Prosiding Perlemuan Ilmiah Sains Materi IIISerpong, 20 -21 Oktober 1998 ISSN 1410-2897

IDENTIFIKASI EFEK IRRADIASI BERKAS ELEKTRONPADA POLIETILENA (LLDPE, LDPE DAN HDPE)

rn DENGAN SPEKTROSKOPI INFRA MERAH

.3(;;,

~ r) Sudirmanl, Rukihatil, Tri Daawintol, Anik Sunarni2, Isni Marlijanti2

I Pusat Penelitian Sains Materi -BATANKawasan Puspiptek, Serpong 153142 Pusat Aplikasi Isotop Radiasi -BATANPasar Jum'at, Cinere

ABSTRAK

IDENTIFIKASI EFEKIRRADIASI BERKAS ELEKTRON PADA POLIETILENA (LLDPE, LDPE DAN HDPE)DENGAN SPEKTROSKOPIINFRA MERAH. Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui pengaruh irradiasi berkas elektronterhadap struktur molekul polimer polietilena (LLDPE, LDPE dan lillPE). Struktur molekul diidentifikasi melalui infra merahspektroskopi, fraksi gel dan persen swelling. lradiasi berkas elektron pada dosis 50, 100, 150 dan 200 kGy dengan eskalasi pada25 kCry/pass. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa iradiasi berkas elektron menyebabkan terjadinya ikatan silang padaLDPE. LLDPE dan lillPE. Terjadinya lkatan silang ditunjukkan dengan analisis fraksi gel, persen swelling dan spektrum FT-JR. Fraksi gel yang diperoleh menunjukkan peningkatan sesuai dengan dosis yang digunakan, sedangkan persen swelling mengalamisebaliknya- Analisis spektrum FT-JR didasarkan pada perubahan gugus fungsi:f: 1718 cm-1 (v C=O dari senyawa keton), :f: 1378cm-1 (0 CHJ dari senyawa R-CHJ yang mengalami peningkatan absorbansi. ~edangkan bilangan gelombang yang mengalamipenurunan akibat iradiasi berkas elektron ditunjukkan pada:f: 1742 cm'! (v C=O dari senyawa aldehide). :f: 1642 cm-1 (v C=Cdari senyawa R-CH=C~). :f: 1363 cm-! dan :f: 1353 cm-! (0 C~). Besamya ikatan silang yang terbentuk sesuai dengan dosisberkas elektron yang digunakan.

ABSTRACT

IDENTIFICATION OF ELECTRON BEAM IRRADIATION EFFECT ON POLYETHYLENE (LLDPE, LOPEDAN HOPE) BY INFRA RED SPECTROSCOPY. Research has been done to investigate the effect of beam electronirradiation on the molecule structure of polyethylene. The studies were the infra red spectroscopy for identification of themolecule structure, gel fraction and persen swelling. Doses of 50, 100, 150 and 200 kGy with eskalation 25 kGy were usedfor the beam electron irradiation. The results obtained suggested that increasing eskalation of doses and doses of electronbeam irradiation on LDPE, LLDPE and HDPE cause crosslinking. The gel fraction, swelling procent and FT -IR spectrumanalyses showed that the crosslin king occurred. The gel fraction the increased while swelling procent decreased with increas-ing of dose. FT -IR spectrum analyses based on the increasing of absorbance of :!: 1718 cm'l (v c=o from alkanon compound),:!: 1378 cm,1 (8 CH] from R-CH] compound), while the absorbance in :!: 1742 cm-1 (v c=o form aldehide compovnd),:!: 1642 cm-1 (v C=C form R-CH=CH2 compound), :!: 1363 cm-1 and:!: 1353 cm-1 (8 C~) decreased after electron beamirradiation The value of the crosslin king process as doses of the electron beam irradiation were increased.

KEYWORD:Polietilena. iradiasi berkas elektron. spektroskopi IR

PENDAHULUAN elektron dengan energi 2 Me V) dapat mengakibatkanterjadinya ikatan silang daD degradasi (1,2). Daripengamatan spektrum infra merah pada ikatan-ikatanpolietilena yang khas dapat diketahui kedua keadaan(ikatan silang daD degradasi) yang terjadi denganintensitas absorbansinya (3]. Hal ini juga didukungdengan harga fraksi gel daD persen swelling, bilaterjadi ikatan silang, digambarkan dengan kenaikanfraksi gel daD penurunan harga persen swellingnya,untuk degradasi akan mengaiami sebaiiknya.

LOPE mempunyai struktur molekul den,ganbanyak cabang yang panjang daD yang pendek,sedangkan LLDPE mempunyai banyak cabang yangpendek. Pada HOPE mempunyai struktur molekuldengan hanya beberapa cabang. Terjadinya prosesikatan silang daD degradasi akibat iradiasi terjadihanya pada rasa amort (4]. Dengan perbedaan strukturmolekul daTi ketiga jenis polietilena tersebut diatas

Polimer sintetis polietilen dalam peranannyasebagai produk yang dapat memenuhi keperluan hidupmanusia. selalu terjadi interaksi dengan faktorlingkungan. seperti : cuaca. kelembaban, pemanasan,radiasi ultra violet, radiasi neutron, radiasi sinargamma, radiasi berkas elektron daD sebagainya. Akibatinteraksi langsung dengan faktor lingkungan tersebutdiatas, memungkinkan terjadinya perubahan strukturmolekul sehingga mengurangi daya tahan polimertersebut. Oleh sebab itu lingkup pemilihan danpenggunaan bahan polimer harus mempunyai per-syaratan tertentu sesuai dengan peranannya sebagaiproduk untuk memenuhi keperluan hidup manusia.

Dalam penelitian daD pengembangan nuklir

seringkali polimer polietilena banyak digunakansebagai kapsul irradiasi dalam reaktor nuklir. lnteraksi

polimer polieitlena dengan energi tinggi (berkas

Sudirman dkk. 335

Prosiding Pertemuan Ilmiah ..Vains Materi III..Verpong, 20 -21 Oktoher 1998 ISSN1410-2897

terrekam dalam kertas berskala berupa aluran kurva

panjang gelombang terhadap intensitas. Kondisi alatmeliputi: Temperatur alat = :I: 20 °C. Kecepatankertas = 20 mm/menit. Waktu rekam = 4 menit.

Penentuan Fraksi Gel : Sampel dalam bentuk filmdimasukkan pacta kasa dan ditimbang (We), sebelumnyaberat kasa ditimbang (Wk). Kasa baja yang berisikansampel diekstraksi dengan pelarut xylena (pelarut yangcocok dengan sam pel daD dapat melarutkan)menggunakan soxlet pacta temperatur 157 °C selama 24jam. Setelah diekstraksi, kasa tersebut dicuci denganaseton, dikeringkan dalam oven vakum 70 °C selama 1jam, kemudian dimasukkan ke dalam eksikator danditimbang sampai berat tetap (Wt). Fraksi gel (G dalampersen) dapat ditentukan sesuai persamaan di bawahini:

maka kemungkinan perngaruh iradiasi berkas elektronakan berlainan.

Pada penelitian ini dilakukan iradiasi terhadappolimer polietilena (LLOPE, LOPE daD HOPE) daDdiharapkan diperoleh gambaran ten tang pengaruhiradiasi berkas elektron terhadap perubahan strukturmolekul ketiga jenis polieitlena. lradiasi berkaselektron dilakukan pada dosis 50, 100, 150 daD 200kGy dengan eskalasi 25 daD 50 kGy/Pass. ldentifikasi(LLOPE,LOPE daD HOPE) dilakukan dengan anaiisisdaD mengamati fraksi gel, persen .,"welling daDperubailan gugus fungsi pada spektra infra merah. Hilaterjadi ikatan silang akibat radiasi ditunjukkan denganpeningkatan harga fraksi gel, penurunanpersen swell-ing dan analisis perubahan gugus fungsi ~ 1718 cm-1(v C=O dari senyawa keton), ~ 1378 cm-1 (8 CH3 dari

senyawa R-CH3) yang mengalami peningkatanabsorbansi. Sedangkan bilangan gelombang yangmengalami penurunan akibat iradiasi berkas elektronditunjukkan pada ~ 1742 cm-1 (v C=O darisenyawa aldehide), ~ 1642 cm-1 (v C=C dari senyawaR-CH=CHz>, ~ 1363 cm-1 daD ~ 1353 cm-1 (8 CHz>.

G(%)= ~xl 0w.-~

Penentuan Persen Swelling: Sampel dari basilpengukuran fraksi gel digunakan untuk menentukanpersen swelling, dengan tara sampel ditimbang untukmengetahui beratnya (Wb), selanjutnya direndarndalam pelarut xylena selama 48 jam pacta temperaturkarnar (:I:: 25 .C). Kemudian sam pel diangkat daDdikeringkan deng~n kertas tisue kemudian ditimbanguntuk mengetahui beratnya (Wa). Persen swellingdapat ditentukan sesuai dengan persamaan di bawah1lll

METODOLOGI

Bahan

Bahan polietilena yang digunakan pacta pene-litian ini terdiri dari LLDPE Nippon Unicar, LDPE : Po-landMalen dan HDPE: Daelim Poly TR 144-110041R.

Ketiga jenis polietilena (LLDPE, LDPE DanHDPE) daIarn bentuk butiran, dibuat menjadi film dengancara melelellkan bahan polietilena tersebut sambilditekan dengan tekanan 150 Kg/cm2 kemudiandidinginkan. sehingga menjadi film berbentuk persegiempat. Mesin tekan panas (hot press) yang digunakanmerek Toyoseiki pacta Laboratorium Proses Radiasi -PAIR. BATAN. Selanjutnya film polietilena dilakukaniradiasi berkas elektron pacta dosis 50, 100, 150 dan 200kGy dengan eskalasi (Iaju dosis) 25 kGy/pass dengankondisi pre..,ent °x:ygen. Mesin berkas elektron yangdigunakan mempunyai energi 2 MeV. kuat arus 10 mAdan jenis GJ2. buatan Cluna.

~~

WbS(%) =

xlOO

BASIL DAN PEMBABASAN

Fraksi gel menggambarkan ikatan silang yangterbentuk akibat iradiasi berkas elektron terhadappolietilena. Hasil penentuan fraksi gel ditunjukan pactaTabel 1. Sedangkan persen swelling menggambarkan

Tabel Fraksi gel polimer polietilena (LLOPE,LOPE dan HOPE) setelah diiradiasiberka.-; elektron dengan eskalsi dosis 25 kay/pass.

Metlxla

Identifikasi sampel polimer meliputi penentuanfraksi gel. persen swelling daD struktur molekuldilakukan dengan spektroskopi infra merah.

Spektroskopi Infra Merah : Peralatan yangdigunakan adalah Spektrofotometer FT -IR merkShimadzu 8101/8101 N pada Laboratoium ProsesRadiasi -PAIR. BATAN. Sampel polimer berbentukfilm dengan ketebalan 100 mikrometer. dijepit padatempat sampel yang berlubang selanjutnya diletakkanpada alat dibagian ke arab sinar infra merah. Sete.iahsiap segalanya, mesin dihidupkan. Hasilnya akan

proses mengembangnya polimer polietilena akibatpelarut masuk ke dalam molekul polimer, sehingga hilaikatan silang yang terbentuk semakin banyak makapersen swelling akan makin kecil karena pelarut tidakdapat melarutkan atau masuk ke dalam molekul polimerpolietilena. Hasil penentuan persen swelling ditunjukkan

Sudirman dkk.336

Prosiding Pertemuan Ilmiah ..Vains Materi //1..Verpong, 20 -21 Oktober 1998 ISSN 1410-2897

pada Tabel 2.

Tabel 2. Persen swelling polimer polietilen (LLOPE,LOPE dan HDPE) setelah diiradiasi berkaselektron dengan eskalasi 2S kay/pass

daD Gambar I). Sedangkan harga persen swelling akansemakin kecil dengan bertambahnya ikatan silang yangterbentuk (lihat Tabel 2).

Hasil pengamatan daTi fraksi gel daD persenswelling seperti tersebut diatas didukung dengan nasilpengamatan dari spektrum Ff -IR yang diperoleh. Darispektrum Ff -IR yang diperoleh, dapat membedakanpolietilena jenis HDPE, LDPE daD LLDPE (sepertiterlihat pada Gambar 2). Polietilena jenis HDPE

ditunjukkan dengan duplet pada bilangan gelombang719,4 cm-1 daD 729,0 cm-1 sedangkan LDPE hanya

mempunyai puncak tunggal (singlet) pada bilangangelombang 729,0 cm-l. Untuk polietilenajenis LLDPE

ditunjukan dengan triplet pada bilangan gelombangsekitar700 cm-l.

Pada HDPE kemungkinan membentuk ikatansilang terbuka baik pada rantai cabang maupun rantaiutamanya sehingga HDPE mempunyai harga fraksi gellebih besar dibandingkan dengan LLDPE dan LDPEuntuk dosis yang sarna. Bila dosis dinaikkan makakemungkinan terbentuk radikal makin besar danradikal yang dihasilkan juga semakin banyak sehinggakemungkinan terjadinya ikatan silang pada HDPE jugasemakin terbuka dan banyak, oleh schab itu harga fraksigel semakin besar dengan peningkatan dosis yangdigunakan (lihat Tabell dan Gambar 1). Karena semakinbanyak terbentuknya ikatan silang maka persen swell-ing akan semakin kecil (lihat Tabel 2).

A

'<::::~~L~\011 ~~

8

Gamhar I. Struktur molekul dari polietilena jenis. A.LDPE. B. HDPE daD C. I~LDPE

II~.--~--Ir:' tPada LLDPE dan LDPE, untuk dosis yang rendah

menunjukkan fraksi gel LDPE lebih tinggi dibandingkandengan LLDPE, hal ini dikarenakan ikatan silang yangterbentuk berasal dari rantai cabang daD rantai utamasehingga harga fraksi gel LDPE lebih besardibandingkan dengan LLDPE. Tetapi bila dosis mdiasiditingkatkan maka LLDPE akan memlXlnyai Iwga frnksigel lebih besar dibandingkan dengan LDPE. hat inidikarenakan adanya steric effect (steric hindrance).Dimana steric effct LDPE jauh lebih besar dibandingkandengan LLDPE sehingga kemungkinan teljadinya ikatansilang lebih besar LLDPE daripada LDPE. Hal ini dapatdilihat dari bentuk struktur molekul LDPE dan LLDPE..Bila dosis dinaikan maka kemungkinan terlJentuk radika1semakin besar sehingga jumlah radikal semakin banyak.maka harga fraksi gel juga semakin besar karena ikatansilang yang terbentuk semakin banyak. (Iihat Tabel I

-,-'_A

Gambar 2. Spektrum FT -IR polietilena dari jenis. A.,OPE, B.LLOPE dan C. HOPE

Efek radiasi berkas elektron pada polimerpolieitlena baik jenis LLDPE, LDPE dan HDPE dapatditunjukkan dengan perubahan ikatan kimia padabilangan gelombang (cm-l) dari spektrum FT-IR yaitupada :i: 1718 cm-1 (v C=O daTi senyawa keton), :i: 1378cm-1 (8 ~ dari senyawa R-C~. AkI"bat iradiasi berkaselektron ~da polietilena (ILDPE, WPE dan HDPE) akanmengalami peningkatan absorbansi. Sedangkan ikatankimia pada bilangan gelombang yang mengalamipenurunan akibat iradiasi berkas elektronditunjukkan pada:i: 1742 cm.1 (v C=O daTi senyawaaldehide), :i: 1642 cm-1 (v C=C daTi senyawa R-

Sudirman dkk. 337

Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi IIISerpong, 20 -21 Oktoher 1998 ISSN1410-2897

dapat mengidentifikasi terjadinya degradasi dan ikatansilang akibat iradiasi berkas elektron dan dapatdinyatakan bahwa setelah dilakukan irradiasi berkaselektron terhadap ketiga jenis polimer poli-etilena(LLDPE, LDPE dan HDPE) mengalami ikatan silang.Hasil pengukuran Ff -IR dari polietilena jenis HDPEakibat iradiasi berkas elektron dengan berbagai dosisditunjukan pada gambar 3 dan Tabel 3. Gambar 4 dan

CH=CHJ, :i: 1363 cm-) daD :i: 1353 cm-) (8 C~).Besarnya intensitas bilangan gelombang tersebut diatasmengalami peningkatan daD penumnan sesuai denganbesarnya peningkatan dosis yang digunakan, hal inimenunjukkan bahwa dosis iradiasi berkas elektron yangdigunakan mempengamhi efek yang diakibatkannya,sesuai dengan dosis yang digunakan.

Dati gambar spektImn infra merah yang diperoleh

o.

Gambar 4. Spektrum FT -IR daTi LDPE dengan berbagaidosis radiasi berkas elektron. A 200

kGy, B.ISO kGy. C. lOO kGy, D. SO kGy dan E.

B.

Tabel 3. Panjang gelombang FT -IR Polietilena jenis HOPE berbagai dosis iradiasi berkas

:; lntensitas0 50 kGy 200 kGy

I kGv kGyGugus Fungslanal

92,59~~62,88~

3,49

91:-i~I=81,S951,23 t4i,3S

~40,56~~~

6,12

82,14~

~~~12,02

91,46 J~rJ.J3§3 !;mO. (S CH.)

~,89

-~2,07

~~~S CHI dari R"CHz-R'"

'~ 6CH, dariR-CH,-R')-

Tabel 4. Pan.iang gelombang FT -IR Polietilena jenis LOPE berbagai dosis iradiasi berkas

Int~~J% T~mitansi)Gugus Fungsiooal

50kOy_I__lOOkQv I0

98,67

49,49

97,89

~7,19

93,01

~~~8,31

90,0157,7391,5656,258,40

~92,56

60,45

13,46

~93,2462,3421,49

:!: 1718 an"\

:!: 1378 an-I

:!: 1742 an-I

:!: 1363 cm-

:!: 729 cm"1 2 -r--~-

Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi IIISerpong, 20 -21 Oktober 1998 ISSN 1410-2897

KESIMPULANTarel 4 menunjukkan spektIUm Ff -IR dari LDPE denganberbagai dosis radiasi berkas elektron. Sedangkanpengaruh radiasi rerkas elektron dengan rerbagai dosispada LLDPE ditunjukkan pada Gambar 5 dan Tarel 5.

~ .-1"\ I t ...V'--~'r"'.~.

If.,.,. \ r~:1~jIf

,.i.I~i~Il , .~.I

[j

Polieitlena masa jenis rendah dan lurus (LLDPE),masa jenis rendah (LDPE) dan masa jenis tinggi (HDPE)mengalami proses ikatan silang (cross/inking) akibatiradiasi berkas elektron. Hal ini ditunjukkan dengananalisis spektmm Ff -JR, harga fraksi gel daD persen

swelling yang diperoleh.Secara umum dapat disimpulkan bahwa ke-

cendemngan terjadinya proses ikatan silang semakinbesar sesuai dengan peningkatan dosis yang di-gunakan. .

tf,

~lr~ " I" JjI ;

tl j

"","""\ :1",.. \11,v'

\:I:~1 1 "..,;

I b I i ~_.

R i Ivi'");!!'.{~I !III' i

't' \ l1~ i ",

,..1

~..

DAFTARPUSTAKA,C::\ 1",1"\1 J rr(

1\, \,,',I~

"\NI",-\ IiiI.~ 1{

""~~"'\t\~ ,V

)//1/'-'1 ,'.--, "H'

'i ~II

:..i

I 1t.I\~ '

,..,I>\,.f,,\',f: i itJ i~. !\, ,!

-.'-,il~::' f~.L..i~

f,,( i1i ~'{'('1

.'1 , \~J:.J.-\~'M'

'.

~ '!.", .I '~~ '. II ~\.j~ ..","'" ' t\'~V";'

I\.~\ I' \,' F""'\ I ;1,: ,! : ",J-, ,-. '.,\1 ..,..~. '/

,

1\...,,{.

(1]. SUDIRMAN. Pengaruh Radiasi NeutronCepatPada Sifat Fisik Dan Mekanik Polietilen DanPolistiren, Risalah Presentasi Ilmiah Hasil Studi

ProgramMagister,BATAN, Jakam(1995).(2]. O'DONNELL, JAMES H. and DAVID F.

SANGTER, Principles Of Radiation Chemistry.Edward Arnold Ltd, London 1969.

[3]. M. M. COLEMAN and D.C. PAINTER, ForierTransform Infrared Studies Of Polymeric Materi-als Polyolefins, J. Macrornol. .S'cie Rev. Macrornol.Chern. C 16 (1977) 197-213

(4]. YO~HO, T., Radiation-Induced Cross- link-ing, Radiat. Phys. Chern., 14 (1979) 235-243.

15). BREDE, 0., Radiation-Induced Processes InPolyethylene, Zf1-Mitteilurgen, Leipzig 1987.

(6]. SITI KAMI TIDJA, RATMAWATI dan YENNYNURYANI, Identification Of Plastic Material ByInfra Red Spectrophotometry In The MaterialsTesting Institute, Simposium Polimer II, Jakarta,1980.

i.V'!::

'i-,!,

-.'M..

Gambar 5. Spektrum FT -IR dari LLPDE dengan berbagaidosi!; radia.~i berka.~ elektron. A. 200 kGy, B.150 kGy. C. 100 kay, D. 50 kGy dan E. 0

Tabel 5. Pan.iang gelombang FT -IR Polietilena jenis LLDPE berbagai dosis iradiasi berkas

(7]. SUDIRMAN, RUKIHATI, EVI HERTINVYANA,ANIK S., daD ISNI M.,Penentuan Energi AktifasiDan Waktu Paruh Polietilen (LLDPE daD HDPE)Dengan Metoda Termografimetri Setelah DiIradiasi Dengan Berkas Elektron,PPSM-BATAN,Serpong,1996.

339.Yudirman dkk.