Upload
fariliyn-danisya
View
192
Download
3
Embed Size (px)
Citation preview
BAB I
TINJAUAN PUSTAKA
1.1. Polimer
Polimer adalah salah satu bahan rekayasa bukan logam (non-metallic material) yang
penting. Saat ini bahan polimer telah banyak digunakan sebagai bahan substitusi untuk
logam terutama karena sifat-sifatnya yang ringan, tahan korosi dan kimia, dan murah,
khususnya untuk aplikasi-aplikasi pada temperatur rendah. Hal lain yang banyak menjadi
pertimbangan adalah daya hantar listrik dan panas yang rendah, kemampuan untuk
meredam kebisingan, warna dan tingkat transparansi yang bervariasi, kesesuaian desain
dan manufaktur.
Istilah polimer digunakan untuk menggambarkan bentuk molekul raksasa atau rantai
yang sangat panjang yang terdiri atas unit-unit terkecil yang berulangulang atau mer atau
meros sebagai blok-blok penyusunnya. Molekul-molekul (tunggal) penyusun polimer
dikenal dengan istilah monomer. Polimer Polyethylene, misalnya, adalah salah satu jenis
bahan polimer dengan rantai linear sangat panjang yang tersusun atas unit-unit terkecil
(mer) yang berulang-ulang yang berasal dari monomer molekul ethylene. Perhatikan
bahwa monomer memiliki ikatan kovalen tak jenuh (ikatan ganda) sedangkan pada mer
ikatan tersebut menjadi aktif atau ikatan kovalen terbuka dengan elektron tak berpasangan.
Bahan organik alam mulai dikenal dan digunakan sejak tahun 1866, yaitu dengan
digunakannya polimer cellulose. Bahan organik buatan mulai dikenal tahun 1906 dengan
ditemukannya polimer Phenol Formaldehide atau Bakelite, mengabadikan nama
penemunya L.H. Baekeland. Bakelite, hingga saat ini masih digunakan untuk berbagai
keperluan. Para mahasiswa metalurgi atau metallographist profesional misalnya
menggunakan bakelit untuk memegang (mounting) spesimen metalografi dari sampel
logam yang akan dilihat struktur mikronya di bawah mikroskop optik reflektif.
Istilah plastik, yang sering digunakan oleh masyarakat awam untuk menyebut
sebagian besar bahan polimer, mulai digunakan pada tahun 1909. Istilah tersebut berasal
dari kata Plastikos yang berarti mudah dibentuk dan dicetak. Teknologi modern plastik
baru dimulai tahun 1920-an, yaitu dengan mulai digunakannya polimer yang berasal dari
produk derivatif minyak bumi, seperti misalnya Polyethylene. Salah satu jenis plastik yang
1
sering kita jumpai adalah LDPE (Low Density Poly Ethylene) yang banyak digunakan
sebagai plastik pembungkus yang lunak dan sangat mudah dibentuk.
1.2. Tipe – tipe Polimer
Teknologi polimer berdasarkan sumbernya dapat dikelompokkan dalam 3 kelompok,
yaitu (1) Polimer Alam yang terjadi secara alami seperti karet alam, karbohidrat, protein,
selulosa, dan wol. (2) Polimer Semi Sintetik yang diperoleh dari hasil modifikasi polimer
alam dan bahan kimia seperti serat rayon dan selulosa nitrat. (3) Polimer Sintesis, yaitu
polimer yang dibuat melalui polimerisasi dari monomer-monomer polimer, seperti
formaldehida."
Di samping pembagian di atas, polimer umumnya dikelompokkan berdasarkan
perilaku mekanik dan struktur rantai atau molekulnya. Polimer thermoplastik adalah jenis
polimer yang memiliki sifat-sifat thermoplastik yang disebabkan oleh struktur rantainya
yang linear (linear), bercabang (branched) atau sedikit bersambung (cross linked). Polimer
dari jenis ini akan bersifat lunak dan viskos (viscous) pada saat dipanasikan dan menjadi
keras dan kaku (rigid) pada saat didinginkan secara berulang-ulang. Sementara itu, polimer
thermoset (termosetting) hanya melebur pada saat pertama kali dipanaskan dan selanjutnya
mengeras secara permanen pada saat didinginkan. Polimer jenis ini bersifat lebih keras dan
kaku (rigid) karena strukturnya molekulnya yang membentuk jejaring tiga dimensi yang
saling berhubungan (network). Polimer jenis elastomer, memiliki daerah elastis non linear
yang sangat besar yang disebabkan oleh adanya sambungan-sambungan antar rantai (cross
links) yang berfungsi sebagai ’pengingat bentuk’ (shape memory) sehingga karet dapat
kembali ke bentuknya semula, pada saat beban eksternal dihilangkan.
Gambar : Pembagian Tipe-tipe Polimer
2
1.3. Proses Polimerisasi
Gambar : Proses Polimerisasi
Proses pembentukan rantai molekul raksasa polimer dari unit-unit molekul
terkecilnya (mer atau meros) melibatkan reaksi yang kompleks. Proses polimerisasi
tersebut yang secara umum dapat dikelompokkan menjadi dua jenis reaksi, yaitu: (1)
polimerisasi adisi (Addition), dan (2) polimerisasi kondensasi (Condensation). Reaksi
adisi, seperti yang terjadi pada proses pembentukan makro molekul polyethylene dari
molekul-molekul ethylene, berlangsung secara cepat tanpa produk samping (by-product)
sehingga sering disebut pula sebagai Pertumbuhan Rantai (Chain Growth). Sementara itu,
polimerisasi kondensasi, seperti yang misalnya pada pembentukan bakelit dari dua buah
mer berbeda, berlangsung tahap demi tahap (Step Growth) dengan menghasilkan produk
samping, misalnya molekul air yang dikondensasikan keluar.
Contoh polimerisasi dengan reaksi adisi adalah proses pembentukan Polystyrena
(PS). Proses pembentukan polimer berlangsung dalam 3 tahap, yaitu: (1) inisiasi, (2) adisi
atau pertumbuhan rantai, dan (3) terminasi. Untuk memulai proses polimerisasi stirena,
ditambahkan inisiator peroksida sehingga terjadi pemutusan ikatan kovalen antar oksigen
dalam molekul Peroksida dan ikatan kovalen antar karbon dalam molekul stirena.
Polimerisasi dimulai dengan terbentuknya dua kelompok inisiator (OH) dan mer. Satu dari
dua kelompok OH selanjutnya akan bergabung dengan mer stiren mengawali terbentuknya
rantai molekul polimer. Selanjutnya akan terjadi pertumbuhan rantai yang berlangsung
sangat cepat membentuk rantai molekul raksasa linear. Terminasi dari pertumbuhan rantai
dapat dilakukan dengan dua cara, yaitu (1) dengan bergabungnya OH ke ujung rantai
3
molekul, dan (2) bergabungnya dua rantai molekul. Panjang dari rantai polimer dapat
dikendalikan dengan cara mengendalikan jumlah inisiator. Secara, umum, jika jumlah
inisiator yang diberikan sedikit, maka jumlah OH yang tersedia untuk menghentikan reaksi
semakin sedikit pula. Yang perlu dicatat adalah bahwa di reaksi adisi ini tidak
menghasilkan produk sampingan (by product).
Contoh dari polimerasi kondensasi adalah proses pembentukan Bakelit yang telah
kita kenal sebelumnya. Nama kondensasi diberikan karena pada proses polimerisasi ini
dikondensasikan molekul air sebagai produk sampingan (by product)-nya. Bakelit, produk
utama dari reaksi ini, terbentuk dari dua jenis molekul mer, yaitu Phenol dan Formal
Dehide. Tidak seperti halnya pada polimerisasi adisi, reaksi berlangsung lebih lambat,
tahap demi tahap, sehingga sering pula disebut sebagai reaksi pertumbuhan tahap demi
tahap (step growth reaction). Rantai molekul yang terbentuk dalam proses polimerisasi
bakelit ini lebih rigid, karena membentuk jejaring tiga dimensi (three dimensional network)
yang kompleks.
1.4. Berat Molekul dan Derajat Polimerisasi
Panjang rata-rata dari rantai polimer dapat dilihat dari berat molekul (molecular
weight) polimer. Berat molekul dari polimer pada dasarnya adalah penjumlahan dari berat
molekul-molekul mer-nya. Jadi semakin tinggi berat molekul dari suatu polimer tertentu,
semakin besar panjang rata-rata dari rantai polimernya. Mengingat polimerasasi adalah
peristiwa yang terjadi secara acak, maka berat molekul biasanya ditentukan secara statistik
dalam bentuk rata-rata berat molekul atau distribusi berat molekulnya. Suatu polimer
thermoplastik misalnya, memiliki distribusi berat molekul sebagaimana terlihat dalam
gambar berikut ini. Distribusi berat molekul tersebut terjadi karena proses polimerisasi
terjadi secara acak (random) sehingga thermoplastik tersebut terdiri atas banyak rantai-
rantai polimer yang berbeda-beda panjangnya. Dari distribusi tersebut dapat ditentukan
rata-rata berat molekul dari thermoplastik tersebut.
Derajat polimerisasi (DP) dari suatu polimer adalah rasio atau perbandingan berat
molekul polimer dengan berat molekul mer-nya. Suatu polyethylene (PE) dengan berat
molekul 28.000 g misalnya, memiliki derajat polimerisasi 1000 karena berat molekul dari
mer-nya (C2H4) adalah 28 (12x2 + 1x4). DP menggambarkan ukuran molekul dari suatu
polimer berdasarkan atas jumlah dari monomer penyusunnya.
4
DP = BM polimer : BM Monomer
Contoh :
Sebuah monomer polistiren dengan BM sebesar 104 adalah 100.000. Maka DP dari
polistirena adalah 100.000 : 104 = 961,5
Berat molekul rata-rata atau derajat polimerisasi dari suatu polimer thermoplastik
sangat berpengaruh terhadap keadaan dan sifat-sifatnya. Viskositas dan kekuatan polimer
misalnya akan meningkat dengan meningkatnya berat molekul atau derajat
polimerisasinya. Sebagai ilustrasi, kita dapat membandingkan keadaan dari monomer
ethylene pada derajat polimerisasi yang berbeda-beda. Perbedaan dari sifat-sifat tersebut
dapat dijelaskan oleh fakta bahwa semakin panjang rantai molekul suatu polimer, semakin
besar energi yang diperlukan untuk mengatasi ikatan sekundernya.
Grafik : Pengaruh BM dan DP terhadap Sifat Fisik Polimer
1.5. Ikatan – ikatan dalam Polimer
Ikatan-ikatan dalam polimer dapat dikelompokkan menjadi dua kelompok, yaitu
ikatan primer dan ikatan sekunder. Ikatan primer dari suatu polimer adalah ikatan kovalen,
yaitu ikatan antar atom dengan cara memakai elektron secara bersama-sama, sebagaimana
diilustrasikan dalam gambar. Ikatan-ikatan sekunder yang penting di dalam polimer
misalnya adalah ikatan Van der Waals, ikatan Hidrogen, dan ikatan Ionik. Ikatan primer
kovalen termasuk ikatan antar atom yang sangat kuat, jauh lebih kuat jika dibandingkan
5
dengan ikatan-ikatan sekunder, 10 hingga 100 kalinya. Kekuatan ikatan primer ganda antar
atom karbon di dalam ethylene (C=C), misalnya besarnya adalah 721 kJ/(g.mol) sedangkan
ikatan antar atom karbon dan hidrogen (C-H) adalah 436 kJ/(g.mol).
Gambar : Ikatan Primer Kovalen
1.6. Struktur Rantai Molekul Polimer
Arsitektur polimer sangat berpengaruh terhadap sifat-sifat dan perilakunya secara
umum. Secara umum, polimer dapat dikelompokkan menjadi empat jenis berdasarkan
struktur molekulnya, yaitu: (1) polimer linear (linear polymer), (2) polimer bercabang
(branched polymer), (3) polimer berkait (cross-linked polymer), dan (4) polimer
berjejaring (network polymer). Polyethylene adalah contoh dari jenis polimer dengan
struktur rantai linear dan bercabang. Struktur rantai tersebut menyebabkan polyethylene
berperilaku termoplastik, yaitu dapat dibentuk menjadi suatu bentuk tertentu dan
dikembalikan ke bentuk semula. Struktur rantai molekul berkait adalah struktur rantai yang
khas dari karet yang memiliki daerah elastis non-linear yang sangat besar. Cross-link atau
kaitan antar rantai dalam hal ini berfungsi sebagai ‘pengingat bentuk’ (shape memory) dari
karet. Bakelite salah satu contoh polimer yang telah kita bahas sebelumnya memiliki
struktur rantai molekul berjejaring 3 dimensi yang kompleks. Struktur rantai ini sangat
rigid sehingga polimer dengan struktur rantai ini akan berperilaku termoset, yaitu menjadi
rigid secara permanen pada saat pertama kali didinginkan. Secara umum, perilaku mekanik
dari berbagai jenis polimer dapat dijelaskan dari ikatan-ikatan atom dan struktur rantai
molekulnya.
6
Gambar : Struktur Rantai Molekul Polimer
1.7. Derajat Kekristalan Polimer
Tidak seperti halnya logam, polimer pada umumnya bersifat amorphous, tidak
bersifat kristalin atau memiliki keteraturan dalam rentang cukup panjang. Namun, polimer
dapat direkayasa sehingga strukturnya memiliki daerah kristalin, baik pada proses sintesis
maupun deformasi. Besarnya daerah kristalin dalam polimer dinyatakan sebagai derajat
kekristalan polimer. Derajat kekristalan polimer misalnya dapat direkayasa dengan
mengendalikan laju solidifikasi dan struktur rantai, walaupun sangat sulit untuk
mendapatkan derajat kekristalan 100% sebagaimana halnya pada logam. Polimer dengan
struktur rantai bercabang misalnya akan memiliki derajat kekristalan yang lebih rendah
jika dibandingkan dengan struktur tanpa cabang. Sifat-sifat mekanik dan fisik dari polimer
sangat dipengaruhi oleh derajat kekristalannya. Sifat-sifat mekanik yang dipengaruhi oleh
derajat kekristalan misalnya adalah kekakuan (stiffness), kekerasan (hardness), dan
keuletan (ductility). Sedangkan sifat-sifat fisik yang berhubungan dengan derajat
kekristalan misalnya adalah sifat-sifat optik dan kerapatan (density) dari polimer.
7
Gambar : Struktur Rantai Molekul Polimer
8
BAB II
ISI
2.1. Polistirena
Polistirena adalah sebuah polimer dengan monomer stirena, Sebuah hidrokarbon
cair yang dibuat secara komersial dari minyak bumi. Pada suhu ruangan, polistirena
biasanya bersifat termoplastik padat, dapat mencair pada suhu yang lebih tinggi. Stirena
tergolong senyawa aromatik.
Polistirena padat murni adalah sebuah plastik tak berwarna, keras dengan fleksibilitas
yang terbatas yang dapat dibentuk menjadi berbagai macam produk dengan detail yang
bagus. Penambahan karet pada saat polimerisasi dapat meningkatkan fleksibilitas dan
ketahanan kejut. Polistirena jenis ini dikenal dengan nama High Impact Polystyrene
(HIPS). Polistirena murni yang transparan bisa dibuat menjadi beraneka warna melalui
proses compounding. Polistirena banyak dipakai dalam produk-produk elektronik sebagai
casing, kabinet dan komponen-komponen lainya. Peralatan rumah tangga yang terbuat dari
polistirena, a.l: sapu, sisir, baskom, gantungan baju, ember.
Stiren merupakan suatu senyawa organik dengan rumus molekul C6H5CH=CH2.
Gugus vinil yang terdapat pada stiren menjadikan stiren dapat mengalami reaksi adisi
kontinu membentuk suatu polimer polistiren. Pada temperatur ruang, polistiren secara
normal merupakan padatan termoplastik, akan tetapi pada temperatur tinggi, polistiren
dapat meleleh. Polimerisasi polistiren menjadi rantai panjang berlangsung pada ikatan
rangkap karbon viniliknya. Walaupun polimerisasi larutan atau imulsi biasanya digunakan,
sebagian besar polistiren digunakan dengan polimerisasi suspensi atau dengan polimerisasi
massa. Polimerisasi stiren dimulai dengan proses yang disebut prepolimerizer, suatu wadah
yang didalamnya terdapat stiren yang akan dipolimerisasi (biasanya dengan menggunakan
poroksida sebagai oksidator) diaduk hingga campuran reaksi terkonsentrasi menjadi
polimer akibat adanya proses pencampuran yang baik. Umumnya, larutan tersebut
mengandung sekitar 30% polimer dengan kekentalan yang sesuai untuk diolah lebih lanjut.
Polistirena atau polifinil etana dapat dipolimerkan dengan panas, sinar matahari atau
katalis. Derajat polimerisasi tergantung pada kondisi polimerisasi. Polimer yang sangat
tinggi dapat dihasilkan dengan menekan suhu di atas sedikit ruang. Polistirena merupakan
termoplastis yang bening kecuali ditambahkan pewarna dan pengesi dan dapat dilinakkan
9
pada suhu + 100 derajat celsius. Tahan terhadap asam, basa dan zat pengarat (korosif)
lainnya. Tetapi mudah larut dalam mempengaruhi kekuatan polimer terhadap panas.
Banyak digunakan untuk membuat lembaran, penutup dan barang pencetak (Ruhendi,
2007).
Polystyrene dapat menjadi termoset atau termoplastik. Sebuah polistiren termoplastik
dalam keadaan padat (seperti kaca) pada suhu kamar, tapi jika dipanaskan di atas suhu
transisi kaca sekitar 100° C (untuk mencetak atau ekstrusi), dan menjadi padat lagi ketika
didinginkan. Polistiren padat murni adalah sebuah plastik keras tanpa warna dengan
fleksibilitas yang terbatas. Yang ini dapat dibuat dalam adonan dengan detail halus.
Polystyrene dapat dibuat transparan atau dalam berbagai warna.
Polistiren padat banyak digunakan, misalnya dalam peralatan makan sekali pakai,
model plastik, kotak CD dan DVD, dan rumah-rumahan detektor asap. Produk yang
terbuat dari busa polystyrene hampir di mana-mana, misalnya bahan pembungkus, isolasi,
dan cangkir busa.
Polystyrene dapat didaur ulang, dan memiliki nomor "6" sebagai simbol daur
ulangnya. Peningkatan harga minyak telah meningkatkan nilai polistiren untuk didaur
ulang. Namun tidak ada mikroorganisme yang diketahui untuk menguraikan polistiren, dan
sering ditemui berlimpah dimana hal ini merupakan bentuk pencemaran lingkungan,
terutama di sepanjang pantai dan saluran air yang banyak dijumpai dalam bentuk sel
berdensitas rendah.
Gambar : Nomor Recycle Polistirena
2.2. Sejarah Polistirena
Polistirena pertama kali diperkenalkan oleh Ostromislensky dari Naugatuck
Chemical Company pada tahun 1925. Pada saat yang hampir bersamaan I.C.
Farbenindustrie juga mengembangkan polistirena yang berhasil dikomersialkan di Eropa.
Pengembangan produk dan proses polistirena juga dikembangkan oleh Dow Chemical
Company dan pertama kali dikomersialkan di Amerika Serikat pada tahun 1944.
10
Produk polistirena yang pertama kali diproduksi untuk dikomersialkan adalah
homopolimer stirena yang juga dikenal sebagai polistirena kristal. Polistirena kristal ini
juga dikenal sebagai General Purpose Polystyrene (GPP), yang lebih tahan panas daripada
produk polimer thermoplastik lainnya. Perkembangan lebih lanjut dari polistirena ini
adalah Expandable Polystyrene (EP). Produk polistirena lain yang tak kalah pentingnya
adalah polistirena dengan modifikasi karet atau High Impact Polystyrene (HIP). Produk
HIP ini bersifat tidak tembus cahaya, lebih keras dan lebih mudah dalam pembuatannya
dibandingkan dengan produk polimer thermoplastik lainnya.
Kegunaan dari HIP ini cukup luas, antara lain untuk isolasi atau bahan pelapis pada
kawat/kabel, peralatan rumah tangga dari plastik, botol, furniture, mainan anak-anak,
bagian dari refrigerasi, radio, televisi, AC, bahan pembuat kontainer, tempat baterai dan
sebagainya.
Polystyrene juga dikenal sebagai Thermocole, disingkat mengikuti Standar ISO PS,
merupakan polimer aromatik yang terbuat dari styrene monomer, hidrokarbon cair yang
diproduksi dari minyak bumi oleh industri kimia. Polystyrene merupakan salah satu plastik
yang paling banyak digunakan dengan skala beberapa miliar kilogram per tahun.
Gambar 1. Kotak CD dari High Impact Polistirene
Polystyrene ditemukan pada tahun 1839 oleh Eduard Simon, seorang ahli obat dari
Berlin. Dari storax, resin dari pohon sweetgum Turki Liquidambar orientalis, disuling zat
berminyak, dimana didapatkan suatu monomer yang diberi nama Styrol. Beberapa hari
kemudian, Simon menemukan monomer Styrol menebal, kemungkinan dari oksidasi
menjadi jelly lalu dia menamainya styrol oksida ("Styroloxyd"). Pada 1845 kimiawan
Inggris John Blyth dan kimiawan Jerman Wilhelm von Hofmann Agustus menunjukkan
11
bahwa transformasi sama dari Styrol terjadi tanpa adanya oksigen. Mereka menyebutnya
metastyrol. Analisa selanjutnya menunjukkan bahwa senyawa tersebut secara kimiawi
identik dengan Styroloxyd. Pada 1866 Marcelin Berthelot mengidentifikasi dengan benar
pembentukan metastyrol dari Styrol sebagai suatu proses polimerisasi. Sekitar 80 tahun
berlalu sebelum disadari bahwa pemanasan dari Styrol memulai reaksi berantai yang
menghasilkan makromolekul, mengikuti tesis kimiawan organik Jerman Hermann
Staudinger(1881-1965). Pada akhirnya menyebabkan substansi ini menerima nama yang
sekarang yaitu polistiren.
Perusahaan IG Farben mulai membuat polistiren di Ludwigshafen, Jerman, sekitar
1931, dimana mereka berharap itu akan menjadi pengganti yang cocok untuk seng die-cast
di banyak aplikasi. Sukses dicapai ketika mereka mengembangkan bejana reaktor yang
mengekstruksi polistiren melalui tube yang dipanaskan dan pemotong, dimaan hal ini
memproduksi polistiren dalam bentuk pelet.
Sebelum tahun 1949, insinyur kimia Fritz Stastny (1908-1985) mengembangkan
manik-manik pra-expanded PS dengan jalan menggabungkan hidrokarbon alifatik, seperti
pentana. Manik-manik ini merupakan bahan baku untuk bagian cetakan atau lembaran
ekstruksi. BASF dan Stastny mengajukan permohonan paten yang dikeluarkan pada tahun
1949. Proses pencetakan telah didemonstrasikan di Kunststoff Messe 1952 di Düsseldorf.
Dimana produknya diberi nama Styropor.
Struktur kristal dari polistiren isotaktik dilaporkan oleh Giulio Natta. Pada tahun
1959, Perusahaan Koppers di Pittsburgh, Pennsylvania mengembangkan busa ekspanded
polistiren.
2.3. Struktur dan Sifat Polistirena
Dalam istilah kimia, polistirene adalah hidrokarbon rantai panjang dimana pusat
karbon alternatif melekat pada grup fenil (nama ini diberikan pada cincin aromatik
benzena. Rumus kimia Polystyrene adalah (C8H8)n; Mengandung unsur kimia karbon dan
hidrogen.
Stirena tergolong senyawa aromatik. Polistirena berbentuk padatan murni yang tidak
berwarna, bersifat ringan, keras, tahan panas, agak kaku, tidak mudah patah dan tidak
beracun, memiliki kestabilan dimensi yang tinggi dan shrinkage yang rendah, tahan
terhadap air/bahan kimia non-organik/alkohol, dan sangat mudah terbakar.
12
Sifat bahan ditentukan oleh jarak pendek ikatan van der Waals antar rantai polimer.
Karena molekul rantai hidrokarbon panjang yang terdiri dari ribuan atom, gaya tarik
menarik total antar molekul akan membesar. Ketika dipanaskan (atau terurai pada
kecepatan tinggi, dikarenakan kombinasi dari sifat viskoelastik dan insulasi termal), rantai
dapat mengambil tingkat konformasi yang lebih tinggi dan bergeser melewati satu sama
lain. Kelemahan intermolekul ini (versus kekuatan intramolekul tinggi dikarenakan ikatan
punggung hidrokarbon) akan membuat polistirene fleksible dan elastis. Kemampuan sistem
untuk dengan mudah terurai di atas temperatur transisi kaca memungkinkan polystyrene
(dan polimer termoplastik pada umumnya) untuk melunak dan dibentuk saat pemanasan.
2.4. Polimerisasi Polistyrene
Polystyrene dihasilkan ketika monomer stirena berinterkoneksi. Dalam polimerisasi,
satu karbon-karbon ikatan ganda (dalam kelompok vinil) diganti dengan ikatan karbon-
karbon tunggal lebih kuat, maka sangat sulit untuk terjadi proses depolimerisasi. Sekitar
beberapa ribu monomer biasanya terdapat dalam rantai polistiren, dimana hal ini
memberikan berat molekul 100,000-400,000.
Sebuah model 3-D akan menunjukkan bahwa masing-masing karbon kiral tulang
punggung terletak di pusat sebuah tetrahedron, dengan 4 obligasi mengarah ke simpul.
Mari kita pertimbangkan bahwa ikatan –C–C– obligasi diputar sehingga rantai tulang
punggung terletak sepenuhnya di bidang diagram. Dari skema datar di bawah, tidak jelas
mana dari kelompok fenil yang miring ke arah observer dari bidang diagram, dan mana
yang miring keluar. Jenis isomer dimana semuanya di sisi yang sama disebut polistiren
isotaktik, dimana tidak diproduksi secara komersial.
2.5. Ataktik polistiren
Satu-satunya bentuk komersial yang penting dari polistiren adalah ataktik, dimana
memiliki arti bahwa kelompok fenil secara acak didistribusikan di kedua sisi rantai
13
polimer. Posisi acak ini mencegah rantai dari proses penyelarasan yang cocok dengan
keteraturan yang cukup untuk mencapai tingkat kristalinitas. Plastik memiliki suhu transisi
gelas Tg dari ~90oC. Polimerisasi dimulai dengan radikal bebas.
2.6. Polistirene isotaktik dan sindiotaktik
Polimerisasi Ziegler-Natta dapat menghasilkan polistiren sindiotaktik teratur dengan
kelompok fenil yang diposisikan pada sisi alternatif dari rantai utama hidrokarbon. Bentuk
ini memiliki tingkat kristal yang tinggi dengan Tm dari 270°C (518°F). Bahan ini tidak
diproduksi secara komersial karena polimerisasi berjalan lambat.
2.7. Macam-macam Proses Produksi Polystyrene
Secara umum, High Impact Polystyrene dapat diproduksi dengan tiga macam proses,
yaitu :
1) Polimerisasi bulk (larutan)
Dalam industri umumnya, polimerisasi bulk (larutan) disebut polimerisasi
massa. Sebagian besar polistirena yang diproduksi sekarang ini menggunakan proses
14
ini. Pada proses ini menggunakan sejumlah solvent yang biasanya adalah monomer
stirena itu sendiri dan Etil Benzena. Ada 2 jenis polimerisasi bulk, yaitu :
a) Polimerisasi bulk batch
Beberapa produsen polistirena masih menggunakan proses ini, dimana
proses ini terdiri dari unit polimerisasi yang didalamnya terdapat tangki
polimerisasi berpengaduk dengan konversi di atas 80%. Larutan polimer kemudian
dipompa ke bagian finishing untuk devolatilisasi ataupun proses polimerisasi akhir
dan grinding.
b) Polimerisasi bulk continuous
Proses ini merupakan proses pembuatan polistirena yang paling banyak
digunakan. Ada beberapa jenis desain dimana beberapa diantaranya sudah
mendapatkan lisensi. Secara umum proses ini terdiri dari satu atau lebih reaktor
tangki berpengaduk (CSTR). CSTR ini biasanya diikuti oleh satu atau lebih reaktor
yang didesain untuk menangani larutan yang kental (viskositas tinggi). Reaktor ini
didesain untuk memindahkan panas baik secara langsung melalui koil maupun
pendingin uap. Dengan menggunakan proses ini, konversi monomer stirena
menjadi polistirena dapat mencapai lebih dari 85% berat.
Polimerisasi diikuti terjadinya devolatilisasi yang terus menerus.
Devolatilisasi ini dapat terjadi melalui preheating dan vacuum flash chambers,
devoitizing extruders atau peralatan yang sesuai. Tingkat volatilitas dari 500 ppm
stirena atau kurang dapat tercapai dengan peralatan khusus, meskipun polistirena
yang umum dikomersialkan mempunyai tingkat volatilitas sekitar 2000 ppm
stirena.
2) Polimerisasi Suspensi
Polimerisasi suspensi adalah sistem batch yang sangat popular untuk tahapan
khusus pembuatan polistirena. Proses ini dapat digunakan untuk memproduksi kristal
maupun HIP. Untuk memperoduksi HIP, stirena dan larutan karet diolah dengan bulk
polymerized melalui fase inverse. Kemudian disuspensikan ke dalam air untuk
mendapatkan suspense air dan minyak dengan menggunakan sabun atau zat
pesuspensi. Kemudian butiran suspense ini dipolimerisasi lagi sampai selesai dengan
menggunakan inisiator dan pemanasan bertahap. Fase air digunakan sebagai heat sink
dan media perpindahan panas terhadap jaket yang dikontrol suhunya.
15
3) Polimerisasi Emulsi
Polimerisasi emulsi biasanya digunakan pada proses kopolimerisasi stirena
dengan monomer atau polimer lain. Proses ini merupakan metode komersial yang
jarang digunakan untuk memproduksi polistirena kristal atau HIP. Proses ini
mempunyai persamaan dengan proses polimerisasi suspense kecuali bahwa butiran
monomer yang digunakan dalam polimerisasi emulsi ini dalam ukuran mikroskopis.
Air digunakan sebagai carrier dengan agen pengemulsi untuk memberikan partikel
yang sangat kecil dan aktalis untuk mempercepat kecepatan reaksi.
2.8. Dasar Reaksi Polimerisasi High Impact Polystyrene
High Impact Polystyrene terbentuk dengan suatu reaksi polimerisasi adisi terhadap
molekul stirena sebagai monomer dengan melibatkan partikel cis 1-4 polibutadiena,
melalui suatu mekanisme yang disebut grafting. Grafting adalah mekanisme dimana rantai
polistirena terikat secara kimia terhadap rangka polibutadiena.
Polimer yang dihasilkan berwujud padatan yang berwarna putih dan bersifat
thermoplastik.
Reaksi :
2.9. Sifat-sifat Bahan Baku, Bahan Pembantu dan Produk
I) Stirena
Bentuk : Cair
Warna : Jernih
16
Impuritas : Minimal 0,4% Ethyl Benzene
Kemurnian : Minimal 99,6%
Densitas (30oC) : 0,906 gr/cm3
Rumus molekul : NC6H5CH7CH2
Berat molekul : 104,14 g/mol
Titik didih (1 atm) : 145,2 oC
Titik lebur (1 atm) : -30,6oC
Temperatur kritis : 369,0oC
Tekanan kritis : 37,6 atm
Volume kritis : 3,55 cm3/gr
Viskositas : 0,762 cP
Kelarutan dalam 100 bagian di : - Air : Sangat sedikit (<1%)
- Alkohol : -
- Eter : -
II) Etil Benzena
Formula Molekul : C8H10
Bentuk : Cair
Warna : Jernih
Berat Molekul : 106,17 g/mol
Kemurnian : Minimal 98%
Impuritas : Maksimal 2% benzene
Titik Lebur : -95oC
Titik Didih : 136oC
Kelarutan dalam air : 0,015 g/100ml (20oC)
Viskositas : 0,069 cP(20oC)
Densitas (30oC) : 0,867 gr/cm3
III) Cis 1-4 Polibutadiena
Bentuk : Padat
Warna : Putih
17
Kemurnian : Minimal 80%
Impuritas : Maksimal 7% benzene
Densitas : 890 Kg/m3
Titik Lebur : 80oC
Titik Didih : 148oC
Titik Nyala : 260oC
IV) Benzoil Peroksida
Formula Molekul : (C6H5CO)2 O2 atau C14H10O4
Bentuk : Padat
Warna : Tidak Berwarna
Kemurnian : Minimal 10%
Berat Molekul : 242,23 g/mol
Densitas : 1344 Kg/m3
Tingkat Kelarutan : Rendah
Titik lebur : 103-105oC
V) High Impact Polystyrene
Bentuk : Padat
Warna : Putih
Kemurnian : Minimal 98%
Impuritas : Maksimal 2% zat volatile
Berat molekul : 100.000- 200.000 gram/mol
Indeks refraksi : 1,58
Densitas : 1050 Kg/m3
Spesific gravity : 1,05
Tensile strength : 3.500 psi
Elongation, % : 55
Modulus elasticity : 300.000 psi
Compressive strength : 6.900 psi
2.10. Deskripsi Proses
Kelebihan dan kekurangan berbagai proses produksi High Impact Polystyrene yaitu:
18
Jenis Polimerisasi Kelebihan Kekurangan
1. Polimerisasi Bulk
- Bulk Batch
Prosesnya Mudah Sangat Eksotermis
Kemurnian Produk tinggi waktu pengerjaan lama
alat-alat sederhana
- Bulk Continuous produk yang dihasilkan lebih
seragam
membutuhkan pengadukan dan
alat recycle
kemurnian produk tinggi
pengontrolan suhu lebih mudah
2. Polimerisasi Suspensi Tidak ada kesulitan
dengan panas polimerisasi
dimungkinkan adanya
kontaminasi dari air dengan
agen penstabil
Ketel untuk proses
polimerisasi sederhana
volatilitas dapat dikurangi
sampai pada tingkat yang
rendah dengan pemilihan
katalis dan suhu yang tepat
3. Polimerisasi Emulsi Prosesnya cepat dan
tidak ada kesulitan dengan
panas polimerisasi
Sangat Eksotermis
beberapa proses polimerisasi
yang tidak mungkin dilakukan
dengan teknik lain tapi dengan
mudah dilakukan dengan
proses ini
berat molekul polimer tinggi
untuk proses pembentukan
yang cepat dengan
menggunakan injeksi.
dapat diterapkan untuk
polimerisasi secara kontinyu
Berdasarkan hasil pengamatan kelebihan dan kekurangan proses pembuatan
Polystyrene diatas, maka pada pra rancangan pembuatan Polystyrene ini digunakan proses
bulk continuous.
19
Proses pembuatan Polystyrene secara berkelanjutan dilakukan dengan beberapa
tahap proses, yaitu :
1. Tahap penyiapan bahan baku
2. Tahap reaksi
3. Tahap akhir
1. Tahap penyiapan bahan baku
a. Stirena
Stirena monomer sebagai bahan baku utama disimpan dalam bentuk cair dalam
tangki penyimpan (T-01) pada suhu 30oC dan tekanan 1 atm, dialirkan ke dalam
mixer 1 (M-01) untuk dicampur dengan arus recycle dengan menggunakan pompa
sentrifugal P-01 dan selanjutnya dialirkan ke mixer 2 (M-02) yang sebelumnya
dipanaskan terlebih dahulu oleh pemanas HE-01.
b. Etil Benzena
Etil Benzena sebagai pelarut disimpan dalam bentuk cair dalam tangki penyimpan
(T-02) pada suhu 30oC dan tekanan 1 atm, dialirkan ke mixer 1(M-01) dengan
menggunakan pompa sentrifugal P-02 dan selanjutnya bersama stirena dan arus
recycle dialirkan ke mixer 2 (M-02) yang sebelumnya dipanaskan terlebih dahulu
oleh pemanas HE-01.
c. Cis 1-4 polibutadiena
Cis 1-4 polibutadiena yang disimpan dalam bentuk padat dalam gudang (G-01) pada
suhu 30oC dan 1 atm, diangkut dengan menggunakan bucket elevator BE-01 menuju
Hammer mill HM-01 untuk direduksi ukurannya dari 2,5 cm menjadi 10 μm,
kemudian polibutadiena yang tidak memenuhi syarat dan yang melebihi ukuran
dipisahkan di screner SC-01. Polibutadiena yang memenuhi syarat dikirim ke mixer
2 (M-02) dengan menggunakan belt conveyor BC-01, sedangkan yang melebihi
ukuran akan menjadi limbah atau di recycle kembali.
Di mixer 2 (M-02) yang dilengkapi dengan pengaduk, polibutadiena dicampur
dengan bahan baku lainnya. Supaya polibutadiena terlarut sempurna, maka mixer 2
(M-02) dioperasikan pada suhu 105oC dan tekanan 1 atm dengan waktu tinggal 4,5
jam.
2. Tahap Reaksi
20
Campuran stirena monomer, Etil Benzena, dan Polibutadiena akan melalui 4 tahap
reaktor dimana terdiri dari 3 Plug Flow Reaktor berpengaduk dan 1 reaktor CSTR.
Ketiga campuran feed ini pertama-tama dimasukkan ke dalam reaktor (R-01) yang
berupa reaktor Plug Flow berpengaduk dan memiliki bed inisiator berupa Benzoil
Peroksida dengan orientasi vertikal. Reaksi yang terjadi adalah reaksi eksotermis
sehingga diperlukan pendingin dengan menggunakan jaket pendingin. Sebagai
pendingin digunakan air yang masuk pada suhu 30oC. Kondisi operasi dalam reaktor
dipertahankan pada suhu 137oC dan tekanan 1 atm. Konversi dari reaktor pertama masih
kecil sehingga diperlukan penambahan 3 reaktor dimana ini merupakan konfigurasi
reaktor terbaik yang didapatkan dari US Patent No 7.488.774 B2 tahun 2009. Keluaran
downstream dari reaktor pertama di masukan ke dalam reaktor ke 2 (R-02) yang berupa
reaktor CSTR dengan orientasi vertikal. Keluaran dari reaktor ke 2 dimasukan ke dalam
reaktor ke 3 (R-03) yang berupa reaktor Plug Flow berpengaduk yang di pasang dengan
orientasi horisontal dimana terdapat dua hasil keluaran. Hasil keluaran pertama di
upstream direcycle menuju reaktor ke 2 (R-02) yang berupa vapor merupakan senyawa-
senyawa reaktan yang belum bereaksi sedangkan pada downstream yang merupakan
senyawa HIPS dan senyawa reaktan yang belum bereaksi dalam bentuk liquid akan di
polimerisasikan lagi di reaktor ke 4 (R-04). Dimana reaktor ke 4 ini berupa Plug Flow
reaktor berpengaduk dengan orientasi horisontal yang akan menghasilkan 2 aliran yaitu
upstream dan downstream. Aliran upstream berupa senyawa-senyawa reaktan volatil
yang akan di recycle kembali sedangkan downstream yang berupa HIPS akan memasuki
tahap akhir
3. Tahap Akhir
Produk yang keluar dari reaktor berbentuk slurry dengan menggunakan pompa
sentrifugal P-08 dialirkan ke devolatilizer (KD–01) yang dioperasikan pada suhu 150oC
dan tekanan vacuum 0,5 atm untuk memisahkan sisa pereaktan dengan produk High
Impact Polystyrene berdasarkan titik didihnya. Sisa pereaktan yang berupa Stirena
monomer, . Etil Benzena dikondensasikan di kondensor (C-01) dan hasil kondensasi
direcycle kembali sebagai bahan baku.
Produk High Impact Polystyrene yang telah terpisah dari sisa pereaktan dengan
suhu 150oC didinginkan terlebih dahulu di cooler (C-02) sampai suhu 30oC. Kemudian
dimasukkan ke Rotary Dryer (RD-01) untuk dikeringkan dengan efisiensi 72%.
21
Selanjutnya dalam pellet mill (PM-01) strand dipotong menjadi bentuk pellet, kemudian
Polistirene akan di teruskan ke screner (SC-02) untuk mendapatkan keseragaman
ukuran dan selanjutnya Polistirene akan dimasukkan ke dalam unit pengantongan pada
gudang (G–02).
(US PATENT 7.488.774 B2, 2009)
22
2.11. Flowsheet Proses Produksi Polistirene
23
BAB III
PENUTUP
3.1. Kesimpulan
1. Polistirena merupakan senyawa polimer yang memiliki banyak aplikasi dalam
kehidupan sehari-hari manusia.
2. Terdapat 3 metoda polimerisasi pembuatan polistirena yang umum digunakan
dengan berbagai kelebihan dan kekurangan masing-masing
3. Sebelum digunakan bahan baku pembuatan polistirena metode bulk continous harus
melalui berbagai proses pre treating terlebih dahulu.
3.2. Saran
1. Pada pembuangan limbah produk-produk bersenyawa polistirene sebaiknya
dilakukan secara hati-hati hal ini dikarenakan sulitnya degradasi/penguraian senyawa
polistirena.
2. Untuk meningkatkan yield produk polimer polistirene sebaiknya dilakukan berbagai
penyesuaian agar didapatkan efisiensi yang maksimal tanpa membuang-buang energi
yang terbatas
24
DAFTAR PUSTAKA
Berti Et al. 2009. Reactor System For The Production Of High Impact Polystyrene.
US PATENT 7.488.774 B2.
Mark, James E. 2007. Physical Properties Of Polymers Handbook 2nd edition. Ohio:
Springer Science
Saptono, Rahmat.2008. Pengetahuan Bahan Polimer 2008. Fakultas Teknik
Universitas Indonesia : Departemen Metalurgi dan Material
http://en.wikipedia.org/wiki/Polystyrene
http://en.wikipedia.org/wiki/Polymer
http://id.wikipedia.org/wiki/Polimer
http://www.curbellplastics.com/sign-pop/high-impact-polystyrene.html
http://www.edplastics.co.uk/High%20Impact%20Polystyrene%20(HIPS).htm
http://www.blackwellplastics.com/HIPS.html
http://id.wikipedia.org/wiki/Polistirena
http://ahmadhafizullahritonga.blog.usu.ac.id/2011/02/16/polistirena/
http://all4chemistry.blogspot.com/2010/06/polistirena.html
http://www.psrc.usm.edu/
http://pslc.ws/
http://www.usm.edu/
http://en.wikipedia.org/wiki/Benzoyl_peroxide
http://en.wikipedia.org/wiki/Ethylbenzene
http://www.styrene.org/index.html
http://en.wikipedia.org/wiki/Polybutadiene
http://en.wikipedia.org/wiki/Styrene
25