BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA

4

BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA

Bitumen menurut kamus Oxford didefinisikan sebagai sesuatu seperti tar yang merupakan hidrokarbon turunan dari petroleum dan digunakan untuk aplikasi jalan raya dan roofing. Lebih lanjut dijelaskan pula bahwa aspal adalah campuran antara bitumen dan agregat. Di beberapa belahan seperti Amerika Utara dan Indonesia, pengertian bitumen dan aspal adalah sama. Untuk selanjutnya kita sepakat untuk menggunakan term yang dipakai di Indonesia.[5]

Disamping aspal petroleum dikenal pula beberapa aspal alam seperti gilsonite. Deposit ini berada di Utah USA yang ditemukan oleh Samuel H Gilson pada tahun 1880. Gilsonite adalah material sangat keras dan mempunyai titik lembek antara 115 – 190 oC. Material ini sangat mahal karena merupakan penambangan padat karya. Mahalnya gilsonite membuat material ini tidak menarik walaupun banyak keunggulan sifat-sifat nya. [6]

2.1 Kimiawi NaturaBit70

Secara umum aspal mengandung komponen seperti asphaltene, resin, aromatic dan saturates. Resin dan aromatic lebih lanjut disebut sebagai maltene. Pemisahan komponen tersebut dapat dilakukan secara bertingkat dimulai dengan pelarutan aspal dengan larutan n-heptane sehingga diperoleh komponen yang mengendap berupa asphaltene. Bagian yang terlarut dalam n-heptane selanjutkan dilakukan kromatograpi untuk mengukur kandungan resin, aromatic dan saturates. Komponen yang terkandung dalam aspal akan menentukan karakteristik dari aspal tersebut. [5]

2.1.1 Asphaltene

Asphaltene secara umum merupakan solid amorphous berwarna coklat kehitaman dan tidak larut dalam n-heptane sehingga dikatakan polar. Kandungannya berupa complex aromatic dengan Berat Molekul (BM) antara 1000 – 100,000 gmol, berukuran 5 – 30 nm dan mempunyai ratio C/H = 1. Asphaltene merupakan komponen yang dominan dalam rheology aspal, makin

5

tinggi nilai asphaltene suatu aspal makin keras aspal tersebut dan makin rendah kemampuan penetrasinya dan pada akhirnya titik lembek menjadi tinggi. Kebanyakan aspal petroleum mengandung aspaltene berkisar 5 – 25% berat. [5]

Gambar 2.1 Skematik diagram metoda analisa kandungan aspal [5]

Secara kimiawi asphaltene dibangun oleh struktur complex aromatic dimana antar aromatic diikat oleh sulfur. Struktur aromatic pembangun aspalthene yang mungkin dapat ditemukan adalah struktur porphyrin, protoporphyrin dan hemin yang semuanya terkondensasi menjadi molekul dengan berat molekul tinggi dan viskous. Struktur aromatic protoporphyrin dan hemin mempunyai gugus tidak jenuh C=C yang mudah mengalami saturasi jika dilakukan oksigenasi dan membentuk rantai polymer. Disamping gugus C=C,

Aspal n-heptane precipitacion Asphaltene Chromatograp Elution with n-heptane Saturatess Elution with toluene Elution with Toluene/methanol Aromatic Resin

6

aromatic protoporphyrin dan hemin mengandung juga gugus COOH karboksilat yang mudah mengalami hidrolisa dengan gugus OH baik dengan basa maupun alkohol. [7]

Tabel.2.1 Perbandingan karakteristik NaturaBit70 versus gilsonite [3]

Sifat-sifat NaturaBit70 Gilsonite Satuan Standard

Bentuk padat padat visual -

Warna Coklat kehitaman Coklat kehitaman visual - Penetrasi @ 25oC 20 2 dmm ASTM D5-97

Titik lembek 70 150 oC ASTM D36-95

Flash point 310 315 oC EN 22592

Kelarutan dalam

Trichloroethylene

99 98 % berat EN 12592

Specific Grafity 1.05 1,06 g/mm3 BS 4147

Kadar Nitrogen 1,0 3,3 % berat -

Kadar Sulfur 3,0 3,0 % berat -

Asphaltene 39 57 % berat ASTM D4124

Maltene 51 41 % berat ASTM D4124

Saturatess 10 2 % berat ASTM D4124

Struktur hemin mengandung juga metallocene yang bertanggung jawab atas interaksi antar struktur aromatic komplek dan interaksi asphalthene dengan struktur baja [6]. Hadirnya ion Fe dalam hemin akan membuat asphaltene menjadi stabil dalam koloid aspal. Lebih jauh lagi struktur ion Fe dalam hemin akan membuat coating kompatibel dengan sistem perlindungan katoda karena kemampuannya bertindak sebagai komponen kapasitor.

Dalam model Nyquist dijelaskan bahwa model coating yang dinterpretasikan dari model sederhana yang dibangun oleh hambatan dan kapasitor secara seri akan menghasilkan kurva tegak lurus terhadap bilangan real i dan jika jumlah arus mengalir secara mantap berarti coating masih dalam keadaan baik

7

atau ideal. Model ideal ini menghendaki keberadaan Fe yang selalu bertindak sebagai penstabil asphaltene. [8]

Dari data laboratorium diketahui bahwa NaturaBit70 mengandung asphaltene 39% berat [3]. Kandungan ini merupakan nilai tengah jika dibandingkan dengan aspal petroleum biasa dan aspal gilsonite (57% berat). Rendahnya kadar asphaltene dalam NaturaBit70 akan memberikan keuntungan; pertama bahwa dalam keadaan koloid aspal ini akan cenderung menjadi relatif lebih sol yang akan bermanfaat dalam aspek yang berkaitan dengan rheology; kedua sifat NaturaBit70 akan relatif lebih lunak dibanding gilsonite.

Dalam terminologi coating, asphaltene dipandang sebagai pemberi warna hitam. Asphaltene juga dipandang sebagai penentu jumlah maltene yang masih bisa dimasukkan sehingga sistem koloid mencapai keadaan setimbang atau optimal. Tingginya kadar maltene akan memberi efek kelekatan yang baik pada coating. Ini yang mendasari konsep pembuatan asphalt epoxy. [4]

2.1.2 Maltene

Maltene adalah bahan yang larut dalam pelarut n-heptane, berikatan polar, sebagai resin aromatic dan berfungsi sebagai pendispersi asphaltene dalam aspal. Semakin tinggi kandungan maltene semakin baik pula struktur sol sehingga asphaltene terdispersi secara sempurna dan jika terjadi keadaan sebaliknya dimana kadar maltene menjadi rendah maka akan membentuk struktur gel dimana asphaltene tidak mempunyai mobilitas lagi dan terbentuk aspal yang kaku dan keras. Distribusi asphaltene yang merata dalam maltene dan saturates akan memberikan homogenitas sistem padatan yang dapat diaplikasikan pada coating.

Maltene dibangun oleh komponen resin dan aromatic dimana resin merupakan komponen dengan berat molekul antara 500 – 50,000 gmol, berukuran 1-5 nm dan merupakan pemberi efek adhesif. Secara kimiawi resin bersifat non polar dan dalam struktur aspal keberadaannya ada disekeliling terdekat asphaltene. [5]

8

Perbaikan sifat kimiawi aspal baik untuk aplikasi konstruksi jalan raya atau coating selalu dimulai dari bagian asphaltene. Aspal dengan kandungan asphaltene yang tinggi akan memberikan keleluasaan dalam penambahan maltene. Konsep perbaikan aspal akan meliputi cara-cara seperti: penjenuhan komponen C=C, pengikatan COOH, reaksi crosslinking. Penambahan polymer seperti epoxy akan mampu membangun ikatan crosslink sehingga menghasilkan sifat yang keras dan sekaligus juga rentan terhadap embrittlement. Mengkomposisi epoxy dan plasticizer merupakan objek dari para specialty chemical developer.

Aromatic mempunyai berat molekul lebih rendah 300 – 2000 gmol, mempunyai banyak rantai tidak jenuh, bersifat non polar dan mempunyai kemampuan melarutkan semua molekul berat seperti resin dan asphaltene. Bersama-sama dengan resin, aromatic akan mendispersikan asphaltene. [5]

Dari Tabel 2.1 NaturaBit70 ditemukan memiliki kandungan maltene 51% berat dan lebih tinggi dibandingkan dengan gilsonite (41%) sehingga dapat diduga bahwa kelekatan NaturaBit70 lebih baik dari gilsonite.

2.1.3 Saturates

Saturates adalah hydrokarbon aliphatic yang bercabang dengan aromatic seperti alkyl naphtenic, alkyl aromatic, bersifat non polar dan tersusun dari material jenuh yang bersifat waxy dan non-waxy. Dalam campuran primer coating, saturates diperlukan sebagai bahan kedap air dan pemberi efek pelumasan. Di dalam aspal jumlah saturates hanya berkisar 5 – 20% berat. [5]

Saturates dalam gilsonite adalah sangat rendah sehingga aspal cenderung getas dan tidak elastis. Kinnaird (2003) dalam US patent 6,623,554, terlihat sudah menyadari kekurangan dari gilsonite sehingga diperlukan plasticizer agent yakni asam lemak minyak kedelai sejumlah makimal 16% berat untuk dicampurkan kedalam premix gilsonite. Premix gilsonite adalah campuran gilsonite dengan xylene dalam perbandingan berat 50 : 50

9

Gambar 2.2 Ilustrasi dispersi asphaltene [4]

Pada NaturaBit70 kandungan saturates-nya dapat dikatakan cukup memadai yakni 10% berat sehingga diperlukan penelitian mula untuk mencari komposisi asam lemak minyak kedelai dalam campuran yang akan dibuat. Hasil penelitian mula JV, Harry (2009) ternyata ditemukan bahwa kandungan asam lemak minyak kedelai yang dibutuhkan untuk premix NaturaBit70 adalah dalam rentang 1% - 5% berat [19]. Premix NaturaBit70 adalah campuran NaturaBit70 dengan xylene dalam perbandingan berat 80 : 20. [3]

Dari penelitian awal juga didapat kesimpulan lain bahwa konsumsi pelarut akan berkurang jika dibandingkan dengan applikasi gilsonite seperti yang dijelaskan oleh Kinnaird (2003). Hasil tersebut dijelaskan sebagai berikut: saturates secara kimiawi adalah senyawa non polar dan mudah larut dalam pelarut aromatic, karena kadar saturates pada NaturaBit70 cukup tinggi maka NaturaBit70 akan mengkonsumsi pelarut lebih rendah dibanding gilsonite untuk mencapai viskositas yang setara. [3]

2.1.4 Kandungan Metal

Aspal mengandung juga logam-logam dalam jumlah ppm level yang juga terdispersi dalam sistem koloid aspal [7]. Logam tersebut dapat berasal secara

10

alamiah dari minyak mentah, atau terbawa dalam proses pengilangan. Beberapa logam yang mampu bersifat katalis yang berasal dari proses pengilangan seperti: nickel, vanadium, zirconium. Sedang logam asli yang berasal dari minyak mentah bergantung pada batuan reservoir crude itu sendiri. Untuk ion Fe sudah diketahui keberadaannya dalam struktur hemin sedangkan untuk logam lain sedikit sekali penjelasannya. Namun demikian dari kajian struktur asphaltene kita dapat menyimpulkan bahwa dalam batas tertentu kita masih mungkin memasukkan logam anoda kurban seperti zinc oxide yang dalam beberapa literatur disebutkan mampu bertindak untuk penstabil resin.

2.2 Pelarut

Kegunaan pelarut adalah untuk mengurangi kekentalan dari binder dan komponen lainnya sehingga membuat campurannya menjadi homogen. Selain itu, dengan menurunnya kekentalan memungkinkan untuk mengaplikasikan coating sebagai lapisan yang tipis, mulus dan kontinyu pada suatu permukaan tertentu. Fungsi dari pelarut pada coating sebelum dan sesudah aplikasi adalah bertentangan. Dalam keadaan cair, sebelum aplikasi, cat harus merupakan suatu larutan atau suatu dispersi yang stabil atau emulsi antara binder, pigmen dan aditif dalam larutan. Semua komponen-komponen padat harus tetap terdistribusi secara homogen dalam fasa cair. Kondisi ini memerlukan kompatibilitas yang tinggi antara pelarut dan komponen dan adanya gaya tolak antara komponen-komponen tersebut untuk mencegah terjadinya pengelompokan (clustering). Sebaliknya, setelah cat diaplikasikan, gaya tarik yang besar antara komponen-komponen tersebut diperlukan untuk membentuk lapisan yang kontinyu. Interaksi dengan pelarut harus berkurang agar pelarut dapat menguap dari lapisan yang sudah mengering. [1]

Kesalahan dalam pemilihan jenis pelarut akan mempengaruhi proses pengeringan pada coating dan kekuatan adhesi coating tersebut. Oleh karena itu perlu dipahami beberapa jenis pelarut yang kompatibel dengan NaturalBit70. NaturaBit70 seperti halnya gilsonite sebagian besar fraksinya adalah non polar sehingga harus dicari pelarut yang non polar yang mempunyai kekuatan melarutkan juga serta mudah menguap guna membantu proses pengeringan

11

.

Dari kajian ekonomis aliphatic seperti jenis white spirit merupakan pelarut yang murah namun kekuatan melarutkannya relatif rendah yakni sekitar 32 kauri-butanol (kb) dengan laju penguapan 9 dari skala 10. Xylene merupakan pilihan yang ideal walaupun agak sedikit mahal karena daya solvency nya sekitar 98 kb dengan laju penguapan 9.5 dari skala 10. Memakai aliphatic pelarut dan diimbangi dengan pemakaian aditif pemercepat kering seperti cobalt napthenic acid dapat menjadi alternatif walaupun dapat memicu kegetasan.

Xylene mempunyai titik didih 280 – 288 oF yang memberikan petunjuk bahwa reaktor pembuat coating harus dijalankan pada temperatur dibawah 280 oF. Temperatur 212 oF menjadi pilihan karena dapat dilakukan teknik pemanasan tidak langsung dengan bantuan air sebagai penangas. Kondisi ini akan membuat keselamatan pekerja akan terjamin karena terhindar dari bahaya kebakaran.

Selama proses pelarutan primer dengan xylene, xylene akan menguap karena mempunyai flash point 80 oF sehingga proses pembuatan primer coating harus dilakukan dengan jumlah xylene berlebih pada saat awal. [9]

2.3 Asam Lemak Minyak Kedelai

Kinnaird (2003) dalam US Patent 6,623,554, secara tidak langsung menjelaskan bahwa pemakaian asam lemak minyak kedelai akan membuat aspal menjadi elastis karena asam lemak minyak kedelai adalah plasticizer sehingga coating diharapkan menjadi kuat dan tidak mudah retak pada waktu drying. Sifat plastis ini dibutuhkan karena sifat dari gilsonite adalah keras dan getas.

Secara kimiawi asam lemak minyak kedelai adalah plasticizer tersusun dari bahan asam lemak jenuh dan asam lemak tidak jenuh. Adanya asam lemak ditandai dengan adanya ikatan COOH atau gugus karboksil pada suatu rantai hidrokarbon. Pada asam lemak tak jenuh terdapat gugus C=C yang mudah bereaksi membentuk crosslinking dengan bantuan oksigen. Sedangkan gugus jenuh C-C dalam asam lemak minyak kedelai tidak akan bereaksi lagi dan bersifat non drying oil, sehingga akan memperlambat waktu pengeringan. [11]

12

Asam lemak minyak kedelai mengandung asam lemak tidak jenuh trigliserida sejumlah 7% berat linolenic acid (C18:3), 51% berat linolenic acid (C18:2), 23% berat oleic acid (C18:1). Sejumlah 14% berat lainnya adalah asam lemak jenuh yang akan membentuk rantai filik ke formasi non polar. [12]

Pada reaksi polimerisasi Oleic acid bertanggung jawab atas terbentuknya rantai linier, sedangkan linolenic acid (C18:2) akan membentuk bidang planar dan terakhir linolenic acid (C18:3) adalah struktur yang dapat memicu crosslink jika ditambahkan cobalt octoate atau katalis pengering lainnya. [13]

Mekanisme reaksi crosslinking dengan bantuan katalis, reaksi kimianya mengikuti mekanisme seperti yang disajikan pada Gambar 2.3. Dari mekanisme tersebut diketahui bahwa difusi oksigen ke permukaan lapisan coating dan ketersediaan reaktan akan mempengaruhi jalannya reaksi serta menentukan hasil akhir film coating. [13]

13

Asam lemak minyak kedelai memenuhi persyaratan sebagai aditif yang baik dibanding asam lemak lainnya lainnya dikarenakan kandungan gugus jenuh C-C dan monounsaturates C=C lebih rendah dibanding polyunsaturates. Kandidat yang lain pengganti asam lemak minyak kedelai adalah minyak castor, minyak jagung, minyak bunga matahari dan safflower oil yang mempunyai kemiripan karateristik ikatan kimia.

Setelah reaksi crosslinking selesai terjadi maka akan tersisa reaktan baik berupa asam lemak jenuh C-C dan C=C yang semuanya akan bergabung dengan fasa kontinyu koloid saturates dalam aspal.

2..4 Katalis Pengering

Katalis pengering adalah suatu substansi yang dapat membuat proses pengeringan menjadi cepat. Lazimnya yang dipakai adalah naphthenic acid yang merupakan senyawa komplek asam karboksilat. Struktur kimia dari naphthenic acid dalam bentuk cobalt octoate disajikan pada Gambar 2.4.

Gambar 2.4 Struktur kimia cobalt octoate [13]

Cobalt octoate adalah yang paling baik diantara semua jenis metal komplek karboksilat karena daya katalisisnya yang sangat baik dan dapat mempertahankan warna putih dari coating. Cobal dapat juga digantikan oleh metal

14

yang lain seperti zirconium, lead, cerium and iron. Logam-logam pengganti cobalt disebut juga sebagai primary metal. Disamping primary metal dibutuhkan juga auxiliary metal yang berfungsi agar permukaan film coating tidak mengerut setelah pengeringan. Auxiliary metal dapat berupa calcium, manganese, barium, zinc, lithium. [13]

2.5 Teori Bonding

Berkaitan dengan coating berbasis aspal ada dua teori bonding yang bisa dipertimbangkan yakni yang pertama adalah teori mechanical interlock teori. Teori ini sangat simple dan berdasarkan pada faktor dimana tingkatan mikrokopis semua permukaan adalah kasar dan mengandung crevices, crack dan pori. Adesif akan masuk kedalam celah permukaan tersebut dan pada waktu mengeras akan saling mengunci antara permukaan dan adesif. Untuk itu preparasi spesimen menjadi penting untuk diperhatikan. [14]

Teori yang kedua adalah teori adsorpsi, teori ini menjelaskan bahwa kekuatan bonding antara adesif dan permukaan akan meningkat seiring dengan hadirnya gaya tarik menarik antara molekul adesif dan molekul pada permukaan [14]. Untuk aplikasi aspal pada baja akan terjadi keadaan adsorpsi ini karena adanya metallocene akan membuat asphaltene berinteraksi dengan struktur baja dalam ikatan Van der Waals [7].