STurn A W AL MORFOLOGI KOPOLIMER KARET ALAM STIRENA TERIRADIASI DENGAN MENGGUNAKAN SPEKTROMETERSANS

Transkripsi

1 STurn A W AL MORFOLOGI KOPOLIMER KARET ALAM STIRENA TERIRADIASI DENGAN MENGGUNAKAN SPEKTROMETERSANS A. Insanil, Sudinnanl, J. Suzuki2, S. Koizumi2, A.lkraml dan A. Purwantol I Puslitbang Iptek Bahan -BATAN; Kawasan Puspiptek Serpong, Tangerang 2 Advanced Science Research Center, JAERJ; Tokai, Ibaraki, , Japan ABSTRAK STUDI AWAL MORFOLOGI KOPOLIMER KARET ALAM STIRENA TERIRADIASI DENGAN MENGGUNAKAN SPEKTROMETER SANS. Telah dilakukan studi morfologi terhadap kopolimer karet alam stirena yang dibuat dengan cara iradiasi sinar gamma sebesar 15 kgy, 30 kgy dan 45 kgy dengan menggunakan teknik hamburan neutron sudut kecil (SANS). Hasil pengamatan menunjukkan bahwa intensitas hamburan neutron yang diperoleh sebanding dengan q-4 (Porod Jaw). Hal ini menunjukkan bahwa in/efface antara karet alam dan stirena tidak tajam. Pada iradiasi gamma sebesar 30 kgy dan 45 kgy terdapat puncak pada q = 0,2 nm-1 yang berkorelasi dengan keteraturan berjarak 31,4 nm. Sedangkan pengamatan dengan SEM menunjukkan perbedaan yang tidak berarti di antara ketiga cuplikan. ABSTRACT PRELEMINARY MORPHOLOGY STUDY OF NATURAL RUBBER-STYRENE GRAFT COPOLYMER. Measurement of irradiated natural rubber-styrene graft copolymers have been conducted using small angle neutron scattering (SANS) spectrometer. These samples were graft copolymer of natural rubber-styrene that had been irradiated by different gamma ray doses (15 kgy, 30 kgy and 45 kgy ). SANS measurements showed that the neutron intensities correspond to q-4 (Porod law) which seems that there is no clear and sharp interface between the 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 to structure of 31.4 nm in magnitude. Mean while SEM measurementshowed 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 our understanding of many kinds of polymers. PENDAHULUAN Radiasi adalah salah satu teknik pembuatan kopolimer. Sebagai contoh adalah kopolimerisasi radiasi monomer stirena pada lateks karet alam yang telah banyak diteliti [1-3]. Kopolimer karet alam stirena (KA-St) dapat dipakai sebagai bahan perekat kayu lapis, sol sepatu, sarung tangan, clan onderdil otomotif. Kopolimer lateks karet alam clan stirena memiliki sifat termoplastik elastomer yang baik. Menurut Benyamin, M., clan Walter [4], karet yang bersifat termoplastik elastomer dapat didaur ulang sampai dengan 3 kali clan kualitasnya masih cukup baik. Karena sifat termoplastik elastomer yang dimiliki kopolimer KA-St ini maka penelitian tentang penyebab munculnya sifat tersebut menjadi sangat penting. Ukuran partikel, bentuk partikel, jarak antar partikel serta distribusinya berperan penting dalam menentukan unjuk kerja clan karakteristik dati bahan baku maupun turunan produk polimer [5]. Sebagai contoh ukuran dan distribusi partikel bahan baku atau produk polimer akan mempengaruhi sifat viskositas emulsi, kekuatan ikatan adhesif, dan kestabilan pembekuannya. Hamburan neutron sudut kecil (SANS) menjadi ~alah satu teknik penting dalam bidang polimer untuk mempelajari konforrnasi dan dinamika rantai polimer, baik dalam rasa larutan maupun padatan [6]. OJ samping itu beberapa hal yang dapat dipelajari dengan menggunakan teknik SANS adalah karakterisasi berat molekul, penentuan parameter interaksi antara masingmasing komponen polimer blending, studi pemisahan rasa dalam campuran polimer, penentuan distribusi pusat-pusat ikatan silang dalam polimer jaringan, relaksasi rantai po1imer dalam polimer elastik, serta morfologi kopolimer blok [7]. SANS, hamburan sinar-x sudut kecil (SAXS), hamburan sinar tampak (light scattering) dan mikroskop ~I 6 J~

2 .~ S't...l; A1IfJ.11~ ~ K 4 Al.4... ~ T~ ~ 11~ ~N5 A.I~.~ elektron (ME) merupakan teknik-teknik yang saling melengkapi satu dengan lainnya dalam mempelajari bentuk, ukuran dan jarak antar molekul (partikel) dengan ukuran panjang sampai looa. Akan tetapi dengan adanya kemampuan membuat dan mengamati variasi kontras dalam percobaan SANS, menjadikan teknik ini lebih unggul dati SAXS terutama dalam mempelajari bahan yang mengandung atom hidrogen seperti polimer [6]. Dibandingkan dengan sinar tampak dan ME, teknik SANS dapat menggunakan cuplikan dalam jumlah besar (bulk) dan konsentrasi tinggi. Dari penjelasan di atas jelaslah bahwa SANS merupakan teknik yang sangat ampuh dalam mempelajari polimer selain SAXS, hamburan sinar tampak dan mikroskop elektron. Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui morfologi dati kopolimer karet alam stirena (KA-St) dengan berbagai variasi iradiasi dengan menggunakan hamburan neutron sudut kecil. Sebagai perbandingan maka basil pengamatan mikroskop elektron juga akan disajikan. Mengingat teknik SANS ini merupakan teknik yang relatif barn di Indonesia, maka pada makalah ini latar belakang teori hamburan neutron sudut kecil disajikan untuk memberikan gambaran secara singkat mengenai proses pengambilan data hamburan tersebut. TEORISANS Hamburan neutron sudut kecil muncul karena adanya fluktuasi kerapatan panjang hamburan pada bahan [8]. Fluktuasi tersebut sebagai contoh dapat ditimbulkan oleh munculnya rasa kedua (presipitat misalnya) pada matriksnya. Sebagai konsekuensinya apabila tidak terjadi fluktuasi maka intensitas hamburan neutron sudut kecilnya akan tidak bergantung pada sudut hamburannya (flat). Tampang lintang SANS dati presipitat-presipitat yang terdistribusi secara acak diberikan melalui ekspresi sebagai berikut : d}: do N Aproksimasi ini berlaku secara umum untuk QRg < 1.5, dimana Rg dikenal sebagai jari-jari girasi (jari-jari Guinier). Secara sederhana basil pengukuran SANS terhadap suatu cuplikan dapat dipaparkan sebagai berikut [10]. Pengukuran pola hamburan neutron sudut kecil (SANS) dari suatu bahan dapat disajikan seperti pacta gambar I. Tampak bahwa acta hubungan tertentu antara momen transfer (q) dengan intensitas hamburan yang terjadi. qrn Sudut Hamburan q (nm-1 Gambar 1. Profil hamburan neutron sudut kecil Pacta profil SANS terhadap suatu bahan seperti diperlihatkan gambar I dapat diketahui adanya keteraturan dengan jarak antar partikel sebesar : A",=?!: qm (3) Am adalah,iarak aj1tar partikel, qrn adalah sudut harnburan pada intensitas maksimum. Penyajian pola SANS dapat pula dilakukan seperti pada garnbar 2, yaitu dengan menggunakan grafik log-log antara intensitas (log I) terhadap momen transfer (log q). dimana np adalah jumlah presipitat per satuan volume, sedangkan (v;) adalah kuadrat dari volume rata-rata sebuah presipitat, N adalah jumlah atom per satuan volume dan (Ap) adalah perbedaan rata-rata rapat panjang hamburan antara presipitat dan matriksnya, F(Q) adalah faktor bentuk yang menyatakan hamburan dari sebuah presipitat dan tanda ( ) menyatakan harga ratarata yang melingkupi berbagai ukuran dan orientasi dari pres ip itat. I(Q) menyatakan hamburan yang disebabkan oleh interface effect di antara presipitat-presipitat tersebut. Faktor bentuk di atas dapat didekati melalui [9] : (2) -bi). log q Gambar 2. Plot dari log I vs log q Pacta daerah Porod dimana qrg > 1.5 nm-1 dapat diketahui keadaan interface suatu partikel dengan matriksnya. Jika interface tajarn maka kemiringan dari plot log I vs log q sarna dengan -4. Sedangkan jika interfacenya tidak tajarn maka kemiringannya hanya mendekati ~, 6 J~ 2001

3 s::t...l.: A1Iiolll H~ ~ ~ A~ ~ 1~ ~ H~ SANS A.'~, J./IJ. TATAKERJA Cuplikan kopolimer karet alam stirena (KA-St) diperoleh dari Puslitbang Teknologi Isotop dad Radiasi- BAT AN. Cuplikan ini dibuat dengan cara mencampurkan karet alam cair dengan monomer stirena dengan kadar 50%. Sambil diaduk dilakukan radiasi sinal gamma dengan dosis bervariasi, yaitu 15, 30, dad 45 kgy [11]. Untuk memudahkan penyebutan cuplikan selanjutnya berturut-turut disebut sty 7, 8 dad 9. Tujuan memvariasi dosis agar diperoleh grafting monomer stirena terhadap karet alam berbeda-beda sehingga data I (indeks polidispersi) dati pengukuran GPC (Gell Permeable Chromatography) akan berbeda dad perbedaan yang ada diharapkan dapat dilihat dengan SANS. Pengamatan dengan SANS dilakukan dengan menggunakan SANS-J di JAERI-Jepang. Gambar skematik dari peralatan SANS-J diberikan pada gambar 3. Peralatan SANS ini menggunakan sumber neutron dingin. Berkas neutron dimonokromatisasi menggunakan selektor kecepatan mekanik. Jarak antara cuplikan dan detektor (L) dipilih pada posisi 1,5 m dan 10 m. Dengan mengkombinasi harga L dan panjang gelombang neutron, A = 0,7 nm diperoleh selang transfer momentum AQ = 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 panjang gelombang yang besar ini, efek dari hamburan Bragg ganda dapat dihindari. Pemilihan harga AQ tersebut memungkinkan untuk diamatinya ukuran keteraturan berukuran mulai dari 15 nm sampai 150 nm. Berkas neutron yang terhambur dideteksi dengan position sensitive detector (PSD) dua-dimensi, yang berisi gas 3He, dengan jumlah elemen 128 x 128. Uraian lengkap mengenai SANS-J ini telah disajikan dalam makalah lain [12].. HASIL DAN PEMBAHASAN Jika karet alarn sebagai matrik dan stirena sebagai partikel yang berada di dalamnya, maka sebagai pemodelan sederhana morfologi kopolimer KA-St dapat digarnbarkan seperti garnbar 4 berikut. Gambar 4. Model kopolimer karet alam stirena Stirena tersebar dalarn matriks karet alarn secara acak dan membentuk keteraturan jarak panjang (long range order). Keteraturan dan fluktuasi ini berada dalarn orde magnitut yang dapat diarnati oleh peralatan SANS. Profil intensitas hamburan neutron dengan menggunakan SANS diperlihatkan pada garnbar 5. Dari garnbar ini dapat diketahui bahwa profil intensitas hamburan neutron makin besar pada iradiasi gamma yang semakin besar. Hal ini menunjukkan bahwa makin tinggi iradiasi gamma maka makin tinggi pula keteraturan yang ada dalarn bahan tersebut. Pada basil penrukuran Sty 8 dan 9 terdapat puncak pada q = 0,2 nm-. Dengan menggunakan persarnaan (2) dapat ditentukan bahwa jarak antar partikel pada cuplikan kopolimer KA-St tersebut adalah sebesar 31,4 nm. Gambar 3. Diagram skematik peralatan SANS-J, JAERI Sedangkan pengamatan dengan menggunakan mikroskop elektron dilakukan dengan menggunakan SEM Philips 505 yang berada di Puslitbang Iptek Bahan- BAT AN. Perbesaran yang digunakan adalah 503 kali. Gambar 5. Profil SANS dari kopolimer karet alam stirena ~, 6 J~

4 ~ A4i.L H~ ~ ~ A~ ~ T~ ~ H~ SANS' A.'~,~ Sebagai perbandingan terhadap pengamatan SANS, di bawah ini ditarnpilkan basil pengamatan dengan menggunakan mikroskop elektron (SEM). Hasil pengamatan dengan mikroskop elektron (SEM) diperlihatkan pada gambar 6. Dari gambar tersebut dapat diketahui bahwa morfologi antara karet alam clan stirena tidak tampak jelas baik batas antara karet alam clan stirena maupun bentuk dari masing-masing. Oleh karena itu perlu penelitian lebih lanjut dengan menggunakan mikroskop elektron transmisi (TEM) dengan resolusi yang memadai. KESIMPULAN Penelitian awal morfologi kopolimer teriradiasi, dalam hal ini karet alam-stirena, telah dilakukan dengan menggunakan teknik hamburan neutron sudut kecil (SANS). Tiga buah cuplikan dengan tiga dosis iradiasi gamma berbeda telah memiliki pola SANS yang baik bentuk maupun intensitasnya berbeda. Pacta cuplikan dengan iradiasi 30 kgy dad 45 kgy diamati adanya puncak hamburan pacta q = 0,2 nm'l yang berkorelasi dengan jarak keteraturan sebesar 31,4 nm. Sementara itu ketiga cuplikan tersebut memberikan kemiringan q -4 pacta daerah Porod. Dari hasil ini dapat disimpulkan bahwa interface antara karet alam dengan stirena tidak tajam. Sedangkan untuk mengetahui bentuk serta ukuran yang akurat diperlukan penelitian lanjutan dengan menggunakan mikroskop elektron transmisi resolusi tinggi UCAP AN TERIMA KASIH STY? 503x Ucapan terima kasih diberikan kepada rekanrekan grup polimer dari Puslitbang Teknologi Isotop dad Radiasi BA TAN yang telah memberikan cuplikan kopolimer karet alam stirena (KA-St) serta kerjasama bilateral BAT AN-JAERI yang telah memberi kesempatan kepada penulis untuk mengambil data SANS dengan peralatan SANS-J di JAERI, Jepang. DAFTARPUSTAKA STY8 503x STY9503x Gambar 6. Hasil pengamatan kopolimer KA-St dengan SEM [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] SUNDARDI, F. DAN KADARIJAH, S., Radiation Graftting of Metyl Methacrylate Monomer on Natural Rubber Latex, J. Appl. Polym. Sci., 29,1984, p SUNDARDI, F. DAN SOFIARTI, W., Kopolimerisasi Tempel Stirena pada Lateks Karet Alam Secara Radiasi, Simposium 111 PAIR- BAT AN, Jakarta, 1988, p.208. COOPER, W., VAUGHAN, G., DAN MADDEN, R. W., Molecular Weight of Polymetylmethacrylate in Rubber Metyl-methacrylate Graftt Copolymer, J.Appl. Polym.Sci., 13, 1959, p.329. BENY AMIN M. AND W ALTER, Hand Book Thermoplastic Elastomer, Van Norstand Rembold Company, New York, COOK W.D., & GUISE, G.B., Polymer Update Science and Engineering, Australian Polymer Science Series Vol. 2, Polym Division Royal Australian Chern. Institute, Victoria 3052, Australia, 1989, p HIGGINS, J.S., MACONNACHIE, A., Physics Methods 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 ~I ~ J~ 2001

5 ~ A*,oAll-1~ ~ ~ At ~ T~ ~ I-1c,.",.,.c'!-..i(- SANS A.'~.~ [8] LoA. FEIGIN, et.al, Structure Analysis by SAXS and SANS, 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 Karet A/am Stirena Iradiasi, Simposium Nasional Himpunan Polimer Indonesia, 1995, p [12] J. SUZUKI, JAERl NSL Report, TANYA-JAWAB Penanya : B. H. Sasangka (P3TIR-BAT AN) Jawaban Apakah ada perlakuan khusus dalarn preparasi sampel? Sebaiknya berapa ketebalan sampel tersebut dipersiapkan? Tidak acta perlakuan khusus dalarn preparasi sarnpel. Langsung dapat diarnati apa adanya, dengan syarat memiliki bentuk yang rata. Untuk memudahkan perhitungan, sebaiknya memiliki ketebalan 1 mm dad berdiarneter 1.5 cm. Sarnpel dapat berupa sampel padat berbentuk bulat dad lain-lain, bisa juga berupa serbuk atau cair. ~I 6 J~