Dasar-Dasar Teknik Kimia ISSN

Dasar-Dasar Teknik Kimia ISSN 1410-9891

PENGARUH CHAIN EXTENDER TERHADAP STRUKTUR DAN PROPERTI MEKANIS FOAM FLEKSIBEL POLYURETHANE DENGAN BLOWING AGENT METHYLENE CHLORIDE DAN KARBONDIOKSIDA Rizal Ilhamsyah, Dwi Ngesti, Sumarno* Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya Kampus ITS Sukolilo, Surabaya 60111 Telp : (031) 5946240, 5961317, Fax : (031) 5999282, Email : [email protected] Abstrak Tujuan dari penelitian ini adalah mempelajari pengaruh teknik pencampuran gas CO2 dalam inline mixer dan pengaruh komposisi chain extender terhadap struktur dan properti foam yang dihasilkan dengan blowing agent methylene chloride dan karbondioksida. Metode yang digunakan pada penelitian ini adalah metode one step, yaitu mencampur semua bahan secara bersama-sama. Dari penelitian yang telah dilakukan dapat disimpulkan pada foam dengan blowing agent methylene chloride 10 pphp, semakin besar rasio berat ethylene glycol/polyol, maka diameter sel cenderung meningkat, densitas sel cenderung menurun dan bulk density cenderung meningkat, pada foam dengan blowing agent tekanan 10 psig gas CO2, semakin besar rasio berat ethylene glycol/polyol, maka diameter sel cenderung menurun, densitas sel cenderung meningkat dan bulk density semakin meningkat, Foam dengan blowing agent methylene chloride, apabila strain diperbesar maka stress akan meningkat. Foam dengan konsentrasi 3 pphp ethylene glycol memiliki stress yang lebih besar. Sedangkan foam dengan konsentrasi ethylene glycol 0, 1, 2, 4 pphp stress mengalami peningkatan dan kemudian cenderung konstan seiring dengan peningkatan stress, Foam dengan blowing agent CO2, apabila strain diperbesar maka stress akan meningkat. Foam dengan konsentrasi 1, 2, 3 pphp ethylene glycol memiliki stress yang lebih besar apabila strain. Sedangkan foam dengan konsentrasi ethylene glycol 0, 4, 5 pphp stress mengalami peningkatan dan kemudian cenderung konstan seiring dengan peningkatan stress. Pendahuluan Polyurethane dihasilkan dari reaksi kimia antara isocyanate dengan alkohol derajat tinggi. Isocyanate adalah molekul yang mengandung gugus radikal isocyanate (-NCO). Reaksi kimia ini pertama kali ditemukan oleh Wurtz dan Hofman pada tahun 1849 dan kemudian pada tahun 1937, Bayer menemukan dan mengembangkan produk secara komersial dengan cara mereaksikan heksametilena diisocyanate dengan 1,4 butanediol [20]. Setelah mengalami berbagai pengembangan, terjadi kemajuan pesat pada industri kimia polyurethane untuk menghasilkan foam, elastomer, perekat, serat dan pelapis permukaan. Pada saat ini 85% produk polyurethane berupa foam, karena material ini memiliki sifat yang unik maka banyak diaplikasikan dalam industri furniture, matras, isolasi panas pada pipa, peredam suara dan komponen otomotif [23]. *

Alamat korenponden

Berdasarkan sifatnya foam polyurethane diklasifikasikan menjadi tiga, yaitu flexible foam, semi-rigid foam dan rigid foam. Sedangkan berdasarkan struktur selnya dibedakan menjadi sel terbuka (open cell), sel tertutup (closed cell) dan sel campuran (mixed cell) [23]. Agar terbentuk sel atau rongga (void) pada foam polyurethane diperlukan blowing agent, sedangkan untuk memperoleh properti spesifik digunakan aditif [7]. Pada umumnya blowing agent yang banyak digunakan adalah HCFC, CFC dan senyawa organik yang mudah menguap seperti methylene chloride. Namun blowing agent tersebut dapat menyebabkan gangguan kesehatan dan kerusakan lingkungan. Oleh karena itu, mulai dikembangkan penggunaan blowing agent alternatif yang ramah lingkungan salah satunya adalah gas karbondioksida (CO2) [23]. Dengan Semakin meningkatnya permintaan untuk memperbaiki

Peningkatan Daya Saing Nasional Melalui Pemanfaatan Sumber Daya Alam untuk Pengembangan Produk dan Energi Alternatif

1


performance dari foam, makin banyak digunakan aditif yang bertujuan untuk memodifikasi properti produk sesuai dengan kebutuhan. Adapun jenisjenis aditif yang biasa digunakan antara lain filler, cross-linker, chain extender, emulsifier, colouring agent, flame retardant dan antiaging agent [11]. Dengan demikian diperlukannya penelitian tentang penggunaan blowing agent alternatif yaitu gas CO2. Namun permasalahan yang ada adalah pendistribusian gas CO2 dalam matrik polimer untuk mendapatkan distribusi sel dalam foam yang lebih merata. Sehingga diperlukan suatu teknik pencampuran dua fase ini, yaitu dengan penggunaan inline mixer. Sedangkan untuk mendapatkan properti mekanis yang lebi baik maka digunakan chain extender untuk memperpanjang susunan rantai polimer sehingga kemungkinan terjadinya produk-produk foam yang mengalami shrinking dapat teratasi. Tujuan dari penelitian ini adalah mempelajari pengaruh komposisi chain extender terhadap struktur dan properti foam yang dihasilkan, Mempelajari pengaruh teknik pencampuran gas CO2 dalam inline mixer terhadap struktur foam yang dihasilkan, Membandingkan foam polyurethane yang dihasilkan dengan penggunaan blowing agent CO2 dan methylene chloride Manfaat yang didapatkan dari penelitian ini adalah dapat memberikan informasi pengaruh komposisi chain extender terhadap struktur dan properti foam yang dihasilkan, mengetahui pengaruh modifikasi teknik pencampuran CO2 dengan penggunaan inline mixer terhadap sifat foam polyurethane yang dihasilkan, mengetahui pengaruh penggunaan blowing agent alternatif yang ramah lingkungan terhadap properti foam yang dihasilkan

Polyol, katalis, chain extender dan methylene chloride (bila digunakan) dicampur dan diaduk selama 30 detik. Mencampurkan campuran ini dengan TDI dalam mixing head selama 3 detik, setelah itu mengaliran liquid foam ini menuju inline mixer dengan membuka gas N2 dan kemudian menambahkan gas CO2 (jika digunakan). Kemudian liquid foam ditampung dalam cetakan dan dilakukan curing selama 7 hari. Karakterisasi dilakukan dengan penentuan bulk density, diameter dan densitas sel, uji tekan dan uji FTIR. Hasil dan Pembahasan Struktur seluler foam polyurethane dihasilkan dari nukleasi akibat gelembunggelumbung gas yang terlarut dan akibat dari dari reaksi isocyanate-air menghasilkan gas CO2. Nuklei-nuklei ini kemudian mengalami pertumbuhan akibat dari difusi gas blowing agent ke dalam bubble selama proses polimerisasi. Dan akhirnya menyebabkan perkembangan ukuran sel dengan cara ekspansi volume. Pada saat akhir proses, dinding sel akan terbuka dan membentuk struktur sel yang interconnected sedangkan morfologi polyurethane yang tersegmentasi dihasilkan dari reaksi antara komponen bergugus isocyanate, air dan komponen bergugus alkohol. Pengaruh konsentrasi terhadap struktur polyurethane

Ethylene molekul

glycol foam

Metodologi Penelitian Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah Polypropylene glycol (PPG), Toluene diisocyanate (TDI), Methylene Chloride (MC), Karbondioksida (blowing agent), Stannous octoate, Triethylene diamine (katalis), Silicone glycol (surfaktan), Ethylene glycol (Chain Extender). Peningkatan Daya Saing Nasional Melalui Pemanfaatan Sumber Daya Alam untuk Pengembangan Produk dan Energi Alternatif

2


Tabel 3.1 Hasil Pembacaan spektrum FTIR untuk Foam Polyurethane dengan konsentrasi ethylene glycol 1 pphp dan methylene chloride 10 pphp λ (cm-1) 3913 3705 3314 2970 2359 1716 1604 1454 1413 1375 1222 1099

Hasil Pembacaan ν(O-H) berikatan Hidrogen dalam soft segment Polyol ν(O-H) dalam soft segment polyol ν(N-H) bebas dalam gugus urethane ν(C-H) dalam gugus –CH3- soft segment polyol ν(C≡ N) ν(C=O) dalam soluble urea ν(C=C) dalam cincin aromatik toluene ρ(C-H) dalam gugus -CH2- soft segment polyol ν(C-C) dalam cincin aromatic toluene ρ(C-H) dalam gugus –CH3- soft segment polyol ν(C-N) dalam gugus urea ν(C-O) dalam eter alifatik (O=C-O-C) pada gugus urethane

Pengaruh konsentrasi ethylene glycol terhadap morfologi foam polyurethane Dengan blowing agent methylene chloride Dalam sistem foam polyurethane dengan blowing agent methylene chloride, pada saat awal pengadukan terbentuk gelembung-gelembung gas yang disebabkan methylene chloride yang mengalami evaporasi. Gelembung-gelembung gas ini menyebabkan terbentuknya inti sel pertama kali, pada saat yang bersamaan terjadi reaksi isocyanateair yang menyebabkan terbentuknya gas CO2 yang

0,08

Diameter Sel [cm]

Gambar 3.1 Spektrum FTIR Foam Polyurethane dengan konsentrasi ethylene glycol 1 pphp dan 10 pphp MC

kemudian akan membentuk nuklei baru dan atau berdifusi kedalam nuklei sel yang terbentuk lebih dahulu [1]. Ethylene glycol sebagai chain extender akan memperpanjang hard segment pada segmentasi rantai polimer, peningkatan panjang hard segment ini akan membantu pemisahan fase untuk membentuk urea hard domain, yang kemudian akan memperkuat dinding sel dan memberikan hambatan terhadap ekspansi volume sel. Apabila terdapat energi yang cukup besar untuk melawan hambatan yang diberikan dinding sel maka sel akan mengalami ekspansi sampai terjadi pembukaan sel (cell opening). Energi yang diperlukan untuk pembukaan sel adalah tekanan dalam sel yang disebabkan oleh difusi blowing agent gas CO2 dan methylene chloride. De Vries memperkirakan suatu persamaan energi aktivasi untuk pembukaan sel. (3.1) E a = 0 , 73 δ 2γ Energi yang diperlukan untuk terjadinya pembukaan sel tergantung dari ketebalan film dan tegangan permukaan. Dari persamaan tersebut dapat diketahui ketebalan film memiliki pengaruh yang lebih besar daripada tegangan permukaan. Akibat terjadi kenaikan suhu karena reaksi, maka viskositas dari liquid foam akan turun, sehingga laju penipisan film bertambah. Akibatnya energi yang diperlukan untuk terjadinya pembukaan sel akan menurun [1].

0,06 0,04 0,02 0 0

1

2

3

4

Ethylene Glycol [pphp]

Gambar 3.2 Pengaruh konsentrasi Ethylene Glycol terhadap diameter sel pada 10 pphp MC


3


3

Densitas Sel [sel/cm ]

30000

20000

10000

0 0

1

2 3 Ethylene Glycol [pphp]

4

Gambar 3.3 Pengaruh konsentrasi Ethylene Glycol terhadap densitas sel pada 10 pphp MC Diameter sel menentukan jumlah sel dalam satu luasan micrograph, dimana semakin bertambah ukuran sel maka jumlah sel dalam luasan micrograph semakin sedikit sehingga jumlah sel per satuan volume (densitas sel) akan menurun. Maka dapat dikatakan bahwa ukuran diameter sel berbanding terbalik dengan densitas sel.

0,04

3

Bulk Density [g/cm ]

Pada gambar 3.2, diameter sel akan bertambah dengan meningkatnya rasio berat chain extender/polyol. Seharusnya penambahan chain extender akan memperkecil diameter sel, karena penambahan chain extender akan memperpanjang hard segment dan memberikan resistance terhadap ekspansi volume. Namun pada sistem yang digunakan, methylene chloride dilarutkan terlebih dahulu dalam polyol. Hal ini mengakibatkan pembentukan dan pertumbuhan nuklei terjadi relatif lebih cepat pada saat konversi isocyanate untuk menghasilkan urea dan gas CO2 masih rendah. Sehingga pada saat terjadi pemisahan fase, pertumbuhan yang lebih cepat tersebut akan memberikan energi untuk pembukaan sel yang lebih kuat untuk melawan resistance yang ditimbulkan oleh struktur paracrystalline dari hard segment.

0,03 0,02 0,01 0 0

1

2

3

4


Gambar 3.4 Pengaruh konsentrasi Ethylene Glycol terhadap bulk density foam pada 10 pphp MC Selain jumlah sel, ukuran diameter sel juga mempengaruhi jumlah dinding sel yang berfungsi sebagai penyangga foam. Dimana semakin kecil ukuran diameter sel maka jumlah dinding sel yang terbentuk per satuan volume akan semakin banyak. Dinding sel yang membentuk struktur yang interconnected ini akan menentukan massa foam. Pada gambar 3.4, terjadi kenaikan bulk density seiring dengan kenaikan rasio berat ethylene glycol/polyol. Kenaikan ini akan menurunkan ukuran diameter sel, sehingga semakin banyak dinding sel yang terbentuk. Akibatnya bulk density makin meningkat. Dengan blowing agent karbondioksida Berbeda dengan blowing agent methylene chloride, nukleasi dipicu oleh gas CO2 yang dihasilkan dari reaksi isocyanate-air. Pada sistem yang digunakan, dilakukan penambahan physical blowing agent gas CO2 melalui nozzle, setelah liquid foam keluar dari mixing head. Kemudian liquid foam dialirkan menuju inline mixer agar terjadi pencampuran gas-liquid yang lebih merata dalam matrik polimer. Gas CO2 yang terdistribusi dalam matrik polimer diharapkan mampu berdifusi ke dalam nukleinuklei dan mengakibatkan ekspansi volume sel. Pada kenyataannya gas CO2 yang baru ditambahkan setelah campuran keluar dari


4


mixing head alan mengakibatkan pertumbuhan sel tidak secepat pada penggunaan blowing agent methylene chloride, dimana nukleasi dan pertumbuhan sel terjadi bersamaan ketika methylene chloride mengalami kondisi supersaturasi karena pengaruh panas reaksi dan pengadukan dalam mixing head.

Seperti pada sistem dengan methylene chloride, dengan menurunnya diameter sel, maka densitas sel akan semakin meningkat. Hal ini dapat dilihat pada gambar 3.6 dimana, dengan meningkatnya rasio berat ethylene glycol/polyol , maka densitas sel cenderung meningkat. 0,08 3

Bulk density [g/cm ]

Diameter Sel [cm]

0,06

0,04

0,02

0

0,06 0,04 0,02 0

0

1

2 3 4 Ethylene Glycol [pphp]

5

0

1

2

3

4

5


Gambar 3.5 Pengaruh konsentrasi Ethylene Glycol terhadap diameter sel pada tekanan 10 psig CO2 Pada gambar 3.5 terlihat dengan meningkatnya rasio berat ethylene glycol/polyol, maka diameter sel akan semakin menurun. Hal ini disebabkan oleh peningkatan konsentrasi urea hard segment dalam polimer akibat penambahan ethylene glycol. Sedangkan gas CO2 sebagai blowing agent tidak cukup mampu untuk melawan resistance yang ditimbulkan oleh struktur rantai yang paracrystalline untuk mengekspansi volume sel.

Pada gambar 3.7erjadi kenaikan bulk density seiring dengan kenaikan rasio berat ethylene glycol/polyol. Kenaikan rasio berat ethylene glycol/poyol akan menurunkan ukuran diameter sel, sehingga semakin banyak dinding sel yang terbentuk, akibatnya bulk density semakin meningkat.

3

Densitas sel [sel/cm ]

120000

Gambar 3.7 Pengaruh konsentrasi ethylene glycol terhadap bulk density sel pada tekanan 10 psig CO2

80000

40000

0 0

1

2 3 4 Ethylene Glycol [pphp]

5

Gambar 3.6 Pengaruh konsentrasi Ethylene Glycol terhadap densitas sel pada tekanan 10 psig CO2

Pengaruh chain extender terhadap properti mekanis foam polyurethane Properti mekanis foam ditentukan oleh struktur dan morfologinya. Dari dua tinjauan sebelumnya, yaitu pengaruh konsentrasi ethylene glycol terhadap struktur molekul dan morfologi polyurethane, maka sub pokok bahasan ini akan menjelaskan lebih lanjut bagaimana dua tinjauan tersebut akan mempengaruhi properti mekanis foam yang dihasilkan. Properti mekanis yang diamati pada percobaan ini adalah compressive property


5


Dengan blowing agent methylene chloride 0 pphp EG 2 pphp EG 4 pphp EG

S tress [ σ ]

0,06

1 pphp EG 3 pphp EG

0,02

0 0,025

0,05

Strain [-ε ]

0,075

0,04

0,03

0 pphp EG 2 pphp EG 4 pphp EG

1 pphp EG 3 pphp EG 5 pphp EG

0,025

0,05 Strain [-ε ]

0,02

0,01

0 0

0,075

0,1

Gambar 3.9 Pengaruh stress terhadap strain pada berbagai konsentrasi Ethylene Glycol dengan menggunakan tekanan 10 psig gas CO2

0,04

0

menjelaskan bahwa daya support foam bukan hanya tergantung dari struktur dari dinding sel, melainkan juga tergantung pada distribusi dan ukuran dari sel-sel dalam foam.

Stress [ σ ]

(perilaku stress-strain) foam polyurethane yang dibuktikan melalui uji tekan, dimana daya support foam diberikan oleh dinding sel dengan struktur interconnected. Daya support foam sangat tergantung struktur seluler dan kekuatan dinding sel. Struktur sel sangat dipengaruhi oleh ukuran sel, distribusi, dan pembukaannya. Ukuran dan distribusi sel sangat ditentukan oleh proses nukleasi dan pertumbuhan sel, sedangkan pembukaan sel sangat dipengaruhi oleh tegangan permukaan dan pemisahan fase. Kekuatan dinding sel erat hubungannya dengan morfologi foam, dimana urea hard domain yang membentuk struktur paracrystalline akan berfungsi sebagai reinforcing filler yang memperkuat dinding foam.

0,1

Gambar 3.8 Pengaruh Stress terhadap Strain pada berbagai konsentrasi Ethylene Glycol dengan menggunakan 10 pphp Methylene Chloride Secara umum, dari gambar 3.8 dan 3.9, terlihat dengan semakin besar beban yang diberikan pada foam, maka foam mengalami kondisi yang disebut compression. Sehingga apabila beban ini terus bertambah, maka struktur sel dan dinding sel mengalami deformasi. Dengan blowing agent karbondioksida Namun pada berbagai rasio berat ethylene glycol/polyol, terdapat beberapa sampel tersebut mengalami penyimpangan. Hal ini dapat

Kesimpulan Dari hasil perhitungan dan pembahasan yang dilakukan, dapat diambil kesimpulan sebagai berikut : ¾ Pada foam dengan blowing agent methylene chloride 10 pphp, semakin besar rasio berat ethylene glycol/polyol, maka diameter sel cenderung meningkat, densitas sel cenderung menurun dan bulk density cenderung meningkat. ¾ Pada foam dengan blowing agent tekanan 10 psig gas CO2, semakin besar rasio berat ethylene glycol/polyol, maka diameter sel cenderung menurun, densitas sel cenderung meningkat dan bulk density semakin meningkat. ¾ Foam dengan blowing agent methylene chloride, apabila strain diperbesar maka stress akan meningkat. Foam dengan konsentrasi 3 pphp ethylene glycol memiliki stress yang lebih besar. Sedangkan foam dengan konsentrasi ethylene glycol 0, 1, 2, 4 pphp stress mengalami peningkatan dan


6


kemudian cenderung konstan seiring dengan peningkatan stress. ¾ Foam dengan blowing agent CO2, apabila strain diperbesar maka stress akan meningkat. Foam dengan konsentrasi 1, 2, 3 pphp ethylene glycol memiliki stress yang lebih besar apabila strain. Sedangkan foam dengan konsentrasi ethylene glycol 0, 4, 5 pphp stress mengalami peningkatan dan kemudian cenderung konstan seiring dengan peningkatan stress.

Daftar Notasi Simbol A d l m M Nf nc p t σ ε ρbulk

Keterangan Luas micrograph Diameter bubble Lebar foam Massa foam Berat molekul Jumlah sel per unit volume foam Jumlah sel dalam micrograph Panjang foam Tinggi foam Stress Strain Bulk densitas foam

Satuan cm2 µm cm gr g/mol sel/cm3 cm cm N/mm mm/mm g/cm3

Daftar Pustaka 1. Artavia, Luis D., Macosko, Christoper W., “Polyurethane Flexible Foam Formation, Low Density Celullar Plastic”, Chapman & Hall, London, 1994. 2. Bross, R, Harington, R.M dan Casati, F.M, “Endurance of Polyurethane Automotive Seating Foams Under Varying Temperature

and Humidity Conditions”, In Celluler Polymer, Volume 19, No. 3, Rapra Technology LTD, 2000. 3. Budha & Herny, “Pengaruh Komposisi Polyol Terhadap Properti dan Struktur Foam Fleksibel Polyurethane”, Jurusan Teknik Kimia, ITS, Surabaya, 2004. 4. Feng Wang, “Polydimethylsiloxane Modification of Segmented thermoplastic Polyurethanes and Polyureas”, Virginia, 1998 5. Istri & Weny, “Pengaruh Penggunaan Partikel CaCO3 Terhadap Properti dan Struktur Foam Fleksibel Polyurethane”, Jurusan Teknik Kimia, ITS, Surabaya, 2003. 6. Lederer, Klaus, “Properties of Polyurethane Foams Depending on Molar Ratio Chain Extender/Polyol and The Structure of The Chain Extender”, Institut fur Chemie der Kunststoffe, Montanuniversitat Leoben Blum Ingeborg, 1998. 7. Linda & Ganis, “Pembuatan Foam Fleksibel Polyurethane dengan Penambahan Physical Blowing Agent Karbondioksida”, Jurusan Teknik Kimia, ITS, Surabaya, 2002.. 8. Muhibbudin & Sony , “Pengaruh Konsentrasi Surfaktan Terhadap Struktur dan Properti Foam Fleksibel Polyurethane”, Jurusan Teknik Kimia, ITS, Surabaya, 2002. 9. Priester, R.D, dan Turner, R. B., “The Morphology of Flexible Polyurethane Flexible Foam Formation, Low Density Celullar Plastic”, Chapman & Hall, London, 1994. 10. Toshima Ota, “Microcelluler Polyurethane Foaming by Modified Reaction Injection Molding”, Ph.D Thesis, Mechanical EngineeringDepartement, Messachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA, 1994.


7


11. Zhang, X. D, Macosko, C. W, Davis, H. T, Nikolov, A. D and Wasan, D. T, “Role of Silicone Surfactant in Flexible Polyurethane Foam”, Departement of Chemical Engineering and Material Science, University of Minnesota, Chicago, 1999.


8

Dasar-Dasar Teknik Kimia ISSN

Recommend Documents