BAB VI

UREA FORMALDEHID

6.1. Tujuan Percobaan

- Mempelajari polimerisasi kondensasi urea formaldehid

- Mengetahui reaksi pembentukan polimer urea formaldehid

6.2. Tinjauan Pustaka

Polimer, atau kadang-kadang disebut makromolekul, ialah molekul besar yang

dibangun dari perangkaian berulang sejumlah besar satuan yang lebih kecil yang disebut

monomer. Polimer dapat tergolong alami atau sintetik. Polimer alami yang paling

penting ialah karbohidrat (pati,selulosa), protein, dan asam nukleat (DNA, RNA).

Polimer sintetik dapat digolongkan ke dalam dua jenis, bergantung pada

bagaimana cara pembuatannya. Polimer adisi (juga disebut polimer rantai-tumbuh,

chain-growth polymer) dibuat melalui adisi satu unit monomer ke unit lain dengan cara

berulang-ulang. Polimer kondensasi (juga dinamakan polimer seselangkah, step-growth

polymer) biasanya dibuat melalui reaksi di antara dua jenis gugus fungsi, dengan

melepas beberapa molekul kecil, seperti air. [3]

Ikatan pada molekul polimer umumnya dibagi menjadi empat jenis, seperti

dijelaskan berikut ini.

- Ikatan ion, ikatan yang kuat dan terjadi di antara unsur-unsur yang mempunyai

keelektronegatifan. Pada polimer ikatan jenis ini tidak begitu penting.

- Ikatan kovalen, ikatan ini juga cukup kuat dan mempunyai energi kira-kira 50 sampai

100 kkal/bilangan Avogadro ikatan.

- Ikatan hidrogen, ikatan ini lemah dan mempunyai energi berkisar 2-5 kkal.

- Ikatan hasil interaksi dipol-dipol, ikatan ini mempunyai energi kurang dari satu kkal

(ikatan ini terjadi antarmolekul). [5]

Thermoplastic adalah polimer yang tidak memiliki ikatan silang antar molekul.

Material thermoplastic dapat ditemukan dalam struktur linear atau bercabang. Sebuah

material thermoplastic yang mengalami proses pemanasan, akan menjadi cairan yang

sangat kental yang dapat dibentuk dengan menggunakan peralatan pengolahan plastik.

Tidak perduli berapa kali pun proses tersebut diulang, thermoplastic akan selalu

melunak bila dipanaskan dan mengeras jika didinginkan. Terdapat 22 jenis plastik yang

termasuk dalam kategori ini.

Sedangkan thermoset memiliki sifat yang sebaliknya. Thermoset memiliki

ikatan silang antar molekul yang kuat dan apabila dipanaskan akan mengalami

perubahan kimia sehingga bentuknya tidak dapat kembali. Dalam kondisi mentah

umumnya thermoset berbentuk tepung atau cair. Karena sifatnya yang mudah didaur

ulang, maka jenis plastik thermoplastic akan lebih tepat untuk dikembangkan sebagai

material dalam bangunan. Dengan demikian material bangunan ini tidak menjadi

sampah ketika bangunan tersebut dihancurkan atau ingin mengganti material lain, tetapi

dapat didaur ulang menjadi produk yang dapat bermanfaat. [2]

Urea-formaldehid (dikenal juga sebagai urea-metanal) adalah suatu resin atau

plastik thermosetting yang terbuat dari urea dan formaldehid yang dipanaskan dalam

suasana basa lembut seperti amoniak atau piridin.

Reaksi urea-formaldehid merupakan reaksi kondensasi antara urea dengan

formaldehid. Pada umumnya reaksi menggunakan katalis hidroksida alkali dan kondisi

reaksi dijaga tetap pada pH 8-9 agar tidak terjadi reaksi Cannizaro, yaitu reaksi

diproporsionasi formaldehid menjadi alkohol dan asam karboksilat. Untuk menjaga agar

pH tetap maka dilakukan penambahan natrium karbonat sebagai buffer ke dalam

campuran. Struktur urea-formaldehid sebagai berikut:

Gambar 6.2.1 Struktur molekul urea-formaldehid

Reaksi ini secara umum berlangsung dalam 3 tahap yakni inisiasi, propagasi

(kondensasi), dan proses curing.

- Tahap metilolasi, yaitu adisi formaldehid pada gugus amino dan amida dari urea,

dan menghasilkan metilol urea.

- Tahap selanjutnya propagasi, yaitu reaksi kondensasi dari monomer-monomer dan

dimetilol urea membentuk rantai polimer yang lurus.

- Tahap terakhir adalah proses curing yaitu ketika kondensasi tetap berlangsung,

polimer membentuk rangkaian 3 dimensi yang sangat kompleks dan menjadi resin

thermosetting. Resin thermosetting mempunyai sifat tahan terhadap asam, basa,

serta tidak dapat melarut dan meleleh. Temperatur curing dilakukan pada sekitar

temperatur 120 oC dan pH < 5.

[4]

Secara umum, senyawa amino pada senyawa organik dapat direaksikan dengan

berbagai senyawa aldehid yaitu melalui reaksi polikondensasi yang menghasilkan suatu

polimer yang kompleks. Reaksi yang terjadi:

Gambar 6.2.2 Reaksi polikondensasi membentuk polimer kompleks

Dalam penelitian ini digunakan urea sebagai senyawa amino dan formaldehid

sebagai senyawa aldehid. Reaksi polikondensasi sendiri atas 2 langkah, yaitu reaksi

adisi dan reaksi kondensasi. Pada reaksi adisi terjadi reaksi antara formaldehid dengan

gugus hidroksil. Reaksi ini disebut metilolisasi atau hidroksi metilisasi yang akan

membentuk monometilol urea dan dimetilol urea. Reaksi adisi terjadi sebagai berikut:

(amida) (aldehida) (urea)

(urea) (formaldehid) (monomer urea-formaldehid)

Gambar 6.2.3 Reaksi adisi antara formaldehid dengan gugus hidroksil

Gugus aldehid menarik satu atom H dari gugus NH2, menjadi gugus metilol.

Urea mempunyai 4 atom H di gugus amina, maka dimungkinkan hasil reaksinya

berbentuk monometilol sampai tetrametilol urea. Reaksi ini dapat terjadi dalam suasana

asam atau basa. Selanjutnya terjadi reaksi kondensasi antara unit monomer yang disertai

pembebasan H2O untuk membentuk sebuah dimer, sebuah rantai polimer, atau sebuah

jaringan polimer yang kompleks. Berikut reaksinya:

Gambar 6.2.4 Reaksi kondensasi antara unit monomer yang disertai pembebasan H2O

Gugus –OH dari metilol bereaksi dengan –H dari –NH2 atau –NH- urea dan

menghasilkan H2O. Reaksi ini berlangsung terus, sehingga membentuk rantai yang

panjang, bahkan beberapa posisi menjadi rantai cabang. Reaksi ini yang membentuk

polimer urea-formaldehid, dengan ikatan antar urea dihubungkan oleh gugus metilen

(-CH2-). Makin besar ukuran polimer atau panjang rantai yang terbentuk, polimer ini

makin sukar larut dalam air.

Adanya ikatan rantai cabang (network) karena reaksi crosslink membuat

polimer yang terjadi semakin keras. Reaksi kondensasi ini dipengaruhi oleh tingkat

keasaman larutan. Pada kondisi asam (pH<7), kecepatan reaksi sebanding dengan

konsentrasi ion hidrogen, tetapi pada kondisi basa, reaksi kondensasi berjalan lambat.

Dengan turunnya pH, kecepatan polimerisasi meningkat dengan cepat sehingga

viskositas larutan juga semakin besar. [1]

Faktor-faktor yang mempengaruhi reaksi urea-formaldehid:

- Katalis

Penggunaan katalis pada suatu reaksi akan meningkatkan laju reaksi tersebut. Begitu

juga yang terjadi pada reaksi urea-formaldehid ini. Laju reaksinya akan meningkat

jika digunakan katalis. Katalis yang diguanakan pada percobaan ini adalah NH4OH

karena reaksi ini berlangsung pada kondisi basa.

- Temperatur

Kenaikan temparatur juga dapat menurunkan berat molekul (Mr) resin urea-

formaldehid. Hal tersebut dikarenakan adanya pembentukan pusat-pusat aktif yang

baru, sehingga memperkecil ukuran molekul resin.

- Waktu reaksi

Jumlah dan sifat produk yang dihasilkan dari suatu reaksi juga dipengaruhi oleh

waktu reaksi. Makin lama waktu reaksi, jumlah produk yang dihasilkan makin

banyak akibatnya, resin yang dihasilkan akan berkadar tinggi dan memiliki Mr

tinggi. [4]

Keuntungan dari perekat urea-formaldehid antara lain larut dalam air, keras,

tidak mudah terbakar, sifat panasnya baik, tidak berwarna ketika mengeras, dan

harganya murah. [6]

(monomer urea-formaldehid) (polimer urea-formaldehid) (air)

Kerugian penggunaan urea-formaldehid sebagai resin dibandingkan polimer

lain adalah resistensinya terhadap kadar air (moisture) apalagi jika dikombinasikan

dengan panas. Kondisi ini dapat menyebabkan reaksi balik dan melepaskan monomer-

monomer yang belum sempurnya bereaksi membentuk polimer. Monomer ini biasanya

beracun misalnya formaldehid yang dapat menyebabkan kanker.

Polimer jenis ini banyak digunakan di industri untuk berbagai tujuan seperti:

- Bahan adesif (61 %)

- Papan fiber berdensitas medium (27 %)

- Harwood plywood (5 %)

- Laminasi (7 %)

- Produk mebelir (furniture) [4]

6.3. Tinjauan Bahan

- Aquadest

Rumus molekul : H2O

Bentuk fisik : cairan tak berwarna dan tidak berbau

Berat molekul : 18,02 g/mol

Densitas : 0,62 g/cm3

Titik didih : 100 oC

Titik beku : 0 oC

- Amonium hidroksida

Rumus molekul : NH4OH

Bentuk fisik : cairan tak berwarna dan berbau amonia

Berat molekul : 35,05 g/mol

Densitas : 0,89 g/cm3

Titik didih : 27 oC

Titik beku : - 69,2 oC

- Formaldehid

Rumus molekul : H2OC

Bentuk fisik : cairan tak berwarna dan berbau menyengat

Berat molekul : 30,02 g/mol

Densitas : 1,03 g/cm3

Titik didih : 98 oC

Titik beku : - 15 oC

- Natrium karbonat

Rumus molekul : Na2CO3

Bentuk fisik : padatan putih tidak berbau

Berat molekul : 105,99 g/mol

Densitas : 1,55 g/cm3

Titik didih : 400 oC

Titik beku : -851 oC

- Urea

Rumus molekul : CH4N2O

Bentuk fisik : padatan warna pink

Berat molekul : 60,06 g/mol

Densitas : 2,07 g/cm3

Titik didih : 1323 oC

Titik beku : 132,7 oC

6.4. Alat dan Bahan

A. Alat - alat yang digunakan:

- alumunium foil

- batang pengaduk

- beakerglass

- botol aquadest

- corong kaca

- gelas ukur

- karet penghisap

- kertas pH

- labu leher tiga

- oven

- pipet volume

- refluks kondensor

- waterbath

B. Bahan-bahan yang digunakan:

- amonium hidroksida (NH4OH)

- aquadest (H2O)

- asam sulfat (H2SO4)

- formalin (H2OC)

- natrium karbonat (Na2CO3)

- urea (CH4N2O)

6.5. Prosedur percobaan

Pembuatan resin urea-formaldehid skala laboratorium

- masukkan 100 ml formalin (37%-w/w) ke dalam labu bundar berleher yang

dilengkapi kondensor, termometer, agitator, dan waterbath (heater)

- tambahkan 0,425 gram Na2CO3 sebagai buffering agent

- tambahkan 43,35 ml NH4OH sebagai katalis

- tambahkan 53,23 gram urea kemudian aduk secara teratur hingga tampak

homogen

- panaskan larutan secara perlahan sampai mendidih

- setelah mendidih, akan terjadi refluks

- stelah terjadi refluks, atur temperatur heatet menjadi 65 °C

- panaskan selama 3 jam sejak terjadi refluks pertama

- setelah 3 jam, ambil larutan secukupnya kemudian dimasukkan dalam wadah

tahan panas misalnya cawan penguap

- masukkan larutan dalam cawan penguap ke dalam oven dengan temperatur

pemanasan sekitar 120 °C selama 24 jam hingga larutan mengeras

membentuk resin

6.6. Data Hasil Pengamatan

Tabel 6.6.1. Data Pengamatan Reaksi

No Perlakuan Pengamatan Kesimpulan

1.

2.

3.

4.

H2CO + Na2CO3H2O lar.A

A + NH4OH lar.B

B + urea lar.C

C lar.D (hingga

mendidih)

D lar.E suhu 65 C

selama 3 jam

Lar.E dioven pada suhu 120C

selama 1 jam

Lar.E di teruskan dioven pada

suhu 120C selama 6 jam

Lar.E dicuplik dan didiamkan

pada suhu ruang

Agak keruh

Agak keruh

Keruh

- Terdapat

gelembung

- warna keruh

Warna keruh

Larutan E menjadi

mulai sedikit

mengental

Larutan E benar-

benar mengental

Larutan E yang

semula kental

menjadi sangat

keras

Terjadi perubahan

warna

Tidak terjadi

perubahan warna

Terjadi perubahan

warna

- Air sudah mendidih

- tidak ada perubahan

warna

Tidak ada perubahan

warna

Mulai nampak bentuk

resin urea formaldehid

Terbentuk resin urea-

formaldehid

Terbentuk resin urea-

formaldehid

Tabel 6.6.2. Data Pengamatan Gambar

No. Gambar Keterangan

1.

2.

3.

Pecampuran seluruh bahan-bahan, yaitu

formalin, urea, dengan katalis NH4OH, dan

buffer Na2CO3.

Setelah pecampuran seluruh bahan, larutan

urea-formaldehid akan dipanaskan dengan

menggunakan hotplate pada suhu 70 oC

hingga mendidih. Setelah mendidih,

dipanaskan lagi pada suhu 65 oC selama 2

jam. Tahap ini digunakan untuk memenuhi

tahap metilolasi dan propagasi.

Setelah melalui proses refluks, larutan

dituangkan kedalam loyang dan

dipanaskan dalam oven pada suhu 120 oC.

Hal ini dilakukan untuk memenuhi tahapan

curing.

4. Setelah dipanaskan di oven, menghasilkan

resin urea-formaldehid.

6.7. Persamaan Reaksi

6.8. Pembahasan

- Reaksi kondensasi yang terjadi pada pembuatan urea-formaldehid adalah reaksi

kondensasi antara unit monomer yang disertai pembebasan H2O untuk

membentuk sebuah dimer, sebuah rantai polimer, atau sebuah jaringan polimer

yang kompleks.

- Gugus –OH dari metilol bereaksi dengan –H dari –NH2 atau –NH- urea dan

menghasilkan H2O. Reaksi ini berlangsung terus, sehingga membentuk rantai

yang panjang, bahkan beberapa posisi menjadi rantai cabang. Reaksi ini yang

membentuk polimer urea-formaldehid, dengan ikatan antar urea dihubungkan

oleh gugus metilen (-CH2-). Makin besar ukuran polimer atau panjang rantai

yang terbentuk, polimer ini makin sukar larut dalam air.

- Menurut teori, pada umumnya reaksi dijaga tetap pada pH 8-9 agar tidak

terjadi reaksi Cannizaro yaitu reaksi diproporsionasi formaldehid menjadi alkohol

dan asam karboksilat. - Untuk menjaga pH tetap dan tidak berubah tiba-tiba secara drastis, maka dilakukan

penambahan Na2CO3 sebagai buffer ke dalam campuran. - Refluks digunakan untuk mempercepat terjadinya reaksi dengan pemanasan tanpa

mengurangi volume zat yang bereaksi, sebab pelarut yang menguap dapat

terkondensasi dengan adanya kondensor tegak pada rangkaian refluks. - Dimasukkan ke dalam oven untuk memenuhi tahap curing yang merupakan tahap

akhir pembuatan resin urea-formaldehid.

(urea) (formaldehid) (monomer urea-formaldehid)

(monomer urea-formaldehid) (polimer urea-formaldehid) (air)

6.9. Kesimpulan

- Dalam pembuatan urea-formaldehid terjadi reaksi antara urea dan formalin

dengan penambahan larutan NH4OH sebagai katalis dan larutan Na2CO3

sebagai buffer. Kemudian melalui proses refluks dan pengeringan di oven

diperoleh resin urea-formaldehid.

VI. Urea Formaldehida

1. Penentuan jumlah formaldehida

formalin = 1,079 g/mL

V = 100 mL

massa formalin = 100 × 1,079

= 107,9 gram

jika larutan formalin 37%

massa formaldehid = 0,37 × 107,9

= 39,923 gram

mol formaldehid =

=

= 1,331 mol

2. Penentuan jumlah urea

misal F/U = 1,65

mol urea = 0,806 mol

massa urea = n × Mr

= 0,806 × 66

= 53,23 gram

3. Katalis dan Buffer

Diketahui :

massa katalis 5% masa total = 0,05 X

massa buffer 5% masa katalis = 0,05 . 0,05 X

massa NH4OH yang digunakan adalah 21% W/W = 40,48 gram

ρ NH4OH = 0,934 g/cm3

Ditanya :

Massa total bahan (X), V NH4OH, dan Massa Na2CO3.....?

Penyelesaian

- X = massa (formalin + urea + katalis + buffer)

X = 107,9 + 53,23 + 0,05 X + 0,05 .0,05 X

0,9475 X = 161,13

X = 170,058 gram

- V NH4OH =

ρ

=

= 43,35 mL

- Massa Na2CO3 = 0,05 . 0,05 X

= -

170,058

= 0,425 gram

DAFTAR PUSTAKA

Amanda, Bernadeta Ariane. 2010. Pembuatan mikrokapsul dari urea-formaldehid,

Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik UGM. Yogyakarta.

Felixon, Kandy. 2011. Penelitian Terhadap Pengembangan Penggunaan Material

Plastik (Polikarbonat) Pada Selubung Bangunan, Jurusan Arsitektur, Fakultas

Teknik Universitas Tarumanagara. Palembang.

Hart, Harold., Leslie E. Craine, & David J. Hart. 2003, Kimia Organik Suatu Kuliah

Singkat, Erlangga, Jakarta.

Resin Urea-Formaldehid” http://www.id.wikipedia.org diakses 13 Desember 2013.

S. Riswiyanto. Kimia Organik, Erlangga, Jakarta.

Sari, Nasmi Herlina. 2011. Ketahanan bending komposit hybrid serat batang

kelapa/serat gelas dengan matrik urea formaldehyde, Jurusan Teknik Mesin,

Fakultas Teknik Universitas Mataram. Lombok.