11 Berat molekul rata – rata N = K x Ma K = 0,0002 (Tetapan Mark Howink) a = 0,8 Dari grafik hubungan antara Nsp/Cr terhadap Cr Ln N = ln K + a ln M Ln M = (ln N – ln K)/a M = exp (-ln 8091 – ln 0,0002)/0,8 = 3226378069 gr/mol
D.12 Derajat polimerisasi Derajat polimerisasi = BM rata-rata / (BM urea + BM formalin) = 3226378069 gr/mol / (60,06 + 30,03) gr/mol = 35848645 D.13 Energi Aktivasi k = A . e-Ea/RT ln k = ln A – Ea/RT ln k = – Ea/R. (1/T) + ln A Dari grafik hubungan I/T terhadap ln k, didapat persamaan: y = 20978x - 62,361 dimana, -Ea/R = -20978 Ea = -(-259,3) x (8,314 J/mol.K)
42
= -2155,82 J/mol.K
43
