BOILING POINT
5. Polymerisasi Emulsi
4.2 Resin selulosik .1 Pendahuluan
Polimer selulosa adalah turunan kondensasi dari carbohydrate β-glucose, alkohol polihidroksi enam karbon yang rantai panjangnya dibentuk dengan hilangnya H dan OH pada posisi 1- dan 4-. Perulangan rantai linear dari molekul cellulose dapat diilustrasikan sebagai :
cellulose
Selulosa, semenjak berbentuk polyhydric, dapat membentuk ester dari asam organik atau asam non-organik. Turunan selulose ini dapat diklasifikasikan menurut produk reaksi yaitu
(1) Ester dari asam non-organik - Cellulose nitrate
(2) Ester dari asam organik - Cellulose acetate
- Cellulose acetate butyrate (3) Eter
- Methylcellulose - Ethylcellulose
- Hydroxyethylcellulose - Ethylhydroxyethylcellulose
4.2.2 Cellulose Nitrate (Nitrocellulose)
Meskipun nitrocellulose telah ditemukan oleh Schonbein pada 1845 melalui nitrasi cellulose dengan campuran asam nitrat – sulfat, baru awal abad 20 nitrocelullose dianggap efektif untuk mengecat pesawat terbang berbahan kayu. Perang Dunia I menstimulasi produksi nitrocellulose, dan pada akhir perang, industri pemakaian nitrocelullose menyebar luas ke beberapa industri terutama industri automotive dan furniture, dan saat ini pun masih digunakan.
Cellulose mempunyai 3 grup hidroksil tiap unit molekular, dan dapat secara potensial dinitrasi untuk memproduksi tiga ester asam nitrat, mononitrate, dinitrate, dan trinitrate. Prakteknya, grade nitrocellulose sebenarnya adalah campuran dari semua 3 ester (termasuk cellulose yang tak bereaksi). Sebenarnya, resin ini seharusnya disebut cellulose nitrate, bagaimanapun mereka sudah umum disebut resin nitrocellulose, dan karena itu istilah nitrocellulose (NC) akan dipakai terus pada bahasan selanjutnya.
cellulose asam nitrat asam sulfat
nitrocellulose air asam sulfat
Resin nitrocellulose dibuat melalui nitrasi serat cellulose yang berbentuk wood pulp atau cotton linters. Pertama – tama serat cellulose dimurnikan melalui treatment dengan alkali dan setelah dicuci lalu dinitrasi dengan campuran asam sulfat / asam nitrat (dengan rasio 2.6 – 5.6 : 1). Perbandingan asam dengan cellulose bervariasi 10 : 1 untuk wood pulp dan 40 : 1 untuk cotton linters. Bubur / slurry ini kemudian disentrifuge untuk menghilangkan kelebihan asam dan cepat – cepat di masukan di air. Kekentalan dari nitrocellulose kemudian diturunkan dengan memanaskannya pada 145oC – 160oC di bawah tekanan. Proses ini akan memecah beberapa rantai molekul nitrocellulose ke molekul yang lebih kecil. Air pada bubur yang ada kemudian dihilangkan dengan mensentrifuse dan digantikan dengan alkohol seperti isopropyl alkohol, ethanol atau butanol. Nitrocellulose yang dibasahi alkohol (kira – kira 35 % kandungan alkoholnya) kemudian dipacking dan
dikirim. Kandungan nitrogen dan grade nitrocellulose yang dipakai untuk surface coating dapat dilihat pada tabel 4.1.
Tabel 4.1. Kandungan nitrogen nitrocellulose Kandungan
nitrogen
Persen Nitrogen
Solvent yang sesuai
Tinggi 11.8-12.2 Ester, keton, glikol eter, dan campuran eter-alkohol
Sedang 11.2-11.7 Sama seperti kandungan nitogen tinggi, namun mempunyai toleransi yang lebih besar terhadap alkohol
Rendah 10.7-11.2 Toleransi yang sangat besar terhadap alkohol.
Atau dengan kata lain jika kandungan nitrogennya rendah maka larut alkohol dan jika kandungan nitrogennya tinggi akan larut ester.
Cat nitrocellulose secara umum mengandung resin nitrocellulose, plasticizer, resin pemodifikasi, solvent dan aditif. Resin nitrocellulose dipilih berdasarkan properti dasar yang dibutuhkan untuk cat. Contohnya, resin viskositas tinggi memproduksi cat dengan fleksibilitas yang tinggi, tensile strenght daripada grade yang viskositasnya rendah.
Fungsi dari plasticizer adalah untuk menambah elastisitas dan ketahanan impact karena film nitrocellulose yang rapuh / brittle. Resin nitrocellulose kompatibel dengan banyak macam plasticizer yang dapat dibagi menjadi 2 kategori utama yaitu:
1. Plasticizer solvent : paling banyak dipakai menyediakan kedua-
nya sebagai plasticizer dan sebagai solvent untuk resin pemodifikasi.
2. Plasticizer non-solvent : dapat dilihat pada tabel 4.2
Resin pemodifikasi (non-oksidatif) sering ditambahkan ke cat nitrocellulose untuk menambah properti seperti durabilitas, kilap dan adhesi. Resin – resin ini secara umum juga menambah solid dari cat. Natural resin seperti dammar atau ester gum tidak dipakai untuk menambah kilap dan peningkatan film dari cat nitrocellulose, bagaimanapun modifikasi ini menjadi durabilitas eksteriornya dan ketahanannya turun.
Tabel 4.2. Plasticizer untuk Nitrocellulose Plasticizer solvent Plasticizer non-solvent Dibutyl phtalate Dioctyl phtalate Butyl benzyl phtalate Diethyl phtalate
Raw castor oil Blown castor oil Linseed oil (treated)
Tung oil
Cat nitrocellulose dan cat lain secara umum dilarutkan pada solvent aktif, solvent latent dan solvent diluent. Campuran solvent dipakai berdasarkan beberapa pertimbangan seperti solvency, laju evaporasi, metode aplikasi dan biaya. Komposisi solvent yang dipilih harus dipastikan bahwa keberadaan solvent aktif harus cukup untuk secara komplit melarutkan resin nitrocellulose. Solvent aktif adalah solvent sebenarnya untuk nitrocellulose seperti ester, ketone dan glycol ether. Latent solvent adalah bahan solvent untuk nitrocellulose saja, namun menjadi solvent bagi resin lain yang ada dalam cat, ini adalah alkohool yang baisanya dipakai untuk menurunkan harga. Diluent adalah non-solvent yang dipakai untuk mengatur solvency dan harga dari formulasi, biasanya adalah hidrokarbon dengan penguapan cepat. Cat nitrocellulose secara tipikal dipersiapkan dari larutan resin nitrocellulose menggunakan pigmentasi konvensional dengan sedikit aditif seperti larutan silikon.
Cepat keringnya cat nitrocellulose adalah mungkin satu-satunya fitur penting. Namun cat nitrocellulose mempunyai durabilitas eksterior yang buruk, yellowing (menguning), chalking dan ketahanan kimia yang buruk dibanding cat konvertibel lainnya.
4.2.3 Cellulose Acetate
Didapat dengan memanaskan cellulose dengan acetic anhydride pada tabung tertutup pada suhu 1800C. Saat ini, reaksi ini dimodifikasi dengan melibatkan asam asetat dan asam sulfat. Reaksi ini memproduksi triacetate yang kemudian dihidrolisis untuk mengurangi kandungan acetyl, memproduksi cellulose acetate yang lebih larut. Cellulose triacetate cenderung menjadi polimer tak larut dan jarang dipakai di dunia coating.
cellulose acetic anhydride
Cellulose acetate
Cellulose acetate untuk coating tersedia dengan kandungan acetyl mulai 38%-40.5%. Range tersebut memberikan sebuah selulosik dengan kelarutan dan properti terbaik. Sama dengan nitrocellulose, ester dengan kekentalan yang berbeda-beda tersedia dan kekentalan begantung dari panjang rantai polimer. Kelarutan ester ini meningkat sejalan ketika kekentalan ester ini turun.
Prinsip-prinsip untuk memformulasi cat dengan bahan cellulose acetate sama dengan prinsip nitrocellulose. Perbedaan yang mencolok adalah sedikitnya resin lain, plasticizer, dan solvent yang kompatibel untuk formulasi dengna menggunakan cellulose acetate. Karena titik lelehnya yang tinggi (255oC), cellulose acetate cocok untuk cat tahan panas. Juga dipakai untk coating kabel, tekstil, kulit, dan coating kertas. Cellulose acetate memiliki adhesi yang buruk terhadap logam, dan harus dimodifikasi untuk mencapai hasil yang memuaskan. Penggunaan utama cellulose acetate adalah untuk produksi rayon.
4.2.4 Cellulose Acetate Butyrate (CAB)
Karena terbatasnya karakteristik solubilitas/kelarutan dari cellulose acetate, modifikasi cellulose dengan ester campuran menghasilkan polimer yang lebih kompatibel dan mudah larut. Asam asetat dan butirat dan anhydride-nya direaksikan pada kondisi tertentu untuk mendapat cellulose acetate butyrate. Proporsi dapat bervariasi dari kandungan acetyl yang tinggi dengan jumlah butyryl sedikit, sampai acetyl rendah butyryl tinggi. Produk yang diesterifikasi penuh dapat kemudian dihidrolisis parsial untuk membentuk produk kimia adisional dengna variasi dan properti fisik yang luas.
Cellulose acetate butyrate
CAB tersedia pada range mulai acetyl 31% dan butyryl 17% sampai acetyl 6% dan butyryl 48%. Hal ini membagi polime dalam dua grup, yang satu kandungan acetyl tinggi dan yang satu kandungan butyryl tinggi. Seperti selulosik lain, CAB juga bervariasi kekentalannya tergantung kandungnan acetyl dan butyrylnya.
Karena beberapa modifikasi dalam pembuatannya, CAB membunyai banyak variasi properti fisik dan kimianya. Saat ini CAB adalah polimer selulosik kedua terpenting setelah nitrocellulose pada industri coating. Naiknya kandungan butyryl menambah kelarutan, toleransi untuk diluent, kompatibilitas dengan resin lain dan plasticizer, fleksibilitas, dan ketahanan terhadap kelembaban. Turunnya kandungna butyryl menyebabkan mengurangi tensile strength, kekerasan (hardness), dan naiknya titik leleh.
Dua area yang banyak menggunakan resin CAB adalah : industri ototmotif dan industri furniture. Kombinasi CAB dan resin akrilik memproduksi coating yang bening dan non-yellowing. CAB juga dimodifikasi dengan resin alkyd semi-oksidatif dan alkyd oksidatif.
4.2.5 Ethylcellulose
Pembuatan ethyl cellulose pertama-tama diawali dengan memasukkan kapas dalam larutan sodium hydroxyde 12-25%, dan kemudian di treatment dengan ethyl chloride sampai sodium hidroksida dinetralisasi.
ethyl cellulose
Produk reaksi tersebut mempunyai kandungan ethoxy yang bervariasi dengna derajat ethylasi dan menghasilkna produk komesial yang mempunyai range kandungan ethoxy antara 45-49.5%. Pada tipe ethoxy ini, kekentalan dapat diatur.
Properti unik ethyl cellulose adalah densitasnya yang rendah, sehingga per unit berat menghasilkn acoverage are dan volume yang lebih besar daripad apolimer selulosik lainnya. Mempunyai volume 45% lebih besar dari nitrocellulose dan 20% lebih besar dari cellulose acetate. Namaun secara biaya pad avoulme sama hampir sama dengan nitrocellulose.
Properti kompatibilitas dari ethyl cellulose dengan resin lain dan plasticizer sangatlah luas dan bervariasi. Campuran solvent sangat lemah (80:20, toluene:alkohol) melarutkan ethyl cellulose dengan mudah. Selain sangat fleksibel ethyl cellulose jug atidak mudah terbakar. Penggunaan utamanya adalah cat cetak, coating kertas, dan cat-cat industri.
4.2.6 Methylcellulose
Dimethyl ether dari cellulose, atau methyl cellulose adalah produk reaksi yang sama dengan ethyl cellulose, hanya ethyl chloride diganti dengan methyl chloride. Struktur kimia dasarnya adalah :
methyl cellulose
Kandungan methoxy bervariasi mulai 27% sampai 32%, yang memberikan produk dengan kelarutan maksimal terhadap air. Kekentalannya seperti selulosik lainnya, dikontrol oleh panjang rantai selulose. Faktor ini membuat banyaknya variasi kekentalan.
Methyl cellulose tidak digunakan sebagai pembentuk film utama pada dunia coating. Methyl cellulose dipakai sebagai thickener (pengental) pada sistem cat basisi air karena sifat koloid hidrofilinya.