3. Metode Penelitian 3.1. Alat dan Bahan Penelitian
3.1.1.
Alat
Umumnya peralatan yang digunakan pada penelitian ini berada di Labotaorium Kimia Fisik Material, sedangkan untuk FTIR digunakan peralatan yang berada di Laboratorium Kimia Analisis, dan pengukuran DTA/TGA berada di LIPI. Peralatan gelas yang digunakan dalam penelitian ini diantaranya adalah gelas kimia 100 mL; 250 mL; 600 mL, gelas ukur 10 mL; 50 mL; 100 mL, labu leher tiga, erlenmeyer, buret 25 mL, corong Buchner, termometer, desikator, cawan petri, pipet tetes. Proses polimerisasi menggunakan reaktor polimerisasi yang berada dil Laboratorium Kimia Fisik Material. Untuk menimbang sampel digunakan neraca analitis Denver Instrument Company. Untuk pemanasannya digunakan Heater Thermolyne. Dan untuk mengeringkan sampel digunakan Oven yang berada di Laboratorium Kimia Fisiik Material. Untuk pembuatan film polimer digunakan Hot Press Model C, Glossy Plat dan lembaran Teflon. Sifat mekanik dari sampel diuji dengan menggunakan Autograph AGS-500D Shimadzu. Penentuan gugus fungsi menggunakan FTIR Shimidzu Prestige 21 yang berada di Lab Kimia Analisis. Untuk uji DTA (Differential Thermal Analysis)/TGA (Thermo Gravimetry Analysis) dilakukan di LIPI.
3.1.2.
Bahan
Polistiren disintesis dari monomer stiren dengan inisiator benzoil peroksida. Pelarut yang digunakan untuk membuat membran adalah dimetil formamid (DMF). Bahan lain yang digunakan dalam pembuatan membran dan untuk karakterisasi membran digunakan bahan sebagai berikut: kloroform, metanol teknis, metanol pa, diklorometana, anhidrida asetat, H2SO4 98 %, gas N2, 2- propanol, H2C2O4.2H2O, NaOH, aqua dm. Lignin didapat dari hasil isolasi dari limbah pabrik kertas.
17
3.2. Tahapan Penelitian secara Umum Tahapan Penelitian secara umum dapat dilihat pada Gambar 3.1 berikut :
Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian Penelitian dibagi menjadi 5 tahap yaitu : 1. Sintesis polistiren dan pemurniannya. 2. Sintesis polistiren tersulfonasi 3. Isolasi Lignin 4. Modifikasi polistiren tersulfonasi dengan lignin 5. Karakterisasi polistiren, polistiren tersulfonasi, dan membran poliblend.
18
3.3. Sintesis Polistiren (PS) Hal pertama yang dilakukan adalah seting peralatan polimerisasi. Tabung yang berada di reaktor dicek, kemudian dicek dan diset kembali pompa agar dapat menghisap dengan baik. Terakhir, reaktor polimerisasi dipasangkan ke peralatan vakum. Untuk sintesis polistiren, sebanyak 0,065 g benzoil peroksida dimasukkan ke dalam reaktor dan ditambahkan 15 mL stiren ke dalam larutan tersebut. Kemudian stirer magnetik dimasukkan ke dalam reaktor yang telah berisi campuran kedua larutan tersebut. Larutan kemudian dibekukan dengan nitrogen cair. Reaktor yang beku tersebut kemudian divakumkan menggunakan pompa, kemudian klem alat ditutup sehingga reaktor berada dalam keadaan beku. Reaktor beku tersebut dibiarkan hingga mencair kembali sambil diaduk dengan kecepatan 300 rpm. Larutan tersebut kemudian dipanaskan pada suhu 800C dengan menggunakan penangas yang berisi minyak dan dibiarkan selama 20 jam sehingga terbentuk endapan polistiren. Polistiren yang terbentuk dimurnikan dengan melarutkannya dalam kloroform selama satu malam. Polistiren yang terlarut diencerkan kembali dengan kloroform. Larutan polistiren hasil sintesis dimasukkan ke dalam corong pisah, kemudian larutan polistiren tersebut diteteskan kedalam gelas kimia yang telah berisi metanol dengan kecepatan tetesan 1 tetes/detik sambil diaduk. Endapan yang terbentuk disaring dengan menggunakan corong Buchner. Kemudian dikeringkan dalam oven vakum. Diagram alir dapat dilihat pada Gambar 3.2 berikut :
19
Gambar 3.2 Diagram alir sintesis polistiren
3.4. Sintesis Polistiren Tersulfonasi (PSS)
3.4.1.
Preparasi larutan asetil sulfat
Sebanyak 0,014 mol anhidrida asetat dicampurkan dengan 2 mL diklorometana, dalam kondisi atmosfir inert dengan mengalirkan gas N2. Larutan didinginkan pada suhu 00C, kemudian ditambahkan H2SO4 98% sebanyak 0,084 mol dan diaduk hingga homogen. Larutan yang terbentuk adalah larutan asetil sulfat.(7) Preparasi larutan asetil sulfat dapat dilihat pada Gambar 3.3 berikut:
Gambar 3.3 Diagram alir preparasi larutan asetil sulfat
20
3.4.2.
Sulfonasi polistiren dan pemurniannya
Polistiren hasil sintesis ditimbang sebanyak 2 gram kemudian ditambahkan 20 mL larutan diklorometana. Larutan kemudian dimasukkan ke dalam labu leher tiga dan diaduk dengan menggunakan megnetik stirer. Larutan dipanaskan pada suhu 400C dan dalam kondisi inert (gas N2) hingga homogen, kemudian ditambahkan larutan asetil sulfat yang telah disiapkan. Larutan tetap diaduk dan suhu dipertahankan pada 400C selama 120 menit. Larutan kuning bening yang terbentuk merupakan polistiren yang telah tersulfonasi(7). PSS hasil sintesis dimurnikan dengan menambahkan air mendidih kedalam PSS, kemudian disaring dengan kertas saring dan dikeringkan dalam vakum dan terakhir disimpan dalam desikator(7). Sulfonasi polistiren dan pemurniannya. Diagram alir percobaan dapat dilihat pada Gambar 3.4 berikut:
Gambar 3.4 Diagram alir sintesisi polistiren tersulfonasi dan pemurniannya
21
3.5. Isolasi Lignin Sebanyak 500 mL limbah dari pabrik kertas dincerkan dua kali lipat hingga volume larutan sebanyak 1 L. Ke dalam larutan kemudian ditambahkan asam sulfat 10% sampai besar nilai pH larutannya mendekati 2. Larutan didiamkan sampai terbentuk suatu endapan, kemudian endapan disaring dengan menggunakan corong Buchner. Lignin yang diperoleh dikeringkan dalam oven sampai lignin benar-benar kering, kemudian lignin digerus sehingga terbentuk serbuk lignin. Isolasi Lignin dapat dilihat pada Gambar 3.5 berikut:
Gambar 3.5 Diagram alir isolasi lignin
3.6. Modifikasi PSS dengan Lignin Membran poliblend disiapkan dengan perbandingan PSS : Lignin 15%(w/w) PSS dengan 3%(w/w) lignin. PSS dan lignin dilarutkan dalam DMF. Campuran kedua larutan kemudian diuapkan sampai terbentuk suatu padatan. Padatan polimer kemudian ditekan pada tekanan 100 kg/cm2 sehingga terbentuk suatu membran poliblend PSS-lignin. Prosedur pembuatan poliblend polistiren/ polistiren tersulfonasi dengan Lignin dapat dilihat dari Gambar 3.6.
22
Gambar 3.6 Diagram alir pembuatan poliblend
3.7. Karakterisasi Karakterisasi polimer bertujuan untuk mengetahui struktur dan sifat dari polimer/poliblend yang telah disintesis. Karakterisasi yang digunakan pada penelitian ini adalah FT-IR, konduktivitas proton, kapasitas penukar ion, derajat penggembungan, sifat mekanik, dan sifat termal.
3.7.1.
Penentuan massa molekul polimer
Massa molekul polimer ditentukan dengan mengukur viskositas larutan polimer kemudian dibandingkan dengan nilai viskositas dari pelarut(1). Polistiren dan polistiren tersulfonasi dilarutkan dengan menggunakan toluen sehingga akan didapatkan suatu larutan induk dengan konsentrasi 1000, 2000, 3000, 4000, dan 5000 ppm. Larutan polimer diukur nilai viskositasnya dengan mengalirkannya melewati viskometer Ostwald. Penentuan massa molekul dari polimer dihitung dengan menggunakan Persamaan (1) sampai (5) [η] = K.Mva ...(5) K dan a tetapan Mark-Houwink, nilai K dan a untuk polistiren dalam pelarut toluen adalah K= 1,05x10-2 mL/g, dan nilai a = 0.73, η didapatkan dari grafik.
23
3.7.2.
Perhitungan % derajat sulfonasi
Sebanyak 150 mg PSS dilarutkan dalam 15 mL metanol. Larutan PSS ini kemudian dititrasi dengan menggunakan NaOH 0,01 M. Perhitungan untuk menentukkan derajat sulfonasi adalah sebagai berikut: DS(%) = (massa PSS hasil titrasi : massa PSS yang dititrasi)x 100% Reaksi yang terjadi : SO3Na
SO3H
+ HC
CH2
+
NaOH
n
HC
CH2
H2O
n
Gambar 3.7 Reaksi PSS dengan NaOH
3.7.3.
Analisis gugus fungsi dengan FTIR
Analisis gugus fungsi untuk PS, PSS, dan PSS+ lignin dilakukan dengan menggunakan spektrofotometer Shimidzu Prestige 21. Sampel tersebut diukur dengan menggunakan metode pelet KBr. Spektra infra merahnya direkam pada bilangan gelombang 500 cm-1 4500 cm-1.
3.7.4.
Analisis derajat penggembungan ( % swelling)
Membran dengan ukuran 2 cm x 3 cm direndam dalam 30 mL aqua dm selama 24 jam, kemudian membran diangkat. Air pada permukaan membran dikeringkan dengan menggunakan tisu dan berat membran basah ditimbang. Membran tersebut dikeringkan selama 24 jam pada temperatur ruang kemudian berat membran kering ditimbang. % Swelling dihitung dari Persamaan (9) % swelling = (( Wbasah – Wkering)/ Wkering) x 100% ....(9) Wbasah adalah massa membran saat basah (gram), Wkering adalah massa membran saat membran kering(9).
24
3.7.5.
Analisis IEC ( Ion Exchange Capacitiy)
IEC membran ditentukan dengan metode titrasi. Membran dengan ukuran 2 cm x 1cm ditimbang kemudian direndam dalam 20 mL lautan HCl 0,1 M selama 24 jam. Sebanyak 5 mL larutan HCl yang digunakan untuk merendam membran tersebut dititrasi dengan NaOH 0,1 M menggunakan indikator fenoftalein, disamping itu 5 mL larutan HCl tanpa membran dititrasi juga dengan larutan NaOH. Nilai IEC dihitung dari Persamaan (10) IEC (mmol/gram) = ((nHCl,i – nHCl,f) x )/ Wmembran ...(10)
nHCl,i adalah mmol HCl tanpa membran (standar), nHCl,f adalah mmol HCl dengan membran, Wmembran adalah massa membran dalam gram.
3.7.6.
Analisis konduktivitas proton
Membran dengan ukuran 2 cm x 1cm direndam dalam 20 mL lautan H2SO4 0,1 M selama 24 jam. Membran dicuci mengggunakan aqua dm hingga netral. Membran tersebut diukur konduktivitasnya menggunakan alat konduktometer Conductivity Bridge model 31 yang berada di Laboratorium Kimia Fisik Material ITB. Data yang didapat adalah hantaran membran pada 1 kHz dan 50 Hz. Konduktivitas dihitung dengan Persamaan (11): σ (S/cm) = l / (A x R) ...(11) l adalah ketebalan membran (cm), A adalah luas permukaan membran ( cm2) dan 1/R adalah nilai hantaran yang didapat (S).
3.7.7.
Analisis uji tarik
Analisis uji tarik dilakukan dengan menggunakan Autograph yang berada di Laboratorium Kimia Fisik Material ITB. Membran digunting dengan pola sebagai terlihat pada Gambar 3.8.
Gambar 3.8 Pola membran untuk uji tarik Membran tersebut diuji ketahanan mekaniknya dengan alat uji tarik. Data yang didapat adalah ∆l yaitu perpanjangan saat terjadi pemutusan dan F (gaya dalam kgf) saat terjadi
25
pemutusan. Nilai stress, strain, dan modulus Young didapatkan dari persamaan (6), (7), dan (8).
3.7.8.
Analisis termal dengan TGA/ DTA
Membran PS/PSS-lignin dianalisis menggunakan alat TGA/DTA yang berada di Laboratorium Uji Polimer Pusat Penelitian Fisika LIPI. Jenis uji/karakterisasi yang dilakukan adalah Thermogram TGA. Alat uji yang digunakan adalah TGA/DTA 200 dengan tipe SSC 5200H. Metode uji yang digunakan adalah metode standar JIS K7120, kondisi operasi yang digunakan adalah rentang suhu yang diukur dimulai dari 300C sampai 5000C, aliran nitrogen 260 mL/menit, dan laju suhu 100C/menit. Hasil yang didapat dari analisis termal TGA/DTA berupa termogram dari PS/PSS-lignin.
26
