Pene/i/iandon Pengembangan Ap/ikasi Is%p don Radiosi,1998
KARAKTERISASI POLIETILEN DENSITAS RENDAH IRADIASI Kadarijah,Isni Marlijanti, dan Anik Sunami Pusat Apllikasi
Isotop clan Radiasi, BATAN
ABSTRAK KARAKTERISASI POLl ETILEN DENSITAS RENDAH (LDPE) IRADlASI. Efek dosis rendah ( 10 -50 kGy ) dari iradiasi gamma pada LDPE berbentuk lembaran dengan ketebalan -1 mm didalam lingkungan udara dan gas nitrogen (Nz) telah dilakukan. Parameter yang diukur adalah perubahan sifat fisik, sifat termal dan pita serapan intra merah. Sifat fisik diukur menggunakan alat Strograph -RI Toyoseiki. Sifat terrnal diukur dengan DSC Du Pont T A 9900 dan kecepatan pemanasan1°C/menit, sedangkanabsorpsi infra merah dilihat dengan FT -IR Shimadzu. Hasil yang diperoleh adalah tegangan putus naik dengan naiknya dosis iradiasi baik iradiasi dalam lingkungan udara maupun lingkungan nitrogen yaitu dari 139 kg/cmz menjadi 165kg/cmz dan 172 kg/cmz pada dosis iradiasi 25 kayo Suhu titik leleh kristalin ( Tm ) LDPE yang tidak diiradiasi adalah 1120C sedangkan setelah iradiasi 50 kGy sedikit menurun sekitar 1°C baik yang diiradiasi dalam lingkungan Nz maupun udara. Sedangkan To (suhu oksidasi) naik pada lingkungan udara dan yang diiradiasi pada lingkungan Nz mempunyai dua titik puncak .Setelah iradiasi dapat diamati adanya pergeseran pita serapan infra merah dari LDPE, diantaranya pita serapan pada panjang gelombang 715,731,1303, dan 1377 cm-1
ABSRACT CHARACTERIZATION OF IRRADIATED LOW DENSITY POLY-ETHYLENE (LOPE).
Effect
of low doses ( 10 -50 kGy) gamma irradiation to -I mm thickness LDPE sheet under air and nitrogen gas environment have been done. Parameter that observed were tensile properties, thermal properties and infra-red spectrum. Tensile properties were measured by Strograph RI Toyoseiki, thermal properties were measured using DSC Due Pont TA 9900 with heating rate 10" C/mmandinfra red spectrum was observed using FT-IR Shimadzu. Gamma i~adiation caused increasing tensile strength trom 139 kg/cm2 up to 165 kg/cm2in air enviromnent and 172 kg/c~"lnitrogeff at the dose 25 kGy. The crystalin melting temperature ( Tm ) unirradiated LDPE is 112" C .Gamma irradiation slightly decreasedthe melting temperature about -I" C in both environment after 50 kGy, oxidation temperature ( To ) was a little increased when irradiated in air and that irradiated in nitrogen formed two peaks. After irradiated, several peaks absorption of infrared spectrum were shifted, such as absorption band at 715,731, 1303 and 1377 cm -I.
PENDAHULUAN Pellelitian efek radiasi sinar gamma pacta sifat fisika film kemasan polipropilen dan polietilen telah dilakukan oleh N. HILMY dkk. (I) dan disimpulkan bahwa sifat fisika film kemas polietilen densitas rendah (LDPE) dan polietilen dellSitas tinggi (HDPE) tidak berubah sampai dosis 50 kGy. Denukian pula sifat fisika beberapajenis film kemas laminasi dari polipropilen/polipropilen (pP/PP), polipropilen/polietilen (pP/PE) dan poliester/polietilen (pET/PE) yang telah diteliti oleh Z.I. PURWANTO dkk. (2), bahwa dengan dosis iradiasi 10kGy sitar fisika kemasan masih tetap. Untuk melengkapi data yang telah ada, kiranya perlu diteliti lebih lanjut pengaruh iradiasi gamma pacta polietilen, karena pengglUlaail polietilen yang selnakiIllu~lS, tidak hanya sebagai film pengemas,tetapijuga ootol / wadah obat atau kosmtik, busa, isolasi kabel, komposit, prostase daIl lain-lain. Dalam hal ini iradiasi gamma tidak hanya untuk sterilisasi, tetapi juga untuk modifikasi polimer, karena pellambahan ballan anti oksidan pactakompon akan mengakibatkan beruballan sifat , terutaina perubahanwarna. Jenis polietilen yang acta yaitu polietilen densitas rendah ( LDPE ), polietilen densitas tinggi ( HDPE ),
polietilen densitassedang (LLDPE) daDyang terbaru adalahpolietilen beratmolekul ultra-tinggi ( UHMWPE ). Oalam penelitian ini yang diteliti LOPE yang akan dilanjutkan denganpolietilen jenis lain. Parameteryang dilakukanadalah perubalmnfraksi padatankarenairadiasi, sifat tennal, sifat fisika daD absorpsi sinar infra-merah diukur denganFT-IR (Fourier TransfonnInfra-Red).
BAHAN DAN METODE Bahan penelitian. Polietilen densitas rendah ( LDPE) yangdigunakanuntukpercobaanberbentukpelet produksiSamsung.Suhu titik leleh LDPE pelet sebelum diprosesdiukur denganDSC denganlaju pelnanasan100 C/menitadalah1120C. Contohlembaranpolietilen dengan tebal-1 lnm dibuatdenganmeletakkanpeletdiantaradua pelatstainlesssteelpadasuhu 1300C daDtekanan 100kg! cm2.Lembarancontohdipotong berbentukdumbel sesU3.i dengan ASTM no. D-1822L . Metode. lradiasi gaInma dilakukan pada suhu kamardengandosisiradiasi 12,5; 25; daD50kGy dengan laju dosis 10 kGy/jam di dalam iradiator lateks IRKA. Potongancontohdimasukkandalamampul lalu diiradiasi.
Penelitian don Pengenlbangan Aplikosi lsotop don Radiasi. 1998
Untuk iradiasi dalam lingkungan gas nitrogen, contoh dimasukkan dalam ampul, udara ditarik dengan pompa vakum lalu dialiri gas nitrogen. ditarik dengan vakum lagi dan dialiri gas dan diulang beberapa kali, kemudian diiradiasi pada suhu kamar 0 Sifat tennal diukur dengan Differential Scanning Calorimetry ( DSC ) Du Pont T A9900. Un tuk kalibrasi digunakan Indium. Contoh seberat lebih kurang 2 mg ditempatkan dalam pan aluminium, dipanaskan dengall kecepatanpemanasan 100Clmenit mulai suhu 400 -4000 C daD dialiri gas N2 I Or Dari pengukuran tersbut dapat diketahui suhu titik leleh (Tm) daD suhu titik oksidasi (To). Uji kekuatan fisik dilakukan dengan menggunakan Tensile tester Strograph R-l Toyoseiki, ukuran contoh sesuai dengan ASTM no. D-1822 L, seperti Gambar 10Perubahan spektrum pita serapan infra merah polietilen kontrol dan yang sudah diiradiasi diamati dengan Ff -IR Shimadzu pada panjang gelombang 500 -4000 cmol.
BASIL DAN PEMBAHASAN Menurut CHAPIRO 1962 (3), CHARLESBY mengatakan bahwa polieti1en apabi1a diiradiasi akan berikatan silang, karel1a polietilen merupakan polimeryang mudah berikatan silang ( crosslink polymer ). Tetapi pada dosis rendah polietilen yang berikatan silang sedikit sehingga sifat-sifatnya sebagian besar masih sarna seperti polimeryang tidak diiradiasi. Sesudah iradiasi 40 -50 kGy keatas, polimer bclru mulcli tidak larut dalam pelarut membentuk geUpadcltanyangjum1a1mya lnakin bertambah dengan naiknya dosis iradiasi daD reaksi proses pengikatansilang dengan menghasi1kangas H2 daD reaksi yang sederhana dapat ditu1is sebagai berikut :
-c~-c~-c~-
-C~-CH2-C~-
~>
H2 +
-CH2-CH-C~-CH2-CH-C~-
lradiasi tidak hanya rnenghasilkan pengikatan silang, tetapi juga pernutusan rantai yang jUlnlahnya tergantung dosis radiasi dan lingkungan iradiasi (4). Hasil percobaan banyaknya fraksi padatan yang terbentltk dapat dilihat pada Tabel I. Polietilen yang diiradiasi di udara rnenghasilkan fraksi padatan yang lebih rendah yaitu 28,9 % bila dibandingkan dengan yang diiradiasi dalam gas nitrogen yaitu 54,7 % pada dosis yang sarna 50 kGy. Awal terbentuknya fraksi padatan juga dipengaruhi oleh lingkUllgan iradiasi seperti dikatakan oleh peneliti terdahulu (3) bahwa awal terbentuknya fraksi padatan kira-kira pada dosis 13 kGy bila diiradiasi dalam keadaan vakurn, daD dosis 3 I kGy dibutul1kan untuk terbentuknya fraksi padatan bila diiradiasi di udara. Turunnya derajat ikatan silang apabila iradiasi dilakukan di udara ini rnUl1gkin kecuali karena pengikatan silang, juga terjadi degradasi-oksidasi dan pengikatan silang juga dihambat oleh oksigen karena oksigen merupakan penang~ap radikal bebas ( free radical scavenger ). Pengujiall sifat fisik dilakukan 1 -2 rninggu setelah iradiasi (5) dan dapat dilihat pada Gambar 2 dan 3. Gambar 2 rnenunjukkan bahwa teganganputus naik dengannaiknya
dosis iradiasi baik iradiasi di udara maupun dengan adanya gas nitrogen. Tegangan putus polietilen iradiasi dalam gas nitrogen lebih tinggi hila dibandingkan dengan yang diiradiasi di udara. Teganganputus pada dosis 25 kGy untuk iradiasi di udara 165 kg/cm2 sedangkan iradiasi dalam N2 175 kg/cm2. Differential Scanning Calorimetry ( DSC ) digunakan untuk meliltat pengaruh iradiasi pada suhu titik leleh dan suhu titik oksidasi .Dari basil pengukuran , suhu titik leleh ( Tm ) peter LDPE adalah 112°C daD setelah dipres panaspada suhu 130° C juga menunjukkan Tm yang Salna 112° C, dapat dilihat dalam Tabel 2. Setelah iradiasi terlihat adanya sedikit penurunan pada suhu titik leleh. Dengan iradiasi 25 kGy dalam lingkungan udara suhu titik leleh tidak berubah yaitu 112°C, sedangkan yang diiradiasi dalam N2 suhu titik leleh menurun sedikit yaitu 1 1 1,6°C dapat dilihat pada Gamb.4. Padadosis 50 kGy, suhu titik leleh turun baik yang diiradiasi dalam udara maupun dalam N2. Ini disebabkan adanya kerusakan pada kristal yang besar (3). Suhu titik oksidasi dari LDPE iradiasi dapat dilihat pada Tabel.2 dan Gambar 5. Dari Tabel.2 dapat dilihat bahwa suhu titik oksidasi pada PE yang diiradiasi di udara cenderung sedikit naik sedang yang diiradiasi dalam suasana N2 muncul dua puncak, ini kemungkinan disebabkan adanya perubahan kimia daD masih perlu analisa lebih lanjut. Perubahanyang terjadi pada LDPE karena iradiasi yang sebelumnya sulit dilihat, dengan adanya FT -IR perubahan tersebut dapat diamati (6). Oalam penelitian ini spektrum infra merah diukur dengan FT -IR Shimadzu. Perubahan yang perlu dilihat adalah pita serapan pada panjang gelombang antara 500 -2000 cm-l daD spektrum yang diperoleh dapat dilihat pactaGambar 6. Iradiasi gamma menyebabkanadanya beberapapergeseran pita serapan dan perubahan intensitas absorpsi. Pita serapan pada daerah 715 daD731 cm-1 adalah daerah CH2 rocking yang sedikit bergeser pacta 713 daD727 tIll-i. Pita serapantersebutjuga menunjukkan adanya rantai metilen yang panjang pada rantai utama (8). Pita serapan pacta 1377 cm-1 juga mengalami pergeserandan pita tersebut adalah pita vibrasi asimetris ikatan CH pactaCH3 grup .Untuk daerah transvinylene (R-CH=CH-R') pada pita serapan 966 cm-1 secara kwalitatip terlihat bahwa intensitas absorpsi bertambah, ini menunjukkan bal\wa ikatan tipe trans-vinylene terbentuk karena iradiasi, hal ini sesuai seperti apa yang ditulis oleh beberapa peneliti terdahulu bahwa terbentuknya ikatan trans-vinylene pada PE iradiasi linier dengan dosis iradiasi
(3,7).
KESIMPULAN 1radiasigaImna dan lingkungan iradiasi yaitu udara dan gas N2 memberikan perubahan sifat fisik LOPE Samsung. Oengan naiknya dosis iradiasi tegangan putus naik daD jumlah fraksi padatan juga bertambah. Oengan dosis iradiasi 25 kGy dalam udara, tegangan putus naik dari 139 kg/cm2 menjadi 165 kg/cm2 sedangkan yang diiradiasi di dalam N2dengan dosis sarna 25 kGy, tegangan putus nai menjadi 175 kg/cm2.
2. I.
Penelillandon Pengembangan Aplikasi Isolop donRodiasi. 1998
Setelah iradiasi sampai dengan 50 kGy suhu titik leleh turnn lebih kurang 1" C baik yang diiradiasi di udara ataupun dalam gas nitrogen, dari 112" C menjadi 110,60C. Suhu titik oksidasi cendernng naik apabila diiradiasi di udara dan yang diiradiasi dalam nitrogen membentuk dua titik puncak. Efek iradiasi pada PE menyebabkan beberapa pergeseran pita serapan, diantaranya pita serapan pada palljang gelombang 715,731,889, 1377 dan 1303 cm-l. Dan naiknya dosis iradiasi intensitas pita serapan transvinylene ( R-CH=CH-R' ) kelihatan bertambah sedangkan pita serapan vinylidene pada 889 cm-1menurnn.
UCAPAN TERIMAKASIH
3. ADOLPHE CHAPIRO, IX. Radiation effect in polymer s of the cross-linking type, Radiation chemistry of polymeric systems,385 (1962). 4. MENG DENG and SHALABY W.SHALABY, Effect of gamma irradiation, gas environment, and postirradiation aging on ultrahigh molecular weight polyethylene, Journal Appl.Pol.Sci., 58, 2111 (1995).
5. JAMES H. O'DONNEL and ANDREW K. WHIlT AKER, Radiationdegradation oflinear low density polyethylene: Detennination of lamellae thickness,crystalIinityandcrosslinkingbysolid-sate and DSC,Radiat.Physc.Chern,39,2,209 (1992).
Ucapan terimakasih kami sampaikan pactarekanrekan di Fasilitas Iradiasi yang telah membantu meradiasi sampel penelitian dan kepada rekan-rekan Kelompok Polimer yang telah membantu terlaksananya penelitian ini.
6. M.M. COLEMAN and P.C. PAINTER, Fourier transfonninfrared studiesofpolyrneric materials,J. Macr. Sci.,Rev.Macr. Chern. C16 (2), 197(19771978).
DAFTARPUSTAKA
7. WALTER J. and CHAPPAS and JOSEPH SILYERMAN, The radiationchemistryof crystallin alkanes,RadianPhys.Chern., 16,437 (1980).
N. HILMY, F. SUNDARDI, Efek radiasisinal gamma pada sifat fisika film polietilen daD polipropilen, Majalah BATAN, XV, 2, 1(1982).
Z
PURWANTO, M. MAHA, daD M. UTAMA, Pengaruh iradiasi gamlna pactasifat fisika beberapa jenis kemas bentuk laminasi. II. Polipropilenpolipropilen, polipropilen-polietilen dan poliesterpolietilen, PAIRfTI30/1984.
8. D.L. GERRARD, W.F. MADDAMS and K.P.J. WILLIAMS, The Tamanspectra of somebranched polyethylenes,Polymer communications 25, 182 (1984).
9. K. WUNSCH and H.J. DALCOLMO, Structure reactivity relationship in radiation induced crosslinking of polyethylene,Radiat. Phys. Chern., 39,5,443 (1992).
Tabel
Hubungan antara dosis iradiasi dengan fraksi padatanyang terbentltk
Dosis iradiasi
Fraksi padat.aIl (%)
Tabel2. Pengaruhiradiasi gamma pada suhu titik leleh (Tm) daDsuhutitik oksidasi(To) LDPE Sarnsung
Dosis
( kGy )
Udara
0
0
0
125 25 50
0
1,2
0,5 28,9
12,4 54,7
N2
(kGy)
0 25 50
Udara 112 112
111,1
Nz
112
111,6 110,6
Udara
N2
257,7 258 263
257,7 48,9 313,2 240,1 324,7
Peno/ilian dan Pengonlbangan Ap/ikas; Jsorop dolI Radias;, /998
-r lOmm -*-
Gambar Ukuran contoh ASTM no.D-1822 L
-
,..~
e (,)
~ "-'
200
-=~
Co
~ ~ u
150
f--
100 10
20
30
40
50
Dosis rsdiasi( kGy ) Gambar2. Hubunganantarateganganputus daDdosis radiasifilm LDPE.
/"'I1"/;';"nduI1/"'I1,!;"mh""x""'/pltk""'/S""'pd""lIudius;,
fi ~ N
200
t ~ 'Q
150
U
~
100 10
20
30
40
50
Oasis radiasi kGy) Gambar3. Hubunganantarayield strengthdengandosis iradiasi film LDPE.
. M It
~ Q)
+J 0
~
~
Suhu rC) Gambar 4. Tennogram suhu titik leleh LDPE noniradiasi (a), iradiasi 25 kGy udara (b), iradiasi lingkungan nitrogen (c).
//)!JII
'-
Pene/ilian dan Pengenlbangan Ap/ikasi ls%p
dan Radios;.. /998
-~
.~ mi ",0
~1
zsi
1 ;
:c
2OJ
-'
IS~
&
~7. 76"C
a
!
~
': ~ ; IU~ 0.
.
~
1
roo!
~
SJ
.
_
r
~
J
.-
D-
~
I
5
10
15
-'- \ -t~.£.'
\
m
"-; 1' 0'-
Z5
-~
JC
'.,
-1
3C
Gambar5. TennogramTm daDTo LDPE: a. Belum radiasi b. 50 kGy di udara c. 50 kGy di dalamgasN,
11303
Pelle/iliall JaIl Pellgemballgan Ap/ikasi IsOIOp JaIl Radiasi, /998
I." OM 1.1
137-7
a
,..~
-
~
,.-: -
.,
fJ
".1
,D
~~ 0
I
J
u~
~
1
,
~
p
<
1
...~.,
I
--,-
u ~.
~j\J
.
.,
~~
,-. ."I
-, I
-~==--;. Bilangan
\
889 )\
,
Ia' I
.,...
gelombang ( c~-1
..
-
)
.~
'-' ~ LW
.c ~
0
~
B11anlf8n
_0
17_0
-LmE-oa.-,
Bl1angan
'501.0
~elombanl
1250.0
-1,
( CWl
'_0
,--.0
7.0 -1
gelombang ( cm
j
)
GaInbar 6. Spektrum pita serapan IR dari LDPE (a), iradiasi dalam Udara 25 kGy (b), iradiasi dalam nitrogen 25 kGy (c).
Pene/ilian dan Pengenlbangan Ap/ikasi Isotop dan Radiasi, /998 c
DISKUSI SUDRAJAT ISKANDAR
AMBY AH SULIW ARNO
Dari data basil penelitian yang ditayangkan Gambar 2, terlihat ballwa kontrol pactadosis 50 kGy tidak berubah, sedang YaJlgdiiradiasi di udara tegangan putusnya bertambah. Apa perbedaannya, yang kontrol diiradiasi sampai 50 kGy dengan sampel yang diiradiasi di udara ?
Untuk dataFTIR, mohondijelaskanpengukuran/ databasil pengukurandenganFTIR hubungannyadengan elongationat break, tensile strength dari PE yang diuji, setelahdiiradiasi? KAD ARIJ AH
KAD ARIJAH Gambar 2 hubunganantara teganganputus daD dosis iradiasi film LOPE, grafik kontrol hanyalahsebagai pembanding, untuk dapat jelas melihat bahwa dengan iradiasi teganganputus bertatnbahdengannaiknya dosis iradiasi.
Data basil pengukuran FTIR mungkin secara langsung tidak ada hubungannya dengan tensile strength, tetapi perhitungan secara kuantitatif perubahan derajat kristalinitas terhadapdosis iradiasi gamma telah diteliti oleh WILLIAM, MATSUO, daDDOLE yang menggunakan pita serapaninfra merah pada 1080 daD 1303 m-l.
