KARAKTERISASI POLIETILEN DENSITAS RENDAH IRADIASI

(1)

Pene/i/ian don 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 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 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 1120 C 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/cm2 in 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 decreased the 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 polietilen densitas sedang (LLDPE) daD yang terbaru

adalah polietilen berat molekul ultra-tinggi ( UHMWPE ).

Oalam penelitian ini yang diteliti LOPE yang akan dilanjutkan dengan polietilen jenis lain. Parameter yang dilakukan adalah perubalmn fraksi padatan karena iradiasi, sifat tennal, sifat fisika daD absorpsi sinar infra-merah diukur dengan FT -IR (Fourier Transfonn Infra-Red ).

BAHAN DAN METODE

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. PURW ANTO dkk.

(2), bahwa dengan dosis iradiasi 10 kGy 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, tetapi juga 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 pacta kompon akan

mengakibatkan beruballan sifat , terutaina perubahan warna.

Jenis polietilen yang acta yaitu polietilen densitas rendah ( LDPE ), polietilen densitas tinggi ( HDPE ),

Bahan penelitian. Polietilen densitas rendah ( LDPE) yang digunakan untuk percobaan berbentuk pelet produksi Samsung. Suhu titik leleh LDPE pelet sebelum diproses diukur dengan DSC dengan laju pelnanasan 100 C/menit adalah 1120 C. Contoh lembaran polietilen dengan tebal -1 lnm dibuat dengan meletakkan pelet diantara dua pelat stainless steel pada suhu 1300 C daD tekanan 100 kg!

cm2 .Lembaran contoh dipotong berbentuk dumbel sesU3.i dengan ASTM no. D-1822L .

Metode. lradiasi gaInma dilakukan pada suhu kamardengan dosis iradiasi 12,5; 25; daD 50 kGy dengan laju dosis 10 kGy/jam di dalam iradiator lateks IRKA.

Potongan contoh dimasukkan dalam ampul lalu diiradiasi.

(2)

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 A- 9900. Un tuk kalibrasi digunakan Indium. Contoh seberat

lebih kurang 2 mg ditempatkan dalam pan aluminium, dipanaskan dengall kecepatan pemanasan 100 Clmenit 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 10 Perubahan 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 geUpadcltan yangjum1a1mya lnakin bertambah dengan naiknya dosis iradiasi daD reaksi proses pengikatansilang dengan menghasi1kan gas H2 daD reaksi yang sederhana dapat ditu1is sebagai berikut :

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. Tegangan putus 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 panas pada 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.

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 daD 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). 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 pacta Gambar 6. Iradiasi gamma menyebabkan adanya beberapa pergeseran pita serapan dan perubahan intensitas absorpsi. Pita serapan pada daerah 715 daD 731 cm-1 adalah daerah CH2 rocking yang sedikit bergeser pacta 713 daD 727 tIll-i. Pita serapan tersebutjuga menunjukkan adanya rantai metilen yang panjang pada rantai utama (8). Pita serapan pacta 1377 cm-1 juga mengalami pergeseran dan pita tersebut adalah pita vibrasi asimetris ikatan CH pacta 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 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).

-CH2-CH-C~- -c~-c~-c~-

~> H2 +

-CH2-CH-C~- -C~-CH2-C~-

KESIMPULAN

1radiasi gaImna 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 N2 dengan dosis sarna 25 kGy, tegangan putus nai menjadi 175 kg/cm2.

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 ).

Penguj iall sifat fisik dilakukan 1 -2 rninggu setelah iradiasi (5) dan dapat dilihat pada Gambar 2 dan 3. Gambar 2 rnenunjukkan bahwa tegangan putus naik dengan naiknya

(3)

Penelillan don Pengembangan Aplikasi Isolop don Rodiasi. 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 110,60 C.

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 sera pan, diantaranya pita serapan pada palljang gelombang 715,731,889, 1377 dan 1303 cm-l.

Dan naiknya dosis iradiasi intensitas pita serapan trans- vinylene ( R-CH=CH-R' ) kelihatan bertambah sedangkan pita serapan vinylidene pada 889 cm-1 menurnn.

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, Radiation degradation oflinear low density polyethylene: Detennination of lamellae thickness, crystalIinity and crosslinking by solid-sate and DSC, Radiat. Physc. Chern, 39,2,209 (1992).

UCAPAN TERIMAKASIH

Ucapan terimakasih kami sampaikan pacta rekan- rekan di Fasilitas Iradiasi yang telah membantu meradiasi sam pel penelitian dan kepada rekan-rekan Kelompok Polimer yang telah membantu terlaksananya penelitian ini.

6. M.M. COLEMAN and P.C. PAINTER, Fourier transfonn infrared studies ofpolyrneric materials, J.

Macr. Sci., Rev. Macr. Chern. C16 (2), 197 (1977- 1978).

7. WALTER J. and CHAPPAS and JOSEPH SIL YERMAN, The radiation chemistry of crystallin alkanes, Radian Phys. Chern., 16,437 (1980).

DAFTARPUSTAKA

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

8. D.L. GERRARD, W.F. MADDAMS and K.P.J.

WILLIAMS, The Taman spectra of some branched polyethylenes, Polymer communications 25, 182

(1984).

2. Z

I.

PURWANTO, M. MAHA, daD M. UTAMA, Pengaruh iradiasi gamlna pacta sifat fisika beberapa jenis kemas bentuk laminasi. II. Polipropilen-

polipropilen, polipropilen-polietilen dan poliester- polietilen, PAIRfTI30/1984.

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 an tara dosis iradiasi dengan fraksi padatan yang terbentltk

Tabel 2. Pengaruh iradiasi gamma pada suhu titik leleh (Tm) daD suhu titik oksidasi (To) LDPE Sarnsung Dosis

iradiasi

( kGy )

Fraksi padat.aIl (%)

Dosis

(kGy)

Udara

_N2

Udara

_Nz

Udara

_N2

0

125 25 50

0

0,5 28,9

0 1,2 12,4 54,7

0 25 50

112 112

111,1

112

111,6 110,6

257,7 258 263

257,7 48,9 240,1

313,2

324,7

(4)

Peno/ilian dan Pengonlbangan Ap/ikas; Jsorop dolI Radias;, /998

-r

_lOmm

-*-

Ukuran contoh ASTM no.D-1822 L Gambar

200

150 -

,..~

e

(,)

~ _"-'

- ~ ₌

Co

~

u f--

100 20 30 40 50

10 Dosis rsdiasi ( kGy )

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

(5)

/"'I1"/;';"nduI1/"'I1,!;"mh""x""'/pltk""'/S""'pd""lIudius;, //)!JII

-

N

~ - fi

t

^~

'Q

U

~

200

150

100 10 20 30 40 50

Oasis radiasi kGy)

Gambar 3. Hubungan antara yield strength dengan dosis 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).

(6)

Pene/ilian dan Pengenlbangan Ap/ikasi ls%p dan Radios;.. /998

~7. 76"C

-~

.~ mi a

",0 zsi1

~1 ;

:c 2OJ

& ! -' IS~~

': ~

; IU~

0. .

~ 1

S J

_ ^r ^J

roo! .

~ ~ .-

D-

'-

-~JC

~

I 5 10 15 m Z5

-'-

\-t .' ~.£ \ 0'- "-; 1

' '.

,

-13C

Gambar 5. Tennogram Tm daD To LDPE:

a. Belum radiasi b. 50 kGy di udara

c. 50 kGy di dalam gas N,

(7)

Pelle/iliall JaIl Pellgemballgan Ap/ikasi IsOIOp JaIl Radiasi, /998

I."

OM

1.1

137-7

I 1 1,

a

~ -

,D

fJ

~~0

~

<

p

11303

,..~

,.-: -

".1

.,

u ~

J

~

^~j\J _\

...~

_.,

.

., I

u ~. --,- ~~ -, I ,-. ."I .,... Ia' .. I

-~==--;. -

889 ,

)\

Bilangan gelombang ( c~-1 )

.~

'-'

~

LW

.c

~0

~

-1,

j

B11anlf8n ~elombanl ( CWl

'_0

7.0

,- -.0

_0 17_0

-LmE-oa.-,

^'501.0 ^1250.0

-1

)

Bl1angan gelombang ( cm

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

(8)

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 pacta dosis 50 kGy tidak berubah, sedang YaJlg diiradiasi di udara tegangan putusnya bertambah. Apa perbedaannya, yang kontrol diiradiasi sampai 50 kGy dengan sampel yang diiradiasi di udara ?

Untuk data FTIR, mohon dijelaskan pengukuran/

data basil pengukuran dengan FTIR hubungannya dengan elongation at break, tensile strength dari PE yang diuji, setelah diiradiasi ?

KAD ARIJ AH

Data basil 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, daD DOLE yang menggunakan pita serapan infra merah pada 1080 daD 1303 m-l.

KARAKTERISASI POLIETILEN DENSITAS RENDAH IRADIASI