.3(;;,
Prosiding Perlemuan Ilmiah Sains Materi III Serpong, 20 -21 Oktober 1998
~
ISSN 1410-2897
IDENTIFIKASI EFEK IRRADIASI BERKAS ELEKTRON PADA POLIETILENA (LLDPE, LDPE DAN HDPE) rn DENGAN SPEKTROSKOPI INFRA MERAH
r
) Sudirmanl, Rukihatil, Tri Daawintol, Anik Sunarni2, Isni Marlijanti2 IPusat Penelitian Sains Materi -BATANKawasan Puspiptek, Serpong 15314 2 Pusat Aplikasi Isotop Radiasi -BATANPasar Jum'at, Cinere
ABSTRAK IDENTIFIKASI EFEKIRRADIASI BERKAS ELEKTRON PADA POLIETILENA (LLDPE, LDPE DAN HDPE) DENGAN SPEKTROSKOPIINFRA MERAH. Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui pengaruh irradiasi berkaselektron terhadap struktur molekul polimer polietilena (LLDPE, LDPE dan lillPE). Struktur molekul diidentifikasi melalui infra merah spektroskopi, fraksi gel dan persen swelling. lradiasi berkas elektron pada dosis 50, 100, 150 dan 200 kGy dengan eskalasipada 25 kCry/pass. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa iradiasi berkas elektron menyebabkan terjadinya ikatan silang pada LDPE. LLDPE dan lillPE. Terjadinya lkatan silang ditunjukkan dengan analisis fraksi gel, persen swelling dan spektrum FTJR. Fraksi gel yang diperoleh menunjukkan peningkatansesuaidengandosisyang digunakan, sedangkanpersen swelling mengalami sebaliknya-Analisis spektrum FT-JR didasarkan padaperubahangugus fungsi:f: 1718 cm-1(v C=O dari senyawa keton), :f: 1378 cm-1(0 CHJ dari senyawa R-CHJ yang mengalami peningkatan absorbansi. ~edangkan bilangan gelombang yang mengalami penurunan akibat iradiasi berkas elektron ditunjukkan pada:f: 1742 cm'! (v C=O dari senyawaaldehide). :f: 1642 cm-1(v C=C dari senyawa R-CH=C~). :f: 1363 cm-! dan :f: 1353 cm-! (0 C~). Besamya ikatan silang yang terbentuk sesuaidengan dosis berkas elektron yang digunakan.
ABSTRACT IDENTIFICATION OF ELECTRON BEAM IRRADIATION EFFECT ON POLYETHYLENE (LLDPE, LOPE DAN HOPE) BY INFRA RED SPECTROSCOPY. Research has been done to investigate the effect of beam electron irradiation on the molecule structure of polyethylene. The studies were the infra red spectroscopy for identification of the molecule structure, gel fraction and persen swelling. Doses of 50, 100, 150 and 200 kGy with eskalation 25 kGy were used for the beam electron irradiation. The results obtained suggested that increasing eskalation of doses and doses of electron beam irradiation on LDPE, LLDPE and HDPE cause crosslinking. The gel fraction, swelling procent and FT -IR spectrum analysesshowed that the crosslinking occurred. The gel fraction the increased while swelling procent decreasedwith increasing of dose. FT-IR spectrum analysesbased on the increasing of absorbanceof :!: 1718 cm'l (v c=o from alkanon compound), :!: 1378 cm,1(8 CH] from R-CH] compound), while the absorbance in :!: 1742 cm-1 (v c=o form aldehide compovnd), :!: 1642 cm-1(v C=C form R-CH=CH2 compound), :!: 1363 cm-1 and:!: 1353 cm-1 (8 C~) decreasedafter electron beam irradiation The value of the crosslinking process as doses of the electron beam irradiation were increased.
KEYWORD: Polietilena. iradiasi berkas elektron. spektroskopi IR
PENDAHULUAN Polimer sintetis polietilen dalam peranannya sebagaiproduk yang dapat memenuhi keperluan hidup manusia. selalu terjadi interaksi dengan faktor lingkungan. seperti : cuaca. kelembaban, pemanasan, radiasi ultra violet, radiasi neutron, radiasi sinar gamma, radiasi berkas elektron daD sebagainya.Akibat interaksi langsung dengan faktor lingkungan tersebut diatas, memungkinkan terjadinya perubahan struktur molekul sehingga mengurangi daya tahan polimer tersebut. Oleh sebab itu lingkup pemilihan dan penggunaan bahan polimer harus mempunyai persyaratan tertentu sesuai dengan peranannya sebagai produk untuk memenuhi keperluan hidup manusia. Dalam penelitian daD pengembangan nuklir seringkali polimer polietilena banyak digunakan sebagaikapsul irradiasi dalam reaktor nuklir. lnteraksi polimer polieitlena
Sudirmandkk.
dengan energi tinggi (berkas
elektrondenganenergi2 MeV) dapatmengakibatkan terjadinya ikatan silang daD degradasi(1,2). Dari pengamatanspektruminfra merahpada ikatan-ikatan polietilenayang khas dapat diketahuikedua keadaan (ikatan silang daD degradasi)yang terjadi dengan intensitasabsorbansinya(3]. Hal ini juga didukung denganharga fraksi gel daD persen swelling, bila terjadi ikatan silang, digambarkandengan kenaikan fraksi gel daDpenurunanharga persen swellingnya, untuk degradasiakan mengaiamisebaiiknya. LOPE mempunyai struktur molekul den,gan banyak cabang yang panjang daD yang pendek, sedangkanLLDPE mempunyaibanyak cabangyang pendek. Pada HOPE mempunyai struktur molekul dengan hanya beberapacabang. Terjadinya proses ikatan silang daD degradasi akibat iradiasi terjadi hanyapadarasaamort (4]. Denganperbedaanstruktur molekul daTi ketiga jenis polietilena tersebutdiatas 335
~~ xlOO
Prosiding Pertemuan Ilmiah ..VainsMateri III ..Verpong,20 -21 Oktoher 1998 maka kemungkinan perngaruh iradiasi berkas elektron akan berlainan. Pada penelitian ini dilakukan iradiasi terhadap polimer polietilena (LLOPE, LOPE daD HOPE) daD diharapkan diperoleh gambaran tentang pengaruh iradiasi berkas elektron terhadap perubahan struktur molekul ketiga jenis polieitlena. lradiasi berkas elektron dilakukan pada dosis 50, 100, 150 daD 200 kGy dengan eskalasi 25 daD 50 kGy/Pass. ldentifikasi (LLOPE,LOPE daD HOPE) dilakukan dengan anaiisis daD mengamati fraksi gel, persen .,"welling daD perubailan gugus fungsi pada spektra infra merah. Hila terjadi ikatan silang akibat radiasi ditunjukkan dengan peningkatan harga fraksi gel, penurunanpersen swelling dan analisis perubahan gugus fungsi ~ 1718 cm-1 (v C=O dari senyawa keton), ~ 1378 cm-1(8 CH3 dari senyawa R-CH3) yang mengalami peningkatan absorbansi. Sedangkan bilangan gelombang yang mengalami penurunan akibat iradiasi berkas elektron ditunjukkan pada ~ 1742 cm-1 (v C=O dari senyawa aldehide), ~ 1642cm-1(v C=C dari senyawa R-CH=CHz>, ~ 1363 cm-1daD ~ 1353 cm-1 (8 CHz>.
METODOLOGI Bahan Bahan polietilena yang digunakan pacta penelitian ini terdiri dari LLDPE Nippon Unicar, LDPE : PolandMalen dan HDPE: Daelim Poly TR 144-110041R. Ketiga jenis polietilena (LLDPE, LDPE Dan HDPE) daIarn bentuk butiran, dibuat menjadi film dengan cara melelellkan bahan polietilena tersebut sambil ditekan dengan tekanan 150 Kg/cm2 kemudian didinginkan. sehingga menjadi film berbentuk persegi empat. Mesin tekan panas (hot press) yang digunakan merek Toyoseiki pacta Laboratorium Proses Radiasi PAIR. BATAN. Selanjutnya film polietilena dilakukan iradiasi berkas elektron pactadosis 50, 100, 150 dan 200 kGy dengan eskalasi (Iaju dosis) 25 kGy/pass dengan kondisi pre..,ent °x:ygen. Mesin berkas elektron yang digunakan mempunyai energi 2 MeV. kuat arus 10 mA dan jenis GJ2. buatan Cluna.
ISSN1410-2897 terrekam dalam kertas berskala berupa aluran kurva panjang gelombang terhadap intensitas. Kondisi alat meliputi: Temperatur alat = :I: 20 °C. Kecepatan kertas = 20 mm/menit. Waktu rekam = 4 menit. PenentuanFraksi Gel : Sampeldalam bentuk film dimasukkan pactakasa dan ditimbang (We), sebelumnya berat kasa ditimbang (Wk). Kasa baja yang berisikan sampel diekstraksi dengan pelarut xylena (pelarut yang cocok dengan sam pel daD dapat melarutkan) menggunakan soxlet pactatemperatur 157 °C selama 24 jam. Setelah diekstraksi, kasa tersebut dicuci dengan aseton,dikeringkan dalam oven vakum 70 °C selama 1 jam, kemudian dimasukkan ke dalam eksikator dan ditimbang sampai berat tetap (Wt). Fraksi gel (G dalam persen) dapat ditentukan sesuai persamaan di bawah ini:
G(%)=~xl
w.-~
0
PenentuanPersenSwelling: Sampeldari basil pengukuranfraksi gel digunakanuntuk menentukan persenswelling, dengantara sampelditimbang untuk mengetahuiberatnya (Wb), selanjutnya direndarn dalam pelarutxylena selama48 jam pactatemperatur karnar (:I::25 .C). Kemudian sampel diangkat daD dikeringkandeng~nkertastisue kemudianditimbang untuk mengetahuiberatnya (Wa). Persen swelling dapat ditentukansesuaidenganpersamaandi bawah 1lll
S(%) = Wb
BASIL DAN PEMBABASAN Fraksi gel menggambarkan ikatan silang yang terbentuk akibat iradiasi berkas elektron terhadap polietilena. Hasil penentuan fraksi gel ditunjukan pacta Tabel 1. Sedangkan persen swelling menggambarkan Tabel
Fraksi gel polimer polietilena (LLOPE, LOPE dan HOPE) setelah diiradiasi berka.-; elektron denganeskalsi dosis 25 kay/pass.
Metlxla
Identifikasi sampelpolimer meliputi penentuan fraksi gel. persen swelling daD struktur molekul dilakukandenganspektroskopiinfra merah. Spektroskopi Infra Merah : Peralatan yang digunakan adalah Spektrofotometer FT -IR merk Shimadzu 8101/8101 N pada Laboratoium Proses Radiasi-PAIR. BATAN. Sampelpolimer berbentuk film denganketebalan 100 mikrometer. dijepit pada tempatsampelyang berlubangselanjutnyadiletakkan pada alat dibagianke arab sinar infra merah. Sete.iah siap segalanya, mesin dihidupkan. Hasilnya akan
336
proses mengembangnya polimer polietilena akibat pelarut masukke dalam molekul polimer, sehinggahila ikatan silang yang terbentuk semakin banyak maka persen swelling akan makin kecil karena pelarut tidak dapat melarutkan atau masukke dalam molekul polimer polietilena. Hasil penentuanpersenswelling ditunjukkan
Sudirmandkk.
Prosiding PertemuanIlmiah ..Vains Materi //1 ..Verpong, 20 -21 Oktober 1998 pada Tabel 2. Tabel 2.
Persenswellingpolimerpolietilen (LLOPE, LOPE dan HDPE) setelahdiiradiasiberkas elektrondenganeskalasi2Skay/pass
ISSN 1410-2897 daD Gambar I). Sedangkanharga persenswelling akan semakin kecil denganbertambahnya ikatan silang yang terbentuk (lihat Tabel 2). Hasil pengamatan daTi fraksi gel daD persen swelling seperti tersebut diatas didukung dengan nasil pengamatan dari spektrum Ff -IR yang diperoleh. Dari spektrum Ff -IR yang diperoleh, dapat membedakan polietilena jenis HDPE, LDPE daD LLDPE (seperti terlihat pada Gambar 2). Polietilena jenis HDPE ditunjukkan dengan duplet pada bilangan gelombang 719,4 cm-1 daD 729,0 cm-1 sedangkan LDPE hanya mempunyai puncak tunggal (singlet) pada bilangan gelombang 729,0 cm-l. Untuk polietilenajenis LLDPE
Pada HDPE kemungkinan membentuk ikatan silang terbuka baik pada rantai cabang maupun rantai utamanya sehingga HDPE mempunyai harga fraksi gel lebih besar dibandingkan dengan LLDPE dan LDPE untuk dosis yang sarna. Bila dosis dinaikkan maka
ditunjukan dengan triplet pada bilangan gelombang sekitar700 cm-l.
kemungkinan terbentuk radikal makin besar dan radikal yang dihasilkan juga semakin banyak sehingga kemungkinan terjadinya ikatan silang pada HDPE juga semakin terbuka dan banyak, oleh schab itu harga fraksi gel semakin besar dengan peningkatan dosis yang digunakan (lihat Tabell dan Gambar 1). Karena semakin banyak terbentuknya ikatan silang maka persen swelling akan semakin kecil (lihat Tabel2).
A '<::::~~L~ 8
\011
~
~
Gamhar I. Struktur molekul dari polietilena jenis. A. LDPE. B.
HDPE
daD C. I~LDPE
PadaLLDPE dan LDPE, untuk dosisyang rendah menunjukkan fraksi gel LDPE lebih tinggi dibandingkan dengan LLDPE, hal ini dikarenakan ikatan silang yang terbentuk berasal dari rantai cabang daD rantai utama
Ir:'-,-' _A
Gambar
2.
t
II .--~- ~
Spektrum FT -IR polietilena dari jenis. A.
,OPE, B.LLOPE dan C. HOPE
sehingga harga fraksi gel LDPE lebih besar dibandingkan dengan LLDPE. Tetapi bila dosis mdiasi ditingkatkan maka LLDPE akan memlXlnyai Iwga frnksi gel lebih besar dibandingkan dengan LDPE. hat ini dikarenakan adanya steric effect (steric hindrance). Dimana steric effct LDPE jauh lebih besardibandingkan denganLLDPE sehinggakemungkinan teljadinya ikatan silang lebih besarLLDPE daripada LDPE. Hal ini dapat dilihat dari bentuk struktur molekul LDPE dan LLDPE.. Bila dosisdinaikan maka kemungkinan terlJentukradika1 semakin besarsehinggajumlah radikal semakinbanyak. maka harga fraksi gel juga semakin besarkarena ikatan silang yang terbentuk semakin banyak. (Iihat Tabel I
Sudirmandkk.
Efek radiasi berkas elektron pada polimer polieitlena baik jenis LLDPE, LDPE dan HDPE dapat ditunjukkan dengan perubahan ikatan kimia pada bilangan gelombang (cm-l) dari spektrum FT-IR yaitu pada :i: 1718 cm-1(v C=O daTi senyawa keton), :i: 1378 cm-1(8 ~ dari senyawaR-C~. AkI"batiradiasi berkas elektron~da polietilena (ILDPE, WPE dan HDPE) akan mengalami peningkatan absorbansi. Sedangkan ikatan kimia pada bilangan gelombang yang mengalami penurunan akibat iradiasi berkas elektron ditunjukkan pada:i: 1742 cm.1 (v C=O daTi senyawa aldehide), :i: 1642 cm-1(v C=C daTi senyawa R-
337
~,89
Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi III Serpong, 20 -21 Oktoher 1998
ISSN1410-2897
CH=CHJ, :i: 1363 cm-) daD :i: 1353 cm-) (8 C~). Besarnya intensitas bilangan gelombang tersebut diatas mengalami peningkatan daD penumnan sesuaidengan besarnya peningkatan dosis yang digunakan, hal ini menunjukkan bahwa dosis iradiasi berkas elektron yang digunakan mempengamhi efek yang diakibatkannya, sesuai dengan dosis yang digunakan. Dati gambarspektImn infra merahyang diperoleh
dapatmengidentifikasiterjadinyadegradasidan ikatan silang akibat iradiasi berkas elektron dan dapat dinyatakanbahwa setelahdilakukan irradiasi berkas elektron terhadapketiga jenis polimer poli-etilena (LLDPE, LDPE dan HDPE) mengalamiikatansilang. Hasil pengukuranFf -IR dari polietilenajenis HDPE akibat iradiasi berkaselektron denganberbagaidosis ditunjukanpada gambar3 dan Tabel3. Gambar4 dan
o. Gambar 4.
B. Tabel 3.
Panjang gelombang FT -IR Polietilena jenis HOPE berbagai dosis iradiasi berkas
:; Gugus Fungslanal
lntensitas
0
50 kGy
92,59
I
kGv
51,23 t4i,3S
~
S CHI dari R"CHz-R'
"
6CH, dariR-CH,-R')-
~
2,07
3,49
~
82,14~
40,56
91,46J~ ~ 62,88~-~ ~~~ ~
rJ.J3§3 !;mO.(S CH.)
200 kGy
kGy
91:-i~I=81,S9
~ '~
Spektrum FT -IR daTi LDPE dengan berbagai dosis radiasi berkas elektron. A 200 kGy, B. ISO kGy. C. lOO kGy, D. SO kGy dan E.
6,12
~
~
~12,02
Tabel 4. Pan.iang gelombang FT -IR Polietilena jenis LOPE berbagai dosis iradiasi berkas Int~~J%
Gugus Fungsiooal
0
:!: 1718 an"\
98,67
93,01
:!: 1378 an-I
49,49
:!: 1742 an-I
97,89
:!: 1363 cm-
~
~ ~ ~
:!: 729 cm"1
2
-r-
-~-
7,19
T~mitansi)
50kOy_I__lOOkQv
8,31
90,01 57,73 91,56 56,25 8,40
I
~ 92,56 60,45 13,46
~
93,24 62,34 21,49
~.. 1 \'....,,{. 'i-, !,
Prosiding PertemuanIlmiah SainsMateri III ISSN 1410-2897
Serpong, 20 -21 Oktober 1998 Tarel 4 menunjukkan spektIUm Ff -IR dari LDPE dengan berbagai dosis radiasi berkas elektron. Sedangkan pengaruh radiasi rerkas elektron denganrerbagai dosis pada LLDPE ditunjukkan pada Gambar 5 dan Tarel 5. .-1"\
I t ...V'--~'r"'.~. ~
If.,.,.
:1
\
I
II i !
"","""\ :1 ",.. \11,v'
R i Ivi'");!!'.{I '
~I"
lr~
J
I
;j
, "
\l
1~
[j
I~i~
,Il.~.
tf ~I 't'
r~
,.i.
~j If
1
1 "..,;
\:I:~ II i ~_. b
i ",
,..1
tl
"~~"'\t\~ ",-\ Iii ,V I.~ 1{
"
,C::\ 1",1"\1 1\, \,,'J rr( ,I~ 'i~
II
:..i
I
1t.I\
~
,..,I>\,.f,,\',f :i itJ ~.
!\,
-.'-,il~::'
f,,( i1i
..i~
.'1
,
'
i
,!
j
:I ,!
: ",J-,
.,\1
..,..~.
Polieitlena masajenis rendah dan lurus (LLDPE), masajenis rendah (LDPE) dan masajenis tinggi (HDPE) mengalami proses ikatan silang (cross/inking) akibat iradiasi berkas elektron. Hal ini ditunjukkan dengan analisis spektmm Ff -JR, harga fraksi gel daD persen swelling yang diperoleh. Secara umum dapat disimpulkan bahwa kecendemngan terjadinya proses ikatan silang semakin besar sesuai dengan peningkatan dosis yang digunakan. .
DAFTARPUSTAKA
"\NI
(1]. SUDIRMAN. Pengaruh Radiasi NeutronCepat Pada Sifat Fisik Dan Mekanik Polietilen Dan Polistiren, Risalah Presentasi Ilmiah Hasil Studi
)//1/'-' 1 ,,'.-"H' ~.", '~~ '!'..I II \.j~\.~\ I'..","'" \,' F""' 'I t
KESIMPULAN
\ ,-.\'~V";'~'
(2].
;1,
'/,
f~.L
[3].
~'{'('1
\~J:.J
.-\~'M'
(4].
i.
15).
V'!::
-.'M..
(6].
Gambar 5. Spektrum FT -IR dari LLPDE dengan berbagai dosi!; radia.~i berka.~elektron. A. 200 kGy, B. 150 kGy. C. 100 kay, D. 50 kGy dan E. 0
Tabel 5.
ProgramMagister,BATAN, Jakam(1995). O'DONNELL, JAMES H. and DAVID F. SANGTER, Principles Of Radiation Chemistry. Edward Arnold Ltd, London 1969. M. M. COLEMAN and D.C. PAINTER, Forier Transform Infrared Studies Of Polymeric Materials Polyolefins, J. Macrornol. .S'cieRev.Macrornol. Chern. C 16 (1977) 197-213 YO~HO, T., Radiation-Induced Cross- linking, Radiat. Phys. Chern., 14 (1979) 235-243. BREDE, 0., Radiation-Induced Processes In Polyethylene, Zf1-Mitteilurgen, Leipzig 1987. SITI KAMI TIDJA, RATMAWATI dan YENNY NURYANI, Identification Of Plastic Material By Infra Red Spectrophotometry In The Materials Testing Institute, Simposium Polimer II, Jakarta, 1980.
Pan.iang gelombang FT -IR Polietilena jenis LLDPE berbagai dosis iradiasi berkas
(7]. SUDIRMAN, RUKIHATI, EVI HERTINVYANA, ANIK S.,daDISNI M.,PenentuanEnergi Aktifasi Dan WaktuParuhPolietilen(LLDPE daDHDPE) Dengan Metoda Termografimetri Setelah Di Iradiasi Dengan Berkas Elektron,PPSMBATAN,Serpong,1996.
.Yudirman dkk.
339
