Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi 1996

RADIASI PENGIKATAN SILANG POLIETILENUNTUK BAHAN ISO LASI KABEL T AHAN PANAS!

Mirzan T. Razzak2, Wiwik S. SUbOWO3, Sumi Hudiono4,Gatot Trimulyadi, Anik Sunarni, Isni Marlianti5

ABSTRAKRADIASI PENGIKATAN SILANG POLIETILEN UNTUK BAHAN ISOLASI KABEL TAHAN PANAS. Telah

dilakukan penelitian radiasi pengikatan silang polietilen untuk bahan isolasi kabel. Polietilen densiti rendah (LDPE) berbentuk

pelet dicampur dengan berbagai aditif sehingga terbentuk kompon. Pencampuran dilakukan pada temperatur 130 .C denganmenggunakan alat laboplastomil. Kompon yang didapat dijadikan lembaran film setebal 0,2 mm dengan ukuran IS cm x 15 cm

dengan menggunakan alat press panas pada temperatur 130.C dan tekanan 150 g/cm2. Film tersebut selanjutnya diiradiasi dalamberbagai dosis dengan mesin berkas elektron OJ-2 berenergi 2 MeV dan kuat arus I mA. Setelah iradiasi, kadar pengikatan silangyang terbentuk dianalisis dan sifat mekanika maupun sifat termal, daTi film LDPE tersebut diukur dengan prosedur standard.Didapatkan bahwa kompon polietilen yang diiradiasi dapat mempunyai kadar pengikatan silang lebih besar daTi 70 % dengan nilaitegangan putus mencapai lebih daTi 280 kg/cm2. Setelah dilakukan pengujian pengusangan (aging test) didapatkan bahwategangan putus bertahan lebih daTi 75 % yang berarti menunjukkan bahwa kompon kabel iradiasi tersebut memiliki sifat yang

memenuhi syarat untuk digunakan sebagai bahan isolasi kabel tahan panas.

ABSTRACTRADIATION CROSSLINKING OF LOW DENSITY POLYETHYLENE (LOPE) TO BE USED AS A HEAT

RESISTANCE CABLE INSULATION. Radiation incuced crosslinking of low density polyethylene (LDPE) in the presence ofdifferent additives has been studied. The LDPE pellet were compounded by different additives using a mixer of laboplastomil at130.C. The compound was pressed to be a 15 cm x 15 cm film sheet of 0.2 mm thickness by using a hot pressed equipment attemperature of 130.C and pressured of 150 g/cm2. The film sheet was irradiated at different doses by using Electron BeamMachine of GJ-2 where the energy of electron beam was 2 MeV and beam current of 1 mA. After irradiation, the degree ofcrosslinking, mechanical and physical properties of the film sheet were evaluated. It was found that the degree of crosslinking ofhigher than 70 % based on gel traction measurement and the tensile strength of around 280 kg/cm2 were achieved. Agingevaluation shows that the tensile strength was remained to be more then 70 %. These results indicate that the irradiated LDPE canbe appropriately used as heat resistance cable insulation.

berikatan sehingga membentuk struktur 3 (tiga)dimensi yang lebih kuat dan berat molekul yangiebih besar,

Pembentukan ikatan silang dalamrantai polimer polietilen dapat dilakukandengan cara kimia maupun cara radiasi, Ada 2(dua) cara kimia yang paling lazim digunakandalam industri kabel yaitu metode vulkanisasikontinue (continuous vulcanisation) dan metodeSioplas [3], Cara lain yaitu menggunakan radiasipengion, Dalam hal ini radiasi pengion yaituberkas elektron atau sinar y digunakan untukmenyinari bahan polimer sedemikian rupasehingga terbentuk ikatan silang dalam bahanpolimer tersebut yang memberikan sifat-sifatfisika/mekanik yang siap digunakan sebagaibahan isolasi kabel,

Dalam makalah berikut ini dilaporkanhasil penelitian pembuatan kompon polietilenyang berikatan silang melalui proses radiasiberkas elektron membentuk polimer. Kadarikatan silang yang terbentuk maupun sistemmekanika dan sifat fisika dari polietilen tersebut

PENDAHULUANPolietilen merupakan salah satu jenis

polimer yang d\gunakan untuk bahan isolasikabel. Selain mudah didapat di pasaran, polimerini tergolongmurah, ringan, tahan bahan kimiamampu tahan kelembaban clan yang palingpenting adalah mempunyai sifat isolasi listrikyang baik [I].

Sejalan dengan perkembangan tekno-logi, penggunaan kabel tidak hanya untukkeperluan jaringan listrik di perusahaan, tetapijuga digunakan dalarn telekomunikasi,automobil clan industri elektronika. Penggunaantersebut membutuhkan jenis kabel tertentudengan spesifikasi tertentu diantaranyadiperlukan kabel yang tahan panas clan bahkanjuga tahan tegangan tinggi [2].

Untuk maksud tersebut polietilen yangdigunakan sebagai bahan isolasi kabel diprosessedemikian rupa sehingga memiliki strukturmolekul yang berikatan silang artinya rantaipolimer yang mulanya linear dibuat saling

I Dipresentasikan pada Seminar Ilmiah PPSM 19962 Pusat Pengkajian Teknologi Nuklir (PPkTN-BATAN)3 Pusat Penelitian Fisika Terapan -LIPI4 Fakultas Matematika clan Ilmu Pengetahuan Alam -VIS Pusat Aplikasi Isotop dan Radiasi (PAIR-BA TAN)

246

diamati secara seksama, demikian pulapengaruh senyawa anti oksidan dan bahan aditiflain, terhadap sifat mekanik maupun fisikanya.

ekstraktor, ditimbang sampai berat tetap (We).Fraksi gel dihitung menurut persamaan berikut :

W. -Wk

WI -WkG= x 100(%)

CARA KERJABahan

Polietilen densitas rendah atau lowdensity polyethylene (LDPE) produk Polandia(Malene EPFS 4020) berbentuk pellet. Carbonblack powder produk Union Carbide (UC) danproduk BASF (Germany). Tiga (3) macam AntiOksidant yaitu Santowhite produk MusantoCo., Irganox 1010 (4,4 butyleretris 6 tert. butylm-erasol) dan Irganox 1076 (pentacythrytol-ester dari 3,5 detetra-butyl hydroy phenolpropionic), keduanya produk Ciba Geigy.Bahan kimia lain digunakan langsung tanpapemurnian lebih lanjut.

Tegangan putus dan mulur putus.Pengukuran tegangan putus (TD) daD

mulur putus (ED) dengan menggunakan alatStrograph-Ri buatan Toyoseiki pada temperaturruang sesuai dengan standar ASTM 1721-91 W[4)

Aging testlUji pengusanganSampel dimasukkan ke dalam oven

pada temperatur tetap 121°C selama 168 jam,kemudian didinginkan sampai temperatur kamaruntuk selanjutnya diukur tegangan putusnya.

Sifat lerma/.Sarnpel 10 mg dirnasukkan dalam

sam pel holder alat DT A buatan Shimadzumodel DT 300 dengan kecepatan pemanasan10oC/menit daD kecepatan aliran gas N2 sebesar30 ml/menit.

Pembuatan SampelPelet LOPE sebanyak 40 gram

ditambah dengan carbon black powder clanditambah dengan anti oksidan, dicampurhomogen di dalam alat laboplastomil padatemperatur 130°C selama 10 menit dengankecepatan putaran sekitar 60 rpm (rotasi

permenit).Campuran homogen tersebut dibuat

menjadi lembar film (sheet) berukuran 15 cm x15 cm clan tebal 0.20 mm dengan menggunakanalat press panas (130°C) dengan tekanan 199kg/cm2 selama 3 men it, clan alat press dinginselama 2 men it, kemudian dicelup kedalam airdengan teknik pendinginan segera (quenchingtechnique).

Sifat listrikSifat listrik dipelajari dengan

mengukur konstanta dielektrik mengugunakanalat Rheolograph solid (Toyoseiki) [4].

BASIL DAN PEMBABASANFraksi gel merupakan ukuran indikasi

terbentuknya ikatan silang dalam molekulpolimer. Pada umumnya bertambah besarpersentasi fraksi gel berarti bertambah besarikatan silang yang terjadi dalam polimer LOPE.

Pada gambar I ditunjukkan bahwafraksi gel meningkat dengan kenaikan dosisradiasi. Adanya kandungan anti oksidan dalamLOPE temyata meningkatkan kadar ikatansilang atau fraksi gel, kecuali anti oksidan,Santowhite. Antioksidan Irganox 1076menghasilkan fraksi gel yang lebih besardibanding dengan LOPE mumi. Hal inimenunjukkan bahwa Santowhite cenderungmenghambat terbentuknya ikatan silangsedangkan Irganox 1076 merangsangpembentukan ikatan silang. Oalam laporanVokal dkk (5), disebutkan bahwa berbagaiantioksidan seperti tlektol H, Irganox 515 daDIrganox 1024 temyata menghambatpembentukkan ikatan silang. Menurutpengamatan analisis infra merah, Irganox 1076

lradiasiLembar film berukuran 15 x 15 cm x

0,15 cm diiradiasi dengan berkas elektron darimesin berkas elektron GJ-2 pad a energi2 MeVclan kuat arus I mA. Laju dosis pada posisiiradiasi diukur dengan dosimeter Celulosa TriAsetat (CTA) film. Dosis iradiasi bervariasi dari0 -300 kGy.

Fraks; GelSampel :t 0,5 gram dimasukkan dalam

bungkus kasa kawat, ditimbang (Wt),sebelumnya kawat kasa kawat itu ditimbang(Wk). Sampel tersebut diekstraksi denganpelarut Xylene menggunakan soklet padatemperatur 157°C, selama 24 jam. Setelahekstraksi, bungkus kasa tersebut dicuci denganaseton/methanol, dikeringkan dalam oven 70°Cselama 1 jam. Kemudian dimasukkan kedalam

247

lebih kompatibel dengan LDPE. Diperkirakananti oksidan tersebut lebih banyak masuk kedalam rasa kristalin, sehingga rasa Amorphousdari LDPE tidak begitu terganggu untukmembentuk ikatan silang. Hal ini sesuai puladengan perkiraan dan temuan L VaNS (6)ketika beberapa jenis anti oksidan phosphitedigunakan pada radiasi pengikatan silangLDPE.

dibandingkan dengan LDPE mumi maupunyang mengandung Santowhite. Pada dosisradiasi 200 kGy, harga tegangan putus (Ts)sebesar 286 kg/cm2 dapat dicapai oleh komponLDPE yang mengandung IRGANOX 1076.Harga tegangan ini melebihi harga Ts standarminimal yang diperlukan atau disyaratkanASTM (7) sebagai bahan isolasi kabel yaituhanya sebesar 127 kg/cm2.

Pengaruh anti oksidan dalampembentukan ikatan silang tidak hanyaditunjukkan oleh jenis anti oksidan, tetapi juga ] 00.ditunjukkan oleh kadar kandungan antioksidanitu dalam LDPE. Seperti dapat dilihat padaGambar 2., bertambah besar konsentrasi 75Irganox 1076 dalam LOPE maka bertambahkecil fraksi gel yang didapat, atau dengan katalain bertambah sedikit terjadinya ikatan silang. 50'

Hal ini berlaku untuk semua kondisi dosis '"*iradiasi(100-300kGy). ':::; 25.

Kandungan 0.2 % Irganox 1076 dalam ~LOPE menghasilkan fraksi gel tertinggi (lebih.§ Idari 70 %) dibanding dengan konsentrasi e 0antioksidan yang lain. ~

(8) 0,2 ppm[8] 0,5 ppm0 1,00 ppm

,..

200 300100

Konsentrasi Irganox 1076

100

Gb.2. Perbandingan konsentrasi antioksidanIrganox 1076 pacta pembentukan fraksi

gel.

--~'-"Q)co

:§~

75]JI

50

(8) LOPE + IRGANOX 1076[BJ LOPE + IRGANOX 10100 LOPE.LOPE + SANTOWHrrE

25;1'

300

0 100 200 300

Gb. (8) WPE + IRGANOX 1076[8] WPE0 LOPE + SANTOWHITE

"s 2001

Dosis(kGy) i I

Hubungan dosis iradiasi dengan fraksi ~

gel dari LOPE iradiasi yang mengan-dung antioksidan.Kadar antioksidan Irganox 1076,Irganox 1010 daD Irganox Santowhitemasing-masing 0,2 %.

0 100 200 300

Dosis (kGy)

Hasil pengukuran tegangan putus (To)dari kompon LOPE yang mengandung 0,2 %Santowhite ditunjukkan oleh Gambar 3.Tegangan putus kompon LOPE yangmengandung IRGANOX 1076 adalah superior

Gb.3. Hubungan To dengan dosis radiasi untukLDPE iradiasi yang mengandung antioksidan Irganox 1076 clan Santowhite.Kadar antioksidan masing-masing 0,2%.

248

yang digunakan yaitu Union Carbide (UC) clanBASF dengan kadar masing-masing 8%,temyata harga tegangan putus untuk jenis UCadalah lebih tinggi dibandingkan dengan BASF.Hal ini diperkirakan karena "Carbon Black"jenis UC memang lebih halus clanpencampurannya dalam LDPE terlihat lebihhomogen clan merata secara visual. Pengamatanberdasarkan pengukuran spektrum inframerahmenunjukkan bahwa penggunaan Carbon BlackUC memang homogen (8). Sifat termal LDPEiradiasi dipelajari dengan pengukurantemperatur leleh (Tm) clan temperaturdekomposisinya (Td) menggunakan alat"Diferensial Thermal Analysis" (DT A).

Sebagaimana ditampilkan oleh Gambar3. tanpa iradiasi LOPE mumi mempunyaitegangan putus sebesar 109 kgicm2. Bila LOPEmumi diiradiasi dengan qosis 100 kGy, hargaTB mencapai 144 kgicm2. Jadi sesungguhnyatanpa antioksidan pun, LOPE iradiasi telahmemenuhi syarat untuk digunakan sebagaibahan isolasi kabel ditinjau dari segi sifatmekaniknya. Akan tetapi ditinjau dari sifatfisikanya, khususnya sifat tahan panas temyataLOPE memerlukan bahan tambahan (aditit)berupa antioksidan agar tidak mudah lapuk.Hasil uji pengusangan (aging test) ditampilkanpada Tabel 1. Sebagaimana ditampilkan padaTabel I., harga TB sebelum pengusangan padadosis 0 kGy (tanpa iradiasi) adalah 109 kgicm2,tetapi sesudah pengusang-an harga TB menjadinolo

,.,100 '..I

.

.500 .

.

..'00 ;..

Tabel Tegangan putus To LDPE iradiasi yangmengandung antioksidan 0,2 %Irganox 1076 sebelum dan sesudah

pengusangan.

T.....: '00.,

I..100..

I.~2

0 100 200 ~oo .00 6000..1. I,.dl.., ( kOr I

Gr.mber ~. Hubungen en tara do's!s Iradlasldengan togengan putua & perpAn!a(1gan

putUI.

Pacta Tabel 2., ditunjukan salah satu bentukharga Tm daD Td dari LDPE iradiasi yangmengandung 8 % Carbon Black daD 0,2 %antioksidan Santowhite.

Temyata temperatur leleh (Tm)cenderung sedikit menurun dengan kenaikandosis radiasi. Hal ini mungkin dapat diterangkanbahwa penurunan terse but akibat lebihmenonjolnya pengaruh dekstruksi kristaldibandingkan pengaruh pembentukan ikatansilang. Akan tetapi dilain pihak temperaturdekomposisi (Td) sedikit naik dengan kenaikandosis radiasi. Dalam hal ini dapat dikatakanadanya pengaruh ikatan silang yang terbentuk.

Dosis Radiasi (kGy)100 1200 1300

To---

Sebelum

pen~sangan(kg/c~1

0109 249 286 280

252TB Sesud~-pengusangan~g/cm1

-0

0 232

Tabel 2. Analisis termal LDPE + 8% carbonblack + 0,2% antioksidan Santowhite.

Dosis Iradlasi(kGY)SifatTermal 0 100 300

0Tm ( C) 110,3 109,2 105,6

pernikian pula LDPE iradiasi dengandosis 100 kGy, temyata rneskipun sebelurnpengusangan rnernpunyai harga Tn 249 kg/crn2,narnun setelah uji pengusangan didapatkanharga TB sarna dengan nolo Hal ini rnenunjukkanbahwa dosis iradiasi 100 kGy tidak cukup layakuntuk rnernbentuk sifat fisika bagi bahan LDPEuntuk bahan isolasi kabel. Akan tetapi berbedahalnya jika LDPE iradiasi dilakukan pacta dosis200 atau 300 kGy. Temyata harga Tn sesudahpengusangan bertahan sampai 252 kg/crn2 pactadosis 300 kGy. Artinya harga TB tetap dipunyaioleh LDPE iradiasi, meskipun sedikit berkurangyaitu :!: 75 % daTi awalnya (sebelum uji

2pengusangan) sebesar 280 kgicm .Pacta Gb. 4 ditunjukan pengaruh

penambahan "Carbon Black" terhadap sifatrnekanik (TB, En) daTi LDPE iradiasi.Sebagairnana dapat dilihat pada Gb. 4.,tegangan putus rneningkat dengan kenaikandosis radiasi, sedangkan perpanjangan putusrnenurun. Dari 2 (dua) jenis "Carbon Black"

Td(OC 475,6 474,6473,3

249

Sifat listrik dari LOPE iradiasiidipelajari dengan melakukan pengukurankonstanta dielektrik. Sebagaimana telahdilaporkan oleh Nenen Rusnaeni dkk [4],konstanta dielektrik riil bertambah besarsebanding dengan pertumbuhan konsentrasi"Carbon Black". Akan tetapi kenaikankonstanta dielektrik tidak begitu besar dengankenaikan dosis iradiasi. Pada Tabel 3.,ditunjukan harga konstanta dielektrikriil Bl r(o» dan faktor disipasi (tan 0) yangberkaitan dengan power factor (PF). Padahakekatnya semakin tinggi harga tan 0 makasemakin rendah ketahanannya terhadaptegangan listrik.

UCAPAN TERIMA KASIHPara penulis mengucapkan terima

kasih kepada Dewan Riset Nasional yangmelalui program Riset Unggulan Terpadu(RUT I) telah membiayai penelitian ini.

DAFTARPUSTAKAI. ANTHONY K. K. PODALSAK AND

CARLOS TIN, A review of Wire and CableHeating Extrusion Prosess, Dept. of Chern.Engineering, Monash University, Clayton,Yictoria 3168, Australia, Morcel Dekter1988.

2. Y AMAMA TO S. Crosslingking of Wireand Cable With Electron Beam, Proceedingof the workshop on the Utilization ofElectron Beam (Ed. Sueo Machi), JapanAtomic Energy Research Institute, Nov.1990.60-77.

.BERNET J.r. Application of Radiation toIndustrial Wire and Cable, Radiation Phys.Chern. 14.3-4-1989.

.NENEN RUSNAENI, WIWIK S.SUBOWO, RACHMA T SA TOTO DANMIRZAN T. RAZZAK, Sifat listrikkompon LDPE yang diiradiasi berkaselektron untuk bahan isolasi kabel,Prosiding Simposium Nasional HimpunanPolimer Indonesia 1995, 92-96.

.YOKAL, P. CERNOCH, K. YOCEK, I.KLIER, Low Density Polyethyylene WireInsulation Crosslinked by IonizingRadiation, 6th Symp. on RadiationChemistry, 1986,671-675.

.LYONS; US. PATENT.4.036.729, 1977., .ANONYMO, Annual Book of ASTM

Standard, ASTM Studying D 2655-83.,American Society of Testing and Materials,Philadelphia, 1984.

.MIRZAN T. RAZZAK, Modifikasi Polimeruntuk Bahan Isolasi Kabel Tahan Panasdari Listrik Tegangan Tinggi. LaporanRUTI.2, 31 Agustus 1995, (tidakdipublikasi).ODA, K. UENO, TADA AND SUZUKI S.Irradiated Crosslinked Wire, Radiat. Phys.Chern. 1990,35,3.

Tabel 3. Harga konstanta dielektrik f;' "r(ro}faktor disipasi (tan 8) dari LOPEradiasi.

3

Dosis(kGy)

tan 0e" r(ro)

4

0]00

200300

3.0962.6332.8403.064

8.2.£-0.36.2.£-0.32.5.£-0.36.9.£-0.3

5Berdasarkan hasil yang didapat daripercobaan ini, maka kabel yang diiradiasi padadosis 100-300 kGy adalah memenuhi syaratunruk digunakan sebagai bahan isolasi kabeltegangan tinggi. Hal ini didasarkan padaketentuan ASTM D.2656-89 yang menyebut-kan bahwa bahan polimer dengan harga1;1 r(ro) maksimum 3.5 clan tan 0 sekitar 0,02dapat digunakan sebagai isolasi kabel tegangantinggi -35 KV (9).

6.,

8

KESIMPULANRadiasi pengikatan silang LDPE

dengan radiasi elektron energi tinggi (2 MeV)telah dilakukan. Kompon LDPE yang mengan-dung antioksidan IRGANOX 1076 ataupunSantowhite dan "Carbon Black" ternyata dapatdigunakan sebagai bahan isolasi kabel yangtahan panas. Hasil uji sifat listrik juga memberiindikasi bahwa kompon LOPE tersebutmempunyai sifat yang tahan terhadap teganganlistrik tinggi (- 35 KV).

9

250