p~ ~ N~ H t N~ ~ 5;, ,. X KI. 4, ISSN 1410-'7~g~

ANALISIS SIFAT MEKANIK DAN DAYA SERAP KOMPOSIT TERMOPLASTIKELASTOMER -BORON/BORON KARBIDA SEBAGAI BAHAN

PERISAI RADIASI NEUTRON

2

Sudinnanl, Gunawanl, Agus Salimi, W. Prasuadl, Tri Darwintol, dan Dian Iramani

1

P3IB -BATAN; Kawasan PuspiptekSerpong 15314, Tangerang2 P3TIR -BATAN; .fl. Cinere, Pasar Jum 'at, Jakarta

ABSTRAK

ANALISIS SIFAT MEKANIK DAN DAYA SERAP KOMPOSIT TERMO.PLASTIK ELASTOMER -BORON/BORON KARBIDASEBAGAI BAHAN PERISAI RADIASI NEUTRON. Untuk meningkatkan sifat mekanik karet alam dapat dimodifikasi dengan menjadikan sebagaibahan termoplastik elastomer, yaitu mereaksikan karet alam dengan termoplastik menggunakan radiasi. Sebagai bahan perisai radiasi neutronelastomer termoplatik dibuat komposit dengan mencampurkan elastomer termoplastik dengan boron atau boron karbida yang mempunyai koefisienserapan linier besar terhadap radiasi neutron. Kandungan boron atau boron karbida dalam komposit divariasi 10, 20, 30, 40 dan 50 % berat,kemudian dianalisis hubungan antara sifat mekanik dan daya serap neutronnya dengan kandungan boron atau boron carbide. Hasil yang diperolehmenunjukkan kekuatan tarik naik, sebaliknya perpanjangan putus turun dengan naiknya kandungan boron atau boron karbida. didalam komposit.Daya serap terhadap neutron optimal sebesar 96,6% te~adi pada komposit dengan kandungan boron 30% pada ketebalan bahan perisai 4 mmdan optimal sebesar 75,46 untuk komposit dengan kandungan boron karbida 30% pada ketebalan bahan perisai 7 mm. Daya serap neutron untukkomposit TPE dengan boron jauh lebih besar dibandingkan komposit TPE dengan boron karbida pada komposisi dan ketebalan yang sarna

ABSTRACT

ANALAYSIS OF MECHANICAL PROPERTIES AND ABSORBING POWER OF THERMOPLASTIC ELASTOMER COMPOSITE -BORON/BORON CARBIDE AS NEUTRON EADIATION SHIELDING MATERIALS. In order to increase its materials properties, natural rubbercan be modified into thermoplastic elastomer by mixing the natural rubber with thermoplastic materials using radiation. As neutron radiationshielding materials, thermoplastic materials must become composite by mixing the thermoplastic elastomer with boron or boron carbide which hasbig linear absorption,coefficient for neutron radiation. Contents of boron or boron carbide in the composite are varied, 10, 20, 30, 40, and 50 %weight. This composites were analysed and the correlation between mechanical properties, neuron absorbing power, and boron or boron carbidecontent is determined. Neutron absorbing power as big as 96.6 % was achieved by the composite containing 30 % w boron at 4 mm thickness and75.46 % for 30 % w boron carbide content at 7 mm. Neutron absorbing power for TPE composite with boron is must bigger than that with boroncarbide with equal composition percentage and thickness.

PENDAHULUAN

Sampai sekarang ini, bahan perisai radiasineutron yang digunakan masih diimpor sehinggaharganya menjadi mahal, disamping itu melipatgandakan

biaya penrediaan dengan jurnlah pemakaian yang cukupbanyak. [I Boron dalam kimia radiasi meruEakan bahanpenahan radiasi neutron (neutron absorber). 2) Untuk itu

perlu dikembangkan bahan komposit yang terdiri dariboron tersebut. Bahan penahan radiasi neutron yang adadipasaran clan cukup dikenal dengan nama B4C. Bahantersebut sampai sekarang ini masih diimpor clan harganyacukup mahal, oleh sebab itu perlu dibuatkan modifikasibahan sejenis B4C dengan bahan baku berasal darisurnber daya alam Indonesia.

Telah dilakukan penelitian-penelitiansebelumnya, dimana timbal dipadukan dengan karet alam

sehingga diperoleh komEosit yang digunakan sebagaipenahan radiasi sinar-x.[ ,4] Karet alam sebagai sumber

daya alam yang melimpah di Indonesia dapat digunakansebagai matrik pada komposit tersebut diatas tetapikenyataannya paduan ini mempunyai sifat mekanik danfisik yang kurang baik dibandingkan dengan paduanyang berasal dari termoplast,ik elastomer. Termoplastikelastomer merupakan paduan sifat antara karet alam(elastomer) dan termoplastik. Dengan paduan sifattersebut diatas, bahan termoplastik elastomer banyakdigunakan sebagai matriks, termasuk untuk pembuatan

komposit.[S] Sehingga diharapkan komposit yang

~, 6 J~ 2001110

A~ ~ H~ J...,. ~ ~ ~ T~ ~ -8 ,.18- ~

~~P~~N~~,JIt/I.

Laboratoriurn Proses lndustri -P3TIR, BATAN. LebardaD tebal potongan uji diukur dengan mikrometer pactabagian yang sempit, dicatat harga rata-ratanya.SeJanjutnya potongan uji (bentuk dumbel ASTM D-IQ22-L) dijepitkan pacta penjepit mesin Toyoseikid~ngan jarak yang terlebih dahulu ditandai dengan duagaris sejajar. Mesin Toyoseiki dijalankan dan beban yangdibawa potongan uji akan terekam pacta kertas grafikberupa kurva. Jarak antara kedua tanda garis diamatisampai potongan uji putus. Untuk penentuan kekuatantarik maksimum dilakukan pencatatan pada saatpotongan uji putus. Kondisi alat : Beban maksimum =500 Kg. Beban skala penuh = 50 Kg. Kecepatanpenarikan = 5 rnm/menit. Kecepatan kertas = 5rnm/menit.

terbentuk mempunyai sifat mekanik daD fisik yang lebihbaik dibandingkanpaduan dengan karet alam saja.

Untuk komposit sebagai bahan penahan radiasineutron telah dilakukan penelitian terdahulu dengankandungan boron sebesar 5, 10 daD 50 % berat, diperolehbahwa kompatibilitas termoplastik elastomer terhadapboron yang terbaik di dalam komposit sebesar 1 0 s~paidengan 50 % berat boron. [6,7) Oleh sebab ltu perludilakukan penelitian lanjutan dengan komposisi boronsebesar 20, 30 daD 40 % berat, sekaligus digun~bahan lain berupa boron karbida (B4C).

Pada penelitian ini dilakukan identifIkasi sifatmekanik dim daya serap neutron komposit termolastikelastomer denganboron (B) pada berbagai komposisi 20,30 daD 40 %berat, sedangkan untuk boron karbida (B4C).dengan komposisi sebesar 10, 20, 30, 40 daD 50 % berat.Bahan komposit basil modifikasi yang diperoleh,diharapkan dapat mengurangi ketergantungan denganluar negeri khususnya untuk bahan penahan radiasineutron.

Penentuan Perpanjangan Putus (EB%).Tata kerja daD kondisi alat untuk penentuan

perpanjangan putus sarna seperti penentuan kekuatantarik tersebut diatas. Penentuan perpanjangan putus dapatdihitung sesuai dengan persamaan dibawah ini :

BAHANL. -I

EB -'-'0Tennoplastik elastomer yang digunakan dalampenelitian ini, berasal dari campuran karet alam dalambentuk lateks sebagai elastomer daD monomer MMA(metilmetakrilat) sebagai tennoplastik. Campurandiiradiasi dengan sinar gamma pacta dosis optimal,selanjutnya campuran dibuat menjadi lembaran filmdengan proses casting.

X 100 %La

Di mana, EB adalah perpanjangan putus (%), L1 adalahpanjang asal potongan uji antara dua tanda garis(cm), Loadalah panjang potongan uji antara dua tanda garis padawaktu putus (cm).

TATAKERJA Vii Daya Serap Neutron.Bahan komposit tennoplastik elastomer dengan

boronatau boron karbida berbagai komposisi dilakukanuji daya serap neutron. Pengukuran daya serap neutrondilakukan di laboratorium Balai Spektrometri -P3IB,BA TAN. Pengukuran koefisien absorbsi bahan terhadapradiasi neutron dilakukan menggunakan alatdifraktometer neutron dengan panjang gelombang 1,43A. Untuk membatasi neutron yang masuk ke dalamdetektor digunakan pelat cadmium dengan celahberdiameter 5 mm. Pengukuran intensitas dilakukan

tanpa sampel (kosong), selanjutnya pengukurandilakukan secara bertahap dengan ketebalan sampel 1mm, 2 mm, hingga 7 mm untuk setiap bahan kompositdengan beda komposisi boron atau boron karbida.

Pembuatan bahan komposit.Peralatan yang digunakan Labo Platomill merek

Toyoseki Model 30 Rl50 pada laboratorium ProsesIndustri -P3TIR, BATAN. Bahan termoplastikelastomer dalam bentuk lembaran dan serbuk b.oronditimbang sesijai dengan komposisi (% berat) yangdiinginkan. Kemudian bahan termoplastik elastomerdigiling sambil dipanaskan sesuai dengan titik lelehnyadi dalam Labo Plastomill sehingga homogen denganwaktu 10 menit. Hasil yang diperoleh berupa bahankomposit, yang selanjutnya dicetak dengan hot press dancold press menjadi bentuk lembaran film. Dari hasilnyadiperoleh bahan komposit antara termoplastik elastomerdengan berbagai komposisi serbuk boron dan serbukboron karbida (% berat), selanjutnya dilakukanidentifikasi meliputi :

HASIL DAN PEMBAHASAN

Hasil pengukuran sifat mekanik berupakekuatan tarik daD perpanjangan putus komposit antaratermoplastik elastomer (TPE) dengan berbagaikandungan boron (B) diperlihatkan pada Tabel I.Penambahan komposisi boron didalam kandungankomposit rrlenyebabkan kenaikan harga pada kekuatantarik daD sebaliknya berlaku untuk perpanjangan putusyang mengalami penurunan dengan kenaikan kandungan(% berat) boron.

Uji mekanikUji mekanik meliputi kekuatan tarik clan

perpanjangan putus dilakukan di laboratorium Proseslndustri -P3TIR, BATAN.

Uji Kekuatan Tarik.Peralatan yang digunakan adalah alat uji

kekuatan tarik merek Toyoseiki , strograph RI, di

~, 6 J~ 2001

A~ ~ M~ ~ ~ ~ ~ 1~ ~ -g..-/E- ~

Pacta proses penggilingan didalam laboplastomill yang disertai dengan pemanasan, terjadipengembungan (swelling) pacta molekul TPE,selanjutnya boron yang ditambahkan pacta TPEberinteraksi, dengan cara masuk ke dalam rantai molekulTPE sehingga serbuk boron dengan mudah mengisimolekul yang acta diantara rantai polimer tersebut.Akibatnya daTi interaksi tersebut diatas menyebabkanrantai polimer tidak mudah bergerak satu terhadap yanglain sehingga harga kekuatan tarik semakin tinggi dengankenaikan kandungan boron didalam komposit.Sebaliknya perpanjangan putus akan mengalamipenurunan dengan kenaikan kandungan boron didalamkomposit, karena kekuatan ikatan rantai polimerberkurang setelah berinteraksi dengan boron.

optimal terjadi pada ketebalan 4 mm. Untuk ketebalandiatas 4 mm, daya serap terhadap neutron tidaksignifikan lagi, artinya dengan bertambahnya ketebalanbahan perisai daya serap terhadap neutron tidakmengalami perubahan yang besar, seperti diperlihatkanoleh Gambar 1.

Untuk komposit antara TPE dengan berbagaikandungan boron karbida (B4C), basil pengukuran dayaserap terhadap neutron diperlihatkan pada Tabel 4 daDGambar 2.

Daya serap terhadap neutron oleh komposit TPEdengan B4C, terjadi serapan optimal pada kompositdengan kendungan B4C sebesar 30% pada ketebalanbahan perisai sebesar 7 mm, seperti ditunjukkan padaTabel 4 diatas.

Tabel1. Hasil pengukuran sifat mekanik kompositTPE-Boron berbagai komposisi

Tabel 3. Data intensitas/cacahan neutron bahankomposit (8) dengan berbagai ketebalan

Tebal BahanPerisai(mm)

:era,pan

(%)Sifat MekanikKomposisi B

(%)NoNo 20%B 30o/t) B 40%BKekuatan Tarik

(Kg/cm2)Perpanjangan Putus

(%)81.87

--~35.5839,14

2345

7

150150

12~

56.27~9

--96,60 96,2696,80 96,26

~,-:~ 96,35"c;' 96,37

96,91 9§,50

Hal yang sarna terjadi pada kornposit antaraTPE dengan boron karbida, kekuatan tarik rnengalamipeningkatan daD sebaliknya perpanjangan putus terjadipenurunan dengan bertarnbahnya kandungan boronkarbida didalam kornposit, seperti diperlihatkan padaTabel 2 dibawah ini :

6 93,48 I~J6l

0-

§.coJ

Tabel 2. Hasil pengukuran sifat mekanik komposit

TPE-Boron karbida berbagai komposisi

Sifat MekanikKomposisi B4C

(%)No Perpanjangan Putus

(%)Kekuatan Tarik

(Kgicm2)29,43 320.

H

1020 ~

~0 1 2 3 4 5 J 7 B

Tebal perisai [mm]Gambar 1. Kurva serapan neutron kompositETP -B dengan berbagai komposisi boron

110

1.~

1.20

1.00

loBO5

010

o~

0.20

000. i i i i.0 1 2 S ...e 7 e 8 10

T_' perlaallnwn)Gambar 2. Kurva serapan neutron komposit

TPE -B4C dengan berbagai komposisi

~31,3740

H

~

I:~'

Dalarn proses pernbentukan kornposit,pengikatan antara TPE dengan boron lebih kuatdibandingkan dengan boron karbida, oleh sebab itu pactakandungan boron rnaupun boron karbida yang sarnadidalarn kornposit, diperoleh harga kekuatan tarikkornposit TPE-boron lebih besar dibandingkan dengankornpsot TPE-boron karbida.

Daya serap neutron oleh kornposit TPE-boron,ditunjukkan seperti pacta Tabel 3. Dengan bertambahnyakandungan boron di dalarn kornposit rnenunjukkan dayaserap terhadap neutron sernakin besar. Untuk kornposisiyang sarna, dengan penarnbahan ketebalan diperolehdaya serap terhadap neurtron akan sernakin besar daD

~J 6 J~ 2001112

~ gJ p~ ~ ~~I~

A~ ~ H~ J.- ~ ~ ~ T~ ~ -~/g..- ~~ g..J p~ ~ N~

~IJItJt

ketebalan 7 mIn. Secara keseluruhan, daya serap neutronoleh komposit TPE dengan boron jauh lebih besardibandingkan komposit TPE dengan boron karbida padakomposisi daD ketebalan yang sarna.

Tabel 4. Data intensitas/cacahan neutron bahankomposit (B4C) dengan berbagai ketebalan

DAFT AR PUST AKATebal I Serapan (%)IBahan TPE B.C B.C B.C B.C B.C(mm) 100/0 20% 30% 40% 50%~

27,90 24,24 41,17 40,31 35,24 38,912 30,50 45,18 58,94 60,54 54,89 58,123 3196 56,01 67,15 687 63,97 66,614 35,41 63,77 70,95 72,36 69,00 70,785 37,26 67,65 72,33 74,21 71,39 72,646 40,29 68,67 73,08 74,63 72,12 73,287 42,46 71,47 74,19 75,46 73,10 74,458 31-61 7233 7520 75.11 7421 74_84

[1]. R.S. GUPTH, S.C. DUBEY and K.C. DHINGRA,Small Scale Paints, Plastic And Rubber GoodsIndustries, Siri, Delhi, 1992.

[2]. SRI MUL YONO A TMOJO daD TRI HARJANTO,Pembuatan Komposit Karet Alam Timbal Oksida,

[3]. CHAPIRO, ADOPHE, Radiation Chemistry ofPolymeric System, Vol. XV, Interscience Publ.Inc., New York, 1962.

[4]. BRADLEY, RICHARD, Radiation TechnologyHandbook, Marcel Dekker Inc., New York, 1984.

[5]. ANNONIME, Kondisi Perkaretan Indonesia DanPerkiraan Harga Karet Tahun 2000, Trubus XXII,No. 275, (1992) 32.

[6]. MARGA UTAMA, Et. AI., PengembanganPemakaian Lateks Karet Alam Melalui TeknologiKopolimerisasi Radiasi, Kongres Ilmu PengetahuanDan Teknologi VI, Serpong, September 1995.

[7]. GLENN MURPHY, Elements of NuclearEngineering, John Wiley an Sons Inc., New York,1961

[8]. MARGA UT AMA, KADARIJAH,HERWINARNI, MADE SUMARTI daD F.X.MARSONGKO, pembuatan ElastomerTermoplastik Karet Alam dengan MetodePolimerisasi Iradiasi, Simposium Nasional -Himpunan Polimer Indonesia, Jakarta, 1995.

[9].. SUDIRMAN, RIDW AN, TEGUH YULIUS SPP,ARI H., daD ISNI MARLIJANT1, Studi AnalisisTermal daD Strukturmikro Komposit BerbasisTermoplastik Elastomer (KA-PMMA) -Boron,Prosiding Seminar Nasional Mikroskopi daDMikroanalisis III, ISMM, Jakarta, 1998.

Daya serap neutron lebih besar untuk kompositTPE dengan boron dibandingkan komposit TPE denganboron karbida pacta kandungan boron dan boron karbidayang sarna. Untuk kandungan boron sebesar 30% denganketebalan 4 mm mempunyai daya serap neutron sebesar96,6 %, yang mana harganya jauh lebih besardibandingkan pacta kandungan yang sarna, yaitu 30%boron karbida dengan dara serap neutron sebesar72,36%. Hal ini juga terlihat sarna untuk komposisi danketebalan yang lain. Secara keseluruhan (lihat Tabel 3dan Tabel 4), terlihat bahwa daya serap neutron olehkomposit TPE dengan boron jauh lebih besardibandingkan dengan komposit TPE dengan boronkarbida pacta ketebalan dan komposisi yang sarna.

KESIMPULAN

Telah berhasil diperoleh bahan komposit antaratermoplastik elastomer sebagai matriks dengan boron danboron karbida, sebagai pengisi, yang berfungsi sebagaibahan perisai radiasi neutron. Penyerapan terhadapneutron oleh komposit terjadi optimal pada kandunganboron sebesar 30% dengan tebal 4 mm dan kompositdengan kandungan boron karbida sebesar 30% pada

TANYA-JAWAB

Penanya : Sri Muljono (P2JMN-BA TAN)Bagaimana cara meningkatkan sifat mekaniknya agar memenuhi standar ?

Jawaban

Peningkatan sifat mekanik dapat dilakukan dengan cara menambahkan coupling agent, seperti kompositberbasis karet alam dapat ditingkatkan sifat mekaniknya dengan menambah coupling agent MERCADTO.

Penanya : Hamdi Rusyam (P3TIR-BA TAN)Bagaimana cara mengukur kekuatan tarik daD perpanjangan putus ?

JawabanKekuatan tarik daD perpanjangan putus ditentukan dengan alat (mesin) uji tarik strograph (sperti Istron).Sampel uji tarik dibentuk sesuai dengan standar ASTM D-1822L. Dari hasil grafiknya ditentukan kekuatantarik : Kekuatan tarik = gaya / (tebal sampel x lebar sampel). Dan perpanjangan putus :Perpanjangan putus = Panjang salt putus / (panjang salt putus -panjang awal ) x 100 %

113~I 6 J~ 2001