Pengertian Polimer dan Sejarahnya Polimer adalah molekul besar (makromolekul) yang terbangun oleh susunan unit ulangan kimia yang kecil, sederhana dan terikat oleh ikatan kovalen. Unit ulangan ini biasanya setara atau hampir setara dengan monomer yaitu bahan awal dari polimer. Monomer merupakan sebarang zat yang dapat dikonversi menjadi suatu polimer. Untuk contoh, etilena adalah monomer yang dapat dipolimerisasi menjadi polietilena (lihat reaksi berikut). Asam amino termasuk monomer juga, juga, yang dapat dipolimerisasi menjadi polipeptida dengan pelepasan air.
Reaksi :
poli polimerisas erisasii Monomer
polimer
monomer
Unit Ulangan terikat secara kovaken dengan unit ulangan lainnya
n
H2C
CH2
CH2
etilena
n
Polimer polietilena
R n H2 N
CH2
C
O C
OH
H
R
O
N
C
C
- H2O
H asam amino
H
n
poli polipeptida peptida
Unit ulangan dapat memiliki struktur linear atau bercabang. Unit ulangan bercabang dapat membentuk polimer jaringan tiga dimensi. Tabel 1.2 menunjukkan beberapa contoh polimer, monomer, dan dan unit ulangannya.
1
Tabel 1.2 Polimer, monomer, dan unit ulangannya
Polimer
Monomer
unit ulangan
Polietilena
CH2 = CH2
- CH2CH2 –
CH2 = CHCl
- CH2CHCl – CHCl –
poli(vinil klorida)
CH3 CH2
C
CH3 CH2
C
Poliisobutilena CH3
CH3
2
CH2
CH
CH2
CH
Polistirena
H - N(CH2)5C - OH Polikaprolaktam (nylon-6)
H
O
CH2 = CH - C = CH2 Poliisoprena (karet alam)
CH3
- N(CH2)5C H
O
- CH2CH = C - CH2 CH3
Sejarah Konsep Polimer
Polimer merupakan molekul besar yang terbentuk dari unit-unit berulang sederhana. Nama ini diturunkan dari bahasa yunani Poly, yang berarti “banyak”, dan mer, yang berarti “bagian”. Jika hanya ada beberapa unit monomer yang bergabung bersama, polimer dengan berat molekul rendah yang terjadi, disebut oligomer (bahasa yunani oligos “beberapa”). Makromolekul merupakan istilah yang sinonim dengan polimer.
3
Polimer sintesis dari moleku-molekul sederhana yang disebut monomer (“bagian tunggal”). Kata polimer pertama kali digunakan oleh kimiawan Swedia, Berzelius pada tahun 1833. Sepanjang abad 19 para kimiawan bekerja dengan makromolekul tanpa memiliki suatu pengertian yang jelas mengenai strukturnya. Sebenarnya beberapa polimer alam yang termodifikasi telah dikomersialkan. Sebagai contoh, solulosa nitrat dipasarkan di bawah nama-nama “celluloid” dan guncotton. Sepanjang tahun 1839 dilaporkan mengenai polimerisasi stirena, dan selama 1860-an dipublikasikan sintesis poli (etilena glikol) dan poli (etilena suksinat) bahkan dengan struktur-struktur yang tepat. Kira-kira pada waktu yang sama, isoprena diperoleh sebagai produk degradasi dari karet, meskipun fakta bahwa isoprene tergabung dalam polimer tersebut saat ini belum diketahui. Banyak contoh lain dari kimia makromolekul biasa ditemukan dalam literatur-literatur kimia abad ke-19. Manusia sejak dulu telah berusaha untuk mengembangkan bahan-bahan buatan (sintetik) yang diharapkan dapat memberikan sifat-sifat unggul yang tidak didapatkan dari bahan-bahan alami yang ada disekitarnya. Bahan plastik buatan pertama kali dikembangkan pada abad ke-19, dan saat ini di awal abad ke-21 jenis bahan ini telah ada disekeliling kita dalam bentuk dan kegunaan yang sangat beragam. Cellulose nitrate merupakan salah satu jenis bahan plastik yang pertama-tama dikembangkan. Bahan ini ditemukan oleh Alexander Parkes dipertengahan abad ke-19 dan pertama kali dipamerkan pada suatu Pameran Akbar di London tahun 1862 dalam bentuk sol sepatu dan bola-bola billiard. Pada tahun 1869 John Wesley Hyatt mengembangkan bahan Cellulose nitrate ini lebih lanjut dengan cara mencampurkannya dengan camphor menjadi bahan baru yang kemudian diberi nama Celluloid. Bahan ini menjadi sangat popular digunakan pada produk-produk sisir rambut, kancing pakaian dan gagang pisa u. Pada era awal ini, bahan-bahan polimer baru dikembangkan melalui proses modifikasi kimiawi dari bahan polimer alami, dimana bahan rayon (di kenal juga sebagai sutera buatan) merupakan contoh yang paling terkenal. Bahan rayon yang tergolong sebagai bahan semi-sintetik ini dibuat dari bahan dasar selulosa yang dimodifikasi secara kimiawi dan hingga saat ini masih digunakan pada produk-produk karpet, pakaian dan dapat pula diproses menjadi lembaran yang tansparan (cellophane).Salah satu bahan sintetik yang pertama kali dikembangkan adalah Bakelite, yang ditemukan pada tahun 1909 oleh kimiawan kelahiran Belgia Leo Baekeland (yang telah memperoleh banyak 4
sukses dengan penemuannya mengenai kertas foto sennsitif cahaya), dan dikenal komersial sebagai bakelit . Sampai dekade 1920-an bakelit merupakan salah satu jenis dari produk-produk konsumsi yang dipakai luas, dan penemuannya meraih visibilitas yang paling mewah. Bakelite adalah bahan yang saat ini popular dengan nama Phenol formaldehyde, dibuat dari phenol dan formaldehyde yang menghasilkan bahan polimer dengan sifat-sifat keras, ringan, kuat, tahan panas, dapat dicetak dan merupakan isolator listrik yang sangat baik, dan karenanya bahan ini banyak dipakai dalam berbagai aplikasi di industri listrik. Bahan plastik terus mengalami perkembangan sepanjang tahun 1920-an dan 1930-an. Polimer-polimer lainnya khususnya cat alkid (polyester) dan karet polibutadiena, sekitar waktu itu juga diperkenalakan. Namun mesipun tercapai sukses-sikses komersial seperti di atas, kebanyakan ilmuan tidakn memiliki konsep yang jelas mengenai struktur polimer. Teori yang berlaku saat ini adalah bahwa polimer merupakan kumpuln dari molekul-molekul kecil, sangat menyerupai koloid, tetapi terkait berkait bersama melalui suatu gaya sekunder yang misterius. Teori kumpulan atau penggabungan ini akhirnya memberikan jalan, tanpa sedikitpun hambatan, keteori seorang kimiawan Jerman Hermann Staudinger, yang mempertalikan sifat-sifat berharga dari polimer dengan gaya-gaya antar molekul biasa antara molekul-molekul yang mempunyai berat molekul sangat tinggi. Hermann Staudinger (23 Maret 1881 – 8 September 1965) adalah seorang kimiawan Jerman yang menunjukkan adanya makromolekul yang disebutnya sebagai polimer. Ia merupakan pemenang Nobel Kimia tahun 1953. Ia juga dikenal akan penemuan ketena dan reaksi Staudinger. Ketena adalah kelompok senyawa organik yang mengikuti rumus R 2C=C=O. Hermann Staudinger adalah pelopor dalam penelitian ketena. Ketena yang paling sederhana adalah ketika kedua gugus R merupakan atom hidrogen, dan nama ketena juga dapat merujuk kepada senyawa ini. Selama masa ini, Staudinger adalah seorang praktikus kimia organik yang utama, yang sudah menjadi ilmu yang luar biasa dihormati, dipimpin oleh para kimiawan seperti Johann Friedrich Wilhelm Adolf von Baeyer, Hermann Emil Fischer, dan Richard Martin Willstätter. Dari tahun 1914, kimia organik telah menemukan lebih dari 100.000 senyawa sintesis yang digunakan dalam berbagai bidang, teramsuk pewarna dan farmasi. Meski belum berusia 40 tahun, Staudinger dianggap sebagai kimiawan organik terkenal. Selama 1920-an, Staudinger memutuskan untuk meninggalkan persinggahan kimia organik yang prestisius ke ilmu polimer. Semangat
5
rintisan Staudinger mengantarkannya melepaskan diri dari pemikiran kimiawan organik tradisional dan mengembangkan gagasan baru dan revolusioner. Pada tahun 1926, ia ditunjuk ke sebuah kedudukan di Universitas Albert Ludwigs Freiburg, di
mana
ia
mencurahkan
semua
usahanya
untuk
mendirikan
dan
mengembangkan batas-batas ilmu polimer. Topik penelitiannya termasuk karet alami, selulosa, dan polimer sintesis seperti polioksimetilena, polistirena, dan polietilena oksida, yang dianggap Staudinger sebagai sistem contoh bagi biopolimer yang lebih kompleks. Seperti membuat polimer sintesis, Staudinger mencoba menentukan berat molekul polimer dengan menggunakan analisis kelompok akhir, mengukur viskositas larutan polimer, dan menggunakan analisis mikroskop elektron. Hermann Staudinger selalu memelihara hubungan dekat dengan industri untuk mendapatkan dana bagi penelitiannya dan bertindak sebagai penasihat teknis bagi perusahaan yang tertarik dalam plastik dan karet. Selama bertahun-tahun, "Förderverein" (perkumpulan pendukung) Lembaga Kimia Makromolekul menghubungkan manajer riset sejumlah perusahaan yang mendukung riset polimer di Freiburg im Breisgau. Seminar kelompok dalam Staudinger, yang bermula pada tahun 1950, menarik kimiawan akademik dan industri, dan segera menjadi pertemuan polimer terbesar Jerman dengan lebih dari 700 peserta selama 1990-an. Saudinger juga memperkenalkan istilah makromolekul. Makromolekul adalah molekul
yang sangat besar. Polimer baik itu alami maupun sintetik merupakan
makromolekul, misalnya hemoglobin. Beberapa senyawa non-polimer juga ada yang termasuk ke dalam makromolekul, misalnya lipid. Bagaimanapun juga, sistem jaringan atom besar lainnya seperti ikatan kovalen logam tidak dapat dikatakan sebagai makromolekul. Istilah makromolekul ini pertama kali diperkenalkan oleh pemenang hadiah nobel Hermann Staudinger sekitar tahun 1920-an. Sebagai pengakuan terhadap sumbangannya tersebut, Saudinger memperoleh hadiah nobel dalam bidang kimia pada tahun 1953. Pada tahun1930-an, pekerjaan brilian dari seorang kimiawan Amerika Wallace Hume Carothers menempatkan teori-teori Saudinger sebagai dasar eksperimen yang kuat dan membawa perkembangan seara komersial dari karet neoprene tanpa bukti dan sert-serat poliamida (nilon). Wallace Hume Carothers (27 April 1896 - 29 April 1937) adalah seorang kimiawan Amerika Serikat, yang berasal dari perusahaan industri E.I. du Pont de Nemours and Company , dihormati atas penemuan nilon pada tahun 1935.
6
Perang dunia II membawa perkembangan-perkembangan yang berarti dalam kimia polimer, teristimewa dengan perkembangan karet sintetis karena daerah-daerah penghasil karet alam di timur jauh menjadi tidak bisa dimasuki akibat pendudukan oleh negara-negara sekutu. Banyak bahan-bahan plastik yang baru dikembangkan ini kemudian digunakan pada Perang Dunia II, dan pada tahun 1050-an bahan-bahan ini telah hadir di rumah-rumah dalam berbagai jenis produk. Banyak bahan-bahan plastik yang baru dikembangkan ini kemudian digunakan pada Perang Dunia II, dan pada tahun 1050-an bahan-bahan ini telah hadir di rumah-rumah dalam berbagai jenis produk. Di antara perkembangan-perkembangan yang berarti pada tahun-tahun sesudah perang adalah penemuan katalis-katalis koordinasi baru untuk menginisiasi reksi-reaksi oleh Karl Ziegler di Jerman, dan penerapannya oleh Giulio Natta di Italia dari sistemsistem baru tersebut ke pengembangan polimer-polimer yang memiliki stereokimia terkontrol. Pekerjaan mereka telah menciptakan suatu revolusi dalm industri polimer, karena inilah maka polimer-polimer yang disebut stereoregular memiliki sifat-sifat mekanik, yang dalam banyak hal lebih baik daripada sifat-sifat polimer yang nonstereoregular. Polietilen merupakan salah satu jenis polimer yang banyak digunakan untuk berbagai aplikasi, seperti membuat isolasi kabel listrik, plastik kantong, tanki, baju anti air, dll. Polietilen merupakan plastik pertama yang produksinya melebihi 1 milyar pound pertahun sejak 1959. Polietilen adalah polimer sintetik yang terdiri dari monomer-monomer molekul etena. Sebelum tahun 1950-an, produksi etilen pada skala industri dilakukan pada tekanan tinggi. Penemuan polietilen peretama kali oleh para ahli kimia Inggris di Imperial Chemicals Industries (ICI) pada tahun 1932. Polietilen yang ditemukan oleh ahli kimia di ICI adalah polietilen bercabang dan bermassa jenis rendah, sehingga polimer tersebut munjadi sulit meleleh dan kurang padat. Polietilen linier (tidak bercabang) berkepadatan tinggi baru diproduksi pada tahun 1950-an dengan metode baru pada tekanan rendah. Pada tahun 1953, Dr. Karl Ziegler melakukan percobaan mencampurkan reagen alkil
litium
dan
organometalik
lainnya
dengan
etilen.
Tujuannya
untuk
mempolimerisasikan etilen pada tekanan rendah. Pada awalnya percobaan ini hanya menghasilkan polietilen dengan jumlah yang sedikit. Pada suatu hari, percobaan ini tidak menghasilkan polimer sama sekali, tetapi hanya terdapat sebuah dimer etilen. Dr. Ziegler dan timnya kebingungan dengan hasil tersebut. Setelah diselidiki, ternyata penyebabnya
7
adalah bejana reaksi yang masih kotor akibat lupa dibersihkan pada percobaan yang lain. Bejana tersebut mengandung sedikit senyawa nikel. Dr. Ziegler dan timnya menyelidiki pengaruh nikel dan logam lainnya terhadap reaksi polimerisasi etilen. Beberapa logam lain menunjukan reaksi yang serupa dengan kehadiran logam nikel yaitu menginhibisi reaksi polimerisasi etilen. Namun, ada satu hal yang mengejutkan senyawa logam klorida (TiCl 4) dan senyawa trietil aluminium menjadi kombinasi katalis yang sangat efektif untuk polimerisasi eti len. Polietilen yang dihasilkan mempunyai massa molekul yang tinggi, titik leleh tinggi, dan linier. Polietilen linier ini dapat digunakan untuk keperluan yang lebih luas, seperti perkakas rumah tangga, gelas, piring, dll. Berkat karya penemuannya, Karl Ziegler dianugerahi hadiah nobel kimia pada tahun 1963 bersama Prof. Giulio Natta yang mengembangkan katalis Ziegler lebih lanjut untuk reaksi-reaksi polimerisasi lainnya. Salah satu prinsip yang disampaikan Ziegler adalah ’Selalu memperhatikan perkembangan-perkembangan tak terduga dan jangan mengabaikan fenomena baru meskipun tidak ada hubungannya dengan proyek utama’ . Betapa pentingnya penemuan-penemuan mereka, sehingga pada athun 1963 Zigler dan Natta bersama-sama memperoleh hadiah nobel kimia. Sama juga bobotnya adalah karya Paul Flory (hadiah nobel 1974), yang mempelopori suatu dasar kuntitatif untuk sifat-sifat polimer, apakah itu berupa sifat-sifat makromolekul dalam larutan atau dalam badan polimer atau fenomena kimia seperti pengikat silangan dan transfer rantai. Pekerjaan dengan polimer ini dimulai pada polyacetilen. Polimer banyak dipelajari karena struktur, sifat dan mekanismenya yang unik dan atraktif . Penemuan polimer yang dapat menghantarkan arus listrik, dikenal dengan polimer konduktif pada pertengahan tahun 1970-an dan telah melahirkan penelitian yang intensif yang menunjukkan sifat-sifat elektrik pada polimer yang berkisar dari insulating (tidak dapat menghantar), semi konduktif sampai konduktif. Material jenis baru yang bersifat semikonduktif dan konduktif ini dapat disebut gabungan sifat-sifat elektrik dan optic semikonduktor anorganik dengan polimer yang memiliki kelenturan mekanis. Karena semua polimer sintesis dipreparasi melalui monomer-monomer yang terikat bersama, maka beberapa untit kimia akan berulang kembali terus-menerus. Unit demikian ditulis dalam (siku) dan dianggap sebagai unit ulang. Unit-unitn ulang yang terjadi seperti [CH2] dan [CF2], tetapi unit-unit ulang leih lazim ditegaskan dengan istiloah struktur monomer, sedangkan unit-unit ulang paling kecil direferensikan sebagai unit dasar (unit monomer). 8
Saat ini manusia sudah memasuki Era Plastik, dimana pada 50 tahun terakhir volume produksi plastik dunia telah meningkat secara luar biasa, sementara itu tingkat konsumsi bahan plastik telah meningkat dari sekitar satu juta ton pada tahun 1939 menjadi lebih dari 120 juta ton pada tahun 1994. Dewasa ini bahan plastic telah banyak menggantikan bahan-bahan tradisional seperti kayu, logam, gelas, kulit, kertas dan karet karena bahan plastic bias lebih ringan, lebih kuat, lebih tahan karat, lebih tahan terhadap iklim dan merupakan isolator listrik yang sangat baik. Bahan plastik sangat mudah dibentuk menjadi berbagai produk dengan menggunakan mesin cetak dan mesin ekstrusi. Sifat-sifatnya yang unggul dan kemudahan pemrosesannya seringkali menjadikan plastik sebagai bahan yang paling ekonomis untuk digunakan dalam berbagai keperluan. Kini bahan plastik digunakan dalam berbagai industri dan bisnis. Bahan ini telah memenuhi rumah-rumah kita, sekolah-sekolah, rumah sakit dan bahkan bahan ini ada dalam pakaian yang kita kenakan sehari-hari. Banyak dari nama-nama bahan plastik telah menjadi istilah-istilah yang familiar dalam kehidupan sehari-hari: nylon, polyester, dan PVC, misalnya. Dari para ahli kimia diatas, muncullah konsep polimer yang terangkum dalam Kimia Polimer. Sampai saat ini konsep polimer semakin berkembang dengan semakin majunya teknologi. Dan konsep polimer banyak digunakan untuk memenuhi kebutuhan manusia ssuai dengan fungsinya. Dalam tahun-tahun terakhir ini sejumlah kemajuan penting dalam sains polimer. Contoh-contohnya: Polimer yang memiliki kestabilan termal dan oksidasi istimewa, dipakai dalam aplikasi-aplikasi aerospace berkinerja tinggi. Plastik-plastik teknik, polimer yang dirancang untuk menggantikan logam. Serat aromatik berkekuatan tinggi, yang didasarkan pada teknologi Kristal cair, digunakan dalam berbagai aplikasi dari mulai kawat ban sampai kabel-kabel untuk menjangkarkan platform-platform pemboran minyak lepas pantai. Polimer tak dapat nyala, termasuk beberapa yang memancarkan asap beracun dalam jumlah minimum. Polimer-polimer dapat urai, yang tidak hanya membantu mengurangi volume sampah plastic yang menyesakan pandangan tetapi juga memungkinkan terkendealinya penyebaran obat-obatan atau bahan kimia pertanian Polimer untuk aplikasi-aplikasi medis yang berspektrum luas, mulia dari jahitan bedah dapat urai sampai ke organ-organ buatan. Polimer konduktif , polimer-polimer yang memperlihatkan konduktivitas listrik yang sebanding dengan konduktivitas logamlogam. 9
Polimer yang digunakan sebagai zat bantu tak larut untuk katalis-katalis atau untuk sintesis protein otomat atau asam nukleat (Bruce Merrifiekd, yang mempelopori sintesis protein berfasa padat, menerima Hadah Nobel Kimia tahun 1984). Setelah mengetahui kata polimer pertama kali yang digunakan oleh kimiawan Swedia, Berzelius pada tahun 1833 dan terus menerus berkembang konsepnya sesuai dengan kebutuhan manusia.
Tatanama dan Proses Polimerisasi
Tata Nama (Nomenklatur)
Jumlah yang sangat besar dari struktur polimer menuntut adanya sistem tata nama yang masuk akal. Berikut ini adalah aturan pemberian nama polimer vinil yang didasarkan atas nama monomer (nama sumber atau umum) , taktisitas dan isomer : Nama monomer satu kata : Ditandai dengan melekatkan awalan poli pada nama monomer
Contoh : Polistirena
CH2 CH
polietilena
CH2CH2
Politetrafluoroetilena (teflon, merk dari du Pont)
CF 2CF 2
Nama monomer lebih dari satu kata atau didahului sebuah huruf atau angka Nama monomer diletakkan dalam kurung diawali poli Contoh : Poli(asam akrilat)
CH2CH CO 2H 10
CH3
Poli(-metil stirena)
CH2C
CH2CH
Poli(1-pentena)
CH2CH2CH3 Untuk taktisitas polimer -
diawali huruf i untuk isotaktik atau s (sindiotaktik) sebelum poli Contoh : i-polistirena (polimer polistirena dengan taktisitas isotaktik)
Untuk isomer struktural dan geometrik -
Ditunjukkan dengan menggunakan awalan cis atau trans dan 1,2- atau 1,4sebelum poli Contoh : trans-1,4-poli(1,3-butadiena)
IUPAC merekomendasikan nama polimer diturunkan dari struktur unit dasar, atau unit ulang konstitusi (CRU singkatan dari constitutional repeating unit) melalui tahapan sebagai berikut : 1. Pengidentifikasian unit struktural terkecil (CRU) 2. Sub unit CRU ditetapkan prioritasnya berdasarkan titik pengikatan dan ditulis prioritasnya menurun dari kiri ke kanan (lihat penulisan nama polistirena)
CH
CH2
3. Substituen-substituen diberi nomor dari kiri ke kanan
11
4. Nama CRU diletakkan dalam kurung biasa (atau kurung siku dan kurung biasa kalau perlu), dan diawali dengan poli
Tabel 1.3 Contoh pemberian beberapa nama polimer menurut sumber monomernya dan IUPAC
Nama Sumber
Nama IUPAC
Polietilena
Poli(metilena)
Politetrafluoroetilena
Poli(difluorometilena)
Polistirena
Poli(1-feniletilena)
Poli(asam akrilat)
Poli(1-karboksilatoetilena)
Poli(-metilstirena)
Poli(1-metil-1-feniletilena)
Poli(1-pentena)
Poli[1-(1-propil)etilena]
Untuk tata nama polimer non vinil seperti polimer kondensasi umumnya lebih rumit darpada polimer vinil. Polimer polimer ini biasanya dinamai sesuai dengan monomer mula-mula atau gugus fungsional dari unit ulangan.
Contoh : nylon, umumnya disebut nylon-6,6 (66 atau 6/6), lebih deskriptif disebut poli(heksametilen adipamida) yang menunjukkan poliamidasi heksametilendiamin (disebut juga 1,6-heksan diamin) dengan asam adipat. Lihat gambar berikut n HO - C - (CH2)4 - C - OH + n H2 N - (CH2)6 - NH2 asam adipat
O
heksametilediamin
O
C - (CH2)4 - C - NH - (CH2)6 - NH
n
nylon-6,6
Mengikuti rekomendasi IUPAC, kopolimer (polimer yang diturunkan dari lebih satu jenis monomer) dinamai dengan cara menggabungkan istilah konektif yang ditulis miring antara nama nama monomer yang dimasukkan dalam kurung atau antara dua atau 12
lebih nama polimer. Istilah konektif menandai jenis kopolimer sebagaimana enam kelas kopolimer yang ditunjukkan dalam tabel 1.4 berikut
Tabel 1.4 Berbagai jenis kopolimer Jenis kopolimer
Konektif
Contoh
Tak dikhususkan
-co-
Poli[stirena-co-(metil metakrilat)]
Statistik
- stat -
Poli(stirena- stat -butadiena)
Random/acak
-ran-
Poli[etilen-ran-(vinil asetat)]
Alternating (bergantian)
-alt -
Poli(stirena-alt-(maleat anhidrida)]
Blok
-blok -
Polistirena-blok- polibutadiena
Graft (cangkok/tempel)
- graft-
Polibutadiena- graft- polistirena
Proses Polimerisasi
Polimerisasi kondensasi adalah polimerisasi yang disertai dengan pembentukan molekul kecil (H2O, NH3). Contoh : Alkohol + asam
ester + air
HOCH2CH2OH + HOC - (CH2)4COH + H2O
O
O
Polimerisasi adisi adalah polimerisasi yang disertai dengan pemutusan ikatan rangkap diikuti oleh adisi monomer. Contoh :
H n H2C = CH Cl vinilklorida
CH2
C Cl
n
polivinilklorida (PVC) 13
Klasifikasi Polimer atau jenis-jenis polimer
Polimer dapat diklasifikasikan atas dasar asaln ya (sumbernya), dan strukturnya. a. Asal atau sumbernya 1. Polimer Alam :
tumbuhan : karet alam, selulosa
hewan
mineral
: wool, sutera
2. Polimer Sintetik :
hasil polimerisasi kondensasi
hasil polimerisasi adisi
b. Struktur Berdasarkan strukturnya polimer dibedakan atas : 1. Polimer linear Polimer linear terdiri dari rantai panjang atom-atom skeletal yang dapat mengikat gugus substituen. Polimer ini biasanya dapat larut dalam beberapa pelarut, dan dalam keadaan padat pada temperatur normal. Polimer ini terdapat sebagai elastomer, bahan yang fleksibel (lentur) atau termoplastik seperti gelas).
Rantai utama linear
Contoh : Polietilena, poli(vinil klorida) atau PVC, poli(metil metakrilat) (juga dikenal sebagai PMMA, Lucite, Plexiglas, atau perspex), poliakrilonitril (orlon atau creslan) dan nylon 6. 2. Polimer bercabang
14
Polimer bercabang dapat divisualisasi sebagai polimer linear dengan percabangan pada struktur dasar yang sama sebagai rantai utama. Struktur polimer bercabang diilustrasikan sebagai berikut Rantai utama (terdiri dari atom-atom skeletal)
3. Polimer jaringan tiga dimensi (three-dimension network) Polimer jaringan tiga dimensi adalah polimer dengan ikatan kimianya terdapat antara rantai, seperti digambarkan pada gambar berikut. Bahan ini biasanya di”swell” (digembungkan) oleh pelarut tetapi tidak sampai larut. Ketaklarutan ini dapat digunakan sebagai kriteria dari struktur jaringan. Makin besar persen sambung-silang (cross-links) makin kecil jumlah penggembungannya (swelling). Jika derajat sambung-silang cukup tinggi, polimer dapat menjadi kaku, titik leleh tinggi, padat yang tak dapat digembungkan, misalnya intan (diamond). Ikatan kimia
Polimer linear dan bercabang memiliki sifat : 1. Lentur
15
2. Berat Molekul relatif kecil 3. Termoplastik
Kopolimer
Kopolimer adalah suatu polimer yang dibuat dari dua atau lebih monomer yang berlainan. Berikut ini adalah jenis jenis kopolimer yang terbentuk dari monomer pertama (A) dan monomer ke dua (B).
Jenis kopolimer : 1. Kopolimer blok Kopolimer blok mengandung blok dari satu monomer yang dihubungkan dengan blok monomer yang lain. Kopolimer blok biasanya terbentuk melalui proses polimerisasi ionik. Untuk polimer ini, dua sifat fisik yang khas yang dimiliki dua homopolimer tetap terjaga.
-A-A-A-A-A----------B-B-B-B-BA
B
m
Poli(A-b-B)
n
2. Kopolimer graft (tempel/cangkok) Kopolimer graft biasanya dibuat dengan mengikatkan bersama dua polimer yang berbeda. Untuk contoh, homopolimer yang diturunkan dari monomer A dapat diinduksi untuk bereaksi dengan homopolimer yang diturunkan dari monomer B untuk menghasilkan kopolimer graft, yang ditunjukkan pada gambar berikut A
A
A
B
B
B
B
B
B
A
A
A
Poli(A- g -B)
B
B
B
16
Perkembangan selanjutnya ada yang berbentuk kopolimer sisir (comb copolymer) dan bintang (star copolymer).
A A A A A A A A
A B kopolimer sisir
B
kopolimer bintang
3. Kopolimer bergantian (alternating) Kopolimer yang teratur yang mengandung sequensial (deretan) bergantian dua unit monomer. Polimerisasi olefin yang terjadi lewat mekanisme jenis ionik dapat menghasilkan kopolimer jenis ini. A
B
A
B
Poli(A-alt-B)
4. Kopolimer Acak Dalam kopolimer acak, tidak ada sequensial yang teratur. Kopolimer acak sering terbentuk jika jenis monomer olefin mengalami kopolimerisasi lewat proses jenis radikal bebas. Sifat kopolimer acak sungguh berbeda dari homopolimernya.
A
B
A
B
B
A
B
poli(A-co-B)
Polimer Organik
Polimer merupakan obyek kajian yang menarik dan sekaligus rumit. Karena itu sering dilakukan penggolongan polimer untuk mempermudah mempelajarinya. Tiga macam cara penggolongan polimer adalah berdasarkan sumbernya, keseragaman 17
monomernya, dan proses polimerisasinya. Selain itu juga dikenal cara -cara penggolongan lainnya, misalnya atas dasar pola rantainya, konfigurasinya, reaksinya terhadap panas, atau atas dasar pemakaiannya. Penggunaan polimer tergantung pada sifat-sifatnya, dan sifat-sifat tersebut ditentukan oleh struktur serta massa molekulnya. Tiga faktor utama (dalam kaitannya dengan struktur) yang menentukan sifat polimer adalah komposisi kimiawi, pola rantai, dan penjajaran rantai-rantai polimer dalam produk akhir. Faktor-faktor ini antara lain menentukan titik lebur, kekuatan, kelenturan, kelarutan, serta reaksi polimer terhadap panas, sedangkan massa molekul polimer menentukan kelarutan polimer, ketercetakan dan kekentalan larutan (lelehan) polimer. Pemahaman tentang hubungan antara sifat dan struktur ini, serta kemampuan membangun struktur polimer sesuai dengan sifat -sifat yang diinginkan, merupakan modal penting bagi pengembangan industri polimer. Kelompok polimer sintesis: 1. Berdasarkan Jenis reaksi polimerisasi, yaitu:
Polimer Adisi : Terbentuk dari reaksi polimerisasi adisi
Polimer Kondensasi : Terbentuk dari reaksi polimerisasi kondensasi
1. Berdasarkan Jenis monomer penyusun, yaitu:
Homopolimer : Terdiri dari monomer-monomer sejenis
Kopolimer : Terdiri dari setidaknya 2 jenis monomer
2. Berdasarkan Sifat karakteristik , yaitu:
Termoplas : Lunak jika dipanaskan, dapat dicetak kembali menjadi
bentuk lain
Termoset : Mempunyai bentuk permanen dan tidak jadi lunak jika
dipanaskan
Elastomer: Elastis, dapat mulur jika ditarik dan dapat kembali lagi ke
bentuk awal
18
JENIS REAKSI POLIMERISASI
a. POLIMERISASI ADISI Terbentuk dari penggabungan monomer-monomer melalui reaksi adisi yang melibatkan ikatan rangkap. b. Polimerisasi Kondensasi Terbentuk dari penggabungan monomer-monomer melalui reaksi kondensasi di mana dilepaskan molekul kecil, seperti H 2O, HCl, CH 3OH.
Sifat-sifat Polimer Organik
Polimer Alam: Mudah dirombak/ diuraikan oleh mikroorganisme
Polimer Sintetik: Sukar diuraikan oleh mikroorganisme, Sifatnya ditentukan
oleh strukturnya (Panjang rantai, Gaya antar molekul, Percabangan, Ikatan silang antar rantai molekul).
Contoh-contoh Polimer Organik
Polimer yang berasal dari alam atau polimer organik misalnya: karet alam, sellulosa, protein. Sedangkan yang termasuk polimer anorganik atau polimer sitetis misalnya: PVC dan teflon. Para ahli kimia telah berhasil menggali pengetahuan yang berguna bagi sistesis polimer untuk memenuhi berbagai tujuan dan hal ini menyebabkan industri polimer berkembang dengan pesat di abad ini. Hal ini ditandai dengan semakin merambahnya polimer-polimer sintetik dalam berbagai segi kehidupan. Secara detail dapat dijelaskan contoh-contoh polimer organic seperti yang dibawah ini: 19
1. Plastik
Istilah plastik mencakup produk polimerisasi sintetik atau semi-sintetik. Mereka terbentuk dari kondensasi organik atau penambahan polimer dan bisa juga terdiri dari zat lain untuk meningkatkan performa atau ekonomi. Ada beberapa polimer alami yang termasuk plastik. Plastik dapt dibentuk menjadi film atau fiber sintetik. Nama ini berasal dari fakta bahwa banyak dari mereka "malleable", memiliki properti keplastikan. Plastik didesain dengan varias yang sangat banyak dalam properti yang dapat menoleransi panas, keras, "reliency" dan lain-lain. Digabungkan dengan kemampuan adaptasinya, komposisi yang umum dan beratnya yang ringan memastikan plastik digunakan hampir di seluruh bidang industri.Pellet atau bijih plastik yang siap diproses lebih lanjut (injection molding, ekstrusi, dll). Plastik dapat juga menuju ke setiap barang yang memiliki karakter yang deformasi atau gagal karena shear stress-lihat keplastikan (fisika) dan ductile.Plastik dapat dikategorisasikan dengan banyak cara tapi paling umum dengan melihat tulang-belakang polimernya (vinyl{chloride}, polyethylene, acrylic, silicone, urethane, dll.). Klasifikasi lainnya juga umum.Plastik adalah polimer; rantai-panjang atom mengikat satu sama lain. Rantai ini membentuk banyak unit molekul berulang, at au "monomer". Plastik yang umum terdiri dari polimer karbon saja atau dengan oksigen, nitrogen, chlorine atau belerang di tulang belakang. (beberapa minat komersial juga berdasar silikon).
Jenis Plastik
Sifat fisikanya
o
Termoplastik . Merupakan jenis plastik yang bisa didaur-ulang/dicetak lagi dengan proses pemanasan ulang. Contoh: polietilen (PE), polistiren (PS), ABS, polikarbonat (PC)
o
Termoset . Merupakan jenis plastik yang tidak bisa didaur-ulang/dicetak lagi. Pemanasan ulang akan menyebabkan kerusakan molekulmolekulnya. Contoh: resin epoksi, bakelit, resin melamin, ureaformaldehida. 20
Kinerja dan penggunaanya o
Plastik komoditas
sifat mekanik tidak terlalu bagus
tidak tahan panas
Contohnya: PE, PS, ABS, PMMA, SAN
Aplikasi: barang-barang elektronik, pembungkus makanan, botol minuman
o
o
Plastik teknik
Tahan panas, temperatur operasi di atas 100 °C
Sifat mekanik bagus
Contohnya: PA, POM, PC, PBT
Aplikasi: komponen otomotif dan elektronik
Plastik teknik khusus
Temperatur operasi di atas 150 °C
Sifat mekanik sangat bagus (kekuatan tarik di atas 500 Kgf/cm²)
Contohnya: PSF, PES, PAI, PAR
Aplikasi: komponen pesawat
Berdasarkan jumlah rantai karbonnya o
1 ~ 4 Gas (LPG, LNG)
o
5 ~ 11 Cair (bensin)
o
9 ~ 16 Cairan dengan viskositas rendah
o
16 ~ 25 Cairan dengan viskositas tinggi (oli, gemuk)
o
25 ~ 30 Padat (parafin, lilin)
o
1000 ~ 3000 Plastik (polistiren, polietilen, dll)
Berdasarkan sumbernya o
Polimer alami : kayu, kulit binatang, kapas, karet alam, rambut
o
Polimer sintetis:
Tidak terdapat secara alami: nylon, poliester, polipropilen, polistiren
Terdapat di alam tetapi dibuat oleh proses buatan: karet sintetis
Polimer alami yang dimodifikasi: seluloid, cellophane (bahan dasarnya dari selulosa tetapi telah mengalami modifikasi secara radikal sehingga kehilangan sifat-sifat kimia dan fisika asalnya). 21
Proses manufaktur plastik
Injection molding Bijih plastik (pellet) yang dilelehkan oleh sekrup di dalam t abung yang berpemanas diinjeksikan ke dalam cetakan. Ekstrusi Bijih plastik (pellet) yang dilelehkan oleh sekrup di dalam tabung yang berpemanas secara kontinyu ditekan melalui sebuah orifice sehingga menghasilkan penampang yang kontinyu. Thermoforming Lembaran plastik yang dipanaskan ditekan ke dalam suatu cetakan. Blow molding Bijih plastik (pellet) yang dilelehkan oleh sekrup di dalam tabung yang berpemanas secara kontinyu diekstrusi membentuk pipa (parison) kemudian ditiup di dalam cetakan.
2. Teflon
Nama
Teflon
merupakan
nama
dagang
nama
ilmiahnya
adalah
politetrafluoroetilena (PTFE) dihasilkan dari proses polimerisasi adisi turunan etilen ( tetrafluoroetilena) (CF2 = CF2), tahan terhadap bahan kimia, panas dan sangat licin. Penggunaan teflon sebagai pelapis barang yang panas seperti tangki di pabrik kimia, pelapis panci dan kuali anti lengket di dapur serta pelapis dasar setrika. Teflon merupakan lapisan tipis yang sangat tahan panas dan tahan terhadap bahan kimia. Umumnya digunakan untuk melapisi wajan (panci anti lengket), pelapis tangki di pabrik kimia, pipa anti patah, dan kabel listrik.
3. Pembuatan Elektrode Poli-(O-Fenilen Vinilena) dan Penggunaannya pada Baterai Organik yang Dapat Diisi Kembali
22
Konduktivitas polimer terkonjugasi diperoleh setelah polimer tersebut didop dengan suatu unsur (ion-ion) sehingga dapat membentuk delokalisasi awan elektron di sepanjang rantai polimernya (soliton). Dalam pembuatan polimer ini diperlukan bahan dasar yang sangat sulit diperoleh di pasaran. Untuk mengatasi hal ters ebut sekaligus memodifikasi polimer terkonjugasi yang sudah ada maka dilakukan sintesis poli-(Ofenilen vinilena), disingkat OPV. Polimer ini merupakan isomer dari polimer PPV. Penelitian berlangsung dalam dua tahap; pada tahap pertama disintesis polimer OPV dilanjutkan penelitian tahap kedua yakni simulasi baterai rechargeable dengan menggunakan polimer OPV sebagai elektrode. Bahan dasar untuk polimerisasi ialah klorometilbenzaldehida untuk polime-risasi Grignard dan o-tolualdehida untuk polimerisasi kondensasi, s edangkan monomer disintesis melalui reaksi Reimer-Tiemann. Polimerisasi anionik dari pereaksi Grignard atau o-metilbenzaldehida dilaksanakan dalam kondisi refluks. Larutan pekat polimer diperoleh dari ekstrak dalam pelarut diklorometana. Lapisan polimer di atas logam dicetak dari larutan pekat polimer OPV pada suhu 200 oC. Identifikasi polimer OPV meliputi analisis difraksi sinar X, resonans magnetik inti (NMR), dan inframerah tertransformasi Fourier (FTIR), resistivitas, dan kelarutan. OPV sebagai elektrode pada prototipe baterai sekunder yang dapat diisi kembali diuji dengan metode Nigrey et al . dengan modifikasi. Dalam proses doping digunakan larutan ZnCl 2 dan AlCl3 dalam pelarut propilena karbonat atau air. OPV dilapiskan pada permukaan elektrode karbon atau platina dengan cara penuangan pada suhu 120-200 oC dengan aliran gas nitrogen. Sifat charge-discharge diamati menggunakan sistem baterai (+)Pt(OPV)/elektrolit/Al atau Zn(-) dan (+)C(OPV)/elektrolit/Al atau Zn(-) dengan arus tetap sebesar 40 Am/cm2. Sel berukuran 5 cm x 5 cm x 2 cm dengan volume elektrolit sekitar 10 ml. Perubahan potensial dipantau dengan komputer melalui interface Cassy-E-LeyBold. Monometer klorometilbenzaldehida telah mengalami hidrasi oleh molekul air membentuk hidroksimetilbenzaldehida yang ditunjukkan oleh spektrum gas kromatografi-spektrometer massa pada m/e 135/136, 107, 91, dan 77. Indeks bias 1.4899 dan bobot jenis 0.9460. Spektrum FT-IR menunjukkan adanya campuran dari i somer orto, meta, dan para. Demikian pula, polimer OPV (reaksi Grignard) menunjukkan adanya campuran geometri trans dan cis dengan nisbah 3:2, sedangkan polimer OPV dari 23
proses kondensasi menunjukkan nisbah trans:cis 4:5. Cetakan polimer OPV cenderung berwarna cokelat kekuningan sampai gelap dengan kesan mengkilap. Pada spektrum NMR terlihat adanya pergeseran kimia di sekitar 2.5 ppm sehingga mungkin polimer OPV ini sebagian masih belum terhidrasi sempurna. Tidak adanya pita serapan pada spektrum difraksi sinar X menunjukkan bahwa polimer OPV bersifat amorf. Polimer polimer tersebut praktis larut dalam pelarut nonpolar. Resistans polimer OPV sangat tinggi, yaitu sekitar 20 x 10 4 ohm dan energi celah 0.138 eV untuk polimer OPV hasil reaksi Grignard, sedangkan polimer OPV hasil kondensasi mempunyai resistans 21.18 ohm dan energi celahnya 0.695 eV. Prototipe baterai sekunder yang ditunjukkan oleh sistem (+) Pt (OPV)/ZnCl 2 0.3 M:H2O/Zn (-) cukup baik karena potensial discharge maksimum 1 volt dan minimum 0.2 volt pada siklus pertama selama 60 menit dengan kapasitas rata-rata sekitar 0.166-0.9 Ah/kg. Efisiensi energi di atas 100% di sekitar pelepasan 10 menit pertama kemudian turun hampir 40%-nya dengan potensial rata-rata 0.2 volt. Penelitian ini masih perlu dikembangkan lebih lanjut untuk memperoleh system baterai organik yang menggunakan lapisan OPV dengan kapasitas yang lebih efektif. 4. Lampu dioda dari hibridisasi benang nano seng oksida (ZnO) dengan polimer organik
Perkembangan teknologi lampu dioda (LED) menggunakan bahan inorganik yang fleksibel dan lentur telah mampu direalisasikan dengan menggunakan ZnO yang berbentuk benang nano yang bertindak sebagai komponen optis.Diawali oleh emisi sinar ultra violet(uv) dengan panjang gelombang 393 nm dari benang nano ZnO, para peneliti kini telah menemukan spectrum yang berada pada rentang cahaya tampak hingga mendekati sinar infra merah (500-1100 nm) mampu dihasilkan oleh LED yang berbasiskan benang nano dari ZnO.
24
Gambar 1. Diagram dari struktur LED berbasis benang nano pada substrate plastic Penemuan ini di pelopori oleh Prof. Rolf Könenkamp dari Portland State University in Oregon. Hasil penemuannya melaporkan bahwa LED dari bahan inorganik diprediksikan menjadi alternative masa depan untuk menggantikan semua perangkat elektronik dan photonic dari bahan organic. Struktur dari divais LED berbasiskan benang nano yang lentur dapat di lihat pada gambar 1. Dari gambar tersebut benang nano ZnO ditumbuhkan diatas substrate polyethylene terephtalate (bahan plastic) yang telah dilapisi oleh indium tin okside (ITO). Kristal tunggal benang nano tersebut ditumbuhkan dengan metode elektrodeposisi dengan temperature 80 oC di atas ITO. Proses penumbuhan kira-kira memakan waktu satu jam dengan arah tumbuh vertical dan m danhomogeny. Dari hasil karakterisasi, panjang benang nano rata-rata 2 diameter 70-120 nm. Lalu benang-benang nano tersebut di lapisi dengan lapisan tipis polysterene sebagai isolator yang mengisi tiap cel ah diantara benang-benang nano. Lapisan tipis polysterene melapisi benang nano dengan ketebalan kira-kira 10 nm. Proses pengisian celah atau pelapisan benang-benang nano tersebut menggunakan metode spin coating . Lalu bagian atas dilapisi pula menggunakan poly(3,4-ethylene-dioxythiophene) poly(styrenesulfonate), PEDOT/PSS, selanjutnya dilapisi emas (sebagai kontak Ohmic) yang berperan sebagai anoda (elektroda positif).
25
Gambar 2. Benang-benang nano ZnO yang berada dilapisi oleh lapisan tipis polystyrene Dari penelitian lebih lanjut, ternyata benang-benang nano ZnO tersebut melekat sangat kuat diatas substrate meskipun dibengkokan dengan jari-jari kelengkungan <10 μm.Dari sisi intensitas cahaya yang diemisikan, LED benang nano yang berada diatas substrate plastic memancarkan cahaya dengan intensitas lebih rendah dibandingkan diatas substrate gelas. Namun demikian distribusi spectrum cah aya yang teramati dari elektroluminisensi memiliki kemiripan yaitu berada di rentang cahaya tampak.Penemuan ini mengindikasikan bahwa hibridisasi teknologi nano dengan polimer organic memiliki potensi untuk dikembangkan dalam ranah aplikasi optoelektronika di masa depan. 5. Karet
Karet alam atau karet mentah memiliki sifat fleksibel, harganya relative ringan tapi daya sambung dan daya rekat jauh lebih rendah disbanding karet sintesis bila dibuat perekat. Karet alam tidak bisa dipakai untuk penyambung plastic. Perekat yang dipakai dan terbuat dari karet sintesis atau karet alam tidak tahan terhadap bahan pelarut minyak bahan oksidasi dan sinar ultraviolet, mudah sekali rusak bila terkena panas. Tahan terhadap panas pada suhu 35-40 derajat Celsius sebelum divulkanisasi, jika divulkanisasi tahan terhadap panas 70 derajat Celsius. Karet alam larut dengan baik pada pelarut hidrokarbon.Perekat ini berguna untuk benda ringan seperti kain karet busa yang mengelupas pada beban 3kilogram/cm2 pada suhu kamar.
26
Karet nitril karboksil adalah karet yang mengandung gugus asam karboksilat. Perekat yang dibuat dari bahan ini tidak saja memiliki daya rekat yang tinggi terhadap logam tapi juga mempercepat reaksi resinya terhadap senyawa lain yang gunanya member kekuatan adhesive dan kohesif, dan lebih tahan minyak. Karet alam adalah polimer hidrokarbon tak jenuh. Senyawa ini secara komersial diperoleh dari getah karet. Struktur kimianya sebagian dijelaskan pada abad ke jika dipanaskan tanpa udara(isoprene).
K ebanyakan karet memiliki ikatan molekul lebih dari 10000000. Besarnya variasi menurut metode pengolahan. KKaret mentah mengandung kira-kira -1, -2, -3 persen air dan sedikit bahan organic, serta poliisoprena. Penggolongan suatu jenis konvensional dilakukan dasar-dasar visualisasi atau sifat-sifat yang dapat dilihat oleh mata, misalnya warna karet, adanya endapan serta noda-noda lainnya. Sistem penggolongan tersebut sama sekali tidak memberikan informasi tentang sifat-sifat karet teknis dari karet 27
mentahnya (terutama untuk barang-barang jadi karet mentahnya) dan tidak ada hubungan langsung antara warna gelombung udara dan noda-noda tertentu lainnya dengan sifatsifat teknis karet yang menjadi persyaratan barang-barang j adi karet yang diproduksi.
Polimer alami juga sangat penting untuk kehidupan organisme. Tanpa struktur polimer alam seperti sellulosa pada tanaman atau protein bahwa konstruksi urat dan otot hewan. Hewan tidak hidup serta tanaman tidak dapat berdiri diatasnya tali gravitasi. Kita semua diciptakan laut, dimana membrane halus kita didukung oleh aliran di dalam air. Enzim tanaman dan hewan bahwa katalis semua reaksi biokimia penting sebagai polimer asam amino. Terakhirnya, dioksiribosanukleat (DNA) merupakan bahan genetic. Warisan semua tanaman dan hewan-hwan adalah polimer asam nukleat. Bentuk polimer datang dari yunani (poly) dan menunjukkan sebuah molekul besar yang dibuat dari banyak bagian makromolekul adalah suatu bentuk sinonim dari polimer. Polimer-polimer dibuat oleh garis bersama molekul sederhana yang disebut dengan monomer (bagian tunggal).
6. Batubara
Batubara merupakan sedimen organik, lebih tepatnya merupakan batuan organik, terdiri dari kandungan bermacam-macam pseudomineral. Batubara terbentuk dari sisa tumbuhan yang membusuk dan terkumpul dalam suatu daerah dengan kondisi banyak air, biasa disebut rawa-rawa. Kondisi tersebut yang menghambat penguraian menyeluruh dari sisa-sisa tumbuhan yang kemudian mengalami proses perubahan menjadi batubara.
Selain tumbuhan yang ditemukan bermacam-macam, tingkat kematangan juga bervariasi, karena dipengaruhi oleh kondisi-kondisi lokal. Kondisi lokal ini biasanya kandungan oksigen, tingkat keasaman, dan kehadiran mikroba. Pada umumnya sisa-sisa tanaman tersebut dapat berupa pepohonan, ganggang, lumut, bunga, serta t umbuhan yang biasa hidup di rawa-rawa. Ditemukannya jenis flora yang terdapat pada sebuah lapisan batubara tergantung pada kondisi iklim setempat. Dalam suatu cebakan yang sama, sifatsifat analitik yang ditemukan dapat berbeda, selain karena tumbuhan asalnya yang mungkin berbeda, juga karena banyaknya reaksi kimia yang mempengaruhi kematangan suatu batubara.
28
Secara umum, setelah sisa tanaman tersebut terkumpul dalam suatu kondisi tertentu yang mendukung (banyak air), pembentukan dari peat (gambut) umumnya terjadi. Dalam hal ini peat tidak dimasukkan sebagai golongan batubara, namun terbentuknya peat merupakan tahap awal dari terbentuknya batubara. Proses pembentukan batubara sendiri secara singkat dapat didefinisikan sebagai suatu perubahan dari sisa-sisa tumbuhan yang ada, mulai dari pembentukan peat (peatifikasi) kemudian lignit dan menjadi berbagai macam tingkat batubara, disebut juga sebagai proses coalifikasi, yang kemudian berubah menjadi antrasit. Pembentukan batubara ini sangat menentukan kualitas batubara, dimana proses yang berlangsung selain melibatkan metamorfosis dari sisa tumbuhan, juga tergantung pada keadaan pada waktu geologi tersebut dan kondisi lokal seperti iklim dan tekanan. Jadi pembentukan batubara berlangsung dengan penimbunan akumulasi dari sisa tumbuhan yang mengakibatkan perubahan seperti pengayaan unsur karbon, alterasi, pengurangan kandungan air, dalam tahap awal pengaruh dari mikroorganisme juga memegang peranan yang sangat penting.
PENYUSUN BATUBARA
Konsep bahwa batubara berasal dari sisa tumbuhan diperkuat dengan ditemukannya cetakan tumbuhan di dalam lapisan batubara. Dalam penyusunannya batubara diperkaya dengan berbagai macam polimer organik yang berasal dari antara lain karbohidrat, lignin, dll. Namun komposisi dari polimer-polimer ini bervariasi tergantung pada spesies dari tumbuhan penyusunnya. Lignin
Lignin merupakan suatu unsur yang memegang peranan penting dalam merubah susunan sisa tumbuhan menjadi batubara. Sementara ini susunan molekul umum dari lignin belum diketahui dengan pasti, namun susunannya dapat diketahui dari lignin yang terdapat pada berbagai macam jenis tanaman. Sebagai contoh lignin yang terdapat pada rumput mempunyai susunan p-koumaril alkohol yang kompleks. Pada umumnya lignin merupakan polimer dari satu atau beberapa jenis alkohol. Hingga saat ini, sangat sedikit bukti kuat yang mendukung teori bahwa lignin merupakan unsur organik utama yang menyusun batubara.
29
Karbohidrat
Gula atau monosakarida merupakan alkohol polihirik yang mengandung antara lima sampai delapan atom karbon. Pada umumnya gula muncul sebagai kombinasi antara gugus karbonil dengan hidroksil yang membentuk siklus hemiketal. Bentuk lainnya mucul sebagai disakarida, trisakarida, ataupun polisakarida. Jenis polisakarida inilah yang umumnya menyusun batubara, karena dalam tumbuhan jenis inilah yang paling banyak mengandung polisakarida (khususnya selulosa) yang kemudian terurai dan membentuk batubara. Protein
Protein merupakan bahan organik yang mengandung nitrogen yang selalu hadir sebagai protoplasma dalam sel mahluk hidup. Struktur dari protein pada umumnya adalah rantai asam amino yang dihubungkan oleh rantai amida. Protein pada tumbuhan umunya muncul sebagai steroid, lilin. Material Organik Lain Resin
Resin merupakan material yang muncul apabila tumbuhan mengalami luka pada batangnya. Tanin
Tanin umumnya banyak ditemukan pada tumbuhan, khususnya pada bagian batangnya. Alkaloida
Alkaloida merupakan komponen organik penting terakhir yang menyusun batubara. Alkaloida sendiri terdiri dari molekul nitrogen dasar yang muncul dalam bentuk rantai. Porphirin
Porphirin merupakan komponen nitrogen yang berdasar atas sistem pyrrole. Porphirin biasanya terdiri atas suatu struktur siklik yang terdiri atas empat cincin pyrolle yang
30
tergabung dengan jembatan methin. Kandungan unsur porphirin dalam batubara ini telah diajukan sebagai marker yang sangat penting untuk mendeterminasi perkembangan dari proses coalifikasi. Hidrokarbon
Unsur ini terdiri atas bisiklik alkali, hidrokarbon terpentin, dan pigmen kartenoid. Sebagai tambahan, munculnya turunan picene yang mirip dengan sistem aromatik polinuklir dalam ekstrak batubara dijadikan tanda inklusi material sterane-type dalam pembentukan batubara. Ini menandakan bahwa struktur rangka tetap utuh selama proses pematangan, dan tidak adanya perubahan serta penambahan struktur rangka yang baru. Konstituen Tumbuhan yang Inorganik (Mineral)
Selain material organik yang telah dibahas diatas, juga ditemukan adanya material inorganik yang menyusun batubara. Secara umum mineral ini dapat dibagi menjadi dua jenis, yaitu unsur mineral inheren dan unsur mineral eksternal. Unsur mineral inheren adalah material inorganik yang berasal dari tumbuhan yang menyusun bahan organik yang terdapat dalam lapisan batubara. Sedangkan unsur mineral eksternal merupakan unsur yang dibawa dari luar kedalam lapisan batubara, pada umumya jenis inilah yang menyusun bagian inorganik dalam sebuah lapisan batubara. PROSES PEMBENTUKAN BATUBARA
Pembentukan batubara pada umumnya dijelaskan dengan asumsi bahwa material tanaman terkumpul dalam suatu periode waktu yang lama, mengalami peluruhan sebagian kemudian hasilnya teralterasi oleh berbagai macam proses kimia dan fisika. Selain itu juga, dinyatakan bahwa proses pembentukan batubara harus ditandai dengan terbentuknya peat. Pembentukan Lapisan Source Teori Rawa Peat (Gambut) – Autocthon
Teori ini menjelaskan bahwa pembentukan batubara berasal dari akumulasi sisa-sisa tanaman yang kemudian tertutup oleh sedimen diatasnya dalam suatu area yang sama.
31
Dan dalam pembentukannya harus mempunyai waktu geologi yang cukup, yang kemudian teralterasi menjadi tahapan batubara yang dimulai dengan terbentuknya peat yang kemudian berlanjut dengan berbagai macam kualitas antrasit. Kelemahan dari teori ini adalah tidak mengakomodasi adanya transportasi yang bisa menyebabkan banyaknya kandungan mineral dalam batubara. Teori Transportasi – Allotocton
Teori
ini
mengungkapkan
bahwa
pembentukan
batubara
bukan
berasal
dari
degradasi/peluruhan sisa-sisa tanaman yang insitu dalam sebuah lingkungan rawa peat, melainkan akumulasi dari transportasi material yang terkumpul didalam lingkungan aqueous seperti danau, laut, delta, hutan bakau. Teori ini menjelaskan bahwa terjadi proses yang berbeda untuk setiap jenis batubara yang berbeda pula. Proses Geokimia dan Metamorfosis
Setelah terbentuknya lapisan source, maka berlangsunglah berbagai macam proses. Proses pertama adalah diagenesis, berlangsung pada kondisi temperatur dan tekanan yang normal dan juga melibatkan proses biokimia. Hasilnya adalah proses pembentukan batubara akan terjadi, dan bahkan akan terbentuk dalam lapisan itu sendiri. Hasil dari proses awal ini adalah peat, atau material lignit yang lunak. Dalam tahap ini proses biokimia mendominasi, yang mengakibatkan kurangnya kandungan oksigen. Setelah tahap biokimia ini selesai maka berikutnya prosesnya didominasi oleh proses fisik dan kimia yang ditentukan oleh kondisi temperatur dan tekanan. Temperatur dan tekanan berperan penting karena kenaikan temperatur akan mempercepat proses reaksi, dan tekanan memungkinkan reaksi terjadi dan menghasilkan unsur-unsur gas. Proses metamorfisme (temperatur dan tekanan) ini terjadi karena penimbunan material pada suatu kedalaman tertentu atau karena pergerakan bumi secara terus-menerus didalam waktu dalam skala waktu geologi. HETEROATOM DALAM BATUBARA
Heteroatom dalam batubara bisa berasal dari dalam (sisa-sisa tumbuhan) dan berasal dari luar yang masuk selama terjadinya proses pematangan. Nitrogen pada batubara pada umumnya ditemukan dengan kisaran 0,5 – 1,5 % w/w yang kemungkinan berasal dari
32
