Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Mater; /997 /SSN /4/0-2897

1J,b

~RADIASI BERKAS ELEKTRON UNTUK LAMINASI KERT ASP ADA PERMUKAAN PAP AN KA YU.

Danu2, Darsono2, A. Sunarnr dan M. Mitro2

ABSTRAKRADiASI BERKAS ELEKTRON UNTUK LAMINASI KERTAS PADA PERMUKAAN PAP AN KAYU. Penelitian ini

dilakukan untuk mengetahui sifat lapisan hasil curing resin poliester akrilat yang diiradiasi berkas elektron untuk laminasi kertas padapermukaan kayo lapis dan papan partikel. Papan kayo dilapisi bahan pelapis dasar berupa campuran resin poliester akrilat, tripropilenglikol diakrlat (fPGDA), dan talk, dengan perbandingan berat 50 : 40 : 10, kemudian diiradiasi berkas elektron, pada dosis 30 kayoLapisan selanjutnya dilapisi campuran poliester akrilat dan TPGDA dengan perbandingan 70 : 30, dilaminasi kertas, dilapisi lagimenggunakan campuran yang sama, kemudian diiradiasi pada variasi dosis 20, 30, dan 40 kayo Proses pelapisan dilakukanmenggunakan alat pelapis tire rol, sedangkan iradiasi dilakukan dalam atmosfer nitrogen dengan konsentrasi O2 = 114 ppm. Sifat bahan

pelapis yang diukur adalah viskositas, sedangkan sifat lapisan hasil iradiasi yang diukur meliputi, kekerasan, adesi, dan ketahananterhadap bahan kimia, pelarut, dan noda. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa penambahan TPGDA sebanyak 10 % berat padacampuran dengan resin poliester akrilat menghasilkan lapisan yang cukup rata. Kekerasan pendulum lapisan berkisar antara 41 dan 59detik. Tegangan tarik pada laminasi kayo lapis lebih tinggi dibanding laminasi papan partikel. Lapisan hasil iradiasi pada dosis 40 kGymempunyai ketahanan yang baik terhadap bahan kimia untuk keperluan sehari-hari, pelarut, dan noda.

ABSTRACTELECTRON BEAM RADIATION FOR LAMINATION OF PAPER ON WOOD PANEL SURFACE. This study

was done to determine the film properties of electron beam cured polyester acrylate resin for lamination of paper on plywood and

particle board. Wood panel was coated using base coat i.e., the mixture of poliester acrylate resin, tripropylene glycol diacrylate(TPGDA), and talcum with the weight ratio of 50 : 40 : 10, and then irradiated by using electron beam at the dose of 30 kGy. Films thencoated with the mixture of polyester acrylate and TPGDA with the ratio of 70 : 30, paper was laminated onto this film, another coat ofsame composition applied, and irradiated at variation dosages of 20, 30, and 40 kayo Coating process was conducted by using rollcoater, whereas irradiation was done in a nitrogen atmosphere with oxygen concentration of 114 ppm. Coating materials and filmproperties observed were viscosity, pendulum hardness, adhesion, and chemicals, solvent, and stain resistances. The results indicatedthat addition of 10 % by weight ofTPGDA produced the even surfaces. Pendulum hardness of films were between 41 and 59 seconds.Tensile stress in the lamination of plywood resulted higher adhesion as compared to the lamination of particle board. Films which

irradiated at the dose of 40 kGy have good chemicals, solvent, and stain resistances.

KEY WORDLamination. Paper, Panel surface. Electron beam

PENDAHULUAN

Teknik radiasi telah dipakai secara komersialuntuk pelapisan permukaan kertas menggunakanradiasi ultra violet clan berkas elektron. Beberapaproduk pelapisan yang menggunakan kertas ialah :kayu lapis yang dilaminasi kertas dekorasi (paperlaminated plywood), kertas pembungkus, tas belanja,label, dll [I]. Laminasi kertas pada permukaanpapan kayu bertujuan untuk menghasilkan produkpapan kayu yang mempunyai penampilan ataudekorasi yang menarik. Selain mempunyaipenampilan yang menarik, papan kayu dilindungidari pengaruh luar yang bersifat merusak.

Pengeringan (curing) dengan teknik radiasimempunyai beberapa keunggulan dibanding carakonvensional, antara lain: tidak memerlukankatalisator clan pelarut, tidak memerlukan ruanganyang besar, serta proses berlangsung sangat cepat.Proses pengeringan pada laminasi kertas danpelapisan permukaan dapat dilakukan dalam waktuyang bersamaan menggunakan radiasi berkas

elektron.I Dipresentasikan pacta Pertemuan Ilmiah Sains Materi 19972 Pusat Aplikasi Isotop dan Radiasi BAT AN

251

Penelitian laminasi kertas dengan radiasiberkas elektron daD UV pada permukaan papan kayutelah dilakukan menggunakan resin poliester takjenuh daD resin uretan akrilat [2]. Disimpulkanbahwa lapisan poliester tak jenuh daD uretan akrilatyang diiradiasi berkas elektron menghasilkan sifat-sifat relatif lebih baik dibanding apabila diiradiasisinar UV. Salah satu perusahan yang telahmelakukan proses laminasi kertas pada permukaanpapan partikel secara komersial menggunakanradiasi berkas elektron adalah Universal Woods di

Amerika [3].Tujuan penelitian ini ialah untuk mengetahui

sifat lapisan basil iradiasi berkas elektron padalaminasi kertas menggunakan bahan pelapiscampuran resin poliester akrilat pada permukaankayu lapis daD papan partikel. Sifat bahan pelapisyang diukur adalah viskositas, sedangkan sifatlapisannya meliputi kekerasan pendulum, adesi, danketahanaii terhadap bahan kimia, pelarut daD noda.

TEORI Talk sebagai campuran lapisan dasar, buatan Merck.Semua bahan kimia yang dipakai dalam penelitiantanpa diproses lebih lanjut. Struktur kimiaprapolimer poliester tak jenuh dan TPGDA terlihatpacta Tabel I.

AlatAlat pelapis tire rol dipakai untuk laminasi

kertas daD pelapisan permukaan. Iradiasi dilakukanmenggunakan mesin berkas elektron tire scanningbuatan Nissin High Voltage Co, Ltd., Jepang.Sumber radiasi ini mempunyai tegangan operasi danarus maksimum masing-masing 300 kV and 50 mA.

Tabel 1. Struktur kimia prapolimer poliester akrilat daDTPGDA

Nama kimia Struktur kimia

0 0I I

Poliester akrilat CH2=CH-C-O[~ ~- O-C-CH=CH2

0 0I I

Tripropilen glikol CH2=CH-C-O -(CH(CH2)CH20),- C-CH=CH2diakrilat (TPGDA)

Percobaan.Kayu lapis (ukuran : 400 mm x 200 mm x 4

mm) daD papan partikel (ukuran : 400 mm x 200mm xl0 mm) diampelas menggunakan kertasampelas No. 240. Kayu yang sudah diampelasdilapisi bahan pelapis dasar (3 kali pelapisan),kemudian diiradiasi berkaselektron pada tegangan300 kV daD arus 20 mA, dengan dosis 30 kayolradiasi dilakukan dalam atmosfer nitrogen dengankandungan oksigen sebesar 114 ppm. Lapisan yangsudah kering setelah diiradiasi, diampelas lagi,dilapisi bahan pelapis atas (3 kali pelapisan),dilaminasi kertas dekorasi, dilapisi baban pelapisatas (2 kali pelapisan), daD selanjutnya diiradiasiberkas elektron pada variasi dosis 20, 30, daD 40kGy. Bahan pelapis dasar terdiri dari campuranresin poliester akrilat (PA), TPGDA, daD talkdengan perbandingan berat 50: 40 : 10, sedangkanbahan pelapis atas terdiri dari campuran P A daDTPGDA dengan perbandingan 70 : 30. Komposisibahan pelapis dasar maupun bahan pelapis atasdiperoleh dari optimasi percobaan pelapisanbeberapa macam kayu menggunakan resin poliesterakrilat [4]. Bahan pelapis atas dipakai untuk merekatkertas pada permukaan kayo, daD melapisipermukaan kertas. Baik proses pelapisan, maupunlaminasi dilakukan menggunakan alat pelapis tiperol. Tebal rata-rata lapisan dasar, lapisan untuklaminasi, maupun untuk pelapisan atas antara 20 daD27 gr/m2. Percobaan dapat digambarkan denganskema seperti terlihat pada Gambar 1, sedangkan

Jika suatu campuran prapolimer/oligomer(mempunyai gugus ikatan rangkap) daD monomerreaktif (mempunyai gugus ikatan rangkap)diiradiasi berkas elektron, maka akan terjadi reaksipolimerisasi membentuk jaringan ikatan silang.Pembentukan jaringan ikatan silang melalui reaksipolimerisasi radikal, berlangsung dalam tiga tahapreaksi, yaitu reaksi inisiasi (pembentukan radikal),propagasi (perambatan), dan terminasi(penghentian). Perubahan molekul-molekul yangrelatif kecil menjadi molekul-molekul besar karenaadanya pembentukan jaringan ikatan silangmenyebabkan perubahan rasa dari cair menjadipadat.. Curing dipakai untuk proses pelapisan suatubahan yang bertujuan selain untuk melindungipermukaan bahan dari pengaruh luar yang bersifatmerusak, juga untuk meningkatkan penampilanbahan tersebut. Perubahan rasa ini disebut curing.Energi berkas elektron untuk pelapisanpermukaan berkisar antara 100 daD 350 kV.

Suatu papan kayu yang tidak mempunyaipenampilan permukaan yang menarik, misalnyakayu lapis dan papan partikel, dapat ditingkatkanmutunya dengan melakukan laminasi menggunakankertas dekorasi diikuti dengan pelapisan permukaan.Campuran prapolirner poliester akrilat dan monomerreaktif difungsional TPGDA merupakan salah satubahan pelapis yang dapat dipakai untuk laminasikertas pada permukaan papan kayu. Denganmenggunakan komposisi tertentu, bahan pelapistersebut setelah diiradiasi diharapkan dapatberfungsi untuk menutup pori-pori kayu, merekatkertas dengan permukaan kayu, dan melapisipermukaan kertas sendiri. Proses iradiasi untukcuring berlangsung dua tahap. Tahap pertama, ialahiradiasi untuk curing lapisan dasar, dan kedua,iradiasi untuk curing lapisan perekat dan lapisan atassecara serentak. Lapisan pada produk laminasi kayu,terdiri dari berturut-turut : papan kayu, lapisan dasar,lapisan perekat, kertas, dan lapisan alas.

Untuk mendapatkan suatu lapisan yang dapatberfungsi untuk menutup pori-pori, sebagai perekat,dan sebagai lapisan pelindung, diperlukankomposisi bahan pelapis yang berbeda, serta denganmengatur dosis yang diterima.

METonE

BahanKayu lapis tebal 4 mm daD papan partikel

tebal 10 mm dibeli dipasaran. Kertas bermotif seratkayu dengan ketebalan 22 gr/m2 diperoleh dari PT.Perfekta Nusa Jakarta. Resin poliester akrilat dengannama komersial Laromer PE 46 daD monomertripropilen glikol diakrilat dibeli dari BASF, Jerman.

252

/SSN /4/0-2897Prosiding Pertemuan /lmiah Sains Materi /997

HASIL DAN PEMBAHASAN

Resin poliester akrilat Laromer PE 46 sudahmengandung monomer TPGDA sebanyak 20 %.Viskositas resin tersebut masih sangat tinggi, yaitu7000 cpo Untuk memudahkan pelapisan daD agardapat menghasilkan permukaan yang rata, makamasih diperlukan penambahan pengencer (diluen),yang dalam penelitian ini dipakai monomerTPGDA. Dalam uraian selanjutnya, pengertiankonsentrasi TPGDA dengan resin poliester akrilat,dihitung dari jumlah yang ditambahkan. Viskositascampuran resin epoksi akrilat dan TPGDA terdapatpada Tabel 2. Penambahan TPGDA sebanyak 10 %menurunkan viskositas campuran dengan drastis,yaitu dari 7000 cp menjadi 675 cpo Pada konsentrasiini, lapisan yang dihasilkan sudah cukup rata.

penampang lintang papan kayu yang sudahdilaminasi kertas terlihat pada Gambar 2.

Pengukuran kekerasan pendulum lapisanditentukan menggunakan Pendulum HardnessRocker dengan metode Koenig menurut ISO l522-1973 (E) [5]. Adesi lapisan ditentukan menggunakanTensile Tester dengan metode uji tarik sesuai ISO4624-1978 (E) [6]. Ketahanan terhadap bahan kimiauntuk keperluan sehari-hari, pelarut, daD noda,ditentukan dengan uji tetes menurut ASTM D 1308-

79 (1982) [7].

Tabel 2. Viskositas campuran resin poliester akrilat daDTPGDA

Viskositas (250 C),

cpKonsentrasiTPGDA, %

7000675

358270184

010203040

Kekerasan pendulum lapisan sebagaifungsi konsentrasi TPGDA tertera pada Tabel 3.Semakin tinggi konsentrasi TPGDA semakin rendahviskositas campuran, clan akibatnya menurunkanpembentukan gel. Terminasi pembentukankopolimer poliester akrilat TPGDA lebih cepatterjadi, karena reaksi didominasi oleh pembentukanhomopolimer dari TPGDA. Pembentukanhomopolimer ini mudah terjadi karena TPGDAmempunyai 2 gugus fungsional berupa ikatanrangkap setiap molekulnya (monomer difungsional).Walaupun kenaikan konsentrasi TPGDAmenurunkan kekerasan lapisan seperti terlihat padaTabel 3, tetapi penurunan ini tidak begitu besar.Hasil percobaan ini sesuai dengan basil yang

diperoleh pada percobaan curing campuran poliestertak jenuh -stiren yang dilakukan oleh PIETSCH[8] clan HOFFMAN [9]. Disimpulkan bahwapembentukan homopolimer dari stiren jikakonsentrasi stiren terlalu tinggi (> 30 %)menyebabkan penurunan kekerasan lapisan cukuptinggi. Pembentukan homopolimer stirenmemerlukan dosis cukup tinggi karena stirenmempunyai gugus aromatik clan merupakan

Gambar I. Bagan proses laminasi pada papan kayu,dengan curing menggunakan radiasi berkaselektron

Iapi5aD alas

--kertas \kkQrasi""""""'\\""'" ""'" ""'" """~

'-

paJXID kayu

Gambar 2. Penampang lintang papan kayu yang sudahdilaminasi kertas (paper laminated plywood)

253

ISSN 1410-2897

monomer monofungsional (mempunyai 1 ikatanrangkap setiap molekulnya). Kenaikan dosis iradiasimenyebabkan kenaikan jumlah reaksi terminasian tara ikatan rangkap pada rantai utama dengan sisarantai monomer yang masih aktif. Reaksi inimenghasilkan kenaikan jumlah ikatan silang danselanjutnya meningkatkan kekerasan lapisan [10].

Tabet 4. Tegangan tarik (kg;cm1 sistem laminasi kertasmenggunakan campuran poliester akrilat clanTPGDA yang diiradiasi berkas elektron.

Jenis kayoDosis,

kGy

KonsentrasiTPGDA, % Kayo lapis Papan partikel

Tabel 3. Kekerasan pendulum (detik) sistem laminasikertas pada permukaan kayu menggunakancampuran poliester akrilat dan TPGDA yangdiiradiasi berkas elektron.

203040

4,38,99,8

4,2

4,9

5,2

10

Jenis kayu 203040

2,45,47,9

2,33,53,5

Dosis,kGy

KonsentrasiTPGDA, %

20Kayu lapis--Papan partikel

203040

1,72,83,4

203040

49S3S9

505259

30

203040

1,51,52,4

203040

485155

425057

4020

203040

404955

415055

30

203040

404554

424552

30

Hasil pengukuran menunjukkan bahwa kekerasanpendulum tidak begitu besar, yaitu berkisar antara40 clan 59 detik. Rendahnya kekerasan lapisan inidipengaruhi oleh kekerasan substrat dari lapisan,yaitu kertas dekorasi, clan tebal lapisan sendiri.Tebal lapisan berkisar antara 20 clan 27 Jlm.Menurut SENG [II], kekerasan pendulum akandipengaruhi oleh kekerasan substrat jika teballapisan kurang dari 30 Jlm. Kekerasan tidakdipengaruh oleh jenis kayu. Tidak terdapatperbedaan yang berarti antara kekerasan padapenggunaan kayu lapis clan papan partikel.

Adesi merupakan faktor yang sangat pentingdalam menentukan kualitas suatu lapisan karenaberfungsi sebagai proteksi. Adesi lapisan yangditentukan dengan pengukuran tegangan tarikdatanya terdapat pada Tabel4.

Semakin tinggi dosis, semakin banyak jumlahikatan silang yang terbentuk, clan semakin kuatadesinya. Semakin tinggi konsentrasi TPGDA dalamcampuran, semakin rendah adesi lapisan. Hal iniberkaitan dengan rendahnya pembentukankopolimer ikatan silang antara poliester akrilatdengan TPGDA. Pada penggunaan kayu lapisdengan penambahan TPGDA 30 clan 40%, tegangantarik berkisar antara 1,5 clan 3,4 kg/cm2.

Lapisan yang berfungsi sebagai perekat (Iapisanperekat) antara lapisan dasar dengan kertasmenerima dosis relatif lebih rendah dibandingkan

lapisan permukaan. Akibatnya, kopolimer maupunhomopolimer yang terjadi belum sempuma. Hal inidapat diketahui daTi pola kerusakan yang terjadipada pengukuran tegangan tarik. Pada konsentrasiTPGDA 30 daD 40 %, bidang terlepasnya lapisanterjadi antara lapisan perekat dengan kertas,sedangkan pada konsentrasi TPGDA 10 daD 20 %terlepas pada kertasnya. Tegangan tarik padapenggunaan papan partikel lebih rendah dibandingpenggunaan kayu lapis. Pada proses pelapisan bahanpelapis yang berfungsi sebagai perekat (3 kalipelapisan) dengan konsentrasi TPGDA 30 daD 40%, penyerapan bahan ke dalam pori-pori papanpartikel. masih berlangsung. Hal ini disebabkanviskositas campuran sangat rendah, yaitu masing-masing 270 daD 184 cp sedangkan pori-pori papanpartikel lebih banyak dibanding kayu lapis.Akibatnya, sebagian besar lapisan ini terserap papanpartikel, sehingga tidak dapat berfungsi sebagaiperekat. Pada kondisi ini, tegangan tariknya tidakterukur (mendekati Dol), daD terlepas antara lapisandasar daD kertas.

Pengukuran ketahanan lapisan terhadap bahankimia untuk keperluan sehari-hari, pelarut, daD noda,terdapat pada Tabel 5. Hampir semua lapisan dengankonsentrasi TPGDA 10 daD 20 % yang diiradiasipada dosis 40 kGy tahan terhadap bahan kimia yangdiujikan, yaitu : NaOH 10 %, Na2CO3 I %, H2SO41 0 ~Ic, asam asetat 5 %, alkohol 50 %, spidolpermanen wama merah, biru, daD hitam. Lapisan

254

/SSN /4/0-2897

dengan konsentrasi TPGDA 30 clan 40 % yangdiiradiasi pada dosis 20 clan 30 kay, tidak tahanterhadap NaOH 10%.

UCAP AN TERIMA KASIH

Penulis mengucapkan terima kasih kepadaPT. Perfekta Nusa, Jakarta, yang telah memberikertas dekorasi untuk penelitian, para operator diFasilitas Mesin Berkas Elektron yang telahmelakukan pekerjaan iradiasi contoh uji, dan kepadaSdr. Sungkono daTi Bidang Proses Radiasi yangtelah melakukan pengujian contoh uji.

Tabel 5. Ketahanan lapisan terhadap beberapa bahankimia, pelarut, dan noda (spidol perman enwama merah, him, dan, hitam).

PUSTAKA203040

10

3040

2030An

30

[I] GARNEn", J. L., "Application of UV/EBprocessing in paper coating", RegionalExecutive Management Seminar on IndustrialRadiation Curing Technology, Pusat Aplikasilsotop dan Radiasi, BATAN (1990) belumditerbitkan.

[2] DANU, S., DARSONO., dan SUNARNI, A.,"Laminasi kertas pada permukaan papan kayudengan teknik radiasi", Prosiding SeminarTeknik Kimia Soehadi reksowardojo 1996 :Teknologi Polimer daD Membran, lnstitutTeknologi Bandung, Bandung (1996) XXVIII -

40

A = NaOH 10 % E ~ alkohol 50 % -= tanpa perubahanB -Na,Co, 1 % M = spidol pennanen warnamerah + -terjadi perubahanC = H,SO, 100;. B = spidol permanen warna biru sedikilD = asarn aselat 5 % H ~ spidol pennanen warna hitam ++ ~ terjadi perubahan

nyata

Dari data yang diperoleh menunjukkanbahwa lapisan mempunyai sifat terbaik padakomposisi campuran resin poliester akrilat clanTPGDA dengan perbandingan berat 90 : 10, clandiiradiasi pada dosis 40 kGy.

KESIMPULAN

2

3

[3] FRENCH, D., " A 1.4 meter electron curing

system for finishing of sheet woods products",(Special Report for UNDP on Ind. Appl. OfIsotopes and Rad. Tech.) UNDP -IAEA,Vienna (1980) 397.

[4] DANU, S., SUNDARDI, F., TRIMULYADI,G., SUNARNI, A., and MARSONGKO, M.,"Radiation curing of surface coating of fivecommercial timbers", Second Indonesia -JICAPolymer Symposium Cum-Workshop, 1990,RDCAP, LIPI, Bandung (1990) 103.

[5] ANONYMOUS, Paints and Varnishes,Pendulum Damping Test [ISO 1522 -1973 (E)](1985) 348.

[6] ANONYMOUS, Paints and Varnishes, Pull offtest for adhesion [ISO 4624 -1978 (E)] (1985)513.

[7] ANONYMOUS, Annual Book of ASTMStandards, part 27 ASTM, Philadelphia (1982)188.

[8] PIETSCH, G, J., Effect of composition inradiation curing of unsaturated polyestercoatings, Industrial Engineering Chemistry,Product, Research & Development., 9. 2 (1970)149.

[9] HOFFMAN, A. S., JAMESON, J. T.,SALMON, W. A., SMITH, D. E., andTRAGESER, D., Electron radiation curing ofstyrene -polyester mixtures, IndustrialEngineering Chemistry, Product, Research &Development., 9. 2 (1970) 158.

Dari basil penelitian ini dapat disimpulkan bahwa :Konsentrasi 10 % TPGDA dalam campurandengan resin poliester akrilat (Laromer PE 46)menghasilkan lapisan yang rata. Semakin tinggikonsentrasi TPGDA semakin rendah kekerasandaD adesi lapisan. Bidang terlepasnya lapisanpada konsentrasi TPGDA 30 daD 40 %, terjadiantara lapisan yang berfungsi sebagai perekat,dengan kertas. Adesi pada lapisan menggunakankayu lapis lebih tinggi dibanding papanpartikel.Penutupan pori-pori kayu dengan lapisan dasarpenting untuk mendapatkan adesi yang baik.Pada umumnya, lapisan yang diiradiasi padadosis 40 kGy tahan terhadap bahan kimia,pelarut daD noda, tetapi tidak begitu tahanterhadap NaOH 10 %.Kondisi optimum dicapai menggunakankomposisi campuran resin poliester akrilat daDTPGDA dengan perbandingan berat 90 : 10,pada dosis iradiasi 40 kGy.

255

[IO]CHARLESBY, A., Atomic Radiation andPolymers, Vol. I, Pergamon Press, London -Oxford -New York -Paris (1960).

[II]SENG, H. P., Test Methods for theCharacterisation of UV -and EB cured printingvarnishes, Part I, BetagammaJ.(1989) 10.

256