STurn A W AL MORFOLOGI KOPOLIMER KARET ALAMSTIRENA TERIRADIASI DENGAN MENGGUNAKAN

SPEKTROMETERSANS

A. Insanil, Sudinnanl, J. Suzuki2, S. Koizumi2, A.lkraml dan A. Purwantol

I Puslitbang Iptek Bahan -BATAN; Kawasan Puspiptek Serpong, Tangerang2 Advanced Science Research Center, JAERJ; Tokai, Ibaraki, 319-119, Japan

ABSTRAK

STUDI AWAL MORFOLOGI KOPOLIMER KARET ALAM STIRENA TERIRADIASI DENGAN MENGGUNAKAN SPEKTROMETERSANS. Telah dilakukan studi morfologi terhadap kopolimer karet alam stirena yang dibuat dengan cara iradiasi sinar gamma sebesar 15 kGy, 30kGy dan 45 kGy dengan menggunakan teknik hamburan neutron sudut kecil (SANS). Hasil pengamatan menunjukkan bahwa intensitas hamburanneutron yang diperoleh sebanding dengan q-4 (Porod Jaw). Hal ini menunjukkan bahwa in/efface antara karet alam dan stirena tidak tajam. Padairadiasi gamma sebesar 30 kGy dan 45 kGy terdapat puncak pada q = 0,2 nm-1 yang berkorelasi dengan keteraturan berjarak 31,4 nm. Sedangkanpengamatan dengan SEM menunjukkan perbedaan yang tidak berarti di antara ketiga cuplikan.

ABSTRACT

PRELEMINARY MORPHOLOGY STUDY OF NATURAL RUBBER-STYRENE GRAFT COPOLYMER. Measurement of irradiatednatural rubber-styrene graft copolymers have been conducted using small angle neutron scattering (SANS) spectrometer. These samples weregraft copolymer of natural rubber-styrene that had been irradiated by different gamma ray doses (15 kGy, 30 kGy and 45 kGy ). SANSmeasurements showed that the neutron intensities correspond to q-4 (Porod law) which seems that there is no clear and sharp interface betweenthe styrene and natural rubber. For samples irradiated by 30 kGy and 45 kGy gamma ray doses, there was a peak at q = 0.2 nm-1 corresponding tostructure of 31.4 nm in magnitude. Mean while SEM measurements showed merely small negligible differences among the three different samples.This preliminary study has shown that graft copolymers which have been irradiated were very interesting subject in the development of ourunderstanding of many kinds of polymers.

PENDAHULUAN

Radiasi adalah salah satu teknik pembuatan kopolimer.Sebagai contoh adalah kopolimerisasi radiasi monomerstirena pada lateks karet alam yang telah banyak diteliti[1-3]. Kopolimer karet alam stirena (KA-St) dapatdipakai sebagai bahan perekat kayu lapis, sol sepatu,sarung tangan, clan onderdil otomotif. Kopolimer latekskaret alam clan stirena memiliki sifat termoplastikelastomer yang baik. Menurut Benyamin, M., clanWalter [4], karet yang bersifat termoplastik elastomerdapat didaur ulang sampai dengan 3 kali clan kualitasnyamasih cukup baik. Karena sifat termoplastik elastomeryang dimiliki kopolimer KA-St ini maka penelitiantentang penyebab munculnya sifat tersebut menjadisangat penting.

Ukuran partikel, bentuk partikel, jarak antarpartikel serta distribusinya berperan penting dalammenentukan unjuk kerja clan karakteristik daTi bahanbaku maupun turunan produk polimer [5]. Sebagai

contoh ukuran dan distribusi partikel bahan baku atauproduk polimer akan mempengaruhi sifat viskositasemulsi, kekuatan ikatan adhesif, dan kestabilan

pembekuannya.Hamburan neutron sudut kecil (SANS) menjadi

~alah satu teknik penting dalam bidang polimer untukmempelajari konforrnasi dan dinamika rantai polimer,baik dalam rasa larutan maupun padatan [6]. OJ sampingitu beberapa hal yang dapat dipelajari denganmenggunakan teknik SANS adalah karakterisasi beratmolekul, penentuan parameter interaksi antara masing-masing komponen polimer blending, studi pemisahanrasa dalam campuran polimer, penentuan distribusipusat-pusat ikatan silang dalam polimer jaringan,relaksasi rantai po1imer dalam polimer elastik, sertamorfologi kopolimer blok [7].

SANS, hamburan sinar-X sudut kecil (SAXS),hamburan sinar tampak (light scattering) dan mikroskop

~I 6 J~ 2001 87

S't...l; A1IfJ.11~ ~ K 4 Al.4... ~ T~ ~ 11~ ~N5A.I~.~

Aproksimasi ini berlaku secara umum untuk QRg < 1.5,dimana Rg dikenal sebagai jari-jari girasi (jari-jariGuinier).

Secara sederhana basil pengukuran SANSterhadap suatu cuplikan dapat dipaparkan sebagai berikut[10]. Pengukuran pola hamburan neutron sudut kecil(SANS) dari suatu bahan dapat disajikan seperti pactagambar I. Tampak bahwa acta hubungan tertentu antaramomen transfer (q) dengan intensitas hamburan yang

terjadi.

elektron (ME) merupakan teknik-teknik yang salingmelengkapi satu dengan lainnya dalam mempelajaribentuk, ukuran dan jarak antar molekul (partikel) denganukuran panjang sampai looA. Akan tetapi denganadanya kemampuan membuat dan mengamati variasikontras dalam percobaan SANS, menjadikan teknik inilebih unggul daTi SAXS terutama dalam mempelajaribahan yang mengandung atom hidrogen seperti polimer[6]. Dibandingkan dengan sinar tampak dan ME , teknikSANS dapat menggunakan cuplikan dalam jumlah besar(bulk) dan konsentrasi tinggi. Dari penjelasan di atasjelaslah bahwa SANS meruPakan teknik yang sangatampuh dalam mempelajari polimer selain SAXS,hamburan sinar tampak dan mikroskop elektron.

Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahuimorfologi daTi kopolimer karet alam stirena (KA-St)dengan berbagai variasi iradiasi dengan menggunakanhamburan neutron sudut kecil. Sebagai perbandinganmaka basil pengamatan mikroskop elektron juga akandisajikan. Mengingat teknik SANS ini merupakan teknikyang relatif barn di Indonesia, maka pada makalah inilatar belakang teori hamburan neutron sudut kecildisajikan untuk memberikan gambaran secara singkatmengenai proses pengambilan data hamburan tersebut.

qrn

Sudut Hamburan q (nm-1

Gambar 1. Profil hamburan neutron sudut kecil

TEORISANS

Hamburan neutron sudut kecil muncul karenaadanya fluktuasi kerapatan panjang hamburan padabahan [8]. Fluktuasi tersebut sebagai contoh dapatditimbulkan oleh munculnya rasa kedua (presipitatmisalnya) pada matriksnya. Sebagai konsekuensinyaapabila tidak terjadi fluktuasi maka intensitas hamburanneutron sudut kecilnya akan tidak bergantung pada suduthamburannya (flat). Tampang lintang SANS daTipresipitat-presipitat yang terdistribusi secara acakdiberikan melalui ekspresi sebagai berikut :

Pacta profil SANS terhadap suatu bahan sepertidiperlihatkan gambar I dapat diketahui adanyaketeraturan dengan jarak antar partikel sebesar :

A",=?!:qm (3)

Am adalah ,iarak aJ1tar partikel, qrn adalah sudut harnburanpada intensitas maksimum.

Penyajian pola SANS dapat pula dilakukanseperti pada garnbar 2, yaitu dengan menggunakan grafiklog-log antara intensitas (log I) terhadap momen transfer

(log q).

.~

N

d}:

dO -bI)

.£dimana np adalah jumlah presipitat per satuan volume,sedangkan (v;) adalah kuadrat dari volume rata-ratasebuah presipitat, N adalah jumlah atom per satuanvolume dan (Ap) adalah perbedaan rata-rata rapatpanjang hamburan antara presipitat dan matriksnya, F(Q)adalah faktor bentuk yang menyatakan hamburan darisebuah presipitat dan tanda ( ) menyatakan harga rata-rata yang melingkupi berbagai ukuran dan orientasi daripres ip itat. I(Q) menyatakan hamburan yang disebabkanoleh interface effect di antara presipitat-presipitattersebut.

log qGambar 2. Plot dari log I vs log q

Pacta daerah Porod dimana qRg > 1.5 nm-1 dapat

diketahui keadaan interface suatu partikel denganmatriksnya. Jika interface tajarn maka kemiringan dariplot log I vs log q sarna dengan -4. Sedangkan jika

interfacenya tidak tajarn maka kemiringannya hanya

mendekati -4.

Faktor bentuk di atas dapat didekati melalui [9] :

(2)

~, 6 J~ 200188

s::t...l.: A1Iiolll H~ ~ ~ A~ ~ 1~ ~ H~ SANSA.'~, J./IJ.

HASIL DAN PEMBAHASANTATAKERJA

Cuplikan kopolimer karet alam stirena (KA-St)diperoleh dari Puslitbang Teknologi Isotop daD Radiasi-BAT AN. Cuplikan ini dibuat dengan caramencampurkan karet alam cair dengan monomer stirenadengan kadar 50%. Sambil diaduk dilakukan radiasi sinalgamma dengan dosis bervariasi, yaitu 15, 30, daD 45 kGy[11]. Untuk memudahkan penyebutan cuplikanselanjutnya berturut-turut disebut sty 7, 8 daD 9. Tujuanmemvariasi dosis agar diperoleh grafting monomerstirena terhadap karet alam berbeda-beda sehingga data I(indeks polidispersi) daTi pengukuran GPC (GellPermeable Chromatography) akan berbeda daDperbedaan yang ada diharapkan dapat dilihat denganSANS.

Jika karet alarn sebagai matrik dan stirenasebagai partikel yang berada di dalamnya, maka sebagaipemodelan sederhana morfologi kopolimer KA-St dapatdigarnbarkan seperti garnbar 4 berikut.

Pengamatan dengan SANS dilakukan denganmenggunakan SANS-J di JAERI-Jepang. Gambarskematik dari peralatan SANS-J diberikan pada gambar3. Peralatan SANS ini menggunakan sumber neutrondingin. Berkas neutron dimonokromatisasi menggunakanselektor kecepatan mekanik. Jarak antara cuplikan dandetektor (L) dipilih pada posisi 1,5 m dan 10 m. Denganmengkombinasi harga L dan panjang gelombangneutron, A = 0,7 nm diperoleh selang transfer momentumAQ = 0,02 -0,2 nm-1 dimana Q didetinisikan sebagai :Q = {47t sin (8/2)}/ A (8 = sudut hamburan ; A = panjang

gelombang neutron). Dengan pengambilan panjanggelombang yang besar ini, efek dari hamburan Braggganda dapat dihindari. Pemilihan harga AQ tersebutmemungkinkan untuk diamatinya ukuran keteraturanberukuran mulai dari 15 nm sampai 150 nm. Berkasneutron yang terhambur dideteksi dengan positionsensitive detector (PSD) dua-dimensi, yang berisi gas3He, dengan jumlah elemen 128 x 128. Uraian lengkapmengenai SANS-J ini telah disajikan dalam makalah lain[12]. .

Gambar 4. Model kopolimer karet alam stirena

Stirena tersebar dalarn matriks karet alarn secara acakdan membentuk keteraturan jarak panjang (long rangeorder). Keteraturan dan fluktuasi ini berada dalarn ordemagnitut yang dapat diarnati oleh peralatan SANS.

Profil intensitas hamburan neutron denganmenggunakan SANS diperlihatkan pada garnbar 5. Darigarnbar ini dapat diketahui bahwa profil intensitashamburan neutron makin besar pada iradiasi gammayang semakin besar. Hal ini menunjukkan bahwa makintinggi iradiasi gamma maka makin tinggi pulaketeraturan yang ada dalarn bahan tersebut. Pada basilpenrukuran Sty 8 dan 9 terdapat puncak pada q = 0,2

nm-. Dengan menggunakan persarnaan (2) dapatditentukan bahwa jarak antar partikel pada cuplikankopolimer KA-St tersebut adalah sebesar 31,4 nm.

Gambar 3. Diagram skematik peralatan SANS-J,JAERI

Sedangkan pengamatan dengan menggunakanmikroskop elektron dilakukan dengan menggunakanSEM Philips 505 yang berada di Puslitbang Iptek Bahan-BAT AN. Perbesaran yang digunakan adalah 503 kali.

Gambar 5. Profil SANS dari kopolimer karet alamstirena

89~, 6 J~ 2001

~ A4i.L H~ ~ ~ A~ ~ T~ ~ H~ SANS'A.'~,~

KESIMPULANSebagai perbandingan terhadap pengamatan

SANS, di bawah ini ditarnpilkan basil pengamatandengan menggunakan mikroskop elektron (SEM). Hasilpengamatan dengan mikroskop elektron (SEM)diperlihatkan pada gambar 6. Dari gambar tersebut dapatdiketahui bahwa morfologi antara karet alam clan stirenatidak tampak jelas baik batas antara karet alam clanstirena maupun bentuk dari masing-masing. Oleh karenaitu perlu penelitian lebih lanjut dengan menggunakanmikroskop elektron transmisi (TEM) dengan resolusiyang memadai.

Penelitian awal morfologi kopolimer teriradiasi,dalam hal ini karet alam-stirena, telah dilakukan denganmenggunakan teknik hamburan neutron sudut kecil(SANS). Tiga buah cuplikan dengan tiga dosis iradiasigamma berbeda telah memiliki pola SANS yang baikbentuk maupun intensitasnya berbeda. Pacta cuplikandengan iradiasi 30 kGy daD 45 kGy diamati adanyapuncak hamburan pacta q = 0,2 nm'l yang berkorelasi

dengan jarak keteraturan sebesar 31,4 nm. Sementara ituketiga cuplikan tersebut memberikan kemiringan q -4

pacta daerah Porod.Dari hasil ini dapat disimpulkan bahwa interface

antara karet alam dengan stirena tidak tajam. Sedangkanuntuk mengetahui bentuk serta ukuran yang akurat

diperlukan penelitian lanjutan dengan menggunakanmikroskop elektron transmisi resolusi tinggi

UCAP AN TERIMA KASIH

Ucapan terima kasih diberikan kepada rekan-rekan grup polimer dari Puslitbang Teknologi Isotop daDRadiasi BA TAN yang telah memberikan cuplikankopolimer karet alam stirena (KA-St) serta kerjasamabilateral BAT AN-JAERI yang telah memberikesempatan kepada penulis untuk mengambil data SANSdengan peralatan SANS-J di JAERI , Jepang.

STY? 503x

DAFTARPUSTAKA

[1]

[2]

STY8 503x[3]

[4]

[5]

[6]

STY9503x

SUNDARDI, F. DAN KADARIJAH, S.,Radiation Graftting of Metyl MethacrylateMonomer on Natural Rubber Latex, J. Appl.Polym. Sci., 29,1984, p.1515.SUNDARDI, F. DAN SOFIARTI, W.,Kopolimerisasi Tempel Stirena pada Lateks KaretAlam Secara Radiasi, Simposium 111 PAIR-BAT AN, Jakarta, 1988, p.208.COOPER, W., VAUGHAN, G., DAN MADDEN,R. W., Molecular Weight of Polymetylmethacrylatein Rubber Metyl-methacrylate Graftt Copolymer,J.Appl. Polym.Sci., 13, 1959, p.329.BENY AMIN M. AND W ALTER, Hand BookThermoplastic Elastomer, Van Norstand RemboldCompany, New York, 1979.COOK W.D., & GUISE, G.B., Polymer UpdateScience and Engineering, Australian PolymerScience Series Vol. 2, Polym Division RoyalAustralian Chern. Institute, Victoria 3052,Australia, 1989, p.20-29.HIGGINS, J.S., MACONNACHIE, A., PhysicsMethods of Experimental, vol. 23, part C,Academic Press, Inc., 1987, p.56.GOYAL, P .S., Small Angle Neutron Scattering,IAEA/RCA Worshop on SANS, Bhaba Atomic

~Research Center, Bombay, April 1995, p.37.

[7]Gambar 6. Hasil pengamatan kopolimer KA-St

dengan SEM

~I ~ J~ 200190

~ A*,oAll-1~ ~ ~ At ~ T~ ~ I-1c,.",.,.c'!-..i(- SANSA.'~.~

[8] LoA. FEIGIN, et.al, Structure Analysis by SAXS andSANS, Plenum Press, London (1987)

[9] AoCoR. Guinier, Acad. Sci., Paris, 1937,204, 1115[10] Ho HASEGAWA, Structures of Multi -component

Polymer System, diktat kuliah umum, Maret 200 I[II] HERWINARNI, S., MARGA UTAMA,

KADARIJAH, So, MADE SUMARTl, DAN

SUNIT HENDRANA, Penentuan Berat Mo/eku/Kopo/imer Karet A/am Meti/ Metakri/at dan KaretA/am Stirena Iradiasi, Simposium NasionalHimpunan Polimer Indonesia, 1995, p. 60-66.

[12] J. SUZUKI, JAERl NSL Report, 1992.

TANYA-JAWAB

Penanya : B. H. Sasangka (P3TIR -BAT AN)

Apakah ada perlakuan khusus dalarn preparasi sampel ? Sebaiknya berapa ketebalan sampel tersebutdipersiapkan ?

Jawaban

Tidak acta perlakuan khusus dalarn preparasi sarnpel. Langsung dapat diarnati apa adanya, dengan syaratmemiliki bentuk yang rata. Untuk memudahkan perhitungan, sebaiknya memiliki ketebalan 1 mm daDberdiarneter 1.5 cm. Sarnpel dapat berupa sampel padat berbentuk bulat daD lain-lain, bisa juga berupa serbukatau cair.

91~I 6 J~ 2001