ProsidingPertemuanIlmiah SainsMateri 1996
IRADIASI
CAMPURAN RESIN EPOKSI AKRILAT DAN RESIN POLIESTER T AK JENUH DENGAN BERKAS ELEKTRON1 2
Sugiarto Danu2,Darsono2 , daDAnik Sunarni
ABSTRAK IRADIASI CAMPURAN RESIN EPOKSI AKRILAT DAN RESIN POLIESTER TAK JENUH DENGAN BERKAS ELEKTRON. Penelitian untuk menentukan sifat-sifat lapisan campuran resin epoksi akrilat daD poliester tak jenuh telah dilakukan menggunakan radiasi berkas elektron. Konsentrasi poliester tak jenuh dalam campuran divariasi menjadi 0, 20, 40,60, 80, daD 100% berat. iradiasi dilakukan pada dosis antara 5 daD 80 kayo Hasil pengujian menunjukkan bahwa semakin tinggi konsentrasi poliester tak jenuh semakin rendah reaktivtasnya, yang ditunjukkan oleh nilai fraksi -gel daD kekerasan pendulum lapisan hasil curing. Fraksi gel dan kekerasan epoksi akrilat pada dosis antara 5 daD 20 kGy masing-masing adalah 83 -93 % dan 122 -178 detik, sedangkan penambahan poliester sebanyak 20 % pada dosis antara 50 daD 80 kGy masing-masing adalah 80 -95 % daD 27 -183 detik. Semakin tinggi konsentrasi poliester tak jenuh,semakin tinggi viskositas daD kandungan bahan mudah menguapnya. Viskositas yang tinggi menyulitkan aplikasi untuk tujuan pelapisan permukaan..
ABSRACT IRRADIATION OF EPOXY ACRYLATE AND UNSATURATED POLYESTER RESINS MIXTURE USING ELEKTRON BEAM. An experimentfor determining the cured film propertiesof the mixtures of epoxy acrylate and unsaturatedpolyesterwas carried out using electron beam radiation. Unsaturatedpolyester concentrationsin the mixture were 0, 20, 40, 60, 80, and 100% by weight. lradiation was conductedat the doseslevel of between 5 and 80 kGy. It was found that increasingof unsaturatedpolyesterconcentrationin the mixture decreasedreactivity, as indicated by the gel fraction and pendulumhardnessof the curedfilms. Gel fraction and hardnessof epoxy acrylateat the dosesbetween5 and 20 kGy were 83 93 %, and 122 -178 secondsrespectively,and the addition of 20 % of unsaturatedpolyesterat the dosesbetween50 and 80 kGy were 80 -95 % and 27 -183 secondsrespectively.The higher of unsaturatedpolyester concentration,the higher viscosity and volatile contentof themixture. High viscosity may createthe problemof applicationin surfacecoatingpurposes.
PENDAHULUAN Epoksi akrilat merupakan oligomer basil reaksi gugus epoksi daD asam akrilat. Dalam perdagangan, umumnya resin epoksi akrilat sudah dicampur monomer reaktif sebagai diluen untuk mengurangi kekentalan agar mudah dituang. Kecepatan pengeringan
(curing)
suatu bahan pelapis campuran
oligomer akrilat dan monomer akrilat cukup tinggi sehingga bahan pelapis radiasi (radiation
curable materials) sebagianbesar merupakan senyawa
akrilat
[I].
pelapisan permukaan
Beberapa
penelitian
kayu, keramik, dan
marmer menggunakan resin epoksi akrilat dengan radiasi berkas elektron dan sinar ultra violet menghasilkan lapisan dengan kekerasan tinggi, adesi yang baik, serta tahan terhadap bahan kimia untuk keperluan sehari-hari [2-5]. Jenis oligomer yang lain adalah poliester tak jenuh. Poliester tak jenuh merupakan basil reaksi campuran asam organik (misalnya asam fumarat, asam maleat, daD anhidrida ftalat) dengan glikol (misalnya propilen glikol daD dietilen glikol). Campuran poliester tak jenuh dengan monomer stiren merupakan bahan pelapis radiasi yang sudah lama dikenal. Walaupun campuran ini
mempunyai kecepatan pengeringan yang rendah, tetapi banyak dipakai untuk pelapisan permukaan kayu karena harganya relatif murah [6J, Tujuan penelitian ini ialah untuk mempelajari sifat campuran epoksi akrilat daD
poliester tak jenuh yang diiradiasi berkas elektron untuk bahan pelapis perrnukaan. Parameter yang diukur meliputi viskositas, kandunganbahanmudah menguap, fraksi-gel, kekerasan,danketahananterhadapbahankimia, pelarutdannoda. BAHAN DAN METODE Bahan: Resin epoksi akrilat aromatik
(larutan 80
%
berat dalam monomer
heksandiol diakrilat) dengan nama komersial Laromer EA 81 dan monomer difungsional tripropilen glikol diakrilat (TPGDA), buatan BASF, Jerman. Resin poliester tak jenuh dalam stiren dengan nama komersial Polylite 8009 buatan PT Pardic Jaya, Tangerang. Plat Aluminium berukuran 200 mm x 120 mm x 1 mm dipakai sebagai substrat. Struktur kimia oligomer dan monomer terdapat pactaTabel 1. Alat: Mesin Berkas Elektron tire scanning yang mempunyai tegangan operasi dan arus maksimum masing-masing 300 kV dan 50 mA, buatan Nissin High Voltage Co., Ltd., Jepang, dipakai sebagai sumber radiasi. Percobaan: Plat aluminium dibersih kan menggunakan air, kemudian direndam dalam aseton sehingga bebas dari kotoran dan lemak. Resin epoksi akrilat dicampur TPGDA dengan perbandingan berat 7 : 3. Poliester tak jenuh ditambahkan pacta campuran ini dengan perbandingan tertentu. Campuran diaduk sampai homogen dan dibiarkan sampai seluruh
I Dipresentasikan pada Seminar Ilmiah PPSM 1996 2 Pusat Aplikasi Isotop dan Radiasi, BAT AN, Jakarta. 277
gelembung udara yang terjadi selama pengadukan, hilang. Konsentrasi poliester tak jenuh dalam campuran divariasi menjadi 20, 40, 60, 80 clan 100 % berat. Campuran dituang-kan pada permukaan plat aluminium daD diratakan menggunakan batang silinder kaca untuk mendapatkan tebal lapisan sekitar 100 urn. Lapisan kemudian diiradiasi
menggunakan mesin berkas elektron pada tegangan operasi 300 kV daD arus 30 mA, dengan variasi dosis iradiasi antara 5 sampai 80 kGy. lradiasi dilakukan dalam atmosfer
nitrogen dengan konsentrasi 02
sebesar
84 ppm. Sifat campuran yang diukur meliputi densitas, viskositas, daD kandungan bahan
mudah menguap. Pengukuran kandungan bahan mudah menguap dilakukan sesuai dengan ASTM D 2369-8 [7]. Fraksi gellapisan
ditentukan dengan ekstraksi menggunakan aseton selama 16 jam.
Kekerasan pendulum
diukur menggunakan "Pendulum Hardness Rocker" dengan metode Koenig sesuai ISO 1522-1973 (E) [8]. Pengujian ketahanan lapisan terhadap bahan kimia untuk keperluan sehari-hari, pelarut daD Dada ditentukan menggunakan uji tetes menurut ASTM D 1308-79 [9]. Bahan kimia penguji yang dipakai meliputi asam asetat 5 %, asam suIfat 10 %, NaOH 10 %, natrium karbonat I %, alkohol 50 %, pengencer (thinner), daD spidol permanen wama merah , hitam, daDbiru.
HASIL DAN PEMBAHASAN Viskositas dan kandungan bahan mudah
menguap. Suatu resin untuk bahan pelapis permukaan pada umumnya terdiri dari campuran prapolimer/ oligomer dengan monomer reaktif. Densitas campuran resin epoksi akrilat clan poliester tak jenuh berkisar antara 1,0077 clan 1,1914 g(ml, clan datanya terdapat pada Tabel 2. Prapolimer atau oligomer mempunyai berat molekul antara beberapa ratus sampai beberapa ribu. Hal ini dapat diketahui dari viskositasnya yang tinggi.
Tanpa
pengenceran dengan penambahan
monomer reaktif, viskositas oligomer yang tinggi ini sulit membasahi substrat. Dalam
bidang
pelapisan pennukaan, pengaturan
viskositas ini penting, karena selain untuk menentukan alat pelapis yang sesuai, komposisi campuran oligomer yang sudah dicampur monomer akan menentukan sifat lapisan basil iradiasi.
278
Resin dalam perdaganganumumnya merupakan oligomer yang telah dicampur dengan monomer reaktif agar tidak terlalu kental sehingga memudahkan penuangan. Dalam percobaan ini, resin epoksi akrilat aromatik atau dengan nama komersial Laromer EA 81 merupakan campuran oligomer epoksiakrilat 80 % dalam monomer heksandioldiakrilat. Resinpoliestertak jenuh yang dipakai dalam percobaan sudah dicampur dengan monomer stiren. Dalam aplikasinya, viskositas tinggi menyebabkan permukaan lapisan yang dihasilkan bergelombang (tidak rata). Dari Gambar 1 terlihat bahwa resin epoksi akrilat (sudah dicampur 30 % TPGDA) mempunyai viskositas yang cukup rendah yaitu 375 cpo Dalam campurandengan poliester tak jenuh, semakintinggi konsentrasipoliester tak jenuh semakin tinggi viskositasnya.Resin poliester tak jenuh sendiri mempunyaiviskositas yang sangat tinggi yaitu 14.360 cpo Dengan demikian semakin tinggi konsentrasipoliester tak jenuh semakin sulit aplikasinya. Alat pelapis yang biasa dipakai dalam aplikasi pelapisanadalahpelapistipe rot. Alat pelapisini pada umumnya masih menghasilkan lapisan yang cukup baik pada viskositas lebih rendah dari 600 cpo Dari percobaan ini, dengan konsentrasipoliester maksimum20 % lapisan yangdihasilkanmasihcukupbaik. Kandungan bahan mudah menguap merupakan suatau ukuran mudah tidaknya suatu bahan menimbulkan ball clan emisi yang tidak diinginkan. Resin epoksi akrilat mengandung monomer heksandiol diakrilat (HDDA) clanTPGDA, sedangkanresinpoliester tak jenuh mengandung monomer stiren. Heksandiol diakrilat clan tripropilen glikol diakrilat merupakan monomer difungsional. Kedua monomertersebutmempunyaiviskositas yang rendah,kemampuanyang tinggi untuk menurunkan viskositas, serta sangat reaktif. Stiren merupakan monofungsional yang banyak dipakai sebagai diluen dalam bahan pelapis radiasi meskipunpenguapannyatinggi, mudah menyala, bau yang tajam clan laju pengeringan yang rendah. Stiren dipakai secara intensif untuk pelapisan karena harganya yang relatif murah. Sifat mudah menguap dari stiren ini menyebabkan kandungan bahan mudah menguap resin poliestertak jenuh cukup besar yaitu sekitar 27 %, sedangkan resin epoksi akrilat (mengandung HDDA clan TPGDA) hanya
sekitar 13 % (Gambar2). Semakin tinggi konsentrasi resin poliester tak jenuh, semakin tinggi konsentrasi stiren dalam campuran, clan semakin tinggi kandungan bahan mudah menguapnya.
Fraksi-gel Tingkat polimerisasi campuran epoksi akrilat clan poliester tak jenuh setelah diiradiasi berkas elektron diukur dengan fraksi-gel. Hubungan antara fraksi-gel clan dosis iradiasi pada komposisi Campuranyang berbeda terlihat pada Gambar 3. Kurva-kurva pada Gambar 3 menunjukkan bahwa laju curing, atau laju pembentukan gel resin epoksi akrilat lebih tinggi dibanding resin poliester tak jenuh. Epoksi akrilat mempunyai reaktivitas yang tinggi karena ikatan rangkapnya terletak pada rantai samping (side chain) clan adanya gugus hidroksil sekunder, yang terbentuk pada saat sintesa [10].Ikatan rangkap pada poliester tak jenuh terletak di rantai utama (backbone chain) clan terdistribusi secara acak dalam rantai polimer. Oleh karena ketidak jenuhan atau ikatan rangkapnya terletak pada rantai utama, maka reaktivitasnya relatif rendah. Selain itu, fraksi-gel juga dipengaruhi oleh fungsionalitas monomer dalam sistem. Resin epoksi akrilat mengandung monomer difungsional HDDA dan TPGDA, sedangkan resin poliester tak jenuh mengandung monomer monofungsional stiren. Menurut SETa et al. [11], fraksi-gel yang tinggi dihasilkan dari monomer dengan jumlah gugus fungsional dalam tiap molekulnya juga tinggi. Dengan letak ikatan rangkap pada rantai samping, serta monomer dengan fungsionalitas yang tinggi ini, hanya diperlukan dosis yang relatif rendah untuk membentuk ikatan silang. Fraksi-gel epoksi akrilat pada dosis antara 5 clan 20 kGy berkisar antara 83 clan93 %, sedangkan resin poliester tak jenuh memerlukan dosis antara 50 clan 80 kGy untuk mendapatkan fraksi-gel antara 80 -95 %. Semakin tinggi konsentrasi resin poliester tak jenuh dalam campuran, semakin rendah nilai fraksi-gel. Pada dosis 80 kGy, nilai fraksi gel pada semua komposisi relatif hampir sarna.
Kekerasan Kekerasan lapisan disajikan pada Gambar 4. Sifat kekerasan erat kaitannya dengan fraksi-gel pada suatu formulasi bahan pelapis. Semakin tinggi derajat ikatan silang, semakin tinggi fraksi-gel, dan semakin keras suatu lapisan. Kurva-kurva pada Gambar 4 dan Gambar 3 mencerminkan kesamaan antara
trttksi-gel dan kekerasan lapisan, baik dilihat dari pengaruh dosis, maupun komposisi bahan pelapis. Kekerasan epoksi akrilat pada dosis antara 5 daD 20 kGy berkisar antara 122 daD 178 detik, sedangkan poliester tak jenuh berkisar antara 25 daD 180 detik pada dosis antara 40 daD80 kGy. Oari kedua gambar tersebut terlihat nyata bahwa semakin tinggi konsentrasi resin poliester dalam campuran, semakin rendah nilai fraksi-gel dan kekerasannya. Tetapi, resin poliester tak jenuh 100 % temyata mempunyai sifat relatif lebih baik dibanding apabila konsentrasinya dalam campuran 60 atau 80 %. Reaksi kopolimerisasi poliester tak jenuh dengan stiren lebih dominan dibanding dengan monomer akrilat.
Ketahananterhadapbahan kimia, pelarut, dun noda Hasil pengujian ketahanan terhadap bahan kimia, pelarut, clan noda menunjukkan bahwa hampir semua lapisan tahan terhadap NaOH 10 %, natrium karbon at I %, asam asetat 5 %, asam suIfat 10 %, alkohol 50 %, pengencer, daD spidol permanen warDa merah, biru clan hitam. Beberapa lapisan tidak tahan terhadap NaOH 10 % yaitu epoksi akrilat (5 kGy) clan lapisan yang mengandung poliester 60, 80 clan 100 % (50 kGy). Hal ini terlihat dengan terjadinya penurunan kilap pada contoh uji. Penurunan kilap tampak lebih jelas pada poliester tak jenuh 100 % yang diiradiasi
40kGy. KESIMPULAN Resin epoksi akrilat mempunyai reaktivitas yang tinggi terlihat dosis yang dibutuhkan untuk terjadinya curing cukup rendah. Penambahan resin poliester tak jenuh menyebabkan penurunan sifat lapisan secara drastis. Apabila resin epoksi akrilat membutuh kan dosis antara 5 -20 kGy untuk mendapat kan fraksi gel antara 83 -93 %, maka diperlukan dosis antara 50 -80 kGy untuk mendapatkan fraksi gel antara 80 -95 % pada konsentrasi poliester tak jenuh 20 % berat. Viskositas dan kandungan bahan mudah menguap resin epoksi akrilat cukup rendah sehingga memudahkan aplikasi dalam pelapisan permukaan suatu bahan. Pencampuran resin epoksi akrilat dan poliester tak jenuh tidak menghasilkan lapisan yang relatif baik dibanding poliester tak jenuh sendiri. Kondisi optimum lapisan epoksi
279
akrilat adalah pada dosis 20 kGy sedangkan resinpoliestertak jenuh sekitar80 kGy. UCAPAN TERIMA KASm Penulis mengucapkan terima kasih kepadaSdr. Sungkono yang telah membantu penelitian ini, serta seluruh operator mesin berkas elektron di Instalasi Fasilitas Iradiasi, PAIR. BAT AN, yang telah memberikanlayananiradiasi. DAFTAR PUSTAKA 1. G.A. SENICH, and R.E. FLORIN., Radiation curing of Coating Rev. Macromol.Chem. Phyc. C. 242 (1984) 2. S.DANU,F.SUNDARDI,G.TRIMULYADI, A.SUNARNI,DARSONO,dan MARSONG KO, "Radiation curing of surface coating of five commercial timbers", Seminar Second Indonesia nCA Polymer Symposium CUM-Workshop, 1990, RDCAP-LIPI, Bandung (1990) 103. 3. SDANU,G.TRIMULYADI, A. SUNARNI,dan DARSONO.,"Pelapisan permuka an lantai packet secara radiasi dengan bahan pelapis Laromer", Proses Radiasi dalam Industri, Sterilisasi Radiasi, dan Teknik Nuklir dalam Hidrologi (Risalah Pertemuan Ilmiah, 1988), PAIR-BATAN, Jakarta (1989) 243. 4. DANU, A. SUNARNI, dan M. MITRO, "Pelapisan berwarna pada keramik dengan radiasi berkas elektron "Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir" Prosiding Pertemuan Ilmiah, 1993), PPNY, Yogyakarta (1993) 30. 5. S. DANU, A. SUNARNI, DARSONO, and M. MITRO, "Pelapisan permukaan marmer dengan radiasi berkas elektron", Aplikasi Isotop dan Radiasi dalam Bidang Industri, Pertanian, dan Lingkungan (Risalah Pertemuan Ilmiah, 1993) PAIR-BATAN, Jakarta (1994) 135. 6. R. HOLMAN, and F. OLDRING, UV & EB Curing formulation for printing Inks, Coating & Paints, SIT A, London
1988. 7.
8.
ANONYMOUS, Annual Book of ASTM Standards, part 27 ASTM, Philadelphia (1984) 474. ANONYMOUS, Paints and Varnishes, Pendulum Damping Test [ISO1522-1973 (E)] (1985) 348.
280
9. ANONYMOUS, Annual Book of ASTM Standards,part 27 ASTM, Philadelphia (1982)188. 10. N. S. ALLEN, M. A. JOHNSON,P. K. T. OLDRING, SALIM, Chemistry and Techno-logy of UV & EB Formula-tion for Coating, Inks Paints, Vol. 2, SITA, London,1991 11. J. SETO, T. NAGAI, T. NOGUCffi, S. ARAKAWA, A. SHIBATA, C. ISmMOTO, and M. MIY ASffiT A, Electron beam curing of acrylate oligorners, Rad. Phys. Chern. 25 (1985) 567.
DISKUSI Anonim Salah satu fungsi atau tujuan pelapisan permukaan yaitu supaya bahan tersebut menjadi keras tentunya, bagaimana permukaan benda tersebut. Logam-logam apa saja yang dapat dilapisi sehingga menjadi lebih kuat.
Sugiarto Semua logam dapat dilapisi permukaannya tetapi setiap logam mempunyai karakteristik tersendiri, terdapat bahan pelapis. Sifat adesi terhadaplogam sangatspesifik. Wagiyo Berapa diameter berkas elektron dan apakah bisa difokuskan ? kalau bisa berapa diameter terkecil dan berapaK gry radiasi maksimum dari berkaselektron. Sugiarto Berkas elektron dalam bentuk empat persegi panjang bukan dalam bentuk lingkaran. Lebar berkas 15 Cm daD panjangnya 130 Cm. Radisasi maksimum berkas elektron tergantung pada tegangan, ams dan kecepatan bahan yang diiradiasi.
Sudirrnan Apakah bentuk morfologi bahan yang akan dilapis mempengaruhicuring yang terjadi dan bagaimana hubungannya dengan komposisi resin.
Sugiarto Morfologi bahan yang akan dilapis mempengaruhi curing yang terjadi, sebagai contoh pelapisan permukaan kayo. Semakin berpori kayo semakin banyak bahan pelapis yang melakukanpenetrasidan semakinkeras
16 '
1-1 80 0 0
12
.
y-
10,
6" It)
~.
I
8
1/1
~ 'in
6
.:c 1/1
4
0
::>
"
0 /0
.--J
, 20
L-
L
40
60
I.
-80
100
Konsentrasi resin poliester, % Gambar I. " Viscositas campuran resin epoksi akrilat dan poliester tak jenuh "
of Q.
co
& c C1)
E:' .c
~~ E c co .c co
.c c
~
c
~ c
U
~ Konsentrasi resin poliester, % Gambar 2. " Hubungan kandungan bahan mudah menguap dan konsentrasi poliester "
281
permukaan kayu. Komposisi resin akan menentukan viskositas dan menentukan
penetrasi bahan daD mempengaruhi sifat lapisan pennukaan
I. Struktur kimia oligomer dan monomer yang dipakai dalam percobaan
No. Nama
Strukturkimia
OH OH
0 Epoksi
Fungsiona litas 0
2
CH2=CH -C-O-CH2-CH -R -CH -CH2-O-C-CH=CH2
akrilat CH3
R=[-Q-
-c-
-O-CH2-CH-CH2Jn
OH 0 2.
Poliester
[-Q-C-
0
0
0
-C-O-CH2-CH2-O-C-CH=CH-C-O] n
1
tak jenuh 0
3. Heksandiol
0
2
CH 2=CH -C -0-( CH 2)6-O-C -CH =CH 2
diakrilat 0 4.
0
Tripropilen CH2=CH-C-O-{CH(CH2)CH2O h-C-CH=CH2 glikol diakrilat
5. Stiren
CH=CH2
Tabel 2. Densitas campuran resin epoksi akrilat dan poliester tak jenuh
Konsentrasipoliester,%
0 20 40 60 80 100
282
Densitas, giml 1,0077 1,0956 1,1245 1,1371 1,1377 1,1914
2
KOnG9ntrasi
poliester,
%
.0
.60
t 100
Dosis iradiasi kGy Gambar 3. " Fraksi-gel sebagai fungsi dosis iradiasi "
Konsenlrasi
poliesler,"
.0
+20 w 40 .60 )( 80 .'00
Dosis iradiasi, % Gambar 4." Hubungan kekerasan dan dosis iradiasi"
283
