Risalah Seminar Ilmiah Peneli/ian don Pengembongon Aplikasi lsotop don Radiasi, 2004

EFEK BAHAN ANORGANIK PADA SIFAT FISIKPOLI(BUTILEN SUKSINAT -co. ADIPAT) DIIRADIASI

MENGGUNAKAN BERKAS ELEKTRON

Meri SuhartiniPuslitbang Teknologi Isotop dan Radiasi -BATAN, Jakarta.

ABSTRAK

EFEK BAHAN ANORGANIK PADA SIFAT FISIK POLl IBUTILEN SUKSINAT -co-ADIPATI DIIRADIASI MENGGUNAKAN BERKAS ELEKTRON. Poli(butilen suksinat-co-adipat) PBSA, di irradiasi menggunakan berkas electron, setelah di campur dengan bahananorganik. Hasil irradiasi menunjukan bahwa campuran yang mengandung 2% silikon dioksidaatau 2% karbon hitam mempunyai kandungan gel yang tinggi, selain itu penambahan silikondioksida atau karbon hitam baik untuk meningkatkan kestabilan panas PBSA. Hal ini karenaterjadi ikatan silang selama irradiasi. lradiasi PBSA murni langsung putus pada 110°C denganbeban 6,67 kgf/cm2, sementara iradiasi PBSA yang mengandung 2% karbon hitam tetap stabilpada kondisi yang sarna. Kemampuan terdegradasi di uji dengan test penimbunan. Hasil testpemendaman menunjukan kemampuan sampel berdegradasi meningkat dengan penambahankarbon hitam.

ABSTRACT

EFFECT OF ANORGANIC SUBSTANCE ON PHYSICAL PROPERTIES OFPOLYjBUTYLENE SUCCINATE-co-ADIPATEI IRRADIATED BY ELECTRON BEAM.Poly(butylene succinate-co-adipatel, PBSA were electron beam irradiated in the presence ofinorganic materials. The samples gave high gel fraction by irradiation in the presence of 2%silicon dioxide and 2% carbon black. It was found that addition of carbon black (CBI was effectivefor improving the heat stability of the sample. This is because of three-dimensional carbon black-polymer networks. Irradiated PBSA sheets broke immediately at 110°C with load 6.67 kgf/cm2,while irradiated the same sample mixed with 2% carbon black did not break at the samecondition. Biodegradability of crosslinked PBSA by soil burial tests was accelerated by addition ofcarbon black.

PENDAHULUAN meningkatkan basil reaksi pada polimerisasiradiasi. Bahan anorganik tertentu yangditambahkan dapat merubah sifat-sifat fisika clankimia daTi polimer. Hal ini terjadi kemungkinandisebabkan pengaruh perubahan karakter celahformasi clan propagasi, pembentukan spatialruang clan penurunan modulus elastisitas padamatrik filler yang berhadapan.141 Bahan-bahanorganik berpengaruh pada integritas phisik clankimia polimer .15) Bahan anorganik dipergunakandalam polimer dengan berbagai alasandiantaranya untuk mengubah penampilan, agartidak tembus cahaya, proteksi clan sebagaipengisi. Dengan keberadaan bahan anorganik,bagian polimer yang amorphous yang mulanyalarut dalam pelarut tertentu menjadi tidak larut.Sebagai contoh dengan keberadaan karbon, karetmenjadi tidak larut, karena terjadinya ikatan tigadimensi antara karet clan karbon hitam, yangterbentuk karena percampuran ini.16! PBSAterdeformasi dalam air mendidih, oleh karena itupeningkatan ketahanan panas sangat diperlukan

Pada dasawarsa ini kebutuhan akanbiodegradable plastik di negara-negara seperti]epang, Amerika clan negara-negara di eropa,meningkat dengan cepat berkaitan denganpengendalian polusi lingkungan. Biodegradablepolimer yang saat ini sudah komersial adalahjenis-jenis alipatik poliester, poliether, poli(vinilalkohol) clan polisakarida. Biodegradable foamtelah dapat di hasilkan daTi poli(butilenesuksinat) diiradiasi menggunakan berkaselectron. (11

Poli(butilen suksinat-co-adipat) PBSAadalah biodegradable aliphatik poliester yang saatini sedang banyak diteliti penggunaannya untukbidang pertanian, konstruksi clan peralatanmedis. PBSA diproduksi melalui reaksipolikondensasi glikol-glikol semacam etileneglikol clan 1,4-butandiol clan juga asam-asamalipatik dikarboksilik semacam asam suksinatasam adipate sebagai bahan utama.IZ.31 Bahan

Risalah Seminar Ifmiah Penelitian daD Pengembangan Aplikasi lsotop don Radias£ 2004

Dalam studi ini kami menganalisa efisiensiradiasi ikatan silang pada PBSA dan kemampuanterdegradasinya setelah dicampur dengan bahananorganik. Penelitian dilakukan di Japan AtomicEnergy Research Institute (JAERII-Takasaki.

menggunakan sebuah oven pacta temperatur yangbervariasi dan menggunakan burner yang disebutdengan klip test. Sampel yang berupa filmdengan ukuran 0,5 mm x 3 mm x 20 mm digantung didalam sebuah oven dengan beban dantemperatur tertentu. Deformasi yang terjadi danwaktu yang diperlukan untuk putus diamati. Cliptest di lakukan menggunakan sebuah burner.Sampel yang berukuran 0,5 mm x 10 mm x 50mm digantung dengan beban 7,67 kgf/cm2.Perpanjangan sampel diamati pacta temperatur100°C selama 3 menit, kemudian be ban diambildan pengkerutan sampel diamati.

EKSPERIMEN

BahanPoli(butilen suksinat-co-adipat) yang

dipergunakan di peroleh daTi Showa HighPolymer Co. Ltd. ,dengan spesifikasi sepertitertulis pada table 1. Sedangkan bahan organikyang ditambahkan terdiri daTi 12 jenis yaitu :karbon hitam 1 (Perkebunan Malaysia), karbonhitam (karbon aktif), silikon dioksida, silikonpowder, zeolite, molecular sieves, alumuniumoksida aktif, Diatomaceous earth, Titanium (IV)oksida, Alumunium sulfat anhydrous, kalsiumklorida, kalsium karbonat, dan lempung aktif(montmorillonite) .

Pengukuran radikal menggunakan ESRSampel berbentuk film dengan ukuran 3

mm x 0,5 mm x 30 mm dikeringkan clan divakumdalam tabung ESR berdiameter 5 mm. Sampelkemudian diiradiasi dengan irradiator gammapada dosis 20 kGy, kondisi vakum pada 77 K

(nitrogen cairl. Pengukuran di lakukanmenggunakan ESR tipe JEOL (JM-FE3)spektrometer X-band pada frekwensi 9,07 -9,22GHz, kondisi nitrogen cair, pada temperatur 77K, 203 K, 273 K, 298 K, 323 K.

Tabel Beberapa sifat PBSA

Sampel Bera!molekul

Titik leleh

rC!Bera! jenis

(g/cm3)

f::.H

(JIg)

2,96 x 105 92 1,23 45Test pemendaman

Test pemendaman dilakukan dalam plastikyang berukuran panjang 57 cm, lebar 17 cm clantinggi 14 cm. Pemendaman dimulai pada bulanJanuari ketika suhu lingkungan rata-rata -5°C -DoC sampai bulan Juni ketika suhu lingkungan10°C -20°C. Tanah yang dipergunakan berupacampuran kompos clan tanah kebun denganperbandingan 1:1 pada pH 7, dengan kadar air40%.171 Contoh basil potongan dumbell denganketebalan 0,5 mm dipendam kira-kira 3 cm daTipermukaan tanah untuk waktu yang bervariasidaTi 2 minggu sampai 6 bulan. Setelah waktutersebut contoh diambil daTi tanah, dicuci clandilap dengan kertas tissue sebelum dikeringkandalam oven pada suhu 40°C.

Poli(butilensuksinat-co- adipat).PBSA

MetodePolimer biodegradable daD bahan

anorganik di campur di dalam labo plastomilmodel 50C150 (Toyo Seiki), dengan kecepatan 20rpm pada 150aC, kemudian dipres menggunakanpres panas pada temperatur 150aC selama 6menit untuk mendapatkan sample denganketebalan 0,5 rom, selanjutnya di dinginkan padatemperatur ruangan dengan menggunakan alatpres dingin selama 3 menit. lradiasi dilakukanpada kondisi atmosfir daD vakum menggunakanmesin berkas elektron dengan energi 1 MeV clankuat arus 1 mA, pada dosis bervariasi daTi 30sampai 200 kGy pada laju dosis 10 kGy/pass.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Efek penambahan bahan anorganik padaikatan silang.

Kadar gel daTi PBSA yang mengandungbahan anorganik setelah iradiasi di simpulkanpada Tabel 2, daTi tabel tersebut dapat dilihatbahwa kandungan gel daTi sampel meningkatsecara nyata dengan penambahan beberapabahan anorganik pada iradiasi dalam kondisivakum. Penambahan karbon sebagai aditifmenghasilkan kadar gel yang tinggi (56,83%1setelah iradiasi, hal ini disebabkan adanya reaktiffungsional grup pada permukaan partikel karbonaktif.18) Sebaliknya pada penambahan lempung

Analisa fraksi gelFraksi gel di analisa, dengan pengukuran

bagian yang tidak larut, selama 48 jamperendaman dalam kloroform mendidih. Fraksigel dihitung sebagai rasio dari gel kering terhadapberat awal sampel.

Fraksi gel (%) -[(Wg/WJ] x 100%

Dimana W g adalah be rat gel clan Wi adalah beratsampel awal.

Test ketahanan panasKetahanan panas diukur dengan

menggunakan beberapa metode, yaitu dengan

RisaJah Seminar Omiah PeneJitian den Pengembangan ApJikasi lsotop dan Radia~ 2004

daripada sample asli, hal ini membuktikan teoriyang menyatakan bahwa karbon hitammempunyai kemampuan untuk mendorongpenyerapan energi radiasi,I81

Stabilitas panasUntuk menganalisa waktu yang diperlukan

sample untuk terdeformasi secara total, padatemperatur yang berbeda, ditentukan denganmengukur deformasi sample pad a temperaturdan beban yang berbeda menggunakan sebuahalat klip test yang di modifikasi. Oari gambar 3dapat dilihat bahwa, sampel yang mengandungkarbon daD atau silikon dioksida, daD diirradiasipada dosis 160 kGy mempunyai stabilitas panasyang lebih tinggi dari sample mumi. Sampelmuni walaupun telah diiradiasi pecah pada suhu110°C pada be ban 6,67 kgf/cm2. Sementarairadiasi PBSA yang mengandung 2% karbonhitam tetap stabil pada kondisi yang sarna.

aktif memberikan fraksi gel yang terendah(19,37%1. Fraksi gel PBSA teriradiasi adalah27,46%. Jika polimer diiradiasi, reaksi utamasangat tergantung pacta energi yang tereksitasi didalam clan di antara molekul-molekul, Jugatergantung kekuatan ikatan kimia masing-masingmolekul, clan pacta pengaturan geometris darimolekul-molekul polimer. Biasanya proses yangterjadi tergantung reaksi yang dominan ikatansilang at au degradasi,I91

Efek udara pacta kandungan gel PBSAdengan adanya silikon dioksida diperlihatkanpacta gambar 1. Dapat dilihat bahwa PBSA yangdi iradiasi dalam kondisi vakum, memberikanfraksi gel lebih tinggi dibandingkan yang diiradiasi pacta udara bebas. Hal ini karena sampelyang di iradiasi pacta kondisi berudara bebasdapat terdegradasi, yang disebabkan adanyareaksi oksidasi. Kandungan gel dari PBSA-1 %Silikon dioksida teriradiasi adalah 25,26% pactadosis 60 kGy. Kandungan gel meningkat menjadi51,13% pacta dosis 160 kGy, clan 53,93% pactadosis 200kGy. Sedangkan pacta PBSA tanpasilikon dioksida, ternyata tidak acta kandungangel pacta dosis 60 kGy, pacta dosis 160 kGykandungan gel 41,35%, clan 44,73% pacta dosis

200kGy.

Test pemendamanTest pemendaman adalah test yang

dilakukan untuk mengevaluasi kemampuansampel terdegradasi oleh bakteri didalam tanah.Efek karbon hit am pacta kemampuanberdegradasi PBSA, tanpa iradiasi dan iradiasidiperlihatkan pacta gambar 4. Oari gambarterlihat bahwa kehilangan berat karenaterdegradasi pacta sampel murni tanpa irradiasimaupun diirradiasi, lebih rendah dibandingkansample yang mengandung 2% karbon hitamtanpa iradiasi maupun di irradiasi. Kenaikanwaktu penimbunan menyebabkan terjadiperbedaan kehilangan berat yang cukupsignifikan antara PBSA asli dan PBSA yangmengandung karbon, dimana setelah 6 bulanpemendaman kehilangan be rat dari PBSA yangmengandung 2% karbon hitam mencapai rata-rata 39%. Sedangkan PBSA asli kurang darisetengahnya, yaitu sekitar 16%, pacta PBSAnoniradiasi maupun iradiasi. Hal inimembuktikan bahwa penambahan karbon hitammeningkatkan kemampuan terdegradasi dariPBSA.

Tabel 2. Fraksi gel PBSA yang dicampur bahananorganik IDosis iradiasi 100 kGy padakondisi vakum)

Fraksi gel(%]27,4656,8351,3450,60

-,, ,-," ..

,

46,1145,8343,21

, c

'-- ,--

34,52 KESIMPULAN

19,37 Beberapa bahan anorganik diantaranyakarbon hitam clan silikon dioksida meningkatkankandungan gel dalam iradiasi pengikatan silangPBSA. Kestabilan panas meningkat denganpenambahan 2% karbon hitam clan 2% silikondioksida. Penambahan 2% karbon hitam dalamPBSA juga meningkatkan kemampuan PBSAuntuk terdegradasi oleh enzim yang dihasilkanoleh bakteri didalam tanah.

[Lempung

AktU (montmorillo~

Radikal pada sam pel yang mengandungbahan anorganik

Dari gambar 2 terlihat perbedaan yangnyata antara sampel yang mengandung karbonhitam dan sample asli setelah diiradiasi.Konsentrasi radikal yang dihasilkan lebih tinggipada sample yang mengandung karbon hitam

RisaJah Seminar Ilmiah Penelitian daD Pengembangan Aplikasi Is%p daD Radiasi 2tJ04

UCAPAN TERlMA KASIH

Penulis mengucapkan terima kasih kepadaTRCRE-JAERI atas fasilitas yang diberikan hinggaselesainya penelitian ini. Selain itu terimakasihkepada Dr. Fumio Yoshii dan Dr. NaotsuguNagasawa dari TRCRE-JAERI atas saran dandiskusinya.

DAFTARPUSTAKA

1. BAHARI, K., MITOMO, H., ENJOJI, T.,YOSHII, F., and MAKUUCHI, K., Polym.Deg. Stab., 6211998) 551-557.

2. DOl, Y., KASUYA, K., ABE, H., KOYAMA,N., ISHIWATARI, S., TAKAGI, K., andYOSHIDA, Y., Polym. Deg. Stab., 5111996) 281.

3. TAKASHI, F., Polym. Deg. Stab., 59 (1998)209-214.

4. GRIGORIEV, E. I., and TRAKHTENBERG, L.I., Radiation chemical processes in solidphase: theory and application. CRCPress, Boca Raton, New York, London,Tokyo, (19961179.

5. GILROY, H. M., and CHAN, M. G., Effect ofPigments on the aging characteristics ofpolyolefins. Polymer Additives. Plenumpress New York and London, (19841 273-287.

6. KIM, M. N., LEE, A. R., LEE, J. S., andYOON, I. J., European Polym. J., 36(20001 1677.

7. KAPLAN, D. L., MAYER, J. M., and

GREENBERGER, M., Polym. Deg. Stab.,45 (1994) 165.

8. ISABEL, C. S. F., KENNETH, E. C., andTANIA, A.A., J. Chromatography A., 849(19991 299-307.

9. CHARLESBY, Radiat. Phys. Chern., 59 (1981118.

RisaJah Seminar I/n)iah Penelition dan Penjembonjon Aplikasi lsotop don Radiasi 2004

60

50

10

0

100 1500 50 200

Dosis (kGy)Efek udara bebas pada ikatan silang PBSA denganadanya silikon dioksida

Gambar 1

.4

.2 -+- PBSA---PBSA+KH1

-;:a 0.8~I..

.~ 0.6~=

0.4

0.2

0 .I I I I~70 120 170 220 270 320

Temperatur (K)

Gambar 2. Radikal pada PBSA yang mengandung karbon hitam !KH)

RisaJah Seminar Umiah Penelilian daD Pengembangan Aplikasi [salop daD Radias£ 2004

~'-"c:IVOJc:IV'cIVe-O)

Q.

400

Gambar 3. Kestabilan panas PBSAKH (Karbon Hitam)

45

40

35

30

25

20

15

5

0

0 4 8 12 16 20 24

Gambar 4.

Waktu pemendaman (mi ~)Kehilangan berat contoh PBSA, mengandung karbon hitam (KH),irradiasi menggunakan berkas elektron pacta dosis 160 kGy.

80

70

60

50

40

30

20

10

0

-~'-"~

e~..c==~=~

Risalah Seminar l/miah Peneli/ian daD Pengembangan Aplikasi ls%p daD Radiasi, 2004

DISKUSI

YESSI W ARASTUTI MERI S.

Komposisi tanah yang dipergunakanadalah: 2 bagian tanah kebun, 1 bagian kompos

1. lradiasi pacta kondisi vakum hasilnya lebihbaik daripada iradiasi pacta udara bebas,tolong dijelaskan pengaruh udara disini.

2. Terbentuk lebih banyak radikal denganpenambahan karbon hitam, apakah radikal tsbberpengaruh. Jika ya dapat mempengaruhiapa?

WIWIK SOFIARTI

Dalam menyimpulkan sample yangterdegradasi, berapa banyak jumlah sample yangdisimpan dalam tanah, be rap a kali ulangan,dalam kondisi cuaca bagaimana clan berapalama?

MERI S.

MERI S,

Sampel yang disimpan dalam tanah 10sampel, dilakukan 1 kali ulangan.Peneltian dilakukan pada musim panas, disimpanselama 6 bulan dan diamati tiap bulan.

1. Reaksi degradasi oksidasi disebabkan olehadanya 0 radikal yang bereaksi dengan O2dari udara membentuk ozon, Ozon ini hilabereaksi dengan polimer tertentu akanmenyebabkan terjadinya reaksi degradasi

pada sampel polimer.2. Jumlah radikal yang dihasilkan sangat

berpengaruh pada pembentukan ikatan silang.Semakin banyak radikal semakin banyakikatan silang yang terjadi pada polimer, padakondisi tanpa udara.

PASTON S.

YUMIARTI

Dalam abstrak disebut penambahan 2%silikon dioksida pada PBSA meningkatkankestabilan panasnya.1. Sudah dicoba sampai suhu berapa dia stabil?2. Darimana angka 2% ini diperoleh?3. Kegunaan daTi eksperimen ini untuk

menunjang industri?

Bagaimana mekanisme reaksi yang terjadiselama iradiasi pada campuran dengan 2%silikon dioksida atau 2% karbon hitam?

MER! S.MERI S.

Permukaan karbon hitam clan silikondioksida masing masing mempunyai bagianreaktif pada permukaan partikelnya, bagianreaktif ini menjadi pensuport penyerapan energypada polimer, sehingga terbentuk lebih banyakradikal yang berlanjut dengan pembentukanikatan silang.

1. Stabil sampai suhu 200°C tanpa beban.2. Diperoleh basil optimum pada 2% setelah

pengujian untuk 0,5; 1; 2; 3; 5 daD 10%dilakukan.

3. Untuk peralatan medis, pertanian, spare partkendaraan, kantong plastik dll.

DARMA W AN D

Degradasi polimer dengan cara "soil burial"sangat bergantung pada komposisi tanah,temperatur dll. Yang digunakan. Pada penelitianini bagaimana komposisi tanah yang digunakan?