Prosiding Pertemuan Ilmiah gains Materi 1996

PENENTUAN ENERGI AKTIFASI DAN W AKTU PARUH POLIETll..EN(LLDPE DAN HDPE) DENGAN METODA TERMOGRAFIMETRI

SETELAH DllRADIASI DENGAN BERKAS ELEKTRON 1

Sudinnan2, Rukihati2, Evi Hertinvyana2, Anik Sunami3,Isni Marlijanti3

ABSTMKPENENTUAN ENERGI AKTIFASI DAN WAKTU PARUH POLIETILEN (LLDPE DAN HDPE) DENGAN

METODA TERMOGRAFIMETRI SETELAH DIIRADIASI DENGAN BERKAS ELEKTRON. Penelitian ini dilakukanuntuk mengetahui energi aktifasi (Ea) dan waktu paruh (tl12) polietilen masa jenis rendah dan linier (LLDPE = Linier Low DensityPoly Ethylene) dan polietilen masa jenis tinggi (HDPE = High Density Poly Ethylene) setelah diiradiasi dengan berkas elektron.

Akibat iradiasi berkas elek1ron pada LLDPE dan HDPE akan terjadi proses degradasi dan ikatan silang, kedua proses tersebut dapatdiidentiflkasi dengan perubahan sifat mekaniknya dan berhubungan dengan energi aktifasi (Ea) dan waktu paruh (412) yang dirniliki.lradiasi berkas elek1ron dilakukan pada dosis 50, 100, 150 dan 200 kGy dengan variasi eskalasi 25 dan 50 kGy/Pass. Hasil yangdiperoleh menunjukkan bahwa polimer LLDPE mempunyai energi aktifasi dan waktu paruh yang semakin besar akibat iradiasiberkas elektron artinya LLDPE mengalami proses ikatan silang, sesuai dengan sifat mekanik yang semakin kuat dibandingkanLLDPE tanpa iradiasi. Sedangkan polimer HDPE mengalami proses degradasi akibat iradiasi berkas elektron, ditunjukkan denganharga energi aktifasi dan waktu paruh dan sifat mekanik yang semakin kecil dibandingkan HDPE tanpa iradiasi. Energi akifasi danwaktu paruh dipengaruhi oleh eskalasi dosis dan dosis yang digunakan, yaitu semakin besar dosis dan eskalasi dosis yang digunakanmaka semakin besar harga energi aktifasi dan waktu paruh, baik proses ikatan silang maupun proses degradasi.

ABSTRACTDETERMINATION OF ACTIVATION ENERGY AND HALF LIVE OF POLYETHYLENE (LLDPE AND

HDPE) BY THERMOGRA VIMETRV METHOD ON THAT HAVE BEEN IRRADIATED USING ELECTRON BEAM.Research was done to investigate the activation energy (Ea) and the haft live (tIn.) of the linier and low density polyethylene(LLDPE) and high density polyethylene (HDPE) that have been irradiated using electron beam. The effect of electron beamirradiation on LLDPE and HDPE caused the crosslinking and degradation processes. Those processes could be identified by thechanges of their mechanical properties and related to their activation energy and half lives. The Electron beam irradiation wasperformed at doses of 50, 100, 150 Ind 200 kGy with variation of doses escalation 25 and 50 kGy/Pass. The results obtainedsuggi'Sted that higher escal~on ood irrauiation doses on LLDPE cause langer activation energy and longer half live, that meansLLDPE has experienced the crosslink process. This was in accordance with the values stronger mechanic properties compared withthe unirradiated LLDPE. The electron beam irradiation caused degradation process on HDPE, which can be seen from the decreaseofthe activation energy and the haft live and the mechanical properties. The values of the activation energy and the haft live areproportional with the ~Iation and doses of the electron beam irradiation for both crosslinking and degradation processes.

iradiasi dan struktur molekul yang dimilikioleh polimer tersebut. [1,2)

Akibat interaksi langsung antaramaterial polimer dengan lingkungan yangbempa iradiasi berkas elektron, dapatmengakibatkan terjadinya ikatan silang dandegradasi. [I) Secara umum dapat dikatakanbahwa bila proses yang terjadi akibat iradiasibempa degradasi maka material polimer akanmengalami penurunan sifat mekaniknyasehingga lama waktu pemakaian polimer

PENDAHULUANSebagai produk yang dapat

memenuhi ke~rluan hidup manusia, materialpolimer selalu berinteraksi denganlingkungan. Akibat interaksi langsungtersebut diatas, memungkinkan terjadinyaperubahan struktur molekul sehinggamengurangi sifat mekaniknya. Oleh sebab itu~makaian polimer sangat dibatasi olehwaktu (umur), proses yang terjadi akibat

---I Dipresentasikan pada Seminar Ilmiah Sains Materi PPSM 19962 Pusat Penelitian Sains Materi -BAT AN, Serpong3 Pusat Aplikasi Isotop Radiasi -BAT AN, Jakarta

305

bergantung pada C dan f3 maka persamaan(2) dapat disederhanakan menjadi :

In /3 = tetapan -Ea/RT (3)

Hubungan In 13 terhadap Iff berupa garislurus dengan koefisien kemiringan (gradiengaris) sebesar -Ea/R sehingga energi aktivasi(Ea) dapat dihitung. Untuk waktu paruh dapatdihitung dengan menggunakan persamaanberikut :

tl/2 = (O,693/A) expEa/RT (4)

Energi Aktifasi (Ea)menggambarkan energi yang diperlukanuntuk memindahkan atom atau molekul darikeadaan setimbang menjadi keadaan tidaksetimbang atau sebaliknya. Sel~jutnyadengan mengetahui harga energi aktifasi danwaktu panih serta sifat mekaniknya dapatmenggambarkan kedua proses yang terjadi(ikatan silang maupun degradasi) akibatiradiasi berkas elektron terhadap polimerpolietilen rnasa jenis rendah dan lurus(LLDPE) dan polietilen rnasa jenis tinggi(HDPE).

TATAKERJABAHAN

Pada percobaan ini digunakan jenispolimer sintetis polietilen yang terdiri daripolietilen masa jenis tinggi (HOPE) danpolietilen masa jenis rendah dan linier(LLDPE). HDPE yang digunakan: DaelimPoly TR 144-11004IR sedangkan LLDPE :Nippon Unicar

tersebut akan berkurang. Sebaliknya bila yangterjadi proses ikatan silang maka materialpolimer akan mengalarni kenaikan sifatmekaniknya. [2,3J

Kedua proses yang terjadi akibatiradiasi berkas elektron baik ikatan silangmaupun degradasi, berhubungan denganbesarnya energi aktifasi dan waktu parnh yangdirniliki oleh polimer polietilen tersebut. (4)

Bila proses ikatan silang (Cross/inking) yangterjadi akibat iradiasi berkas elektron dapatdigambarkan dengan harga energi aktifasi(Ea) yang sernakin besar, maka untukmelepaskan atom atau molekulnya darimaterial polimer dibutuhkan energi yanglebih besar. Sebaliknya berlaku untuk prosesdegradasi, akan diperoleh energi aktifasi (Ea)yang sernakin kecil.

Penentuan energi aktifasi (Ea) danwaktu paruh (TI/Z) dapat dilakukan dengan'metoda DT A (Differential Thermal ADalysis).Dari basil pengukuran dengan DT A akandidapatkan kurva aliran heat flow terhadaptemperatur. Selanjutnya dari kurva tersebutdiperoleh garis termografimetri (TG) [5,6Jkemudian dari garis termografimetriditentukan perubahan temperatur terhadapberkurangnya persen massa. Untukmenghitung waktu paruh digunakantemperatur pada berkurangnya persen rnassasebesar 50 (limapuluh).

Barga energi aktifasi (Ea) ditentukandengan menggunakan persamaan FL YN -

aSAWA, [4] yaitu:

dC/dt = A (100-c)n e?'P -Ea/RT (1)

~:C = Konversi (%)Ea = Energi aktivasi degradasi tern1alA = Faktor Preeksponensialn = TingkataD reaksiR = Tetapan gas (1,987 Kal/mol K)T = Temperatur (K)

Bila kecepatanpemanasan dinyatakan dengan/3 maka persamaan (1) menjadi :

dC/dt = (A//3) (lOO-c)n exp -Ea/RT (2)

METODE PENELITIANPada penelitian ini digunakan

seperangkat DTA merk SETARAM TAG 24yang terdiri dari komputer lengkap denganmonitor dan printer, tempat spesimen dan alatpendukung lain. Pengukuran energi aktifasidan waktu paruh dilakukan pada laboratoriumBalai Teknokimia -PPSM, BATAN.

Sampel polimer yang telah dipotongkecil-kecil ditimbang dan dimasukkan kedalam tungku. Selanjutnya kondisi alat diatnrmelalui monitor komputer, setelah gapdilanjutkan operasi sesuai dengan inStnJksi

Bila harga dC/dt tetap dan tidak tergantungpada kecepatan pemanasan dan konversisedangkan tingkatan reaksi (n) tidak

306

gumbo X (T = temperatur pada setiap

pengurangan massa) maka akan diperolehpersamaan FL YN- OSA W A, selanjutnyaharga energi aktifasi dan waktu paruh dapatditentukan. [6]

yang ada pada monitor komputer. Hasil yangdiperoleh berupa kurva saluran heat flowterhadap temperatur, deng2.!i kecepatanpemanasan yang berbeda yaitu 5, 10, 20 dan30 °C/menit (lihat gambar 1 dan 2).

Dari kurva tersebut diatas diperolehgaris termografimetri, selanjutnya dari garistersebut ditentukan berkurangnya persenmassa cuplikan polimer polietilen (10, 20, 30,40,50,60,70 dan 80%) terhadap temperatur.Dari data perbedaan kecepatan pemanasan(sebagai sumbu Y) dan harga 1/f sebagai

BASIL DAN PEMBAHASANDari basil pengukuran DT A dan

dengan menggunakan persamaan FL YN -OSA W A pada pengurangan lima puluhpersen massa diperoleh harga energi akitifasi,sebagai berikut :

Tabell. Energi aktifasi (kkal/mol) polimer polietilen (LLDPE dan HDPE) dengan dan tanpadiiradiasi berkas elektron.

Pada polimer polietilen masa jenislinier dan rendah (LLDPE) akibat iradiasiberkas elektron terbentuk ikatan silang(cross/inking), hal ini terlihat jelas denganharga energi aktifasi yang semakin besardibandingkan LLDPE tanpa diiradiasi.Eskalasi dosis (kGy/Pass) dan dosis (kGy)berkas elektron yang dikenakan pada polimerLLDPE mempengamhi proses ikatan silangyang terjadi, yaitu semakin besar eskalasidosis dan dosis yang digunakan makasemakin banyak ikatan silang yang terbentuk.Kecenderungan ini diperkuat dengan hargaenergi aktifasi yang semakin besar dengankenaikan eskalasi dan dosis yang digunakan(lihat tabell).

Pada polimer HOPE akibat iradiasiberkas elektron, terjadi sebaliknya yaituproses degradasi. Hal ini ditunjukkan denganenergi aktifasi yang semakin kecildibandingkan HOPE tanpa diiradiasi berkaselektron (lihat label I). Besarnya eskalasidosis dan dosis yang digunakanmempengaruhi proses degradasi yang terjadi,yaitu semakin besar proses degradasi yangterjadi akibat iradiasi berkas elektron dengan

Energi aktifasi menggambarkanenergi minimum yang diperlukan untukmemind2hkan atom atau molekul dari suatusenyawa dari keadaan setimbang menjadikeadaan tidak setimbang atau sebaliknya.Untuk memindahkan atom atau molekulpolimer dari keadaan setimbang menjadikeadaan tidak setimbang pada polimer yangmemiliki ikatan silang diperlukan energi yangsemakin besar, sehingga harga energi aktifasic.kan semakin besar pula.

Pacta polimer polietilen masa jenislinier dan rendah (LLDPE) akibat iradiasiberkas elektron terbentuk ikatan silang(cross/inking), hal ini terlihat jelas denganharga energi aktifasi yang semakin besardibandingkan LLDPE

Dari tabel 1, pacta polimer polietilenmasa jenis linier dan rendah (LLDPE)menunjukkan kenaikan harga energi aktifasiantara polimer yang diiradiasi dengan tanparadiasi, sebaliknya pacta polimer polietilenmasa jenis tinggi (HOPE) memperlihatkanpenurunan harga energi aktifasi pacta polimeryang setelah diiradiasi dengan berkas elektrondibandingkan HDPE tanpa radiasi.

307

degradasi akibat iradiasi berkas elektron.Dosis dan eskalasi dosis yang digunakanmenpengaruhi kedua proses tersebut baikikatan silang maupun degradasi, yaitusemakin besar dosis dan eskalasi dosisdigunakan maka semakin besar proses ikatansilang dan degradasi yang terjadi pada keduajenis polimer polietilen.

Besaran waktu paruh dalam jutaantahun. Hal ini dikarenakan dalam perhitungandigunakan temperatur pada 27 °C, hiladigunakan temperatur yang semakin besarmaka akan diperoleh waktu paruh dalambeberapa tahun saja.

kenaikkan eskalasi dosis dan dosis yangdikenakan.

Oleh sebab itu hila terjadi prosesikatan silang akibat iradiasi berkas elektronpada polimer polietilen maka harga waktuparnh akan semakin besar artinya agar bahanpolimer polietilen habis terdegradasidiperlukan waktu yang lama. Hal ini berlakusebaliknya pada proses degradasi akibatiradiasi berkas elektron.

Dari permtungan, harga waktu paruhyang diperoleh (seperti terlihat pada label 2)menunjukkan bahwa polietilen jenis LLDPEmenunjukkan proses ikatan silang sedangkanpolietilen jenis HDPE mengalarni proses

Tabel 2. Waktu paruh (tahun) polimer polietilen (LLDPE dan HDPE) dengan dan tanpa diiradiasiberkas elektron.

Waktu Paruh (~un)

I~:

Radiasi

Eskalasi _D~sis 25 kGv/Pas~ E~i Dosis 50 kGv/P~Dosis (kGy)

I I l:i!J)Dosis_(kGy)

1150

I

~I)1100 1200 I sn

I

100 1200

6,89E13 7,31E14 2,93E192,23E17 3,57E19 5,14E19 8,O3E19 ,08£22 6,O3E22LLDPE

2,OIEI2 4.76Ell ,47EII 4,76E7 6,60E4 7,O3EIO ,78E8 2,09E7 6,33E3ImPE

spektroskopi infra merah. Adapunpengukuran kekuatan tarik diperoleh basilseperti label 3 di bawah ini :

Untuk memperkuat basil penentuanharga energi aktifasi dan waktu panLlt, jugadilakukan pengukuran kekuatan tarik dan

Tabel3. Kekuatan tarik (Kg/cm2)iradiasi berkas elektron. [8]

polimer polietilen (LLDPE dan HDPE) sebelum dan setelah

Kekuatan_Tarik (Ke/cm;')

~

ITanpa

J_RadiasiEskalasi Dosis 25 kGv/Pass

~-

Eskalasi Dosis 50 kGv/Pass~ PoliIner Dosis(kGy)

_I I 150

Dosis (kGy)150 12~~ ~(\ I 100 ~ 200 I ~I") 100

LLDPE

_266.7

1260,5 1265,7 279,4 287,3257,6 278,4 284,4 296-1

HOPE ~~9,7 442,? 386,2 337,8 307,1 412,7 ~,5- 311.8 307-5

pacta polietilen jenis HOPE mengalami prosesdegradasi. Adanya proses ikatan silang akibatiradiasi berkas elektron pacta LLDPE,ditunjukkan dengan terbentuknya ikatan

Dari basil kekuatan tarik yangdiperoleh menunjukkan polietilen jenisLLDPE mengalami proses ikatan silangakibat iradiasi berkas elektron dan sebaliknya

308

silang (ikatan rangkap) semakin banyak (lihatgambar 3 dan 4). Oleh sebab itu untukmemutuskan ikatan tersebut juga diperlukandaya (Kgicm2) yang semakin besar sedangkanpada proses degradasi terjadi sebaliknya (lihattabel 3:1. 3&1 irJ m~mJiCfk.uat basilpengukuran energi aktifasi dan waktu paruhyang telah dilakukan (lihat label I dan tabel2).

Dari basil pengukuran spektroskopiinfra merah dapat dilibat terjadinya ikatansilang pada LLDPE, dengan adanyapeningkatan luas spektrum pada panjanggelombang 1700 nm atau pada pita serapangugus fungsi ikatan rangkap, denganbertambahnya dosis yang dikenakan padaLLDPE. Sedangkan HDPE tidak dapatdikarakterisasi secara spektroskopi inframerah, dengan terjadinya gugus karbonil.(libat gambar 3 dan 4).

KESIMPULANDari basil pengukuran dan

pengamatari pen(;~ltuaIl harga energi aktifasidan waktu paruh dapat disimpulkan bahwa :

Dengan metoda tennografimetridapat ditentukan harga energi aktifasi danwaktu paruh dari polimer polietilen (LLDPEdan HDPE). Sekaligus dapat menganalisaproses yang terjadi antara degradasi daDikatan silang akibat iradiasi dengan berkaselektron.

DAFTAR PUS TAKA[I) O'DONNELL, JAMES H. and DAVID F.

SANGTER, Principles Of RadiationChemistry, Edward Arnold Ltd, London(1969).

[2). SUDIRMAN, Pengaruh Radiasi NeutronCepat Pada Sifat FisikDan MekanikPolietilen Dan Polistiren, RisalahPresentasi Ilmiah Hasil studi ProgramMagister, BAT AN, Jakarta (1995).

[3). BRADLEY, RICHARD, Radiation Tech-nology Handbook, Marcel Dekker Inc.,New York (1984).

[4). SUNDARDI, F. dan I. MARLIANTI,Polimerisasi Radiasi Emulsi Vinil AsetatDan Glisidil Metakrilat. KestabilanTermal Kopolimer, Risalah SeminarNasional, Jakarta (1986).

[5). BROWN, E. MICHAEL, IntroductionTo Thermal Analysis TechniquesApplication, Chapman And Hall, NewYork (1988).

[6). Application Data, Thennal AnalysisInstrument 30 Series, SHlMADZU,Japan.

[7). BILLMEYER, FRED, W., Textbook OfPolymer Science, John Wiley & Sons,New York (1984).

[8). SUDIRMAN et. aI., Analisa Sifat FisikDan Mekanik Polietilen (LLDPE. LDPEDan HDPE) Setelah Diiradiasi berkasElektron, Jakarta, 1996. (Diajukan terbitdi Prosiding Hasil-Hasil PenelitianPPSM-BA TAN).

DISKUSI

Pertanvaan1. Apakah dari data (graflk) DTA dapat

terlihat ikatan silang?(Alorna Karo Karo, PPSM-BATAN)

JawabanKami hanya mengukur Eaffl/z darigrafik TG (tennografimetri). Bila darigrafik DT A ditentukan Eaffl/z makaterjadinya ikatan silang dapat diketahui,tetapi hams didukung dengan datalainnya, seperti : fraksi gel, GPC dansebagainya.

Polimer polietilen masa jenis lurusdan rendah (LLDPE) mengalami prosesikatan silang akibat iradiasi berkas elektronsedangkan polimer polietilen masa jenistinggi (HDPE) mengalami degradasi, hat iniditunjukkan dengan harga energi aktifasi danwaktu paruh yang semakin besar untukpolimer LLDPE dibandingkan LLDPEsebelum diiradiasi dan sebaliknya yang terjadipada polimer H[JPE yaitu proses degradasi,ditunjukkan dengan harga energi aktifasi danwaktu paruh yang semakin kecil.

Harga energi aktifasi daD waktuparuh dipengaruhi oleh eskalasi dosis dandosis yang digunakan, yaitu semakin besareskalasi dosis dan dosis yang dikenakan makaharga energi aktifasi dan waktu paruhsemakin besar, baik pada proses ikatan silangmaupun proses degradasi.

309

Pertanvaan2. Mohon dijelaskan rnengapa HDPE bersi-

fat degradasi sedang LLDPE bersifatcrosslinking (ikatan silang) ?

(Marga Utarna, P AIR-BAT AN)

JawabanDari struktur molekul yang dimilikiHOPE dan LLDPE, dimana pada LLDPEmempunyai banyak rantai cabangsementara pada HOPE hanya sedikit(beberapa) rantai cabang. makadimungkinkan untuk LLDPE bersifatikatan silang sedangkan HOPE bersifatdegradasi.

310

&. TIDpl Radlasl~ It ~~n; A11I81...

4~& "11",=

~ -.tW"'ttc.

-n

-M

,. ,...,.,.. , , ee/...I,I. a ,.. , II ee/...I,I. t...,.,.. , II ee/".l'.., ,.. , )0/ ee/...I'

.~.

,,\00

400 ;IOU lUll

b. DCO210 Radlasl~..: IO~

IT'

,~

'.0

,. ,...~... C/-.."

I. ,...~... '0 .C/ I. ,...~... lO .C/Mo."

t. '...p '0 .C/Mo.I.

-10

-10

-100

L._I~ ~O J~~ ~\I .

Gambar I. Termografimetrl Polimer LLDPE Dengan Berbr.~al KeccpatanPemanGSDn.a. Tanpa Radia~1b. Dengan Radiasi

311

b. DCApa RadlulMIl': .~ C\IS Alul&AI

,.

-10

-..0

"0

\\.&. ,..., '_at... .'C/ I'I. I..., , &t .C/...,I,I. I...w... , III .C/ I!t. I..., , It .C/"'wl'.'Q

~;~r.

~oo )00 401> S\/o) .~

Gambar 2. Termografimetri Polimcr HDPE Dcngao Bcrbngai KcccpatnoPemaoasan.a. Tanpa Radias!b. Dengnn Rndias!

312

Gambar 3. Spektra Ff -Infra Merah Polietilen Jenis LLDPEa. Tanpa Radiasib. Dengan Radiasi

313

Gambar 4. Spektra Ff -Infra Merah Polictilcn Jenis HDPEa. Tanpa Radiasib. Dengan Radiasi

314