Laporan Uji Viskositas 1440.docx

Laporan Praktikum Pemrosesan Polimer Modul A: Uji Viskositas (Metode Bola Jatuh) Oleh: Nama

: Faisal Tahir Rambe

NIM

: 13714011

Kelompok

:2

Anggota (NIM)

: 1. Faisal Tahir Rambe (13714011) 2. Daffa Firmansyah Sadono (13716009) 3. Hanif Herdiyan Cahyo Utomo (13716019) 4. Yoanita (13716025) 5. Fadlun Candra Asyha (13716055)

Tanggal Praktikum

: Jumat, 1 Maret 2019

Tanggal Penyerahan Laporan : Jumat, 8 Maret 2019 Nama Asisten (NIM)

: Lauqhi Mahfudh (13714024)

Laboratorium Metalurgi dan Teknik Material Program Studi Teknik Material Fakultas Teknik Mesin dan Dirgantara Institut Teknologi Bandung 2019

BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang

Viskositas (kekentalan) merupakan ukuran ketahanan fluida terhadap aliran. Dalam pemrosesan polimer, viskositas merupakan salah satu parameter penting, yang menentukan kemudahan polimer untuk diproses dan kualitas produk akhir yang dihasilkan. Nilai viskositas yang ideal bervariasi untuk setiap jenis pemrosesan. Karena itu, dalam pemrosesan polimer, viskositas lelehannya harus dikontrol, baik dengan menambahkan aditif maupun mengatur temperatur pemrosesan. Selain itu, kontrol viskositas dapat dilakukan dengan mengatur konsentrasi polimer dalam larutan, jika sistem larutan digunakan. Pengukuran viskositas polimer dapat dilakukan secara paralel dengan pemrosesan (in-line) maupun terpisah (off-line). Pengukuran viskositas secara terpisah dapat dilakukan dengan beberapa metode, di antaranya metode bola jatuh. Pada percobaan ini, viskositas larutan PVA (polivinil alkohol) akan diukur dengan metode bola jatuh.

1.2. Tujuan Praktikum

1. Menentukan nilai viskositas larutan PVA, larutan PVA + boraks, dan larutan PVA + gliserol 2. Menentukan pengaruh konsentrasi pelarut terhadap viskositas larutan PVA 3. Menentukan pengaruh penambahan boraks dan gliserol terhadap viskositas larutan PVA

BAB II TEORI DASAR

2.1. Polimer Polimer adalah suatu senyawa dengan massa molekul yang besar dan tersusun atas unit-unit ulang yang disebut monomer. Dalam setiap rantai molekul, monomer-monomer tersebut saling terhubung dengan ikatan kovalen. Meskipun struktur polimer sangat bervariasi, monomer-monomer dapat dikombinasikan dengan jumlah unit ulang yang berbeda, dan dalam banyak kasus, satu unit monomer sudah cukup untuk mewakili molekul polimer secara keseluruhan. Struktur polimer disebut ‘polimer’, yang berarti ‘banyak anggota’, karena terbentuk dengan pengulangan dari satu atau lebih jenis monomer. 2.2. Viskositas Fluida yang tidak encer atau mempunyai aliran viscous menyebabkan gesekan antara lapisan-lapisan, yang disebut aliran laminer. Menurut Bernoulli, jika cairan bersifat ideal, tinggi permukaan cairan sama pada setiap penampang pipa. Namun, jika cairan tidak ideal, permukaan cairan menurun pada arah arus. Perbedaan tinggi permukaan ini disebabkan oleh gaya gesek internal antarlapisan cairan, yang menyebabkan energi kinetik aliran fluida berkurang atau hilang. Beberapa zat padat – termasuk polimer – apabila dipanaskan akan menjadi viscous (lunak dan dapat mengalir pelan-pelan) terlebih dahulu sebelum menjadi cair. Pengaliran zat viscous ini tidak semudah pengaliran cairan (yang lebih encer), karena adanya gesekan internal di dalamnya. Semakin kental cairan, semakin sukar ia dialirkan, dan koefisien viskositasnya semakin besar. Viskositas cairan disebabkan oleh gaya kohesif antarmolekulnya. Fluida yang berbeda memiliki viskositas berbeda. Viskositas dinyatakan secara kuantitatif dengan koefisien viskositas. Jika fluida memiliki viskositas yang rendah, perbedaan

tekanan antara kedua ujung aliran diperlukan untuk aliran tunak seperti air atau minyak dalam pipa, dll. Berikut faktor-faktor yang mempengaruhi viskositas suatu cairan. a. Tekanan Viskositas cairan meningkat seiring meningkatnya tekanan. b. Temperatur Viskositas akan menurun dengan naiknya temperatur. Pemanasan cairan akan meningkatkan energi molekul-molekulnya dan meningkatkan kecepatan geraknya, sehingga gaya interaksi antarmolekul melemah. c. Kehadiran zat lain Penambahan gula tebu, juga bahan tambahan seperti suspensi, akan meningkatkan viskositas air. Adapun pada minyak dan gliserin, penambahan air akan menurunkan viskositasnya, karena keduanya akan semakin encer. d. Ukuran dan massa molekul Viskositas cairan sebanding dengan massa molekulnya. Sebagai contoh, alkohol memiliki viskositas yang lebih rendah daripada minyak, sebab massa molekul alkohol lebih kecil. e. Kekuatan ikatan antarmolekul Jika ikatan antarmolekul semakin banyak dan kuat, viskositas cairan akan meningkat. Sebagai contoh, viskositas air naik dengan keberadaan ikatan hidrogen yang mengikat molekul-molekulnya. 2.3. Uji Viskositas (Metode Bola Jatuh) Terdapat berbagai metode untuk menentukan viskositas fluida, di antaranya metode bola jatuh, yang dilakukan pada praktikum ini. Metode ini menggunakan bola yang dijatuhkan ke dalam suatu fluida kental. Ketika bola memasuki fluida, kecepatan bola akan bertambah hingga mencapai kecepatan terbesar yang tetap, yaitu kecepatan terminal. Dari hasil pengukuran kecepatan terminal, dapat

ditentukan viskositasnya dengan menggunakan Hukum Stokes, yang persamaannya sebagai berikut.

Persamaan 2.1. Hubungan kecepatan terminal dengan viskositas (Sumber: https://pubs.rsc.org) Vm = kecepatan terminal (m/s) g = percepatan gravitasi (9,81 m/s2) d = diameter bola (m) ρs = massa jenis bola (kg/m3) ρm = massa jenis fluida (kg/m3) η0 = viskositas fluida (Pa.s) 2.4. Polivinil Alkohol (PVA) Polivinil alkohol merupakan salah satu polimer yang digunakan secara luas, karena banyak dari sifat PVA yang sesuai dengan sifat-sifat yang diinginkan, khususnya dalam bidang biomedis dan farmasi. PVA memiliki kristalinitas yang alami, yang menjadikannya cocok untuk preparasi hidrogel. Struktur kimianya sederhana, dan gugus-gugus hidroksilnya tidak beraturan. Adapun monomernya, yaitu vinil alkohol, tidak berada dalam wujud stabil, melainkan dalam wujud tautomer dengan asetaldehida. Untuk memperoleh PVA, dilakukan polimerisasi vinil asetat menjadi polivinil asetat (PVAc), dan setelahnya PVAc dihidrolisis menjadi PVA. PVA berkualitas baik memiliki derajat hidrolisis yang tinggi, yaitu di atas 98,5%. Sifatsifat kimianya, seperti kristalinitas dan kelarutan, ditentukan oleh derajat hidrolisis dan kandungan asetat dalam polimer. Semakin tinggi derajat hidrolisis, semakin rendah kelarutan PVA.

PVA banyak digunakan karena bersifat fleksibel dan dapat membentuk ikatan hidrogen dengan kitosan, serta dapat diuraikan di alam (biodegradable) pada kondisi yang sesuai. PVA komersial umumnya berupa campuran dari tipe-tipe stereoreguler yang berbeda (isotaktik, sindiotaktik, dan ataktik). PVA dengan derajat hidrolisis minimal 98,5% dapat dilarutkan dalam air pada temperatur 70 oC. PVA merupakan polimer yang tidak berasa, tidak berbau, dan biokompatibel. PVA dapat larut baik dalam air maupun etanol, namun tidak larut dalam pelarut organik. Berikut struktur kimia PVA.

Gambar 2.1. Struktur kimia polivinil alkohol (Sumber: https://www.sigmaaldrich.com)

PVA dikembangkan pertama kali pada tahun 1924 oleh Hermann dan Haehnel, dengan menghidrolisis polivinil asetat. Konsumsi PVA di seluruh dunia mencapai ratusan ribu ton per tahun. Mayoritas produsen PVA di dunia berbasis di negara-negara Asia. Pada tahun 2006, Cina memiliki pangsa pasar terbesar (45%). Penggunaan PVA semakin meningkat seiring dengan tumbuhnya kesadaran untuk menggunakan polimer yang ramah lingkungan. Di antara contoh aplikasinya yaitu kantong kotoran hewan sekali pakai, yang akan terurai setelah dibuang, juga bola golf, yang akan terurai di alam setelah dipukul, sehingga pemain golf tidak perlu berusaha mencarinya untuk dimainkan lagi. Dalam industri pangan, PVA digunakan sebagai pelapis karena sifat kedapnya terhadap uap air dan oksigen. Selain itu, PVA juga menjadi komponen terpenting dalam film yang larut dalam air.

BAB III METODOLOGI PERCOBAAN 3.1. Prosedur Praktikum 1. Pengukuran massa jenis kelereng a. Massa kelereng ditimbang b. Diameter kelereng diukur dengan jangka sorong. Setelah itu, volume kelereng dihitung dengan rumus volume bola. c. Massa jenis diperoleh dari pembagian massa kelereng dengan volumenya. 2. Pengukuran viskositas larutan PVA a. Tiga larutan PVA, tiga larutan PVA + boraks, dan tiga larutan PVA + gliserol disiapkan pada wadah plastik. b. Salah satu larutan dimasukkan ke dalam gelas ukur 100 ml hingga mencapai garis 100 ml pada gelas. Kemudian tinggi larutan diukur dari dasar gelas hingga garis 100 ml dan garis tersebut diberi tanda dengan spidol. c. Kelereng dijatuhkan pelan-pelan ke dalam gelas ukur dan waktu tempuhnya dari tanda spidol sampai dasar gelas diukur dengan stopwatch. Pengukuran dilakukan tiga kali untuk memperoleh data yang akurat. d. Setelah data diperoleh, larutan yang terpakai dibuang. Gelas ukur kemudian dicuci, dan pengukuran dilakukan untuk delapan larutan lainnya. 3.2. Data Praktikum Berurutan dari kelereng 1 hingga 3: Massa kelereng (kg) = 0,00588; 0,00555; 0,0565 Volume kelereng (10-6 m3) = 2,339; 2,310; 2,297 Densitas kelereng (kg.m-3) = 2.559,96; 2.403,05; 2.459,82

1. Larutan PVA Larutan PVA Konsentrasi Densitas Larutan No PVA (%)

Terminal

Larutan

Jarak

Waktu

Velocity

Viskositas

(kg/m3)

(m)

(s)

(m/s)

(Pa.s)

1

10

1.014,0

0,11

1,57

0,070063694 3,164237066

2

12,5

1.005,0

0,13

7,99

0,016270338 13,70768537

3

15

1.015,0

0,15

47,71

0,003143995 70,46776581

Kurva Viskositas Terhadap Konsentrasi PVA 80

Viskositas (Pa.s)

70 60 50 40 30 20 10

0 0

5

10

15

20

Konsentrasi PVA (%)

Grafik 3.1. Kurva viskositas terhadap konsentrasi larutan PVA 2. Larutan PVA + Boraks No

Larutan PVA 10% - Boraks Konsentrasi Densitas Boraks (%)

Larutan

Jarak

Waktu

Terminal

Viskositas

(m)

(s)

Velocity

(Pa.s)

(kg/m3)

(m/s)

1

0,5

990,4

0,16

0,6

0,266666667 0,776515369

2

1

986,0

0,16

2,49

0,064257028 3,232576067

3

2

970,0

0,14

215,58 0,000649411 323,4640273

Kurva Viskositas Terhadap Konsentrasi Boraks Viskositas (Pa.s)

350 300 250 200 150 100 50 0 0

0.5

1

1.5

2

2.5

Konsentrasi Boraks (%)

Grafik 3.2. Kurva viskositas terhadap konsentrasi larutan PVA + boraks 3. Larutan PVA + Gliserol No

Larutan PVA 15% - Gliserol Konsentrasi Densitas

Jarak

Waktu

Terminal

Viskositas

(m)

(s)

Velocity

(Pa.s)

Gliserol

Larutan

(%)

(kg/m3)

1

10

1.030,4

0,14

7,41

0,018893387 11,04955219

2

15

1.020,0

0,12

19,91

0,006027122 34,88934861

3

20

1.023,0

0,12

20,03

0,005991013 35,02649773

(m/s)

Kurva Viskositas Terhadap Konsentrasi Gliserol 40

Viskositas (Pa.s)

35 30 25 20 15 10 5 0 0

5

10

15

20

25

Konsentrasi gliserol (%)

Grafik 3.3. Kurva viskositas terhadap konsentrasi larutan PVA + gliserol

BAB IV ANALISIS DATA Pada percobaan ini, dilakukan uji viskositas polimer dengan metode bola jatuh. Pengujian ini dilakukan dengan mencatat waktu dan jarak jatuh bola, kemudian data-data yang diperoleh dikonversi untuk memperoleh nilai viskositas polimer. Pengujian ini sepenuhnya dilakukan secara manual. Terdapat berbagai metode pengujian viskositas, namun metode bola jatuh lebih mudah untuk digunakan, biaya pengujiannya lebih murah, dan viskositas larutan dapat dilihat secara makro. Pengujian ini dilakukan dalam tiga tahap. Pada tahap pertama, viskositas larutan PVA dengan konsentrasi 10%, 12,5%, dan 15% diukur. Tiga larutan tersebut sengaja dibuat dengan konsentrasi cukup tinggi, agar larutan lebih kental dan praktikan memiliki waktu lebih banyak untuk mengamati dan mencatat waktu jatuhnya bola. Pada percobaan ini, terlihat dari Grafik 3.1 bahwa viskositas dari larutan PVA meningkat seiring dengan bertambahnya konsentrasi PVA pada larutan. Hal ini terjadi karena molekul PVA memiliki gugus hidroksil (-OH) yang akan berikatan dengan molekul-molekul air. Karena itu, semakin besar konsentrasi PVA, gerak molekul-molekul pada larutan semakin lambat dan hambatan alirnya semakin besar. Pada tahap kedua, viskositas larutan PVA 10% dengan konsentrasi boraks 0,5%, 1%, dan 2% diukur. Pada percobaan ini, terlihat dari Grafik 3.2 bahwa viskositas dari larutan PVA + boraks meningkat seiring dengan bertambahnya konsentrasi boraks pada larutan. Ketika boraks ditambahkan ke dalam larutan PVA, boraks akan mengikat molekul-molekul PVA, sehingga molekul-molekul tersebut bergabung (terikat dengan ikatan primer) dan menjadi semakin besar. Hal ini menyebabkan massa molekul relatif zat terlarut semakin meningkat, sehingga viskositas larutan meningkat.

OH OH

OH

n + B(OH ) 4-

O

O B

O

OH

n + 4 H 2O

O

n

n

Gambar 4.1 Reaksi boraks dengan PVA pada larutan (Sumber: NCSU – Dept. of Chemistry – Lecture Demonstrations) Pada tahap ketiga, viskositas larutan PVA 15% dengan konsentrasi gliserol 10%, 15%, dan 20% diukur. Pada percobaan ini, terlihat dari Grafik 3.3 bahwa viskositas dari larutan PVA + gliserol meningkat seiring dengan bertambahnya konsentrasi gliserol pada larutan. Hal ini terjadi karena gliserol yang ditambahkan ke dalam larutan PVA akan berinteraksi dengan molekul PVA melalui ikatan hidrogen antarmolekul. Ikatan hidrogen tersebut membuat molekul PVA dan gliserol semakin sukar bergerak satu sama lain, sehingga viskositas larutan meningkat.

Gambar 4.2 Ikatan hidrogen PVA dengan gliserol (Sumber: https://ars.els-cdn.com)

BAB V SIMPULAN DAN SARAN

5.1. Simpulan 1. Nilai viskositas larutan PVA 10%, 12,5%, dan 15% berturut-turut yaitu 3,16 Pa.s, 13,71 Pa.s, dan 70,47 Pa.s. Nilai viskositas larutan PVA 10% dengan tambahan boraks 0,5%, 1%, dan 2% berturut-turut yaitu 0,78 Pa.s, 3,23 Pa.s, dan 323,46 Pa.s. Adapun nilai viskositas larutan PVA 15% dengan tambahan gliserol 10%, 15%, dan 20% berturut-turut yaitu 11,05 Pa.s, 34,89 Pa.s, dan 35,03 Pa.s. 2. Penambahan konsentrasi PVA meningkatkan viskositas larutan. 3. Penambahan boraks dan gliserol pada larutan PVA akan meningkatkan viskositasnya.

5.2. Saran Sebaiknya viskometer yang sudah ada di laboratorium polimer digunakan pada praktikum uji viskositas berikutnya.

DAFTAR PUSTAKA DAN LAMPIRAN

Aby, Ganinjati. 2014. Seri Fisika Dasar Mekanika. Jakarta: Salemba Teknika. Atkins, P.W. 1966. Kimia Fisika Jilid 1. Jakarta: Erlangga. Giancoli, Douglas C. 1997. Fisika Jilid 1. Jakarta: Erlangga. JCE Editorial Staff J. Chem. Educ. 1998, 75, 1432A. Katz, D. A. J. Chem. Educ. 1994, 71, 891. Kazys, R. & Rekuviene R. 2011. Viscosity and Density Measurement Methods for Polymer Melts. Ultrasound Research Institute, Kaunas University of Technology. McLaughlin, K. W.; Wyffels, N. K.; Jentz, A. B.; Keenan, M. V. J. Chem. Educ. 1997, 74, 97. Shakhashiri, B. Z. In Chemical Demonstrations: A Handbook for Teachers of Chemistry; The University of Wisconsin Press: 1989; Vol. 3, p 362-363. Soedojo, Peter. 1986. Fisika Mekanis dan Termodinamika. Yogyakarta: UGM Press. Streeter, Victor L. 1988. Mekanika Fluida. Jakarta: Erlangga. The Role of Rheology in Polymer Extrusion. http://www.polydynamics.com/Rheology.pdf. Diunduh 2 Maret 2019. Viscosity

of

Fluid

Lab:

Ball

Drop

Method.

https://itll.colorado.edu/modular_experiments_dir/itll_modules/Viscosity%20of% 20Fluids/Viscosity%20of%20Fluids%20Lab%20(Ball%20Drop%20Method).doc x. Diunduh 2 Maret 2019.