3. 3.1.
Metodologi Penelitian
Tahapan Penelitian Secara Umum
Secara umum, diagram kerja penelitian yang dilakukan adalah sebagai berikut :
Monomer
Inisiator
Limbah Pulp
POLIMERISASI ISOLASI
Polistiren
SULFONASI Lignin
PSS
Variasi Membran PSS-Lignin
KARAKTERISASI
13
Gambar 3. 1 Diagram penelitian secara keseluruhan.
Penelitian ini dibagi menjadi 5 tahapan utama yaitu : 1. Sintesis polistiren dan pemurniannya. 2. Sulfonasi polistiren dan pemurniannya. 3. Isolasi lignin dari limbah pulp pabrik kertas. 4. Modifikasi PSS dengan menggunakan variasi penambahan lignin hingga terbentuk poliblend membran PSS-lignin. 5. Karakterisasi poliblend antara lain analisis FTIR, analisis derajat sulfonasi, analisis derajat swelling, analisis kekuatan mekanik, analisis IEC, analisis hantaran dan analisis termal.
21
3.2.
Peralatan dan Bahan Penelitian
3.2.1. Peralatan 1. Pada tahap sintesis dan pemurnian polistiren digunakan peralatan gelas standar dan peralatan untuk polimerisasi. Peralatan-peralatan ini berada di Laboratorium Kimia Fisik Material, Program Studi Kimia, ITB. Peralatan gelas standar yang digunakan antara lain: gelas kimia, gelas ukur, batang pengaduk, pipet tetes, cawan petri, labu isap, corong Buchner. Peralatan yang digunakan untuk polimerisasi dan pemurnian polistiren yaitu neraca analitis Denver Instrument Company untuk penimbangan sampel, reaktor polimerisasi, oil bath, magnetic stirrer,dan pengaduk magnetik berpemanas Heater Thermolyne. 2. Pada tahap sulfonasi polistiren dan pemurniannya, digunakan peralatan gelas standar dan peralatan yang terdapat di Laboratorium Kimia Fisik Material, Program Studi Kimia, ITB. Peralatan gelas standar yang digunakan antara lain: gelas kimia, gelas ukur, labu leher tiga, batang pengaduk, pipet tetes, cawan petri, labu isap, corong Buchner. Peralatan yang digunakan untuk polimerisasi dan pemurnian polistiren yaitu neraca analitis Denver Instrument Company untuk penimbangan sampel, magnetic stirrer,dan pengaduk magnetik berpemanas Heater Thermolyne. 3. Pada tahap isolasi lignin dari limbah pulp pabrik kertas digunakan peralatan gelas standar antara lain : gelas kimia, gelas ukur, batang pengaduk, pipet tetes, labu isap, corong Buchner, termometer. Digunakan peralatan lain seperti magnetic stirrer,dan pengaduk magnetik berpemanas Heater Thermolyne. 4. Pada tahap modifikasi PSS dengan lignin (pembentukan poliblend), digunakan peralatan gelas standar antara lain : gelas kimia, gelas ukur, batang pengaduk, pipet tetes, termometer. Peralatan lain yang digunakan adalah magnetic stirrer,dan pengaduk magnetik berpemanas Heater Thermolyne, neraca analitis Denver Instrument Company untuk penimbangan sampel dan untuk pembuatan membran poliblend digunakan Hot Press Model C, glossy plat serta kertas Teflon.
5. Pada tahap karakterisasi umumnya digunakan peralatan yang berada di Laboratorium Kimia Fisik Material, sedangkan untuk FTIR digunakan peralatan yang berada di Laboratorium Kimia Analitik, serta DTA/TGA yang berada di LIPI. Sifat mekanik dari sampel diuji dengan menggunakan Autograph AGS-500D Shimadzu. Penentuan gugus fungsi menggunakan FTIR Shimadzu Prestige-21. Untuk analisis sifat termal digunakan DTA (Differential Thermal Analysis)/TGA (Thermo Gravimetry Analysis) tipe Seiko
22
SSC 5200H yang berada di Laboratorium Uji Polimer, Pusat Penelitian Fisika, Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (LIPI).
3.2.2. Bahan Penelitian 1. Pada tahap sintesis, pemurnian, sulfonasi dan karakterisasi polistiren digunakan bahanbahan sebagai berikut: a) Stiren sebagai monomer. b) Benzoil peroksida sebagai inisiator. c) Nitrogen cair sebagai pendingin pada proses polimerisasi polistiren. d) Kloroform teknis sebagai pelarut. e) Metanol teknis sebagai pengendap pada proses pemurnian PS. f) Asam sulfat pekat, anhidrida asetat, diklorometana sebagai bahan untuk mensintesis asetil sulfat. g) Gas nitrogen untuk degassing pada proses sulfonasi PS. h) Es batu untuk mendinginkan pada proses sulfonasi PS. i)
2-propanol untuk menghentikan reaksi sulfonasi PS.
j)
KBr untuk analisis FTIR.
2. Pada tahap isolasi lignin dari limbah pulp dan pabrik kertas digunakan bahan-bahan sebagai berikut: a) Limbah pulp pabrik kertas b) Aqua dm untuk mengencerkan limbah pulp. c) Asam sulfat pekat untuk mengendapkan lignin. 3. Pada tahap pembuatan membran PSS-lignin (poliblend) digunakan bahan-bahan sebagai berikut: a) Dimetil formamid (DMF) sebagai pelarut. b) PSS hasil sintesis. c) Lignin hasil isolasi.
3.3.
Prosedur
3.3.1. Polimerisasi dan Pemurnian Polistiren Polimerisasi Polistiren Peralatan polimerisasi diset terlebih dahulu untuk memastikan peralatan polimerisasi tersebut berada dalam kondisi baik. Sebanyak 0.1316 gram benzoil peroksida ditimbang lalu dimasukkan ke dalam reaktor yang di dalamnya telah berisi pengaduk magnetik dan stiren
23
sebanyak 30 mL. Reaktor tersebut dipasang ke rangkaian peralatan polimerisasi. Reaktor kemudian dibekukan dengan menggunakan nitrogen cair. Setelah reaktor tersebut beku, udara yang terdapat dalam reaktor tersebut disedot dengan menggunakan pompa. Campuran dalam reaktor lalu didiamkan hingga mencair kemudian diaduk. Proses ini dilakukan sebanyak 3 kali. Setelah itu, campuran yang berbentuk cairan dalam reaktor diaduk dan dipanaskan dengan menggunakan penangas yang berisi minyak pada suhu 800 C. Termokopel dimasukkan ke penangas tersebut, kemudian pemanasan dilakukan selama 20 jam hingga diperoleh polistiren.
0.1316 gram BPO
30 mL stiren
Dimasukkan ke dalam reaktor yang berisi pengaduk magnetik
Reaktor dipasang ke peralatan polimerisasi yang telah di set
Nitrogen cair
Reaktor dibekukan dengan nitrogen cair
Reaktor beku
Udara dalam reaktor disedot dengan pompa
Proses diulang sebanyak 3 x
Campuran dibiarkan mencair lalu diaduk
Campuran cair
Campuran dipanaskan dengan penangas berisi minyak pada suhu 800 C selama 20 jam
Polistiren
Gambar 3. 2 Diagram sintesis polistiren
24
Pemurnian Polistiren Polistiren hasil sintesis dilarutkan dengan menggunakan kloroform. Larutan tersebut diencerkan lagi dengan menggunakan kloroform. Larutan ini kemudian dimasukkan ke dalam corong pisah. Larutan dalam corong pisah tersebut lalu diteteskan ke dalam gelas kimia yang telah berisi metanol dengan kecepatan kira-kira 1 tetes/detik hingga dihasilkan serabut putih. Serabut putih disaring dengan menggunakan corong Buchner. Residu yang diperoleh dikeringkan selama 1 hari di udara terbuka kemudian dikeringkan dalam vakum.
PS hasil
Dilarutkan lalu diencerkan
kloroform
PS larut
Dimasukkan ke dalam corong pisah Diteteskan ke dalam gelas kimia yang berisi methanol ( 1 tetes / detik)
metanol
Serabut putih
Disaring dengan corong Buchner Residu
Filtrat
Dikeringkan selama 1 hari di udara
Disaring dengan vakum
PS murni
Gambar 3. 3 Diagram pemurnian polistiren.
25
3.3.2. Preparasi Larutan Asetil Sulfat Diklorometana sebanyak 2 mL dicampurkan dengan 1.32 mL anhidrida asetat dalam kondisi inert dengan mengalirkan gas N2. Larutan didinginkan pada suhu 00 C dengan menggunakan es batu. Asam sulfat 95-97 % kemudian ditambahkan ke dalam larutan dan diaduk hingga homogen sampai diperoleh larutan kuning bening.
2 mL diklorometana
1,32 mL anhidrida asetat
Dicampurkan dalam kondisi inert dengan dialiri gas N2
Gas N2
Didinginkan pada suhu 00 C dengan menggunakan es
Es
Ditambahkan ke dalam larutan, aduk hingga homogen.
8,15 mL asam sulfat
Asetil sulfat
Gambar 3. 4 Diagram sintesis asetil sulfat.
3.3.3. Sulfonasi Polistiren Polistiren hasil sintesis sebanyak 2 gram dilarutkan dalam 20 mL diklorometana dalam gelas kimia. Larutan diaduk dengan pengaduk magnetik dan dipanaskan pada suhu 400 C. Larutan polistiren kemudian ditambahkan ke dalam larutan asetil sulfat yang suhunya diatur pada 400C sambil tetap dialiri gas N2. Suhu larutan tetap dipertahankan 400 C selama 20 menit. Reaksi sulfonasi dihentikan dengan menambahkan 2-propanol sebanyak 200 mL.
26
2 gram PS 20 mL diklorometanaa
Gas N2
Dilarutkan dalam diklorometanaa dalam gelas kimia, suhu dibuat 400C Dimasukkan dalam labu berleher 3, yang berisi larutan asetil sulfat, gas N2 tetap dialirkan, lalu diaduk.
Larutan Suhu dipertahankan 400 C selama 20 menit
Larutan kuning jernih
200 mL 2-propanol
Ditambahkan ke dalam larutan agar reaksi sulfonasi berhenti
PSS Gambar 3. 5 Diagram sintesis polistiren tersulfonasi.
Pemurnian Polistiren Tersulfonasi PSS hasil sintesis dimasukkan ke dalam aqua dm mendidih. Padatan yang terbentuk disaring dengan menggunakan kertas saring dan dikeringkan dalam oven vakum hingga beratnya konstan. Padatan tersebut disimpan dalam eksikator. PSS hasil Aqua dm mendidih
Dimasukkan ke dalam gelas kimia berisi aqua dm mendidih Disaring dengan kertas saring Dikeringkan dalam vakum hingga beratnya konstan Disimpan dalam eksikator
PSS murni Gambar 3. 6 Diagram pemurnian polistiren.
27
3.3.4. Modifikasi PSS dengan Lignin Masing-masing komposisi lignin dan PSS hasil sintesis dilarutkan dalam pelarut DMF. Kedua larutan tersebut dicampurkan dan diaduk dengan pengaduk magnetik. Pelarut DMF diuapkan hingga terbentuk padatan berupa gel. Padatan tersebut kemudian dipress hingga terbentuk membran.
PSS
DMF
Variasi jumlah Lignin
Dilarutkan dalam DMF
Kedua larutan dicampur dan diaduk hingga homogen Pelarut DMF diuapkan
Padatan gel
Dipress dengan alat press
Membran Gambar 3. 7 Diagram pembuatan membran poliblend PSS-Lignin.
Komposisi campuran polimer dalam pembentukan membran poliblend dapat dilihat pada tabel berikut: Tabel 3. 1 Komposisi membran poliblend PSS-lignin. Komposisi
PSS (g)
Lignin (g)
DMF (mL)
PSS : Lignin (15% : 0%)
1,67
-
10
PSS : Lignin (15% : 1%)
1,69
0,11
10
PSS : Lignin (15% : 5%)
1,78
0,59
10
PSS : Lignin (15% : 7%)
1,83
0,85
10
PSS : Lignin (15% : 10%)
1,96
1,27
10
28
3.4.
Karakterisasi
3.4.1. Analisis Gugus Fungsi Sampel polimer seperti polistiren, polistiren tersulfonasi, lignin dan membran PSS-lignin yang sudah dihaluskan menjadi serbuk dibuat pelet dengan KBr. Pelet KBr tersebut dimasukkan ke dalam tempat sampel pada peralatan FTIR. Spektra infra merahnya direkam pada bilangan gelombang antara 450-4500 cm-1.
3.4.2. Analisis Berat Molekul Polimer Sampel polistiren sebanyak 0,25 gram dilarutkan dalam 50 mL toluen. Larutan induk tersebut dibuat menjadi beberapa buah larutan dengan konsentrasi yang berbeda-beda, yaitu 1000-5000 ppm. Selanjutnya larutan tersebut dan pelarut murninya dimasukkan ke dalam viskometer Ostwald dan dihitung waktu laju alirnya. Waktu laju alir dihitung beberapa kali hingga diperoleh nilai yang konstan. Hasil nilai waktu laju alir tersebut kemudian dimasukkan ke dalam perhitungan sehingga berat molekul polimer dapat diketahui, yaitu dengan menggunakan nilai tetapan K= 1,05 x 10-2 mL/g, dan nilai a = 0.73 pada persamaan:
[η ] = K.M a 3.4.3. Analisis Derajat Sulfonasi PSS sebanyak 150 mg dilarutkan dalam 15 mL metanol dalam gelas kimia. Ke dalamnya diteteskan indikator phenolpthalein. Larutan tersebut dititrasi dengan menggunakan 0.01M NaOH dalam metanol yang sebelumnya telah distandardisasi dengan menggunakan asam oksalat. Volume NaOH yang butuhkan untuk mentitrasi polistiren tersulfonasi tersebut dicatat dan diolah untuk memperoleh mol dari PS yang tersulfonasi.
3.4.4. Analisis Derajat Swelling Sampel poliblend dibentuk dengan ukuran tertentu kemudian dikeringkan di dalam oven. Massa membran poliblend ditimbang dengan neraca analitis. Membran poliblend tersebut kemudian direndam dalam aqua dm selama 24 jam. Setelah waktu tersebut, membran lalu dikeringkan permukaannya dengan menggunakan kertas saring hingga kering. Massa membran poliblend ditimbang kembali dengan menggunakan neraca analitis. Derajat swelling (α) dapat ditentukan dengan menghitung perubahan massa polimer sebelum dan setelah perendaman dan dinyatakan dalam persen.
29
3.4.5. Analisis Termal Sampel diuji dengan peralatan TG/DTA. Analisis dilakukan pada rentang suhu 30-500°C dengan kecepatan pemanasan 10°C/menit. Data yang diperoleh berupa termogram yang menggambarkan sifat termal poliblend ketika dipanaskan pada suhu 300C hingga 500°C.
3.4.6. Analisis Mekanik Film poliblend dibentuk dengan ukuran yang seragam, kemudian dibuat dumbbell dengan ukuran yang ditentukan untuk analisis uji tarik (Gambar 3. 8). Uji tarik dilakukan menggunakan alat tensile tester (Autograph) dengan kecepatan tarik 1 mm/detik.
Gambar 3. 8 Bentuk membran saat analisis uji tarik
3.4.7. Analisis Konduktivitas Sampel membran poliblend dibentuk dengan ukuran 1cm x 1,5cm kemudian direndam dalam H2SO4 1 M selama 24 jam.Membran tersebut dicuci dengan aqua dm sebanyak beberapa kali hingga pH membran netral. Membran dijepit di antara dua buah elektroda yang telah dilapisi dengan kertas saring basah. Konduktansi membran diukur dengan alat pengukur konduktivitas pada 1 KHz dan 50 Hz. Konduktansi dari kertas saring juga diukur sebagai faktor koreksi pada pengukuran nilai konduktivitas membran. Nilai hantaran jenis dapat diperoleh dengan perhitungan :
κ=
1 l × R A
30
Dimana
ĸ R l A
= Hantaran jenis (S cm-1) = Tahanan = 1/konduktansi (ohm) = Lebar membran saat basah (cm) = Luas elektroda (cm2)
3.4.8. Analisis IEC Sampel membran poliblend dibentuk dengan ukuran 1cm x 2 cm kemudian direndam selama 24 jam dalam larutan 20 mL HCl 0,1M yang sudah dibakukan konsentrasinya dengan 0,1M NaOH standar yang sebelumnya juga telah distandarisasi dengan menggunakan asam oksalat. Setelah itu, larutan HCl yang dipakai untuk merendam membran tersebut dipipet sebanyak 5 mL, yang kemudian dititrasi dengan NaOH standar menggunakan indikator fenolftalein. Nilai IEC dapat diperoleh dengan menggunakan hasil volume NaOH yang diperlukan untuk titrasi. Perhitungan yang dilakukan adalah sebagai berikut :
IEC =
Dimana
IEC nHCl,i nHCl,f m kering
nHCl ,i − nHCl , f mker ing
= kapasitas penukar ion membran (mEq/gram) = mol HCl awal = mol HCl pada larutan untuk merendam membran = massa membran kering (gram)
31
