Gamma Ray Irradiation on UHMWPE and HDPE to Increase Tibial Tray Mechanical Properties

(1)

IRADIASI SI AR GAMMA UHMWPE DA HDPE U TUK

ME I GKATKA KETAHA A MEKA IK

RET O WULA DARI

DEPARTEME KIMIA

FAKULTAS MATEMATIKA DA ILMU PE GETAHUA ALAM

I STITUT PERTA IA BOGOR

(2)

ABSTRAK

RETNO WULANDARI. Iradiasi Sinar Gamma UHMWPE dan HDPE untuk

Meningkatkan Ketahanan Mekanik

. Dibimbing oleh ARMI

WULANAWATI dan SULISTIOSO GIAT SUKARYO.

Polietilena bobot molekul ultra tinggi (UHMWPE) merupakan polimer

yang banyak digunakan dalam pembuatan

, tetapi harganya sangat

mahal. Oleh karena itu, dikembangkan polietilena kerapatan tinggi (HDPE) dalam

pembuatan

karena harganya yang lebih murah dan memiliki kemiripan

sifat dengan UHMWPE. HDPE dibuat dengan dua metode, yaitu metode kempa

panas dan metode pemanasan, sedangkan UHMWPE hanya dibuat dengan metode

kempa panas. Film

UHMWPE dan HDPE yang dihasilkan dari kedua

metode kemudian diiradiasi sinar gamma dengan ragam dosis 0, 100, 200, 300,

dan 500 kGy. Polimer1polimer tersebut dianalisis mikrostruktur permukaan,

kekerasan, kekuatan tarik, persentase perpanjangan putus, dan derajat kristalinitas.

Semakin tinggi dosis iradiasi, maka kekerasan dan derajat kristalinitas semakin

meningkat, tetapi kekuatan tarik dan persentase perpanjangan putus semakin

menurun. Kedua polimer belum dapat meningkatkan ketahanan mekanik yang

baik pada kisaran dosis iradiasi yang digunakan karena pembentukan ikatan silang

terhambat oleh oksigen yang menyebabkan pemutusan rantai. Peningkatan nilai

kekerasan HDPE hasil metode kempa panas yang mendekati kekerasan

UHMWPE membuat HDPE memiliki potensi untuk dijadikan sebagai

dengan metode tersebut.

(3)

ABSTRACT

RETNO WULANDARI. Gamma Ray Irradiation on UHMWPE and HDPE to

Increase

Tibial

Tray

Mechanical

Properties

.

Supervised

by

ARMI

WULANAWATI and SULISTIOSO GIAT SUKARYO.

Ultrahigh molecular weight polyethylene (UHMWPE) is a polymer that is

widely used in the manufacture of tibial tray, but it is very expensive. Therefore,

high density polyethylene (HDPE) was developed for the manufacturing of tibial

tray because the price is lower and has similar properties to UHMWPE. HDPE

was made by two methods, namely hot pressing method and heating method, but

UHMWPE wass made only by hot pressing method. Tibial tray film of HDPE and

UHMWPE from both methods were irradiated with various doses of gamma rays

0, 100, 200, 300 and 500 kGy. The polymers were analyzed for surface

microstructure, hardness , tensile strength, elongation at break percentage, and

degree of crystallinity. The higher the dose of irradiation the higher the hardness

and the degree of crystallinity, but not for the tensile strength and elongation at

break percentage. Both polymers were not able to increase mechanical properties

in those irradiation doses range because crosslink formation is inhibited by the

presence of oxygen that causes chain scission. HDPE hardness enhancement by

hot pressing method was close to hardness of UHMWPE that makes HDPE

potential to be used as tibial tray.

(4)

IRADIASI SI AR GAMMA UHMWPE DA HDPE U TUK

ME I GKATKA KETAHA A MEKA IK

RET O WULA DARI

Skripsi

Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar

Sarjana Sains pada

Departemen Kimia

DEPARTEME KIMIA

FAKULTAS MATEMATIKA DA ILMU PE GETAHUA ALAM

I STITUT PERTA IA BOGOR

(5)

Judul : Iradiasi Sinar GammaUHMWPE dan HDPE untuk Meningkatkan

Ketahanan Mekanik

Nama

: Retno Wulandari

NIM

: G44070073

Menyetujui

Pembimbing I

Pembimbing II

Armi Wulanawati, S.Si, M.Si. Drs. Sulistioso Giat Sukaryo, MT

NIP 196907252000032001

NIP195708261988011001

Mengetahui

Ketua Departemen Kimia

Prof. Dr. Ir. Tun Tedja Irawadi, MS.

NIP 195012271976032002

(6)

PRAKATA

Puji syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT atas berkat limpahan

rahmat dan hidayah1Nya penulis dapat menyelesaikan karya ilmiah dengan judul

Iradiasi Sinar Gamma UHMWPE dan HDPE untuk Meningkatkan Ketahanan

Mekanik

. Salawat serta salam semoga selalu tercurahkan kepada Nabi

Muhammad SAW, keluargannya, dan semoga kita semua menjadi pengikutnya

hingga akhir zaman.

Penulis mengucapkan terima kasih kepada Ibu Armi Wulanawati, S.Si,

M.Si dan Bapak Drs. Sulistioso Giat Sukaryo, MT selaku pembimbing yang

senantiasa memberikan arahan, dorongan semangat, dan doa kepada penulis

selama melaksanakan penelitian. Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada

staf Pusat Teknologi Bahan Industri Nuklir Badan Tenaga Nuklir Nasional

(PTBIN1BATAN) Serpong atas bantuan serta masukan selama penelitian

berlangsung.

Terima kasih tak terhingga penulis ucapkan kepada Bapak, Ibu, serta

seluruh keluarga, atas doa dan kasih sayangnya. Kepada Adi yang telah

membantu memberi masukan dan saran, Savitri, Danang, Randi, Kandhita, Ayu,

Shinta, Dwi Putri, Ardita, serta seluruh teman1teman kimia angkatan 44 atas

segala dukungan dan doanya, penulis ucapkan terima kasih.

Penulis berharap karya ilmiah ini dapat bermanfaat bagi perkembangan

ilmu pengetahuan.

(7)

RIWAYAT HIDUP

Penulis dilahirkan di Jakarta pada tanggal 12 Juni 1989 dari bapak

Suratman dan ibu Endah Triwahyuning. Penulis adalah putri ketiga dari empat

bersaudara.

Tahun 2007 penulis lulus dari SMA Negeri 3 Jakarta dan pada tahun yang

sama penulis lulus seleksi masuk Institut Pertanian Bogor (IPB) melalui jalur

Seleksi Penerimaan Mahasiswa Baru (SPMB) dan diterima di Departemen Kimia,

Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam.

(8)

DAFTAR GAMBAR ... vii

DAFTAR LAMPIRAN ... vii

PENDAHULUAN ... 1

TINJAUAN PUSTAKA ... 1

Polimer ...1

UHMWPE ...1

HDPE ...2

Iradiasi Sinar Gamma ...2

METODE ... 2

Bahan dan Alat ...2

Lingkup Kerja ...2

HASIL DAN PEMBAHASAN ... 4

Ciri1ciri Fisik

...4

Sifat Mekanik ...6

SIMPULAN DAN SARAN ... 9

Simpulan ...9

Saran ...9

DAFTAR PUSTAKA ... 9

(9)

DAFTAR GAMBAR

Halaman

1 Anatomi

dalam sendi lutut tiruan ...2

2 Film UHMWPE metode kempa panas HDPE metode kempa panas, dan

HDPE metode pemanasan pada dosis 0 kGy. ...4

3 Film UHMWPE metode kempa panas, HDPE metode kempa panas, dan

HDPE metode pemanasan pada dosis 500 kGy. ...4

4 Permukaan HDPE metode kempa panas pada dosis 0 kGy dan 500 kGy

dengan perbesaran 1000 kali ...5

5 Permukaan UHMWPE metode kempa panas pada dosis 0 kGy dan 500 kGy

dengan perbesaran 500 kali ...5

6 Pembentukan ikatan silang ...5

7 Pemutusan rantai ...6

8 Nilai kekerasan UHMWPE metode kempa panas, HDPE metode kempa

panas, dan HDPE metode pemanasan ...6

9 Difraktogram UHMWPE metode kempa panas pada dosis 0 kGy dan

500 kGy ...7

10 Difraktogram HDPE metode kempa panas pada dosis 0 kGy dan 500 kGy...7

11 Difraktogram HDPE metode pemanasan pada dosis 0 kGy dan 500 kGy...7

12 Nilai kekuatan tarik UHMWPE metode kempa panas, HDPE metode kempa

panas, dan HDPE metode pemanasan ...8

13 Nilai persentase perpanjangan putus UHMWPE metode kempa panas,

HDPE metode kempa panas, dan HDPE metode pemanasan ...8

DAFTAR LAMPIRA

Halaman

1 Diagram alir penelitian...12

2 Data nilai kekerasan UHMWPE dan HDPE ...13

3 Data nilai rerata ketebalan, gaya maksimum, dan kekuatan tarik

UHMWPE dan HDPE ...14

4 Data nilai panjang sampel saat putus dan persentase perpanjangan putus

UHMWPE dan HDPE ...17

5 Data nilai bobot kristalin, bobot amorf, bobot kertas 1 × 1, dan

(10)

PE DAHULUA

Peradangan sendi lutut (osteoarthritis) merupakan penyakit yang sering menyerang orang1orang berusia di atas 40 tahun baik laki1 laki maupun perempuan sehingga perlu adanya upaya untuk mengembalikan fungsi normal dari sendi tersebut. Salah satu upaya yang dilakukan adalah operasi penggantian sendi lutut menggunakan sendi lutut tiruan (Wang dan Ge 2007). Operasi ini membutuhkan polimer sebagai komponen . adalah suatu komponen yang termasuk ke dalam komponen tibial dalam sendi lutut tiruan. Komponen ini terdiri dari suatu bidang ( ) yang membatasi antara permukaan yang lebih kuat dan lebih lemah. Bahan1bahan yang digunakan sebagai harus memiliki sifat1sifat tertentu sebagai biomaterial agar memiliki kekuatan mekanik yang baik. Sifat1sifat utama biomaterial adalah biokompatibel, tahan terhadap korosi, biofungsional, memiliki kemampuan proses, dan ketersediaan yang baik (Batista . 2004).

Telah banyak penelitian yang melaporkan pembuatan dari polietilena bobot molekul ultra tinggi (UHMWPE) dengan memodifikasi metode agar dapat meningkatkan ketahanan mekaniknya, diantaranya metode pemanasan dengan iradiasi sinar gamma, metode hamburan

elektron ( ) (McKellop .

1999), serta metode kempa panas tanpa iradiasi gamma (Wang dan Ge 2007). McKellop . (1999) melaporkan bahwa jumlah massa UHMWPE yang hilang terendah menggunakan metode iradiasi sinar gamma dapat mencapai 0.12 mg/106 siklus, sedangkan menggunakan metode hamburan elektron dapat mencapai 8.5 mg/106 siklus. Wang dan Ge (2007) melaporkan bahwa jumlah massa yang hilang pada UHMWPE setelah 10000 siklus dalam uji keausan, yaitu 0.93 mg.

Keausan yang rendah pada UHMWPE hasil iradiasi sinar gamma menyebabkan peningkatan ketahanan mekaniknya menjadi lebih baik dibandingkan dengan metode1 metode yang lain. Rosario dan Silva (2006) melaporkan bahwa kekerasan UHMWPE semakin meningkat seiring bertambahnya dosis iradiasi pada kisaran 01500 kGy dengan nilai kekerasan 64168 shore D. Wang dan Ge (2007) menyatakan bahwa pemberian tekanan dalam metode kempa panas dapat meningkatkan kekerasan dalam UHMWPE. McKellop . (1999) juga menyatakan

bahwa keausan UHMWPE hasil metode pemanasan dengan iradiasi sinar gamma berkurang seiring bertambahnya dosis iradiasi sehingga kekerasan semakin meningkat. Modifikasi metode dengan iradiasi sinar gamma telah luas digunakan dalam bidang kesehatan dan obat1obatan (Gupta dan Anjum 2003). Selain itu, iradiasi sinar gamma juga dapat digunakan untuk sterilisasi.

Dengan demikian, berdasarkan kemiripan sifat, seperti bobot jenis dan titik leleh pada polietilena kerapatan tinggi (HDPE) dibandingkan dengan UHMWPE, serta harganya yang relatif murah dan mudah diperoleh, maka penelitian ini bertujuan memodifikasi metode, seperti metode kempa panas dan metode pemanasan dengan iradiasi sinar gamma terhadap permukaan HDPE dan UHMWPE agar HDPE dapat digunakan

sebagai .

TI JAUA PUSTAKA

Polimer

Polimer berasal dari bahasa Yunani yang terdiri dari dua kata, yaitu yang berarti banyak dan yang berarti bagian atau unit sehingga polimer didefinisikan sebagai molekul besar (makromolekul) yang terbentuk dari susunan ulang unit kimia yang kecil dan sederhana (Billmeyer 1984). Molekul sederhana penyusun polimer dinamakan monomer. Berdasarkan strukturnya, polimer dibagi menjadi tiga macam, yaitu polimer rantai lurus, polimer rantai cabang, dan polimer jaringan (Stevens 2001). Klasifikasi polimer berdasarkan sifat termalnya dibagi menjadi dua, yaitu polimer termoset dan polimer termoplastik (Egen & Zentel 2004).

Polimer termoplastik dapat meleleh bila dipanaskan di atas suhu transisi gelas (Tg) dan akan mengeras kembali bila didinginkan, sedangkan polimer termoset tidak dapat meleleh jika dipanaskan (Egen dan Zentel 2004). Contoh polimer termoset, yaitu fenol formaldehida (PF), urea formaldehida (UF), epoksi, poliester tidak jenuh, dan melamin formaldehida (MF). Contoh polimer termoplastik, yaitu polietilena kerapatan rendah (LDPE), HDPE, polipropilena (PP), polivinilklorida (PVC), dan polistirena (PS) (Stevens 2001).

UHMWPE

(11)

komponen sendi karena bersifat fleksibel, keras, dan halus. UHMWPE yang banyak digunakan pada komponen sendi lutut tiruan mempunyai berat molekul antara 3 juta dan 6 juta g/mol dengan bobot jenis 0.940 g/cm3 dan titik leleh 138 °C (Batista . 2004). Permukaan yang halus dari UHMWPE dapat menghasilkan gesekan yang rendah dengan material lain sehingga dapat meningkatkan ketahanan mekaniknya. Polimer UHMWPE telah digunakan di bidang ortopedi sebagai selama lebih dari 40 tahun (Wahyudianto 2006). Gambar 1 menunjukkan anatomi dalam sendi lutut tiruan.

Gambar 1 Anatomi dalam sendi lutut tiruan (Beyer 2011).

HDPE

HDPE merupakan polietilena kerapatan tinggi yang mempunyai jumlah rantai cabang sangat sedikit dibandingkan dengan LDPE dan LLDPE sehingga HDPE bersifat semikristalin. Polimer ini memiliki bobot jenis minimum 0.940 g/cm3, bobot molekulnya berkisar 1041106 g/mol, dan titik lelehnya sebesar 135 °C (Surdia dan Saito 1995). Polietilena kerapatan tinggi ini akan meleleh pada suhu tinggi dan akan memadat jika suhu lingkungan diturunkan. HDPE juga memiliki kecenderungan untuk mengkerut dan getas selama dicetak sehingga termasuk material yang kritis terhadap cetakan (Sulchan dan Endang 2007).

Iradiasi Sinar Gamma

Iradiasi sinar gamma merupakan pancaran gelombang elektromagnetik energi tinggi dalam bentuk paket energi (foton) (Ivanov 1992). Sinar gamma umumnya bersumber dari isotop kobalt160 (60Co) dan mempunyai panjang gelombang yang lebih pendek dari sinar UV, yaitu sebesar 0.0111016 nm (Harten 1998). Interaksi radiasi gamma dengan materi atau penyerapan energi oleh materi menyebabkan terjadinya efek fotolistrik, hamburan Compton, dan produksi pasangan. Ketiga proses tersebut dapat menghasilkan elektron yang dapat mengeksitasi molekul.

Ion yang terbentuk akan cepat berinteraksi dengan elektron yang menyebabkan eksitasi molekul. Molekul yang tereksitasi akan terdisosiasi menjadi radikal bebas. Spesi radikal bebas yang dihasilkan dari iradiasi sinar gamma terhadap polimer memegang peranan penting dalam reaksi seterusnya, yaitu polimer dapat mengalami pemutusan rantai ( ) dan polimer dapat membentuk ikatan silang ( ).

Ikatan silang terbentuk dari suatu proses pemutusan ikatan C1H dalam satu rantai polimer pada fase amorf sehingga membentuk radikal bebas yang mudah bergerak untuk berikatan dengan radikal bebas yang terdapat pada rantai polimer lain, tetapi dalam keadaan yang tidak ada oksigen (Blunn . 2002). Ikatan silang pada polimer dapat menghasilkan struktur tiga dimensi sehingga akan meningkatkan kekuatan mekanik, titik leleh, dan bobot molekul seiring meningkatnya dosis iradiasi yang diberikan (Ivanov 1992). Pemutusan rantai adalah suatu proses pemutusan ikatan C1C dengan adanya oksigen sehingga oksigen tersebut berikatan atau menangkap radikal bebas yang dihasilkan (Blunn . 2002).

METODE

Bahan dan Alat

Bahan1bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah serbuk UHMWPE (bobot molekul 316 juta g/mol) dan butiran HDPE.

Alat1alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah tabung kaca, wadah cetakan besar berbentuk kotak, gegep, alumunium , tanur, alat pemotong, alat kempa panas, alat kempa dingin, alat pencetak dumbel, mikrometer sekrup, alat uji kekuatan tarik dan perpanjangan putus Toyoseiki, alat uji kekerasan Zwick shore A, alat difraksi sinar1x (XRD) Shimadzu, alat mikroskop elekron payaran (SEM), dan alat iradiator panorama serbaguna (IPRASENA) Irka.

Lingkup Kerja

Penelitian ini terbagi menjadi dua tahapan, yaitu tahap pertama yang terdiri dari

pembuatan film dari UHMWPE

(12)

perpanjangan putus, dan analisis derajat kristalinitas dengan XRD (Lampiran 1).

Pembuatan Film

Metode Kempa Panas (Modifikasi Wang dan Ge 2007)

Wadah cetakan berbentuk persegi dengan panjang sisi 20 cm dan tebal 0.5 mm disiapkan kemudian diisi serbuk UHMWPE sebanyak 12 g di bagian tengah cetakan pada suhu ruang. Sampel dalam cetakan tersebut dimasukkan dalam alat kempa panas dan dipanaskan dengan suhu tinggi sebesar 180 °C selama 3 menit. Kemudian ditekan dengan tekanan sebesar 200 kg/cm2 dan dipertahankan selama 3 menit. Setelah itu, sampel dikeluarkan dari alat kempa panas dan dimasukkan ke dalam alat kempa dingin selama 10 menit kemudian dikeluarkan dari wadah cetakan. Sampel berbentuk persegi tersebut dibuat sebanyak tujuh buah.

Sampel1sampel kemudian dicetak di alat pencetak dumbel sehingga berbentuk dumbel yang sesuai standar ASTM D1822106 sebanyak 25 buah film uji kekuatan tarik dan perpanjangan putus, dan ada juga yang dipotong berbentuk persegi dengan panjang sisi 3.5 cm sebanyak 60 buah film untuk uji kekerasan. Hal yang sama juga dilakukan terhadap film HDPE.

Metode Pemanasan (Modifikasi McKellop . 1999)

Satu buah tabung kaca disiapkan lalu dilapisi dengan aluminium foil pada bagian bawah dan dalam tabung. Tabung tersebut diisi HDPE sebanyak 10 g. Wadah cetakan besar berbentuk kotak disiapkan kemudian dilapisi dengan aluminium foil hingga seluruh wadah tertutup. Wadah tersebut diisi sedikit demi sedikit secara merata dengan HDPE sebanyak 60 g sehingga bagian dasar wadah tertutup. Tabung kaca dan wadah cetakan yang telah diisi HDPE dipanaskan di atas titik lelehnya pada suhu 180 °C selama 4 jam di dalam tanur. Setelah dipanaskan, sampel tersebut didinginkan secara perlahan pada suhu ruang sehingga sampel keras

Sampel yang berada di dalam tabung dipotong1potong berbentuk lingkaran berdiameter 3 cm sebanyak 5 bagian sehingga bobot masing1masing film sebesar 2 g dengan tebal 6 mm untuk uji kekerasan. Sampel yang berada dalam wadah kotak dicetak dengan alat pencetak dumbel sehingga berbentuk dumbel yang sesuai standar ASTM D1822106

sebanyak 25 buah film untuk uji kekuatan tarik dan perpanjangan putus.

Iradiasi Sinar Gamma

Film HDPE dan UHMWPE dimasukkan ke dalam ampul kemudian diiradiasi sinar gamma (γ) dengan sumber yang berasal dari isotop 60Co. Iradiasi dilakukan dalam media udara dengan alat iradiator panorama serbaguna (IPRASENA) Irka selama selang waktu dan jarak tertentu dari sumber radiasi. Ragam dosis yang digunakan dalam metode ini, yaitu 0, 100, 200, 300, dan 500 kGy.

Analisis Mikrostruktur Permukaan dengan SEM

Film HDPE atau UHMWPE dengan ukuran tertentu disalut emas dalam keadaan vakum selama waktu dan kuat arus tertentu dengan penyalut ion. Setelah itu, film dimasukkan pada tempat sampel dalam alat SEM dengan tegangan tertentu. Gambar yang dihasilkan berupa gambar topografi dengan segala tonjolan, lekukan, dan lubang pada permukaan. Gambar tersebut dapat diamati di layar monitor dengan perbesaran tertentu yang dapat diatur.

Pengujian Kekerasan (ASTM D2240805)

Film diukur tebalnya dengan ketebalan minimal sebesar 6 mm. Film diletakkan di atas meja atau tempat yang rata kemudian alat uji kekerasan Zwick shore A diletakkan di atas sampel. Lalu baja seberat 1 kg diletakkan di atas alat tersebut selama 15 detik kemudian diukur nilai kekerasannya. Besarnya nilai kekerasan ditentukan dari nilai skala yang ditunjuk oleh jarum yang bergerak dalam alat tersebut. Nilai skala uji kekerasan shore A berkisar antara 01100. Pengukuran dilakukan sebanyak tiga kali ulangan. Nilai kekerasan shore A dikonversi ke dalam shore D.

Pengujian Kekuatan Tarik dan

Perpanjangan Putus (ASTM D1822806)

(13)

untuk pengukuran per Kemudian sampel ditar dengan kecepatan 100 m dapat diketahui besarnya g panjang sampel saat dilakukan sebanyak lima ka

Kekuatan tarik perpanjangan putus dihit Persamaan 1 dan 2.

Keterangan:

= kekuatan tarik (kg = gaya maksimun (k = luas penampang s

= 0,3

= rataan ketebalan s

%

∆

% = persentase perpan

∆ = pertambahan panj = (cm) – (cm) = panjang sampel sa = panjang sampel

Analisis Derajat Kristalin

Film HDPE atau U ukuran tertentu ditempel sampel dalam alat XRD de yang kemudian diletakkan dan dirotasikan pada sudut 30° selama waktu tert diperoleh berupa difrakt diamati di layar monitor. kristalinitas dapat difraktogram hasil XRD m

! !" #$

Keterangan:

= derajat kristali

&'()*+,(- = luas daerah kr +./'0 = luas daerah am

HASIL DA PEM

Ciri8ciri Fisik

UHMWPE dihasilkan dari kedua me ciri1ciri fisik permukaan y perbedaan warna yang sig polimer pada dosis 0 kG UHMWPE hasil metode dosis 0 kGy berwarna p

perpanjangan putus. ditarik sampai putus 100 mm/menit sehingga nya gaya maksimum dan putus. Pengukuran lima kali ulangan.

ik dan persentase dihitung menggunakan

. . .1

rik (kg/cm2) mun (kg)

pang sampel (cm2)

alan sampel (cm)

100%

. . .2

erpanjangan putus (%) n panjang sampel (cm)

(cm)

pel saat putus (cm) awal (cm)

istalinitas dengan XRD

tau UHMWPE dengan tempelkan pada tempat RD dengan perekat ganda takkan pada guaniometer sudut kalibrasi (2θ) 15°1 tertentu. Hasil yang difraktogram dan dapat nitor. Persentase derajat t ditentukan dari RD melalui Persamaan 3:

#$ %

100%

. . .3

ristalinitas (%) rah kristalin (cm2) rah amorf (cm2)

PEMBAHASA

WPE dan HDPE yang ua metode menunjukkan kaan yang berbeda. Ada signifikan dari kedua 0 kGy dan 500 kGy. tode kempa panas pada arna putih yang sedikit

transparan (Gambar 2a), dengan metode yang sama pekat (Gambar 2b). Pol metode pemanasan pada d berwarna putih, tetapi lebih hasil metode kempa panas

(a) (b)

Gambar 2 Film UHMWP panas (a), HDP panas (b), dan pemanasan (c)

Warna UHMWPE dan H metode setelah diiradiasi pa berubah menjadi warna cok pada UHMWPE hasil met masih sedikit transparan dibandingkan dengan HDP coklat pekat (Gambar 3b) hasil metode pemanasan coklat yang lebih pekat dib HDPE hasil metode kemp 3c).

(a) (b)

Gambar 3 Film UHMWP panas (a), HDP panas (b), dan pemanasan (c) kGy.

Perubahan warna pol menjadi coklat dipengaruh yang dilakukan sebelum iradiasi sinar gamma. Ber dan Endang (2007), HDP tahan terhadap suhu tinggi, kurang tembus cahaya. Hal pemanasan menjadi tidak m bagian HDPE pada me sehingga panas yang dihas hanya terjadi di permuka berbeda dengan HDPE dan dihasilkan dari metode ke metode kempa panas polim selama pemanasan sehing panasnya tidak hanya di p juga ke seluruh bagian poli

2a), sedangkan HDPE sama berwarna putih limer HDPE hasil ada dosis 0 kGy juga lebih pekat dari HDPE

(Gambar 2c).

(c) MWPE metode kempa , HDPE metode kempa dan HDPE metode n (c) pada dosis 0 kGy.

dan HDPE hasil kedua iasi pada dosis 500 kGy na coklat. Warna coklat il metode kempa panas sparan (Gambar 3a),

HDPE yang berwarna r 3b). Namun, HDPE asan memiliki warna at dibandingkan dengan kempa panas (Gambar

(c) MWPE metode kempa , HDPE metode kempa dan HDPE metode n (c) pada dosis 500

(14)

itu, warna coklat HDP pemanasan lebih pekat dib UHMWPE dan HDPE me Iradiasi sinar gamma m fisik permukaan polimer baik warna maupun struk Pembentukan radikal beba terjadinya perubahan str perubahan sifat1sifat polim

Mikroskop elektron digunakan untuk meng struktur dari permukaan iradiasi sinar gamma. HD kempa panas pada dosis 0 dan tidak homogen kare banyak butiran di permuk sedangkan pada dosis 500 sedikit berkurang sehingg homogen (Gambar UHMWPE pada dosis 0 licin, dan lebih homo dengan HDPE, tetapi ma sedikit butiran (Gamb bertambahnya dosis iradi pada permukaan UHMWP 500 kGy semakin be permukaannya menjadi leb dan licin (Gambar 5b). menyatakan bahwa permuk halus dari UHMWPE d gesekan yang rendah den sehingga dapat mening mekaniknya.

(a)

Gambar 4 Permukaan HD panas pada do 500 kGy (b) 1000 kali.

(a)

Gambar 5 Permukaan U kempa panas (a) dan 500 perbesaran 50

HDPE hasil metode kat dibandingkan dengan metode kempa panas. a mengubah sifat1sifat olimer secara signifikan struktur permukaannya. bebas menjadi sumber n struktur kimia dan polimer (Ivanov 1992). ktron payaran (SEM)

mengamati perubahan ukaan polimer akibat HDPE hasil metode osis 0 kGy terlihat kasar karena masih terdapat ermukaan (Gambar 4a), s 500 kGy butiran1butiran ehingga cenderung lebih 4b). Permukaan sis 0 kGy tampak halus, homogen dibandingkan masih terlihat adanya Gambar 5a). Seiring iradiasi, butiran1butiran MWPE yang diberi dosis berkurang sehingga adi lebih homogen, halus, Batista . (2004) ermukaan yang licin dan PE dapat menghasilkan ah dengan material lain eningkatkan ketahanan

(b)

an HDPE metode kempa da dosis 0 kGy (a) dan (b) dengan perbesaran

(b)

aan UHMWPE metode panas pada dosis 0 kGy 500 kGy (b) dengan ran 500 kali.

Butiran yang terdapa menunjukkan adanya gelem terjebak di dalam polim pemanasan pada suhu t 1984). Metode kempa pan kompaksi yang dilakukan untuk menghasilkan suatu polimer yang sempurna sedangkan metode peman metode yang dilakukan p tetapi tidak diberi tekanan. pada metode kempa panas setelah pemanasan yang t lama pada serbuk ha menyebabkan pemanasan m seluruh bagian sehingga yang terjebak, seperti oksig sangat sedikit dan homogen dengan HDPE karena HDPE masih berupa butiran permukaannya menjadi l UHMWPE. Luas permukaa sifat HDPE yang tahan terh menyebabkan gelembung ud di permukaan banyak dan kurang homogen. Oksigen y gelembung udara tersebut penangkap radikal beba sehingga menghambat ter silang (Blunn . 2002).

Oksigen yang kemungki permukaan UHMWPE, ser sinar gamma yang berlangs udara mengakibatkan pembentukan ikatan silang dapat mengalami pemutus bertambahnya dosis iradiasi Gambar 6 menunjukkan pro ikatan silang. HDPE hasi panas juga dapat menghasil tetapi kemungkinan terb silang lebih sedikit dari U disebabkan oleh banyakny terjebak di permukaan polimer tersebut lebih c pemutusan rantai diban UHMWPE (Gambar 7).

Gambar 6 Pembentukan ika 2001).

rdapat di permukaan gelembung udara yang polimer akibat proses hu tinggi (Billmeyer a panas adalah metode ukan pada suhu tinggi suatu proses pemadatan urna (Rusianto 2009), pemanasan merupakan kan pada suhu tinggi, nan. Pemberian tekanan sebesar 200 kg/cm2 ang tidak berlangsung k halus UHMWPE san menjadi merata ke gga gelembung udara i oksigen di permukaan mogen. Hal ini berbeda HDPE yang digunakan tiran sehingga luas adi lebih kecil dari mukaan yang kecil dan an terhadap suhu tinggi ung udara yang terjebak k dan HDPE menjadi igen yang terdapat pada sebut berperan sebagai bebas saat iradiasi at terbentuknya ikatan

ungkinan terjebak pada E, serta proses iradiasi rlangsung dalam media tkan terganggunya silang dan UHMWPE mutusan rantai seiring radiasi (Stephens 2009). an proses pembentukan hasil metode kempa ghasilkan ikatan silang, terbentuknya ikatan ari UHMWPE. Hal ini nyaknya oksigen yang aan HDPE sehingga bih cepat mengalami dibandingkan dengan

(15)

Gambar 7 Pemutusan rantai (Lewis 2001).

Sifat Mekanik

Kekerasan

Kekerasan adalah ketahanan suatu material terhadap gaya penekanan dari material lain yang lebih keras. Penekanan tersebut dapat berupa mekanisme penggoresan, pantulan, dan indentasi dari material keras terhadap suatu permukaan benda uji (Yuwono 2009). Kekerasan merupakan salah satu sifat bahan yang sangat penting dan sudah sering digunakan sebagai indikator untuk ketahanan aus polimer (Wang dan Ge 2007). Pengukuran kekerasan menunjukkan bahwa terjadi peningkatan kekerasan dengan meningkatnya dosis iradiasi baik pada UHMWPE maupun HDPE. Hasil ini sesuai dengan laporan Rosario dan Silva (2006) yang menyatakan bahwa nilai kekerasan UHMWPE semakin tinggi seiring bertambahnya dosis iradiasi dan berada pada kisaran 64168 shore D.

Nilai kekerasan UHMWPE hasil metode kempa panas berada pada kisaran 45.36146.39 shore D, HDPE yang dihasilkan dari metode kempa panas berada pada kisaran 44.47145.92 shore D, dan HDPE hasil metode pemanasan berada pada kisaran 44.22145.76 shore D (Gambar 8). Nilai kekerasan yang diperoleh dari ketiga polimer tersebut masih lebih kecil dari hasil laporan Rosario dan Silva (2006). Lampiran 2 menunjukkan perhitungan nilai kekerasan UHMWPE dan HDPE.

Gambar 8 Nilai kekerasan UHMWPE ( ), HDPE ( ), metode kempa panas (1), dan metode pemanasan (1).

Peningkatan nilai kekerasan kedua polimer disebabkan oleh beberapa faktor, yaitu kemungkinan terbentuknya ikatan silang dan pemutusan rantai. Ikatan silang menyebabkan susunan rantai acak yang berada di daerah amorf menjadi teratur sehingga polimer menjadi lebih keras. Pemutusan rantai juga dapat meningkatkan kekerasan karena oksigen menangkap radikal bebas hasil iradiasi sinar gamma sehingga polimer mengalami suatu proses oksidasi dan menghasilkan senyawa hidroperoksida yang dapat menyebabkan putusnya ikatan C1C dan membentuk kristal baru (Stephens 2009). Kristal1kristal inilah yang menyebabkan kekerasan juga semakin meningkat. Nilai kekerasan UHMWPE lebih besar dari HDPE hasil kedua metode karena kemungkinan terbentuknya ikatan silang pada polimer tersebut lebih banyak sehingga pemutusan rantai yang terjadi seiring bertambahya dosis iradiasi masih lebih lama dibandingkan dengan HDPE. Oleh karena itu, UHMWPE masih lebih keras dari HDPE, tetapi peningkatan kekerasan HDPE hasil metode kempa panas tidak berbeda jauh dengan UHMWPE.

Bobot molekul juga mempengaruhi besarnya nilai kekerasan pada UHMWPE dan HDPE. Bobot molekul yang sangat tinggi pada UHMWPE menyebabkan rantai polimer yang dihasilkan dari iradiasi sinar gamma menjadi lebih panjang, sedangkan bobot molekul HDPE yang lebih kecil dari UHMWPE menghasilkan rantai polimer yang lebih pendek dari UHMWPE. Rantai polimer UHMWPE yang lebih panjang dari HDPE membuktikan bahwa UHMWPE mengalami proses pemutusan rantai yang lebih lama dibandingkan HDPE sehingga UHMWPE masih lebih keras dan lebih mampu dalam menahan gaya penekanan dari material lain yang lebih berat.

Pemutusan rantai yang berlangsung secara perlahan pada kisaran dosis 01500 kGy menyebabkan kenaikan kekerasan yang dihasilkan dari kedua polimer tidak signifikan. Kenaikan kekerasan yang tidak signifikan juga dapat dilihat dari difraktogram hasil XRD. Ada dua jenis puncak yang dihasilkan dari difraktogram, yaitu puncak yang tajam dan puncak yang lebar. Puncak yang tajam menggambarkan daerah kristalin, sedangkan puncak yang lebar menggambarkan daerah amorf. Puncak1puncak tersebut muncul dalam difraktogram karena polimer UHMWPE dan HDPE merupakan polimer yang semikristalin (Bambang 2011). 44 44,5 45 45,5 46 46,5

0 100 200 300 400 500 600

N il ai K ek er as an (s h o re D )

(16)

Intensitas daerah amorf UHMWPE hasil metode kempa panas pada dosis 0 kGy terlihat tinggi (Gambar 9a), tetapi setelah diiradiasi pada dosis 500 kGy, intensitas daerah amorfnya berkurang atau lebih rendah (Gambar 9b). Penurunan intensitas daerah amorf menunjukkan bahwa UHMWPE semakin keras dan kristalin akibat terbentuknya ikatan silang dan pemutusan rantai, tetapi penurunannya tidak signifikan. Penurunan intensitas daerah amorf yang tidak signifikan disebabkan oleh pemutusan rantai pada kisaran dosis 01500 kGy terjadi secara perlahan (Kim dan Nho 2009). Oleh karena itu, kenaikan kekerasannya pun tidak signifikan.

(a)

(b) Gambar 9 Difraktogram UHMWPE metode

kempa panas pada dosis 0 kGy (a) dan 500 kGy (b).

HDPE hasil metode kempa panas juga mengalami hal yang sama dengan UHMWPE, tetapi intensitas daerah amorf pada dosis 0 kGy terlihat lebih rendah dari UHMWPE (Gambar 10a). Setelah diiradiasi pada dosis 500 kGy, intensitas daerah amorf juga semakin berkurang (Gambar 10b). Intensitas daerah amorf HDPE hasil metode pemanasan pada dosis 0 kGy terlihat sangat rendah (Gambar 11a). Semakin naiknya dosis iradiasi, yaitu pada dosis 500 kGy, intensitasnya menjadi semakin rendah (Gambar 11b). Intensitas daerah amorf HDPE metode pemanasan setelah iradiasi sangat rendah karena HDPE tersebut sangat mudah mengalami pemutusan rantai akibat oksigen yang terjebak pada permukaan sangat banyak dan kemungkinan tidak ada ikatan silang yang terbentuk. Oleh karena itu, HDPE hasil metode pemanasan lebih cepat kristalin dibandingkan dengan HDPE dan UHMWPE hasil metode kempa panas.

(a)

(b) Gambar 10 Difraktogram HDPE metode

kempa panas pada dosis 0 kGy (a) dan 500 kGy (b).

(a)

(b) Gambar 11 Difraktogram HDPE metode

pemanasan pada dosis 0 kGy (a) dan 500 kGy (b).

Kekuatan Tarik, Perpanjangan Putus, dan Derajat Kristalinitas

Uji tarik suatu bahan dapat memberikan informasi mengenai sifat mekanik, seperti kuat tarik dan perpanjangan putus. Kekuatan tarik menggambarkan kekuatan tegangan maksimum suatu material untuk menahan gaya tarik yang diberikan, sedangkan perpanjangan putus menggambarkan kemampuan material dalam menahan deformasi hingga terjadinya perpatahan. Perpatahan material hasil pengujian tarik ada dua macam, yaitu perpatahan ulet dan perpatahan getas. Perpatahan ulet lebih disukai karena bahan yang ulet umumnya lebih tangguh dan memberikan peringatan terlebih dahulu sebelum terjadinya perpatahan (Yuwono 2009). Pengukuran kuat tarik 0 400 800 1200 1600 2000 2400 2800 3200

15 20 25 30

In te n si ta s 2Ө 0 400 800 1200 1600 2000 2400 2800 3200 3600

15 20 25 30

In te n si ta s 2Ө 0 400 800 1200 1600 2000 2400 2800 3200

15 20 25 30

In te n si ta s 2Ө 0 400 800 1200 1600 2000 2400 2800 3200 3600

15 20 25 30

In te n si ta s 2Ө 0 400 800 1200 1600 2000 2400 2800 3200

15 20 25 30

In te n si ta s 2Ө 0 400 800 1200 1600 2000 2400 2800 3200

15 20 25 30

(17)

menunjukkan bahwa terjadi penurunan kuat tarik dengan meningkatnya dosis iradiasi baik UHMWPE maupun HDPE dari kedua metode. Bobot molekul mempengaruhi kekuatan tarik dan perpanjangan putus pada polimer (Mark 1999). Bobot molekul yang sangat besar pada UHMWPE menyebabkan rantai polimer hasil iradiasi sinar gamma menjadi lebih panjang (Blunn . 2002). Bobot molekul HDPE yang lebih kecil mengakibatkan rantai polimer HDPE lebih pendek dari UHMWPE, namun rantai polimer HDPE hasil metode pemanasan masih lebih pendek dari HDPE hasil metode kempa panas. Rantai polimer yang panjang dari UHMWPE menyebabkan nilai kuat tariknya lebih besar dari HDPE hasil metode kempa panas dan rantai polimer HDPE hasil metode pemanasan yang sangat pendek menyebabkan nilai kuat tariknya paling kecil (Gambar 12).

Seiring meningkatnya dosis iradiasi, maka rantai polimer semakin lama semakin pendek karena adanya pemutusan rantai sehingga nilai kekuatan tariknya semakin lama semakin menurun. Dengan kata lain, pemutusan rantai dapat meningkatkan kekerasan sekaligus menurunkan kekuatan tarik karena kristal yang terbentuk merupakan gabungan kristal hasil pemutusan ikatan C1C yang berikatan dengan oksigen. Penurunan kuat tarik terjadi secara tidak signifikan karena pemutusan rantai juga terjadi secara perlahan pada kisaran dosis yang digunakan. Lampiran 3 menunjukkan perhitungan nilai kuat tarik yang diperoleh UHMWPE dan HDPE.

Gambar 12 Nilai kekuatan tarik UHMWPE ( ), HDPE ( ), metode kempa panas (1), dan metode pemanasan (1).

Pengukuran persentase perpanjangan putus juga menunjukkan hal yang sama, yaitu semakin meningkatnya dosis iradiasi yang diberikan, maka semakin berkurang persentase perpanjangan putusnya. Berkurangnya persentase perpanjangan putus membuktikan bahwa polimer semakin getas

akibat adanya pemutusan rantai. UHMWPE getas pada dosis 500 kGy, HDPE hasil metode kempa panas mulai getas pada dosis 200 kGy, dan HDPE hasil metode pemanasan mulai getas pada dosis 100 kGy (Gambar 13). Terjadinya kegetasan dapat dilihat dari persentase perpanjangan putus yang bernilai 0%. Berdasarkan hasil tersebut UHMWPE mengalami perpatahan ulet dan tidak mudah getas dibandingkan dengan HDPE. Lampiran 4 menunjukkan perhitungan persentase perpanjangan putus yang diperoleh UHMWPE dan HDPE.

Gambar 13 Nilai persentase perpanjangan putus UHMWPE ( ), HDPE ( ), metode kempa panas (1), dan metode pemanasan (1).

Persentase perpanjangan putus yang diperoleh UHMWPE menurun dari 350% ke 0% pada kisaran dosis 01500 kGy. Hasil tersebut tidak berbeda jauh dengan laporan Rosario dan Silva (2006) yang menyatakan bahwa persentase perpanjangan putus UHMWPE menurun dari 248% ke 30% pada kisaran dosis radiasi 01500 kGy sehingga kekuatan tariknya juga menurun. Sedikitnya oksigen yang terjebak pada permukaan UHMWPE menyebabkan polimer tersebut mengalami pemutusan rantai yang lebih lama dibandingkan dengan HDPE sehingga UHMWPE memiliki nilai kuat tarik yang paling besar dan lebih mampu dalam menahan gaya tarikan dari material lain yang lebih berat. Oleh karena itu, UHMWPE mulai getas pada dosis 500 kGy. Hal ini berbeda dengan HDPE dari kedua metode.

HDPE hasil metode kempa panas lebih mudah mengalami pemutusan rantai dibandingkan dengan UHMWPE karena oksigen yang terjebak pada permukaan lebih banyak sehingga kemungkinan terbentuknya ikatan silang lebih sedikit dari UHMWPE. Hal ini menyebabkan HDPE tersebut masih kurang mampu dalam menahan gaya tarikan dari material lain yang lebih berat, nilai kuat tariknya lebih kecil dibandingkan dengan 0 100 200 300 400 500 600

0 100 200 300 400 500 600

N il ai K ek u at an T ar ik (k g /c m 2)

Dosis Radiasi (kGy)

0 100 200 300 400 500 600 700 800

0 100 200 300 400 500 600

P er p an ja n g an P u tu s (% )

(18)

UHMWPE, dan mulai getas pada dosis 200 kGy. HDPE hasil metode pemanasan tidak terbentuk ikatan silang dan sangat kristalin. Kristalinitas yang tinggi akibat pemutusan rantai menyebabkan HDPE hasil metode pemanasan memiliki nilai kuat tarik paling kecil sehingga HDPE tersebut sangat mudah getas setelah diiradiasi. Hasil ini sesuai dengan laporan Rosario dan Silva (2006) yang melaporkan bahwa semakin kecil kekuatan tarik dan perpanjangan putusnya, maka polimer semakin getas seiring bertambahnya dosis iradiasi.

Nilai kekuatan tarik dan perpanjangan putus yang semakin menurun juga dipengaruhi oleh faktor derajat kristalinitas yang semakin meningkat. Derajat kristalinitas adalah derajat kemungkinan terbentuknya susunan kristal dalam bentuk rantai (Bambang 2011). Sifat kristalinitas yang tinggi menyebabkan tegangan yang tinggi dan kaku (Agusnar 2004). Difraksi sinar1x (XRD) digunakan untuk menentukan derajat kristalinitas polimer. Persentase derajat kristalinitas UHMWPE hasil metode kempa panas pada dosis 0 kGy sebesar 52.07%, sedangkan pada dosis 500 kGy sebesar 59.70%. Persentase derajat kristalinitas HDPE hasil metode kempa panas juga semakin meningkat dan lebih besar dari UHMWPE, yaitu 67.11% pada dosis 0 kGy dan 68.75% pada dosis 500 kGy. Kenaikan derajat kristalinitas juga terjadi pada HDPE hasil metode pemanasan dan memiliki nilai yang paling besar, yaitu 69.96% pada dosis 0 kGy dan 79.15% pada dosis 500 kGy. Hasil ini sesuai dengan laporan Kim dan Nho (2009) yang menyatakan bahwa semakin tinggi dosis iradiasi, maka semakin tinggi derajat kristalinitasnya. Lampiran 5 menunjukkan perhitungan persentase derajat kristalinitas yang diperoleh UHMWPE dan HDPE.

Derajat kristalinitas HDPE hasil metode pemanasan memiliki persentase yang paling besar dibandingkan dengan UHMWPE dan HDPE hasil metode kempa panas karena daerah amorf HDPE pada dosis 0 kGy sangat sedikit atau lebih kristalin sehingga HDPE tersebut sangat mudah terjadi pemutusan rantai. Hal ini disebabkan oleh oksigen yang terjebak sangat banyak baik pada daerah kristalin maupun daerah amorf sehingga oksigen tidak hanya menyerang radikal bebas di daerah kristalin saja, melainkan juga di daerah amorf. Proses tersebut menyebabkan adanya oksidasi pada polimer sehingga menghasilkan senyawa hidroperoksida yang dapat menyebabkan pemutusan rantai dan

menghasilkan kristal baru (Stephens 2009). Semakin tinggi kristalinitas akibat pemutusan rantai, maka HDPE menjadi semakin keras, tetapi mudah rapuh atau getas. Hasil ini sesuai dengan pernyataan Sulchan dan Endang (2007) yang menyatakan bahwa HDPE memiliki kecenderungan untuk mengkerut dan getas selama dicetak sehingga termasuk material yang kritis terhadap cetakan.

Faktor jenis ikatan dan struktur rantai juga mempengaruhi kristalinitas polimer (Agusnar 2004). Rantai polimer HDPE hasil metode kempa panas yang lebih pendek dari UHMWPE menyebabkan rantai polimer lebih cepat berkurang akibat adanya pemutusan rantai. Oleh karena itu, HDPE lebih cepat menjadi kristalin, derajat kristalinitasnya lebih besar, dan termasuk material yang lebih keras dan rapuh dibandingkan dengan UHMWPE.

SIMPULA DA SARA

Simpulan

UHMWPE yang dihasilkan dari metode kempa panas dan HDPE yang dihasilkan dari metode kempa panas dan metode pemanasan belum dapat meningkatkan ketahanan mekanik yang baik, dilihat dari menurunnya nilai kuat tarik dan persentase perpanjangan putus pada kisaran dosis 01500 kGy. Nilai peningkatan kekerasan HDPE hasil metode kempa panas yang mendekati UHMWPE membuat HDPE memiliki potensi untuk dijadikan sebagai menggunakan metode tersebut dibandingkan dengan metode pemanasan.

Saran

Perlu dilakukan homogenisasi sebelum dicetak menjadi iradiasi sinar gamma dalam keadaan vakum, dan dosis yang lebih tinggi terhadap HDPE baik metode pemanasan maupun metode kempa panas karena pembentukan ikatan silang merupakan faktor penting dalam . Selain itu, perlu dilakukan pengujian untuk membuktikan adanya ikatan silang atau pemutusan rantai.

DAFTAR PUSTAKA

(19)

waktu penyimpanan menggunakan difraksi sinar1x (XRD). 8: 43145.

[ASTM] American Society for Testing and Materials. 2010. Tensile1Impact Energy to Break Plastics and Electrical Insulating Materials. Philadelphia: ASTM; (ASTM Standard: D1822106).

[ASTM] American Society for Testing and Materials. 2010. Rubber Property1 Durometer Hardness. Philadelphia: ASTM; (ASTM Standard: D2240105).

Bambang E. 2011. Pengaruh variasi temperatur pada proses

jenis RN. 350 dengan bahan baku murni, campuran

, , dan

[skripsi]. Medan: Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.

Batista G, Ibarra M, Ortiz J, Villegas M. 2004. Engineering biomechanics of knee

replacement. 1: 11

12.

Beyer A. 2011. Arthroscopic surgery [terhubung berkala]. http://california1 kneedoctor.com/total1health/surgical1 procedures [5 Februari 2011].

Billmeyer FW. 1984. ! "

. New York: John Willey and Sons.

Blunn 2002. Ultrahigh molecular weight polyethylene (uhmwpe) in total knee replacement: fabrication, sterilisation and

wear. # ! #

84: 9461949.

Egen M, Zentel R. 2004. Surfactant free emulsion polymerization of various methacrylates; towards monodisperse colloids for polymer opals.

$ " 205: 147911488.

Gupta B, Anjum N. 2003. Plasma and radiation1induced graft modification of polymers for biomedical applications. % &

" 162: 35161.

Harten AV. 1998. !

" % . London:

Cambridge University Pr.

Ivanov VS. 1992. $

" . Netherland: VCP BV.

Kim S, Nho YC. 2009. $ '

" " . Austria: IAEA.

Lewis G. 2001. Properties of crosslinked ultrahigh molecular weight polyethylene.

! 22: 3711401.

Mark JE. 1999. " ' ( .

New York: Oxford University.

McKellop . 1999. Development of an extremely wear resistant ultrahigh molecular weight polyethylene for total hip replacements. # ) 17: 1571167.

Rosario SC, Silva LGA. 2006. Characterization of the virgin and recycled ultra high molecular weight polyethylene irradiated [tesis]. Brazil: Cidade University.

Rusianto T. 2009. Hot pressing metalurgi serbuk alumunium dengan variasi suhu pemanasan. 2: 89195.

Stevens MP. 2001. " . Jakarta: Pradnya Paramita.

Stephens CP. 2009. Morphological characterization of irradiated ultrahigh molecular weight polyethylene (UHMWPE) [disertasi]. Knoxville: University of Tennessee.

Sulchan M, Endang NW. 2007. Keamanan pangan kemasan plastik dan styrofoam [tesis]. Semarang: Program Pascasrjana, Universitas Diponegoro.

Surdia, Saito. 1995. " !

. Jakarta: Pradnya Paramita.

Wahyudianto AFX. 2006. Pengaruh implantasi ion berbasis nitrogen pada cobalt chrome alloy terhadap sifat keausan die drawn GUR 1120 UHMWPE [tesis]. Yogyakarta: Program Pascasarjana, Universitas Gadjah Mada.

Wang S, Ge S. 2007. The mechanical property and tribological behavior of UHMWPE: effect of molding pressure.

263: 9491956.

Yuwono AH. 2009.

" *' & +.

(20)

(21)

Lampiran 1 Diagram alir penelitian

UHMWPE

Metode pemanasan Metode kempa panas

Dipanaskan dalam tanur pada suhu 180 °C selama 4 jam

Didinginkan pada suhu ruang

Dipanaskan dalam alat kempa panas pada suhu 180 °C selama

3 menit lalu ditekan dengan tekanan 3000 psi selama 3 menit

Didinginkan dalam alat kempa dingin pada suhu ruang (25 °C)

selama 10 menit

Iradiasi sinar gamma 0, 100, 200, 300, dan 500 kGy HDPE

Dicetak dengan bentuk sesuai uji ketahanan mekanik masing1masing

Dicetak dengan bentuk sesuai uji ketahanan mekanik masing1

masing

Analisis mikrostruktur permukaan dengan SEM Pembuatan film

Pengujian kekuatan kekerasan, kekuatan tarik, perpanjangan putus, dan analisis derajat kristalinitas

(22)

Lampiran 2 Data Nilai Kekerasan UHMWPE dan HDPE

Sampel Metode

Dosis

iradiasi

(kGy)

Nilai kekerasan (shore A) _Rerata

(shore D)

1 2 3

HDPE

Pemanasan

0 91.00 91,50 91.50 44.22

100 93.50 93.50 92.50 45.11

200 93.50 94.00 93.00 45.27

300 94.50 95.00 93.00 45.68

500 94.50 94.50 94.50 45.76

Kempa

panas

0 91.50 92.00 92.00 44.47

100 94.00 94.00 93.00 45.36

200 94.00 94.50 94.00 45.60

300 95.00 95.50 93.50 45.84

500 94.50 95.00 95.00 45.92

UHMWPE Kempa

panas

0 93.50 93.50 94.00 45.36

100 95.00 95.00 95.00 46.00

200 95.00 95.50 95.00 46.08

300 96.00 95.00 95.50 46.24

(23)

Lampiran 3 Data Nilai Rerata Ketebalan, Gaya Maksimum, dan Kekuatan Tarik

UHMWPE dan HDPE

ilai rerata ketebalan (

2

)

Sampel Metode

Dosis

iradiasi

(kGy)

Rerata ketebalan (cm)

1 2 3 4 5

HDPE

Pemanasan

0 0.1375 0.1354 0.1426 0.1216 0.0944

100 0.0885 0.0962 0.0954 0.1133 0.1064

200 0.1182 0.1168 0.1038 0.1101 0.0944

300 0.0977 0.0952 0.0963 0.1223 0.1220

500 0.0892 0.1037 0.1007 0.1093 0.1278

Kempa

panas

0 0.0481 0.0484 0.0488 0.0457 0.0485

100 0.0466 0.0508 0.0478 0.0489 0.0484

200 0.0450 0.0513 0.0487 0.0501 0.0490

300 0.0494 0.0497 0.0477 0.0515 0.0476

500 0.0495 0.0493 0.0491 0.0450 0.0495

UHMWPE Kempa

panas

0 0.0680 0.0605 0.0566 0.0672 0.0646

100 0.0597 0.0622 0.0707 0.0532 0.0608

200 0.0715 0.0610 0.0590 0.0577 0.0564

300 0.0690 0.0667 0.0673 0.0601 0.0730

500 0.0742 0.0699 0.0739 0.0747 0.0643

ilai gaya maksimum (F)

Sampel Metode

Dosis

iradiasi

(kGy)

Gaya maksimum (kg)

1 2 3 4 5

HDPE

Pemanasan

0 9.83 9.82 9.73 9.50 8.00

100 5.12 9.10 4.50 6.75 7.53

200 5.80 3.60 5.20 4.98 6.00

300 5.00 1.50 5.40 5.00 5.20

500 3.55 5.52 3.48 3.70 4.02

Kempa

panas

0 4.94 4.84 5.20 4.56 4.86

100 4.48 4.56 4.65 4.71 4.61

200 4.05 4.89 4.35 4.49 4.70

300 3.95 3.75 3.46 3.95 3.44

(24)

Lanjutan Lampiran 3

ilai gaya maksimum (F)

Sampel Metode

Dosis

iradiasi

(kGy)

Gaya maksimum (kg)

1 2 3 4 5

UHMWPE Kempa

panas

0 9.55 9.39 8.55 9.50 9.64

100 6.70 7.85 9.94 6.00 7.73

200 9.35 7.05 7.21 6.74 6.81

300 5.85 7.89 5.50 4.88 5.89

500 5.15 4.78 5.29 5.36 4.60

ilai kekuatan tarik (

3)

Sampel Metode

Dosis iradiasi

(kGy)

Kekuatan tarik (kg/cm2₎

1 2 3 4 5

HDPE

Pemanasan

0 238.3030 241.7528 227.4427 260.4167 282.4859

100 192.8437 315.3153 157.2327 198.5878 235.9023

200 163.5646 102.7397 166.9878 150.7720 211.8644

300 170.5902 52.5210 186.9159 136.2769 142.0765

500 132.6607 177.4349 115.1936 106.1299 104.8513

Kempa panas

0 342.3423 333.3333 355.1913 332.6093 334.0206

100 320.4578 299.2126 324.2678 321.0634 317.4931

200 300.0000 317.7388 297.7413 298.7359 319.7279

300 266.5317 251.5091 241.7890 255.6634 240.8964

500 215.4882 251.5213 238.2892 259.2593 202.0202

UHMWPE Kempa

panas

0 468.1373 517.3554 503.5336 471.2302 497.4200

100 374.0927 420.6860 468.6469 375.9398 423.7939

200 435.8974 385.2459 407.3446 389.3703 402.4823

300 282.6087 394.3028 272.4121 270.6600 268.9498

(25)

Lanjutan Lampiran 3

ilai rerata kekuatan tarik (

3

5

)

Sampel Metode Dosis iradiasi (kGy) Rerata (kg/cm2)

HDPE

Pemanasan

0 250.0802

100 219.9764

200 159.1857

300 137.6761

500 127.2541

Kempa panas

0 339.4983

100 316.4989

200 306.7888

300 251.2779

500 233.3156

UHMWPE Kempa panas

0 491.5353

100 412.6319

200 404.0681

300 297.7867

500 235.1113

Contoh perhitungan HDPE metode pemanasan pada dosis iradiasi 0 kGy:

Kekuatan tarik

=

(* .8 9.)

=

:.;8 &<

( . 8=> 9. .8 9.)

= 238.3030 kg/cm

2

Rerata kekuatan tarik

=

(?@&A+*+- *+'(& " … " ?@&A+*+- *+'(& >)

>

=

(C8;.8 8 " … " C;C.D;>:) &</9.

F

>

(26)

Lampiran 4 Data Nilai Panjang Sampel saat Putus dan Persentase Perpanjangan

Putus UHMWPE dan HDPE

ilai panjang sampel saat putus

(

L

₁

)

Panjang sampel awal =

= 1 cm

Sampel Metode Dosis iradiasi (kGy)

Panjang sampel saat putus (cm)

1 2 3 4 5

HDPE

Pemanasan

0 1.20 1.20 1.20 1.20 1.20

100 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00

200 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00

300 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00

500 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00

Kempa

panas

0 4.50 12.50 12.50 7.00 4.00

10 1.50 1.50 1.50 1.50 2.00

200 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00

300 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00

500 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00

UHMWPE Kempa

panas

0 4.50 4.50 4.50 4.50 4.50

100 4.00 4.00 4.00 3.50 4.00

200 3.00 3.50 3.50 3.00 3.00

300 2.00 2.50 2.00 2.00 2.00

500 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00

ilai persentase perpanjangan putus (%E)

Sampel Metode

Dosis iradiasi

(kGy)

Perpanjangan putus (%)

Rerata (%)

1 2 3 4 5

HDPE

Pemanasan

0 20.00 20.00 20.00 20.00 20.00 20.00

100 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

200 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

300 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

500 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

Kempa panas

0 350.00 1150.00 1150.00 600.00 300.00 710.00

100 50.00 50.00 50.00 50.00 100.00 60.00

200 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

300 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

(27)

Lanjutan Lampiran 4

ilai persentase perpanjangan putus (%E)

Sampel Metode

Dosis iradiasi

(kGy)

Perpanjangan putus (%)

Rerata (%)

1 2 3 4 5

UHMWPE Kempa

panas

0 350.00 350.00 350.00 350.00 350.00 350.00

100 300.00 300.00 300.00 250.00 300.00 290.00

200 200.00 250.00 250.00 200.00 200.00 220.00

300 100.00 150.00 100.00 100.00 100.00 110.00

500 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

Perpanjangan Putus

=

∆

/

× 100%

=

( G H )9.

(9.)

× 100%

=

( .C H . )9.

. 9.

× 100%

= 20.00%

Rerata perpanjangan putus

=

(I@'J+-K+-<+- JA*A) " … " I@'J+-K+-<+- JA*A) > )%

>

=

(C . " C . " C . " C . " C . )%

>

(28)

Lampiran 5 Data Nilai Bobot Kristalin, Bobot Amorf, Bobot Kertas 1 × 1, dan

Persentase Derajat Kristalinitas UHMWPE dan HDPE

ilai bobot kristalin, bobot amorf, dan bobot kertas 1 1

Sampel Metode

Dosis

iradiasi

(kGy)

Bobot kristalin

(g)

Bobot kristalin

+ amorf (g)

Bobot kertas

1 × 1 (g/cm2)

HDPE

Pemanasan 0 0.1118 0.1598 0.0070

500 0.0797 0.1007 0.0082

Kempa

panas

0 0.1816 0.2706 0.0090

500 0.1835 0.2669 0.0088

UHMWPE Kempa

panas

0 0.1736 0.3334 0.0083

500 0.1797 0.3010 0.0082

ilai persentase derajat kristalinitas

Sampel Metode

Dosis

iradiasi

(kGy)

Luas kristalin

(cm2)

Luas kristalin +

amorf (cm2)

Derajat

kristalinitas

(%)

HDPE

Pemanasan 0 15.9714 22.8286 69.96

500 9.7195 12.2805 79,15

Kempa

panas

0 20.1778 30.0667 67.11

500 20.8523 30.3295 68.75

UHMWPE Kempa

panas

0 20.9157 40.1687 52.07

(29)

Lanjutan Lampiran 5

Luas kristalin

=

L/M/* &'()*+,(- (<)

L/M/* &@'*+) (< 9.⁄ F)

=

. ; <

. = (< 9.⁄ F

= 15.9714 cm

2

Luas kristalin + amorf =

L/M/* &'()*+,(- " +./'0 (<)

L/M/* &@'*+) (< 9.⁄ F)

=

. >:; <

. = (< 9._⁄ F₎

= 22.8286 cm

2

Derajat Kristalinitas

=

A+) &'()*+,(- (9.

F₎

A+) &'()*+,(- " +./'0 (9.F₎

100%

=

>.:= D 9.

F

CC.;C;O 9.F

100%

(30)

ABSTRAK

RETNO WULANDARI. Iradiasi Sinar Gamma UHMWPE dan HDPE untuk

Meningkatkan Ketahanan Mekanik

. Dibimbing oleh ARMI

WULANAWATI dan SULISTIOSO GIAT SUKARYO.

Polietilena bobot molekul ultra tinggi (UHMWPE) merupakan polimer

yang banyak digunakan dalam pembuatan

, tetapi harganya sangat

mahal. Oleh karena itu, dikembangkan polietilena kerapatan tinggi (HDPE) dalam

pembuatan

karena harganya yang lebih murah dan memiliki kemiripan

sifat dengan UHMWPE. HDPE dibuat dengan dua metode, yaitu metode kempa

panas dan metode pemanasan, sedangkan UHMWPE hanya dibuat dengan metode

kempa panas. Film

UHMWPE dan HDPE yang dihasilkan dari kedua

metode kemudian diiradiasi sinar gamma dengan ragam dosis 0, 100, 200, 300,

dan 500 kGy. Polimer1polimer tersebut dianalisis mikrostruktur permukaan,

kekerasan, kekuatan tarik, persentase perpanjangan putus, dan derajat kristalinitas.

Semakin tinggi dosis iradiasi, maka kekerasan dan derajat kristalinitas semakin

meningkat, tetapi kekuatan tarik dan persentase perpanjangan putus semakin

menurun. Kedua polimer belum dapat meningkatkan ketahanan mekanik yang

baik pada kisaran dosis iradiasi yang digunakan karena pembentukan ikatan silang

terhambat oleh oksigen yang menyebabkan pemutusan rantai. Peningkatan nilai

kekerasan HDPE hasil metode kempa panas yang mendekati kekerasan

UHMWPE membuat HDPE memiliki potensi untuk dijadikan sebagai

dengan metode tersebut.

(31)

PE DAHULUA

sebagai .

TI JAUA PUSTAKA

Polimer

UHMWPE

(32)

PE DAHULUA

sebagai .

TI JAUA PUSTAKA

Polimer

UHMWPE

(33)

komponen sendi karena bersifat fleksibel, keras, dan halus. UHMWPE yang banyak digunakan pada komponen sendi lutut tiruan mempunyai berat molekul antara 3 juta dan 6 juta g/mol dengan bobot jenis 0.940 g/cm3 dan titik leleh 138 °C (Batista . 2004). Permukaan yang halus dari UHMWPE dapat menghasilkan gesekan yang rendah dengan material lain sehingga dapat meningkatkan ketahanan mekaniknya. Polimer UHMWPE telah digunakan di bidang ortopedi sebagai selama lebih dari 40 tahun (Wahyudianto 2006). Gambar 1 menunjukkan anatomi dalam sendi lutut tiruan.

Gambar 1 Anatomi dalam sendi lutut tiruan (Beyer 2011).

HDPE

HDPE merupakan polietilena kerapatan tinggi yang mempunyai jumlah rantai cabang sangat sedikit dibandingkan dengan LDPE dan LLDPE sehingga HDPE bersifat semikristalin. Polimer ini memiliki bobot jenis minimum 0.940 g/cm3, bobot molekulnya berkisar 1041106 g/mol, dan titik lelehnya sebesar 135 °C (Surdia dan Saito 1995). Polietilena kerapatan tinggi ini akan meleleh pada suhu tinggi dan akan memadat jika suhu lingkungan diturunkan. HDPE juga memiliki kecenderungan untuk mengkerut dan getas selama dicetak sehingga termasuk material yang kritis terhadap cetakan (Sulchan dan Endang 2007).

Iradiasi Sinar Gamma

Iradiasi sinar gamma merupakan pancaran gelombang elektromagnetik energi tinggi dalam bentuk paket energi (foton) (Ivanov 1992). Sinar gamma umumnya bersumber dari isotop kobalt160 (60Co) dan mempunyai panjang gelombang yang lebih pendek dari sinar UV, yaitu sebesar 0.0111016 nm (Harten 1998). Interaksi radiasi gamma dengan materi atau penyerapan energi oleh materi menyebabkan terjadinya efek fotolistrik, hamburan Compton, dan produksi pasangan. Ketiga proses tersebut dapat menghasilkan elektron yang dapat mengeksitasi molekul.

Ion yang terbentuk akan cepat berinteraksi dengan elektron yang menyebabkan eksitasi molekul. Molekul yang tereksitasi akan terdisosiasi menjadi radikal bebas. Spesi radikal bebas yang dihasilkan dari iradiasi sinar gamma terhadap polimer memegang peranan penting dalam reaksi seterusnya, yaitu polimer dapat mengalami pemutusan rantai ( ) dan polimer dapat membentuk ikatan silang ( ).

Ikatan silang terbentuk dari suatu proses pemutusan ikatan C1H dalam satu rantai polimer pada fase amorf sehingga membentuk radikal bebas yang mudah bergerak untuk berikatan dengan radikal bebas yang terdapat pada rantai polimer lain, tetapi dalam keadaan yang tidak ada oksigen (Blunn . 2002). Ikatan silang pada polimer dapat menghasilkan struktur tiga dimensi sehingga akan meningkatkan kekuatan mekanik, titik leleh, dan bobot molekul seiring meningkatnya dosis iradiasi yang diberikan (Ivanov 1992). Pemutusan rantai adalah suatu proses pemutusan ikatan C1C dengan adanya oksigen sehingga oksigen tersebut berikatan atau menangkap radikal bebas yang dihasilkan (Blunn . 2002).

METODE

Bahan dan Alat

Bahan1bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah serbuk UHMWPE (bobot molekul 316 juta g/mol) dan butiran HDPE.

Alat1alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah tabung kaca, wadah cetakan besar berbentuk kotak, gegep, alumunium , tanur, alat pemotong, alat kempa panas, alat kempa dingin, alat pencetak dumbel, mikrometer sekrup, alat uji kekuatan tarik dan perpanjangan putus Toyoseiki, alat uji kekerasan Zwick shore A, alat difraksi sinar1x (XRD) Shimadzu, alat mikros