PEMBUATAN NANOKOMPOSIT POLIURETAN BERBASIS MINYAK KELAPA SAWIT DENGAN NANOPARTIKEL MONTMORILLONIT
ORGANIK SEBAGAI BAHAN CAT
DISERTASI
Oleh
ZAIMAHWATI
108103002/KIM
PROGRAM DOKTOR ILMU KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
PEMBUATAN NANOKOMPOSIT POLIURETAN BERBASIS MINYAK KELAPA SAWIT DENGAN NANOPARTIKEL MONTMORILLONIT
ORGANIK SEBAGAI BAHAN CAT
DISERTASI
Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh Gelar Doktor dalam Program Studi Ilmu Kimia,Konsentrasi Ilmu Kimia pada Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatra Utara
Oleh
ZAIMAHWATI
108103002/KIM
PROGRAM DOKTOR ILMU KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
PROMOTOR
Prof. Dr. Harry Agusnar, M.Sc.M.Phill
Guru Besar Kimia Bidang Kimia Analitik
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Universitas Sumatra Utara
CO-PROMOTOR
Dr. T. Rihayat, S.T, M.T
Staf Pengajar Teknik Kimia
Politeknik Negeri Lhokseumawe
CO-PROMOTOR
Saharman Gea, M.Si, Ph. D
Staf Pengajar Bidang Kimia Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
TIM PENGUJI
Ketua : Prof. Dr. Harry Agusnar. M.Sc, M.Phill Guru Besar Kimia Bidang Kimia Analitik
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatra Utara
Anggota: Dr. T. Rihayat, S.T, M.T Staf Pengajar Teknik Kimia Politeknik Negeri Lhokseumawae
Saharman Gea, M. Si, Ph. D Staf Pengajar Bidang Kimia Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatra Utara
Prof. Dr. Harlem Marpaung
Guru Besar Bidang Kimia Analitik
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatra Utara
Prof. Basuki Wirjosentono, M.S, Ph.D Guru Besar Bidang Kimia Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatra Utara
Prof. Dr. Yunazar Manjang
Guru Besar Bidang Kimia Organik
Universitas Andalas Padang
PERNYATAAN ORISINALITAS
PEMBUATAN NANOKOMPOSIT POLIURETAN BERBASIS POLIOL ASAM OLEAT MINYAK KELAPA SAWIT DENGAN NANOPARTIKEL
MONTMORILLONIT ORGANIK SEBAGAI BAHAN CAT
DISERTASI
Dengan ini saya menyatakan bahwa disertasi ini adalah hasil karya penulis sendiri, kecuali semua kutipan maupun ringkasan yang dirujuk, telah dijelaskan sumbernya dengan benar.
Medan, April 2015
PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH
UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS
Sebagai Sivitas Akademis Universitas Sumatra Utara, saya yang bertanda tangan dibawah ini:
Nama : Zaimahwati NIM : 108103002
Program Studi : Doktor Ilmu Kimia Jenis Karya Ilmiah : Disertasi
demi pengembangan ilmu pengetahuan, menyetujui untuk memberikan kepada Universitas Sumatra Utara Hak Bebas Royalti Non-Eklusif (Non-Exclusive Royalty
Free Right) atas disertasi saya yang berjudul:
PEMBUATAN NANOKOMPOSIT POLIURETAN BERBASIS ASAM OLEAT MINYAK KELAPA SAWIT DENGAN NANOPARTIKEL MONTMORILLONIT
ORGANIK SEBAGAI BAHAN CAT
Beserta perangkat yang ada (jika diperlukan). Dengan Hak Bebas Royalti Non-Eklusif ini, Universitas Sumatra Utara berhak menyimpan, mengalih media, memformat, mengelola dalam bentuk data-base, merawat dan mempublikasikan disertasi saya tanpa meminta izin dari saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis dan sebagai pemegang dan atau sebagai pemilik hak cipta.
Demikian pernyataan ini saya perbuat dengan sebenarnya.
Medan, April 2015
KATA PENGANTAR
Puji syukur saya ucapkan kepada Allah SWT Yang Maha Pengasih lagi Maha
Penyayang atas segala nikmat dan karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan
penelitian dan penulisan disertasi ini.
Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terimakasih kepada Kementerian
Riset, Teknologi, dan Pendidikan Tinggi yang memberikan beasiswa kepada penulis
sebagai Mahasiswa Program Doktor Ilmu Kimia di Sekolah Pascasarjana Universitas
Sumatra Utara. Dengan selesainya disertasi ini penulis mengucapkan terima kasih
kepada :
Pejabat Rektor Universitas Sumatra Utara Bapak Prof. Subhilhar, Ph.D atas
kesempatan dan fasilitas yang diberikan kepada penulis untuk menyelesaikan
pendidikan program doktor.
Direktur Sekolah Pasca Sarjana Universitas Sumatra Utara dan Ketua
Program Studi Doktor Ilmu Kimia Bapak Prof. Basuki Wirjosentono, M.S, Ph.D atas
kesempatan yang diberikan kepada penulis untuk menjadi mahasiswa Program
Doktor Ilmu Kimia di Sekolah Pasca Sarjana Universitas Sumatra Utara.
Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Bapak Dr.
Sutarman, M.Sc atas kesempatan dan fasilitas yang diberikan kepada penulis untuk
menyelesaikan penelitian disertasi ini.
Direktur Politeknik Negeri Lhokseumawe Bapak Ir. H. Ridwan, M.T atas
kesempatan dan fasilitas yang diberikan kepada penulis untuk menyelesaikan
penelitian disertasi ini. Terimakasih dan penghargaan yang setinggi-tingginya
ditujukan kepada:
Bapak Prof. Dr. Harry Agusnar, M.Sc, M.Phill selaku ketua promotor yang
setiap saat dengan penuh perhatian memberikan bimbingan, motivasi dan sarana
dalam penyusunan disertasi ini.
Bapak Dr. T. Rihayat, M.T dan Bapak Saharman Gea, M.Si, Ph.D, selaku
motivasi dan saran dalam penyusunan disertasi ini.
Ketua Jurusan Teknik Kimia Politeknik Negeri Lhokseumawe Bapak Ir. M.
Yunus, M.T, serta seluruh teknisi laboratorium Teknik Kimia Politeknik Negeri
Lhokseumawe atas segala sarana dan bantuan yang diberikan dalam penelitian untuk
penyusunan disertasi ini. Bapak/Ibu Dosen Pasca Sarjana Program Studi Doktor Ilmu
Kimia yang telah membimbing dan memotivasi penulis sampai selesainya disertasi
ini.
Rekan- rekan Mahasiswa Program Doktor Ilmu Kimia Angkatan 2010 dan
teman sejawat di Politeknik negeri Lhokseumawe, Leli di Sekretariat Program Studi
Ilmu Kimia yang telah banyak membantu dalam penyelesaian dan pengolahan data
penelitian disertasi ini.
Ibunda tercinta, dan seluruh keluarga besar H. Abbas Amany (alm) dan keluarga
besar H. Moesa Arif (alm) sebagai sumber motivasi penulis dalam menyelesaikan
perkuliahan, penelitian dan penulisan disetasi ini.
Akhirnya penulis mengucapkan terimakasih kepada suami tercinta Ir. H. M.
Arifin Hakim, anak-anak kami Rahmarosyada dan Syahman Zhafiri, dengan kasih
sayang, kesabaran, pengertian, doa restu dan dorongan sehingga penulis dapat
menyelesaikan pendidikan Doktor Ilmu Kimia di Sekolah Pascasarjana Universitas
Sumatera Utara.
Penulis menyadari bahwa disertasi ini masih ada kekurangan, untuk itu saran
yang korektif sangat penulis harapkan dari semua pihak untuk perbaikan pada masa
yang akan datang.
Medan, April 2015
DAFTAR RIWAYAT HIDUP
Penulis lahir di Lubuk Pakam Sumatra Utara pada tanggal 10 November 1957,
anak ketiga dari tujuh bersaudara dari Bapak H. Abbas Amany (alm) dan Ibu Hj.
Agusnah. Penulis menimba ilmu di SD Negeri XI Langsa pada tahun 1964-1970.
Melanjutkan pendidikan di SMP Negeri I Langsa pada tahun 1971-1973, dan SMA
Negeri I Langsa pada tahun 1974-1976. Kemudian melanjutkan jenjang perkuliahan
di Jurusan Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas
Sumatra Utara Medan pada tahun 1977-1985. Lalu melanjutkan pendidikan pada
program Magister Ilmu Kimia di Universitas Sumatra Utara pada tahun 2000-2002.
Kemudian melanjutkan kembali pendidikan pada program Doktor Ilmu Kimia di
Universitas Sumatra Utara pada tahun 2010-2015. Sejak tahun 1988 sampai sekarang,
penulis bekerja sebagai staf pengajar pada jurusan Teknik Kimia Politeknik Negeri
Lhokseumawe. Jabatan Fungsional dan golongan terakhir penulis adalah Lektor
Kepala/IV/b.
Pengalaman seminar/publikasi dalam dua tahun terakhir ini yang berkaiatan
dengan disertasi adalah:
1. Sebagai pemakalah pada seminar Nasional Kimia 2013 di PPS USU Medan,
dengan judul: Preparasi Poliol dari Minyak Kelapa Sawit sebagai Bahan Baku
Poliuretan.
2. Sebagai pemakalah pada seminar Nasional Kimia 2014 di PPS USU Medan
dengan judul: Poliuretan/Montmorillonit untuk Lapisan Permukaan Berbasis
Minyak Kelapa Sawit.
3. Sebagai pemakalah pada seminar Internasional Himpunan Polimer Indonesia
2013 di Yogyakarta dengan judul: Preparation of Polyol from Palm Oil as Row
Material of Polyurethane Paint.
4. Journal Advanced Materials Research, Vols. 887-888 (2014) pp 566-569.
polyol) based polyurethanes coatings and its thermal stability improvment by
clay nanocomposite.
5. International Journal of ChemTech Research dengan judul; The Manufacture
of Palm Oil-based Polyurethane Nanocomposite with Organic Montmorillonit
i
Abstrak
Penelitian ini melaporkan tentang pembuatan nanokomposit poliuretan berbasis minyak kelapa sawit dengan nanopartikel montmorillonit organik sebagai pelapis cat. Penelitian ini terdiri dari lima tahap yaitu pembuatan poliol, pembuatan nanopartikel montmorillonit organik, pembuatan PU dengan nanopartikel montmorillonit organik, karakterisasi dan aplikasi nanokomposit poliuretan sebagai bahan pelapis cat. Poliol dibuat melalui reaksi epoksidasi dan hidroksilasi dari asam oleat minyak kelapa sawit. Nanopartikel montmorillonit organik dibuat melalui proses interkalasi montmorillonit dengan cetyl trimetyl ammonium bromida (CTAB). Pembuatan nanokomposit poliuretan (PU-MKS/MMT) dilakukan dengan menambahkan 5% nanopartikel montmorillonit organik dalam poliolsebelum dicampur dengan isosianat. Karakterisasi gugus fungsi nanokomposit poliuretan dilakukan dengan teknik Spektroskopi FT-IR dan sifat termal dengan teknik Thermogravimetri Analysis (TGA). Efektifitas komposit poliuretan sebagai bahan pelapis cat ditentukan dengan uji daya rekat dan daya kilap. Spektrum FT-IR nanokomposit poliuretan menunjukkan adanya serapan khas untuk gugus uretan. Hasil analisis termogram nanokomposit poliuretan berbasis minyak kelapa sawit dengan nanopartikel montmorillonit organik (PU-MKS/MMT) memiliki temperatur dekomposisi yang lebih tinggi dibandingkan tanpa penanbahan montmorillonit organik (PU-MKS) dan poliuretan komersil (PU-K). Efektifitas nanokomposit poliuretan sebagai pelapis cat telah diteliti. Daya rekat PUK dan PU-MKS meningkat setelah ditambah montmorillonit organik (PU-MKS/MMT) yaitu dari klasifikasi 2 (dua) menjadi klasifikasi 1 (satu). Demikian juga daya kilap meningkat, meningkat hingga 4% setelah ditambah montmorillonit organik.
ii
Abstract
This research reports the manufacture of palm oil-based polyurethane nanocomposite with organic montmorillonite nanoparticle as paint coating. This research consists of five stages namely the manufacture of polyol, organic montmorillonite nanoparticle, properties and application of polyurethane nanocomposite as paint coating. Polyols are formed by reacting epoxides with palm oil-based oleic acid hydroxyl. Organic montmorillonite nanoparticle was made through intercalation process of montmorillonite with cetyl trimeyl ammonium bromide (CTAB). Polyurethane nanocomposite (POB-PU/MMT) was made by adding 5% (b/b) of organic montmorillonite nanoparticle into polyol before being combined with Isocyanate. Polyurethane nanocomposite functional groups are characterized by spectroscopy FT-IR technique and its thermal characterized by using Thermogravimetric Analysis (TGA). The effectiveness of polyurethane nanocomposite as coating additive was determined from its adhesivibility and gloss index. FT-IR spectrum of polyurethane nanocomposite shows particular absorption of urethane. Thermogram analysis results indicate that palm oil-based polyurethane nanocomposite with organic montmorillonite nanoparticle has higher temperature of decomposition compared with the one without organic montmorillonite (Commercial PU) and commercial polyurethane. The effectiveness of polyurethane nanocomposite as paint coatings has been analyzed. Commercial PU and POB-PU adhesive forces increase from classification 2 (two) to classification 1 (one) after being added with organic montmorillonite (POB-PU/MMT). As well as adhesivibility, the gloss index also increases until 4%.
iii
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Minyak Kelapa Sawit 5
2.2 Isosianat 6
2.3 Senyawa Polihidroksi Alkohol 9
2.4 Polimer 12
2.5 Poliuretan 14
2.6 Cat dan Pelapis 15
2.7 Bentonit 16
2.7.1 Sifat Kimia dan Fisika Bentonit 18
2.7.2 Montmorillonit 20
2.7.3 Sifat Kimia Montmorillonit 20
2.7.4 Modifikasi Montmorillonit 22
iv
2.9 Fenomena Adesifitas 25
2.10 Nanokomposit 25
2.11 Pengujian dan Karakterisasi 26
2.11.1 Penentuan Bilangan Oksirana 26
2.12.1 Penentuan Bilangan Iod 26
2.12. 2 Analisa Gugus Hidroksil 26
2.12. Analisa Termal Gravimetri 26
2.13 Analisa Spektroskopi Inframerah 27
2.14 Scanning Elektron Mikroskopi 27
2.15 Analisa Difraksi Sinar-X 28
2.16 Pengujian Cat PU pada Aplikasi 28
2.16.1 Uji Daya Rekat 28
3.3 Prosedur Penelitian 30
3.3.1 Epoksidasi dan Hidroksilasi MKS 30
3.3.2 Pengolahan Bentonit menjadi MMT 31
3.3.3 Modifikasi MMT-CTAB 31
3.3.4 Pembuatan Cat Poliuretan 32
3.4 Karakterisasi Hasil Penelitian 33
3.4.1 Penentuan Bilangan Iod 33
3.4.2 Penentuan Bilangan Oksirana 33
3.4.3 Penentuan Gugus Hidroksil 34
v
3.4.5 Analisa FT-IR 34
3.4.6 Analisa Morfologi 34
3.4.7 Analisa Difraksi Sinar X 35
3.4.8 Pengujian Daya Rekat pada Aplikasi 35
A. Pengujian Daya Rekat Iso 2409 35
B. Pengujian Daya Kilap JIS K 7105 35
3.5 Bagan Percobaan 36
3.5.1 Bagan Pembuatan Epoksida 36
3.5.2 Bagan Pembuatan Poliol MKS 37
3.5.3 Bagan Prepaeasi Bentonit menjadi MMT 38
3.5.4 Bagan Pembuatan Poliuretan dan Aplikasi 39
BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Hasil Senyawa Poliol dari Minyak Kelapa Sawit 40
4.2 Hasil Karakterisasi Bentonit menjadi Montmorillonit 41
4.2.1 Karakterisasi menggunakan FT-IR 43
4.2.2 Karakterisasi Morfologi 46
4.2.3 Karakterisasi dengan Difraksi Sinar X 47
4.2.4 Pengujian Particle Size Analyzer 48
4.3 Hasil Karakterisasi PU sebagai Bahan Cat 49
4.3.1 Karakterisasi Reaksi Pembentukan PU dengan FT-IR 49
4.3.2 Karakterisasi Termal 51
4.3.3 Karakterisasi Morfologi 52
4.3.4 Karakterisasi Klasifikasi Daya rekat 54
4.3.5 Karakterisasi Daya Kilap Spesiment 55
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Ksimpulan 57
vi
DAFTAR PUSTAKA 58
vii
DAFTAR TABEL
Nomor Judul Halaman
Tabel 2.1 Komposisi Minyak Kelapa Sawit 6
Tabel 2.2 Komposisi Kimia Bentonit 19 Tabel 3.1 Komposisi Sampel 32 Tabel 4.1 Hasil Analisis MKS dan Epoksida MKS 40
Tabel 4.2 Bilangan Gelombang dengan gugus fungsi 42
Tabel 4.3 Bilangan Gelombang dengan gugus fungsi 49
Tabel 4.4 Bilangan Gelombang dengan gugus fungsi 50
Tabel 4.5 Kehilangan Berat pada Variasi Suhu temperatur 52
viii
DAFTAR GAMBAR
Nomor Judul Halaman
Gambar 2.1 Contoh Beberapa Senyawa Isosianat 7
Gambar 2.2 Poliol Poliester dan Poliolpolieter 11
Gambar 2.3 Struktur Montmorilonit 17
Gambar 2.4 Skematis Clay + Polimer 18
Gambar 2.5 Senyawa CTAB 22
Gambar 2.6 Skema Step Poliimida-MMT 23
Gambar 4.1 Spektrum FT-IR As.Oleat MKS, epoksida MKS, Poliol MKS 41
Gambar 4.2 Sampel Bentonit dan Hasil Isolasi 43
Gambar 4.3 Spektrum FT-IR Bentonit 43
Gambar 4.4 Spektrum FT-IR MMT Hasil Isolasi 44
Gambar 4.5 Spektrum FT-IR MMT Standar 45
Gambar 4.6 Foto SEM Bentonit Alam 46
Gambar 4.7 Foto SEM MMT Standar 46
Gambar 4.8 Foto SEM MMT Hasil Isolasi 47
Gambar 4.9 Spektrum XRD Bentonit, MMT Isolasi, MMT Standar 47
Gambar 4.10 Grafik Diameter MMT 48
Gambar 4.11 Aplikasi Pelapis PU pada Plastik ABS 49
Gambar 4.12 Spektrum FT-IR PU-K, PU-MKS dan PU-MKS/MMT 50
Gambar 4.13 Termogram PU-K, PU-MKS, PU-MKS/MMT 51
Gambar 4.14 Foto SEM Pelapis PU-K 53
Gambar 4.15 Foto SEM Pelapis PU-MKS 53
Gambar 4.16 Foto SEM Pelapis PU-MKS/MMT 54
ix
DAFTAR SINGKATAN
PU : Poliuretan
MKS : Minyak Kelapa Sawit
MMT : Montmorillonit
PU MKS : Poliuretan Minyak Kelapa Sawit
FT-IR : Forier Transform Infra Red
SEM : Scanning Electron Microscopy
DTA : Differential Thermal Analysis
XRD : X-Ray Difraction
MDI : Metilen Diisosianat
TDI : Toluen Diisosianat
HDI : Hexamethyl Diisosianat
TMDI : Trimethyl Diisosianat
CTAB : Cetyl Trimetyl ammoium bromide
ABS : Acrylated Butyral Styrena (plastik ABS)
TGA : Termogravimetri
PU : Poliuretane
CPO : Crude Palm Oil
x
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
1. Lampiran Gambar Aplikasi PU 64
2. Lampiran Data XRD Bentonit 66
3. Lampiran Data FT-IR Bentonit 67
4. Lampiran Data FT-IR Asam Oleat MKS 68
5. Lampiran Data FT-IR Epoksida Asam Oleat MKS 69
6. Lampiran Data FT-IR Poliol Asam Oleat MKS 70
7. Lampiran Data FT-IR Poliol PU-MKS 71
8. Lampiran Data FT-IR PU-MKS 72
9. Lampiran Data FT-IR PU+MKS/MMT 73
10. Lampiran Data FT-IR PU Komersil 74
11. Lampiran Data Uji Adhesive 75
12. Lampiran Data Uji Daya Kilap 76
13. Lampiran Klasifikasi ISO 2409 77
14. Lampiran Particle Size Analyzer MMT 78
15. Lampiran Bilangan Iod dan Peroksida MKS 79
16. Lampiran Bilangan Iod dan Peroksida Epoksida MKS 80
17. Lampiran TGA PU Komersil 81
18. Lampiran TGA PU-MKS 82
