APLIKASI-APLIKASI POLIURETAN

Poliuretan memiliki banyak kegunaan, diantaranya sekitar 70 % digunakan sebagai busa,

selebihnya sebagai bahan elastomer, lem dan pelapis. Busa poliuretan yang elastis digunakan

sebagai isolator, termasuk laminat-laminat tekstil untuk pakaian musim dingin, panel

pelindung pada mobil, kain pelapis, tempat tidur, dan karpet dasar spon sintetis, sedangkan

busa yang keras digunakan dalam panel-panel konstruksi terisolasi, pengemasan barang-

barang lunak dan untuk furnitur ringan .

Selain itu, poliuretan digunakan sebagai bahan perekat logam, kayu, karet, kertas, kain,

keramik, plastik polivinilklorida (PVC), penyambung tangki bahan bakar cryogenic,

pelindung muka, kantong darah, dan poliuretan juga dapat diaplikasikan sebagai perekat

(isolasi) pada lemari es dan pesawat terbang.

Poliuretan disebut juga dengan polikarbamat yaitu turunan ester-amida dari asam karbonat.

Banyak diaplikasikan dalam bidang serat (spandex), bahan perekat, pelapis, elastomer, dan

busa-busa yang fleksibel dan kuat.

Poliuretan busa (Foam)

Sekitar 70% aplikasi dari poliuretan adalah foam. Foam didefinisikan sebagai

substansi yang dibentuk dengan menjebak gelembung gas di dalam cairan atau padatan.

Polyurethane foam diklasifikasikan ke dalam 3 tipe, yaitu flexible foam, rigid foam dan

semi rigid foam. Perbedaan sifat fisik dari 3 tipe polyurethane foam tersebut berdasarkan

pada perbedaan berat molekul, fungsionalitas polyol dan fungsionalitas isocyanate.

Berdasarkan struktur selnya, foam dibedakan menjadi dua, yaitu closed cell (sel tertutup)

dan opened cell (sel terbuka). Foam dengan struktur closed cell merupakan jenis rigid

foam sedangkan foam dengan struktur opened cell adalah flexible foam.

Polyurethane foam biasanya dibuat dengan menambahkan sedikit bahan volatile yang dinamakan sebagai bahan pengembang (blowing agent) untuk mereaksikan campuran. Acetone, methylene chloride dan beberapa chlorofluorocarbon (CFCl3) yang sering digunakan sebagai bahan pengembang (blowing agent) pada pembuatan polyurethane.

a. Pembentukan poliuretan foam

Terdapat dua sistem yang dapat digunakan untuk membentuk polyurethane yaitu

sistem one-step (one-shot process) dan Sistem two-step (prepolymer process). Sistem one-

step umumnya digunakan dalam pembentukan polyurethane foam, sedangkan sistem two-

step diaplikasikan pada produksi elastomer. Sistem one-step (one-shot process) adalah

semua bahan baku untuk menghasilkan polimer dicampur bersama-sama.

Ada dua reaksi kimia penting pada pembentukan polyurethane foam, reaksi pertama

adalah antara isocyanate dengan polyol membentuk polyurethane (reaksi 2.1). Reaksi kedua

adalah reaksi antara air dan isocyanate menghasilkan polyurea dan gas CO2 sebagai

chemical blowing agent.

Reaksi kimia secara sederhana dapat digambarkan sebagai berikut: Reaksi

pembentukan polyurethane :

R–NCO + HO–R1 R–NHCOO–R1 + 24 kcal/mol (1) Isocyanate alkohol Urethane

Reaksi pembentukan gas dan urea :

· Tahap I: R-NCO + H2O R–NH2 + CO2↑ + 22 kcal/mol (2) Isocyanate Air Amine Karbondioksida

· Tahap II : R-NH2 + R-NCO R-NH-CO-NH-R’ + 22 kcal/mol (3) Amine Isocyanate Urea

Adanya senyawa hidrogen aktif dalam air akan mempercepat reaksi antara air dan

isocyanate, dimana reaksi tersebut diawali dengan memproduksi asam karbamat yang tidak

stabil sehingga cepat terdekomposisi menjadi amine dan melepaskan gas CO2 sebagai

blowing agent. Selanjutnya amine akan bereaksi dengan isocyanate yang belum terkonversi

untuk menghasilkan urea sebagai hard segment.

Berdasarkan sifat – sifat yang dimiliki oleh masing – masing bahan yang digunakan, dalam

pembuatan polyurethane foam memberikan pengaruh interaksi antar bahan. Oleh karena itu

urutan pemasukan bahan dapat menjelaskan mekanisme reaksi yang terjadi diantaranya

adalah :

1. Pembentukan emulsi air – polyol (Polypropylene Glycol/Castor Oil) oleh surfaktan

Surfaktan berperan dalam proses pembentukan emulsi. Gugus hidrofil surfaktan akan

mendorong molekul – molekul air sedangkan gugus hidrofob memecah tegangan

permukaan polyol sehingga terbentuk miscelle. Dengan terbentuknya miscelle, air akan

mudah tersebar didalam campuran. Gugus hidrofilik akan memberikan efek proteksi

terhadap air karena akan mengurangi difusifitas antar muka (Lim dkk, 2008).

2. Blending Emulsi Polyol dengan Ethylene Glycol dan Triethylene Diamine Pada sistem

miscelle air - polyolethylene glycol akan kalah berkompetisi dalam hal pengaktifan atom

hidrogen. Hal ini dikarenakan ethylene glycol berjumlah sedikit dan tidak dapat

tercampur sempurna karena ethylene glycol lebih bersifat polar dibandingkan polyol

yang sudah membentuk sistem emulsi terlebih dahulu. Hal ini disebabkan karena rantai

alkana ethylene glycol lebih pendek dan memiliki gugus hidroksil. (Fessenden,1986)

3. Pengaktifan hidroksil pada parsial Castor Oil (C.O) oleh Stannous Octoate (S.O) Pada

tahap ini castor oil tidak mendapatkan competitor untuk berikatan dengan stannous

octoate sehingga stannous octoate pada campuran ini seluruhnya mengaktifkan hidrogen

castor oil (Steven,2011).

4. Tahap reaksi dengan Toluene diisocyanate (TDI) Gugus isocyanate yang paling reaktif

pada TDI adalah gugus nomor 2 atau yang dekat dengan gugus fungsi toluene yaitu gugus

metil (Sparrow,1996). Pada awal TDI dimasukkan ke dalam reaktor, castor oil cenderung

hanya bereaksi dengan gugus isocyanate yang lebih reaktif. Sedangkan PPG berkompetisi

bereaksi dengan TDI menutup gugus isocyanate yang ada sehingga akan terbentuk dua

jenis dimer urethane. Setelah konsentrasi polyol berkurang karena telah bereaksi dengan

TDI, ethylene glycol molekul kecil yang dapat bergerak karena adanya tolak menolak dan

tarik – menarik dari polaritas campuran akan mudah menumbuk TDI untuk bereaksi.

Kemudian proteksi miscelle pada air akan mulai renggang dan menaikkan difusifitas antar

muka sehingga air akan bereaksi dengan TDI membentuk urea. Kedua reaksi tersebut akan

membentuk hard segment pada rantai polimer. Dimer castor oil akan cenderung mencari

urea dan bereaksi membentuk prepolimer. Hal ini disebabkan oleh gaya tarik yang

dihasilkan oleh urea lebih besar karena keelektronegatifan atom – atomnya yang tinggi

(Fessenden,1986). Sedangkan dimer PPG akan bereaksi dengan ethylene glycol – TDI.

Kedua jenis prepolimer ini dapat terhubung dengan satu sama lain dengan dijembatani

oleh hard segment urethane linkage dan urea linkage sehingga dapat terbentuk

polyurethane (Wang,1998).

Proses foaming

Pada proses foaming gas yang terbentuk terlarut di dalam polimer hingga mencapai batas

saturasi. Saat proses foaming terjadi proses nukleasi yaitu terbentuknynuklei – nuklei yang

akan tumbuh menjadi bubble. Proses nukleasi ini terjadi pada kondisi supersaturasi yang

tinggi karena kenaikan suhu yang disebabkan oleh kalor yang tergenerasi sehingga

menyebabkan gas berada di luar batas kelarutan. Hal ini mengakibatkan konsentrasi gas di

dalam polimer berkurang karena gas berdifusi ke dalam nuklei sehingga tumbuh dan

berkembang menjadi bubble. Oleh karena itu terjadi ekspansi volume polyurethan foam.

Menurut Luis D. Artavia dan Christopher W. Macosko, perubahan material struktur sel

selama foaming terbagi menjadi 4 tahap :

1. Nukleasi gelembung gas (Bubble nucleation) 2. Foam liquid 3. Pemisahan fase 4. Foam ElastomerBeberapa bahan tambahan yang dapat digunakan untuk membentuk foam poliuretan,

diantaranya adalah

1. Bahan pengembang (blowing agent)

Bahan pengembang (blowing agent) terbagi menjadi dua yaitu:

- Blowing agent fisika: gas-gas (udara, nitrogen atau karbondioksida) yang oleh tekanan larut dalam polimernya.

- Blowing agent kimia yang terurai oleh pemanasan untuk melepaskan gas, contoh: cairan bertitik didih rendah seperti metilen clorida, aseton, dan CFCl3.

2. Katalis

Katalis poliuretan diklasifikasikan menjadi dua katagori yaitu:

- Senyawa amina fungsinya untuk mempercepat reaksi isosianat-air dan reaksi

isosianat-poliol. Contoh: trietilamina, trietilen diamina, dll

- Kompleks organologam sebagai katalis yang kuat untuk reaksi isosianat-poliol.

Contoh: stannous oleate, dan stannous octoate.

3. Surfaktan

Surfaktan adalah senyawa yang molekul-molekulnya mempunyai dua ujung yang

berbeda interaksinya. Surfaktan yang dapat digunakan merupakan surfaktan berbasis

silicon oil. Surfaktan, berfungsi untuk menurunkan tegangan permukaan antara liquid-

liquid atau liquid-solid, mencampur komponen-komponen yang tidak saling larut,

memperbaiki penampilan struktur sel, untuk stabilitasi ekspansi foam saat

mengembang, pengontrol ukuran sel, menghasilkan tipe struktur sel yang diinginkan

seperti sel terbuka (opened cell) atau sel tertutup (closed cell)

4. Chain extender

Penambahan chain extender dapat meningkatkan panjang hard segment agar diperoleh

pemisahan mikrofase yang lebih sempurna. Tanpa penambahan chain extender,

poliuretan yang dihasilkan biasanya memiliki properti mekanis yang kurang baik dan

menunjukkan adanya pemisahan mikrofase yang tidak sempurna. Chain extender

dapat dikategorikan menjadi dua kelas, yaitu diol dan diamina. Secara umum, chain

extender yang berupa diol atau diamina alifatik akan menghasilkan material yang

lebih lembut daripada chain extender aromatik.

Poliuretan Sebagai Serat(spandex)

Benang poliuretan (spandex) dapat didefinisikan sebagai berikut: suatu serat buatan yang

substansinya merupakan rantai polimer sintetik yang panjangnya meliputi sedikitnya 85 %

adalah poliuretan yang disegmentasi.

Dieropa serat poliuretan lebih dikenal dengan nama serat elastan sedangkan di Amerika lebih

dikenal dengan dengan nama Spandex. serat poliuretan dibuat dengan polimerisasi adisi

dengan teknik pemintalan yaitu pemintalan basah, kering atau leleh. Sebagian besar serat

poliuretan dipintal dengan cara pemintalan kering seperti serat lycra yang diproduksi oleh Du

pont Amerika. Serat poliuretan (spandex) selalu dikombinasikan dengan serat lain. Serat

poliuretan dapat dibuat dalam bentuk benang plos (bare yarn), suatu filamen yang tidak

dibungkus, benang terbungkus tunggal (single covered yarn), benang terbungkus ganda

(double covered yarn) atau benang inti-antihan (core spun yarn). Bentuk yang sering

digunakan adalah serat dibungkus dengan serat lain dan poliuretan.

 Struktur Fisika Serat Poliuretan

Struktur molekul rantai serat poliuretan terdiri dari:

1. Bagian yang panjang dinamakan bagian yang lunak (soft); sangat fleksibel, elastis seperti

karet, dan tidak kristalin, biasanya terdiri dari polialkohol. Bagian yang lunak ini mudah

berubah shingga tekanan yang rendah pun dapat menghasilkan perpanjangan serat yang

besar. Berat molekul bagian yang lunak ini mempengaruhi sifat serat poliuretan. Dengan

naiknya berat molekul bagian yang lunak (pada komposisi bagian yang keras=konstan)

menyebabkan gaya elongasi menurun pada elongasi yang sama.

2. Bagian yang pendek dinamakan bagian yang keras (hard); kaku, kristalin, polar dan

mempunyai kecenderungan untuk saling melekat dengan yang lainnya (mempunyai daya

ikatan antar molekul yang kuat yaitu ikatan hidrogen) sehingga membentuk jaringan ikatan

silang. Bagian ini terdiri dari gugus isosianat dan tidak berubah selama terjadi deformasi.

Bagian yang keras menyebabkan benang berbalik kembali ke panjang semula ketika tekanan

dilepaskan setelah deformasi.

Sifat-sifat serat Poliuretan

Sifat Fisika serat Poliuretan

1.    Kekuatan dan mulur

Kekuatan serat poliuretan ± 0,7 g / denier ekiuvalen dengan ± 4 g / denier

putus. Mulur sebelum putus 520 – 610 %. Mulur dapat dikurangi oleh

penggunaan sedikit agen ikatan silang seperti triol atau triaminin, selama

pemanasan dan juga oleh penarikan dan proses pemantapan panas serat.

2.    Berat jenis

Berat jenis serat poliuretan adalah 1,05.

3.    Moisture Regain

Moisture regain serat poliuretan dalam keadaan standar adalah 0,3 %.

4.    Mengekeret

Serat poliuretan tidak mengkeret dalam air dibawah titik didih.

5.    Konduktor panas

Serat poliuretan bukan penghantar panas yang baik

6.    Elastisitas

Serat poliuretan dapat ditarik 6-7 kali perelaksasi sebelum putus. Serat poliuretan bisa ditarik

500-700 % dari bentuk asalnya. Penarikan 50% pulih 93,5-96%.

7.    Daya lenting (resilience)

Daya lenting dan fleksibilitas serat poliuretan sangat tinggi. Sifat pemulihan bentuk yang

sangat cepat ini memberikan kenampakan yang rata dan rapi pada kain.

8.    Efek panas

Titik lunak serat poliuretan adalah 170-230 ℃Titik leleh serat poliuretan adalah 230-290 ℃

9.    Efek cahaya

Serat poliuretan mempunyai ketahanan terhadap cahaya yang baik tap

dalam waktu yang lama akan kehilangan sedikit kekuatanya dan sedikit

kuning.

Sifat Kimia Serat Poliuretan

1.   Efek Zat Pengelantang

Warna Serat  poliuretan sudah putih walaupun derajat putih bervariasi. Pada beberapa kondisi

akan menyebabkan poliuretan menguning dan kekuatannya berkurang, misal dengan adanya

zat pengelantang seperti kalsium hipoklorit, natrium hipoklorit, hidrogen peroksida.

2.   Efek air laut

Serat poliuretan tidak terpengaruh oleh air laut.

3.   Kemampuan pencucian

Semua jenis serat poliuretan tidak terpengaruh oleh pelarut pencucian kering (dry cleaning).

Dapat dicuci dengan mesin cuci suhu 60 ℃dan pencucian kering pada suhu 80℃.

4.   Pelarut

Serat poliuretan larut dalam dimetil formamida mendidih

5.   Reaksi dengn alkali

Serat poliuretan memiliki ketahanan yang baik terhadap beberapa alkali.

6.   Reaksi dengan asam

Serat poliuretan mempunyai ketahanan yang baik terhadap beberapa asam.

7.   Ketahanan terhadap keringat

Serat poliuretan mempunyai ketahanan yang baik terhadap degradasi oleh keringat.

8.   Ketahanan terhadap minyak

Serat poliuretan mempunyai ketahanan yang tinggi terhadap minyak tubuh, kosmetik dan

lotion pelindung sinar matahari.

Sifat Biologi Serat Poliuretan

Serat poliuretan mempunyai ketahanan terhadap lapuk yang baik dan tidak terpengaruh oleh

ngengat.

Gambar-gambar

Poliuretan sebagai elastomer Poliuretan sebagai foam

Poliuretan sebagai serat spandex