BAB II TINJAUAN PUSTAKA

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1

Sejarah Plastik Plastik merupakan salah satu produk polimer. Industri plastik mulai

berkembang pada tahun 1968. Seorang Amerika yang bernama John Wesley Hyatt menemukan cellulose nitrate yang terbentuk dari reaksi asam nitrat pada temperatur dan tekanan tertentu. Percobaan ini menghasilkan zat yang dapat dicetak untuk dibentuk. Ia menyebutnya dengan celluloid. Selanjutnya, seorang warganegara Jerman, Adolph Spitteler, menemukan plastik dengan mencampur susu asam dengan formaldehyde sehingga dihasilkan casein plastic. Pada tahun 1909, seorang Amerika yang bernama Dr. Leo Baekeland mencoba untuk memproduksi resin sintetik dengan mencampur phenol dengan formaldehyde pada kondisi tertentu sehingga dihasilkan resin sintetik untuk pertama kalinya. Plastik baru ini dikenal dengan nama Bakelite. Industri plastik baru berkembang dengan pesat sejak ditemukannya Bakelite.

2.2

Tinjauan Umum Polimer Polimer berasal dari bahasa Yunani yaitu dari kata poly (banyak) dan meros

(bagian-bagian). Polimer merupakan bahan kimia yang sangat penting dalam kehidupan manusia. Polimer merupakan molekul besar yang dibangun oleh pengulangan kesatuan kimia yang kecil dan sederhana. Unit yang berulang dari suatu polimer biasanya berasal dari monomer yang sama, namun tidak menutup kemungkinan polimer terbentuk dari dua jenis monomer atau lebih. Panjang rantai polimer ditunjukkan oleh derajat polimerisasi (DP), yaitu banyaknya kesatuan berulang dalam rantai tersebut (n). Sedangkan berat molekul (BM) polimer merupakan hasil kali BM kesatuan berulang dengan DP-nya. Derajat polimerisasi mempengaruhi sifat polimer. Semakin besar derajat polimerisasi, polimer semakin keras atau kaku. Sedangkan semakin kecil derajat polimerisasi maka polimer akan semakin elastis.

II-1 Universitas Sumatera Utara

II-2

Beberapa contoh polimer yang dapat ditemukan dalam kehidupan sehari-hari misalnya plastik, karet, serat, nilon, polisakarida, protein, dan asam nukleat.

2.2.1

Karakteristik Polimer Polimer memiliki beberapa karakteristik untuk menggambarkan sifat fisik

dan sifat kimianya. Sifat-sifat tersebut akan mempengaruhi aplikasi penggunaan polimer tersebut. Karakteristik polimer antara lain : 1. Crystallinity (kristalinitas) Struktur polimer yang tidak tersusun secara teratur umumnya memiliki warna transparan. Karakteristik ini membuat polimer dapat digunakan untuk berbagai aplikasi seperti pembungkus makanan, kontak lensa dan sebagainya. Semakin tinggi derajat kristalisasinya, semakin sedikit cahaya yang dapat melewati polimer tersebut. 2. Thermosetting dan Thermoplastic (Daya tahan terhadap panas) Berdasarkan ketahanannya terhadap panas, polimer dibedakan menjadi polimer thermoplastic dan thermosetting. Polimer thermoplastic dapat melunak bila dipanaskan, sehingga jenis polimer ini dapat dibentuk ulang. Sedangkan polimer thermosetting setelah dipanaskan tidak dapat dibentuk ulang. Ketahanan polimer terhadap panas ini membuatnya dapat digunakan pada berbagai aplikasi antara lain untuk insulasi listrik, insulasi panas, penyimpanan bahan kimia dan sebagainya. 3. Branching (percabangan) Semakin banyak cabang pada rantai polimer maka densitasnya akan semakin kecil. Hal ini akan membuat titik leleh polimer berkurang dan elastisitasnya bertambah karena gaya ikatan intermolekularnya semakin lemah. 4. Tacticity (taktisitas) Taktisitas menggambarkan susunan isomerik gugus fungsional dari rantai karbon. Ada tiga jenis taktisitas yaitu isotaktik dimana gugus-gugus subtituennya terletak pada satu sisi yang sama, sindiotaktik dimana gugusgugus subtituennya lebih teratur, dan ataktik dimana gugus-gugus subtituennya terletak pada sisi yang acak.

Universitas Sumatera Utara

II-3

Berbagai teknik telah dikenali untuk mengenali sifat-sifat dari polimer. Angle X-ray scattering digunakan untuk mengenali struktur kristal polimer. Gel Permeation Chromatography digunakan untuk mengetahui berat molekul rata-rata jumlah polimer (Mn), berat molekul rata-rata berat polimer (Mw), dan polidisperity polimer. FTIR dan NMR digunakan untuk mengetahui komposisi polimer. Calorymetric dan Dynamic Mechanical Analysis digunakan untuk mengetahui titik leleh polimer. Pyrolisis digunakan untuk mengetahui struktur polimer.

2.2.2

Proses Polimerisasi Secara Umum Pada umumnya proses polimerisasi (pembentukan polimer) dibagi menjadi

dua cara, yaitu polimerisasi kondensasi dan polimerisasi adisi.

2.2.2.1 Polimerisasi Kondensasi (Step Polymerization) Menurut M.A Cowd pada tahun 1991, polimerisasi kondensasi yaitu polimerisasi yang terjadi pada saat zat bermassa molekul rendah, dimana terjadi reaksi antara dua molekul bergugus fungsi banyak (molekul yang mengandung dua gugus fungsi atau lebih yang dapat bereaksi) dan terbentuk satu molekul besar bergugus fungsi banyak, disertai penyingkiran molekul kecil (seperti air). Contohnya, jika campuran ethanol (etil alkohol) dan asam etanoat (asam asetat) dipanasi bersama sedikit asam sulfat pekat, akan dihasilkan ester etil etanoat (etil asetat) yang disertai penyingkiran air, reaksinya :

CH3COOH + C2H5OH

CH3COOC2H5 + H2O

Reaksi berhenti sampai disini, karena tidak terdapat gugus fungsi yang dapat bereaksi (pada contoh ini gugus –COOH dan -OH) akan tetapi, jika tiap molekul pereaksi mengandung dua atau tiga gugus fungsi, maka reaksi berikutnya dapat terjadi. Misalnya reaksi antara 2 monomer asam heksanadioat (asam adiapat) dan etana 1,2-diol : HOOC(CH2)4COOH + HO(CH2)OH

HO(CH2)2COO(CH2)4COO(CH2)2OH + H2O


II-4

Polimerisasi kondensasi hampir selalu berlangsung secara bertahap dengan reaksi antara pasangan gugus fungsi, sehingga terbentuk dimer, trimer, tetramer, dan seterusnya hingga terbentuk polimer. Polimer yang terbentuk mengandung kesatuan yang berulang, berikut reaksinya : [-O(CH2)2COO(CH2)4CO-]n Dengan demikian massa molekul nisbi bertambah secara bertahap selama reaksi berlangsung dan waktu rekasi lama jika diperlukan massa molekul polimer nisbi yang besar. Jadi berbeda dengan polimerisasi adisi rantai yang membentuk polimer bernassa molekul besar sekaligus.

2.2.2.2 Polimerisasi Adisi (Chain Polymerization) Polimerisasi adisi adalah polimerisasi yang melibatkan reaksi rantai dan disebabkan oleh radikal bebas (partikel reaktif yang mengandung elektron tak berpasangan) atau ion. Polimer penting yang dihasilkan melalui polimerisasi adisi adalah turunan etena berbentuk CH2=CHX atau CH2=CXY, yang disebut monomer vynil. Menurut F.W Billmeyer pada tahun 1984 reaksi umumnya dapat dituliskan sebagai berikut : CH2=CH

-CH2-CH-CH2-CH-

X

X

dst

X

Polimerisasi ini berlangsung sangat cepat (beberapa detik). Reaksi keseluruhannya memakan waktu lama, karena penelitian menunjukan bahwa reaksi rantai berlangsung dalam suatu deret reaksi cepat yang diselingi waktu yang cukup panjang yang diistilahkan sebagai gejolak. Perbedaan mekanisme rekasi polimerisasi kondensasi dan polimerisasi adisi menurut F.W Billmeyer pada tahun 1984 dapat dilihat pada Tabel 2.1.


II-5

Tabel 2.1 Perbedaan Antara Mekanisme Polimerisasi Kondensasi dengan Polimerisasi Adisi Polimerisasi Kondensasi 

Polimerisasi Adisi

Reaksi terjadi dengan adanya



dua jenis molekul

Reaksi adanya

memanjang

dengan

pengulangan

unit

monomer setiap saat 

Monomer

dapat

dihilangkan



Konsentrasi monomer menurun

lebih awal di dalam reaksi: pada

perlahan sesuai dengan reaksi

saat DP=10, Kurang dari 1%

steady

monomer sisa 





Berat molekul polimer terjadi



Polimer tinggi terbentuk sekali,

dengan adanya reaksi Steady

yaitu pada saat polimer terjadi

(Tetap) secara perlahan

perubahan BM sudah tinggi.

Lama

waktu

reaksi

sangat

Lama

waktu

penting untuk mencapai berat

menyebabkan

molekul yang tinggi

namun BM menjadi kecil.

Beberapa tahap molekul akan



didistribusikan

Reaksi

yield

pencampuran

reaksi tinggi,

hanya

berisi monomer tinggi, kira-kira seperseribu bagian dari rantai yang menunjang

Oleh karena pembawa rantai dapat berupa radikal bebas ataupun ion, maka polimerisasi adisi selanjutnya dapat digolongkan kedalam dua golongan, yaitu Polimerisasi Radikal Bebas dan Polimerisasi Ion.


II-6

A.

Polimerisasi Radikal Bebas Menurut F.W Billmeyer pada tahun 1984, tahap-tahap yang terjadi pada

polimerisasi radikal bebas yaitu: 1. Inisiasi (tahap pemicuan) Pemicuan dapat dipandangsenagai penguraian pemicu dan adisi molekul monomer pada salah satu radikal bebas yang terbentuk. Jika merupakan pemicu , R sebagai Radikal Bebas dan molekul monomer dinyatakan dengan CH2=CHx, Proses pemicuan dapat digambarkan sebagai berikut: I

2R• H

R• + CH2=CHX

R CH2C• X

2. Propagasi (tahap perambatan) Pada tahap ini terbentuk rantai radikal, dan dapat berturut-turut bereaksi dengan monomer sehingga memperbanyak rantai. H

H

R-(CH2CHX-)xCH2C• + CH2=CHX

….

R-(CH2CHX-)x+1CH2C•

X

X

Tahap ini berjalan terus menerus sampai suplai monomer habis.

3. Terminasi (tahap pengakhiran) Tahap terminasi dapat tercapai dengan dua cara, yaitu:  Kombinasi atau Coupling H

H

CH2C• + •CCH2X

X

H H -CH2C-CCH2X X


II-7

 Disproporsionasi H

H

CH2C• + •CCH2X

X

H

H

-CH2C-H + C=CH X

X

Tranfer hidrogen menghasilkan dua bentuk akhir molekul jenuh dan tak jenuh. Terminasi Polystyrene lebih banyak menggunakan cara kombinasi. Sedangkan Poly (methylmethacrylate) menggunakan disproporsionasi.

B.

Polimerisasi Ion Menurut M.A.Cowd pada tahun 1991, polimerisasi ion dapat berlangsung

dengan mekanisme yang tidak melibatkan radikal bebas. Misalnya, pembawa rantai dapat berupa ion carbonium (polimerisasi kation) atau carbonium (polimerisasi anion). a. Polimerisasi Kation Pada polimerisasi ini, monomernya CH2=CHX dan pembawa rantainya adalah ion karbonium. Katalis yang digunakan pada reaksi polimerisasi adalah asam Lewis (penerima pasangan elektron) dan katalis Friedel-Crafts (AlCl3, AlBr3, BF3, TiCl4, SnCl4, H2SO4 dan asam kuat lainnya). Berbeda dengan polimerisasi radikal bebas yang umumnya berlangsung pada suhu tinggi, polimerisasi kation paling baik berlangsung pada suhu rendah. Misalnya, polimerisasi 2-methyl propena (isobutilena) berlangsung sangat cepat pada suhu -100 oC dengan adanya katalis AlCl3 atau BF3. Pelarut sangat berpengaruh, sebab mekanisme ion melibatkan partikel-partikel bermuatan. Sedangkan radikal bebas umumnya netral. Polimerisasi kation sering terjadi pada monomer yang mengandung gugus pelepasan elektron. Dengan katalis asam, proses dapat digambarkan sebagai berikut: 1. Inisiasi H HA + CH2=CHX

CH3-C+

+ AX


II-8

HA adalah molekul asam, seperti: asam sulfat, asam klorida, asam perklorat. Pada tahap pemicuan ini, proton dialihkan dari asam ke monomer sehingga menghasilkan ion karbonium. 2. Propagasi Tahap perambatan ini berupa adisi monomer pada ion karbonium yang dihasilkan tadi.

H CH3-C+

HH CH3C-C-C+

+ CH2=CHX X

XH

Oleh karena katalis

H

Friedel-Crafts tidak

X

mengandung

hidrogen,

polimerisasi memerlukan bantuan katalis (co-catalis) berupa air:

BF3 + H2O

BF3.H2O H

H H3C-C+

BF3.H2O + H2C=C

+ [BF3OH]-

X

X

Adanya air menyebabkan alih proton terjadi. 3. Terminasi Pengakhiran rantai paling sederhana dan nyata adalah penggabungan ion karbonium dan anion pasangannya (ion lawan).

H ~~~CH2-C+

+ AX

H ~~~CH2-C-A X

b. Polimerisasi Anion Pada polimerisasi anion, monomer H2C=CX, dan karbonium bertindak sebagai pembawa rantai. Monomer yang dapat mengalami polimerisasi seperti ini adalah propenitril (akrilonitril), metil 2-metil propeonat (metil


II-9

metakrilat), dan fenilethena (styrena). Polimerisasi anion bersuhu rendah (-73 o

C). Katalis yang dipakai meliputi logam alkali, alki, aril dan amida logam

alkali. Salah satu penerapan paling awal polimerisasi ini dalam dunia industri asalah pada pembuatan karet sintetis, di Jerman dan Rusia, dari buta-1,3diena (butadiena) dengan katalis logam alkali. Contoh polimerisasi anion: 1. Inisiasi Amida logam alkali, seperti kalium amida (KNH2) dalam pelarut amonia cair terionisasi kuat, sehingga tahap pemicuannya:

H H2N- + H2C=C

H H2N-CH2-C-:

H

X

2. Propagasi Ion lawan (penetral) bagi karbonium adalah K+

HH

H

H2N-C-C-: + H2C=C HX

HH HH H2N-C-C-C-C:

X

HXHX

3. Terminasi Polimerisasi hanya berhenti ketika seluruh monomer pereaksi habis terpakai. Walaupun demikian, pusat aktif (atau karbonium) tidak rusak, dan jika lebih banyak monomer ditambahkan, maka dapat dipicu lagi. Untuk mengakhiri pertumbuhan rantai, hanya diperlukan sedikit air, karbondioksida dan alkohol.

H H C-C-:K+ + H2O H X

HH ~~~C-C-H + K+ OHHX


II-10

Katalis utama bagi polimerisasi anion adalah katalis Ziegler-Natta (Katalis Ziegler) yang ditemukan oleh Ziegler pada tahun 1953. ia menggunakan katalisnya untuk polimerisasi ethylene. Selanjutnya, Natta pada tahun 1955 menggunakan katalis tersebut untuk polimerisasi propilene dan monomer jenuh lainnya. Katalis zieglerNatta dapat dibuat dengan mencampurkan alkil atau aril dari golongan I-III pada susunan berkala, dengan halida unsur transisi. Misalnya Tri Isobutil Alumunium {Al(i-C4H9)3} yang jika ditambahkan ke dalam Titanium (IV) Klorida dalam pelarut heksana, menghasilkan endapan coklat hitam yang dapat mempercepat polimerisasi etena pada tekanan rendah.

2.2.3 Penggolongan Polimer Polimer dapat dibedakan berdasarkan asalnya, jenis monomer penyusunnya, pengaruh panas terhadap sifat fisiknya dan berdasarkan strukturnya. 1.

Berdasarkan asalnya Polimer dibedakan menjadi polimer alam dan polimer sintetik. Polimer alam telah banyak dikembangkan sejak tahun 1880 untuk memproduksi berbagai material. Polimer sintetik merupakan polimer yang dibuat di pabrik dan tidak terdapat di alam. Polimer ini meliputi semua jenis plastik, serat, karet sintetik dan nilon. Beberapa contoh dari polimer alam disajikan pada Tabel 2.2 Tabel 2.2 Contoh Polimer Alam Polimer

Monomer

Polimerisasi

Terdapat pada

Protein

Asam amino

Kondensasi

Wol, sutera

Amilum

Glukosa

Kondensasi

Beras, gandum

Selulosa

Glukosa

Kondensasi

Kayu

Asam nukleat

Nukleotida

Kondensasi

DNA, RNA

Karet alam

Isoprena

Adisi

Getah pohon karet

(Sumber : Michael Purba, 2000)


II-11

Beberapa contoh polimer sintetik disajikan dalam Tabel 2.3 Tabel 2.3 Contoh Polimer Sintetik Polimer

Monomer

Polimerisasi

Terdapat pada

Polietilena

Etena

Adisi

Plastik

PVC

Vinilklorida

Adisi

Pelapis lantai, pipa

Polipropilena

Propena

Adisi

Tali plastik, botol

Teflon

Tetrafluoroetilena

Adisi

Panci anti lengket

(Sumber : Michael Purba, 2000) 2.

Berdasarkan jenis monomer penyusunnya Berdasarkan monomer penyusunnya maka polimer dibedakan menjadi homopolimer dan kopolimer. Homopolimer terbentuk dari monomer yang sejenis. Contohnya yaitu polyethylene, polypropylene, polystyrene, PVC, teflon, amilum, selulosa dan sebagainya. Kopolimer terbentuk dari dua atau lebih monomer yang berbeda jenisnya. Contoh polimer ini yaitu dakron.

3.

Berdasarkan pengaruh panas terhadap sifat fisik Dibedakan menjadi dua yaitu polimer thermosetting dan polimer thermoplastic. Polimer thermosetting bila dipanaskan akan mengeras dan bila dipanaskan lagi akan rusak, sehingga tidak dapat kembali ke bentuk semula. Contoh : phenol formaldehyde. Sedangkan polimer thermoplastic, apabila dipanaskan akan meleleh dan setelah didinginkan akan mengeras dan dapat kembali ke bentuknya semula. Contoh : polyethylene dan poly vinyl chloride.

4.

Berdasarkan struktur Berdasarkan strukturnya, maka dibedakan atas polimer yang berstruktur tiga dimensi dan polimer yang berstruktur linear. Polimer yang berstruktur tiga dimensi memiliki susunan rantai yang saling mengikat membentuk struktur tiga dimensi dan biasanya bersifat therosetting. Contoh : phenol formaldehyde. Sedangkan polimer yang berstruktur linear memiliki susunan rantai yang berbentuk lurus (linear) dan biasanya bersifat thermopalstic. Contoh : polyethylene dan poly vinyl chloride.


II-12

2.2.4 Pemanfaatan Polimer Banyak polimer yang telah dikenal dan secara umum digunakan dalam kehidupan sehari-hari yaitu : 1.

Polyethylene Biasanya digunakan untuk pembungkus makanan, kantung plastik, ember dan sebagainya

2.

Polypropylene Biasanya digunakan untuk membuat karung, tali, botol dan sebagainya

3.

Teflon Teflon atau politetrafluoroetilena memiliki sifat yang tahan terhadap bahan kimia dan panas, sehingga seringkali digunakan untuk pelapis tangki atau panci anti lengket

4.

PVC PVC (polivinilklorida) biasanya digunakan untuk membuat pipa, selang, pelapis lantai dan sebagainya

5.

Akrilat Beberapa

polimer

dibuat

dari

asam

akrilat

sebagai

monomernya.

Polimetilmetakrilat atau flexiglass merupakan plastik bening, keras tetapi ringan. Polimer jenis ini banyak digunakan untuk kaca jendela pesawat terbang dan mobil 6.

Bakelit Bakelit banyak digunakan untuk alat-alat listrik

7.

Polyester Poliester dibentuk dari monomer-monomer ester. Salah satu contoh polimer ini adalah dakron. Dakron digunakan sebagai serat tekstil. Selain dakron dikenal pula Mylar, yang digunakan sebagai pita perekam magnetik

8.

Polyurethanes Polyurethanes banyak digunakan untuk produk-produk yang terbuat dari foam, serat, dan yang digunakan untuk elastomer dan pelapis (coating). Aplikasinya dalam kehidupan sehari-hari misalnya untuk pembuatan wadah dari foam, untuk industri garmen, untuk aplikasi bahan bangunan dan sebagainya.


II-13

9.

Karet alam dan karet sintetis Karet diperoleh dari getah pohon karet (lateks). Karet alam merupakan polimer isoprena. Karet sintetis terdiri dari beberapa macam, misalnya polibutadiena, polikloroprena dan polistirena. Karet sintetis yang telah banyak dikenal yaitu SBR. SBR terdiri dari monomer stirena dan 1,3-butadiena, banyak digunakan untuk pembuatan ban mobil.

2.3

Polyethylene Polyethylene atau polyethene merupakan polimer termoplastik yang banyak

digunakan dalam kehidupan sehari-hari. Polyethylene tidak larut dalam pelarut apapun pada suhu kamar. Polimer ini juga tahan terhadap asam dan basa tetapi tidak dapat dirusak oleh asam nitrat pekat. Nama polyethylene berasal dari monomer penyusunnya yaitu etana (ethylene). Polyethylene pertama kali disintesis secara tidak sengaja dari pemanasan diazomethane oleh ahli kimia Jerman bernama Hans von Pechmann pada tahun 1898. Secara industri, polyethylene pertama kali disintesis oleh E.W. Fawcett pada tahun 1936 di Laboratorium Imperial Chemical Industries, Ltd (ICI), Inggris dalam sebuah percobaan tak terduga dimana ethylene yang merupakan bahan baku sisa reaksi diteliti sampai tekanan 1446,52 kg/cm2 dan temperatur 170 oC. Pada tahun 1940, polimer mulai diperkenalkan secara komersial, dan polimer ethylene yang pertama kali diperdagangkan adalah polyethylene dengan densitas rendah (low density) dan tekanan tinggi (high pressure). Setelah mengalami perkembangan, produksi low density polyethtylene meluas dengan cepat. Pada tahun 1953, Ziegler berhasil menemukan cara pembuatan polyethylene secara organometalic dan setahun kemudian berhasil diproduksi. Polyethylene yang dihasilkan oleh Ziegler yaitu polyethylene tanpa tekanan. Sampai sekarang, polyethylene merupakan jenis polimer yang paling banyak diproduksi.


II-14

Karakteristik polyethylene antara lain : Sifat Fisik : Berat Molekul

: 10.000 – 1.000.000 g/mol

Bentuk

: padatan, cairan, slurry

Densitas

: 0,91 - 0,96 g/cm3

Titik lebur

: 109 – 183 oC

Sifat Kimia : Tidak larut dalam pelarut apapun pada suhu kamar Tahan terhadap asam/basa, tetapi dapat dirusak oleh asam nitrat pekat Tidak tahan terhadap cahaya dan oksigen Bila dipanasi secara kuat akan membentuk sambung silang yang diikuti dengan pembelahan ikatan secara acak pada suhu lebih tinggi, tetapi di polimerisasi tidak terjadi Larutan dari suspensi polyethylene dengan tetra klorida pada suhu 60 oC dapat direaksikan dengan Cl membentuk produk lunak dan kenyal Pemasukan atom Cl secara acak ke dalam rantai dapat menghancurkan kekristalan polyethylene.

2.3.1 Teknologi Proses Polimerisasi Ethylene menjadi Polyethylene Menurut Byrson, J.A pada tahun 1995, reaksi polimerisasi dapat dilakukan pada fase cair, gas maupun padat. Proses polimerisasi yang mula-mula banyak digunakan adalah polimerisasi dalam fase cair atau larutan. Permasalahan utama yang timbul dari proses semacam itu adalah pemisahan katalis dan sisa pelarut dari produk dan memiliki biaya yang tinggi. Reaksi polimerisasi baru berkembang katalis yang jauh lebih baik pada tahun 1970-an. Proses fasa gas ini memiliki kelebihan yaitu tidak memerlukan adanya proses pemisahan katalis dari polimer, katalis sudah menyatu dalam produk. Kesulitan utama dari proses polimerisasi fasa gas adalah pengendalian aktivasi


II-15

katalis dan kemungkinan terbentuknya oligomer. Oligomer adalah rangkaian beberapa molekul bukan polimer, misalnya dimer, trimer, tetramer dan lain-lain. Penggunaan katalis sangat berpengaruh pada faktor ekonomis dari teknologi polimerisasi. Reaksi polimerisasi adisi memerlukan adanya senyawa pemicu, yaitu senyawa yang dapat memberikan muatan atau elektron bebas pada ikatan rangkap ethylene. Tanpa katalis reaksi polimerisasi dapat berlangsung pada suhu tinggi (± 350 oC-500 oC) dengan tekanan 2.5-10 atm. Hal ini karena energi aktivasi cukup tinggi yaitu sekitar 35-43.5 kkal/mol. Adanya katalis akan mempercepat jalannya reaksi yaitu dengan mengurangi energi aktivasi yang diperlukan. Secara ringkas faktor penentu dari keberhasilan proses polimerisasi adalah tipe katalis yang digunakan. Katalis ini harus memilki keaktifan yang tinggi namun mudah dikendalikan. Katalis yang saat ini banyak digunakan adalah katalis organo metalic seperti TiCl4. Proses dasar polimerisasi ethylenen yang mula-mula dipatenkan adalah proses yangdigunakan oleh perusahaan Imperial College Industri (ICI) pada tahun 1936. Proses ini menghasilkan polyethylene jenis LLDPE dengan kondisi pada tekanan tinggi. Namun pada tahun 1954 muncul cara lain untuk reaksi polimerisasi ethylene dengan proses Ziegler yang menggunakan katalis alumunium alkyl (TiCl4). Dengan proses tersebut polyethylene dapat diproduksi pada tekanan dan suhu yang rendah.

2.3.1.1 Macam-macam Proses Pembuatan Polyethylene Ada beberapa macam proses pembuatan produk polyethylene, diantaranya: A. High Presure Process Dalam proses high pressure ini dapat digunakan 2 jenis reaktor yaitu autoclave reaktor atau tubular reaktor (jacketted tube) yang mempunyai kondisi operasi yang berbeda seperti : •

Autoclave reaktor -

Tekanan operasinya antara 150-200 Mpa (typical)

-

Waktu tinggal 30-60 detik (typical)


II-16

•

Tubular Reaktor -

Tekanan operasi yang digunakan antara 200-250 Mpa (typical)

-

Temperatur reaksinya tergantung dari jenis inisiator oksigen maka temperatur reaksinya 1900 oC dan jika menggunakan inisiator

peroxycarbonate

maka

temperatur

reaksinya

menjadi 1400 oC.

B. Suspension (Slurry) Process Dalam proses ini polyethylene disuspensikan dalam diluent hidrocarbon untuk mempermudah proses. Ada 2 macam proses dalam suspension (slurry) proses, yaitu autoclave process dan loop reaktor process. •

Autoclave Process - Tekanan operasinya 0.5-1 Mpa (typical) - Temperatur reaksinya antara 80-900 oC (typical) - Diluent yang digunakan adalah hexane - Katalis yang digunakan dicampur dengan alkyl alumunium

•

Loop Reactor Process - Tekanan operasinya 3-4 Mpa (typical) - Temperatur reaksinya 1000 oC (typical) - Diluent yang digunakan adalah isobutene - Jika menggunakan Philip type maka katalisnya adalah campuran Ti dan Alkyl alumunium

C. Gas Phase Process Union Carbide banyak menggunakan proses ini dengan menggunakan reaktor fluidized bed. Disebut gas phase process karena hampir semua bahan baku disuplai dalam bentuk gas. - Tekanan operasi yang digunakan antara 0.7-2 Mpa (typical) - Temperatur reaksinya antara 80-100 oC (typical) - Poison catalyst : CO2, CO, H2O


II-17

2.3.1.2 Perbandingan Proses Pembuatan Polyethylene

Tabel 2.4 Perbandinganproses pembuatan polyethylene Faktor

Gas Phase

Slurry

Slurry

Liquid

Proes

Teknis

(Unipol)

Phase

Phase

Phase

tekanan

(Philip)

(SDK)

(Dupont)

Tinggi (ICI)

300 psig

Tekanan

400psig

43.5

15000-18000

20.000-

kg/cm

psig

30.000

2

Operasi 80-100

90-110

80-90

220-260

200-300

Fluidized Bed

Loop

Vertical

Stirred

Autoclave

reactor,

Jacketed,

reactor

reactor,

Autoclave

loop

Turbular

reactor

reactor

reactor

Temperatur Operasi oC Jenis Reaktor

1-5 jam

Waktu

1.5 jam

2-5 menit

30 dtk-2 mnt

Tinggal Isobutane,

Isobutane,

hexane

hexane

0.01-0.4

0.01-0.3

LLDPE,HDPE

HDPE

Diluent

C4/C2

Cyclohexana

Butene-1

0.01-0.3

0.01-0.3

0.01-0.3

HDPE

LDPE,

LLDPE

(molar) Tipe

HDPE,

Polyethylene

LLDPE

Dalam Pra-rancangan pembuatan Pabrik Linear Low Density Polyethylene (LLDPE) ini dipilih proses Gas Phase (Unipol). Pemilihan proses dilakukan dengan memperhatikan : Pengoperasiannya mudah karena proses yang sederhanan dengan unggun terfluidisasi menyebabkan proses lebih stabil dan fleksibel Dengan menggunakan fase gas dan tidak adanya solvent, kemungkinan terjadinya aglomerasi lebih kecil


II-18

Kebutuhan Utility Plant sedikit Produk yang dihasilkan memiliki kemurnian yang tinggi Konversi reaksi yang diperoleh mencapai 98 % sehingga secara ekonomis proses ini layak dibuat dalam skala pabrik

2.3.2 Klasifikasi Polyethylene Menurut Irwan Hidajat pada tahun 1995, polyethylene merupakan salah satu polimer dengan struktur molekul paling sederhana, bersifat termoplastik dari polimerisasi ethylene (C2H4). Polimer termoplastik adalah polimer yang dapat mencair dan mengalir pada suhu tinggi. Polyethylene diklasifikasikan berdasarkan rantai dan densitasnya menjadi : 1. UHMWPE (Ultra High Molecular Weight Polyethylene), merupakan polyethylene dengan berat molekul sangat besar antara 3,1 dan 5,57 juta dengan densitas 0,935-0,930 g/cm3 2. HDPE (High Density Polyethylene), merupakan polyethylene dengan densitas lebih besar atau sama dengan 0,941 g/cm3. 3. PEX (Cross-linked Polyethylene), merupakan polyethylene dengan densitas medium yang terdiri dari ikatan cross-linked. 4. MDPE (Medium Density Polyethylene), merupakan polyethylene dengan kisaran densitas antara 0,926-0,940 g/cm3. 5. LLDPE (Linear Low Density Polyethylene), merupakan polyethylene dengan kisaran densitas antara 0,915-0,925 g/cm3, berbentuk linear dengan cabangcabang pendek. 6. LDPE (Low Density Polyethylene), merupakan polyethylene dengan kisaran densitas antara 0,910-0,940 g/cm3 dengan cabang-cabang pendek maupun panjang. 7. VLDPE (Very Low Density Polyethylene), merupakan polyethylene dengan kisaran densitas antara 0,880-0,915 g/cm3.

Menurut F.W Billmeyer pada tahun 1984, LLDPE merupakan kepolimeran antara ethylne dengan α-olefin seperti butene, hexene, dan octene yang ditunjukan denmgan rantai cabang pendek dengan densitas polyethylene


II-19

cabag yang ditentukan tanpa adanya rantai cabang panjang. LLDPE diproduksi untuk berbagai macam barang, antara lain: a. Film

: plastik, plastik pembungkus baju, plasti karung.

b. Kabel

: pembungkus kabel tegangan rendah

c. injection

: kursi plastik, ember, gelas dan piring plastik.

Struktur HDPE, LDPE dan LLDPE menurut Irwan Hidayat pada tahun 1995 dapat dilihat pada Tabel 2.5

Tabel 2.5 Struktur HDPE, LDPE dan LLDPE Jenis

Gambar Struktur

Jenis Rantai Cabang

HDPE

Rantai cabang pendek

LDPE

Rantai cabang pendek dan panjang

LLDPE

Rantai cabang pendek

(sumber : IrwanHidajat, 1995, hal 6)

2.4

Sifat-sifat Bahan Baku Bahan baku yang digunakan pada LLDPE plant terdiri dari bahan baku utama

dan bahan baku penunjang. Bahan baku utama yang digunakan yaitu ethylene dan bahan baku penunjang terdiri dari nitrogen, hidrogen dan comonomer. 2.4.1

Bahan Baku Utama LLDPE plant menggunakan bahan baku utama yaitu ethylene. Ethylene ini

diperoleh dari hasil produksi Ethylene plant. Sifat Fisik Ethylene (CH2=CH2) Berat Molekul

: 28,05 g/mol

Spesific gravity

: 0,57-102/4

Fase

: gas

Titik didih

: -103,9 oC

Titik leleh

: -169 oC

Temperatur kritis

: 9,15 oC

Tekanan kritis

: 50,4 bar

Volume kritis

: 131 cm3/mol


II-20

2.4.2 Bahan Baku Penunjang 2.4.2.1

Comonomer Comonomer yang digunakan pada LLPDE plant yaitu 1-butene. Sifat-sifat

fisik dari comonomer tersebut yaitu : Sifat Fisik Butene-1 (CH2 = CHCH2CH3) Berat Molekul

: 56,10 g/mol

Spesific gravity

: 0,6013

Fase

: cair

Titik didih

: -5 oC

Titik leleh

: -130 oC

Temperatur kritis

: 146,85 oC

Tekanan kritis

: 40,43 bar

Volume kritis

: 293,3 cm3/mol

Larut dalam pelarut organik tetapi tidak dapat larut dalam air

2.4.2.2 Nitrogen Sifat fisik dari nitrogen yaitu : Berat Molekul

: 28,02 g/mol

Spesific gravity

: 0,8081

Fase

: gas

Titik didih

: -195,8 oC

Titik leleh

: -209,86 oC

Temperatur kritis

: -147 oC

Tekanan kritis

: 34 bar (abs)

2.4.2.3 Hidrogen Sifat Fisik Hidrogen (H2) adalah sebagai berikut : Berat Molekul

: 2,016 g/mol

Spesific gravity

: 0,0709-252,7

Fase

: gas

Titik didih

: -252,7 oC

Titik leleh

: -259,1 oC


II-21

Temperatur kritis

: -1240 oC

Tekanan kritis

: 13 bar (abs)

2.4.2.4 Katalis Katalis yang digunakan LLDPE plant terdiri dari tiga jenis, tergantung pada spesifikasi produk yang diinginkan. Ketiga jenis katalis tersebut yaitu :

1. Katalis M-1 Katalis M-1 terdiri dari metal aktif Titanium yang di-support dengan silika dan aluminium. Berdiameter 700-900 µ m. 

Karaktristik a. Memiliki distribusi berat molekul (MWD) terbatas, b. Harga Melt Index tinggi dan densitas yang cukup luas, c. Aktivitas yang baik (2-4 ppm Ti), d. Produktivitas Katalis 3000-5000 kg resin/kg katalis,



Penggunaan : untuk memproduksi LLDPE.

2. Katalis S-2 Katalis S-2 terdiri dari chrome aktif yang di-support dengan silika dan aluminium. Berdiameter 500-600 µ m. 

Karaktristik a. Memiliki distribusi berat molekul (MWD) sangat luas, b. Harga Melt Indekx rendah dan densitas tinggi, c. Aktivitas yang baik (kurang dari1ppm Cr), d. Produktivitas Katalis 6000-8000 kg resin/kg katalis, e. Polimerisasi baik, sturtur molekul produk yang lebih luas.



Penggunaan : untuk memproduksi HDPE, tipe blow molding, film, pipa, geomembran.


II-22

3. Katalis F-3 Katalis F-3 merupakan katalis yang tergolong katalis chrome. Berdiameter 500-600 µ m. 

Karaktristik a. Memiliki distribusi berat molekul (MWD) produk yang luas, b. Produktivitas Katalis 15000 kg resin/kg katalis.



Penggunaan : untuk memproduksi HDPE.

2.4.2.5 Co-catalyst Sifat Fisik TEAL (Al(C2H5)3) yaitu : Berat Molekul

: 114,17 g/mol

Densitas

: 0,834 g/ml

Viskositas

: 2,6 mPa.sg

Contoh struktur katalis Ziegler Natta dengan kombinasi Titanium (IV) Chloride (TiCl4) dan co-catalyst TEAL (Triethylalumunium) dapat dilihat pada gambar 2.1 TiCl4 +

Al(C2H5)3

Katalis Ziegler Natta C2H5

C2H5

Cl Al

C2H5

Cl Ti

Cl

Cl

Gambar 2.1 Katalis Ziegler – Natta 2.5

Deskripsi Proses Umpan berupa C2H4, C4H8, H2, dan N2 dialirkan menuju ke mix point (S-201)

untuk selanjutnya dialirkan ke reaktor fluidized bed (R-201). Pada N2, alirannya dibagi menjadi 2 produk yaitu nitrogen bertekanan tinggi (NBT) dan nitrogen bertekanan rendah (NBR). NBT digunakan sebagai carrier gas pada reaktor fluidized bed (R-201) yang beroperasi pada 85 oC dan 12 bar sedangkan NBR digunakan sebagai purger gas untuk Product Purge Bin (V-301).


II-23

Umpan yang dialirkan pada R-201 akan mengalami reaksi polimerisasi yang akan menghasilkan resin LLDPE dengan tingkat konversi 10% setiap pass-nya. Umpan yang tidak terkonversi disesuaikan kembali tekanannya agar sesuai dengan tekanan operasi yang dibutuhkan untuk fluidisasi dalam R-201. Setelah itu, untuk mempertahankan suhu operasi di dalam reaktor dipergunakan cycle gas cooler (E201). Untuk menurunkan energi aktivasi reaksi, maka ditambahkan katalis TiCl3 dan co-katalis Al(C2H5)3 (TEAL). Setelah terbentuk produk berupa resin LLDPE (500 900 μm), maka secara periodik dialirkan ke product chamber (V-201), lalu diumpankan ke product blow tank (V-202) secara gravitasi. Kemudian, produk dari V-202 dibawa ke product purge bin (R-301) yang beroperasi pada 100 oC dan 1 atm. Pada

R-301, impuritis yang terbawa akan

disingkirkan dengan N2 yang dialirkan pada cone I dan katalis serta co-katalis dideaktivasi dengan hidrolisis menggunakan steam yang dialirkan pada cone II, menurut reaksi : 2TiCl3 + 4H2O → 2TiO2 + 6HCl + H2 Al(C2H5)3 + 3H2O → Al(OH)3 + 3C2H6 Setelah itu, resin LLDPE dialirkan ke mixer (M-301) yang bersuhu 160 oC. Dengan suhu ini resin LLDPE akan meleleh. Lelehan ini akan dialirkan ke pelletizer (PE-301). Pada PE-301, lelehan ini akan dibentuk menjadi pellet LLDPE, lalu disalurkan ke gudang produk (V-304). Impuritis yang berupa gas akan ter-purging keluar dari R-301 melalui filter. Gas yang lolos melalui filter akan dialirkan ke scrubber (V-301) yang beroperasi pada 100 oC dan 1 atm. Pada V-301 akan terjadi pelarutan HCl yang terdapat di dalam gas. Ouput dari V-301 berupa larutan HCl akan ditampung di tangki HCl (V303). Ouput dari scrubber yang lainnya akan dialirkan ke flash drum (V-302) yang beroperasi pada 40 oC dan 85 bar. Untuk selanjutnya, senyawa yang terkondensasi di V-302 akan dipergunakan sebagai fuel boiler pada unit utilitas.


II-24

C2H4 N2 H2 1-butena LLDPE Katalis

C2H4 (g) H2 (g)

C2H4 N2 H2 1-butena Katalis

Blower

N2 (g) kompresor Low pressure purified N2 (LPPN)

kompresor

reaktor

Product purge bin LPPN

TEAL Katalis TiCl4

STEAM Cycle gas cooler

1-butena (l)

Product Chamber Heater Product Blow Tank

Melt pump

LLDPE Pelleter

Etilen (C2H4), H2, dan N2 dialirkan ke kompresor dan ke-3 campuran tersebut kemudian dicampurkan dengan comonomer (1-butena) ke cycle gas cooler. Tujuan dari pengumpanan ke kompresor adalah untuk menaikkan tekanan sehingga dapat menfluidisasi partikel di dalam reaktor dan cycle gas cooler digunakan untuk mengatur suhu di dalam reaktor agar tetap stabil. Reaktor beroperasi pada 80oC dan tekanan 1 – 2 Mpa. Untuk menurunkan energi aktivasi, maka ditambahkan katalis Ziegler – Natta. Setelah terbentuk


II-25

produk berupa serbuk (500 - 900 μm), maka secara periodik dialirkan ke product chamber (sekaligus untuk menjaga kestabilan tinggi standar isian), lalu diumpankan ke product blow tank. Dengan blower, produk di bawa ke product purge bin dimana pengotor LLDPE yang terbawa seperti etilen, N2, H2, dan comonomer disingkirkan dan katalis dideaktivasi dengan hidrolisis menggunakan steam menurut reaksi : Al(C2H5)3 + 3H2O → Al(OH)3 + C2H6 Setelah itu, LLDPE dinaikkan suhunya menjadi 150 – 230oC ke heater agar meleleh sehingga dapat dibentuk pada pelleter.


II-26

Steam

H2 (l)

1

C2H4 N2 H2 1-butena Blower LLDPE Katalis

2

V-101

C 2H 4 C 2H 6 N2 H2 1-butena H 2O Al(OH)3

C-101

21

C2H4 (l)

3

4

V-102

V-103

27

7

V-302 separator

22

S-301

C-103 8

V-303 40

S-101

N2 H2

37

36

N2 (l) 6

39

C-301

C-102

5

C2H 4 C 2H 6 N2 H2 1-butena

38

C2H 4 C 2H 6 1-butena

H 2O Al(OH)3

E-301

9 13

C-104

23 28

S-302

18

TEAL (l)

Katalis TiCl4 (s)

25

26

E-302

17

P-101

V-104

24

C-201

10

V-301 Product Purge Bin

30 32

11

V-105

14

SC-101 Screw Conveyer 16

V-106

P-102

Kondensat

35

V-201 S-303

19

Melt pump

M-301

15

E-201 12

31

29

Cycle gas cooler R-201

1-butena (l)

Product Chamber

33

P-301

Product Blow Tank

34

Pelleter

P-301

SC-301

V-202 20


V-304 LLDPE

II-27

Etilen (C2H4), H2, dan N2 dialirkan dari tangki penyimpanannya masing-masing (V-101,V-102, dan V-103) menuju ke kompresornya agar sesuai dengan tekanan yang diinginkan. Pada N2, pemakaian kompresor dibagi menjadi 2 untuk menghasilkan 2 produk yaitu nitrogen bertekanan tinggi (NBT) dan nitrogen bertekanan rendah (NBR). NBT digunakan sebagai carrier gas pada reaktor fluidization batch (R-201) yang beroperasi pada 80-100oC dan 1-2MPa sedangkan NBR digunakan sebagai purger gas untuk Product Purge Bin (V-301). Ke-3 senyawa kimia yang telah diumpankan ke alur 13 kemudian disesuaikan kembali tekanannya agar sesuai dengan tekanan operasi yang dibutuhkan untuk fluidisasi pada kompresor C-201. Setelah itu, diumpankan suhu operasi pada cycle gas cooler E-201. Untuk menurunkan energi aktivasi reaksi, maka ditambahkan katalis Ziegler – Natta. Setelah terbentuk produk berupa serbuk (500 - 900 μm), maka secara periodik dialirkan ke product chamber (sekaligus untuk menjaga kestabilan tinggi standar isian), lalu diumpankan ke product blow tank (V-202). Dengan blower, produk dari product blow tank di bawa ke product purge bin (V-301) dimana pengotor LLDPE yang terbawa seperti etilen, H2, dan comonomer disingkirkan dengan N2 dan katalis dideaktivasi dengan hidrolisis menggunakan steam menurut reaksi : Al(C2H5)3 + 3H2O → Al(OH)3 + C2H6 Proses penghilangan etilen, H2, dan comonomer terjadi pada cone I dari atas dan proses deakivasi katalis terjadi pada cone II dari atas. Setelah itu, LLDPE dinaikkan suhunya menjadi 150 – 230oC ke heater (M-301) agar meleleh sehingga dapat dibentuk pada pelleter (P-301). Hasil pemisahan zat pengotor dengan LLDPE masuk ke separator (V-302) untuk memisahkan hasil reaksi dari katalis dengan steam dan hidrokarbon yang bercampur dengan H2 dan N2. Pemisahan ini dilanjutkan dengan memisahkan H2 dan N2 dengan hidrokarbon. Hidrokarbon ini akan digunakan sebagai bahan bakar boiler.


BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Recommend Documents