Agrium, April 2013 Volume 18 No 1
MODIFIKASI PROSES PEMBUATAN KARET ALAM SIKLIS (CYCLIC NATURAL RUBBER) MELALUI REAKSI PEMUTUSAN RANTAI (CHAIN SCISSION) DAN SIKLISASI Eddyanto1, Yuslina Wati Ardina1 dan M. Said Siregar2 1 Departemen Kimia Universitas Negeri Medan 2 Fakultas Pertanian Universitas Muhammadiyah Sumatera Utara Email:
[email protected]
Abstract Cyclization of natural rubber has been carried out by the chain scission process preceded earlier. Chain scission process performed in a solution of phenol at a temperature of 1800C by using Brosse method, oxidation reaction with fenilhidrazin and oxygen . While the cyclization of natural rubber was conducted by Tutorskii method , using lewis acid catalyst, P2O5. Characterization of raw materials and products of the chain scission and cyclization performed by infrared spectroscopy analysis. The infra red spectra showed the strong peak at 2925 cm-1 and 1446 cm-1 , reduced absorption at 1600s cm-1, the emergence of a new peak at 757 cm-1 and a weaker absorption peak at 835 cm-1. The absorption peaks of cyclic natural rubber of crumb rubber ( SIR - 10 ) also changed . The results showed that the percentage of chain scission were 13.1 % on the latex and 2 % on the SIR - 10 . While the percentage of cyclization yield of latex and SIR - 10 were 22.8 and 73.1 %, respectively. Keywords : cyclic natural rubber, chain scission, cyclization Abstrak Telah dilakukan siklisasi karet alam dengan didahului proses pemutusan rantai sebelumnya. Proses pemutusan rantai dilakukan dalam larutan fenol pada temperatur 1800C menggunakan metode Brosse, reaksi oksidasi dengan fenilhidrazin dan oksigen. Sedangkan proses siklisasi karet alam dengan metode Tutorskii, menggunakan katalis asam lewis P2O5. Karakterisasi bahan baku dan produk dari proses pemutusan rantai dan siklisasi dilakukan dengan analisa spektroskopi infra merah. Hasil karakterisasi menunjukkan munculnya puncak serapan kuat pada panjang gelombang 2925 cm-1 dan 1446 cm-1, berkurangnya serapan pada panjang gelombang sekitar 1600-an, munculnya puncak baru pada panjang gelombang 757 cm-1 serta melemahnya puncak serapan pada panjang gelombang 835 cm-1. Perubahan puncak serapan juga terjadi pada karet alam siklis dari karet alam remah (SIR-10). Hasil penelitian menunjukkan bahwa persentase pemutusan rantai sebesar 13,1% pada lateks dan 2% pada SIR-10. Sedangkan persentase hasil siklisasi dari lateks dan SIR-10 diperoleh masing-masing sebesar 22,8 dan 73,1 %. Kata kunci: karet alam siklis, pemutusan rantai, siklisasi A.
PENDAHULUAN Direktorat Jenderal Industri Agro dan Kimia Departemen Perindustrian Republik Indonesia telah mencanangkan didalam visi dan misinya untuk mengembangkan produksi karet dan bahan olahan karet serta menjadikan Indonesia sebagai negara produsen utama barang karet dan olahan karet sebelum tahun 2020 1. Akan tetapi, sampai saat ini 85 % dari total ekspor karet Indonesia masih berupa bahan baku. Dengan kata lain bahan baku karet yang diserap oleh industri dalam negeri baru sekitar 15 % dari total produksi karet nasional2. Proporsi ini menunjukkan bahwa kuantitas dan kualitas industri karet Indonesia perlu ditingkatkan karena menunjukkan ketergantungan yang tinggi terhadap bahan olahan karet impor. Oleh karena itu perlu dilakukan upaya, perhatian khusus, dan inovasi
untuk pengembangan bahan karet mentah menjadi barang olahan karet (produk antara dan produk hilir) sehingga dapat mengurangi ketergantungan produk impor berbasis karet sekaligus dapat meningkatkan volume ekspor dan nilai ekonomi bahan olahan karet. Salah satu cara untuk meningkatkan nilai ekonomi karet tersebut adalah dengan cara memodifikasinya, seperti siklisasi. Penelitian ini akan mengembangkan modifikasi karet alam dengan cara siklisasi. Modifikasi karet alam menjadi karet siklis sangat penting dan menarik, yakni proses merubah senyawa dan karakter karet alam (elastomer yang bersifat elastis) menjadi „karet‟ tidak elastis, berubah menjadi „seperti gelas‟ (glassy), rapuh dan getas. Secara kimia terjadi perubahan ikatan pada rantai karet alam (1,4 cis
55
Eddiyanto dkk
selama 30 menit hingga larut dan tercampur. Selanjutnya ditambahkan fenilhidrazin sebanyak 5 phr (2,28 mL) kemudian dialirkan oksigen, dan dilakukan refluks lanjutan selama 2 jam. Kemudian ditambahkan P2O5 sebanyak 5 gram pada suhu 1800C selama 3 jam. Selanjutnya karet siklis dalam fenol dipresipitasi dengan metanol, kemudian dibilas 2 kali dan dikeringkan pada suhu 600C selama 4 jam sehingga dihasilkan karet siklis, lalu dianalisis dengan spektroskopi FTIR. Komposisi penggunaan sampel dan bahan :
Metode : Menimbang lateks koagulan atau SIR-10 sebanyak 50 gram, lalu dipotong kecil-kecil menjadi granular-granular karet untuk memudahkan dalam proses pelarutan. Kemudian masukkan kedalam labu alas leher tiga, dan ditambahkan fenol sebanyak 250 mL, lalu dimikser dan dipanaskan pada suhu 1800C
56
Fenilhidrazin Phr g mL
P2O5 g
g
Lateks Koagulan SIR-10
50
5
2,5
2,28
5
50
5
2,5
2,28
5
75 7
0,95
29 25
29 57
1,00
0,90 0,85 0,80 0,75
3000
2000
49 8 56 5
0,35 1000
Wav enumbers (cm-1)
Gambar 1. Gambar spektrum dari sampel lateks a.lateks(biru) b.produk pemutusan rantai (hijau) c.karet alam siklis (merah). Hasil analisa inframerah dari sampel lateks pada gambar 1 menunjukkan muncul puncak-puncak kuat pada panjang gelombang 2925 cm-1 dan 1446 cm-1 dari vibrasi regangan C-H (ʋC-H) dan vibrasi bengkokan CH3 (δCH3), berkurangnya serapan pada panjang
45 9
83 5
69 0 66 7
13 06
11 25 10 86 10 35 10 04
15 10 16 63
17 22
32 86
0,40
37 45
0,45
16 04
27 22
0,50
88 6
30 31
15 45
0,60
13 72
0,65
12 12
14 46
0,70
36 04
METODE PENELITIAN Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah Lateks koagulan dan SIR-10 dari PTPN III, bahan kimia pendukung kimia lainnya adalah fenol sebagai pelarut, fenilhidrazin sebagai peroksida, P2O5 sebagai katalis siklisasi dan metanol sebagai bahan presipitasi.
Siklisasi
Sampel
0,55
B.
Pemutusan Rantai
C. HASIL DAN PEMBAHASAN a) Perbedaan hasil FTIR dari lateks – hasil pemutusan rantai – karet alam siklis.
Ab s or ba nc e
polyisoprene) yang berantai lurus dan panjang menjadi karet yang berantai siklik. Meskipun karet siklis ini memiliki keunikan sebagai resin alam dalam industri pelapisan (coating), akan tetapi karet siklis ini masih memiliki keterbatasan bila dibandingkan dengan resin sintetik, terutama dalam ketercampuran (compactibility) dengan komponen aditif dan resin lain yang sering digunakan didalam industri adesif, cat, dan tinta. Di samping itu, karet siklis juga masih rentan terhadap serangan spesis radikal bebas seperti ozon dan asam anorganik akibat masih memiliki ikatan rangkap karbon (>C=C<) yang tinggi pada rantai karbon siklis. Untuk meningkatkan kelarutan, ketercampuran (compactibility) dengan komponen aditif lainnya, serta menurunkan ikatan carbon tak jenuh pada produk karet siklik perlu dilakukan penelitian pengembangan dengan pemutusan rantai dan siklisasi. Berbagai penelitian mengenai karet siklis telah dilakukan dengan menggunakan bahan dasar Lateks Pekat 3 dan crepe4,5 dengan proses „basah‟ menggunakan pelarut karet maupun proses kering dalam internal mixer menggunakan katalis asam lewis. Brosse6 telah melakukan proses pemutusan rantai dengan fenilhidrazin sebelum dilakukan proses siklisasi menggunakan bahan dasar lateks menjadi LNR (Liquid Natural Rubber). Sebagai the art of state dalam penelitian ini adalah modifikasi bahan dasar karet alam (Lateks dan SIR-10) dengan cara “pencacahan” atau “pemotongan” (chain scission) sebelum melewati proses siklisasi.
MODIFIKASI PROSES PEMBUATAN KARET ALAM SIKLIS
29 33
CH2) serta melemahnya puncak serapan pada panjang gelombang 835 cm-1 dari vibrasi regangan non-siklis CH2-CH2 (ʋCH2-CH2). 0,95
29 09
76 1
0,90 0,85 0,80 0,75 0,70 0,65 0,60
14 47
0,55 0,50
3000
12 12
13 72
0,60
83 5
11 25 10 85
2000
57 2
0,05
0,62
88 5
0,10
0,64
27 21
0,15
0,66
32 86
0,20
0,68
66 7
17 10 16 62 15 45
14 46
0,25 0,70
95 7
15 10
0,30
13 05
30 31
0,35
12 16
13 73
0,40
10 35
0,45
12 39
Ab s or ba nc e
gelombang sekitar 1600-an (lihat gambar 2) dari ikatan rangkap C=C (ʋ C=C), munculnya puncak baru pada panjang gelombang 757 cm-1 dari vibrasi regangan siklis CH2-CH2 (ʋCH2CH2) serta melemahnya puncak serapan pada panjang gelombang 835 cm-1 dari vibrasi regangan non-siklis CH2-CH2 (ʋCH2-CH2). Ini menunjukkan bahwa telah terjadi siklisasi. Hal ini sesuai dengan Goonetilleke yang menyatakan bahwa spektra inframerah karet siklis ditunjukkan adanya puncak kuat pada wilayah 2700-3000 cm-1 dan 1450 cm-1. Selain itu juga akan muncul puncak baru dan puncak 836 cm-1 akan menghilang.
1000
Wav enumbers (cm-1)
0,58
Gambar 2. Spektrum dari lateks pada area 1600 Pada puncak 1663 cm-1 yang ditunjukkan tanda panah pada gambar 2, jelas terlihat bahwa puncak serapan mengalami penurunan yang cukup signifikan. Puncak 1663 cm-1 ini menunjukkan ikatan C=C, ini berarti ikatan rangkap telah mengalami pengurangan. b) Perbedaan FTIR dari SIR-10 – hasil pemutusan rantai – karet alam siklis. Hasil analisa inframerah dari sampel lateks pada gambar 1 menunjukkan muncul puncak-puncak kuat pada panjang gelombang 2933 cm-1 dan 1455 cm-1 dari vibrasi regangan C-H (ʋC-H) dan vibrasi bengkokan CH3 (δCH3), berkurangnya serapan pada panjang gelombang sekitar 1600-an (lihat gambar 4) dari ikatan rangkap C=C (ʋ C=C), munculnya puncak baru pada panjang gelombang 761 cm-1 dari vibrasi regangan siklis CH2-CH2 (ʋCH2-
0,80 0,75 0,70 0,65 0,60 0,55 0,50 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15
95 7
1000
10 35
1200
10 85
1400 Wav enumbers (cm-1)
11 25
1600
12 16
1800
13 05
0,34
12 39
10 35 10 04
10 86
0,36
Pada puncak 1662 cm-1 yang ditunjukkan tanda panah pada gambar 2, jelas terlihat bahwa puncak serapan mengalami penurunan yang cukup signifikan. Puncak 1663 cm-1 ini menunjukkan ikatan C=C, ini berarti ikatan rangkap telah mengalami pengurangan.
13 73
0,38
14 47
17 22
0,40
15 45
16 04
0,42
15 45
16 63
0,44
13 06
0,46
11 25
15 10 14 94
0,48
15 10
0,50
Gambar 3. Gambar spektrum dari sampel lateks a.lateks(biru) b.produk pemutusan rantai (hijau) c.karet alam siklis (merah).
16 62
0,52
17 10
0,54
Ab s or ba nc e
Ab s or ba nc e
0,56
0,10
1600
1400
1200
1000
Wav enumbers (cm-1)
Gambar 4. Spektrum dari SIR-10 pada area 1600-an. c) Perhitungan derajat pemutusan rantai dari lateks.
57
Eddiyanto dkk
% PR = 2% 0,170
Luas lateks (A) Luas produk pemutusan rantai (B)
0,160
e) Perhitungan derajat siklisasi dari lateks.
16 63
0,150 0,140
0,170 0,160
0,130
0,140 16 04
0,110 0,100
0,130 0,120
0,090
0,110 Ab s or ba nc e
0,080 0,070 0,060
16 04
Ab s or ba nc e
16 63
0,150
0,120
0,100 0,090
Luas lateks (A)
0,080
0,050
0,070
0,040
Luas siklisasi (B)
0,060
0,030
0,050
0,020 1700
1600
0,040
Wav enumbers (cm-1) 0,030 0,020 1700
Perhitungan derajat pemutusan rantai
1600 Wav enumbers (cm-1)
(PR) dihitung pada puncak 1663cm-1 dan
luas A – luas B × 100% luas A 2,689 – 2,077 % siklisasi = × 100% 2,689
puncak 1545 cm-1 yang merupakan ikatan
% siklisasi =
rangkap C=C (ʋ C=C). luas A– luas B × 100% luas A (2,689 – 2,337) % PR = × 100% 2,689 % PR =
% siklisasi = 22,759 %
f) Perhitungan derajat siklisasi dari SIR-10.
% PR = 13,090%
0,150 0,140
0,110 0,100 0,090
16 62
0,120
0,080 0,070 0,060 15 96
Luas produk pemutusan rantai (B)
0,130
Ab s or ba nc e
0,140
0,050
0,110
0,040
0,100
0,030
0,090
Luas SIR-10 (A)
0,020
0,080
0,010
0,070
Luas siklisasi (B)
0,000
0,060 15 96
Ab s or ba nc e
0,120
Luas SIR-10 (A)
0,150
16 62
0,130
d) Perhitungan derajat pemutusan rantai dari SIR-10.
0,050
-0,010 1700
0,040
1600 Wav enumbers (cm-1)
0,030 0,020 0,010 0,000
luas A – luas B × 100% luas A 3,517 – 0,945 % siklisasi = × 100% 3,517
% siklisasi =
-0,010 1700
1600 Wav enumbers (cm-1)
luas A – luas B × 100% luas A (3,517 – 3,447) % PR = × 100% 3,517 % PR=
58
% siklisasi = 73,131 %
MODIFIKASI PROSES PEMBUATAN KARET ALAM SIKLIS
Mekanisme Reaksi Pemutusan Rantai dengan fenilhidrazin
H
H
dipanaskan NH2
N
.
Radical Fenil
Fenil Hidrazin
O
.N
+
1800C
dipanaskan .O O
CH2
CH2
Radical diamin
O. H
CH3
H
CH3
NH2
CH2
CH2
CH3
H
CH2
CH3
H H
CH3
CH3 O
H
O
C CH2
CH2
N.
N
H CH 3
H
H
C
CH2
CH2
+
CH2
CH2
.
*dekomposisi CH3 CH3
C
H
O
H
CH3
CH2
CH2
C
OH
+ CH2
CH2
CH2
Karet Alam Rantai Pendek
CH2
Karet Alam Rantai Pendek
Gambar 5. Mekanisme Reaksi Pemutusan Rantai 6 Reaksi pemutusan rantai (chain scission) dengan fenilhidrazin ini terjadi oleh reaksi disproporsionasi fenilhidrazin yang membentuk senyawa radikal fenil dan radikal diamin, radikal bebas akan bereaksi dengan oksigen (O2). Dimana radikal oksigen yang menyerang ikatan rangkap rantai karbon karet alam yang kemudian menjadi berikatan. Kemudian radikal diamin tadi menyerang ikatan hidrogen
dan penambahan radikal fenil tersebut mengalami dekomposisi, sehingga terjadilah karet alam rantai pendek. Hal ini sesuai dengan Brosse6 yang menyatakan oksidasi fenilhidrazin yang bereaksi langsung dengan oksigen menghasilkan radikal fenil. Reaksi adisi radikal fenil yang menyerang ikatan rangkap rantai karbon mengalami dekomposisi dan saling berikatan sehingga terjadi pemutusan ikatan rangkap.
59
Eddiyanto dkk
Mekanisme Reaksi Siklisasi Karet Alam dengan P 2O5 H
CH3 CH2
H
CH3
CH2 CH2
O
P
O
P
CH3
CH2 CH2
H
CH3
H
CH2
CH2
CH2 CH2
CH3
H
CH3
H
CH2
CH2
CH2 CH2
H
CH3
CH3
O
O
O
H
CH3
H
CH3
CH3
H
CH3
H
CH2
CH2
CH2 CH2
CH3
H
CH3
H
CH2
CH2
CH2 CH2
CH3
H
+ CH2
_
CH2 CH2
O
P O
_ O
P
CH3
O
O
O CH3
P O
O
O
CH2 CH2
P O
CH3
H
CH3
H
CH3
H
CH2
CH2
CH2 CH2
CH3
H
+ CH2 CH2
CH3
CH2 CH2
CH3
H
H
CH2
CH3 CH3 CH3 CH3
H
+ CH3 CH2
CH2 C
CH2 +
_
CH3
Gambar 6. Mekanisme Reaksi Siklisasi Pada reaksi rantai molekul karet dengan P2O5 membentuk ion karbonium dikarenakan adanya radikal P2O5, ion karbonium yang terbentuk menjadi tidak stabil dan menyerang rantai molekul karet sehingga berikatan dan membentuk ikatan siklik, pada proses siklisasi ini berbeda dengan yang dilakukan Saunders7 dimana siklisasi yang terjadi sudah tidak ada ikatan rangkap. Hal ini sesuai dengan Veersen8 yang menyatakan mekanisme reaksi siklikasi karet alam berhubungan dengan protonisasi ikatan rangkap secara acak. Pada tahap pertama akan terbentuk ion karbonium dikarenakan adanya donor proton yaitu katalis yang bersifat asam. Pada tahap kedua, ion karbonium yang tidak stabil tersebut akan tersiklikasi membentuk struktur monosiklik atau polisiklik.
60
Pada prinsipnya, baik proses siklisasi lateks maupun larutan karet, akan terjadi perubahan struktur molekul karet alam dari rantai poliisopren yang lurus menjadi rantai siklik, yang diikuti dengan berkurangnya ikatan rangkap pada fraksi monomer isopren9. D.
KESIMPULAN Dari hasil analisa spektroskopi inframerah (FTIR) dapat disimpulkan bahwa persentase pemutusan rantai sebesar 13,1% pada lateks dan 2% pada SIR-10. Sedangkan persentase hasil siklisasi dari lateks dan SIR-10 diperoleh masing-masing sebesar 22,8 dan 73,1 %.
MODIFIKASI PROSES PEMBUATAN KARET ALAM SIKLIS
UCAPAN TERIMAKASIH Ucapan Terimakasih kepada PTPN III. DAFTAR PUSTAKA 1. Direktorat Jenderal Industri Agro dan Kimia, Departemen Perindustrian. 2009. ROADMAP Industri Pengolahan Karet dan Barang. 2009. Jakarta. 2. BPS. 2011. Statistika Indonesia. Badan Pusat Statitiska, Jakarta. 3. Chusna, S. F. 2002. Kajian Pembuatan Karet Siklo Berbobot Molekul Rendah. Tesis. Program Pasca Sarjana, Institut Pertanian Bogor, Bogor. 4. Tutorskii, A., V.V. Markov, O. I. Fedyuk, M. B. Vitsnudel and B. A. Dogadkin. 1964. The Kinetics Of The Cyclization Of Natural And Synthetics Polyisoprenes by Means Of Phosphorus Pentoxide. M. V. Lomonosov Institute of Fine Chemical Technology, Moscow.
5. Mirzataheri, M., 2000. The Cyclization of Natural Rubber, Iran J. Chem. & Chem. Eng.,19: 455 6. Brosse, J. C. 2000. Chemical Modifications Of Polydiene Elastomers: A Survey And Some Recent Results. Journal of Applied Polymer Science, Vol. 78, 1461-1477 7. Saunders, K.J. 1988. Organik Polymer Chemistry, Second Edition, Blackie Academic & Professional, Glasgow 8. Van Verseen, G. J. 1951. The Structure of Siclised Rubber. Rubb. Chem & Tech. 24: 957-969. 9. Alfa, A. A. dan Y. Syamsu. 2004. Sifat dan Kegunaan Karet Alam Siklik Dari Larutan Karet dan Dari Lateks. di dalam Prosiding Seminar Nasional VII Kimia Dalam Pembangunan, Hotel Santika Yogyakarta, 25-26 Mei 2004, pp. 540-547.
61
