Pembuatan poliuretan dari minyak jarak teralkoholis dan toluene diisocyanate (TDI) sebagai Fuel Binder Propelan

WIBOWO, Heri Budi, Promotor Prof.Dr.Ir. Sri Warnijati

2004 | Disertasi | S3 Ilmu Teknik

Penelitian poliuretan sebagai binder propelan sangat diperlukan dalam rangka penguasaan teknologi dirgantara nasional. Propelan terdiri atas amonium perkhlorat, binder, dan bahan tambahan berupa bubuk logam. Binder propelan yang paling banyak digunakan adalah poliuretan dengan bahan dasar HTPB (Hydroxy Terminated Polybutadiene). Fuel binder propelan adalah senyawa polimer hidrokarbon yang berfungsi merekatkan bahan oksidator dan bubuk logam menjadi bentuk komposit sebagai propelan. Pembuatan propelan dilakukan dengan polimerisasi bahan baku polimer tanpa menggunakan pelarut, kemudian dicampurkan bahan oksidator dan bubuk logam selama polimer belum mengeras, kemudian adonan dicetak dan diperam. HTPB merupakan bahan mahal dan sulit diperoleh sehingga perlu dicarikan alternatif pengganti yang murah dan banyak dijumpai di Indonesia. Minyak jarak teralkoholisis mungkin dapat menggantikan HTPB. Penelitian ini dimaksudkan untuk mempelajari kinetika reaksi polimerisasi pembentukan poliuretan antara minyak jarak teralkoholisis dengan TDI dan mencari keadaan proses polimerisasi yang menghasilkan elastomer poliuretan yang memenuhi persyaratan sebagai binder propelan. Bahan baku penelitian terdiri dari TDI (toluene diisocyanate) dan minyak jarak teralkoholisis. Minyak jarak teralkoholisis diperoleh dengan alkoholisis minyak jarak (Wiratni, 1995). Reaktor polimerisasi terdiri dari labu leher tiga kapasitas 500 mL yang dilengkapi termokopel, pengaduk, alat pengambil cuplikan, dan sirkulator air dingin dan panas. Reaksi TDI dengan minyak jarak teralkoholisis dilangsungkan pada kondisi bebas udara. Mula-mula minyak jarak teralkoholisis dimasukkan ke dalam reaktor, kemudian reaktor dipanaskan sampai mencapai suhu yang diinginkan. Setelah suhu reaktor yang diinginkan tercapai, maka ke dalam reaktor dialirkan gas nitrogen beberapa menit. Lalu TDI dimasukkan ke dalam reaktor secara cepat. Reaksi dijalankan selama 70 menit. Setiap interval 10 menit diambil sejumlah cuplikan (sekitar 2 mL) dan kadar isosianat sisa ditentukan. Setelah reaksi polimerisasi berlangsung 70 menit, poliuretan hasil dicetak dan diperam menurut metode Jain dkk. (1994). Elastomer poliuretan hasil ditentukan sifat mekaniknya (kuat tarik, kemuluran, dan kekerasan), pot life, dan Tg (transition glass temperature). Percobaan dilakukan xxiii pada suhu 30-70oC, RNCO 0,9-1,1, dan kecepatan pengadukan 100-400 rpm (rotasi per menit). Pada reaksi polimerisasi pembentukan poliuretan dari minyak jarak teralkoholisis dan TDI terjadi ikatan lurus (pembentukan gugus uretan) dan ikatan silang (pembentukan gugus alofonat). Reaksi minyak jarak teralkoholisis dengan TDI secara bulk paling baik didekati dengan model berdasarkan konsep aktivitas. Kesalahan estimasi rata-rata adalah 7,7%. Konsentrasi isosianat sisa semakin menurun dengan kenaikan suhu, kecepatan pengadukan, dan perbandingan NCO/OH (RNCO). Nilai tetapan kecepatan reaksi dapat dinyatakan dengan persamaan Arrhenius. Pengaruh suhu reaksi (T), kecepatan pengadukan (Nd), dan RNCO terhadap tetapan kecepatan reaksi polimerisasi untuk RNCO,min ≤ RNCO ≤ RNCO,mak dapat dituliskan sebagai berikut : (Rumua) RNCO,min ≤ RNCO ≤ RNCO,mak Nilai kL dan kL dinyatakan dengan satuan L mol-1 men-1 . Kuat tarik dan kekerasan elastomer poliuretan meningkat dengan naiknya RNCO, suhu polimerisasi, dan bilangan OH, sedangkan kemuluran menurun karena jumlah ikatan silang (gugus alofonat) meningkat. Semakin banyak ikatan silang yang terjadi, jaringan poliuretan yang terjadi semakin kuat dan keras. Persyaratan dasar suatu bahan (hidrokarbon) dapat digunakan sebagai binder propelan menurut Sarner (1966), antara lain memiliki kekerasan (Shore A) = 10-50, kuat tarik 2-20 kg/cm2, kemuluran 20-100%, suhu transisi gelas (Tg) <-10 oC, pot life >0,5 jam. Kondisi proses polimerisasi yang menghasilkan elastomer poliuretan yang memenuhi persyaratan fuel binder propelan (Sarner, 1966) adalah polimerisasi pada T=303,15-323,15K, Nd=100–200rpm, RNCO=1,05-1,1 untuk minyak jarak teralkoholisisis yang memiliki bilangan OH 125 & 130, dan RNCO=0,95-1,05 untuk minyak jarak teralkoholisis yang memiliki bilangan OH 150 & 200. Elastomer poliuretan yang dihasilkan memiliki kuat tarik 2,05-7,7 kg/cm2; kemuluran 40,6- 63,3%, kekerasan 28-45 (shore A), Tg -83 sampai -55oC, dan pot life 1-4 jam.

The investigation of polyurethane shynthesis that will be used as a propellant binder is very important in national aerospace technology. Fuel binder of propellant was hydrocarbon polymer compounds that bind oxydator dan metal powder to form composite. Polyurethane based on HTPB (Hydroxy Terminated Polybutadiene) is commonly used as propellant binder. Propellant based on HTPB and TDI was produced in bulk process HTPB and TDI. During the reaction, solution was added with solid oxydizer and additives (metal powder) until a viscous and homogeneous solution was obtained. Polymer produced was cast and cured at certain temperature. HTPB is very expensive and has significant role in an aerospace technology. Hence, it is necessary to look for alternative materials that can substitute HTPB. Alcoholyzed castor oil is one of the potential materials to substitute HTPB. The aim of this study was to investigate the kinetics of polyurethane formation in bulk process from alcoholyzed castor oil and TDI. Besides, it was also intended to look for polymerization process conditions that produces elastomer having characteristic that meets the requirement of propellant binder. The raw materials used were TDI (toluene diisocyanate) and alcoholyzed castor oil. Alcoholyzed castor oil was obtained from alcoholysis of castor oil (Wiratni, 1995). The reactor used was a 500 mL three neck flask equipped with a thermocouple, a stirrer, a sample syringe, and a hot or cold water circulator. First, alcoholyzed castor oil was poured into the flask. The reactor was then heated up to get the desired temperature. After a desired temperature was obtained, the flask was purged with nitrogen. TDI was quickly poured into the flask. The reaction was conducted for 70 minutes. The sample was taken every 10 minute interval and its NCO concentration was analyzed. At the end of the reaction, polyurethane product was poured into a cast and cured according to Jain methods (Jain et al., 1994). Its mechanical properties (tensile strength, elasticity, and hardness) were determined. The reaction was conducted at temperature 30-70oC, RNCO 0,9-1,1, and stirring rotation speed 100-400 rpm. Linear chain (urethane formation) and branch chain (alophonate formation) were simultaneously produced during the reaction of alcoholyzed castor oil with TDI. xxv The proposed kinetic model based on activity concept fitted very well with the experimental data. The average error of estimation is 7.6%. Isocyanate concentration decreased with the increase of temperature, stirrer rotation speed, and NCO/OH (RNCO). Reaction rate constants can be expressed by Arrhenius equation. The effect of T (temperature), Nd (stirrer rotation speed), and RNCO on polymerization rate constants were empirically expressed as follow : (formula) RNCO,min ≤ RNCO ≤ RNCO,mak The units of kL and kC are L mole-1 min-1. Tensile strength and hardness of polyurethane elastomer increased and its elongation decreased with the increase of temperature, RNCO, and OH number due to the increase of the number of crosslink (allophonate groups). The strength and hardness of the polyurethane networks increased with the increase of number of crosslink (allophonate groups). The appropriate characteristics of solid propellant binder material (Sarner, 1966) have hardness (Shore A) 10-50, tensile strength 2-20 kg/cm2, elasticity 20-100%, glass trantition temperature (Tg) <-10 oC, and pot life >0.5 jam. Polymerization process conditions that could produce elastomer polyurethane for propelllant binder in accordance with Sarner’s requirement were T=303.15- 323.15K, Nd=100–200 rpm, RNCO=1.05-1.1 for alcoholyzed castor oil having OH number 125 & 130, and RNCO=0.95- 1.05 for alcoholyzed castor oil having OH number 150 & 200. The produced elastomer has tensile strength 2.05- 7.7 kg/cm2, elasticity 40.6-63.3%, hardness 28-45 (shore A), Tg (-83) – (-55) oC, and pot life 1-4 hours.

Kata Kunci : Kinetika Reaksi,Poliuretan Minyak Jarak TDI,Binder Propelan