Terbit di Prosiding SemNas Jasakiai Desember 2008 ISSN 0854-4778 hal 573-580

Kendra Hartaya, Jr

PENELITIAN PEMBUATAN PROPELAN DOUBLE BASENITROGLISERIN DAN NITROSELULOS

Kendra HartayaSukandi Nasir Rohili

Geni RositaHeri Budi Wibowo

Lembaga Penerbangan dan Antariksa Nasional, RumpinTromol Pos 7 Tangerang telp 021-75790037Fax 021-75790383

Abstrak

Telah dilakukan penelitian pembuatan propelan double base dari bahan dasar teknis. Pembuatan propelan dilakukan dengan mencampur komponen utama dan bahan aditif. Bahan aditif ini berperan sebagai stabiliser dan plastisiser. Bahan aditif diperoleh di pasaran dan merupakan bahan murni (p.a). komponen utama adalah nitrogliserin dan nitroselulose yang disintesis dari bahan dasar teknis secara reaksi kimia nitrasi dengan media asam sulfat. Pengujain produk dari keberhasilan pembuatan nitroselulose dan nitrogliserin tidak dilakukan secara kimia karena kesulitan mendapatkan cara dan peralatan di dalam negeri. Selain itu juga tidak setiap laboratorium mengijinkan pemakaian peralatannya untuk pengujian kedua bahan tersebut karena kedua bahan tersebut termasuk bahan peledak. Pengujian keberhasilan dilakukan dengan uji nyala di laboratorium material dirgantara. Uji-uji yang dilakukan di laboratorium luar Lapan hanya sebatas uji kadar asam sulfat (S), asam nitrat (N), gliserol (G).

Kondisi optimal reaksi nitrasi untuk rasio S/N=1,24-1,77, N/G=5.0, waktu reaksi 1 jam. Reaksi nitrasi dilakukan pada suhu <15oC. Untuk pembuatan nitroselulos dilakukan pada S/N dan waktu reaksi diatas dalam volume larutan 95 cc bisa dimasukkan selulose antara 3-4 gram.

PENDAHULUAN

Roket double base adalah salah satu roket yang bisa dikembangkan di Indonesia mengingat bahan-bahan untuk mensintesis propelan tersedia melimpah dan murah di Indonesia. Selain biaya proses murah, juga prosesnya mudah dilakukan. Disamping itu, propelan double base juga bisa digunakan untuk memperbaiki kinerja propelan komposit yang selama ini dikembangkan Lapan (CMDB).

Ketahanan suatu bangsa Indonesia di tengah peradaban dunia adalah penting untuk ditegakkan, karena ini menyangkut dengan harga diri dan kemerdekaan suatu bangsa. Di saat sebuah negara mendapati embargo dalam persenjataan, perlunya dimiliki sebuah kemampuan untuk mensintesis suatu bahan kebutuhan persenjataan.

Propelan double base adalah salah satu jenis bahan dalam industri persenjataan. Bahan ini sangat diperlukan bangsa kita Indonesia dan belum ada di dalam negeri. Oleh karena itu mensintesis bahan ini adalah kebutuhan mutlak. Paling tidak, memiliki kemampuan untuk menguasai pembuatan bahan ini adalah mutlak diperlukan.

Tulisan ini menyajikan pembuatan propelan double base dari bahan asam sulfat, asam nitrat, gliserin, selulos, melalui proses nitrasi kimia biasa. Pembuatan dilakukan dengan membuat komponen utama terlebih dahulu yaitu nitrogliserin dan nitroselulos. Dari pencampuran nitrogliserin, nitroselulos, dan sedikit bahan aditif akan dihasilkan propelan double base. Bahan aditif dapat berperan sebagai bahan stabilizer, plastisizer. Bahan-bahan ini dalam bentuk murni (p.a) diperoleh dari pasar.

TINJAUAN PUSTAKANitrogliserin

Nitrogliserin dibuat melalui reaksi nitrasi gliserin dengan asam nitrat pekat dalam suasana asam sulfat pekat pada suhu rendah. Nitrogliserin adalah senyawa yang sangat eksplosiv. Fungsi asam sulfat ini adalah untuk memprotonasi asam nitrat menghasilkan ion nitronium yang akan menyerang gugus dalam struktur kimia gliserin. Ada dua bentuk struktur kristal nitrogliserin, triklinik (labil) dan rhombik (Stabil). Untuk triklinik pada tekanan 2 mmHg (0.27 kPa), titik lebur= -2.8”C dan titik didih 125°C, pada tekanan 50 mm Hg (6.7 kPa), titik didih= 180°C. Untuk rhombik titik lebur 13,5°C.

Nitrogliserin memiliki sifat-sifat : Stabil pada suhu 50°C Terdekomposisi pada pemanasan setelah 4 jam pada suhu 70°C Cepat terdekomposisi pada suhu lebih besar sama dengan 90°C Menimbulkan uap nitrous (NO) kuning pada suhu 135°C Menyublim cepat pada suhu 160°C Meledak pada suhu 218°C Mendidih dan atau meledak pada suhu 260°C Indeks bias pada suhu 15oC adalah 1,375

Tabel 1. Tekanan uap antara suhu 20–180°C udara beroksigenT= oC kPa T= oC kPa T= oC kPa20°C30°C40°C

3.6 x 10-51.1 x 10-43.3 x 10-4

50°C60°C70°C

8.7 x 10-42.3 x 10-35.5 x 10-3

80°C90°C100°C

1.3 x 10-22.8 x 10-26.0 x 10-2

Tabel 2. Kelarutan dalam air (g/L) pada berbagai suhu15°C 20°C 25°C 30°C 40°C 50°C 60°C 70°C 80°C1.27 1.38 - 1.5 1.68 1.96 2.36 2.88 3.44

NitroselulosSebagaimana nitrogliserin, nitroselulos juga dibuat dengan reaksi nitrasi selulos ([C6H10O5]n). Reaksi nitrasinya adalah sebagai berikut

2HNO3+ C6H10O5 → C6H7(NO2)3O5 + 2H2O

Dalam nitroselulos, derajad substitusi ditunjukkan secara tidak langsung melalui kandungan nitrogen. Secara teoritis, nitroselulos bisa mengandung nitrogen 14,14%. Kenyataannya kandungan nitrogen tidak melebihi antara 13,6-13,8%. Kandungan nitrogen dalam nitroselulos Walsroder dan NC-chips Walsroder untuk tinta pencetakan dan pelapisan adalah antara 10.7-12.3%. Nitroselulos dengan kandungan nitrogen lebih dari 12,6% diklasifikasikan sebagai eksplosif. Derajad substitusi menentukan kelarutan nitroselulos dalam pelarut organik. Tabel 3 di bawah menyajikan kelarutan dalam pelarut organic sesuai kadar nitrogennya.

Tabel 3. Kelarutan nitroselulos dalam pelarut OrganikKandungan N Larut dalam Kode

EropaKodeAS/Asia

KodeUK /india/asia

10.7 - 11.3% alcohol, esters, ketones and glycol ethers

A SS M

11.3 - 11.8% esters, ketones and glycol ether; alcohols

AM AS L

11.8 - 12.3% esters, ketones and glycol ethers; alcohols.

E RS H

Propelan Double BasePropelan tersusun atas oksidator, fuel, dan binder. Nitroselulos adalah propelan yang

sudah mengandung ketiga unsur tersebut, sehingga disebut juga sebagai propelan single-base. Berdasarkan sifat fisiknya, propelan dikelompokkan sebagai propelan homogen (single-, double-base), dan propelan komposit. Menurut metode pembuatannya, propelan double base dikelompokkan menjadi cast dan extruded. Cast double base adalah pencetakan propelan di luar tabung pembakaran (ruang bakar) sedang extrude double base propelan dicetak langsung dalam tabung ruang bakar. Untuk extruded DB, diameter tidak lebih dari 12 inchi dan impuls spesifik maksium 240 detik, sedang dalam cast bisa lebih besar. Penambahan oksidator lain akan memperbaiki kinerja propelan double base (Composite Modified DB).

Propelan homogen adalah propelan dengan bahan dasar nitroselulos yang dalam bentuk koloidnya bisa dibuat dengan banyak bentuk. Propelan double base adalah propelan dengan bahan dasar nitroselulos dan nitrogliserin. Dalam propelan single base atau double base, selain komponen utama, ada penambahan bahan lain yang berperan sebagai stabilizer atau plastisizer.

Propelan double base termasuk propelan koloid homogen dengan binder dan oksidator sudah terkandung di dalam masing-masing single base. Propelan ini tersusun atas komponen utama nitrogliserin dan nitroselulose yang masing-masing bisa dibuat dengan proses nitrasi menggunakan asam nitrat dalam media asam sulfat pekat. Jenis nitroselulos yang bisa digunakan sebagai propelan double base adalah (1) piroxylene larut (kapas dinamit atau kapas koloid) yang mengandung 11,5-13,5%N, (2) guncotton dengan kadar 12,5-13,5%N. Keduanya bisa di- atau tri-nitrat selulos.

Komposisi propelan double base meliputi komponen utama, stabilizer, dan plastisizer. Komponen utama adalah nitrogliserin dan nitroselulos, stabilizer meliputi diphenylamine atau ethyl centralite (symmetrical diethyldiphenylurea), dan carbon black [Hendel, 1965]. Fungsi stabilizer adalah untuk mengurangi laju dekomposisi secara spontan dari campuran nitrogliserin dan nitroselulos. Plastisizer berguna untuk menghomogenkan campuran, misalnya trimethylolethane trinitrate, candelila wax, dietilpthalate, dll. [bureau, 1957].

Plasticizer berperan penting dalam mengontrol sifat mekanis. Plasticizer juga memiliki peran penting lainnya misal menaikkan energi (energetic plasticizer) meliputi Glycidyl azide (GAP), 1,5-diazido-3-nitrazapentane (DANPE), Ethylene-glycol-bis-azido-acetate (EGBAA), N-n-butyl-N-(2-nitroxyethyl)nitramine(n-Bu-NENA), Trimethylol ethane trinitrate (TMETN), Dietylene glycol dinitrate (DEGDN), dll, ada juga platicizer yang tidak merubah energi (non energetic platicizer) seperti Dioctyl phthalate PEG-4000. Ada juga plasticizer organic phtalate seperi Dioctyl ptalate (DOP), Dibutyl ptalate (DBP), Dioctyl adipate (DOA). Ada juga platicizer yang berbentuk padat seperti Camphor, Centralit, DNT. [Damse dan Singh]

Berikut ini disajikan contoh komposisi propelan double base yang menunjukkan bahwa nitrogliserin dan nitroselulos merupakan komponen utama yang dikandung dalam bahan ini.Tabel 4. Komposisi Propelan Double BaseBahan %b FungsiNitrocellulose ( 1 3.25 %N)NitroglycerinDiethyl phthalateEthyl centralitePotassium sulfateCarbon blackCandelilla wax

51.4042.933.201 .001.200.200.07

PolymerExplosive plasticizerNonexplosive plasticizerStabilizerFlash suppressorOpacifying agentDie lubricant

METODOLOGIPembuatan Nitrogliserin

Kondisikan agar suhu dalam reaktor T<15oC dengan mengatur suhu air dalam freezer. Campur Asam nitrat dan asam sulfat kedalam reaktor Masukkan gliserin kedalam reaktor dan pertahankan suhu < <15oC Terbentuk dua lapisan, lalu pisahkan (yang atas adalah nitrogliserin) Netralkan, cek dengan kertas pH atau kertas lakmus Simpan ke tempat yang aman Siap dilakukan pengujian terhadap hasil nitrogliserin (misalnya uji bakar)

Pembuatan Nitroselulos Kondisikan agar suhu dalam reaktor T<15oC dengan mengatur suhu air dalam freezer Campur Asam nitrat dan asam sulfat kedalam reaktor Masukkan selulos kedalam reaktor dan pertahankan suhu < 15oC Pisahkan dan netralkan, cek dengan kertas pH atau kertas lakmus Simpan ke tempat yang aman Siap dilakukan pengujian terhadap hasil nitroselulos (misalnya uji bakar)

Pembuatan Propelan Double Base Larutkan nitroselulos dalam aseton Masukkan kedalamnya nitrogliserin Tambahkan aditif berupa bahan stabiliser, bahan plastisizer Siap dilakukan uji propelan double base (misalnya uji bakar)

HASIL PERCOBAAN DAN PEMBAHASANHasil Percobaan

Di bawah ini menyajikan Gambar 1. adalah rangkaian alat proses kimia nitrasi, gambar 2 adalah uji bakar nitrogliserin dan nitroselulos, gambar 3 adalah densitometer.

Gambar 1. Rangkaian peralatan proses nitrasi gliserin atau nitrasi selulos

Bagian pokok dari rangkaian alat ini adalah freezer sebagai tempat air dingin sebagai media reaksi suhu <15oC, termokopel pengukur suhu dalam labu reaksi, pengaduk mekanik, corong pisah untuk pemasukan reaktan tetes demi tetes. Air dingin dialirkan dari dalam frezzer lkeluar masuk reaktor dengan pompa ikan. Freezer juga bisa digunakan sebagai tempat penyimpanan nitrogliserin. Penyimpanan nitrogliserin dengan cara seperti ini sudah dianggap memadai karena fungsi penyimpanan yang pertama adalah keamanan terhadap lingkungan. Fungsi penyimpanan kedua adalah stabilitas kandungan gugus nitro dalam bahan.

r

Gambar 2. Nitroselulos dan uji nyala nitrogliserin

Uji nyala nitrogliserin dan nitroselulos didasarkan pada kriteria panjang semprotan api pada arah horisontal. Di sini juga dilakukan pengujian terhadap sampel pembanding berupa propelan dari FFAR.

Gambar 3. Densitometer untuk mengukur massa jenis larutan

Densitometer adalah alat ukur untuk menentukan densitas suatu cairan. Alat ini berupa tabung gelas silinder panjang yang jika dicelupkan kedala cairan akan mengapung. Pada

Alat Pembuatan Nitrogliserin dan Nitroselulos

Densitometer

Nyala nitrogliserinNitroselulos

permukaan akan menunjukkan angka yang tertera pada skala densitometer. Itulah massa jenis cairan tersebut.

Gambar 4 menyajikan kurva optimalisasi rasio S/N pada N/G tetap. Rasio S/N optimal adalah S/N=1,24-1,77. Gambar 5 menyajikan kurva optimalisasi N/G pada S/N optimal, yaitu N/G=3,0-5,0. Gambar 6 menyajikan kurva optimalisasi waktu reaksi=1 jam. Gambar 7 menyajikan nyala bakar propelan FFAR. Gambar 8 adalah nyala propelan double base buatan Lapan.

0

5

10

15

20

25

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Gambar 4. Kurva Rasio S/N

0

5

10

15

20

25

30

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Gambar 5. Kurva rasio N/G

0

5

10

15

20

25

30

1 2 3 4

Gambar 6. kurva waktu reaksi

Gambar 7

Gambar 8. Nyala Propelan Double Base buatan Lapan

Tabel 5 di bawah menyajikan komposisi propelan double base yang dilakukan uji bakar.

Gb 7. Nyala propelan FFAR

Gambar 8. Nyala Propelan Double Base

Tabel 5. Komposisi propelan double base yang dilakukan uji bakarSenyawa SLT, (%) Cast DB, %) SLT Cast Exp castNitroselulos 53,48 47 56.15 47.14 47Nitrogliserin 36,07 37,7 37.87 37.81 37.7Dimetilptalat 1-3 14 3.15 14.04 14Dibutil patalat 1,7-2,3 1 2.41 1 1

Dari hasil uji bakar menunjukkan bahwa semua komposisi tidak jauh berbeda. Uji bakar yang diamati adalah dalam hal kegalakan nyala dan semburan api. Dari hasil ini bisa dilakukan uji-uji berikut untuk meyakinkan kualitas propelan, misalnya uji statik, uji terbang atau bisa juga uji proyektil.

Pembahasan

Uji-uji kimia untuk melaykinkan keberhadilan produk baik nitrogliserin atau nitroselulos tidak dilakukan karena beberapa laboratorium instansi keberatan untuk melakukan uji ini dengan alasan bahan tersebut eksplosiv, disamping itu masih memerlukan sampel standar untuk pembanding dalam uji kuantitas terutama.

Keyakinan bahwa produk adalah nitrogliserin karena memberikan nyala yang menyemprot dengan kuat saat uji bakar melalui pemanasan dari bawah wadah (bukan melalui pembakaran dengan api ke sampel). Selain itu reaksi nitrasi adalah mudah terjadi seperti telah dilakukan dalam pembuayan dinitrotoluen (DNT) dan dari uji X-ray Diffraction menunjukkan DNT. Antara pembuatan DNT dan nitrogliserin, gugus nitro (-NO2) sama-sama menggantikan atom Hidrogen.

Pembuatan nitroselulos mendasarkan pada komposisi literatur yaitu campuran asam 682 kilogram, celulose 14,5 kilogram. Selulos adalah sebuah polimer organik. Dengan mendasarkan bentuk pada satuan unit polimer selulos, maka ternyata selulos tersebut memiliki derajat polimerisasi 13. Dengan perhitungan ini dihasilkan sebuah komposisi antara asam nitrat, asam sulfat dan selulos. Namun dalam prakteknya komposisi ini tidak memberika semua selulos terendam dalam asam sehingga reaksi nitrasi susah dilakukan, sehingga komposisi reaksi nitrasi selulos dilakukan secara bebas dengan melihat agar selulos terendam dan rasio S/N merujuk pada reaksi sebelumnya. Pada volume asam 95 cc, mampu merendam antara 3-4 gram selulos. Dalam uji bakar banyaknya seslulos ini yang paling banyak dinitrasi dan menghasilkan nyala paling baik sehingga bisa diproduksi. Keyakinan bahwa produk adalah nitroselulos juga hanya melalui uji bakar yang memberikan nyala menyemprot (menjilat)

KESIMPULAN

Dari uraian dan pembahasan, dapat disimpulkan bahwa : Kondisi reaksi nitrasi gliserin (G), dengan HNO3 (N), H2SO4 (S) rasio optimal

S/N=1,22-1,77, N/G=5, waktu reaksi 1 jam, suhu reaksi <15oC. Untuk nitrasi selulos berat selulos maksium antara 3-4 gr dalam volume asam 95 cc waktu reaksi 1 jam suhu <15oC.

Tingkat keberhasilan nitrogliserin dan nnitroselulos tidak dilakukan uji kimia karena tidak memungkinkan namun dilakukan uji bakar.

Penyimpanan nitrogliserin dilakukan di dala freezer dan untuk nitroselulos di udara terbuka kering jauh dari api.

Pembuatan double base dengan komponen utama nitrogliserin dan nnitroselulos dan aditif yang berupa bahan murni sudah dilakukan dan kinerjanya dilakukan uji bakar. Dari 5 komposisi ternyata tidak jauh beda kualitas nyala, sehingga perlu uji lain untuk membedakan satu sama lain.

DAFTAR PUSTAKA

Damse, R.S., Amarjit Singh, Evaluation of Energetic Plasticizers for Solid Ppropellant, Defense Science Journal, Vol 58 No 1 Jan 2008, hal 86-93.

Bureau of Naval Personnel NavPers 10797-A , 1957, Naval Ordnance and Gunnery, Vol 1, Department of Ordnance and GunneryUnited States Naval Academy, Washington

Hendel, Frank J., 1965, Technical Memorandum No. 33-254; Review of Solid Propellants for Space Exploration, NASA, Pasadena, hal 3.

Kevin Grote., The Home of Ordnance and Energetics excellence, www.ih.navy.milNitrogen in Solution,

http://www.wplff-cellulosics.com/ce/cecms.nsf/id/4D331DCAA59450D4D1256ED0005BA406

UCAPAN TERIMA KASIH

Terima kasih disampaikan kepada Prof (r). Loekman Satibi, yang telah memberikan banyak pemahaman tentang karakteristik reaktan dalam reaksi nitrasi dan dasar-dasar reaksi kimia, wawasan-wawasan tentang bahan bakar peroketan. Terimakasih juga disampaikan kepada HM Chawari yang telah memberi wawasan kebijakan tentang peroketan yang perlu dikembangkan di Indonesia termasuk bahan-bahan baku terutama bahan bakar roket padat kaitannya dengan propelan Double Base. Semoga sumbangan mereka banyak bermanfaat bagi pemahaman kami khususnya, dan berguna bagi perkembangan peroketan nasional pada umumnya. Amien. TANYA-JAWAB :

Ir. Siti Prangili, LAPANBerapa tinggi nyala propelan DB relatif terhadap propelan FFAR ?

Jawab : Dalam makalah ini kami lupa memasukkan angka ketinggian nyala dan memang kami memasang mistar untuk mengukur tinggi nyala. Lain kali dalam koreksi makalah nanti akan kami usahakan untuk menyertakan angka tinggi nyala double base dan FFAR sehingga bisa diukur berapa persen tinggi nyala propelan double base relatif terhadap propelan FFAR. Terima kasih.

Dr. Ir. Tatik Kusmiati, MSc, LIPIApakah ada level-level ketajaman jenis-jenis bahan peledak ? kalau ada termasuk level bahan peledak yang mana (kecil, menengah, besar)? Kriteria apa yang menentukan jenis dan level bahan di atas ?

Jawab : memang ada tingkatan jenis bahan bakar / peledak menurut literatur yang kami temui di internet. NG, NC, double base termasuk bahan peledak kelas rendah. Namun begitu kami tidak mengarah pembuatan bahan ini hanya untuk bahan bakar roket FFAR atau

memperbaiki kinerja roket composit (CMDB) bukan untuk bahan peledak. Mestinya ketentuan besar kecilnya bahan peledak adalah menurut sejauhmana radius peledakan tsb. Double base termasuk bahan dengan radius peledakan maksimum 800 m/detik, sedang klas tinggi adalah dengan kecepatan 10.000 m /detik