Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi IIIl\'erpong, 20 -21 Oktober 1998 ISSN1410-2897

APLlKASI lRADIASI NUKLIR PADA BAHAN POLl MER

s.3b~ABSTRAK

MinaD T. Razzak daD M. Iyos R. SubkiBadan Tenaga Atom Nasional, Jakarta

APLIKASI IRADIASI NUKLIR PADA BAHAN POLIMER. Iradiasi nuklir khususnya iradiasi gamma dan berkaselektron telah diaplikasikan secara luas diberbagai industri berbasis polimer. Prinsip dasar, teknik iradiasi dan berbagaicontoh produk yang ada dipasaran dibahas secara ringkas. Perkembangan dan upaya Badan Tenaga Atom Nasional dalammemasyarakatkan teknologi ini juga diuraikan.

ABSTRACT

APLICATION OF NUCLEAR IRRADIATION ON POLYMER MATERIALS. The techniques of nuclear irra-diation, particularly gamma rays irradiation and electron beam irradiation have been widely used in polymeric material basedindustry. Basic principle, technique of irradiation and some typical products available in market are described briefly. Theeffort of National Atomic Energy Agency for the technology dissemination is also described.

KATA KUNCIIradiasi nuklir, sinar gamma, berkas elektron, kabel, polimer, pengikatan silang, curing.

PENDAHULUAN kibatkan pembebasan elektron cepat yang selanjutnyamenginduksi pembentukan ion positif dan ion negatif(ionisasi) serta pembentukan molekul interaksi (eksitasi)yang pada gilirannya menghasilkan radikal bebas.Secara bersama maupun sendiri-sendiri ion-ion molekultereksitasi dan radikal bebas tersebut menginduksiterjadinya reaksi kimia [3]. Pada bahan polimer reaksikimia yang terjadi dapat mengakibatkan pembentukanikatan silang (cross/inking) atau dapat pula menga-kibatkan pemutusan ikatan (chain scision). Baik terjadiikatan silang (cross/ingking) yaitu terbentuknya ikatantiga dimensi pada molekul polimer maupun pemutusanikatan yang mengakibatkan molekul polimer terde-gradasi, keduanya mempengamhi sifat fisika mekanikpolimer. Pembahan sifat-sifat fisika-mekanik itu dapatmembuka wawasan aplikasi barn bagi polimer itu, ataudapat pula melahirkan proses barn bagi modifikasipolimer dalam indu&ri [4].

Sebagai contoh, interaksi radiasi pengion denganpolimer pilietilena,

Iradiasi nuklir mernpakan teknik barn yangdikembangkan oleh ilrnuan dan perekayasa nuklir untukmembuat produk-produk bermutu tinggi. Sepertidiketahui, hila energi radiasi menumbuk suatu bahan,maka dapat dihasilkan berbagai bentuk energi lain yangpada gilirannya menghasilkan panas, reaksi kimia,pergeseran atom dalarn kristal, akumulasi muatan bahkandapat menimbulkan reaksi inti tergantung pada jenisradiasi, besamya energi radiasi dan banyaknya energiterserap pada bahan [1].

Ada 2 (dua) jenis iradiasi nuklir yang sarnpai saatini berhasil di manfaatkan secara maksimal dalamindustri, khususnya industri berbasis polimer. Keduajenis iradiasi nuklir tersebut adalah sinar gamma yangdipancarkan oleh isotop radioaktif (radioisotop) kobalt-60, dan partikel beta atau elektron energi tinggi yangdiproduksi oleh mesin akselerator elektron atau mesinberkas elektron (MBE). Jenis lainnya seperti partikelalpha, dan proton yang dapat diproduksi melaluiakselerator berkas ion (ion beam akselerator), banyakdiarahkan aplikasinya pada upaya pembuatan bahanmaju (advanced materia/) seperti semi konduktor [2].

Makalah berikut ini membatasi pembahasanpada aplikasi iradiasi gamma dan berkas elektron padabahan polimer. Prinsip dasar dan contoh aplikasinyadalam industri serta keadaan kegiatan penelitian di In-donesia dibahas secara ringkas.

RH """"""" -..RH. + H.

RH + H. ..R. + ~ (pembebasan gas)

R. + R. ..R -R (Crosslinking)

R. + Monotrer ..RM (O:afting)

RH = Polietilena -f"'U-f"'U-CH-CH-CH-""~'2 ""~'2 2 2 2

: -CH2-CH2-CH2-'~-CH2-

INTERAKSI RADIASI PENGION DE-NGANBABANPOLIMER R. = mdikal bebas

Baik sinar gamma maupun berkas elektron,keduanya termasuk jenis radiasi pengion. Artinyainteraksi radiasi pengion dengan materi akan menga-

Dari skema reaksi kimia tersebut, ditunjukkanbahwa interaksi radiasi pengion dengan polimer

Mirzan T Razak dkk.60

Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Mater; /IISerpong, 10 -11 Oktoher 1998 ISSN 1410-2897

p>lietilena dapat menghasilkan gas ~ pengikalan silang,pemutusan ikatan daD pencangkokan (grafting).Pengikatan silang (crosslinking) terjadi bila radikalbebas dari molekul polietilena bertemu dan berikatansatu sarna lain membentuk ikatan tiga dirnensi sehinggaberat molekulnya menjadi lebih besar. Pemutusan ikatan(chain scision) terjadi bila radikal bebas molekulp>lietilena itu temrai menjadi radikal bebas atau molekulyang lebih kecil yang berarti p>lietilena mengalamidegradasi. Bila iradiasi polietilena tersebut dilang-SUDgkan dalam lingkungan/mOOia monomer, maka rndikaIbebas yang terbentuk menginduksi molekul monomeryang pada gilirannya tercangkok (grafting) pCKla rantaiutama (backbone) polietilena. Adanya kemungkinanOOhwa polimer membentuk ikatan silang, degradasi dangrafting itulah yang menjadi dasar aplikasi iradiasinuklir untuk memodifikasi p>limer atau memproses

polimer sehingga didapatkan berbagai produk polimerbermutu tinggi [5].

APLIKASI IRADIASI DALAMINDUSTRI KABEL

Oi negara industri maju, bahan polimer yangdigunakan untuk pembungkus kawat logam dari kabellistrik disyaratkan untuk berikatan silang (cros-s/inked).Hal ini tidak lain agar kabel tersebut lebih kuat, tahanpanas, dan taban terhadap kebocoran arus listrik [6].Selain itu di syaratkan pula agar setiap kabel harus

sehingga sangat mudah konseleting (short cut) yangpada gilirannya menimbulkan (x:rcikan nyala api.

Teknik iradiasi berlcas eltX;tron untuk (x:mbuatankabellistrik dengan bahan isolasi polimer yang berikatansilang ditunjukkan oleh Gambar 1. Kawat kabel yangterbungkus yang belum berikatan silang diiradiasidengan berkas elektron pada dosis radiasi tertentu,kemudian setelah iradiasi kabel tersebut siap dipasarkan.

Perbedaan pokok (x:mbuatan kabellistrik secarairadiasi daD secara konvensional (cara kimia &katalisator) ialah terletak pada proses pengikatansilangnya. Pada teknik iradiasi, proses pengikatansilang dilakukan pada akhir siklus (x:mbuatan kabel,sedangkan pada teknik konvensional dilakukan padaproses awal sikIus. Secara teknis ekonomi, diketahuibahwa teknik iradiasi sangat praktis daD mengun-tungkan untuk (x:mbuatan kabellistrik berukuran halosyaitu kabel yang tebal (x:mbungkus (isolator)nya 0.1 -

0.3 IDID. Kabel jenis ini sangat di(x:rlukan untuk in-strument atau aIat-alat elektronik canggih. Selain ituhila polivinil kIorida (pYC) yang digunakan sebagaipolimer (x:mbungkus kabel dan bukan polietilena (PE)sebagai lazimnya, maka ternyata bahan polimer illi

hanya mungkin dicrosslinking dengan menggunakanteknik iradiasi.

Pada Tabel 1 ditunjukkan jenis produk kabelyang digunakan untuk peralatan elektronik daDkontribusinya daIam pasar. Sebagaimana ditunjukkanpada Tabel 1, hampir seluruh kabel tunggal (wire)berikatan silang diproduksi dengan teknik iradiasi.Konstribusinya dalam pasar mencapai 90/0, kabel multiini (multi-wires cable) yang seluruhnya memasok

21,5% pasaran kabel, ternyata lebih dari separohnya(12%) diproduksi dengan teknik iradiasi. Demikianpula kabel tunggal "harness" yang digunakan untukinstrument canggih, ternyata 15% daTi 26,2%kontribusi pasokan pasar kabel elektronik di produksidengan teknik iradiasi. Kurang lebih 300/0 pasokan pasarkabel audio diproduksi dengan teknik iradiasi [8J.

Pada hakekatnya, hampir 40% dari kabel elek-

Akselerator

Tabel I Kontribusi pasar kabel tunggal (wire) daDmulti-inti (Cabel) untuk alat elektronikapada tahun 1988 di Jepang.

Omset penjualan : k..ang lebih 150 Milyard Yen

Nama Kontribusi P8S8r (%)

9.0 (9,0)

8,6

21,5(12.0)

11.0(1.0

8,3

8,4 (2.0)

3.2 (1.0)

26.2(15.0

I Kabel tun@8al berikatan silang

j Kabel tunggal ~~a ik;~ silangGambar I. Fasilitas lradiasi Berkas Elektron untuk

Pembuatan Kabel

~

bebas halogen, derni kepentingan kesehatan daDlingkungan [7]. Oi Indonesia sayangnya hal ini belurnrnenjadi syarat seperti itu. Akibatnya seringkali terj1Klikebakaran, rkarena bahan polirner yang digunakansebagai pentbungkuS kawat kabel tidak berikatan silang

, Kabelhmsgal dcngan is~aI" Nimer AuOJo

" Kabel ko-Axial

I Kabel aucio

I Kabel tunggsl "harness" ...tuk imtrumerd

( ): Perkiraan kontribusi produk yang dihasilkan dengan teknikiradiasi

Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi /II.\'erpong, 20 -21 Oktober 1998 ISSN 1410-2897

Tabel 2. Perbandingan biaya energi berbagai proses pengikatan silang untuk produksi kabel

Biaya Eno:giFasilitas Pengikatan silang yangdiperlukanProses Pengikatan Silang

Yen/Ka. (PE) Nilai relatif

Proses lradiasi berkas elektron Mesin Berkas Elektroo 1.5 Mw,25 mA 2,8 I

Uap

Gas SF.

Alat vulkanisasi konti}1J 43

57

15Proses Kimia

Alat vulkanisasi kontiyu 20

I Proses Sioplas*.

I Tldak ada 26 9

Pengikatan silang dengan pencangkokan silang

polietilena, terutama di USA, Jepang daD Australia.Produk ini sarigat berguna untuk pembuatan bajupelampung marinir, pengemas dan jok mobil/pesawatkarena kualitasnya yang sangat baik.

Bahan polimer yang mempunyai sifat"memory" juga diproduksi dengan teknik iradiasiterutama untuk digunakan sebagai heat shrinkabletube/film untuk pembungkus sambungan kabel,sambungan pipa dan bahan pengemas [8J. Produksibusa plastik polietilena akan sangat menguntungkanbila produksi mencapai lebih dari 100 ton per bulansebagaimana ditunjukkan oleh Gambar 2.

INDUSTRI BAN MOBIL

Lebih dari 80% ban radial diproses dengan teknikiradiasi berkas elektron. Manfaat iradiasi elektronadalah mengurangi penggunaan karel, fabrikasi bansecara mantap dan kualitasnya teljamin. Teknik iradiasiterhadap lembaran karet yang digunakan untuk produksi

tronik berbagai jells, diproduksi dengan teknik iradiasi.Analisis ekonomi dari teknik pengikatan silang polimeruntuk kabel ditunjukkan pada Tabel 2. Dari Tabel 2diketahui bahwa, proses pengikatan silang denganteknik iradiasi jauh lebih murah dibanding dengan teknikkonvensional. Biaya energi yang diperlukan untukteknik iradiasi dinilai 2,8 Yen/kg sedang pada teknikkonvensional (proses kimia) biaya energi mencapai 15sampai 20 kali lebih mahal. Selain ekonomis, prosesiradiasi pengikatan silang dengan teknik iradiasi jugalebih mudah, tinggi produksinya, daD dilakukan pada

temperatur ruang saja.Kabel yang diproduksi dengan teknik iradiasi

ini terutama untuk keperluan telekomunikasi, militer,instrument analisis dan peralatan dirgantara. Beberapanegara yang memproduksi kabel dengan teknik iradiasiialah Jepang, USA, UK, Jerman diikuti oleh Brasil,Korea, daD Cina.

Jenis polimer yang lazim digunakan untukpembuatan kabel berikatan silang diantaranya polivinilklorida (PVC), polietilena (PE) daD polipropilena (PO)dengan produk masing-masing XL-PVC, XL-PE, XL-FRPE (crosslinked flame retardant polyetilene) dan XL-FRPO (crosslinked flame retardant polyolefin) [9,10].

Selain produksi kabel, teknik iradiasi telahberkiprah dalam pembuatan busa plastik dengan bahan

Gambar 3. Fasilitas lradiasi Berkas Elektron untuklembaran karet bagi Produksi ban radial

ban radial ditunjukkan oleh Gambar 3.Struktur ban mobil ditunjukkan oleh Gambar 4.

Adapun bagian ban yang perlu diproses dengan teknikiradiasi ialah pembungkusan kawat bead (bead isola-tor), inner liner, tread. side wall daD benang nilon (ply).Semua bagian ban tersebut kemudian diasembling,dicetak daD divulkanisasi secara kimia sehingga didapat

Jumiab PnxIuksi (ton/bulan)

Gambar 2. Perbandingan biaya pengikatan silang antarairadiasi berkas elektron dengan proses kimia

Mirzan T Razak dkk.62

Prosidmg Pertemuan Ilmiah Sams Materi 1//Serpong, 20 -21 Oktober 1998 ISSN 1410-2897

Tabel 3. Perbandingan teknik iradiasi elektron dan teknik "rotocure"

rrEM ROTOCURE GANDA

Biaya modal

Amortisasi (10 tahun)

IRADIASI ELEKTRON(1,5 MeV X 50 Ma)

$ 620,000.-

$ 62,OOQ.-

$ 585,000.-

$ 58,500.-

Pelcerja langsung (Iokal) $ 36,000.- S 36,OOOc

Biaya pelaksanaan (ov«head) , $ 36,000.- $ 36,000.-

S 43,200.- (240 kV A)Biaya Utiliti

$ 18,000.-

$ 42,000.- (220 kV A)

$ 6,000.-PeraMtan

$ 178.500.-Total $ 195.200.-

Biaya ($I jam)

Produkstifitas (Ibs/jam)

Biaya produksi (centllb)

$ 32.S S 29,8.-

3000 500

1 coot 6 coot

$ 14.4.- $ 84Biaya energi

(utiliti/produktifitas)

Parameter Operasi : 6000 jam/tabooPeriode arnortisasi : 10 tabooBiaya buruh : $ 6/jarnBiaya listrik : 3 centlkW.jarn

risasikan menumt mekanisme reaksi radikal. Bahan inidi lapiskan pada permukaan kayu daD lapisan yangmasih basah selanjutnya dikeringkan dengan iradiasiberkas elektron. Lapisan tipis pada permukaan ituberikatan silang yang kuat, dengan pengeringan (cur-ing) berlangsung dalam tempo yang singkat, daDmerupakan lapisan film polimer yang kuat. Pada Gambar5, ditunjukkan contoh bahan polimer dan skema iradiasi

~I Vinil l-I !i_me. r'

I

_I Kompo,i,. I --., I~I". -Pigmen(Anofgon,k.

orgamk)Gambar 4. Penampang lintang untuk pembuatan ban

radialsI Po\im., I

I tUjenuh

.t- oW

."' .", ,

ban radial bennutu tinggi [8].Analisis ekonomi untuk memproduksi ban ra-

dial dengan teknik iradiasi dibandingkan dengan salahsatu teknik kimia yang lazim digunakan (teknik"rotocure" ganda) ditunjukkan oleh Tabel 3. Gambar 5. Contoh bahan polimer yang digunakan untuk

proses iradiasi permukaan kayu lapis.

INDUSTRI KAYU LAPIS

Dalam industri kayu lapis kadangkala diperlukan perlakuan tambahan (treatment) yaitu pela-pisan bahan cat pada permukaan kayu. Bahan pelapisdimaksud dapat terdiri dari resin tak jenuh (unsaturatedresin) dan monomer vinyl monomer yang di polime-

pennukaan kayo lapis.Selain digunakan untuk pengeringan (curing)

lapisan permukaan kayu, teknik iradiasi elektrondigunakan pula untuk "curing" lapisan pennukaan kertasyang digunakan bagi keperluan percetakan atau bahan

63Mirzan T Razak dkk.

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

~ngemas bennutu tinggi. Penelitian dan ~ngembanganteknik iradiasi pada pennukaan kayu di lakukan di BATANdengan menggunakan mesin berkas elektron 300 Ke ~ 50

mA[lU2J.

untuk kegiatan laboratorium rnikrobiologi juga diste-rilkan dengan teknik iradiasi Badan Tenaga AtomNasional (BAT AN) mempunyai fasilitas penelitian dansekalipun memberi pelayanan iradiasi untuk sterilisasialat kesehatan (alkes). Selain itu perusahaan swastaNasional, INDOGAMMA, yang berlokasi di Cibitung,Bekasi, juga memberikan pelayanan secara komersialbagi sterilisasi alat kesehatan. Dalam hal ini BATANmaupun INDOGAMMA menyediakan fasilitas iradiasigamma menggunakan sumber iradiasi kobalt-60.Keunggulan sterilisasi dengan teknik iradiasi, dianta-Tanya dilangsungkan pada temperatur kamar, tidak perInmembuang investasi perlakuan aseptik yang ketat,dapat dilaksanakan pada akhir siklus produksi yaitusetelah semua produk dike mas siap pasar,kemungkinan re-kontaminasi sangat kecil dan yangpenting adalah mudah pengoperasiannya dan hemat

energi [14].

INDUSTRI STERll-ISASIALAT KESE-BATAN

Alat kesehatan sebagian besar terbuat daribahan polimer. Cara yang paling tepat, aman daDekonomis untuk sterilisasinya adalah dengan teknikiradiasi gamma atau iradiasi berkas elektron. Tekniksterilisasi lain yang gunakan untuk bahan polimeradalah menggunakan gas etilen oksida (EtD). Akantetapi cara gas ill dapat meninggalkan residu daDlingkungan kerja yang toxic [13].

Pada Gambar 6. Ditunjukkan teknik irndiasi berkaselektron yang digunakan untuk sterilisasi alai kese-batao. Bentuk gambar yang sarna dengan mang iradiasiyang dikelilingi tembok beton tebal sebagai perisaiiradiasi juga berlaku bagi fasilitas iradiasi gamma dengan

KESIMPULAN

Aplikasi irndiasi nuklir, khususnya iradiasi gammadan berkas elektron terhadap bahan polimer telah masukdan mapan dalam jajaran industri, BATAN sudah muJaimemperkenalkan teknik ini ke dalam jajaran industri diIndonesia narnun masih banyak kendala yang harusdihadapi. Investasi awal yang cukup tinggi, skalaproduk belum mencapai paket ekonomi, bel urn adakemauan politik pemerintah dan pihak swasta nasionaldalam mengimplentasikan ketersediaan bahan bakupolirner maupun standarisasi produk adalah diantarakendala yang belum dapat dipecahkan.

AkseIt7ator

DAFTAR PUSTAKA

Gambar 6. Fasilitas lradiasi Berkas Elektron untukSterlisasi Alat Kesehatan

surnber radiasi, radioisotop Kobalt-60.Sterilisasi alat kesehatan dengan teknik iradiasi,

baik menggunakan iradiasi gamma maupun berkaselektron, merupakan teknik yang amat sukses secarakomersial. Teknik ini dipelopori di Amerika (USA) padatahun 1958 diikuti Australia, Kanada, Perancis tahun1970-an dan Jepang pada tahun 1980-anserta sekarangdigunakan di 40 negara seluruh dunia, termasuk Indo-nesia [13J.

Diantara alat kesehatan yang disterilkan denganteknik iradiasi ialah alat suntik sekali pakai (disposablesyrenge) yang terbuat dari polimer poli propilen (PP) alatpencuci darah (dialisis unit) yang terbuat dari polimerpolietilena (FE), Politetra fluoroetilen (PTFE), polistirena(PS) dan poli vinil khlorida (pYC). Alat kesehatan lainyaitu sarong tangan bedah, kateter, pembalut luka bakardan alat keluarga berencana IUD. Selanjutnya berbagaialat laboratorium seperti petridis, pipet dan labu ukur

[1). YONEHO TABATA, FmKlamental of radiation chem-istJy,Radiat.Phys. Chern. 18,1-2(1981)43-58.

[2). Anonymus, Takasaki in Accelerator for AdvancedRadiation Application, TRCRE-JAERI (1995).

[3). JANUS H. O'DANNEL, Radiation ChemistJy ofPolymer The effects of Radiation on High-tech-nology polymer, ACS symposium series 381 (ElsaReichnamis & Janes H. O'Dannell, Editors),American Chemical Society, Washington DC(1989) 1-13.

[4). KERSHAK V. V The symposium of polimer bymodification methods, Russian Chemical Review,49,12(1980) 1335-1148.

[5). MIRZAN T. RAZZAK, Pertambangan energyradiasi untuk pengolahan polimer dalam industriceramah stadium General FMIPA-IKIP, Rawa-mangun, Jakarta 4 Desember 1989.

[6). KErn UENO, The radiation crosslinking processand new product, Radiat. Phys. Chern., 35, I -3(1990) 126.

[7). YAMAMOTO S., Crosslinking of wire and cableswith electron beam, Proceeding of workshop onthe utilization of electron beam (Ed. By Sueo Machi),

Mirzan T Razak dkk.64

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

JAFRLI9~ 60-77.[8]. DOl, T. Economical aspect of industrial electron

accelemtor, Proceeding of the workshop on the uti-lization of Electron Beam, (Ed. By Shoichi Sato),JAERI, (1993) 41-59.

[9). ANIK SUNARNI, GATOT TRlMULYADI, ISNIMARLlY ANTI, MlRZAN T. RAZZAK, Pengaruhantioksidan terhadap pembentukan ikatan silangdalam polietilena, Prosiding Pertemuan IImiahSains Materi II, Serpong, (1997) 240.

[10). MIRZANT.RAZZAK, WIWlKS.SUBOWO,SUMIlRJDIYONO, GAror1R1MULYADI, ANIK SUNA-RNI, ISNI MARLlY AN11, ~ pengikatan silangpolietilena untuk bahan isolasi kabel tahan panas,Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi, PPSM,Serpong, 1996.

[11). MIRZAN T. RAZZAK, SUGIARfO DANU, SomeObstacles to bring the radiation curing techniquesto industrial sector, the Fifth International Confer-ence on Radiation Curing, Chulalongkorn Univer-sity,Bangkok, ThaiJand(I995) 14.

[12). DARSONO, SDANU dan ASUNARNI, Ketallananlapisan akrilat iradiasi berkas elektron pad~permukaan kayo kapur dan kayo meranti, ProsidingPertemuan llmiah Sains Materi II, Serpong, 1997.

[13). RlJrnM BRlNSTON,FubJre growth in the gammasterilization of dispossable medical products,Radial. Phys. Chern., 35, 1-3 (I9~) 390.

[14). COOK P.M., Impact and benefit of Radiation Tech-nology" Radial. Phys. Chern., 35, 1-3 (1990) 7.

Mirzan T Razak dkk. 65