Prosiding PertemuanIlmiah SainsMateri III l\'erpong, 20 -21 Oktober
APLlKASI
~
ISSN1410-2897
1998
lRADIASI NUKLIR PADA BAHAN POLl MER
s.3b
MinaD T. Razzak daD M. Iyos R. Subki BadanTenagaAtom Nasional,Jakarta
ABSTRAK
APLIKASI IRADIASI NUKLIR PADA BAHAN POLIMER. Iradiasi nuklir khususnya iradiasi gamma dan berkas elektron telah diaplikasikan secara luas diberbagai industri berbasis polimer. Prinsip dasar, teknik iradiasi dan berbagai contoh produk yang ada dipasaran dibahas secara ringkas. Perkembangan dan upaya Badan Tenaga Atom Nasional dalam memasyarakatkan teknologi ini juga diuraikan.
ABSTRACT APLICATION OF NUCLEAR IRRADIATION ON POLYMER MATERIALS. The techniques of nuclear irradiation, particularly gamma rays irradiation and electron beam irradiation have been widely used in polymeric material based industry. Basic principle, technique of irradiation and some typical products available in market are described briefly. The effort of National Atomic Energy Agency for the technology dissemination is also described.
KATA KUNCI Iradiasi nuklir, sinar gamma, berkas elektron, kabel, polimer, pengikatan silang, curing. PENDAHULUAN Iradiasi nuklir mernpakan teknik barn yang dikembangkan oleh ilrnuan dan perekayasanuklir untuk membuat produk-produk bermutu tinggi. Seperti diketahui, hila energi radiasi menumbuk suatu bahan, maka dapat dihasilkan berbagai bentuk energi lain yang pada gilirannya menghasilkan panas, reaksi kimia, pergeseranatom dalarn kristal, akumulasi muatanbahkan dapat menimbulkan reaksi inti tergantung pada jenis radiasi, besamya energi radiasi dan banyaknya energi terserappada bahan [1]. Ada 2 (dua)jenis iradiasi nuklir yang sarnpaisaat ini berhasil di manfaatkan secara maksimal dalam industri, khususnya industri berbasis polimer. Kedua jenis iradiasi nuklir tersebut adalah sinar gamma yang dipancarkan oleh isotop radioaktif (radioisotop) kobalt60, dan partikel beta atau elektron energi tinggi yang diproduksi oleh mesin akselerator elektron atau mesin berkas elektron (MBE). Jenis lainnya seperti partikel alpha, dan proton yang dapat diproduksi melalui akselerator berkas ion (ion beam akselerator), banyak diarahkan aplikasinya pada upaya pembuatan bahan maju (advanced materia/) seperti semi konduktor [2]. Makalah berikut ini membatasi pembahasan pada aplikasi iradiasi gamma dan berkas elektron pada bahan polimer. Prinsip dasar dan contoh aplikasinya dalam industri serta keadaan kegiatan penelitian di Indonesia dibahas secara ringkas.
INTERAKSI RADIASI PENGION DENGANBABANPOLIMER
kibatkan pembebasanelektron cepat yang selanjutnya menginduksi pembentukan ion positif dan ion negatif (ionisasi) sertapembentukanmolekul interaksi (eksitasi) yang pada gilirannya menghasilkan radikal bebas. Secarabersama maupun sendiri-sendiri ion-ion molekul tereksitasi dan radikal bebas tersebut menginduksi terjadinya reaksi kimia [3]. Pada bahan polimer reaksi kimia yang terjadi dapat mengakibatkan pembentukan ikatan silang (cross/inking) atau dapat pula mengakibatkan pemutusan ikatan (chain scision). Baik terjadi ikatan silang (cross/ingking) yaitu terbentuknya ikatan tiga dimensi pada molekul polimer maupun pemutusan ikatan yang mengakibatkan molekul polimer terdegradasi, keduanya mempengamhi sifat fisika mekanik polimer. Pembahan sifat-sifat fisika-mekanik itu dapat membuka wawasan aplikasi barn bagi polimer itu, atau dapat pula melahirkan proses barn bagi modifikasi polimer dalam indu&ri [4]. Sebagaicontoh, interaksi radiasi pengion dengan polimer pilietilena,
RH """"""" -..RH.
+ H.
RH + H.
..R.
+ ~ (pembebasan gas)
R. + R.
..R
-R
R. + Monotrer RH = Polietilena
..RM
(Crosslinking) (O:afting)
-f"'U-f"'U-CH-CH-CH""~'2 ""~'2 2 2
R. = mdikal bebas :
2
-CH2-CH2-CH2-'~-CH2-
Baik sinar gamma maupun berkas elektron, Dari skema reaksikimia tersebut,ditunjukkan keduanya termasukjenis radiasi pengion. Artinya interaksi radiasipengiondenganmateriakan menga- bahwa interaksi radiasi pengion dengan polimer
60
Mirzan T Razakdkk.
~
Prosiding PertemuanIlmiah SainsMater; /II Serpong,10 -11 Oktoher 1998
p>lietilena dapat menghasilkan gas~ pengikalan silang, pemutusan ikatan daD pencangkokan (grafting). Pengikatan silang (crosslinking) terjadi bila radikal bebas dari molekul polietilena bertemu dan berikatan satusarna lain membentuk ikatan tiga dirnensi sehingga berat molekulnya menjadi lebih besar. Pemutusanikatan (chain scision) terjadi bila radikal bebas molekul p>lietilena itu temrai menjadi radikal bebasatau molekul yang lebih kecil yang berarti p>lietilena mengalami degradasi. Bila iradiasi polietilena tersebut dilangSUDgkan dalam lingkungan/mOOiamonomer,maka rndikaI bebas yang terbentuk menginduksi molekul monomer yang pada gilirannya tercangkok (grafting) pCKlarantai utama (backbone) polietilena. Adanya kemungkinan OOhwapolimer membentuk ikatan silang, degradasidan grafting itulah yang menjadi dasar aplikasi iradiasi nuklir untuk memodifikasi p>limer atau memproses polimer sehingga didapatkan berbagai produk polimer bermutu tinggi [5].
APLIKASI IRADIASI DALAM INDUSTRI KABEL Oi negara industri maju, bahan polimer yang digunakan untuk pembungkus kawat logam dari kabel listrik disyaratkan untuk berikatan silang (cros-s/inked). Hal ini tidak lain agar kabel tersebut lebih kuat, tahan panas, dan taban terhadap kebocoran arus listrik [6]. Selain itu di syaratkan pula agar setiap kabel harus
Akselerator
ISSN 1410-2897 sehingga sangat mudah konseleting (short cut) yang pada gilirannya menimbulkan (x:rcikan nyala api. Teknik iradiasi berlcaseltX;tronuntuk (x:mbuatan kabellistrik denganbahan isolasi polimer yang berikatan silang ditunjukkan oleh Gambar 1. Kawat kabel yang terbungkus yang belum berikatan silang diiradiasi dengan berkas elektron pada dosis radiasi tertentu, kemudian setelahiradiasi kabel tersebutsiap dipasarkan. Perbedaanpokok (x:mbuatankabellistrik secara iradiasi daD secara konvensional (cara kimia & katalisator) ialah terletak pada proses pengikatan silangnya. Pada teknik iradiasi, proses pengikatan silang dilakukan pada akhir siklus (x:mbuatan kabel, sedangkan pada teknik konvensional dilakukan pada proses awal sikIus. Secara teknis ekonomi, diketahui bahwa teknik iradiasi sangat praktis daD menguntungkan untuk (x:mbuatankabellistrik berukuran halos yaitu kabel yang tebal (x:mbungkus (isolator)nya 0.1 0.3 IDID. Kabel jenis ini sangat di(x:rlukan untuk instrument atau aIat-alat elektronik canggih. Selain itu hila polivinil kIorida (pYC) yang digunakan sebagai polimer (x:mbungkus kabel dan bukan polietilena (PE) sebagai lazimnya, maka ternyata bahan polimer illi hanya mungkin dicrosslinking dengan menggunakan teknik iradiasi. Pada Tabel 1 ditunjukkan jenis produk kabel yang digunakan untuk peralatan elektronik daD kontribusinya daIam pasar. Sebagaimana ditunjukkan pada Tabel 1, hampir seluruh kabel tunggal (wire) berikatan silang diproduksi dengan teknik iradiasi. Konstribusinya dalam pasar mencapai 90/0, kabel multi ini (multi-wires cable) yang seluruhnya memasok 21,5% pasaran kabel, ternyata lebih dari separohnya (12%) diproduksi dengan teknik iradiasi. Demikian pula kabel tunggal "harness" yang digunakan untuk instrument canggih, ternyata 15% daTi 26,2% kontribusi pasokan pasar kabel elektronik di produksi denganteknik iradiasi. Kurang lebih 300/0pasokanpasar kabel audio diproduksi dengan teknik iradiasi [8J. Pada hakekatnya, hampir 40% dari kabel elekTabel
I
Kontribusi pasar kabel tunggal (wire) daD multi-inti (Cabel) untuk alat elektronika pada tahun 1988 di Jepang.
Omset penjualan: k..ang lebih 150Milyard Yen Nama
Kontribusi P8S8r(%)
I Kabel tun@8al berikatan silang
Gambar
I. Fasilitas lradiasi Berkas Elektron Pembuatan Kabel
untuk
j Kabel tunggal~~a ik;~
silang
9.0 (9,0) 8,6 21,5(12.0) 11.0(1.0
bebas halogen, derni kepentingan kesehatan daD lingkungan [7]. Oi Indonesia sayangnyahal ini belurn rnenjadi syarat seperti itu. Akibatnya seringkali terj1Kli kebakaran, rkarena bahan polirner yang digunakan sebagaipentbungkuSkawat kabel tidak berikatan silang
, Kabelhmsgal dcnganis~aI" Nimer AuOJo " Kabel
8,3
ko-Axial
8,4 (2.0)
I Kabel aucio
3.2 (1.0)
I Kabel tunggsl "harness" ...tuk imtrumerd
26.2(15.0
( ): Perkiraankontribusi produk yang dihasilkandenganteknik iradiasi
Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi /II .\'erpong, 20 -21 Oktober 1998
ISSN1410-2897
Tabel 2. Perbandinganbiaya energi berbagaiprosespengikatansilang untuk produksi kabel
FasilitasPengikatansilangyang diperlukan
Proses Pengikatan Silang
Yen/Ka. (PE)
Nilai relatif
Mesin BerkasElektroo 1.5Mw,25 mA
2,8
I
Uap
Alat vulkanisasi konti}1J
43
15
GasSF.
Alat vulkanisasikontiyu
57
20
26
9
Proses lradiasi berkas elektron
Proses Kimia
Biaya Eno:gi
I Proses Sioplas*
.
I Tldak
ada
Pengikatansilangdenganpencangkokan silang
tronik berbagaijells, diproduksi denganteknik iradiasi. Analisis ekonomi dari teknik pengikatan silang polimer untuk kabel ditunjukkan pada Tabel 2. Dari Tabel 2 diketahui bahwa, proses pengikatan silang dengan teknik iradiasi jauh lebih murah dibanding denganteknik konvensional. Biaya energi yang diperlukan untuk teknik iradiasi dinilai 2,8 Yen/kg sedang pada teknik konvensional (proses kimia) biaya energi mencapai 15 sampai 20 kali lebih mahal. Selain ekonomis, proses iradiasi pengikatan silang dengan teknik iradiasi juga lebih mudah, tinggi produksinya, daD dilakukan pada temperatur ruang saja. Kabel yang diproduksi dengan teknik iradiasi ini terutama untuk keperluan telekomunikasi, militer, instrument analisis dan peralatan dirgantara. Beberapa negara yang memproduksi kabel dengan teknik iradiasi ialah Jepang, USA, UK, Jerman diikuti oleh Brasil, Korea, daD Cina. Jenis polimer yang lazim digunakan untuk pembuatan kabel berikatan silang diantaranya polivinil klorida (PVC), polietilena (PE) daD polipropilena (PO) dengan produk masing-masing XL-PVC, XL-PE, XLFRPE (crosslinked flame retardant polyetilene) dan XLFRPO (crosslinked flame retardant polyolefin) [9,10]. Selain produksi kabel, teknik iradiasi telah berkiprah dalam pembuatanbusa plastik dengan bahan
polietilena,terutamadi USA, JepangdaD Australia. Produk ini sarigat berguna untuk pembuatan baju pelampungmarinir, pengemasdan jok mobil/pesawat karenakualitasnyayang sangatbaik. Bahan polimer yang mempunyai sifat "memory" juga diproduksi dengan teknik iradiasi terutama untuk digunakan sebagaiheat shrinkable tube/film untuk pembungkus sambungan kabel, sambunganpipa dan bahan pengemas[8J. Produksi busa plastik polietilena akan sangatmenguntungkan bila produksi mencapailebih dari 100 ton per bulan sebagaimana ditunjukkan oleh Gambar2.
INDUSTRI BAN MOBIL Lebih dari 80% ban radial diprosesdengan teknik iradiasi berkas elektron. Manfaat iradiasi elektron adalah mengurangi penggunaan karel, fabrikasi ban secaramantap dan kualitasnya teljamin. Teknik iradiasi terhadap lembarankaret yang digunakan untuk produksi
Gambar3. Fasilitas lradiasi Berkas Elektron untuk lembarankaret bagi Produksi ban radial
Jumiab PnxIuksi Gambar
62
2.
(ton/bulan)
Perbandingan biaya pengikatan silang antara iradiasi berkas elektron dengan proses kimia
ban radial ditunjukkan oleh Gambar 3. Struktur ban mobil ditunjukkan oleh Gambar 4. Adapun bagian ban yang perlu diproses dengan teknik iradiasi ialah pembungkusan kawat bead (bead isolator), inner liner, tread. side wall daD benang nilon (ply). Semua bagian ban tersebut kemudian diasembling, dicetak daDdivulkanisasi secarakimia sehingga didapat
Mirzan T Razakdkk.
I
ProsidmgPertemuanIlmiah SamsMateri 1// Serpong,20 -21 Oktober 1998
ISSN 1410-2897
Tabel 3. Perbandingan teknik iradiasi elektron dan teknik "rotocure" IRADIASI ELEKTRON (1,5 MeV X 50 Ma)
rrEM Biaya modal
ROTOCURE GANDA
$ 620,000.-
$ 585,000.-
Amortisasi (10 tahun)
$ 62,OOQ.-
$ 58,500.-
Pelcerja langsung (Iokal)
$ 36,000.-
S 36,OOOc
Biaya pelaksanaan (ov«head) ,
$ 36,000.-
$ 36,000.-
Biaya Utiliti
S 43,200.-(240 kV A)
$ 42,000.-(220 kV A)
PeraMtan
$ 18,000.-
$ 6,000.-
Total
$ 195.200.-
$ 178.500.-
$ 32.S
S 29,8.-
Produkstifitas(Ibs/jam)
3000
500
Biaya produksi (centllb)
1 coot
6 coot
$ 14.4.-
$ 84
Biaya ($Ijam)
Biaya energi
(utiliti/produktifitas)
Parameter
Operasi : 6000jam/taboo Periodearnortisasi: 10taboo Biaya buruh : $ 6/jarn Biaya listrik : 3 centlkW.jarn risasikan menumt mekanisme reaksi radikal. Bahan ini di lapiskan pada permukaan kayu daD lapisan yang masih basah selanjutnya dikeringkan dengan iradiasi berkas elektron. Lapisan tipis pada permukaan itu berikatan silang yang kuat, dengan pengeringan (curing) berlangsung dalam tempo yang singkat, daD merupakanlapisan film polimer yang kuat. Pada Gambar 5, ditunjukkan contoh bahan polimer dan skema iradiasi
I
Vinil
l-
I !i_me. r' Gambar 4.
Pigmen (Anofgon,k. orgamk)
Penampang lintang untuk pembuatan ban
radial
s
I Po\im., I
banradialbennututinggi [8]. Analisis ekonomi untuk memproduksiban radial denganteknik iradiasidibandingkandengansalah satu teknik kimia yang lazim digunakan (teknik "rotocure" ganda)ditunjukkan oleh Tabel3.
-., I~I".-
~
_I Kompo,i,. I -
I tUjenuh
.t.", ."'
oW
,
Gambar 5.
Contoh bahan polimer yang digunakan untuk proses iradiasi permukaan kayu lapis.
INDUSTRI KAYU LAPIS Dalam industri kayu lapis kadangkala di perlukan perlakuan tambahan (treatment) yaitu pelapisan bahan cat pada permukaan kayu. Bahan pelapis dimaksud dapat terdiri dari resin tak jenuh (unsaturated resin) dan monomer vinyl monomer yang di polime-
Mirzan T Razak dkk.
pennukaan kayo lapis. Selain digunakan untuk pengeringan (curing) lapisan permukaan kayu, teknik iradiasi elektron digunakan pula untuk "curing" lapisan pennukaankertas yang digunakan bagi keperluan percetakan atau bahan
63
Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi III Serpong, 20 -21 Oktober 1998
~ngemas bennutu tinggi. Penelitian dan ~ngembangan teknik iradiasipada pennukaankayu di lakukan di BATAN denganmenggunakan mesinberkaselektron 300 Ke ~ 50 mA[lU2J.
INDUSTRI STERll-ISASIALAT KESEBATAN Alat kesehatan sebagian besar terbuat dari bahan polimer. Cara yang paling tepat, aman daD ekonomis untuk sterilisasinya adalah dengan teknik iradiasi gamma atau iradiasi berkas elektron. Teknik sterilisasi lain yang gunakan untuk bahan polimer adalah menggunakan gas etilen oksida (EtD). Akan tetapi cara gas ill dapat meninggalkan residu daD lingkungan kerja yang toxic [13]. PadaGambar6. Ditunjukkan teknik irndiasiberkas elektron yang digunakan untuk sterilisasi alai kesebatao. Bentuk gambaryang sarnadengan mang iradiasi yang dikelilingi tembok beton tebal sebagai perisai iradiasijuga berlaku bagi fasilitas iradiasi gamma dengan AkseIt7ator
ISSN1410-2897 untuk kegiatan laboratorium rnikrobiologi juga disterilkan dengan teknik iradiasi Badan Tenaga Atom Nasional (BAT AN) mempunyai fasilitas penelitian dan sekalipun memberi pelayanan iradiasi untuk sterilisasi alat kesehatan (alkes). Selain itu perusahaan swasta Nasional, INDOGAMMA, yang berlokasi di Cibitung, Bekasi, juga memberikan pelayanan secara komersial bagi sterilisasi alat kesehatan. Dalam hal ini BATAN maupun INDOGAMMA menyediakan fasilitas iradiasi gamma menggunakan sumber iradiasi kobalt-60. Keunggulan sterilisasi dengan teknik iradiasi, diantaTanyadilangsungkan pada temperatur kamar, tidak perIn membuang investasi perlakuan aseptik yang ketat, dapat dilaksanakan pada akhir siklus produksi yaitu setelah semua produk dike mas siap pasar, kemungkinan re-kontaminasi sangat kecil dan yang penting adalah mudah pengoperasiannya dan hemat energi [14].
KESIMPULAN Aplikasi irndiasi nuklir, khususnyairadiasi gamma dan berkaselektron terhadapbahan polimer telah masuk dan mapan dalam jajaran industri, BATAN sudah muJai memperkenalkanteknik ini ke dalam jajaran industri di Indonesia narnun masih banyak kendala yang harus dihadapi. Investasi awal yang cukup tinggi, skala produk belum mencapai paket ekonomi, bel urn ada kemauan politik pemerintah dan pihak swasta nasional dalam mengimplentasikan ketersediaan bahan baku polirner maupun standarisasi produk adalah diantara kendala yang belum dapat dipecahkan.
DAFTAR PUSTAKA Gambar
6.
Fasilitas lradiasi Berkas Elektron untuk Sterlisasi Alat Kesehatan
surnber radiasi, radioisotop Kobalt-60. Sterilisasi alat kesehatandengan teknik iradiasi, baik menggunakan iradiasi gamma maupun berkas elektron, merupakan teknik yang amat sukses secara komersial. Teknik ini dipelopori di Amerika (USA) pada tahun 1958 diikuti Australia, Kanada, Perancis tahun 1970-andan Jepangpada tahun 1980-anserta sekarang digunakan di 40 negara seluruh dunia, termasuk Indonesia [13J. Diantara alat kesehatanyang disterilkan dengan teknik iradiasi ialah alat suntik sekali pakai (disposable syrenge)yang terbuatdari polimer poli propilen (PP)alat pencuci darah (dialisis unit) yang terbuat dari polimer polietilena (FE), Politetra fluoroetilen (PTFE), polistirena (PS)dan poli vinil khlorida (pYC). Alat kesehatanlain yaitu sarong tangan bedah, kateter, pembalut luka bakar dan alat keluarga berencanaIUD. Selanjutnya berbagai alat laboratorium seperti petridis, pipet dan labu ukur
64
[1). YONEHO TABATA, FmKlamentalof radiationchemistJy,Radiat.Phys. Chern. 18,1-2(1981)43-58. [2). Anonymus, Takasaki in Accelerator for Advanced Radiation Application, TRCRE-JAERI (1995). [3). JANUS H. O'DANNEL, Radiation ChemistJy of Polymer The effects of Radiation on High-technology polymer, ACS symposium series 381 (Elsa Reichnamis & Janes H. O'Dannell, Editors), American Chemical Society, Washington DC (1989) 1-13. [4). KERSHAK V. V The symposium of polimer by modification methods, Russian Chemical Review, 49,12(1980)1335-1148. [5). MIRZAN T. RAZZAK, Pertambangan energy radiasi untuk pengolahan polimer dalam industri ceramah stadium General FMIPA-IKIP, Rawamangun, Jakarta 4 Desember 1989. [6). KErn UENO, The radiation crosslinking process and new product, Radiat. Phys. Chern., 35, I -3 (1990)126. [7). YAMAMOTO S., Crosslinking of wire and cables with electron beam, Proceeding of workshop on the utilization of electronbeam(Ed. By SueoMachi),
Mirzan T Razakdkk.
ProsidingPertemuanIlmiah Saw Materi III Serpong,20 -21 Oktober 1998 JAFRLI9~ 60-77. DOl, T. Economical aspect of industrial electron accelemtor, Proceeding of the workshop on the utilization of Electron Beam, (Ed. By Shoichi Sato), JAERI, (1993) 41-59. [9). ANIK SUNARNI, GATOT TRlMULYADI, ISNI MARLlY ANTI, MlRZAN T. RAZZAK, Pengaruh antioksidan terhadap pembentukan ikatan silang dalam polietilena, Prosiding Pertemuan IImiah Sains Materi II, Serpong, (1997)240. [10). MIRZANT.RAZZAK, WIWlKS.SUBOWO,SUMI lRJDIYONO, GAror1R1MULYADI, ANIK SUNARNI, ISNI MARLlY AN11, ~ pengikatansilang polietilena untuk bahan isolasi kabel tahan panas, Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi, PPSM, Serpong,1996. [8].
Mirzan T Razak dkk.
ISSN 1410-2897 [11). MIRZAN T. RAZZAK, SUGIARfO DANU, Some Obstaclesto bring the radiation curing techniques to industrial sector,the Fifth International Conference on Radiation Curing, Chulalongkorn University,Bangkok, ThaiJand(I995) 14. [12). DARSONO, SDANU dan ASUNARNI, Ketallanan lapisan akrilat iradiasi berkas elektron pad~ permukaankayo kapur dan kayo meranti, Prosiding Pertemuanllmiah SainsMateri II, Serpong,1997. [13). RlJrnM BRlNSTON,FubJre growth in the gamma sterilization of dispossable medical products, Radial. Phys. Chern.,35, 1-3 (I9~) 390. [14). COOK P.M., Impact and benefit of Radiation Technology" Radial. Phys. Chern., 35, 1-3 (1990) 7.
65
