THERMOGRAVIMETRIC STUDY OF DECOMPOSITION KINETICS OF UNSATURATED POLYESTER WITH KAOLIN AND SAWDUST AS FILLER Muhammad Sholeh, Sugihartono, Supraptiningsih
THERMOGRAVIMETRIC STUDY OF DECOMPOSITION KINETICS OF
UNSATURATED POLYESTER WITH KAOLIN AND SAWDUST AS FILLER
Muhammad Sholeh*, Sugihartono, Supraptiningsih
1 Balai Besar Kulit, Karet dan Plastik, Jl. Sokonandi No. 9 Yogyakarta 55166,
Indonesia
- Penulis korespondensi. Telp.: +62 274 512929, 563939, Fax.: + 62 274 563655 e-mail: muhammad-sholeh@kemenperin.go.id
ABSTRACT
Thermogravimetric studies have been conducted on unsaturated polyester with
kaolin and sawdust as filler to get a decomposition reaction kinetics based on first
order kinetics model. Samples were made with formulation of polyester resin 100
phr, filler (sawdust or kaolin) 10 phr and catalyst 6 mL. Samples were tested by
thermogravimetric analyzer. The results showed that degradation of the polyester
occurs in three stages. The char oxidation stage can’t fitted by first order reaction.
Keywords: unsaturated polyester, kaolin, sawdust, thermogravim
STUDI TERMOGRAVIMETRI KINETIKA DEKOMPOSISI POLIESTER
TIDAK JENUH DENGAN BAHAN PENGISI KAOLIN DAN SERBUK GERGAJI
Muhammad Sholeh*, Sugihartono, Supraptiningsih
1 Balai Besar Kulit, Karet dan Plastik, Jl. Sokonandi No. 9 Yogyakarta 55166,
Indonesia
- Penulis korespondensi. Telp.: +62 274 512929, 563939, Fax.: + 62 274 563655 e-mail: muhammad-sholeh@kemenperin.go.id
ABSTRAK
Telah dilakukan studi termogravimetri terhadap poliester tidak jenuh dengan bahan pengisi kaolin dan serbuk gergaji untuk mendapatkan kinetika reaksi dekomposisi berdasarkan model kinetika reaksi order satu. Sampel dibuat dengan formulasi poliester resin 100 phr, filler (serbuk gergaji atau kaolin) 10 phr dan katalis 6 mL. Sampel selanjutnya diuji dengan thermogravimetric analyzer. Hasil yang diperoleh yaitu degradasi poliester terjadi dalam tiga tahapan. Tahap oksidasi arang tidak tepat didekati dengan reaksi order 1.
Kata kunci: poliester tidak jenuh, kaolin, serbuk gergaji, termogravimetri
PENDAHULUAN
Poliester tidak jenuh banyak digunakan dalam berbagai produk, antara lain bagian pesawat, kapal, gedung, aksesoris kendaraan bermotor dan lain-lain (Nadilah
et al., 2003; Kandare et al., 2008). Bahan ini memiliki sifat mekanis dan kimia yang
baik serta harganya relatif murah. Poliester tidak jenuh dibuat dengan mereaksikan asam dikarboksilat jenuh dan tidak jenuh dengan glikol dilanjutkan curing dengan stirena (Vargas et al., 2015).
Bahan pengisi dapat ditambahkan ke dalam polimer untuk memberikan sifat-sifat tertentu yang diinginkan atau untuk mengurangi harga produk. Yuniari (2007) telah melakukan kajian komposit plastik daur ulang dengan bahan pengisi serbuk kayu. Nurhajati et al. (2003) menyatakan bahwa komposit sampah plastik fleksibel dan serbuk gergaji dapat digunakan sebagai penutup lantai. Dholakiya et al. (2005) meneliti penggunaan kaolin sebagai bahan pengisi poliester tidak jenuh. Mereka mendapatkan hasil bahwa sifat mekanis dan elektris komposit yang dihasilkan dipengaruhi oleh perlakuan permukaan dan konsentrasi bahan pengisi. Ahmed et al. (2013) menyatakan bahwa poliester tidak jenuh dengan bahan pengisi kaolin memiliki sifat mekanis dan elektris yang baik untuk dipakai sebagai bahan isolator.
Informasi stabilitas termal bahan polimer diperlukan untuk mengetahui rentang suhu bahan tersebut dapat dipakai tanpa mengalami degradasi. Analisis termogravimetri menjadi salah satu analisis termal yang utama digunakan dalam mengkarakterisasi bahan polimer (Ferreira et al., 2006). Analisis termal poliester tidak jenuh dengan bahan pengisi kaolin dan serbuk gergaji belum ada di literatur. Untuk itu pada penelitian ini dilakukan studi termogravimetri komposit tersebut dan mendapatkan kinetika reaksi berdasarkan model kinetika reaksi order satu (Zhou et
al., 2006).
BAHAN DAN METODE Bahan Penelitian
Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah poliester resin (tidak jenuh), limbah industri penggergajian berupa serbuk kayu jati (saw dust), kaolin, dan katalis. Poliester resin, kaolin, dan katalis diperoleh dari salah satu toko bahan kimia di Yogyakarta, sedangkan serbuk kayu jati (saw dust) diperoleh dari industri mebel di yogyakarta.
Peralatan Penelitian
Peralatan yang digunakan pada penelitian ini terdiri atas timbangan digital merek Mettler Toledo AB 204-S, oven merek Memmert U 30 780682, gelas ukur, gelas plastik, cetakan, saringan ukuran 200 mesh, pengaduk, amplas, sarung tangan, dan Thermogravimetric Analyzer merek Perkin Elmer Tipe Diamond.
Metode Penelitian
Serbuk kayu jati (saw dust) dan kaolin masing-masing diayak dengan menggunakan saringan yang berukuran 200 mesh. Serbuk kayu yang lolos saringan kemudian dikeringkan dalam oven hingga kadar air 10 -12%. Serbuk kayu yang telah dikeringkan dan kaolin yang lolos saringan digunakan sebagai bahan pengisi poliester.
Formula pembuatan sampel sebagai berikut: poliester resin 100 phr, filler (serbuk gergaji atau kaolin)10 phr dan katalis 6 mL. Ditimbang poliester resin, serbuk kayu dan kaolin masing-masing sesuai formula. Kemudian poliester resin dituangkan kedalam gelas plastik, selanjutnya ditambah filler (serbuk gergaji atau kaolin) sedikit demi sedikit sambil diaduk sampai tercampur merata. Setelah poliester resin dan filler tercampur, ditambahkan katalis dan diaduk lagi hingga katalis tercampur merata. Segera setelah katalis tercampur merata, adonan dituang kedalam cetakan dan didiamkan selama 24 jam. Sampel selanjutya diuji dengan thermogravimetric analyzer. Analisis termogravimetri (TG) dilakukan pada kecepatan pemanasan 5°C/menit dalam aliran udara 200 mL/menit.
HASIL DAN PEMBAHASAN Kurva termogravimetri dari komposit poliester tidak jenuh terlihat pada Gambar 1. o
Dekomposisi termal dimulai pada suhu ~170 C dengan kecepatan hilangnya massa
o
tertinggi antara 250-350
C. Kandungan kaolin dan serbuk gergaji sedikit menurunkan ketahanan poliester terhadap suhu. Hal ini ditunjukkan dengan bergesernya degradasi ke suhu yang lebih rendah. Residu dekomposisi termal poliester dan poliester-serbuk gergaji diperoleh sebesar 4% sedangkan untuk poliester-kaolin sebesar 8%. Residu poliester-kaolin lebih besar dari yang lain karena kaolin merupakan senyawa anorganik yang mengandung lebih sedikit bahan volatil.
Kurva termogravimetri diferensial pada Gambar 2 memperlihatkan bahwa degradasi tidak terjadi dalam satu tahapan. Hal ini sesuai dengan penemuan Kandare et al. (2008) dan Tibiletti et al. (2011), yaitu degradasi terjadi dalam tiga tahapan. Tahap pertama yaitu hilangnya air melalui dehidrasi, tahap kedua yaitu rusaknya rantai polistirena dan poliester membentuk arang, dan tahap ketiga yaitu oksidasi arang (Kandare et al., 2008). Persentase hilangnya massa pada berbagai tahapan terlihat pada Tabel 1.
Gambar 1. Grafik penurunan massa terhadap suhu dari poliester (P0), poliester-
kaolin (PK), poliester-serbuk gergaji (PS).
Gambar 2. Grafik massa derivatif terhadap suhu dari poliester (P0), poliester-kaolin
(PK), poliester-serbukI II
96 A adalah pre-exponential factor, E adalah energi aktivasi, T adalah temperature, t adalah waktu, x adalah konversi reaksi yang dihitung dengan persamaan berikut: f t W W W W x
88
10
III 120-240 240-420 420-500
I II
92 Poliester-serbuk gergaji
84
11
III 130-260 260-425 425-500
96 Poliester-kaolin
Kinetika reaksi didekati dengan reaksi order satu sebagai berikut (Zhou et al., 2006):
87
7
III 170-230 230-430 430-510
I II
C) Hilangnya massa (%) Poliester
Sampel Tahap Rentang suhu ( o
(1)
Tabel 1. Prosentase hilangnya massa pada tiap tahapan degradasi
Aexp 1 RT E dt dx
x
(2)
W adalah massa awal sampel, W t adalah massa pada waktu t atau T and W f adalah
massa di akhir reaksi. Pada kecepatan pemanasan (H) konstan, persamaan (1)
dapat dimanipulasi menghasilkan persamaan berikut (Zhou et al., 2006):- ln(1 x) AR
2RT E ln ln
1 (3)
2 HE E RT T
Asumsi reaksi order 1 berlaku bila sisi kiri diplotkan dengan 1/T menghasilkan garis
lurus. Dari slope- –E/R, nilai energi aktivasi (E) dapat diperoleh. Nilai A dapat
diperoleh dengan memasukkan nilai temperatur saat W t =(W +W f ) /2 pada intersep
persamaan (3).
Hasil regresi linier pada Gambar 3 menunjukkan bahwa degradasi tahap pertama
dan kedua dapat digambarkan dengan persamaan (3), namun tahap ketiga yaitu
oksidasi arang tidak tepat didekati dengan reaksi order 1. Hal ini terlihat dari
2
rendahnya nilai R yang diperoleh yaitu sebesar 0,0587 dan 0,5293 untuk sampel
poliester dan poliester-kaolin. Nilai E dan A terangkum pada Tabel 2. Degradasi
sampel poliester pada tahap I dan poliester-serbuk gergaji pada tahap III tidak diperoleh nilai pre-exponential factor yang mempunyai arti secara fisis karena
nilainya negatif.
(a)
(b) (c)
Gambar 3. Grafik regresi linier model matematis dari poliester (a), poliester-kaolin
(b), poliester-serbuk gergaji (c).
Tabel 2. Parameter kinetika degradasi poliester dan campurannya dengan kaolin
serta serbuk gergaji.Sampel Tahap Rentang E A o -1 suhu (
C) (kJ/mol) (menit ) I 170-230 7,43
- Poliester
8 II 230-430 89,56 2,56.10
III 430-510
- -- 1
Poliester-kaolin I 130-260 14,17 2,38.10
6 II 260-425 79,86 1,06.10
III 425-500
- -- 1
Poliester-serbuk I 120-240 9,61 1,59.10
5 gergaji
II 240-420 79,40 5,62.10
- III 420-500 6,37
KESIMPULAN
Kandungan kaolin dan serbuk gergaji sedikit menurunkan ketahanan poliester terhadap suhu. Hal ini ditunjukkan dengan bergesernya degradasi ke suhu yang lebih rendah. Residu poliester-kaolin lebih besar dari yang lain karena kaolin merupakan senyawa anorganik yang mengandung lebih sedikit bahan volatil. Degradasi poliester terjadi dalam tiga tahapan yaitu hilangnya air melalui dehidrasi, rusaknya rantai polistirena dan poliester membentuk arang, dan oksidasi arang. Tahap oksidasi arang tidak tepat didekati dengan reaksi order 1.
UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis menyampaikan ucapan terima kasih kepada Kepala Balai Besar Kulit, Karet dan Plastik atas fasilitas penelitian yang diberikan, serta kepada seluruh Tim Pokja Penelitian 1866.001.001.013 Tahun 2014 atas bantuannya sehingga penelitian ini dapat terselesaikan.
DAFTAR PUSTAKA
Ahmed, N. M., Tawfik, M. E., & Ward, A. A. 2013. Characterization of a polymer composite from treated kaolin and unsaturated polyester based on PET waste. Polymer Composites, 34(8), 1223-1234.
Dholakiya, B. Z., Patel, J. V., & Patel, K. D. 2005. Kaolin filled unsaturated polyester resin based electrical laminates. Chemical engineering world, 40(7), 80-85. Ferreira, J. M., Errajhib, O. A. Z., & Richardson, M. O. W., 2006. Thermogravimetric analysis of aluminised E-glass fibre reinforced unsaturated polyester composites. Polymer Testing, 25, 1091 –1094. Kandare, E., Kandola, B. K., Price, D., Nazare, S., & Horrocks, R. A. 2008. Study of the thermal decomposition of flame-retarded unsaturated polyester resins by thermogravimetric analysis and Py-GC/MS. Polymer Degradation and Stability, 93(11), 1996-2006. Nadilah, S., Winursito, I., Wahyuni, S., Budiasih, S., & Purwanti, C. M. H., 2003.
Poliester tak jenuh sebagai bahan baku pembuatan helm pengaman.
Majalah Kulit, Karet, dan Plastik, 19(1), 25-31.
Nurhajati, D. W., Yuniari, A., Herminiwati, H., Lestari, S. B. P., 2003. Komposit dari sampah plastik fleksibel dan serbuk gergaji, Majalah Kulit, Karet, dan Plastik, 19(1), 7-12. Tibiletti, L., Longuet, C., Ferry, L., Coutelen, P., Mas, A., Robin, J. J., & Lopez-
Cuesta, J. M. 2011. Thermal degradation and fire behaviour of unsaturated polyesters filled with metallic oxides. Polymer Degradation and Stability, 96(1), 67-75. Vargas, M. A., Vázquez, H., & Guthausen, G. 2015. Non-isothermal curing kinetics and physical properties of MMT-reinforced unsaturated polyester (UP) resins.
Thermochimica Acta, 611, 10-19.
Yuniari, A. 2007. Kajian komposit plastik daur ulang dengan serbuk kayu untuk bahan bangunan, Majalah Kulit, Karet, dan Plastik, 23(1), 41-46. Zhou, L., Wang, Y., Huang, Q., & Cai, J. 2006. Thermogravimetric characteristics and kinetic of plastic and biomass blends co-pyrolysis. Fuel Processing
Technology, 87(11), 963-969.