KARAKTERISASI POLIETILEN DENSITAS RENDAH IRADIASI. Kadarijah, Isni Marlijanti, dan Anik Sunarni 111. Pusat Apllikasi Isotop dan Radiasi, BATAN

_ Penelitian don Pengembangan Aplikasi Isotop dan Radiasi, } 998

KARAKTERISASI POLIETILEN DENSITAS RENDAH IRADIASI

Kadarijah, Isni Marlijanti, dan Anik Sunarni 111

lllllllll

ID0000140

Pusat Apllikasi Isotop dan Radiasi, BATAN

ABSTRAK

KARAKTERISASI POLI ETILEN DENSITAS RENDAH (LDPE) IRADIASI Efek dosis rendah ( 10

- 50 kGy ) dari iradiasi gamma pada LDPE berbentuk lembaran dengan ketebalan ~ 1 mm didalam lingkungan udara dan gas nitrogen ( N2) telah dilakukan. Parameter yang diukur adalah perubahan sifat fisik, sifat termal dan pita

scrapan infra rnerah. Sifat fisik diukur menggunakan alat Strograph - Rl Toyoseiki. Sifat termal diukur dengan DSC Du Pont TA 9900 dan kecepalan pemanasan 1 °C/menit, sedangkan absorpsi infra merah dilihat dengan FT-IR Shimadzu. Hasil yang diperoleh adalah tegangan putus naik dengan naiknya dosis iradiasi baik iradiasi dalain lingkungan udara maupun lingkungan nitrogen yaitu dari 139 kg/cm2 menjadi 165kg/cm2 dan 172 kg/cm2 pada dosis iradiasi 25 kGy.

Suhu titik leleh kristalin ( Tm ) LDPE yang tidak diiradiasi adalah 112° C sedangkan setelah iradiasi 50 kGy sedikit menurun sekitar 1°C baik yang diiradiasi dalam lingkungan N2 maupun udara. Sedangkan To (suhu oksidasi) naik

pada lingkungan udara dan yang diiradiasi pada lingkungan N, 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 cnr'

ABSRACT

CHARACTERIZATION OF IRRADIATED LOW DENSITY POLY-ETHYLENE ( LDPE ) Effect

of low doscs ( 10-50 kGy ) gamtna irradiation to ~ 1 tnm 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 Rl Toyoseiki, thermal properties were measured using DSC Due Pont TA 9900 with heating rate 10" C/min and infra red spectruin was observed using FT-IR Shimadzu. Gamnia irradiation caused increasing tensile strength l'rom 139 kg/cm2 up to 165 kg/cm2in air environment and 172 kg/cm2 in nitrogen at

the dose 25 kGy. The crystalin melting teinperature ( Tni ) unirradiated LDPE is 112° C . Gamma irradiation slightly decreased the melting ternperature about ~ 1° 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. Afler irradiated , several peaks absorption of infrared spectrum were shifted, such as absorption band at 715, 731, 1303 and 1377 c m ' .

PENDAHULUAN

Penelitian efek radiasi sinar gamma pada sifat fisika filni kemasan polipropilen dan polictilcn telah dilakukan oleh N. HILMY dkk. (1) dan disimpulkan bahwa sifat fisika fihn kemas polietilen densitas rendah (LDPE) dan polietilen densitas tinggi (HDPE) tidak berubah sampai dosis 50 kGy. Demikian pula sifat fisika beberapa jenis 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 10 kGy sifat fisika kemasan masih tetap.

Untuk melengkapi data yang telah ada, kiranya perlu diteliti lebih lanjut pengaruli iradiasi gainnia pada polietilen, karena penggiuiaan polielilen yang semakin luas, tidak hanya sebagai film pengemas, tetapi juga botol / vvadah obat atau kosmtik, busa, isolasi kabel, komposit, prostase dan lain-lain. Dalani hal ini iradiasi gamma tidak hanya untuk sterilisasi, tetapi juga untuk modifikasi polimer, karena penambahan bahan anti oksidan pada kompon akan mengakibatkan berubahan sifat, terutaina perubahan warna. Jenis polietilen yang ada yaitu polietilen densitas rendah ( LDPE ), polietilen densitas tinggi ( HDPE ),

polietilen densitas sedang ( LLDPE ) dan yang terbaru adalah polietilen berat molekul ultra-tinggi ( UHMWPE ). Dalam penelitian ini yang diteliti LDPE yang akan dilanjutkan dengan polietilen jenis lain. Parameter yang dilakukan adalah perubahan fraksi padatan karena iradiasi, sifat termal, sifat fisika dan absorpsi sinar infra-merah diukur dengan FT-IR (Fourier Transform Infra-Red).

BAHAN DAN METODE

Bahan penelitian. Polietilen densitas rendah (LDPE) yangdigunakanuntukpercobaan berbentukpelet produksi Samsung. Suhu titik leleh LDPE pelet sebelum diproses diukur dengan DSC dengan laju pemanasan 10° C/menit adalah 112° C. Contoh lembaran polietilen dengan tebal ~ 1 mm dibuat dengan meletakkan pelet diantara dua pelat stainless steel pada suhu 130°Cdan tekanan 100 kg/ cm2. Lembaran contoh dipotong berbentuk dumbel sesuai

dengan ASTM no. D-1822L .

Metode. Iradiasi gamma dilakukan pada suhu kamar dengan dosis iradiasi 12,5; 25; dan50kGy dengan laju dosis 10 kGy/jam di dalam iradiator lateks IRKA. Potongan contoh dimasukkan dalam ampul lalu diiradiasi.

Penelitian dan Pengembangan Aplikasi lsotop dan Radiasi, 1998

-Untuk iradiasi dalam lingkungan gas nitrogen , contoh dimasukkan dalam ainpul, udara ditarik dengan poinpa vakum ialu dialiri gas nitrogen. ditarik dengan vakum lagi dan dialiri gas dan diulang beberapa kali, kemudian diiradiasi pada sului kamar . Sifat lermal diukur dengan Differential Scanning Calorimetry ( DSC ) Du Pont TA-9900. Un tuk kalibrasi digunakan Indium. Contoh seberat lebih kurang 2 mg ditempatkan dalam pan aluminium, dipanaskan dengaii kecepatan pemanasan 10° C/menit niulai suhu 40° - 400° C dan dialiri gas N2 / O2. Dari pengukuran

tersbut dapat diketahui suhu titik leleh (Tm) dan 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 1. Perubahan spektrum pita serapan infra merah polietilen kontrol dan yang sudah diiradiasi diamati dengan FT-IR Shimadzu pada panjang gelombang 500 - 4000 cnr'.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Menurut CHAPIRO 1962 (3), CHARLESBY mengatakan bahwa polietilen apabila diiradiasi akan berikatan silang, karena polietilen merupakan polimeryang mudah berikatan silang ( crosslink polymer ). Tetapi pada dosis rendah polietilen yang berikatan silang sedikit sehingga sifat-sifalnya sebagian besar inasih sama seperti poliineryang tidak diiradiasi. Sesudah iradiasi 40 - 50 kGy keatas. polimer baru mulai tidak larut dalam pelarut membentuk gel/padatan yangjumlahnya inakin bertainbah dengan naiknya dosis iradiasi dan reaksi proses pengikatansilang dengan menghasilkan gas H2 dan reaksi

yang sederhana dapat ditulis sebagai berikut: CH2 - CH, - CH2

CH, - CH, - CH,

-> H2 +

CH2 - CH - CH2

-CH2 - CH - CH2

Iradiasi tidak hanya menghasilkan pengikatan silang, tetapi juga peinutusan rantai yang jumlahnya tergantung dosis radiasi dan lingkungan iradiasi (4). Hasil percobaan banyaknya fraksi padatan yang terbentiik dapat dilihat pada Tabel 1. Polietilen yang diiradiasi di udara menghasilkan fraksi padatan yang lebih rendah yaitu 28,9 % bila dibandingkan dengan yang diiradiasi dalain gas nitrogen yaitu 54,7 % pada dosis yang sama 50 kGy. Awal terbentuknya fraksi padatan juga dipengaruhi oleh lingkungan iradiasi seperti dikatakan oleh peneliti terdahulu (3) bahwa awal terfoentuknya fraksi padatan kira-kira pada dosis 13 kGy bila diiradiasi dalam keadaan vakum, dan dosis 31 kGy dibutulikan untuk tcrbentuknya fraksi padatan bila diiradiasi di udara. Turunnya derajat ikatan silang apabila iradiasi dilakukan di udara ini mungkin kecuali karena pengikatan silang, juga terjadi degradasi-oksidasi dan pengikatan silang juga dihambat oleh oksigen karena oksigen merupakan penangkap radikal bebas (free radical scayenger).

Pengujian sifatfisik dilakukan 1 - 2 minggu setelah

dosis iradiasi baik iradiasi di udara maupun dengan adanya gas nitrogen. Tegangan putus polietilen iradiasi dalam gas nitrogen lebih tinggi bila dibandingkan dengan yang diiradiasi di udara. Tegangan putus pada dosis 25 kGy untuk iradiasi di udara 165 kg/cni2 sedangkan iradiasi dalam N2

175 kg/cin2.

Differential Scanning Calorimetry ( DSC ) digunakan untuk melihat pengaruh iradiasi pada suhu titik leleh dan suhu titik oksidasi. Dari hasil pengukuran, suhu titik leleh ( Tm ) pelet LDPE adalah 112°C dan setelah dipres panas pada suhu 130° C juga menunjukkan Tm yang sama 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 111,6°C dapat dilihat pada Gamb.4. Pada dosis 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 dan masih perlu analisa lebih lanjut.

Perubahan yang terjadi pada LDPE karena iradiasi yang sebelumnya sulit dilihat, dengan adanya FT-IR perubahan tersebut dapat diamati (6). Dalam penelitian ini spektrum infra merah diukur dengan FT-IR Shimadzu. Perubahan yang perlu dilihat adalah pita serapan pada panjang gelombang antara 500-2000 cm-1 danspektmm yang diperoleh dapat dilihat pada Gambar 6. Iradiasi gamma menyebabkanadanyabeberapapergeseran pitaserapan dan perubahan intensitas absorpsi. Pita serapan pada daerah 715 dan 731 cnr' adalah daerah CH2 rocking yang sedikit

bergeser pada 713dan727cm'.Pitaserapantersebutjuga menunjukkan adanya rantai metilen yang panjang pada rantai utama (8). Pita serapan pada 1377 cnr' juga mengalami pergeseran dan pita tersebut adalah pita vibrasi asimetris ikatan CH pada CH3 grup . Untuk daerah trans-vinylene (R-CH=CH-R') pada pita serapan 966 cm"1 secara

kwalitatip terlihat bahwa intensitas absorpsi bertambah, ini menunjukkan bahwa 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

Iradiasi gaimna dan lingkungan iradiasi yaitu udara dan gas N2 memberikan perubahan sifat fisik LDPE

Samsung. Dengan naiknya dosis iradiasi tegangan putus naik dan jumlah fraksi padatan juga bertambah. Dengan dosis iradiasi 25 kGy dalam udara, tegangan putus naik dari 139 kg/cm2 menjadi 165 kg/cm2 sedangkan yang

- Penelitian clan Pengembangan Aplikasi Isolop dan Radiasi, 199S

Setelah iradiasi sampai dengan 50 kGy suhu titik leleh turun lebih kurang 1° C baik yang diiradiasi di udara ataupun dalam gas nitrogen, dari 112° C inenjadi 110,6° C. Suhu titik oksidasi cenderung naik apabila diiradiasi di udara dan yang diiradiasi dalain nitrogen membcntuk dua titik puncak. Efek iradiasi pada PE nienyebabkan beberapa pergeseran pita serapan, diantaranya pita serapan pada panjang gelombang 715, 731, 889, 1377 dan 1303 cnv'. Dan naiknya dosis iradiasi intensitas pila serapan trans-vinylene (R-CH=CH-R') kelihatan bertambah sedangkan pita serapan vinylidene pada 889 cnv' menurun.

UCAPAN TERIMAKASIH

Ucapan terimakasih kami sampaikan pada rekan-rekan di Fasilitas Iradiasi yang lelah membantu meradiasi sampel penelitian dan kepada rekan-rekan Kelompok Polimer yang telah membantu terlaksananya penelitian ini.

DAFTAR PUSTAKA

1. N. HILMY, F. SUNDARDI, Efek radiasi sinar gamma pada sifat fisika film polietilen dan polipropilen, Majalah BATAN, XV, 2, 1 (1982).

2. Z.I. PURWANTO, M. MAHA, dan M. UTAMA, Pengaruh iradiasi ganuna pada sifat fisika beberapa jenis kemas bentuk laminasi. II. Polipropilen-polipropilen, polipropilen-polietilen dan poliesler-polielilen, PAIR/T130/1984.

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 gamina 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. WHITTAKER, Radiation degradation oflinear low density polyethylene : Determination of lamellae thickness, crystallinity and crosslinking by solid-sate and DSC, Radiat. Physc. Chem, 39, 2, 209 (1992). 6. M.M. COLEMAN and P.C. PAINTER, Fourier

transform infrared studies of polymeric materials, J. Macr. Sci., Rev. Macr. Chem. C16 (2), 197 (1977

-1978).

7. WALTER J. and CHAPPAS and JOSEPH SILVERMAN, The radiation chemistry of crystallin alkanes, Radian Phys. Chem., 16, 437 (1980). 8. D.L. GERRARD, W.F. MADDAMS and K.P.J.

WILLIAMS, The raman spectra of some branched polyethylenes, Polymer communications 25, 182 (1984).

9. K. WUNSCH and H.J. DALCOLMO, Structure reactivity relationship in radiation induced crosslinking of polyethylene, Radiat. Phys. Chem., 39, 5, 443 (1992).

Tabel 1. Hubungan antara dosis iradiasi dengan fraksi padatan yang (erbentuk

Tabel 2. Pengaruh iradiasi gamma pada suhu titik leleh (Tm) dan suhu titik oksidasi (To) LDPE Samsung

Dosis iradiasi ( k G y ) 0 125 25 50 Fraksi padatan ( Udara 0 0 0,5 28,9 % ) N2 0 1,2 12,4 54,7 Dosis (kGy) 0 25 50 T m ( ' Udara 112 112 111,1

'O

N

:

112 111,6 110,6 Udara 257,7 258 263 To (°C ) N 257,7 48,9 240,1 2 313,2 324,7

Penelitian dan Pengembangan Aplikasi Isolop dan Radiasi, 1998_

N/

|i27 3 mm itwn •*! *

T

1 0 mm

Gambar 1. Ukuran contoh ASTM no.D-1822 L

1

J>

200

3 u H

150

100

A Kontrol

O Udara

D Nitrogen

10

20 30 40

Dosis rsdiasi ( kGy )

Gambar 2. Hubungan antara tegangan putus dan dosis radiasi film LDPE.

-1'enelitUtn Jan l^en^vtnhtmyun Apltkasi Isniop titin HudiuM, l'JW

i

J> 200

•n 150

100

OKontrol

A Udara

DNitrogen

10

_{20 30}

4 0

50

Dosis radiasi ( kGy )

Gambar 3. Hubungan antara yield strength dengan dosis iradiasi film LDPE

• P

o

ta

a

DSC 112. 4O*C 112.21'C 60 «0 100 120 l«0 160

Suhu

Gambar 4. Termogram suhu titik leleh LDPE noniradiasi (a), iradiasi 25 kGy udara (b), iradiasi lingkungan nitrogen (c).

Penelitian dan Pengembangan Aplikasi lsotop dan Radiasi, 1998. —I • 1 «~ r— 10 15 20 .akt'Ji ( rin ) m 1 4 1 2 1 0 - •-4-1 2 -O H c 101. 0 O ' C \fiia 100 * SO'C lio ' 2O0 240. I2'C

A

/ \

I S l . 3«*C }2<. SS'C / \ 28B. 42 "C 24SS.73J/g 300 3&1 4C Suhu ( °C )

Gambar 5. Tennogram Tm dan To LDPE: a. Belum radiasi

_ Penelitian dan Pengembangan Aplikasi Isotop dan Radiasi, 1998

9

o

K

m» «u

Bilangan gelombang ( cir"

1

)

rsn geloabang ( c«f )

»00.0 17M.0 - U M 4 M M ) 1H0.0 US0.0 1000.0 710.0 (00.0

- 1

Bilangan gelombang ( cm" )

Gambar 6. Spektrum pita serapan IR dari LDPE (a), iradiasi dalam Udara 25 kGy (b), iradiasi dalam nitrogen 25 kGy (c).

Penclitian dan f'e/rgembi.itigi.irt Aphkast hotup dctn Racitasi,

DISKUSI

SUDRAJAT ISKANDAR

Dari data hasil penelitian yang ditayangkan Gambar 2, terlihat bahwa kontrol pada dosis 50 kGy tidak benibah, sedang yaiig diiradiasi di udara tegangan putusnya bertambah. Apa perbedaannya, yang kontrol diiradiasi sampai 50 kGy dengan sampel yang diiradiasi di udara ? KADARIJAH

Gainbar 2 hubungan antara tegangan putus dan dosis iradiasi filin LDPE, grafik kontrol hanyalah sebagai pembanding, untuk dapat jelas melihat bahwa dengan iradiasi tegangan putus bertambah dengan naiknya dosis iradiasi.

AMBYAH SULIWARNO

Untuk data FTIR, mohon dijelaskan pengukuran/ data hasil pengukuran dengan FTIR hubungannya dengan

elongation at break, tensile strength dari PE yang diuji,

setelah diiradiasi ? KADARIJAH

Data hasil pengukuran FTIR mungkin secara langsung tidak ada hubungannya dengan tensile strength, tetapi perhitungan secara kuantitatif perubahan derajat kristalinitas terhadap dosis iradiasi gamma telah diteliti oleh WILLIAM, MATSUO, dan DOLE yang menggunakan pita serapan infra merah pada 1080 dan 1303 m-1.