ProsidingPertemuanIlmiah SainsMateri 1996
RADIASI PENGIKATAN SILANG POLIETILEN UNTUK BAHAN ISO LASI KABEL T AHAN PANAS! Mirzan T. Razzak2, Wiwik S. SUbOWO3, Sumi Hudiono4,
GatotTrimulyadi, Anik Sunarni,Isni Marlianti5
ABSTRAK RADIASI PENGIKATAN SILANG POLIETILEN UNTUK BAHAN ISOLASI KABEL TAHAN PANAS. Telah dilakukan penelitian radiasi pengikatan silang polietilen untuk bahan isolasi kabel. Polietilen densiti rendah (LDPE) berbentuk pelet dicampur dengan berbagai aditif sehingga terbentuk kompon. Pencampuran dilakukan pada temperatur 130 .C dengan menggunakan alat laboplastomil. Kompon yang didapat dijadikan lembaran film setebal 0,2 mm dengan ukuran IS cm x 15 cm dengan menggunakan alat press panas pada temperatur 130.C dan tekanan 150 g/cm2. Film tersebut selanjutnya diiradiasi dalam berbagai dosis dengan mesin berkas elektron OJ-2 berenergi 2 MeV dan kuat arus I mA. Setelah iradiasi, kadar pengikatan silang yang terbentuk dianalisis dan sifat mekanika maupun sifat termal, daTi film LDPE tersebut diukur dengan prosedur standard. Didapatkan bahwa kompon polietilen yang diiradiasi dapat mempunyai kadar pengikatan silang lebih besar daTi 70 % dengan nilai tegangan putus mencapai lebih daTi 280 kg/cm2. Setelah dilakukan pengujian pengusangan (aging test) didapatkan bahwa tegangan putus bertahan lebih daTi 75 % yang berarti menunjukkan bahwa kompon kabel iradiasi tersebut memiliki sifat yang memenuhi syarat untuk digunakan sebagai bahan isolasi kabel tahan panas.
ABSTRACT
RADIATION CROSSLINKING OF LOW DENSITY POLYETHYLENE (LOPE) TO BE USED AS A HEAT RESISTANCE CABLE INSULATION. Radiationincucedcrosslinkingof low density polyethylene(LDPE) in the presenceof different additives has beenstudied. The LDPE pellet were compoundedby different additivesusing a mixer of laboplastomilat 130.C. The compoundwas pressedto be a 15 cm x 15 cm film sheetof 0.2 mm thicknessby using a hot pressedequipmentat temperatureof 130.C and pressuredof 150 g/cm2. The film sheet was irradiated at different dosesby using Electron Beam Machine of GJ-2 where the energy of electron beam was 2 MeV and beam currentof 1 mA. After irradiation, the degree of crosslinking, mechanicaland physical propertiesof the film sheetwereevaluated.It was found that the degreeof crosslinking of higher than 70 % based on gel traction measurementand the tensile strength of around 280 kg/cm2 were achieved. Aging evaluationshowsthat the tensilestrengthwasremainedto be morethen 70 %. Theseresultsindicate that the irradiatedLDPE can be appropriatelyusedasheatresistancecableinsulation.
PENDAHULUAN Polietilen merupakan salah satu jenis polimer yang d\gunakan untuk bahan isolasi kabel. Selain mudah didapat di pasaran, polimer ini tergolongmurah, ringan, tahan bahan kimia mampu tahan kelembaban clan yang paling penting adalah mempunyai sifat isolasi listrik yang baik [I].
Sejalan dengan perkembanganteknologi, penggunaan kabel tidak hanya untuk keperluan jaringan listrik di perusahaan, tetapi juga digunakan dalarn telekomunikasi, automobil clan industri elektronika. Penggunaan tersebut membutuhkan jenis kabel tertentu dengan spesifikasi tertentu diantaranya diperlukan kabel yang tahan panas clan bahkan juga tahan tegangan tinggi [2]. Untuk maksud tersebut polietilen yang digunakan sebagai bahan isolasi kabel diproses sedemikian rupa sehingga memiliki struktur molekul yang berikatan silang artinya rantai polimer yang mulanya linear dibuat saling I Dipresentasikan pada Seminar Ilmiah PPSM 1996 2 Pusat Pengkajian Teknologi Nuklir (PPkTN-BATAN) 3 Pusat Penelitian Fisika Terapan -LIPI 4 Fakultas Matematika clan Ilmu PengetahuanAlam -VI SPusat Aplikasi Isotop dan Radiasi (PAIR-BA TAN)
246
berikatansehinggamembentukstruktur 3 (tiga) dimensiyang lebih kuat dan beratmolekul yang iebih besar, Pembentukan ikatan silang dalam rantai polimer polietilen dapat dilakukan dengancarakimia maupuncara radiasi, Ada 2 (dua) cara kimia yang paling lazim digunakan dalam industri kabel yaitu metode vulkanisasi kontinue(continuousvulcanisation)danmetode Sioplas[3],Cara lain yaitu menggunakanradiasi pengion, Dalam hal ini radiasi pengion yaitu berkas elektron atau sinar y digunakan untuk menyinari bahan polimer sedemikian rupa sehinggaterbentuk ikatan silang dalam bahan polimer tersebut yang memberikan sifat-sifat fisika/mekanik yang siap digunakan sebagai bahanisolasikabel, Dalam makalahberikut ini dilaporkan hasil penelitian pembuatankompon polietilen yang berikatan silang melalui proses radiasi berkas elektron membentuk polimer. Kadar ikatan silang yang terbentuk maupun sistem mekanikadan sifat fisika dari polietilen tersebut
diamati secara seksama, demikian pula pengaruhsenyawaanti oksidandan bahanaditif lain, terhadapsifat mekanikmaupunfisikanya.
ekstraktor,ditimbang sampaiberat tetap (We). Fraksigel dihitung menurutpersamaanberikut :
G=
CARA KERJA
W. -Wk
x 100(%) WI
-Wk
Bahan Polietilen densitas rendah atau low density polyethylene (LDPE) produk Polandia (Malene EPFS 4020) berbentukpellet. Carbon black powder produk Union Carbide (UC) dan produk BASF (Germany).Tiga (3) macamAnti Oksidant yaitu Santowhite produk Musanto Co., Irganox 1010(4,4 butyleretris6 tert. butyl m-erasol) dan Irganox 1076 (pentacythrytolester dari 3,5 detetra-butyl hydroy phenol propionic), keduanya produk Ciba Geigy. Bahan kimia lain digunakan langsung tanpa pemurnianlebih lanjut.
Pembuatan Sampel Pelet LOPE sebanyak 40 gram ditambah dengan carbon black powder clan ditambah dengan anti oksidan, dicampur homogen di dalam alat laboplastomil pada temperatur 130°C selama 10 menit dengan kecepatan putaran sekitar 60 rpm (rotasi permenit). Campuran homogen tersebut dibuat menjadi lembar film (sheet) berukuran 15 cm x 15 cm clan tebal 0.20 mm dengan menggunakan alat press panas (130°C) dengan tekanan 199 kg/cm2 selama 3 men it, clan alat press dingin selama 2 men it, kemudian dicelup kedalam air
dengan teknik pendinginansegera(quenching technique).
lradiasi Lembar film berukuran 15 x 15 cm x 0,15 cm diiradiasi dengan berkas elektron dari mesin berkas elektron GJ-2 pada energi2 MeV clan kuat arus I mA. Laju dosis pada posisi iradiasi diukur dengan dosimeter Celulosa Tri Asetat (CTA) film. Dosis iradiasi bervariasi dari 0 -300 kGy.
Fraks; Gel Sampel:t 0,5 gram dimasukkandalam bungkus kasa kawat, ditimbang (Wt), sebelumnya kawat kasa kawat itu ditimbang (Wk). Sampel tersebut diekstraksi dengan pelarut Xylene menggunakan soklet pada temperatur 157°C, selama 24 jam. Setelah ekstraksi,bungkus kasa tersebutdicuci dengan aseton/methanol, dikeringkan dalam oven 70°C selama 1 jam. Kemudian dimasukkankedalam
Teganganputus dan mulur putus. Pengukuran tegangan putus (TD) daD mulur putus (ED) dengan menggunakan alat Strograph-Ri buatan Toyoseiki pada temperatur ruang sesuai dengan standar ASTM 1721-91 W [4)
Aging testlUjipengusangan Sampel dimasukkan ke dalam oven pada temperaturtetap 121°C selama 168 jam, kemudiandidinginkan sampaitemperaturkamar untukselanjutnyadiukur teganganputusnya. Sifat lerma/. Sarnpel 10 mg dirnasukkan dalam sampel holder alat DT A buatan Shimadzu model DT 300 dengan kecepatan pemanasan 10oC/menitdaD kecepatan aliran gas N2 sebesar 30 ml/menit.
Sifat listrik Sifat listrik dipelajari dengan mengukur konstanta dielektrik mengugunakan alat Rheolograph solid (Toyoseiki) [4].
BASIL DAN PEMBABASAN Fraksi gel merupakan ukuran indikasi terbentuknya ikatan silang dalam molekul polimer. Pada umumnya bertambah besar persentasi fraksi gel berarti bertambah besar ikatan silang yang terjadi dalam polimer LOPE. Pada gambar I ditunjukkan bahwa fraksi gel meningkat dengan kenaikan dosis radiasi. Adanya kandungan anti oksidan dalam LOPE temyata meningkatkan kadar ikatan silang atau fraksi gel, kecuali anti oksidan, Santowhite. Antioksidan Irganox 1076 menghasilkan fraksi gel yang lebih besar dibanding dengan LOPE mumi. Hal ini menunjukkan bahwa Santowhite cenderung menghambat terbentuknya ikatan silang
sedangkan
Irganox
1076
merangsang
pembentukan ikatan silang. Oalam laporan Vokal dkk (5), disebutkan bahwa berbagai antioksidan seperti tlektol H, Irganox 515 daD Irganox 1024 temyata menghambat pembentukkan ikatan silang. Menurut pengamatananalisis infra merah, Irganox 1076
247
,..
lebih kompatibel dengan LDPE. Diperkirakan anti oksidan tersebut lebih banyak masuk ke dalam rasa kristalin, sehingga rasa Amorphous dari LDPE tidak begitu terganggu untuk membentuk ikatan silang. Hal ini sesuai pula dengan perkiraan dan temuan L VaNS (6) ketika beberapa jenis anti oksidan phosphite digunakan pada radiasi pengikatan silang
dibandingkan dengan LDPE mumi maupun yang mengandung Santowhite. Pada dosis radiasi 200 kGy, harga tegangan putus (Ts) sebesar286 kg/cm2 dapat dicapai oleh kompon LDPE yang mengandung IRGANOX 1076. Harga tegangan ini melebihi harga Ts standar minimal yang diperlukan atau disyaratkan ASTM (7) sebagai bahan isolasi kabel yaitu hanya sebesar 127 kg/cm2.
LDPE. Pengaruh anti oksidan dalam pembentukan ikatan silang tidak hanya ditunjukkan olehjenis anti oksidan,tetapijuga ditunjukkan oleh kadar kandunganantioksidan itu dalam LDPE. Seperti dapat dilihat pada Gambar 2., bertambah besar konsentrasi Irganox 1076 dalam LOPE maka bertambah kecil fraksi gel yang didapat,atau dengankata lain bertambahsedikit terjadinya ikatansilang.
]00.
75 50'
Hal ini berlaku untuk semua kondisi dosis '"* iradiasi(100-300kGy). ':::; 25. Kandungan0.2 % Irganox 1076dalam ~ LOPE menghasilkanfraksi gel tertinggi (lebih.§ I dari 70 %) dibanding dengan konsentrasi e 0 antioksidanyang lain. ~
(8) 0,2 ppm [8] 0,5 ppm 0 1,00ppm 200
100
300
KonsentrasiIrganox 1076 100
--
~ '-"
Gb.2. Perbandingan konsentrasi antioksidan Irganox 1076 pacta pembentukan fraksi
75
Q)
:§
~
gel.
]
co
J I
50 (8) LOPE + IRGANOX 1076 [BJ LOPE + IRGANOX 1010 0 LOPE .LOPE + SANTOWHrrE
25 ;1'
0
100
200
300
300 "s
Dosis(kGy) Gb.
2001
i
I
Hubungandosis iradiasi denganfraksi ~ gel dari LOPE iradiasi yang mengandung antioksidan. Kadar antioksidan Irganox 1076, Irganox 1010 daD Irganox Santowhite masing-masing0,2 %.
(8) WPE + IRGANOX 1076 [8] WPE 0 LOPE + SANTOWHITE
0
100
200 Dosis
Hasil pengukuran tegangan putus (To) dari kompon LOPE yang mengandung 0,2 % Santowhite ditunjukkan oleh Gambar 3. Tegangan putus kompon LOPE yang mengandung IRGANOX 1076 adalah superior
248
300
(kGy)
Gb.3. HubunganTo dengandosis radiasi untuk LDPE iradiasi yang mengandung anti oksidanIrganox 1076clanSantowhite. Kadar antioksidanmasing-masing0,2%.
-0
Sebagaimana ditampilkan oleh Gambar 3. tanpa iradiasi LOPE mumi mempunyai tegangan putus sebesar 109 kgicm2. Bila LOPE mumi diiradiasi dengan qosis 100 kGy, harga TB mencapai 144 kgicm2. Jadi sesungguhnya tanpa antioksidan pun, LOPE iradiasi telah memenuhi syarat untuk digunakan sebagai bahan isolasi kabel ditinjau dari segi sifat mekaniknya. Akan tetapi ditinjau dari sifat fisikanya, khususnya sifat tahan panas temyata LOPE memerlukan bahan tambahan (aditit) berupa antioksidan agar tidak mudah lapuk. Hasil uji pengusangan (aging test) ditampilkan pada Tabel 1. Sebagaimana ditampilkan pada Tabel I., harga TB sebelum pengusangan pada dosis 0 kGy (tanpa iradiasi) adalah 109 kgicm2, tetapi sesudah pengusang-an harga TB menjadi nolo
Tabel
TeganganputusTo LDPE iradiasiyang mengandung antioksidan 0,2 % Irganox 1076 sebelum dan sesudah pengusangan.
yang digunakan yaitu Union Carbide (UC) clan BASF dengan kadar masing-masing 8%, temyata harga tegangan putus untuk jenis UC adalah lebih tinggi dibandingkan dengan BASF. Hal ini diperkirakan karena "Carbon Black" jenis UC memang lebih halus clan pencampurannya dalam LDPE terlihat lebih homogen clanmerata secara visual. Pengamatan berdasarkan pengukuran spektrum inframerah menunjukkan bahwa penggunaan Carbon Black UC memang homogen (8). Sifat termal LDPE iradiasi dipelajari dengan pengukuran temperatur leleh (Tm) clan temperatur dekomposisinya (Td) menggunakan alat "Diferensial Thermal Analysis" (DT A).
.. . . .. . ..
., .
T
:
100',
'00
. .
,
... . .
100
'00 ;
I
~ 2
0
Dosis Radiasi (kGy)
To
---
Sebelum
0 109
100 1200
249
286
Sesud~-
100
200
~oo
0..1.I,.dl..,(kOrI
.00
600
Gr.mber ~. Hubungen en tara do's!s Iradlasl
1300
dengan
togengan
putua & perpAn!a(1gan
putUI.
280
Pacta Tabel 2., ditunjukan salah satu bentuk harga Tm daD Td dari LDPE iradiasi yang
pen~sangan (kg/c~1 TB
I
500.
I
0
232
252
pengusangan~g/cm1
mengandung8 % Carbon Black daD 0,2 % antioksidan Santowhite. Temyata temperatur
leleh
(Tm)
cenderung sedikit menurun dengan kenaikan pernikian pula LDPE iradiasi dengan dosis 100 kGy, temyata rneskipun sebelurn pengusangan rnernpunyai harga Tn 249 kg/crn2, narnun setelah uji pengusangan didapatkan harga TB sarna dengan nolo Hal ini rnenunjukkan bahwa dosis iradiasi 100 kGy tidak cukup layak untuk rnernbentuk sifat fisika bagi bahan LDPE untuk bahan isolasi kabel. Akan tetapi berbeda halnya jika LDPE iradiasi dilakukan pacta dosis 200 atau 300 kGy. Temyata harga Tn sesudah pengusangan bertahan sampai 252 kg/crn2 pacta dosis 300 kGy. Artinya harga TB tetap dipunyai oleh LDPE iradiasi, meskipun sedikit berkurang yaitu :!: 75 % daTi awalnya (sebelum uji 2 pengusangan) sebesar280 kgicm . Pacta Gb. 4 ditunjukan pengaruh penambahan "Carbon Black" terhadap sifat rnekanik (TB, En) daTi LDPE iradiasi. Sebagairnana dapat dilihat pada Gb. 4.,
dosis radiasi. Hal ini mungkin dapat diterangkan
bahwa penurunan tersebut
akibat
lebih
menonjolnya pengaruh dekstruksi kristal dibandingkan pengaruh pembentukan ikatan silang. Akan tetapi dilain pihak temperatur dekomposisi (Td) sedikit naik dengan kenaikan dosis radiasi. Dalam hal ini dapat dikatakan adanya pengaruh ikatan silang yang terbentuk.
Tabel2. Analisis termal LDPE + 8% carbon black+ 0,2% antioksidanSantowhite. Sifat Termal 0
DosisIradlasi(kGY) 100 300 0
Tm( C)
110,3
109,2
105,6
Td(OC
473,3
475,6
474,6
tegangan putus rneningkat dengan kenaikan dosis radiasi, sedangkan perpanjangan putus rnenurun. Dari 2 (dua) jenis "Carbon Black"
249
Sifat listrik dari LOPE iradiasi idipelajari dengan melakukan pengukuran konstanta dielektrik. Sebagaimana telah dilaporkan oleh Nenen Rusnaeni dkk [4], konstanta dielektrik riil bertambah besar
UCAPAN TERIMA KASIH Para penulis mengucapkan terima kasih kepada Dewan Riset Nasional yang melalui program Riset Unggulan Terpadu (RUT I) telah membiayaipenelitianini.
sebanding dengan pertumbuhan konsentrasi "Carbon Black". Akan tetapi kenaikan konstanta dielektrik tidak begitu besar dengan kenaikan dosis iradiasi. Pada Tabel 3., ditunjukan harga konstanta dielektrik riil Bl r(o» dan faktor disipasi (tan 0) yang berkaitan dengan power factor (PF). Pada hakekatnya semakin tinggi harga tan 0 maka
semakin
rendah
ketahanannya terhadap
tegangan listrik. Tabel 3. Harga konstanta dielektrik f;' "r(ro} faktor disipasi (tan 8) dari LOPE radiasi.
Dosis
e" r(ro)
tan 0
(kGy) 0
3.096
]00 200 300
2.633 2.840 3.064
8.2.£-0.3 6.2.£-0.3 2.5.£-0.3 6.9.£-0.3
Berdasarkan hasil yang didapat dari percobaan ini, maka kabel yang diiradiasi pada dosis 100-300 kGy adalah memenuhi syarat unruk digunakan sebagai bahan isolasi kabel tegangan tinggi. Hal ini didasarkan pada ketentuan ASTM D.2656-89 yang menyebutkan bahwa bahan polimer dengan harga 1;1r(ro) maksimum 3.5 clan tan 0 sekitar 0,02 dapat digunakan sebagai isolasi kabel tegangan tinggi -35 KV (9).
KESIMPULAN Radiasi pengikatan silang LDPE dengan radiasi elektron energi tinggi (2 MeV) telah dilakukan. Kompon LDPE yang mengandung antioksidan IRGANOX 1076 ataupun Santowhite dan "Carbon Black" ternyata dapat digunakan sebagai bahan isolasi kabel yang tahan panas. Hasil uji sifat listrik juga memberi indikasi bahwa kompon LOPE tersebut mempunyai sifat yang tahan terhadap tegangan listrik tinggi (- 35 KV).
250
DAFTARPUSTAKA I. ANTHONY K. K. PODALSAK AND CARLOS TIN, A reviewof Wire and Cable Heating Extrusion Prosess,Dept. of Chern. Engineering,Monash University, Clayton, Yictoria 3168, Australia, Morcel Dekter 1988. 2. Y AMAMA TO S. Crosslingking of Wire and Cable With ElectronBeam,Proceeding of the workshop on the Utilization of Electron Beam (Ed. Sueo Machi), Japan Atomic Energy ResearchInstitute, Nov. 1990.60-77. 3 .BERNET J.r. Application of Radiation to IndustrialWire and Cable, RadiationPhys. Chern. 14.3-4-1989. 4 .NENEN RUSNAENI, WIWIK S. SUBOWO, RACHMAT SATOTO DAN MIRZAN T. RAZZAK, Sifat listrik kompon LDPE yang diiradiasi berkas elektron untuk bahan isolasi kabel, Prosiding SimposiumNasional Himpunan PolimerIndonesia1995,92-96. 5.YOKAL, P. CERNOCH, K. YOCEK, I. KLIER, Low Density PolyethyyleneWire Insulation Crosslinked by Ionizing Radiation, 6th Symp. on Radiation Chemistry,1986,671-675. 6.LYONS; US. PATENT.4.036.729,1977. .,, .ANONYMO, Annual Book of ASTM Standard, ASTM Studying D 2655-83., AmericanSocietyof Testingand Materials, Philadelphia,1984. 8 .MIRZAN T. RAZZAK, Modifikasi Polimer untuk Bahan Isolasi Kabel Tahan Panas dari Listrik Tegangan Tinggi. Laporan RUTI.2, 31 Agustus 1995, (tidak dipublikasi). 9 ODA, K. UENO, TADA AND SUZUKI S. IrradiatedCrosslinkedWire, Radiat. Phys. Chern. 1990,35,3.
