RADIASI PENGIKATAN SILANG POLIETILEN UNTUK BAHAN ISO LASI KABEL T AHAN PANAS!

Prosiding Pertemuan

Ilmiah Sains Materi 1996

RADIASI PENGIKATAN SILANG POLIETILEN

UNTUK BAHAN ISO LASI KABEL T AHAN PANAS!

Mirzan T. Razzak2, Wiwik S. SUbOWO3, Sumi Hudiono4,

Gatot Trimulyadi, Anik Sunarni, Isni Marlianti5

ABSTRAK

RADIASI PENGIKATAN SILANG POLIETILEN UNTUK BAHAN ISOLASI KABEL TAHAN PANAS. Telah dilakukan penelitian radiasi pengikatan silang polietilen untuk bahan isolasi kabel. Polietilen densiti rendah (LDPE) berbentuk pelet dicampur dengan berbagai aditif sehingga terbentuk kompon. Pencampuran dilakukan pada temperatur 130 .C dengan menggunakan alat laboplastomil. Kompon yang didapat dijadikan lembaran film setebal 0,2 mm dengan ukuran IS cm x 15 cm dengan menggunakan alat press panas pada temperatur 130.C dan tekanan 150 g/cm2. Film tersebut selanjutnya diiradiasi dalam berbagai dosis dengan mesin berkas elektron OJ-2 berenergi 2 MeV dan kuat arus I mA. Setelah iradiasi, kadar pengikatan silang yang terbentuk dianalisis dan sifat mekanika maupun sifat termal, daTi film LDPE tersebut diukur dengan prosedur standard. Didapatkan bahwa kompon polietilen yang diiradiasi dapat mempunyai kadar pengikatan silang lebih besar daTi 70 % dengan nilai tegangan putus mencapai lebih daTi 280 kg/cm2. Setelah dilakukan pengujian pengusangan (aging test) didapatkan bahwa tegangan putus bertahan lebih daTi 75 % yang berarti menunjukkan bahwa kompon kabel iradiasi tersebut memiliki sifat yang memenuhi syarat untuk digunakan sebagai bahan isolasi kabel tahan panas.

ABSTRACT

RADIATION CROSSLINKING OF LOW DENSITY POLYETHYLENE (LOPE) TO BE USED AS A HEAT RESISTANCE CABLE INSULATION. Radiation incuced crosslinking of low density polyethylene (LDPE) in the presence of different additives has been studied. The LDPE pellet were compounded by different additives using a mixer of laboplastomil at 130.C. The compound was pressed to be a 15 cm x 15 cm film sheet of 0.2 mm thickness by using a hot pressed equipment at temperature of 130.C and pressured of 150 g/cm2. The film sheet was irradiated at different doses by using Electron Beam Machine of GJ-2 where the energy of electron beam was 2 MeV and beam current of 1 mA. After irradiation, the degree of crosslinking, mechanical and physical properties of the film sheet were evaluated. It was found that the degree of crosslinking of higher than 70 % based on gel traction measurement and the tensile strength of around 280 kg/cm2 were achieved. Aging evaluation shows that the tensile strength was remained to be more then 70 %. These results indicate that the irradiated LDPE can be appropriately used as heat resistance cable insulation.

berikatan

sehingga membentuk struktur 3 (tiga)

dimensi yang lebih kuat dan berat molekul yang

iebih besar,

Pembentukan ikatan silang dalam

rantai polimer polietilen dapat dilakukan

dengan

cara kimia maupun cara radiasi, Ada 2

(dua) cara kimia yang paling lazim digunakan

dalam industri kabel yaitu metode vulkanisasi

kontinue (continuous vulcanisation) dan metode

Sioplas [3], Cara lain yaitu menggunakan

radiasi

pengion, Dalam hal ini radiasi pengion yaitu

berkas elektron atau sinar y digunakan untuk

menyinari bahan polimer sedemikian rupa

sehingga terbentuk ikatan silang dalam bahan

polimer tersebut yang memberikan sifat-sifat

fisika/mekanik yang siap digunakan sebagai

bahan isolasi kabel,

Dalam makalah berikut ini dilaporkan

hasil penelitian pembuatan kompon polietilen

yang berikatan silang melalui proses radiasi

berkas elektron membentuk polimer. Kadar

ikatan silang yang terbentuk maupun sistem

mekanika dan sifat fisika dari polietilen tersebut

PENDAHULUAN

Polietilen merupakan salah satu jenis polimer yang d\gunakan untuk bahan isolasi kabel. Selain mudah didapat di pasaran, polimer

ini tergolongmurah, ringan, tahan bahan kimia mampu tahan kelembaban clan yang paling penting adalah mempunyai sifat isolasi listrik yang baik [I].

Sejalan dengan perkembangan

tekno-logi, penggunaan kabel tidak hanya untuk keperluan jaringan listrik di perusahaan, tetapi juga digunakan dalarn telekomunikasi, automobil clan industri elektronika. Penggunaan tersebut membutuhkan jenis kabel tertentu dengan spesifikasi tertentu diantaranya diperlukan kabel yang tahan panas clan bahkan juga tahan tegangan tinggi [2].

Untuk maksud tersebut polietilen yang digunakan sebagai bahan isolasi kabel diproses sedemikian rupa sehingga memiliki struktur molekul yang berikatan silang artinya rantai polimer yang mulanya linear dibuat saling I Dipresentasikan pada Seminar Ilmiah PPSM 1996 2 Pusat Pengkajian Teknologi Nuklir (PPkTN-BATAN) 3 Pusat Penelitian Fisika Terapan -LIPI

4 Fakultas Matematika clan Ilmu Pengetahuan Alam -VI S Pusat Aplikasi Isotop dan Radiasi (PAIR-BA TAN)

diamati secara seksama, demikian pula

pengaruh

senyawa anti oksidan dan bahan aditif

lain, terhadap

sifat mekanik maupun fisikanya.

ekstraktor, ditimbang sampai berat tetap (We).

Fraksi gel dihitung menurut persamaan

berikut :

W. -Wk

WI -Wk

G=

x 100(%)

CARA KERJA

Bahan

Polietilen densitas rendah atau low

density polyethylene (LDPE) produk Polandia

(Malene EPFS 4020) berbentuk pellet. Carbon

black powder produk Union Carbide (UC) dan

produk BASF (Germany). Tiga (3) macam Anti

Oksidant yaitu Santowhite produk Musanto

Co., Irganox 1010 (4,4 butyleretris 6 tert. butyl

m-erasol) dan Irganox 1076

(pentacythrytol-ester dari 3,5 detetra-butyl hydroy phenol

propionic), keduanya produk Ciba Geigy.

Bahan kimia lain digunakan langsung tanpa

pemurnian lebih lanjut.

Tegangan

putus dan mulur putus.

Pengukuran tegangan putus (TD) daD mulur putus (ED) dengan menggunakan alat Strograph-Ri buatan Toyoseiki pada temperatur ruang sesuai dengan standar ASTM 1721-91 W

[4)

Aging testlUji pengusangan

Sampel dimasukkan ke dalam oven

pada temperatur tetap 121°C selama 168 jam,

kemudian didinginkan sampai temperatur

kamar

untuk selanjutnya

diukur tegangan

putusnya.

Sifat lerma/.

Sarnpel 10 mg dirnasukkan dalam sam pel holder alat DT A buatan Shimadzu model DT 300 dengan kecepatan pemanasan 10oC/menit daD kecepatan aliran gas N2 sebesar 30 ml/menit.

Pembuatan

Sampel

Pelet LOPE sebanyak 40 gram

ditambah dengan carbon black powder clan ditambah dengan anti oksidan, dicampur homogen di dalam alat laboplastomil pada temperatur 130°C selama 10 menit dengan kecepatan putaran sekitar 60 rpm (rotasi permenit).

Campuran homogen tersebut dibuat menjadi lembar film (sheet) berukuran 15 cm x 15 cm clan tebal 0.20 mm dengan menggunakan alat press panas (130°C) dengan tekanan 199 kg/cm2 selama 3 men it, clan alat press dingin selama 2 men it, kemudian dicelup kedalam air

dengan teknik pendinginan segera (quenching

technique).

Sifat listrik

Sifat listrik dipelajari dengan mengukur konstanta dielektrik mengugunakan alat Rheolograph solid (Toyoseiki) [4].

BASIL DAN PEMBABASAN

Fraksi gel merupakan ukuran indikasi terbentuknya ikatan silang dalam molekul polimer. Pada umumnya bertambah besar persentasi fraksi gel berarti bertambah besar ikatan silang yang terjadi dalam polimer LOPE.

Pada gambar I ditunjukkan bahwa fraksi gel meningkat dengan kenaikan dosis radiasi. Adanya kandungan anti oksidan dalam LOPE temyata meningkatkan kadar ikatan silang atau fraksi gel, kecuali anti oksidan, Santowhite. Antioksidan Irganox 1076 menghasilkan fraksi gel yang lebih besar dibanding dengan LOPE mumi. Hal ini menunjukkan bahwa Santowhite cenderung menghambat terbentuknya ikatan silang

sedangkan Irganox

1076

merangsang

pembentukan ikatan silang. Oalam laporan Vokal dkk (5), disebutkan bahwa berbagai antioksidan seperti tlektol H, Irganox 515 daD

Irganox 1024 temyata menghambat

pembentukkan ikatan silang. Menurut

lradiasi

Lembar film berukuran 15 x 15 cm x 0,15 cm diiradiasi dengan berkas elektron dari mesin berkas elektron GJ-2 pad a energi2 MeV clan kuat arus I mA. Laju dosis pada posisi iradiasi diukur dengan dosimeter Celulosa Tri Asetat (CTA) film. Dosis iradiasi bervariasi dari 0 -300 kGy.

Fraks; Gel

Sampel :t 0,5 gram dimasukkan

dalam

bungkus kasa kawat, ditimbang (Wt),

sebelumnya kawat kasa kawat itu ditimbang

(Wk). Sampel tersebut diekstraksi dengan

pelarut Xylene menggunakan soklet pada

temperatur 157°C, selama 24 jam. Setelah

ekstraksi, bungkus kasa tersebut dicuci dengan

lebih kompatibel dengan LDPE. Diperkirakan anti oksidan tersebut lebih banyak masuk ke dalam rasa kristalin, sehingga rasa Amorphous dari LDPE tidak begitu terganggu untuk membentuk ikatan silang. Hal ini sesuai pula dengan perkiraan dan temuan L VaNS (6) ketika beberapa jenis anti oksidan phosphite digunakan pada radiasi pengikatan silang

LDPE.

dibandingkan dengan LDPE mumi maupun yang mengandung Santowhite. Pada dosis radiasi 200 kGy, harga tegangan putus (Ts) sebesar 286 kg/cm2 dapat dicapai oleh kompon

LDPE yang mengandung IRGANOX 1076.

Harga tegangan ini melebihi harga Ts standar minimal yang diperlukan atau disyaratkan ASTM (7) sebagai bahan isolasi kabel yaitu hanya sebesar 127 kg/cm2.

Pengaruh anti

oksidan

dalam

pembentukan

ikatan silang tidak hanya

ditunjukkan oleh jenis anti oksidan, tetapi juga

] 00.

ditunjukkan oleh kadar kandungan antioksidan

itu dalam LDPE. Seperti dapat dilihat pada

Gambar 2., bertambah besar konsentrasi

75

Irganox 1076 dalam LOPE maka bertambah

kecil fraksi gel yang didapat, atau dengan kata

lain bertambah sedikit terjadinya ikatan silang.

50'

Hal ini berlaku untuk semua kondisi dosis '"*

iradiasi(100-300kGy).

':::; 25.

Kandungan 0.2 % Irganox 1076 dalam ~

LOPE menghasilkan fraksi gel tertinggi (lebih.§

I

dari 70 %) dibanding dengan konsentrasi e

0

antioksidan

yang lain.

~

(8) 0,2 ppm [8] 0,5 ppm 0 1,00 ppm

,..

200 300 100 Konsentrasi Irganox 1076 100

Gb.2.

Perbandingan konsentrasi antioksidan Irganox 1076 pacta pembentukan fraksi gel.

--~

'-"

Q)

co

:§

~

75 ] J I 50 (8) LOPE + IRGANOX 1076 [BJ LOPE + IRGANOX 1010 0 LOPE .LOPE + SANTOWHrrE 25 ;1' 300

0

100 200 300

Gb.

(8) WPE + IRGANOX 1076 [8] WPE 0 LOPE + SANTOWHITE "s 2001

Dosis(kGy)

i

I

Hubungan dosis iradiasi dengan fraksi ~

gel dari LOPE iradiasi yang

mengan-dung antioksidan.

Kadar antioksidan Irganox 1076,

Irganox 1010 daD Irganox Santowhite

masing-masing

0,2 %.

0 _{100 200} 300

Dosis (kGy)

Hasil pengukuran tegangan putus (To) dari kompon LOPE yang mengandung 0,2 % Santowhite ditunjukkan oleh Gambar 3.

Tegangan putus kompon LOPE yang

mengandung IRGANOX 1076 adalah superior

Gb.3. Hubungan

To dengan

dosis radiasi untuk

LDPE iradiasi yang mengandung anti

oksidan Irganox 1076 clan Santowhite.

Kadar antioksidan

masing-masing

0,2%.

yang digunakan yaitu Union Carbide (UC) clan BASF dengan kadar masing-masing 8%, temyata harga tegangan putus untuk jenis UC adalah lebih tinggi dibandingkan dengan BASF. Hal ini diperkirakan karena "Carbon Black"

jenis UC memang lebih halus clan

pencampurannya dalam LDPE terlihat lebih homogen clan merata secara visual. Pengamatan berdasarkan pengukuran spektrum inframerah menunjukkan bahwa penggunaan Carbon Black UC memang homogen (8). Sifat termal LDPE iradiasi dipelajari dengan pengukuran temperatur leleh (Tm) clan temperatur dekomposisinya (Td) menggunakan alat "Diferensial Thermal Analysis" (DT A).

Sebagaimana ditampilkan oleh Gambar 3. tanpa iradiasi LOPE mumi mempunyai tegangan putus sebesar 109 kgicm2. Bila LOPE mumi diiradiasi dengan qosis 100 kGy, harga TB mencapai 144 kgicm2. Jadi sesungguhnya tanpa antioksidan pun, LOPE iradiasi telah

memenuhi syarat untuk digunakan sebagai bahan isolasi kabel ditinjau dari segi sifat mekaniknya. Akan tetapi ditinjau dari sifat fisikanya, khususnya sifat tahan panas temyata LOPE memerlukan bahan tambahan (aditit) berupa antioksidan agar tidak mudah lapuk. Hasil uji pengusangan (aging test) ditampilkan pada Tabel 1. Sebagaimana ditampilkan pada Tabel I., harga TB sebelum pengusangan pada dosis 0 kGy (tanpa iradiasi) adalah 109 kgicm2, tetapi sesudah pengusang-an harga TB menjadi nolo

,

.

_,

100 '

.

.

I . .

500 .

. .

.

'00 ;

.

_.

Tabel

Tegangan

putus To LDPE iradiasi yang

mengandung antioksidan 0,2

%

Irganox 1076 sebelum dan sesudah

pengusangan.

T

..

_..

_.

: '00

.

, I

.

_.

100

.

.

I

.

~ 2 0 100 200 ~oo .00 600 0..1. I,.dl.., ( kOr I

Gr.mber ~. Hubungen en tara do's!s Iradlasl

dengan togengan putua & perpAn!a(1gan

putUI.

Pacta Tabel 2., ditunjukan salah satu bentuk harga Tm daD Td dari LDPE iradiasi yang

mengandung 8 % Carbon Black daD 0,2 %

antioksidan Santowhite.

Temyata temperatur leleh (Tm)

cenderung sedikit menurun dengan kenaikan

dosis radiasi. Hal ini mungkin dapat diterangkan

bahwa penurunan terse

but akibat lebih

menonjolnya pengaruh dekstruksi kristal dibandingkan pengaruh pembentukan ikatan silang. Akan tetapi dilain pihak temperatur dekomposisi (Td) sedikit naik dengan kenaikan dosis radiasi. Dalam hal ini dapat dikatakan adanya pengaruh ikatan silang yang terbentuk. Dosis Radiasi (kGy)

100 1200 1300

To

Sebelum

---pen~sangan

(kg/c~1

0

109 249

286

280

252

TB

Sesud~-pengusangan

~g/cm1

0

232

Tabel 2. Analisis termal LDPE + 8% carbon

black + 0,2% antioksidan

Santowhite.

Dosis Iradlasi(kGY)

Sifat

Termal 0 100

300

0

Tm ( C)

110,3

109,2

105,6

pernikian pula LDPE iradiasi dengan dosis 100 kGy, temyata rneskipun sebelurn pengusangan rnernpunyai harga Tn 249 kg/crn2, narnun setelah uji pengusangan didapatkan harga TB sarna dengan nolo Hal ini rnenunjukkan bahwa dosis iradiasi 100 kGy tidak cukup layak untuk rnernbentuk sifat fisika bagi bahan LDPE untuk bahan isolasi kabel. Akan tetapi berbeda halnya jika LDPE iradiasi dilakukan pacta dosis 200 atau 300 kGy. Temyata harga Tn sesudah pengusangan bertahan sampai 252 kg/crn2 pacta dosis 300 kGy. Artinya harga TB tetap dipunyai

oleh LDPE iradiasi, meskipun sedikit berkurang yaitu :!: 75 % daTi awalnya (sebelum uji

2

pengusangan) sebesar 280 kgicm .

Pacta Gb. 4 ditunjukan pengaruh penambahan "Carbon Black" terhadap sifat rnekanik (TB, En) daTi LDPE iradiasi. Sebagairnana dapat dilihat pada Gb. 4.,

tegangan putus rneningkat dengan kenaikan

dosis radiasi, sedangkan perpanjangan putus

Sifat listrik dari LOPE iradiasi idipelajari dengan melakukan pengukuran konstanta dielektrik. Sebagaimana telah dilaporkan oleh Nenen Rusnaeni dkk [4], konstanta dielektrik riil bertambah besar

sebanding dengan pertumbuhan konsentrasi

"Carbon Black". Akan tetapi kenaikan konstanta dielektrik tidak begitu besar dengan kenaikan dosis iradiasi. Pada Tabel 3.,

ditunjukan harga konstanta dielektrik riil Bl r(o» dan faktor disipasi (tan 0) yang berkaitan dengan power factor (PF). Pada hakekatnya semakin tinggi harga tan 0 maka

semakin rendah ketahanannya terhadap

tegangan listrik.

UCAPAN TERIMA KASIH

Para penulis mengucapkan terima

kasih kepada Dewan Riset Nasional yang

melalui program Riset Unggulan Terpadu

(RUT I) telah membiayai penelitian ini.

DAFTARPUSTAKA

I. ANTHONY

K. K. PODALSAK AND

CARLOS TIN, A review of Wire and Cable

Heating Extrusion Prosess,

Dept. of Chern.

Engineering, Monash University, Clayton,

Yictoria 3168, Australia, Morcel Dekter

1988.

2. Y AMAMA TO S. Crosslingking of Wire

and Cable With Electron Beam, Proceeding

of the workshop on the Utilization of

Electron Beam (Ed. Sueo Machi), Japan

Atomic Energy Research Institute, Nov.

1990.60-77.

.BERNET J.r. Application of Radiation to

Industrial Wire and Cable, Radiation Phys.

Chern. 14.3-4-1989.

.NENEN

RUSNAENI,

WIWIK

S.

SUBOWO, RACHMA T SA TOTO DAN

MIRZAN T. RAZZAK, Sifat listrik

kompon LDPE yang diiradiasi berkas

elektron untuk bahan isolasi kabel,

Prosiding Simposium Nasional Himpunan

Polimer Indonesia 1995,

92-96.

.YOKAL,

P. CERNOCH, K. YOCEK, I.

KLIER, Low Density Polyethyylene Wire

Insulation Crosslinked by

Ionizing

Radiation, 6th Symp. on Radiation

Chemistry, 1986,671-675.

.LYONS; US. PATENT.4.036.729,

1977.

, .ANONYMO,

Annual Book of ASTM

Standard, ASTM Studying D 2655-83.,

American Society of Testing and Materials,

Philadelphia,

1984.

.MIRZAN T. RAZZAK, Modifikasi Polimer

untuk Bahan Isolasi Kabel Tahan Panas

dari Listrik Tegangan Tinggi. Laporan

RUTI.2, 31

Agustus 1995, (tidak

dipublikasi).

ODA, K. UENO, TADA AND SUZUKI S.

Irradiated Crosslinked Wire, Radiat. Phys.

Chern. 1990,35,3.

Tabel 3. Harga konstanta dielektrik f;' "r(ro} faktor disipasi (tan 8) dari LOPE radiasi. 3

Dosis

(kGy)

tan 0 e" r(ro) 4 0

]00

200

300

3.096

2.633 2.840 3.064

8.2.£-0.3

6.2.£-0.3

2.5.£-0.3

6.9.£-0.3

5

Berdasarkan hasil yang didapat dari percobaan ini, maka kabel yang diiradiasi pada dosis 100-300 kGy adalah memenuhi syarat unruk digunakan sebagai bahan isolasi kabel tegangan tinggi. Hal ini didasarkan pada ketentuan ASTM D.2656-89 yang menyebut-kan bahwa bahan polimer dengan harga 1;1 r(ro) maksimum 3.5 clan tan 0 sekitar 0,02 dapat digunakan sebagai isolasi kabel tegangan tinggi -35 KV (9).

6

.,

8

KESIMPULAN

Radiasi pengikatan silang LDPE dengan radiasi elektron energi tinggi (2 MeV) telah dilakukan. Kompon LDPE yang mengan-dung antioksidan IRGANOX 1076 ataupun Santowhite dan "Carbon Black" ternyata dapat digunakan sebagai bahan isolasi kabel yang tahan panas. Hasil uji sifat listrik juga memberi indikasi bahwa kompon LOPE tersebut mempunyai sifat yang tahan terhadap tegangan listrik tinggi (- 35 KV).

9