STUDI DAN SIMULASI PERMODELAN LAJU DIFUSI
ADITIF ASAM STEARAT DAN ASAM PALMITAT
DALAM ZAT PADAT POLIMER
POLIVINIL KLORIDA
DISERTASI
Oleh
NASRUDDIN MN
068103012/KM
PROGRAM DOKTOR ( S3 )ILMU KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
M E D A N 2 0 1 0
STUDI DAN SIMULASI PERMODELAN LAJU DIFUSI
ADITIF ASAM STEARAT DAN ASAM PALMITAT
DALAM ZAT PADAT POLIMER
POLIVINIL KLORIDA
Disertasi
Untuk memperoleh gelar Doktor dalam Ilmu Kimia Konsentrasi Fisiko Kimia Pada Universitas Sumatera Utara dengan Wibawa Rektor Universitas Sumatera Utara
Profesor Chairuddin P. Lubis, DTM&H.,Sp.A (K) Dipertahankan pada tanggal 22 Maret 2010
Di Medan, Sumatera Utara
Oleh
NASRUDDIN MN NIM: 068103012/KMProgram : Doktor (S3) Ilmu Kimia Konsentrasi : Fisiko Kimia
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
M E D A N 2 0 1 0
Judul Disertasi N a m a Nomor Pokok Program Studi Konsentrasi : : : : :
STUDI DAN SIMULASI PERMODELAN LAJU DIFUSI ADITIF ASAM STEARAT DAN ASAM PALMITAT DALAM ZAT PADAT POLIMER POLIVINIL KLORIDA Nasruddin MN 068103012 Ilmu Kimia Fisiko Kimia Menyetujui Komisi Pembimbing
(Prof. Basuki Wirjosentono, MS. Ph.D) P r o m o t o r
(Dr. Ir. Tjahjono Herawan, MSc.) ( Dr. T u l u s , M.Sc. ) Co. Promotor Co. Promotor
Ketua Program Studi, D e k a n ,
PROMOTOR
Prof. Basuki Wirjosentono, MS. Ph.D Guru Besar Tetap Ilmu Kimia Polimer Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Universitas Sumatera Utara
CO-PROMOTOR
Dr. Ir. Tjahjono Herawan, MSc.
Peneliti Madya Bidang Teknologi Pasca Panen Pusat Penelitian Kelapa Sawit Medan
CO-PROMOTOR
Dr. T u l u s , M.Sc. Dosen Tetap Ilmu Matematika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara
Telah diuji pada
Tanggal 11 Pebruari 2010
PANITIA PENGUJI DISERTASI
Ketua Prof. Basuki Wirjosentono, MS. Ph.D
Anggota 1. Dr. Ir. Tjahjono Herawan, MSc.
2. Dr. T u l u s , MSc.
3. Prof. Dr. Yanazar Manjang
4. Prof. Dr. Harry Agusnar, MSc. M. Phil. 5. Prof. Dr. Eddy Marlianto, MSc.
DAFTAR RIWAYAT HIDUP
N a m a : Drs. Nasruddin MN, M.Eng.Sc.
Tempat/Tanggal Lahir : Samalanga, 6 Juli 1955
N I P. : 195507061981021002
Pekerjaan : Staf Pengajar/Dosen
Pangkat/Gol. : Pembina Utama Muda/IV/c
Instansi : Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
USU Medan
Departemen : Fisika FMIPA USU Medan
Jabatan : Kepala Laboratorium Fisika Dasar LIDA USU Alamat Kantor : Jl. Bioteknologi No. 1 Kampus USU Medan, 20155
Nama Orang Tua :
Ayah : H.M.Nurdin Thahir
I b u : Hj. Cut Rukiah Syamsyarif
Nama Mertua :
Ayah : M. Gade Hamid
Ibu : Ummi Kalsum
Nama Istri : Dra. Hj. Juwairiah, M.Si
Nama Anak : 1. dr. Naziffuadi Noer
2. Azmi Noer, S.Ked.
3. Zikri Noer
4. Ilham Noer Zahri
5. Mhd. Hafiz Noer
Nama Menantu : dr. Melviana Lbs
Nama Cucu : Umair Al-Haris
No Pendidikan Kota Tahun Lulus Bidang Studi
1 S2 Optoelektroteknika & Aplikasi
Laser - UI Jakarta 1992 OEAL
2 S1 FMIPA - USU Medan 1986 Fisika
3 SMA Negeri Samalanga 1975 Paspal
4 SMP Neger Samalanga 1972 -
STUDI DAN SIMULASI PERMODELAN LAJU DIFUSI ADITIF ASAM STEARAT DAN ASAM PALMITAT
DALAM ZAT PADAT POLIMER POLIVINIL KLORIDA
ABSTRAK
Disertasi ini merupakan suatu penelitian berupa eksperimen yang disertai dengan permodelan dan simulasi untuk mengetahui besarnya laju difusi dari suatu bahan yang mengandung aditif ke bahan yang tidak ada aditif. Dalam hal ini telah digunakan dua spesimen yang berupa filem dari bahan PVC murni dan PVC yang mengandung aditif. Kedua spesimen tersebut mempunyai luas permukaan yang sama dengan beberapa variasi terhadap ketebalan. Selanjutnya kedua spesimen tersebut disatukan untuk mengetahui laju difusi aditif ke dalam PVC selama 30 hari yang mana setiap 10 hari dilakukan penimbangan. Asam stearat dan asam palmitat dipilih dalam penelitian ini sebagai bahan aditif. Eksperimen ini telah mengidentifikasikan bahwa difusi bergerak dari bahan yang mempunyai konsentrasi tinggi ke konsentrasi yang lebih rendah, yang mana konsentrasi pada PVC yang mengandung aditif asam stearat ataupun asam palmitat berkurang mengikut perubahan waktu. Juga dijumpai bahwa penurunan berat terhadap perubahan waktu hampir sama mengikuti fungsi polinomial. Adapun jumlah pemlastis yang bermigrasi dari PVC yang mengandung konsentrasi asam stearat dan asam palmitat ke PVC tanpa konsentrasi kedua asam tersebut adalah sangat bervariasi tergantung kepada besarnya konsentrasi. Penelitian ini juga telah mendapatkan beberapa parameter penting pada proses difusi seperti besarnya koefisien difusi asam stearat dan asam palmitat ke PVC dan juga transformasi massa yang terjadi selama proses difusi berlangsung. Untuk kedua jenis asam diatas, diidentifikasi besarnya koefisien difusi adalah sama, yaitu sebesar 0,1333 cm2/hari. Laju difusi dan transformasi massa yang paling tinggi terjadi pada PVC yang mengandung konsentrasi asam stearat ataupun asam palmitat yang tinggi pada keadaan luas penampang, waktu migrasi dan koefisien difusi yang sama. Tebalnya PVC juga memberikan pengaruh kepada besarnya transformasi massa yang terjadi. Hasil dari eksperimen ini telah dimodelkan dan simulasikan dengan menggunakan software FEMLAB 3.0a untuk mendapatkan gambaran secara utuh proses laju difusi dari kedua asam tersebut ke PVC. Hasil tersebut pada permodelan dan simulasi didapati bahwa asam stearat maupun asam palmitat ke dalam PVC (konsentrasi terhadap waktu) memiliki trend yang sama atau kemiripan dengan hasil migrasi asam stearat dan asam palmitat (dalam persentase) yang didapat dari eksperimen.
Katakunci: PVC; Asam Stearat; Asam Palmitat; Migrasi; Laju Difusi; Koefisien Difusi; Simulasi.
STUDY AND MODELING SIMULATION DIFFUSION FLUX OF THE ADDITIVES STEARAT ACID AND PALMITIC ACID
IN THE POLIMER POLIVINIL CLORIDE
ABSTRACT
This dissertation presents the experiment study combined with modeling and simulation to find the diffusion flux of the material contained additive and non-additive. Two specimens of PVC films contained additive and non-additive have been used for this study. Those specimens which have the same size but having some varies in thicknesses are joined each others to identify the characteristic of diffusion flux occurred during 30 days which was weighing each 10 days. Stearat and Palmitit acid have been used as additives. The results indicate that the diffusion process are moving from high concentration material to lower concentration material which the amount of reducing concentrations are following the time of process. It’s also found that the weight reducing during the processes are in linear with time. The migration of plasticizers from materials contained additive into non-additive occurred in variety and depends on the amount of concentration. The diffusion coefficients of Stearat and Palmitit acids and mass transformation which are the important parameters during diffusion process on PVC also found in this study. The results indicate that the amount of diffusion coefficients is the same at 0.1333 cm2/day. The high diffusion flux and mass transformation occurred at a high concentration additive material even though the size of the material area, migration time and diffusion coefficients are the same. However, the thickness of the material has a significant effect to the mass of transformation value. After finishing experiments, modeling and simulation was performed by using FEMLAB 3.0a software to study more details on behavior of the diffusion flux from additives to PVC. The present modeling and simulation results are in good agreement with the existing experimental.
Keywords: PVC; Stearat Acid, Palmitit Acid; Migration; Diffusion Flux; Diffusion Coefficient; Simulation.
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur kedhadirat Allah SWT Tuhan yang maha Pengasih lagi Maha Penyayang yang telah melimpahkan rahmat dan nikmatNya sehingga penulis dapat menyelesaikan disertasi yang berjudul Studi dan Simulasi Permodelan Laju Difusi Aditif Asam Stearat dan Asam Palmitat dalam Zat Padat Polimer Polivinil Klorida. Yang dilaksanakan di Laboratorium Polimer Departemen Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (FMIPA) USU dan di Pusat Komputer Universitas Sumatera Utara Medan. Selawat dan Salam penulis sampaikan kepada Junjungan Baginda Nabi Besar Muhammad SAW beserta keluarga dan sahabatnya.
Ucapan terima kasih beserta penghargaan yang setinggi-tingginya kepada : 1. Rektor Universitas Sumatera Utara, Bapak Prof. Dr. Chairuddin P. Lubis, DTM
& H,Sp.AK
2. Direktur Pascasarjana Universitas Sumatera Utara, Ibu Prof. Dr. Ir. T. Chairun Nisa B. MSc.
3. Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Bapak Prof. Dr. Eddy Marlianto, MSc.
4. Ketua Program Studi Ilmu Kimia konsentrasi Fisiko Kimia, Bapak Prof. Basuki Wirjosentono, MS, Ph.D. beserta sekretarisnya Bapak Prof. Dr. Harry Agusnar, MSc. Ph.D.
5. Bapak Prof. Basuki Wirjosentono, MS, Ph.D. Dr. Tjahjono Herawan, MSc. Dr. T u l u s , M.Sc. Selaku Promotor dan Co. Promotor
6. Bapak Prof. Dr. Yunazar Manjang, selaku pembanding luar
7. Bapak Staf Pengajar Program Studi Ilmu Kimia beserta teman-teman seleting tahun 2006 Fisiko Kimia
8. Bapak Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME., Prof. Dr. Zul Alfian, MSc.; Dr. Reza Buana, MSc.; Suryadi; Drs. Nursal, MSc.; Drs. Nasir Saleh, M. Eng. Sc., Drs. Mhd. Firdaus, Msi., dan Drs. Achiruddin, MS.
Ucapan terima kasih yang setinggi-tingginya penulis sampaikan kepada kedua orang tua : ayahanda Tgk. H. M. Nurdin Thahir (alm) dan ibunda Hj. Cut Rukiah (alm), dan juga kepada kedua mertua: ayahanda M. Gade Hamid (alm) dan ibunda Ummi Kalsum (alm) dan istri tercinta Dra. Hj. Juwairiah, M.Si. yang telah setia membantu & tidak henti-hentinya memberikan dukungan serta tidak putus-putusnya berdoa kepada Allah SWT, begitu juga ananda tersayang: dr. Naziffuadi Noer dan dr. Melviana, Azmi Noer, S.Ked., Zikri Noer, Ilham Noerzahri, Mhd. Hafiz Noer yang tetap mendukung ayahanda menuntut ilmu, juga kakanda dan adinda tercinta: Hj. Misriah Nur, Hanifuddin Nur, SE.; Zaini Nur, SE.; Hj. Lakbati Nur, SPd.; Fadhilah Nur, SPd.; Fatimah IG, Dra. Aisyah & Abubakar yang telah banyak memberikan bantuan moril kepada penulis.
Akhirnya ucapan terima kasih kepada semua pihak yang telah memberikan bantuan, dukungan dan doanya, kepada Allah Tuhan Yang Maha Esalah penulis serahkan untuk dapat membalasnya. Semoga ilmu yang telah penulis dapatkan dapat berguna bagi nusa, bangsa, agama dan negara, Amin.
Medan, 11 Pebruari 2010 P e n u l i s
DAFTAR ISI
Halaman
Abstrak ...vii
Abstract ...viii
Kata Pengantar...ix
Daftar Isi ...xi
Daftar Tabel ...xv
Daftar Gambar ...xvii
Daftar Lampiran ...xix BAB I BAB II. PENDAHULUAN... 1.1. Latar Belakang ... 1.2. Perumusan Masalah... 1.3. Tujuan Penelitian... 1.4. Batasan Masalah... 1.5. Hipotesa... 1.6. Manfaat Penelitian... TINJAUAN PUSTAKA... 2.1 Pendahuluan... 2.2 Plastik... 2.3 Polivinil Klorida (PVC)... 2.4 Asam Stearat... 2.5 Asam Palmitat... 2.6 Plasticizer Sebagai zat aditif... 2.6.1 Pemlastis... 1 1 7 7 8 8 8 10 10 10 12 14 15 16 19
BAB III 2.6.2 Teori Plastisasi... 2.6.3 Teori Pelumas... 2.6.4 Teori Solvasi... 2.6.5 Teori Termodinamik... 2.6.6 Teori Polaritas... 2.7 Kemasan... 2.7.1 Fungsi Kemasan... 2.7.2 Tujuan Kemasan... 2.7.3 Bahan Kemasan... 2.8 Kompatibilitas... 2.9 Migrasi... 2.9.1 Pengemasan dan Keamanan Pangan... 2.9.2 Migrasi Aditif Plasatik... 2.9.3 Temperatur... 2.9.4 Lama Kontak... 2.9.5 Kecepatan Migrasi... 2.9.6 Migrasi dan Bahaya Keracunan... 2.10 Sifat Termal Polimer... 2.11 Sifat Mekanik Polimer... 2.12 Pengujian... 2.12.1 Pengujian Pemlastis... 2.12.2 Proses Migrasi... 2.13 D i f u s i ... 2.14 Simulasi dan Permodelan... 2.15 Perangkat Lunak Komputer... METODELOGI PENELITIAN... 3.1 Pendahuluan... 3.2 Alat dan Bahan yang Digunakan...
19 20 20 21 22 22 22 24 24 26 26 27 28 28 29 29 29 29 31 32 32 33 33 36 39 44 44 44
BAB IV
3.3 Rancangan Desain... 3.4 Prosedur Penelitian... 3.4.1 Pembuatan film PVC... 3.4.2 Pembuatan film PVC + Aditif (As. Stearat) ... 3.4.3 Pembuatan film PVC + Aditif (As. Palmitat)... 3.5 Uji Migrasi... 3.5.1 Film PVC Beraditif (As. Stearat) dengan Film PVC
tanpa aditif... 3.5.2 Film PVC Beraditif (As. Palmitat) dengan Film PVC
tanpa aditif... 3.6 Uji Migrasi... 3.7 Bagan Simulasi dan Permodelan... HASIL DAN PEMBAHASAN... 4.1 Pendahuluan... 4.2 Hasil Uji Migrasi... 4.2.1 Hasil Uji Migrasi Aditif (As. Stearat)... 4.2.2 Hasil Uji Migrasi Aditif (As. Palmitat)... 4.3 Karakterisasi Spesimen Campuran Aditif Menggunakan
FT-IR... 4.3.1 Analisis Spektrum Infra merah Spesimen Campuran
Aditif Asam Stearat... 4.3.1.1 Karakterisasi Spesimen Campuran PVC dengan
Aditif asam Stearat Sebelum Migrasi... 4.3.1.2 Karakterisasi Spesimen Campuran PVC dengan
Aditif asam Stearat Setelah Migrasi... 4.3.2 Analisis Spektrum Infra merah Spesimen Campuran
Aditif Asam Palmitat... 4.3.2.1 Karakterisasi Spesimen Campuran PVC dengan
45 45 45 46 48 549 49 50 52 56 57 57 57 57 63 69 69 70 70 71
BAB V
Aditif asam Palmitat Sebelum Migrasi... 4.3.2.2 Karakterisasi Spesimen Campuran PVC dengan
Aditif asam Palmitat Setelah Migrasi... 4.3.3 Analisis Spektrum Infra merah Spesimen Campuran
PVC... 4.3.3.1 Karakterisasi Spesimen PVC Sebelum Migrasi... 4.3.3.2 Karakterisasi Spesimen PVC Setelah Migrasi... 4.4 Permodelan dan Simulasi... 4.4.1 Tahapan Proses... 4.4.2 Membangun Model... 4.4.3 Analisa Hasil... KESIMPULAN DAN SARAN... 5.1 Kesimpulan... 5.2 S a r a n... 71 72 73 73 74 75 75 76 79 87 87 88 DAFTAR PUSTAKA……….. LAMPIRAN………. 89 95
DAFTAR TABEL Nomor J u d u l Halaman II. 1 II. 1 II. 2 IV. 1 IV.2 IV.3 IV.4 IV.5 IV.6 IV.7 IV.8 IV.9 IV.10 IV.11 IV.12 IV.13 IV.14 Plastik-plastik komoditi………... Karakterisasi Asam Stearat ... Karakterisasi Asam Palmitat ... Komposisi PVC, Asam Stearat dan Pelarut THF... Data hasil penimbangan spesimen PVC murni sebelum dan sesudah migrasi... Komposisi dalam (gr/ml) dan hasil penimbangan spesimen dalam (gram)... Data hasil penimbangan berat spesimen PVC murni dalam (%) sebelum dan sesudah migrasi... Data pengukuran spesimen beraditif asam stearat... Hasil perhitungan D, Jx dan NA pada konsentrasi C... Komposisi PVC, Asam Palmitat dan Pelarut THF... Data hasil penimbangan spesimen PVC murni sebelum dan sesudah migrasi... Konsentrasi dalam (gr/ml) dan hasil penimbangan spesimen dalam (gram)... Data hasil penimbangan berat spesimen PVC murni dalam (%)... Data Pengukuran Spesimen Beraditif asam palmitat... Hasil perhitungan D, Jx dan NA pada konsentrasi C... Hasil analisis gugus fungsi PVC campuran aditif asam stearat sebelum migrasi dengan FT-IR... Hasil analisis gugus fungsi PVC campuran aditif asam stearat
11 15 16 58 58 59 60 62 63 64 65 65 67 68 69 70
IV.15
IV.16
IV.17 IV.18 IV.18
setelah migrasi dengan FT-IR... Hasil analisis gugus fungsi PVC campruan aditif asam palmitat sebelum migrasi dengan FT.IR... Hasil analisis gugus fungsi PVC campruan aditif asam palmitat setelah migrasi dengan FT.IR... Hasil analisis gugus fungsi senyawa PVC dengan FT.IR... Hasil analisis gugus fungsi senyawa PVC dengan FT.IR... Dimensi yang akan digunakan pada proses permodelan dan simulasi... 71 72 73 74 74 77
DAFTAR GAMBAR Nomor J u d u l Halaman I.1 II. 1 II. 2 II. 3 II. 4 II.5 II.6 III.1 III.2 III.3 III.4 III. 5 III.6 III. 7 III. 8 III. 9 III. 10 III. 11 III. 12 III. 13 III. 14 IV. 1 IV.2
Permukaan C1PVC dan Permukaan C2PS ...
Bentuk Serbuk Putih PVC... Pola Umum Kurva DTA... Laju Zat Melalui Difusi Tegak Lurus Bidang... Laju Zat Melalui Difusi pada Elemen Volume ... Permukaan C1 dan Permukaan C2...
Pembagian Model Matematis... Film PVC Sebagai Spesimen... Pembentukan Campuran PVC dan THF... Film Campuran Asam Stearat dengan PVC Sebagai Spesimen . Pembentukan Campuran PVC dengan Asam Stearat... Film Campuran Asam Palmitat dengan PVC Sebagai Spismen... Pembentukan Campuran PVC dengan Asam Palmitat... Bagan Alir Uji Migrasi Filem PVC Beraditif (Asam Stearat) dengan Filem PVC Tanpa Aditif... Bagan Alir Uji Migrasi Filem PVC Beraditif (Asam Palmitat) dengan Filem PVC Tanpa Aditif... Pandangan Depan dari Film Sebagai Spesimen... Pandangan Samping Film PVC dan PVC Campur Aditif... Penggabungan antara Film yang Mengandung Plastisizer dan 3 Arah Gerak Difusi Aditif ke Non Aditif... Penggabungan 2 Permukaan Diffus... Diagram Alir Simulasi dan Permodelan... Migrasi Aditif (Asam Stearat) ke Dalam PVC... Migrasi Aditif (Asam Stearat) ke Dalam PVC dalam Persentase
6 13 30 34 35 38 41 45 46 47 47 48 49 50 51 52 53 53 55 55 56 60 61
IV.3 IV.4 IV. 5 IV.6 IV. 7 IV. 8 IV. 9 IV.10 IV.11 IV.12 IV. 13 IV. 14 IV. 15 IV. 16 IV. 17 IV. 18 IV. 19
Migrasi Aditif (Asam Palmitat) ke Dalam PVC... Migrasi Aditif (Asam Palmitat) ke Dalam PVC dalam Persentase... Flowchart untuk Proses Permodelan dan Simulasi... Model dan Koordinat dari Penggabungan PVC yang Beraditif dan PVC Tanpa Aditif. (Tebal = 0,007 cm, Konsentrasi Aditif = 0,0143 gr/ml)... Keadaan Model Geometri Sebelum Terjadi Proses Migrasi (Tebal = 0,007 cm, Konsentrasi Aditif = 0,0143 gr/ml)... Distribusi Konsentrasi Permukaan 2D... Distribusi Konsentrasi Permukaan 3D... Contur Plot... Laju difusi Aditif (Asam Stearat) ke Dalam PVC (Konsentrasi terhadap Jarak)... Laju Difusi Aditif (Asam Stearat) ke Dalam PVC (Konsentrasi terhadap Waktu)... Laju Aditif (Asam Stearat) ke Dalam PVC (Konsentrasi terhadap Waktu)... Distribusi Konsentrasi Permukaan 2D (Aditif: Asam Palmitat)... Distribusi Konsentrasi Permukaan 3D (Aditif: Asam Palmitat)... Cotour Plot (Aditif: Asam Palmitat)... Laju Difusi Aditif (Asam Palmitat) ke dalam PVC (Konsentrasi terhadap Jarak)... Laju Difusi Aditif (Asam Palmitat) ke dalam PVC (Konsentrasi terhadap Waktu)... Laju Difusi Aditif (Asam Palmitat) ke dalam PVC (Konsentrasi terhadap Waktu)... 66 68 76 78 78 80 80 81 81 82 82 83 83 84 84 85 85
DAFTAR LAMPIRAN Nomor J u d u l Halaman 1 2 3 4 5
Badan Pengawas Obat dan Makanan Republik Indonesia... Proses Pembuatan Sampel Berupa Spesimen Dalam Bentuk Film... Spektrum FT-IR... Permodelan... Data hasil permodelan...
85
98 103 106 134
