Dekomposisi Termal.
(Wiwiek U.
Dewi dan Yulia A.
Isma.
DEKOMPOSISI TERMAL PROPELAN KOMPOSIT BERBASIS AMONIUM PERKLORAT/HYDROXY TERMINATED POLYBUTADIENE
(AP/HTPB)
(THE THERMAL DECOMPOSITION ANALYSIS OF AMMONIUM
PERCHLORATE/HYDROXYTERMINATED POLYBUTADIENE
(AP/HTPB) COMPOSITE SOLID PROPELLANT)
Wiwiek Utami Dewi1, dan Yulia Azatil Ismah Pusat Teknologi Roket Lembaga Penerbangan dan Antariksa Nasional Jl.
Raya LAPAN No.
Mekarsari.
Rumpin.
Bogor 16350 Indonesia 1e-mail: wiwiek.
utami@lapan.
id/wiwiekdewi@gmail.
Diterima 22 Maret 2016.
Direvisi 11 Mei 2016.
Disetujui 17 Juni 2016
ABSTRACT
Thermal decomposition process of AP/HTPB solid propellant type RUM, 450 and 1220 were investigated by DTG60 (Differential Thermogravimetri.
with operational parameters: temperature 30 Ae 400oC, nitrogen flow rate 50 ml/min, and heating rate 2.
5 C/min.
Thermal decomposition analysis will be the first step of decomposition kinetics research in determining life time of the propellant.
TGA
curve of propellant RUM was found to be two staged meanwhile the thermal decomposition of propellant 450 and 1220 has become one staged.
The DTA curve/thermogram of propellant RUM show the formation of intermediate product before full-length decomposition.
Unlike propellant RUM.
DTA curves of propellant 450 and 1220 do not show the formation of intermediate product.
Decomposition process of propellant 450 and 1220 accelerate by Al presence.
The difference between AP modal on propellant 450 and 1220 show insignificance effect to the amount of decomposition energy Kata kunci: Dekomposisi.
Propelan.
DTA.
TGA.
DTG Jurnal Teknologi Dirgantara Vol.
14 No.
1 Juni 2016: 17 -24
ABSTRAK
Proses dekomposisi termal propelan padat AP/HTPB jenis RUM, 450 dan 1220 telah dianalisis menggunakan Differential Thermogravimetric 60 (DTG) dengan parameter operasi: suhu 30 - 400AC, atmosfer nitrogen berlaju alir 50 ml/menit, dan laju pemanasan 2,5AC/menit.
Analisis dekomposisi termal adalah langkah awal penelitian kinetika dekomposisi propelan dalam menentukan life time Kurva TGA menunjukkan bahwa propelan RUM mengalami proses dekomposisi dua tahap sedangkan propelan 450 dan 1220 mengalami proses dekomposisi satu tahap.
Kurva DTA/ RUM intermediate sebelum akhirnya terdekomposisi sempurna.
Berbeda dengan propelan RUM, termogram propelan 450 dan 1220 tidak menunjukkan terbentuknya produk intermediate.
Proses dekomposisi propelan 450 dan 1220 terakselerasi oleh keberadaan Al.
Perbedaan modal AP pada propelan 450 dan 1220 ternyata tidak begitu berpengaruh pada nilai konsumsi energi proses dekomposisi.
Keywords: Decomposition.
Propellants.
DTA.
TGA.
DTG
PENDAHULUAN
Dekomposisi dimana senyawa kimia kompleks rusak terpecah-pecah menjadi senyawa kimia yang jauh lebih Proses dekomposisi yang disebabkan karena adanya paparan panas disebut dekomposisi termal.
Suhu dekomposisi suatu material adalah suhu dimana material tersebut terdekomposisi secara kimia.
Pada makalah ini akan dibahas analisis proses dekomposisi termal tiga jenis propelan komposit yang diproduksi oleh LAPAN diantaranya propelan RUM.
RX450, dan RX1220.
Ketiga propelan tersebut memiliki ciri khas yang membedakan satu sama lain.
Propelan RUM merupakan propelan AP/HTPB bimodal (AP dua ukuran partike.
Propelan RX450 merupakan propelan Al/AP/HTPB bimodal.
Sementara itu, propelan RX1220 adalah propelan Al/AP/HTPB trimodal (AP tiga ukuran Tujuan dari penelitian ini adalah untuk memaparkan, menjelaskan dan menganalisis pola dekomposisi termal slow cook-off pemanasan perlahan dengan bantuan DTG.
Penelitian memberikan penjelasan lebih rinci tentang perbedaan pola dekomposisi propelan AP/HTPB, propelan Al/AP/ HTPB bimodal serta propelan Al/AP/ HTPB trimodal.
Pemahaman mengenai karakteristik dekomposisi termal propelan adalah langkah pertama dalam grand design tahapan penelitian kinetika dekomposisi Pola dekomposisi sangat menentukan modeling matematika dari proses kinetika dekomposisi propelan.
Pada riset selanjutnya, ketiga nilai kinetika .
nergi arhennius dan konstanta laju reaks.
serta model dekom-posisi termal propelan akan ditentukan.
Nilai triplet kinetika propelan akan memberikan informasi mengenai life time propelan dan lebih jauh lagi akan memberikan pedoman propelan dan roket.
Komponen propelan komposit adalah ammonium perklorat (AP) sebagai oksidator dan hydroxyterminated polybutadiene (HTPB) sebagai matriks pengikat .
Selain kedua material utama tersebut, propelan komposit biasanya ditambahkan zat aditif Zat aditif yang biasa dipakai adalah logam dan oksida logam.
Salah satu zat aditif yang paling popular dan digunakan LAPAN adalah aluminium (A.
Al sering disebut solid fuel.
pembakaran propelan.
Dekomposisi Termal.
(Wiwiek U.
Dewi dan Yulia A.
Isma.
Selain penambahan aditif seperti yang sudah disebutkan sebelumnya, kinerja propelan juga dipengaruhi oleh ukuran partikel AP.
Ukuran partikel AP yang lebih kecil akan meningkatkan luas permukaan propelan sehingga proses pembakaran propelan menjadi semakin Propelan RX1220 menggunakan konsep trimodal untuk meningkatkan Rodic Bajlovski .
melakukan penelitian tentang pengaruh penggunaan tiga ukuran AP .
pada kecepatan bakar propelan.
Rodic dan Bajlovski menggunakan AP ukuran 400 AAm, 200 AAm dan 80 AAm.
Hasil penelitian Rodic dan Bajlovski menunjukkan bahwa semakin besar fraksi AP ukuran 80 AAm maka kecepatan bakar semakin meningkat.
Kecepatan bakar meningkat hingga 25% ketika perbandingan AP 200 AAm dan 80 AAm adalah 1 : 1.
Sementara itu kecepatan bakar terendah diperoleh ketika fraksi AP ukuran 400 AAm terbesar.
Seperti yang sudah dijelaskan sebelumnya, makalah ini tidak akan membahas pengaruh ukuran partikel AP atau penambahan Al pada kinerja keseluruhan propelan seperti kecepatan bakar atau spesifik impuls, namun lebih kepada menganalisis perbedaan proses dekomposisi yang terjadi pada ketiga jenis propelan.
Banyak studi yang sudah dilakukan untuk menyelidiki proses dekomposisi termal propelan.
Salah satunya dilakukan oleh Liu Leili, dkk pada 2004.
Penelitian tersebut menyimpulkan bahwa proses dekomposisi propelan sangat dipengaruhi oleh jenis dan ukuran partikel aditif balistik yang ditambahkan.
Penambahan Al ukuran mikro memberikan efek katalitik terendah sementara penambahan Cu dan NiCuB ukuran nano memberikan efek katalitik terbaik.
Cu dan CuNiB mempercepat terjadinya dekomposisi termal karena berhasil menurunkan suhu dekomposisi eksotermis propelan yang ditandai dengan bergesernya puncak eksotermis kedua sebesar 34AC pada Lalith V Kakumanu, dkk .
melakukan penelitian proses dekomposisi termal pada propelan komposit AP-HTPB yang ditambahkan katalis pembakaran dari jenis metal phthalocyanines (CuPc.
CoPc dan FeP.
pada rentang suhu 30AC Ae 500AC.
Hasil penelitian menunjukkan bahwa katalis tersebut mempersingkat proses dekomposisi termal propelan AP/HTPB.
Proses dekomposisi yang awalnya terdiri dari 3 tahap menjadi hanya 2 tahap.
Katalis pembakaran terbaik pada penelitian tersebut adalah FePc karena berhasil menurunkan suhu dekomposisi eksotermis propelan sebesar 94AC pada termogram.
Dekomposisi dapat diamati menggunakan instrumen analisis termal.
Analisis termal adalah pengukuran perubahan fisik suatu zat sebagai fungsi dari suhu.
Salah satu instrumen analisis termal yang umum dipakai adalah Differential Thermal Analysis - Thermogravimetry (DTA-TG).
DTA-TG adalah intergrasi dari DTA dan DTG dalam satu instrumen.
Pada DTATG, perubahan massa dan profil termal suatu material direkam secara terusmenerus selama sampel dipanaskan dalam tungku dengan kondisi tertentu.
2 METODOLOGI PENELITIAN
1 Material Bahan propelan berasal dari Dalian Clorate Co.
LTD.
HTPB dengan berat molekul 2300 Ae 2800 dan kandungan isomer Cis 12,63%.
Trans 23,37%, dan Vinil 35,34%.
Curing agent yang digunakan adalah TDI (Toluene-2,4-diisocyanate 80 % dan Toluene-2,6-diisocyanate 20 %).
Ammonium perchlorate (AP) memiliki 4 macam ukuran partikel 400AAm A 25 AAm, 200AAm A 25 AAm, 100AAm A 15 AAm, dan 50AAm A 15 AAm.
Al powder 99% dengan ukuran partikel 30AAm.
2 Proses Manufaktur Propelan Propelan padat diformulasikan dengan menggunakan bahan HTPB Jurnal Teknologi Dirgantara Vol.
14 No.
1 Juni 2016: 17 -24 sebagai matriks pengikat .
dan AP sebagai oksidator.
Proses produksi motor roket LAPAN dilakukan dengan perpaduan antara metode free standing dan case bonded.
Propelan dibuat terpisah menggunakan cetakan propelan (Dewi, 2.
Bahan AP dikeringkan terlebih dahulu selama 4 jam pada suhu 60AC untuk menurunkan kadar air, untuk bahan AP 400 AAm setelah dikeringkan dilakukan proses grinding untuk memperkecil ukuran partikel.
Proses pembuatan propelan dimulai dengan proses pencampuran HTPB dan TDI dalam kondisi vakum 0,1 kPa pada suhu 50 Ae 60AC.
Matriks binder kemudian ditambahkan Al.
AP selanjutnya ditambahkan mulai dari ukuran partikel terbesar hingga terkecil agar bahan AP tercampur dengan Proses casting slurry propelan dilakukan dengan kondisi vakum 75 cmHg.
Propelan dimatangkan dalam oven bersuhu 60AC selama 22 jam.
Pada penelitian ini propelan yang digunakan ada tiga jenis yaitu propelan RUM, 450, dan 1220.
Komposisinya adalah sebagai berikut:
C Propelan RUM terdiri dari HTPB:TDI 15:1.
AP 80% dengan perbandingan AP 200AAm:50AAm 1:1.
C Propelan 450 terdiri dari HTPB:TDI 15:1.
AP 75% dengan perbandingan AP 400AAm:200AAm 1:1.
Al 30AAm 7,5%.
C Propelan 1220 terdiri dari HTPB:TDI 15:1.
AP 77,5% dengan perbandingan AP 200AAm:100AAm: 50AAm1:1:1.
Al 30AAm 7,5%.
3 Analisis Termal DTA-TG Analisis termal adalah cabang dari ilmu material yang mempelajari perubahan sifat material sebagai fungsi dari suhu.
Pada DTA-TG sampel dan material referensi dipanaskan dalam sebuah tungku pemanas dengan laju panas konstan hingga mencapai suhu tertentu .
ipanaskan dalam atmosfer inert N.
Ketika sampel dan material referensi (Al2O.
dipanaskan bersamasama akan terjadi perubahan fasa dan proses termal pada sampel sehingga mengakibatkan terjadinya perbedaan suhu antara sampel dan referensi.
Perubahan fasa yang terjadi juga mengakibatkan perubahan massa sampel (Dewi, 2.
DTA akan mengukur dan merekam perbedaan suhu .
T) antara sampel dan senyawa referensi.
iT akan memperlihatkan perubahan suhu yang positif atau negatif ketika sampel merespon kenaikan suhu yang terjadi selama proses pemanasan.
Perubahan suhu akan dikonversi menjadi perubahan energi selama proses pemanasan.
Sementara itu.
TGA mengukur dan merekam perubahan massa sampel .
selama proses Perubahan energi dan massa kemudian diplot terhadap suhu dan atau waktu.
Instrumen yang dipakai pada penelitian ini adalah DTG-60 Shimadzu.
Data akuisisi alat DTG-60 menggunakan bantuan perangkat lunak TA-60WS.
Perangkat lunak ini memberikan kurva profil perubahan massa dan energi dari material secara real time.
Data tersebut kemudian diolah dengan perangkat lunak TA60 untuk menghasilkan data termal seperti berat hilang .
eight los.
, kalor/entalpi proses termal (OIH), puncak eksotermis Ae endotermis, dll.
Nilai konsumsi energi proses dekomposisi (OIH) diperoleh dari integrasi luasan kurva DTA material.
Pengujian termal dilakukan dengan parameter operasi alat DTG-TA pada suhu operasi 30 - 400AC, atmosfer nitrogen berlaju alir 50 ml/ menit, dan laju pemanasan 2,5oC/menit.
Pemanasan propelan pada DTG akan memberikan gambaran mengenai proses dekomposisi secara slow cook-off .
emanasan perlaha.
Pengamatan proses dekomposisi termal terbaik dilakukan dengan laju pemanasan rendah sehingga semua tahapan dekomposisi dapat terdeteksi dan direkam dengan lebih baik.
Goncalves, dkk .
menggunakan laju pemanasan 0,33K/s pada pengujian dekomposisi termal propelan AP/HTPB.
Goncalves juga mengungkapkan bahwa ketika laju pemanasan yang digunakan Dekomposisi Termal.
(Wiwiek U.
Dewi dan Yulia A.
Isma.
terlalu tinggi, proses dekomposisi propelan akan menjadi tidak selesai secara Sampel kemudian diserut hingga menjadi seperti bubuk yang berukuran seragam.
Sampel kemudian diletakkan pada sampel pan Material referensi yang digunakan adalah -Al2O3.
Berat sampel yang digunakan sekitar 11 mg.
propelan akan berkurang .
Kurva TGA terbagi menjadi dua zona.
Zona 1 berada pada rentang suhu 30260AC dan zona 2 berada pada rentang suhu 260-400AC.
Propelan mulai mengalami penurunan massa secara masif pada suhu sekitar 260AC.
Alasan inilah yang dijadikan pertimbangan dalam penetapan suhu 260AC sebagai titik pembagi zona.
Berat residu propelan RUM (AP/HTPB) adalah yang paling rendah daripada ketiga propelan tersebut.
Sementara berat residu propelan 450 dan 1220 (Al/AP/HTPB) lebih tinggi.
Propelan dengan penambahan aluminium lebih tahan terhadap paparan panas.
Aluminium merupakan aditif logam
sehingga wajar bila prosentase residu
propelan dengan kandungan Al lebih Al memiliki titik leleh jauh lebih tinggi dari semua komponen penyusun Titik
A660AC
sementara AP A300AC dan HTPB A450AC.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Karakteristik dekomposisi termal dari propelan RUM, 450 dan 1220 .
eperti terlihat pada Gambar 2-.
telah diinvestigasi menggunakan thermogravimetric analysis (TGA).
Prosentase berat hilang dan massa residu dari setiap sampel propelan pada suhu 30 Ae 400AC telah dievaluasi dan disajikan pada Tabel 2-1.
Sumbu x pada kurva TGA menyatakan suhu dan sumbu y menyatakan prosentase berat hilang yang terjadi selama proses pemanasan propelan.
Seiring dengan kenaikan suhu, massa Zona 1 Gambar 2-1: Kurva TGA propelan Tabel 2-1: PROFIL TGA PROPELAN Sampel Propelan RUM Propelan 450 Propelan 1220 Zona Suhu Awal .
C) Suhu Akhir .
C) Berat Hilang Berat Residu Jurnal Teknologi Dirgantara Vol.
14 No.
1 Juni 2016: 17 -24 Proses dekomposisi propelan RUM yang merupakan propelan virgin AP/HTPB terjadi dalam dua langkah penurunan massa.
Penambahan Al pada komposisi propelan 450 dan 1220 mengubah proses dekomposisi propelan yang awalnya dua langkah menjadi satu Pada proses dekomposisi tiba-tiba Gambar 2-2 merupakan kurva DTA .
dekomposisi propelan RUM, 450 dan 1220.
Sumbu x pada kurva DTA menyatakan suhu dan sumbu y menyatakan energi yang terjadi pada proses pemanasan propelan.
Seiring perubahan entalpi .
pada sampel Perubahan energi tersebut terlihat dari puncak endotermis dan eksotermis yang terjadi.
Kurva DTA suatu material adalah sidik jari termal Kurva ini menggambarkan respon suatu material ketika terpapar Sama seperti kurva TGA, termogram dibagi ke dalam dua zona.
Zona 1 berada pada rentang suhu 30260AC dan zona 2 berada pada rentang 260-400AC.
Perilaku propelan pada suhu 30 Ae 400AC telah dievaluasi dan disajikan pada Tabel 2-2.
Ketiga propelan memiliki puncak eksotermis pertama pada suhu sekitar 165-175AC.
Puncak eksotermis pada rentang suhu tersebut merupakan peristiwa hilangnya air atau kelembaban pada suatu propelan.
Pada termogravimetri, dekomposisi yang terjadi pada suhu 50-200AC berhubungan dengan evaporasi uap air yang terabsorpsi pada matriks polimer/komposit.
Evaporasi yang terjadi pada suhu 50-200AC berlangsung pada daerah volume bebas .
ree volume are.
, di bagian kosong antar ikatan silang molekul polimer/ komposit (Brun, 2.
Gambar 2-2: Kurva DTA propelan Tabel 2-2: PROFIL DTA PROPELAN Berat Zona 1 Puncak Puncak Ekso 1 Endo Zona 2 Puncak Puncak Ekso 2 Ekso 3 T .
C) T .
C) T .
C) T .
C) Propelan RUM Propelan 450 Propelan 1220 Sample Dekomposisi Termal.
(Wiwiek U.
Dewi dan Yulia A.
Isma.
Puncak terjadi pada suhu sekitar 240-245AC.
Puncak endotermis ini menunjukkan proses perubahan fasa kristal AP dari bentuk ortorombik ke kubik (Liu Leili, dkk, 2.
(Kakumanu, dkk, 2.
(Goncalves, dkk, 2.
Tidak ada perbedaan yang mencolok pada puncak endotermis antara propelan satu dengan yang lain.
Hal ini menandakan bahwa ukuran partikel AP tidak berpengaruh pada suhu perubahan fasa kristal AP.
Secara umum tidak terlihat perbedaan bentuk termogram propelan pada zona 1.
Perbedaan mencolok terjadi pada zona 2.
Adanya puncak eksotermis setelah terjadi perubahan fasa AP pada zona 1 menunjukkan bahwa proses dekomposisi propelan baru dapat terjadi ketika partikel AP berubah fasa dan mulai terdekomposisi.
Proses propelan RUM pada zona 2 terbagi dalam dua tahapan.
Hal ini ditunjukkan dengan adanya dua puncak eksotermis .
,26AC dan 340,16AC).
Sementara pada zona 2 dekomposisi propelan 450 dan 1220 hanya terdapat satu puncak eksotermis yaitu masing-masing pada suhu 313,31AC dan 352,27AC.
Pada propelan RUM, puncak eksotermis yang terjadi pada suhu 277,26AC berkaitan dengan terjadinya dekomposisi parsial dari propelan dan Sementara itu, puncak eksotermis kedua yang terjadi pada suhu 340,16AC menunjukkan proses dekomposisi lengkap dari produk intermediate ke produk volatile (Liu Leili, dkk, 2.
Produk intermediate berupa gas hasil proses depolimerisasi HTPB seperti butadiena (Chen, dkk, 1.
Mekanisme dekomposisi propelan AP/HTPB dapat diilustrasikan melalui langkah-langkah berikut ini:
C Langkah pertama.
Proses disasosiasiAe sublimasi AP terjadi pada suhu rendah (<300AC) (Kakumanu, dkk, 2.
NH4ClO4 E NH3 HClO4 C Langkah kedua.
HTPB terpirolisis membentuk beberapa produk gas utama antara lain butadiena, siklopentena, 1,3-sikloheksadiena, 4vinilsikloheksena (Cai, dkk, 2.
C Langkah ketiga.
Segera setelah terjadi perubahan fasa AP.
AP terdekomposisi dan produk pirolisis HTPB terbentuk.
Produk-produk gas tersebut kemudian bereaksi dengan HClO4, menghasilkan senyawa hydrogen dan membentuk HCl dan H2O.
Kemudian residu karbon bereaksi dengan O2 untuk membentuk CO dan CO2 (Kakumanu, dkk, 2.
Seperti sebelumnya, berbeda dengan termogram propelan RUM yang memiliki dua puncak eksotermis, termogram propelan AP/Al/ HTPB .
ropelan 450 dan propelan 1.
hanya memiliki satu puncak eksotermis.
Hal ini menunjukkan bahwa penambahan Al memberikan pengaruh yang signifikan pada proses dekomposisi termal dan pembakaran propelan.
Hilangnya puncak eksotermis kedua pada propelan dengan kandungan Al menunjukkan bahwa penambahan Al memberikan efek katalitik dalam proses dekomposisi propelan.
Penambahan Al meningkatkan ekstraksi O2 dari HClO4 karena terjadi reaksi redoks yang mengakibatkan laju reaksi total meningkat (Kakumanu, 2.
Walaupun menurunkan konsumsi energi total pada proses dekomposisi namun perbedaan jenis modal AP yang digunakan tidak begitu berpengaruh pada konsumsi energi total proses dekomposisi (Tabel .
Energi dekomposisi adalah jumlah energi yang diperlukan untuk proses dekomposisi propelan, bukan kalor Tidak ada korelasi langsung antara besarnya energi dekomposisi dengan kinerja propelan.
Tabel 2-3: KONSUMSI ENERGI PROSES DEKOMPOSISI PROPELAN Sample Propelan RUM Propelan 450 Propelan 1220 Berat Konsumsi Energi Proses Dekomposisi kJ/g 26,28 20,76 22,98 Jurnal Teknologi Dirgantara Vol.
14 No.
1 Juni 2016: 17 -24 Ukuran partikel serbuk Al yang lebih kecil dari propelan juga turut memberikan sumbangan pada percepatan reaksi propelan AP/Al/HTPB.
Oleh karena ukuran partikel-nya yang kecil, luas permukaan serbuk Al lebih luas.
Hal ini memungkinkan Al dapat menyerap molekul reaktif gas hasil dekomposisi AP
HTPB
permukaannya sehingga mempercepat Berdasarkan termogram propelan pada Gambar 2-2, propelan 450 dan (AP/Al/HTPB) tanpa pembentukan produk intermediate sehingga puncak eksotermis kedua tidak Penambahan Al pada propelan AP/HTPB pembakaran dan meningkatkan energi KESIMPULAN Pola dekomposisi propelan AP/ HTPB serta propelan Al/AP/HTPB bimodul Propelan RUM (AP/HTPB) terdekomposisi dalam dua tahap sementara propelan 450 (Al/AP/HTPB (Al/AP/HTPB trimodu.
terdekomposisi Pada dekomposisi propelan RUM terbentuk produk antara .
sebelum Sementara itu pada propelan 450 dan 1220 tidak terbentuk produk antara .
karena proses dekomposisi terakselerasi dengan keberadaan Al.
Perbedaan moda AP pada propelan 450 berpengaruh pada nilai konsumsi energi proses dekomposisi.
UCAPAN TERIMA KASIH