PENGUKURAN CUPLIKAN POLIMER STANDAR DENGANPERALA T AN SANS -BA TAN

A.lkrarn, A. lnsani, lndarto PU, SM Prasetyo clan Setiawan

ABSTRAK

PENGUKURAN CUPLIKAN POLIMER STANDAR DENGAN PERALATAN SANS-SATAN. Saat ini terdapat berbagai peralatan SANS

yang masing-masing dapat dioperasikan untuk berbagai rentang momentum transfer berbeda. Selain memungkinkan pengukuran berbagaifenomena dengan karakteristik berbeda, hal ini juga menuntut pengkalibrasian peralatan pada tiap rentang momentum transfer. Telah dilakukanpengukuran cuplikan polimer standar menggunakan peralatan SANS yang belum dikalibrasi di BATAN, Serpong. Pengukuran ini dilakukan untukmengkalibrasi data momentum transfer yang diperoleh dengan peralatan SANS tersebut. Pembandingan hasil pengukuran dengan peralatanSANS yang telah dikalibrasi menunjukkan adanya perbedaan yang cukup berar1i (5 dan 10 %). Dari penelitian ini dapat disimpulkan bahwapengkalibrasian peralatan SANS harus dilakukan secara rutin untuk tiap selang momentum transfer sehingga diperoleh hasil yang dapatdiper1anggung jawabkan.

ABSTRACT

SANS MEASUREMENTS ON POLYMER STANDARD SAMPLES. There are many SANS instruments available today and each ofthem can be operated for several different q-ranges. Besides their capabilities of exploring phenomena with different characteristics, these severaldifferent q-ranges also need several different standard samples to calibrate each q-range. Measurements on polymer standard samples have beenconducted to calibrate the SANS machine in BATAN, Serpong. The results showed some discrepancies from the measurements of other machinewith different experimental set-up. This experiment suggests that calibration of any SANS machine, including the one in Serpong, is important andhas to be done routinely for any related q-range so the reliability of the experimental data can be mainiained.

PENDAHULUAN

jurnlahnya, peralatan yang ada saat ini di dunia (ILL,ISIS, JAERI, KAERI, AECL, ANSTO, ELLA, HMI dll)masing-masingnya memiliki berbagai cakupan rentangmomentum tranfer sehingga dapat mengamati berbagaiukuran fenomena berbeda. Kalibrasi peralatan dapatdilakukan dengan mengkalibrasi setiap komponentersebut. Namun karena hal ini akan banyakmengkonsurnsi waktu daD tenaga, maka saat ini padaberbagai peralatan SANS dilakukan pengkalibrasiansecara menyeluruh dengan memanfaatkan cuplikanstandar.

Pacta penelitian ini dilakukan pengamatan polahamburan neutron daTi cuplikan polimer standar yangmemberikan beberapa puncak hamburan. Mengingatteknik SANS ini merupakan teknik yang relatif baru danbelum banyak digunakan di' Indonesia, maka pactamakalah ini latar belakang teori hamburan neutron sudutkecil disajikan secara umum untuk memberikangambaran singkat mengenai proses pengambilan danpengolahan data hamburan tersebut.

Untuk mengamati berbagai fenomena padabahan dengan struktur berukuran puluhan sampai ribuan

angstrom, seperti presipitat misamya, pengukuran dapatdilakukan dengan menggunakan teknik hamburanneutron sudut kecil (SANS) sebagai teknik altematif.Kelebihan teknik ini terutama pada clara tembusneutronnya yang besar pada hampir semua bahansehingga penggunaan cuplikan dalam bentuk bulk dapatdilaksanakan. Selain tidak diperlukannya penyiapancuplikan yang memerlukan keahlian tersendiri,penentuan ukuran presipitat dengan teknik ini dapatmemberikan harga rata-rata sebenamya daTi ukuranpresipitat di dalam bulk tersebut.

Peralatan SANS yang ada di dunia saat inibiasanya terdiri daTi berbagai komponen denganfungsinya masing-masing, antara lain monokromatoruntuk menyeleksi panjang gelombang yang ingindigunakan, kolimator untuk menjaga tingkat kolimasi(ke-paralel-an) berkas neutron yang sampai padacuplikan serta detektor yang berfungsi menentukan posisineutron yang dihamburkan. Meskipun tidak banyak

114 ~, 6 J~ 2001

p~ ~ p~ ~ ~ p~ SANS -EATANA.I~"m

TEORISANS

Rg dapat diperoleh melalui kurva logaritmik tampanglintang sebagai fungsi dari Q2, Menggunakan leastsquare fitting, kemiringan kurva dan harga konstantanya(perpotongan kurva dengan absisnya) dapat diperolehmelalui bagian linier dari kurva tersebut untuk kemudiandigunakan dalam mengevaluasi harga Rg daD G. Untukpresipitat dengan bentuk bola daD jarum, jari-jari danpanjang presipitat dapat diperoleh melalui persamaan (3)dan (4). Densitas dari presipitat yang dinyatakan dalamfraksi volume diperoleh melalui konstanta G. Daripersamaan (5) dengan diketahuinya harga-harga V p' Ndan ~p maka fraksi volume np dapat dihitung.

Harnburan neutron sudut kecil muncul karenaadanya fluktuasi kerapatan panjang harnburan padabahan [1]. Fluktuasi tersebut sebagai contoh dapatditimbulkan oleh munculnya rasa kedua (presipitatmisalnya) pada matriksnya. Sebagai konsekuensinyaapabila tidak terjadi fluktuasi maka intensitas harnburanneutron sudut kecilnya akan tidak bergantung pada sudutharnburannya (flat). Tarnpang lintang SANS daTipresipitat-presipitat yang terdistribusi secara acakdiberikan melalui ekspresi sebagai berikut :

~N

dLdO

(1) TATAKERJA

=

dimana np ~dar jumlah presipitat per satuan volume,sedangkan \ V; adalah kuadrat daTi volume rata-ratasebuah presipi t, N adalah jumlah atom per satuanvolume daD (Ap) adalah perbedaan rata-rata rapatpanjang hamburan antara presipitat daD matriksnya, F(Q)adalah faktor bentuk yang menyatakan hamburan daTisebuah presipitat daD tanda ( ) menyatakan harga rata-rata yang melingkupi berbagai ukuran daD orientasi daTipresipitat. I(Q) menyatakan hamburan yang disebabkanoleh interface effect di antara presipitat-presipitattersebut.Faktor bentuk di atas dapat didekati melalui [2]:

(F2(Q») = exp( _~Q2 R:) (2)

Aproksimasi ini berlaku secara umum untuk QRg < 1,5,dimana Rg dikenal sebagai jari-jari girasi Gari-jariGuinier). Hubungan antara jari-jari girasi dengan jari-jaripresipitat dapat dinyatakan sebagai berikut [3]:-untuk presipitat berbentuk bola denganjari-jari Rs ,

Penyiapan Cup/ikanPolimer yang digunakan sebagai cuplikan

standar pada penelitian ini adalah polystyrene-block-poly(ethylene-alt-propylene) yang biasa disingkat denganPS-PEP. Cuplikan polimer ini didapat dari hidrogenisasi

polystyrene-block-polyisoprene dengan derajathidrogenisasi sebesar 99,4%. Pada cuplikan ini terdapat1,33 x 105 molekul dengan rasio Mw/Mn = 1,26 dan

rasio styrene terhadap ethylene-all-propylene adalah60/40 wt6/o.

Polimer PS-PEP yang hendak diukur perludisiapkan sehingga dapat ditempatkan dalam wadahcuplikan SANS dan memberikan pola hamburan yangoptimal. Untuk itu perlu dilakukan pelarutan danpengeringan sehingga diperoleh bentuk cuplikan yangsesuai. Pertama-tama polimer PS-PEP tersebut dilarutkandalam toluen sehingga terbentuk larutan polimer 5 wt6/o.Selanjutnya larutan ini dituangkan ke dalam petri dishyang beralas datar. Kemudian untuk pengeringan denganproses penguapan, petri dish tersebut diletakkan di atastatakan pada suatu ketinggian dalam sebuah bejana gelas.Bejana ge!as tersebut ditutup dengan pelat gelas,sementara di dalamnya diletakkan pula sebuah botolterbuka yang berisi toluen. Untuk menjaga lajupenguapan toluen, diletakkan sekerat foil aluminiumsehingga ada rongga antara bibir bejana gelas dan pelatgelas yang menutupinya. Penguapan lambat untukpengeringan cuplikan ini dilakukan pada suhu ruangselama I minggu.

Polimer kering yang diperoleh pada dasar petridish ditempatkan dalam oven vakum pada suhu ruanguntuk dikeringkan lebih lanjut. Setelah beratnya tidakberubah, film polimer yang terbentuk dilepaskan daridasar petri dish dengan hati-hati. Dari cuplikan as-castini dibentuk dua jenis cuplikan. Cuplikan edge-viewdiperoleh dengan membuat potongan-potongan sebesarlrnm x 20rnm dan meletakkannya pada sebuah kerangkaplastik. Sementara itu cuplikan through-view dibuat darisebuah potongan dengan ukuran 20rnm x 20rnm. Gambar1 menunjukkan skema pola hamburan sudut kecil yangakaJ1 diperoleh dari ke dua jenis cuplikan yang telahdisiapkan tersebut.

R = (~ )2Lg 12 s

Untuk sistem dengan presipitat-presipitat yang terpisahcukup jauh antara satu dengan lainnya, faktor I(Q) pactapersamaan (1) dapat diabaikan. Sehingga dengansubsitusi persamaan (2), persamaan (1) dapat ditulismenjadi :

(4)

(5)

~, 6 J~ 2001 15

A.CUUD pcIDIDtDll ~fi""~ UI~ \.~ft""~-J uan ~}\:""~-U}~isaj!!,an dalam gamb~ 4 dan basil penghitungannya

untuk presipitat dengan bentuk jarum (needles)dengan panjang Ls ,

p~ (!~.:J-~!-"-~ p~ ~ ~ p~ SANS -WANA.I~.,~

elemen 128 x 128. Uraian lengkap mengenai SANS-BAT AN ini telah disajikan dalam makalah lain [4].

HASIL DAN PEMBAHASAN

Hasil pengukuranneutron sudut kecil (SANS)untuk kedua cuplikan stanuntuk throughview dan edge-Gambar 1. Diagram skematik peralatan SANS

BAT AN , Serpong

PS-PEP (TV)10000

Pengukuran dengan SANSPengukuran dengan SANS ini dilakukan di

BAT AN, Serpong menggunakan peralatan SANS yangada di Laboratorium Hamburan Neutron, BalaiSpektrometri -P3IB dengan memanfaatkan penelitiandaD kerja sarna BAT AN-JAERI dalam bidang hamburanneutron. Diagram skematik dari peralatan SANS-BA TAN diberikan pada gambar 2.

-;: 1 (XX)~

100

10

10 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3

Q (nm-1)

PE.pEP (EV)1<XXXJ

s- 1 (XX)

.!.100

10

Gambar 2. Geometri konfigurasi Edge View dan

Through View1

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3

Q (nm-1)Peralatan SANS ini menggunakan neutron yangberasal dari Reaktor Serba Guna GA Siwabessy (RSGGAS) melalui tabung berkas S5. Neutron tersebutdisalurkan ke peralatan SANS melalui tabung pemanduneutron yang dilengkungkan sehingga mengurangigangguan Jatar belakang yang berasal dari neutron cepat.Berkas neutron yang keluar dari tabung pemandudimonokromatisasi menggunakan selektor kecepatanmekanik. Jarak antara cuplikan daD detektor (L) dipilihpada posisi 12 m. Dengan mengkombinasi harga L daDpanjang gelombang neutron, ]I. = 0,4 nm diperolehselang transfer momentum L\Q = 0,05 -0,4 nm-1 dimanaQ didefmisikan sebagai : Q = {47t sin (9/2)}/ ]I. (9 =sudut hamburan ; ]I. = panjang gelombang neutron).

Dengan pengambilan panjang gelombang yangbesar ini, efek dari hamburan Bragg ganda dapatdihindari. Pemilihan harga L\Q tersebut memungkinkanuntuk diamatinya struktur dengan keteraturan berukuranmulai dari 15 nm sampai 150 om. Berkas neutron yangterhambur dideteksi dengan position sensitive detector(PSD) dua-dimensi, yang berisi gas 3He, dengan jumlah

Gambar 3. Kurva intensitas hamburan neutroncuplikan standar PS-PEP dari peralatan SANS

BAT AN untuk konfigurasi through view (atas) danedge view (bawah)

Kedua gambar itu menampilkan data satudimensi (kurva I vs Q) yang diperoleh daTi data duadimensi. Untuk cuplikan throughview diperoleh indikasiadanya 4 puncak pada selang momentum transfer ilQ =0,05 -0,3 om-I dan masing-masing berada pada posisi0,065 om-I; 0,12om-l; 0,185om-1 dan 0,275 om-I.Secara rata-rata posisi keempat puncak ini memberikanharga posisi puncak pada (6,45 :%: 0,35) x 10.2 om-I yangberkorelasi dengan jarak keteraturan sebesar 97 om.

Sementara itu daTi gambar untuk cuplikan edge-view pada Gambar 3 ini dipe;roleh indikasi adanya 4puncak dan dua diantaranya sangat kuat intensitasnya.Kedua puncak ini berada pada posisi 0,07 om-I (puncakpertama) daD 0,22 om-I (puncak ketiga). Puncak keduadaD keempat tidak dapat digunakan mengingat lebar dan

landainya puncak-puncak tersebut sehingga ketidak-

116 ~, 6 J~ 2001

dengan teknik hamburanditunjukkan pada Gambar 3dar PS-PEP, berturut-turutview.

dikalibrasi sehingga tampak perbedaan yang cukupberarti. Tampak ada kesenjangan yang cukup berartidiantara keduanya. Sementara itu, dari kesenjangan yangdiperoleh pada tabel 1 terse but, SANS BA TANmemberikan hasil edge-view yang lebih baik, sedangkanuntuk through-view hasilnya tidak demikian. Hal inimemang sering terjadi untuk peralatan berbeda, apalagijika set-up dan parameter lainnya juga tidak sarna[6].Kurva-kurva pada bagian bawah gambar 4 jugamenunjukkan bahwa untuk mendapatkan intensitas yangsebanding, cuplikan through-view memerlukan waktupengumpulan data sampai 60 menit sementara cuplikanedge-view hanya 5 men it (kurang dari 10% nya). Hal inimenunjukkan bahwa keteraturan yang ada pada cuplikanedge-view telah berkontribusi pada kuatnya hamburanneutron sehingga memberikan intensitas hamburan 10kali lebih kuat.

pastian terhadap posisi puncak tersebut sangat besar.Dari posisi puncak pertama dan ketiga tersebut diperolehharga rata-rata posisi puncak pada cuplikan edge-view inisebesar (7,25 :f: 0,13) 10-2 nIn-l yang berkorelasi denganjarak keteraturan sebesar 87 nIn.

Hasil ini cukup berbeda dibandingkan denganhasil standar yang diperoleh dari pengukuran denganperalatan SANS di JAERI. Hasil pengukuran dengankedua peralatan SANS di JAERI (SANS-J dan SANS-V)disajikan dalam gambar 4 dan hasil penghitungannyadisajikan dalam label 1 [5] bersama hasil dari penelitianInl.

-I/)

C:J

.0'-tG--a=-

Tabel1. Posisi puncak hamburan neutron daricuplikan standar PS-PEP dan prosentase

kesenjangannya

10' I I ..

KESIMPULAN

~

IO~

ps.PEP Block ~fSANWl-4m. ).-O.7nm

.1Edge, ~-o,O762nmT~, q,.-O..O7\Onm'II)

.~C::J

-e 10)IU'-'a~

\\

10' I} , I I i0.00 O.OS 0.1'0 0.1S 0;20 0.25 0.30 0.35

-1q (nm )

Gambar 4. Hasil pengukuran cuplikan PS-PEPdengan SANS-J yang tidak terkalibrasi (atas) dan

SANS-U yang terkalibrasi (bawah)

Hasil pengukuran cuplikan standar PS-PEPdengan peralatan SANS-BAT AN yang belum dikalibrasimenunjukkan perbedaan yang cukup berarti daTi hasilyang seharusnya. Pengukuran dengan peralatan clancuplikan yang sarna dengan set-up berbeda juga akanmemberikan hasil yang berbeda. Hal ini memberikankonfirmasi positif bahwa peralatan SANS, termasukSANS-BAT AN, memerlukan kalibrasi yang teratur clantertentu untuk setiap set-up maupun rentang momentumtransfer yang berbeda. Meskipun demikian, penelitianini telah menunjukkan bahwa peralatan SANS-BAT ANdengan segala kekurangannya telah dapat digunakanuntukpengukuran fenomena dengan struktur keteraturanberukuran 15nm sarnpai 150nm. Hal ini dapatdimanfaatkan untuk berbagai penelitian bahan, termasukmakromolekul polimer.

Sementara itu, dari lamanya waktu pengukurankedua cuplikan standar ini dapat pula disimpulkanbahwa keteraturan yang ada pada cuplikan edge-viewdisamping memberikan pola hamburan pada bidanghorizontal juga menghasilkan intensitas yang jauh lebihkuat. Dengan demikian keteraturan yang tinggi dalam

Pads tabei terse but tampak perbedaan hasii yangdiperoieh dari kedua peraiatan SANS di JAERI terse butdisamping disajikan pula perbedaan set-up dan kondisikeduanya pads saat pengukuran. Pads saat pengukuranitu SANS-U teiah dikaiibrasi ; sedangkan SANS-J beium

~I 6 J~ 2001 117

p~ (!,.:f-:!-""'fo p~ ~ ~ p~ SANS -MfANA.I~.,~

bahan akan mempersingkatwaktu pengukuran yangdiperlukan.

DAFfARPUSAKA

UCAP AN TERIMA KASm

Penulis menyampaikan rasa terima kasih kepadaProgram Kerjasama Asia-Pasifik (FNCA) yangmemungkinkan untuk pengambilan data SANS diBA TAN dengan menggunakan cuplikan polimer standarini. Penghargaan yang setinggi-tingginya jugadisampaikan penulis kepada seluruh star daD teknisiBalai Spektrometri-P3IB yang telah membantu penelitianini terutama kepada AD Puspitasari daD Yatno yang telahmembantu pengetikan makalah ini.

[1]. L.A. FEIGIN, et.al, Structure Analysis by SAXS and8.4MS', Plenum Press, London (1987)

[2]. A.C.R. GUINIER, Acad Sci., Paris (1937), 204,1115

[3]. P. PIZZI, et.al, J: Appl. Cryst., (1974), 7, 270[4]. SUTIARSO, et. aI, Progress Report Hamburan

Neutron, (1996), 1,17-22[5]. A. IKRAM, et. al., Prosiding Seminar Nasional

Hamburan Neutron dan Sinar-X ke 3, (Juni 2000),81-89

[6]. Y. HASEGAWA, komunikasi pribadi.

~, ~ J~ 2001118