Gamma Ray Irradiation on UHMWPE and HDPE to Increase Tibial Tray Mechanical Properties
IRADIASI SI AR GAMMA UHMWPE DA HDPE U TUK
ME I GKATKA KETAHA A MEKA IK
RET O WULA DARI
DEPARTEME KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DA ILMU PE GETAHUA ALAM
I STITUT PERTA IA BOGOR
BOGOR
2011
ABSTRAK
RETNO WULANDARI. Iradiasi Sinar Gamma UHMWPE dan HDPE untuk
Meningkatkan Ketahanan Mekanik
. Dibimbing oleh ARMI
WULANAWATI dan SULISTIOSO GIAT SUKARYO.
Polietilena bobot molekul ultra tinggi (UHMWPE) merupakan polimer
yang banyak digunakan dalam pembuatan
, tetapi harganya sangat
mahal. Oleh karena itu, dikembangkan polietilena kerapatan tinggi (HDPE) dalam
pembuatan
karena harganya yang lebih murah dan memiliki kemiripan
sifat dengan UHMWPE. HDPE dibuat dengan dua metode, yaitu metode kempa
panas dan metode pemanasan, sedangkan UHMWPE hanya dibuat dengan metode
kempa panas. Film
UHMWPE dan HDPE yang dihasilkan dari kedua
metode kemudian diiradiasi sinar gamma dengan ragam dosis 0, 100, 200, 300,
dan 500 kGy. Polimer1polimer tersebut dianalisis mikrostruktur permukaan,
kekerasan, kekuatan tarik, persentase perpanjangan putus, dan derajat kristalinitas.
Semakin tinggi dosis iradiasi, maka kekerasan dan derajat kristalinitas semakin
meningkat, tetapi kekuatan tarik dan persentase perpanjangan putus semakin
menurun. Kedua polimer belum dapat meningkatkan ketahanan mekanik yang
baik pada kisaran dosis iradiasi yang digunakan karena pembentukan ikatan silang
terhambat oleh oksigen yang menyebabkan pemutusan rantai. Peningkatan nilai
kekerasan HDPE hasil metode kempa panas yang mendekati kekerasan
UHMWPE membuat HDPE memiliki potensi untuk dijadikan sebagai
dengan metode tersebut.
Kata kunci: HDPE, iradiasi sinar gamma,
, UHMWPE.
ABSTRACT
RETNO WULANDARI. Gamma Ray Irradiation on UHMWPE and HDPE to
Increase Tibial Tray Mechanical Properties. Supervised by ARMI
WULANAWATI and SULISTIOSO GIAT SUKARYO.
Ultrahigh molecular weight polyethylene (UHMWPE) is a polymer that is
widely used in the manufacture of tibial tray, but it is very expensive. Therefore,
high density polyethylene (HDPE) was developed for the manufacturing of tibial
tray because the price is lower and has similar properties to UHMWPE. HDPE
was made by two methods, namely hot pressing method and heating method, but
UHMWPE wass made only by hot pressing method. Tibial tray film of HDPE and
UHMWPE from both methods were irradiated with various doses of gamma rays
0, 100, 200, 300 and 500 kGy. The polymers were analyzed for surface
microstructure, hardness , tensile strength, elongation at break percentage, and
degree of crystallinity. The higher the dose of irradiation the higher the hardness
and the degree of crystallinity, but not for the tensile strength and elongation at
break percentage. Both polymers were not able to increase mechanical properties
in those irradiation doses range because crosslink formation is inhibited by the
presence of oxygen that causes chain scission. HDPE hardness enhancement by
hot pressing method was close to hardness of UHMWPE that makes HDPE
potential to be used as tibial tray.
Keyword: gamma ray irradiation, HDPE, tibial tray, UHMWPE.
IRADIASI SI AR GAMMA UHMWPE DA HDPE U TUK
ME I GKATKA KETAHA A MEKA IK
RET O WULA DARI
Skripsi
Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Sains pada
Departemen Kimia
DEPARTEME KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DA ILMU PE GETAHUA ALAM
I STITUT PERTA IA BOGOR
BOGOR
2011
Judul
Nama
NIM
: Iradiasi Sinar GammaUHMWPE dan HDPE untuk Meningkatkan
Ketahanan Mekanik
: Retno Wulandari
: G44070073
Menyetujui
Pembimbing I
Pembimbing II
Armi Wulanawati, S.Si, M.Si.
NIP 196907252000032001
Drs. Sulistioso Giat Sukaryo, MT
NIP195708261988011001
Mengetahui
Ketua Departemen Kimia
Prof. Dr. Ir. Tun Tedja Irawadi, MS.
NIP 195012271976032002
Tanggal Lulus :
PRAKATA
Puji syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT atas berkat limpahan
rahmat dan hidayah1Nya penulis dapat menyelesaikan karya ilmiah dengan judul
Iradiasi Sinar Gamma UHMWPE dan HDPE untuk Meningkatkan Ketahanan
Mekanik
. Salawat serta salam semoga selalu tercurahkan kepada Nabi
Muhammad SAW, keluargannya, dan semoga kita semua menjadi pengikutnya
hingga akhir zaman.
Penulis mengucapkan terima kasih kepada Ibu Armi Wulanawati, S.Si,
M.Si dan Bapak Drs. Sulistioso Giat Sukaryo, MT selaku pembimbing yang
senantiasa memberikan arahan, dorongan semangat, dan doa kepada penulis
selama melaksanakan penelitian. Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada
staf Pusat Teknologi Bahan Industri Nuklir Badan Tenaga Nuklir Nasional
(PTBIN1BATAN) Serpong atas bantuan serta masukan selama penelitian
berlangsung.
Terima kasih tak terhingga penulis ucapkan kepada Bapak, Ibu, serta
seluruh keluarga, atas doa dan kasih sayangnya. Kepada Adi yang telah
membantu memberi masukan dan saran, Savitri, Danang, Randi, Kandhita, Ayu,
Shinta, Dwi Putri, Ardita, serta seluruh teman1teman kimia angkatan 44 atas
segala dukungan dan doanya, penulis ucapkan terima kasih.
Penulis berharap karya ilmiah ini dapat bermanfaat bagi perkembangan
ilmu pengetahuan.
Bogor, Agustus 2011
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Jakarta pada tanggal 12 Juni 1989 dari bapak
Suratman dan ibu Endah Triwahyuning. Penulis adalah putri ketiga dari empat
bersaudara.
Tahun 2007 penulis lulus dari SMA Negeri 3 Jakarta dan pada tahun yang
sama penulis lulus seleksi masuk Institut Pertanian Bogor (IPB) melalui jalur
Seleksi Penerimaan Mahasiswa Baru (SPMB) dan diterima di Departemen Kimia,
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam.
Selama perkuliahan, penulis aktif mengikuti organisasi kemahasiswaan
atau Ikatan Mahasiswa Kimia (IMASIKA) menjadi staf bimbingan belajar
Avogadro di Departemen PK2M tahun ajaran 2008/2009 dan 2009/2010. Bulan
Juli1September 2010 penulis melaksanakan Praktik Lapangan di Pusat Aplikasi
Teknologi Isotop Radiasi Badan Tenaga Nuklir Nasional (PATIR1BATAN)
Jakarta dengan judul Evaluasi Metode Pengendapan 125I dengan Pengekstrak
Benzena dan Toluena dalam Sampel Air Panas Bumi.
DAFTAR ISI
Halaman
DAFTAR GAMBAR ............................................................................................ vii
DAFTAR LAMPIRAN ......................................................................................... vii
PENDAHULUAN ...................................................................................................1
TINJAUAN PUSTAKA ..........................................................................................1
Polimer .................................................................................................................1
UHMWPE ............................................................................................................1
HDPE ...................................................................................................................2
Iradiasi Sinar Gamma ..........................................................................................2
METODE .................................................................................................................2
Bahan dan Alat .....................................................................................................2
Lingkup Kerja ......................................................................................................2
HASIL DAN PEMBAHASAN................................................................................4
Ciri1ciri Fisik
.....................................................................................4
Sifat Mekanik .......................................................................................................6
SIMPULAN DAN SARAN .....................................................................................9
Simpulan ..............................................................................................................9
Saran ....................................................................................................................9
DAFTAR PUSTAKA ..............................................................................................9
LAMPIRAN ...........................................................................................................11
DAFTAR GAMBAR
Halaman
1 Anatomi
dalam sendi lutut tiruan .......................................................2
2 Film UHMWPE metode kempa panas HDPE metode kempa panas, dan
HDPE metode pemanasan pada dosis 0 kGy. .....................................................4
3 Film UHMWPE metode kempa panas, HDPE metode kempa panas, dan
HDPE metode pemanasan pada dosis 500 kGy. .................................................4
4 Permukaan HDPE metode kempa panas pada dosis 0 kGy dan 500 kGy
dengan perbesaran 1000 kali ...............................................................................5
5 Permukaan UHMWPE metode kempa panas pada dosis 0 kGy dan 500 kGy
dengan perbesaran 500 kali .................................................................................5
6 Pembentukan ikatan silang .................................................................................5
7 Pemutusan rantai .................................................................................................6
8 Nilai kekerasan UHMWPE metode kempa panas, HDPE metode kempa
panas, dan HDPE metode pemanasan .................................................................6
9 Difraktogram UHMWPE metode kempa panas pada dosis 0 kGy dan
500 kGy ...............................................................................................................7
10 Difraktogram HDPE metode kempa panas pada dosis 0 kGy dan 500 kGy.......7
11 Difraktogram HDPE metode pemanasan pada dosis 0 kGy dan 500 kGy..........7
12 Nilai kekuatan tarik UHMWPE metode kempa panas, HDPE metode kempa
panas, dan HDPE metode pemanasan .................................................................8
13 Nilai persentase perpanjangan putus UHMWPE metode kempa panas,
HDPE metode kempa panas, dan HDPE metode pemanasan .............................8
DAFTAR LAMPIRA
Halaman
1 Diagram alir penelitian.......................................................................................12
2 Data nilai kekerasan UHMWPE dan HDPE ......................................................13
3 Data nilai rerata ketebalan, gaya maksimum, dan kekuatan tarik
UHMWPE dan HDPE ........................................................................................14
4 Data nilai panjang sampel saat putus dan persentase perpanjangan putus
UHMWPE dan HDPE ........................................................................................17
5 Data nilai bobot kristalin, bobot amorf, bobot kertas 1 × 1, dan
persentase derajat kristalinitas UHMWPE dan HDPE………………………..…… 19
PE DAHULUA
Peradangan sendi lutut (osteoarthritis)
merupakan penyakit yang sering menyerang
orang1orang berusia di atas 40 tahun baik laki1
laki maupun perempuan sehingga perlu
adanya upaya untuk mengembalikan fungsi
normal dari sendi tersebut. Salah satu upaya
yang dilakukan adalah operasi penggantian
sendi lutut menggunakan sendi lutut tiruan
(Wang dan Ge 2007). Operasi ini
membutuhkan polimer sebagai komponen
.
adalah suatu komponen
yang termasuk ke dalam komponen tibial
dalam sendi lutut tiruan. Komponen ini terdiri
dari suatu bidang (
) yang membatasi
antara permukaan yang lebih kuat dan lebih
lemah. Bahan1bahan yang digunakan sebagai
harus memiliki sifat1sifat tertentu
sebagai biomaterial agar memiliki kekuatan
mekanik yang baik. Sifat1sifat utama
biomaterial adalah biokompatibel, tahan
terhadap korosi, biofungsional, memiliki
kemampuan proses, dan ketersediaan yang
baik (Batista
. 2004).
Telah banyak penelitian yang melaporkan
pembuatan
dari polietilena bobot
molekul ultra tinggi (UHMWPE) dengan
memodifikasi
metode
agar
dapat
meningkatkan
ketahanan
mekaniknya,
diantaranya metode pemanasan dengan
iradiasi sinar gamma, metode hamburan
elektron (
) (McKellop
.
1999), serta metode kempa panas tanpa
iradiasi gamma (Wang dan Ge 2007).
McKellop
. (1999) melaporkan bahwa
jumlah massa UHMWPE yang hilang
terendah menggunakan metode iradiasi sinar
gamma dapat mencapai 0.12 mg/106 siklus,
sedangkan menggunakan metode hamburan
elektron dapat mencapai 8.5 mg/106 siklus.
Wang dan Ge (2007) melaporkan bahwa
jumlah massa yang hilang pada UHMWPE
setelah 10000 siklus dalam uji keausan, yaitu
0.93 mg.
Keausan yang rendah pada UHMWPE
hasil iradiasi sinar gamma menyebabkan
peningkatan ketahanan mekaniknya menjadi
lebih baik dibandingkan dengan metode1
metode yang lain. Rosario dan Silva (2006)
melaporkan bahwa kekerasan UHMWPE
semakin meningkat seiring bertambahnya
dosis iradiasi pada kisaran 01500 kGy dengan
nilai kekerasan 64168 shore D. Wang dan Ge
(2007) menyatakan bahwa pemberian tekanan
dalam
metode
kempa
panas
dapat
meningkatkan kekerasan dalam UHMWPE.
McKellop
. (1999) juga menyatakan
bahwa keausan UHMWPE hasil metode
pemanasan dengan iradiasi sinar gamma
berkurang seiring bertambahnya dosis iradiasi
sehingga kekerasan semakin meningkat.
Modifikasi metode dengan iradiasi sinar
gamma telah luas digunakan dalam bidang
kesehatan dan obat1obatan (Gupta dan Anjum
2003). Selain itu, iradiasi sinar gamma juga
dapat digunakan untuk sterilisasi.
Dengan demikian, berdasarkan kemiripan
sifat, seperti bobot jenis dan titik leleh pada
polietilena
kerapatan
tinggi
(HDPE)
dibandingkan dengan UHMWPE, serta
harganya yang relatif murah dan mudah
diperoleh, maka penelitian ini bertujuan
memodifikasi metode, seperti metode kempa
panas dan metode pemanasan dengan iradiasi
sinar gamma terhadap permukaan HDPE dan
UHMWPE agar HDPE dapat digunakan
sebagai
.
TI JAUA PUSTAKA
Polimer
Polimer berasal dari bahasa Yunani yang
terdiri dari dua kata, yaitu
yang berarti
banyak dan
yang berarti bagian atau
unit sehingga polimer didefinisikan sebagai
molekul besar (makromolekul) yang terbentuk
dari susunan ulang unit kimia yang kecil dan
sederhana (Billmeyer 1984). Molekul
sederhana penyusun polimer dinamakan
monomer. Berdasarkan strukturnya, polimer
dibagi menjadi tiga macam, yaitu polimer
rantai lurus, polimer rantai cabang, dan
polimer jaringan (Stevens 2001). Klasifikasi
polimer berdasarkan sifat termalnya dibagi
menjadi dua, yaitu polimer termoset dan
polimer termoplastik (Egen & Zentel 2004).
Polimer termoplastik dapat meleleh bila
dipanaskan di atas suhu transisi gelas (Tg) dan
akan mengeras kembali bila didinginkan,
sedangkan polimer termoset tidak dapat
meleleh jika dipanaskan (Egen dan Zentel
2004). Contoh polimer termoset, yaitu fenol
formaldehida (PF), urea formaldehida (UF),
epoksi, poliester tidak jenuh, dan melamin
formaldehida
(MF).
Contoh
polimer
termoplastik, yaitu polietilena kerapatan
rendah (LDPE), HDPE, polipropilena (PP),
polivinilklorida (PVC), dan polistirena (PS)
(Stevens 2001).
UHMWPE
UHMWPE adalah material yang sudah
umum digunakan sebagai
dalam
2
komponen sendi karena bersifat fleksibel,
keras, dan halus. UHMWPE yang banyak
digunakan pada komponen sendi lutut tiruan
mempunyai berat molekul antara 3 juta dan 6
juta g/mol dengan bobot jenis 0.940 g/cm3 dan
titik leleh 138 °C (Batista
. 2004).
Permukaan yang halus dari UHMWPE dapat
menghasilkan gesekan yang rendah dengan
material lain sehingga dapat meningkatkan
ketahanan mekaniknya. Polimer UHMWPE
telah digunakan di bidang ortopedi sebagai
selama lebih dari 40 tahun
(Wahyudianto 2006). Gambar 1 menunjukkan
anatomi
dalam sendi lutut tiruan.
Gambar 1 Anatomi
dalam sendi
lutut tiruan (Beyer 2011).
HDPE
HDPE merupakan polietilena kerapatan
tinggi yang mempunyai jumlah rantai cabang
sangat sedikit dibandingkan dengan LDPE
dan LLDPE sehingga HDPE bersifat
semikristalin. Polimer ini memiliki bobot jenis
minimum 0.940 g/cm3, bobot molekulnya
berkisar 1041106 g/mol, dan titik lelehnya
sebesar 135 °C (Surdia dan Saito 1995).
Polietilena kerapatan tinggi ini akan meleleh
pada suhu tinggi dan akan memadat jika suhu
lingkungan diturunkan. HDPE juga memiliki
kecenderungan untuk mengkerut dan getas
selama dicetak sehingga termasuk material
yang kritis terhadap cetakan (Sulchan dan
Endang 2007).
Iradiasi Sinar Gamma
Iradiasi sinar gamma merupakan pancaran
gelombang elektromagnetik energi tinggi
dalam bentuk paket energi (foton) (Ivanov
1992). Sinar gamma umumnya bersumber dari
isotop kobalt160 (60Co) dan mempunyai
panjang gelombang yang lebih pendek dari
sinar UV, yaitu sebesar 0.0111016 nm (Harten
1998). Interaksi radiasi gamma dengan materi
atau penyerapan energi oleh materi
menyebabkan terjadinya efek fotolistrik,
hamburan Compton, dan produksi pasangan.
Ketiga proses tersebut dapat menghasilkan
elektron yang dapat mengeksitasi molekul.
Ion yang terbentuk akan cepat berinteraksi
dengan elektron yang menyebabkan eksitasi
molekul. Molekul yang tereksitasi akan
terdisosiasi menjadi radikal bebas. Spesi
radikal bebas yang dihasilkan dari iradiasi
sinar gamma terhadap polimer memegang
peranan penting dalam reaksi seterusnya,
yaitu polimer dapat mengalami pemutusan
rantai (
) dan polimer dapat
membentuk ikatan silang (
).
Ikatan silang terbentuk dari suatu proses
pemutusan ikatan C1H dalam satu rantai
polimer pada fase amorf sehingga membentuk
radikal bebas yang mudah bergerak untuk
berikatan dengan radikal bebas yang terdapat
pada rantai polimer lain, tetapi dalam keadaan
yang tidak ada oksigen (Blunn
. 2002).
Ikatan
silang
pada
polimer
dapat
menghasilkan struktur tiga dimensi sehingga
akan meningkatkan kekuatan mekanik, titik
leleh,
dan
bobot
molekul
seiring
meningkatnya dosis iradiasi yang diberikan
(Ivanov 1992). Pemutusan rantai adalah suatu
proses pemutusan ikatan C1C dengan adanya
oksigen sehingga oksigen tersebut berikatan
atau menangkap radikal bebas yang dihasilkan
(Blunn
. 2002).
METODE
Bahan dan Alat
Bahan1bahan yang digunakan dalam
penelitian ini adalah serbuk UHMWPE (bobot
molekul 316 juta g/mol) dan butiran HDPE.
Alat1alat yang digunakan dalam penelitian
ini adalah tabung kaca, wadah cetakan besar
berbentuk kotak, gegep, alumunium
,
tanur, alat pemotong, alat kempa panas, alat
kempa dingin, alat pencetak dumbel,
mikrometer sekrup, alat uji kekuatan tarik dan
perpanjangan putus Toyoseiki, alat uji
kekerasan Zwick shore A, alat difraksi sinar1x
(XRD) Shimadzu, alat mikroskop elekron
payaran (SEM), dan alat iradiator panorama
serbaguna (IPRASENA) Irka.
Lingkup Kerja
Penelitian ini terbagi menjadi dua tahapan,
yaitu tahap pertama yang terdiri dari
pembuatan film
dari UHMWPE
dan HDPE dengan metode kempa panas dan
metode pemanasan kemudian diiradiasi sinar
gamma, serta dilakukan juga analisis
mikrostrukturnya dengan SEM. Tahap kedua
adalah pengujian sifat mekanik, meliputi
pengujian
kekerasan,
kekuatan
tarik,
3
perpanjangan putus, dan analisis derajat
kristalinitas dengan XRD (Lampiran 1).
sebanyak 25 buah film untuk uji kekuatan
tarik dan perpanjangan putus.
Pembuatan Film
Metode Kempa Panas (Modifikasi Wang
dan Ge 2007)
Iradiasi Sinar Gamma
Wadah cetakan berbentuk persegi dengan
panjang sisi 20 cm dan tebal 0.5 mm
disiapkan kemudian diisi serbuk UHMWPE
sebanyak 12 g di bagian tengah cetakan pada
suhu ruang. Sampel dalam cetakan tersebut
dimasukkan dalam alat kempa panas dan
dipanaskan dengan suhu tinggi sebesar 180 °C
selama 3 menit. Kemudian ditekan dengan
dan
tekanan
sebesar
200
kg/cm2
dipertahankan selama 3 menit. Setelah itu,
sampel dikeluarkan dari alat kempa panas dan
dimasukkan ke dalam alat kempa dingin
selama 10 menit kemudian dikeluarkan dari
wadah cetakan. Sampel berbentuk persegi
tersebut dibuat sebanyak tujuh buah.
Sampel1sampel kemudian dicetak di alat
pencetak dumbel sehingga berbentuk dumbel
yang sesuai standar ASTM D1822106
sebanyak 25 buah film uji kekuatan tarik dan
perpanjangan putus, dan ada juga yang
dipotong berbentuk persegi dengan panjang
sisi 3.5 cm sebanyak 60 buah film untuk uji
kekerasan. Hal yang sama juga dilakukan
terhadap film HDPE.
Metode Pemanasan (Modifikasi McKellop
. 1999)
Satu buah tabung kaca disiapkan lalu
dilapisi dengan aluminium foil pada bagian
bawah dan dalam tabung. Tabung tersebut
diisi HDPE sebanyak 10 g. Wadah cetakan
besar berbentuk kotak disiapkan kemudian
dilapisi dengan aluminium foil hingga seluruh
wadah tertutup. Wadah tersebut diisi sedikit
demi sedikit secara merata dengan HDPE
sebanyak 60 g sehingga bagian dasar wadah
tertutup. Tabung kaca dan wadah cetakan
yang telah diisi HDPE dipanaskan di atas titik
lelehnya pada suhu 180 °C selama 4 jam di
dalam tanur. Setelah dipanaskan, sampel
tersebut didinginkan secara perlahan pada
suhu ruang sehingga sampel keras
Sampel yang berada di dalam tabung
dipotong1potong
berbentuk
lingkaran
berdiameter 3 cm sebanyak 5 bagian sehingga
bobot masing1masing film sebesar 2 g dengan
tebal 6 mm untuk uji kekerasan. Sampel yang
berada dalam wadah kotak dicetak dengan alat
pencetak dumbel sehingga berbentuk dumbel
yang sesuai standar ASTM D1822106
Film HDPE dan UHMWPE dimasukkan
ke dalam ampul kemudian diiradiasi sinar
gamma (γ) dengan sumber yang berasal dari
isotop 60Co. Iradiasi dilakukan dalam media
udara dengan alat iradiator panorama
serbaguna (IPRASENA) Irka selama selang
waktu dan jarak tertentu dari sumber radiasi.
Ragam dosis yang digunakan dalam metode
ini, yaitu 0, 100, 200, 300, dan 500 kGy.
Analisis Mikrostruktur Permukaan dengan
SEM
Film HDPE atau UHMWPE dengan
ukuran tertentu disalut emas dalam keadaan
vakum selama waktu dan kuat arus tertentu
dengan penyalut ion. Setelah itu, film
dimasukkan pada tempat sampel dalam alat
SEM dengan tegangan tertentu. Gambar yang
dihasilkan berupa gambar topografi dengan
segala tonjolan, lekukan, dan lubang pada
permukaan. Gambar tersebut dapat diamati di
layar monitor dengan perbesaran tertentu yang
dapat diatur.
Pengujian Kekerasan (ASTM D2240805)
Film diukur tebalnya dengan ketebalan
minimal sebesar 6 mm. Film diletakkan di
atas meja atau tempat yang rata kemudian alat
uji kekerasan Zwick shore A diletakkan di
atas sampel. Lalu baja seberat 1 kg diletakkan
di atas alat tersebut selama 15 detik kemudian
diukur nilai kekerasannya. Besarnya nilai
kekerasan ditentukan dari nilai skala yang
ditunjuk oleh jarum yang bergerak dalam alat
tersebut. Nilai skala uji kekerasan shore A
berkisar antara 01100. Pengukuran dilakukan
sebanyak tiga kali ulangan. Nilai kekerasan
shore A dikonversi ke dalam shore D.
Pengujian
Kekuatan
Tarik
dan
Perpanjangan Putus (ASTM D1822806)
Film dibentuk dumbel dengan ukuran
panjang sebesar 63.5 mm, lebar sebesar 10
mm, dan lebar bagian tengah dumbel sebesar
3 mm. Bagian tengah dumbel ditandai dengan
dua titik yang berjarak 1 cm. Kemudian film
diukur ketebalannya terlebih dahulu dengan
mikrometer sekrup sebanyak 3 kali ulangan.
Setelah itu, film dijepit diantara kedua
pendulum dalam alat Toyoseiki. Tanda dua
titik di bagian tengah dumbel dipastikan
berada di tengah kedua pendulum tersebut
4
untuk pengukuran per
perpanjangan putus.
Kemudian sampel ditar
ditarik sampai putus
dengan kecepatan 100 mm/menit
sehingga
m
dapat diketahui besarnya
nya gaya
g
maksimum dan
panjang sampel saat putus. Pengukuran
dilakukan sebanyak lima ka
kali ulangan.
Kekuatan
tarik
ik
dan
persentase
perpanjangan putus dihit
dihitung menggunakan
Persamaan 1 dan 2.
transparan (Gambar 2a), sedangkan HDPE
dengan metode yang sama berwarna putih
pekat (Gambar 2b). Pollimer HDPE hasil
metode pemanasan pada
ada ddosis 0 kGy juga
berwarna putih, tetapi lebih pekat dari HDPE
hasil metode kempa panas (Gambar 2c).
. . .1
(c)
(a)
(b)
Gambar 2 Film UHMWP
MWPE metode kempa
panas (a),, HDPE
HDP metode kempa
panas (b), dan HDPE metode
pemanasann (c) pada dosis 0 kGy.
Keterangan:
= kekuatan tarik
rik (kg
(kg/cm2)
= gaya maksimun
mun (k
(kg)
= luas penampang
pang sampel
s
(cm2)
=
0,3
= rataan ketebalan
alan ssampel (cm)
%
%
∆
∆
100%
. . .2
= persentase perpan
erpanjangan putus (%)
= pertambahann panj
panjang sampel (cm)
= (cm) – (cm)
= panjang sampel
pel sa
saat putus (cm)
= panjang sampel awal (cm)
Analisis Derajat Kristalin
istalinitas dengan XRD
Film HDPE atau
tau U
UHMWPE dengan
ukuran tertentu ditempel
tempelkan pada tempat
sampel dalam alat XRD
RD dengan
de
perekat ganda
yang kemudian diletakkan
takkan pada guaniometer
dan dirotasikan pada sudut kalibrasi (2θ) 15°1
30° selama waktu tert
tertentu. Hasil yang
diperoleh berupa difraktogram
difrakt
dan dapat
diamati di layar monitor.
nitor. Persentase derajat
kristalinitas
dapatt
ditentukan
dari
difraktogram hasil XRD
RD m
melalui Persamaan 3:
!
!"
100%
. . .3
HDPE hasil kedua
Warna UHMWPE dan H
metode setelah diiradiasi
iasi pada
pa dosis 500 kGy
berubah menjadi warna
na cok
coklat. Warna coklat
pada UHMWPE hasil
il met
metode kempa panas
masih sedikit transparan
sparan (Gambar 3a),
dibandingkan dengan HDPE
HDP yang berwarna
coklat pekat (Gambarr 3b)
3b). Namun, HDPE
hasil metode pemanasan
asan memiliki warna
coklat yang lebih pekat
at dibandingkan
dib
dengan
HDPE hasil metode kempa
kemp panas (Gambar
3c).
(a)
(b)
(c)
Gambar 3 Film UHMWP
MWPE metode kempa
panas (a),, HDPE
HDP metode kempa
panas (b), dan HDPE metode
pemanasann (c) pada dosis 500
kGy.
#$ %
Keterangan:
= derajat kristali
ristalinitas (%)
rah kr
kristalin (cm2)
&'()*+,(- = luas daerah
= luas daerah
rah am
amorf (cm2)
+./'0
PEM
HASIL DA PEMBAHASA
Ciri8ciri Fisik
UHMWPE
WPE dan HDPE yang
dihasilkan dari kedua
ua me
metode menunjukkan
ciri1ciri fisik permukaan
kaan yyang berbeda. Ada
perbedaan warna yang signifikan
sig
dari kedua
polimer pada dosis 0 kGy
kG dan 500 kGy.
UHMWPE hasil metode
tode kempa panas pada
dosis 0 kGy berwarna
arna putih
p
yang sedikit
Perubahan warna pol
polimer dari putih
menjadi coklat dipengaruh
garuhi oleh pemanasan
yang dilakukan sebelum
lum iradiasi dan saat
iradiasi sinar gamma. Berdasarkan
Ber
Sulchan
dan Endang (2007), HDPE
HDP memiliki sifat
tahan terhadap suhu tinggi,
inggi, keras, buram, dan
kurang tembus cahaya. Hal ini menyebabkan
pemanasan menjadi tidak
idak merata
m
ke seluruh
bagian HDPE padaa metode
me
pemanasan
sehingga panas yang dihas
dihasilkan saat iradiasi
hanya terjadi di permuka
rmukaan saja. Hal ini
berbeda dengan HDPE
E dan UHMWPE yang
dihasilkan dari metode kempa
ke
panas, pada
metode kempa panas polimer
polim diberi tekanan
selama pemanasan sehing
sehingga saat iradiasi,
panasnya tidak hanyaa di ppermukaan, tetapi
juga ke seluruh bagiann poli
polimer. Oleh karena
5
HDP
hasil metode
itu, warna coklat HDPE
pemanasan lebih pekat
kat dibandingkan
dib
dengan
UHMWPE dan HDPE metode
kempa panas.
me
Iradiasi sinar gammaa m
mengubah sifat1sifat
fisik permukaan polimer
olimer secara signifikan
baik warna maupun struktur
permukaannya.
struk
Pembentukan radikal bebas
beba menjadi sumber
terjadinya perubahann str
struktur kimia dan
perubahan sifat1sifat polim
polimer (Ivanov 1992).
Mikroskop elektron
ktron payaran (SEM)
digunakan untuk meng
mengamati perubahan
struktur dari permukaan
ukaan polimer akibat
iradiasi sinar gamma. HDPE
HD
hasil metode
kempa panas pada dosis
osis 0 kGy terlihat kasar
dan tidak homogen karena
kare
masih terdapat
banyak butiran di permuk
ermukaan (Gambar 4a),
sedangkan pada dosiss 500 kGy butiran1butiran
sedikit berkurang sehingg
ehingga cenderung lebih
homogen
(Gambar
4b).
Permukaan
UHMWPE pada dosis
sis 0 kGy tampak halus,
licin, dan lebih homogen
homo
dibandingkan
dengan HDPE, tetapi masih
ma
terlihat adanya
sedikit butiran (Gamb
Gambar 5a). Seiring
bertambahnya dosis iradiasi,
iradi
butiran1butiran
pada permukaan UHMWP
MWPE yang diberi dosis
500 kGy semakin berkurang
be
sehingga
permukaannya menjadi
adi leb
lebih homogen, halus,
dan licin (Gambar 5b). Batista
. (2004)
menyatakan bahwa permuk
ermukaan yang licin dan
halus dari UHMWPE
PE ddapat menghasilkan
gesekan yang rendah
ah den
dengan material lain
sehingga dapat mening
eningkatkan ketahanan
mekaniknya.
(a)
(b)
Gambar 4 Permukaan
an HD
HDPE metode kempa
panas pada
da do
dosis 0 kGy (a) dan
500 kGy (b) dengan perbesaran
1000 kali.
(a)
(b)
Gambar 5 Permukaan
aan U
UHMWPE metode
kempa panas pada dosis 0 kGy
(a) dan 500 kGy (b) dengan
perbesaran
ran 50
500 kali.
Butiran yang terdapa
rdapat di permukaan
menunjukkan adanya gelembung
gelem
udara yang
akibat proses
terjebak di dalam polimer
polim
pemanasan pada suhu
hu tinggi
t
(Billmeyer
1984). Metode kempaa pan
panas adalah metode
kompaksi yang dilakukan
ukan pada suhu tinggi
untuk menghasilkan suatu proses pemadatan
polimer yang sempurna
urna (Rusianto 2009),
sedangkan metode pemanasan
merupakan
peman
metode yang dilakukan
kan pada
p
suhu tinggi,
tetapi tidak diberi tekanan.
nan. Pemberian tekanan
pada metode kempa panas sebesar 200 kg/cm2
setelah pemanasan yang
ang ttidak berlangsung
lama pada serbukk ha
halus UHMWPE
menyebabkan pemanasan
san m
menjadi merata ke
seluruh bagian sehingga
gga gelembung udara
yang terjebak, sepertii oksig
oksigen di permukaan
sangat sedikit dan homogen
mogen. Hal ini berbeda
dengan HDPE karena HDPE yang digunakan
masih berupa butiran
tiran sehingga luas
permukaannya menjadi
adi llebih kecil dari
UHMWPE. Luas permukaa
mukaan yang kecil dan
sifat HDPE yang tahan
an terh
terhadap suhu tinggi
menyebabkan gelembung
ung ud
udara yang terjebak
di permukaan banyakk dan HDPE menjadi
kurang homogen. Oksigen
igen yang
y
terdapat pada
gelembung udara tersebut
sebut berperan sebagai
penangkap radikal beba
bebas saat iradiasi
sehingga menghambat
at terbentuknya
ter
ikatan
silang (Blunn
. 2002).
Oksigen yang kemungki
ungkinan terjebak pada
permukaan UHMWPE,
E, serta
ser proses iradiasi
sinar gamma yang berlangs
rlangsung dalam media
udara
mengakibatkan
tkan
terganggunya
pembentukan ikatan silang dan UHMWPE
dapat mengalami pemutus
mutusan rantai seiring
bertambahnya dosis iradiasi
radiasi (Stephens 2009).
Gambar 6 menunjukkan
an pro
proses pembentukan
ikatan silang. HDPE hasil
hasi metode kempa
panas juga dapat menghasil
ghasilkan ikatan silang,
tetapi kemungkinan terbentuknya
terb
ikatan
silang lebih sedikit dari
ari UHMWPE.
U
Hal ini
disebabkan oleh banyakny
nyaknya oksigen yang
terjebak di permukaan
aan HDPE sehingga
polimer tersebut lebih
bih cepat
c
mengalami
pemutusan rantai diban
dibandingkan dengan
UHMWPE (Gambar 7).
an ikatan
ika
silang (Lewis
Gambar 6 Pembentukan
2001).
6
Gambar 7 Pemutusan rantai (Lewis 2001).
Sifat Mekanik
Kekerasan
Kekerasan adalah ketahanan suatu
material terhadap gaya penekanan dari
material lain yang lebih keras. Penekanan
tersebut
dapat
berupa
mekanisme
penggoresan, pantulan, dan indentasi dari
material keras terhadap suatu permukaan
benda uji (Yuwono 2009). Kekerasan
merupakan salah satu sifat bahan yang sangat
penting dan sudah sering digunakan sebagai
indikator untuk ketahanan aus polimer (Wang
dan Ge 2007). Pengukuran kekerasan
menunjukkan bahwa terjadi peningkatan
kekerasan dengan meningkatnya dosis iradiasi
baik pada UHMWPE maupun HDPE. Hasil
ini sesuai dengan laporan Rosario dan Silva
(2006) yang menyatakan bahwa nilai
kekerasan UHMWPE semakin tinggi seiring
bertambahnya dosis iradiasi dan berada pada
kisaran 64168 shore D.
Nilai kekerasan UHMWPE hasil metode
kempa panas berada pada kisaran 45.36146.39
shore D, HDPE yang dihasilkan dari metode
kempa panas berada pada kisaran 44.47145.92
shore D, dan HDPE hasil metode pemanasan
berada pada kisaran 44.22145.76 shore D
(Gambar 8). Nilai kekerasan yang diperoleh
dari ketiga polimer tersebut masih lebih kecil
dari hasil laporan Rosario dan Silva (2006).
Lampiran 2 menunjukkan perhitungan nilai
kekerasan UHMWPE dan HDPE.
Nilai Kekerasan
(shore D)
46,5
46
45,5
45
44,5
44
0
100
200
300
400
500
600
Dosis Radiasi (kGy)
Gambar 8 Nilai kekerasan UHMWPE ( ),
HDPE ( ), metode kempa panas
(1), dan metode pemanasan (1).
Peningkatan nilai kekerasan kedua polimer
disebabkan oleh beberapa faktor, yaitu
kemungkinan terbentuknya ikatan silang dan
pemutusan rantai. Ikatan silang menyebabkan
susunan rantai acak yang berada di daerah
amorf menjadi teratur sehingga polimer
menjadi lebih keras. Pemutusan rantai juga
dapat meningkatkan kekerasan karena oksigen
menangkap radikal bebas hasil iradiasi sinar
gamma sehingga polimer mengalami suatu
proses oksidasi dan menghasilkan senyawa
hidroperoksida yang dapat menyebabkan
putusnya ikatan C1C dan membentuk kristal
baru (Stephens 2009). Kristal1kristal inilah
yang menyebabkan kekerasan juga semakin
meningkat. Nilai kekerasan UHMWPE lebih
besar dari HDPE hasil kedua metode karena
kemungkinan terbentuknya ikatan silang pada
polimer tersebut lebih banyak sehingga
pemutusan rantai yang terjadi seiring
bertambahya dosis iradiasi masih lebih lama
dibandingkan dengan HDPE. Oleh karena itu,
UHMWPE masih lebih keras dari HDPE,
tetapi peningkatan kekerasan HDPE hasil
metode kempa panas tidak berbeda jauh
dengan UHMWPE.
Bobot molekul juga mempengaruhi
besarnya nilai kekerasan pada UHMWPE dan
HDPE. Bobot molekul yang sangat tinggi
pada UHMWPE menyebabkan rantai polimer
yang dihasilkan dari iradiasi sinar gamma
menjadi lebih panjang, sedangkan bobot
molekul HDPE yang lebih kecil dari
UHMWPE menghasilkan rantai polimer yang
lebih pendek dari UHMWPE. Rantai polimer
UHMWPE yang lebih panjang dari HDPE
membuktikan bahwa UHMWPE mengalami
proses pemutusan rantai yang lebih lama
dibandingkan HDPE sehingga UHMWPE
masih lebih keras dan lebih mampu dalam
menahan gaya penekanan dari material lain
yang lebih berat.
Pemutusan rantai yang berlangsung secara
perlahan pada kisaran dosis 01500 kGy
menyebabkan kenaikan kekerasan yang
dihasilkan dari kedua polimer tidak signifikan.
Kenaikan kekerasan yang tidak signifikan
juga dapat dilihat dari difraktogram hasil
XRD. Ada dua jenis puncak yang dihasilkan
dari difraktogram, yaitu puncak yang tajam
dan puncak yang lebar. Puncak yang tajam
menggambarkan daerah kristalin, sedangkan
puncak yang lebar menggambarkan daerah
amorf. Puncak1puncak tersebut muncul dalam
difraktogram karena polimer UHMWPE dan
HDPE merupakan polimer yang semikristalin
(Bambang 2011).
15
20
25
30
Intensitas
2Ө
(a)
3600
3200
2800
2400
2000
1600
1200
800
400
0
20
25
30
Intensitas
2Ө
(a)
3600
3200
2800
2400
2000
1600
1200
800
400
0
15
20
25
30
2Ө
(b)
Gambar 10 Difraktogram HDPE metode
kempa panas pada dosis 0 kGy
(a) dan 500 kGy (b).
Intensitas
3200
2800
2400
2000
1600
1200
800
400
0
3200
2800
2400
2000
1600
1200
800
400
0
15
3200
2800
2400
2000
1600
1200
800
400
0
15
20
25
30
2Ө
15
20
25
30
2Ө
(b)
Gambar 9 Difraktogram UHMWPE metode
kempa panas pada dosis 0 kGy (a)
dan 500 kGy (b).
HDPE hasil metode kempa panas juga
mengalami hal yang sama dengan UHMWPE,
tetapi intensitas daerah amorf pada dosis 0
kGy terlihat lebih rendah dari UHMWPE
(Gambar 10a). Setelah diiradiasi pada dosis
500 kGy, intensitas daerah amorf juga
semakin berkurang (Gambar 10b). Intensitas
daerah amorf HDPE hasil metode pemanasan
pada dosis 0 kGy terlihat sangat rendah
(Gambar 11a). Semakin naiknya dosis
iradiasi, yaitu pada dosis 500 kGy,
intensitasnya menjadi semakin rendah
(Gambar 11b). Intensitas daerah amorf HDPE
metode pemanasan setelah iradiasi sangat
rendah karena HDPE tersebut sangat mudah
mengalami pemutusan rantai akibat oksigen
yang terjebak pada permukaan sangat banyak
dan kemungkinan tidak ada ikatan silang yang
terbentuk. Oleh karena itu, HDPE hasil
metode pemanasan lebih cepat kristalin
dibandingkan dengan HDPE dan UHMWPE
hasil metode kempa panas.
Intensitas
Intensitas
Intensitas daerah amorf UHMWPE hasil
metode kempa panas pada dosis 0 kGy terlihat
tinggi (Gambar 9a), tetapi setelah diiradiasi
pada dosis 500 kGy, intensitas daerah
amorfnya berkurang atau lebih rendah
(Gambar 9b). Penurunan intensitas daerah
amorf menunjukkan bahwa UHMWPE
semakin
keras
dan
kristalin
akibat
terbentuknya ikatan silang dan pemutusan
rantai, tetapi penurunannya tidak signifikan.
Penurunan intensitas daerah amorf yang tidak
signifikan disebabkan oleh pemutusan rantai
pada kisaran dosis 01500 kGy terjadi secara
perlahan (Kim dan Nho 2009). Oleh karena
itu, kenaikan kekerasannya pun tidak
signifikan.
Intensitas
7
(a)
3200
2800
2400
2000
1600
1200
800
400
0
15
20
25
30
2Ө
(b)
Gambar 11 Difraktogram HDPE metode
pemanasan pada dosis 0 kGy
(a) dan 500 kGy (b).
Kekuatan Tarik, Perpanjangan Putus, dan
Derajat Kristalinitas
Uji tarik suatu bahan dapat memberikan
informasi mengenai sifat mekanik, seperti
kuat tarik dan perpanjangan putus. Kekuatan
tarik menggambarkan kekuatan tegangan
maksimum suatu material untuk menahan
gaya tarik yang diberikan, sedangkan
perpanjangan
putus
menggambarkan
kemampuan
material
dalam menahan
deformasi hingga terjadinya perpatahan.
Perpatahan material hasil pengujian tarik ada
dua macam, yaitu perpatahan ulet dan
perpatahan getas. Perpatahan ulet lebih
disukai karena bahan yang ulet umumnya
lebih tangguh dan memberikan peringatan
terlebih dahulu sebelum terjadinya perpatahan
(Yuwono 2009). Pengukuran kuat tarik
8
Nilai Kekuatan Tarik
(kg/cm2)
600
500
400
300
200
100
0
0
100
200
300
400
500
600
Dosis Radiasi (kGy)
Gambar 12 Nilai kekuatan tarik UHMWPE
( ), HDPE ( ), metode kempa
panas (1), dan metode pemanasan
(1).
Pengukuran persentase perpanjangan putus
juga menunjukkan hal yang sama, yaitu
semakin meningkatnya dosis iradiasi yang
diberikan,
maka
semakin
berkurang
persentase
perpanjangan
putusnya.
Berkurangnya persentase perpanjangan putus
membuktikan bahwa polimer semakin getas
akibat adanya pemutusan rantai. UHMWPE
getas pada dosis 500 kGy, HDPE hasil metode
kempa panas mulai getas pada dosis 200 kGy,
dan HDPE hasil metode pemanasan mulai
getas pada dosis 100 kGy (Gambar 13).
Terjadinya kegetasan dapat dilihat dari
persentase perpanjangan putus yang bernilai
0%. Berdasarkan hasil tersebut UHMWPE
mengalami perpatahan ulet dan tidak mudah
getas dibandingkan dengan HDPE. Lampiran
4 menunjukkan perhitungan persentase
perpanjangan
putus
yang
diperoleh
UHMWPE dan HDPE.
Perpanjangan Putus (%)
menunjukkan bahwa terjadi penurunan kuat
tarik dengan meningkatnya dosis iradiasi baik
UHMWPE maupun HDPE dari kedua metode.
Bobot molekul mempengaruhi kekuatan
tarik dan perpanjangan putus pada polimer
(Mark 1999). Bobot molekul yang sangat
besar pada UHMWPE menyebabkan rantai
polimer hasil iradiasi sinar gamma menjadi
lebih panjang (Blunn
. 2002). Bobot
molekul
HDPE
yang
lebih
kecil
mengakibatkan rantai polimer HDPE lebih
pendek dari UHMWPE, namun rantai polimer
HDPE hasil metode pemanasan masih lebih
pendek dari HDPE hasil metode kempa panas.
Rantai polimer yang panjang dari UHMWPE
menyebabkan nilai kuat tariknya lebih besar
dari HDPE hasil metode kempa panas dan
rantai polimer HDPE hasil metode pemanasan
yang sangat pendek menyebabkan nilai kuat
tariknya paling kecil (Gambar 12).
Seiring meningkatnya dosis iradiasi, maka
rantai polimer semakin lama semakin pendek
karena adanya pemutusan rantai sehingga
nilai kekuatan tariknya semakin lama semakin
menurun. Dengan kata lain, pemutusan rantai
dapat meningkatkan kekerasan sekaligus
menurunkan kekuatan tarik karena kristal
yang terbentuk merupakan gabungan kristal
hasil pemutusan ikatan C1C yang berikatan
dengan oksigen. Penurunan kuat tarik terjadi
secara tidak signifikan karena pemutusan
rantai juga terjadi secara perlahan pada
kisaran dosis yang digunakan. Lampiran 3
menunjukkan perhitungan nilai kuat tarik
yang diperoleh UHMWPE dan HDPE.
800
700
600
500
400
300
200
100
0
0
100
200
300
400
500
600
Dosis Radiasi (kGy)
Gambar 13 Nilai persentase perpanjangan
putus UHMWPE ( ), HDPE
( ), metode kempa panas (1),
dan metode pemanasan (1).
Persentase perpanjangan putus yang
diperoleh UHMWPE menurun dari 350% ke
0% pada kisaran dosis 01500 kGy. Hasil
tersebut tidak berbeda jauh dengan laporan
Rosario dan Silva (2006) yang menyatakan
bahwa persentase perpanjangan putus
UHMWPE menurun dari 248% ke 30% pada
kisaran dosis radiasi 01500 kGy sehingga
kekuatan tariknya juga menurun. Sedikitnya
oksigen yang terjebak pada permukaan
UHMWPE menyebabkan polimer tersebut
mengalami pemutusan rantai yang lebih lama
dibandingkan dengan HDPE sehingga
UHMWPE memiliki nilai kuat tarik yang
paling besar dan lebih mampu dalam menahan
gaya tarikan dari material lain yang lebih
berat. Oleh karena itu, UHMWPE mulai getas
pada dosis 500 kGy. Hal ini berbeda dengan
HDPE dari kedua metode.
HDPE hasil metode kempa panas lebih
mudah
mengalami
pemutusan
rantai
dibandingkan dengan UHMWPE karena
oksigen yang terjebak pada permukaan lebih
banyak sehingga kemungkinan terbentuknya
ikatan silang lebih sedikit dari UHMWPE.
Hal ini menyebabkan HDPE tersebut masih
kurang mampu dalam menahan gaya tarikan
dari material lain yang lebih berat, nilai kuat
tariknya lebih kecil dibandingkan dengan
9
UHMWPE, dan mulai getas pada dosis 200
kGy. HDPE hasil metode pemanasan tidak
terbentuk ikatan silang dan sangat kristalin.
Kristalinitas yang tinggi akibat pemutusan
rantai menyebabkan HDPE hasil metode
pemanasan memiliki nilai kuat tarik paling
kecil sehingga HDPE tersebut sangat mudah
getas setelah diiradiasi. Hasil ini sesuai
dengan laporan Rosario dan Silva (2006) yang
melaporkan bahwa semakin kecil kekuatan
tarik dan perpanjangan putusnya, maka
polimer semakin getas seiring bertambahnya
dosis iradiasi.
Nilai kekuatan tarik dan perpanjangan
putus
yang
semakin
menurun juga
dipengaruhi oleh faktor derajat kristalinitas
yang semakin meningkat. Derajat kristalinitas
adalah derajat kemungkinan terbentuknya
susunan kristal dalam bentuk rantai (Bambang
2011). Sifat kristalinitas yang tinggi
menyebabkan tegangan yang tinggi dan kaku
(Agusnar 2004). Difraksi sinar1x (XRD)
digunakan
untuk
menentukan
derajat
kristalinitas polimer. Persentase derajat
kristalinitas UHMWPE hasil metode kempa
panas pada dosis 0 kGy sebesar 52.07%,
sedangkan pada dosis 500 kGy sebesar
59.70%. Persentase derajat kristalinitas HDPE
hasil metode kempa panas juga semakin
meningkat dan lebih besar dari UHMWPE,
yaitu 67.11% pada dosis 0 kGy dan 68.75%
pada dosis 500 kGy. Kenaikan derajat
kristalinitas juga terjadi pada HDPE hasil
metode pemanasan dan memiliki nilai yang
paling besar, yaitu 69.96% pada dosis 0 kGy
dan 79.15% pada dosis 500 kGy. Hasil ini
sesuai dengan laporan Kim dan Nho (2009)
yang menyatakan bahwa semakin tinggi dosis
iradiasi, maka semakin tinggi derajat
kristalinitasnya. Lampiran 5 menunjukkan
perhitungan persentase derajat kristalinitas
yang diperoleh UHMWPE dan HDPE.
Derajat kristalinitas HDPE hasil metode
pemanasan memiliki persentase yang paling
besar dibandingkan dengan UHMWPE dan
HDPE hasil metode kempa panas karena
daerah amorf HDPE pada dosis 0 kGy sangat
sedikit atau lebih kristalin sehingga HDPE
tersebut sangat mudah terjadi pemutusan
rantai. Hal ini disebabkan oleh oksigen yang
terjebak sangat banyak baik pada daerah
kristalin maupun daerah amorf sehingga
oksigen tidak hanya menyerang radikal bebas
di daerah kristalin saja, melainkan juga di
daerah amorf. Proses tersebut menyebabkan
adanya oksidasi pada polimer sehingga
menghasilkan senyawa hidroperoksida yang
dapat menyebabkan pemutusan rantai dan
menghasilkan kristal baru (Stephens 2009).
Semakin tinggi kristalinitas akibat pemutusan
rantai, maka HDPE menjadi semakin keras,
tetapi mudah rapuh atau getas. Hasil ini sesuai
dengan pernyataan Sulchan dan Endang
(2007) yang menyatakan bahwa HDPE
memiliki kecenderungan untuk mengkerut dan
getas selama dicetak sehingga termasuk
material yang kritis terhadap cetakan.
Faktor jenis ikatan dan struktur rantai juga
mempengaruhi kristalinitas polimer (Agusnar
2004). Rantai polimer HDPE hasil metode
kempa panas yang lebih pendek dari
UHMWPE menyebabkan rantai polimer lebih
cepat berkurang akibat adanya pemutusan
rantai. Oleh karena itu, HDPE lebih cepat
menjadi kristalin, derajat kristalinitasnya lebih
besar, dan termasuk material yang lebih keras
dan rapuh dibandingkan dengan UHMWPE.
SIMPULA DA SARA
Simpulan
UHMWPE yang dihasilkan dari metode
kempa panas dan HDPE yang dihasilkan dari
metode kempa panas dan metode pemanasan
belum dapat meningkatkan ketahanan
mekanik yang baik, dilihat dari menurunnya
nilai kuat tarik dan persentase perpanjangan
putus pada kisaran dosis 01500 kGy. Nilai
peningkatan kekerasan HDPE hasil metode
kempa panas yang mendekati UHMWPE
membuat HDPE memiliki potensi untuk
dijadikan sebagai
menggunakan
metode tersebut dibandingkan dengan metode
pemanasan.
Saran
Perlu dilakukan homogenisasi sebelum
dicetak menjadi
iradiasi sinar
gamma dalam keadaan vakum, dan dosis yang
lebih tinggi terhadap HDPE baik metode
pemanasan maupun metode kempa panas
karena pembentukan ikatan silang merupakan
faktor penting dalam
. Selain itu,
perlu
dilakukan
pengujian
untuk
membuktikan adanya ikatan silang atau
pemutusan rantai.
DAFTAR PUSTAKA
Agusnar H. 2004. Penentuan derajat
kristalinitas larutan kitin dengan variasi
10
waktu penyimpanan menggunakan difraksi
sinar1x (XRD).
8: 43145.
[ASTM] American Society for Testing and
Materials. 2010. Tensile1Impact Energy to
Break Plastics and Electrical Insulating
Materials. Philadelphia: ASTM; (ASTM
Standard: D1822106).
[ASTM] American Society for Testing and
Materials. 2010. Rubber Property1
Durometer
Hardness.
Philadelphia:
ASTM; (ASTM Standard: D2240105).
Bambang E. 2011. Pengaruh variasi
temperatur pada proses
jenis RN. 350 dengan bahan baku
murni,
campuran
,
,
dan
[skripsi]. Medan: Fakultas
Teknik, Universitas Sumatera Utara.
Batista G, Ibarra M, Ortiz J, Villegas M.
2004. Engineering biomechanics of knee
replacement.
1: 11
12.
Beyer A. 2011. Arthroscopic surgery
[terhubung berkala]. http://california1
kneedoctor.com/total1health/surgical1
procedures [5 Februari 2011].
Billmeyer FW. 1984.
!
"
. New York: John Willey and Sons.
Blunn
2002. Ultrahigh molecular weight
polyethylene (uhmwpe) in total knee
replacement: fabrication, sterilisation and
wear. #
!
#
84: 9461949.
Egen M, Zentel R. 2004. Surfactant free
emulsion polymerization of various
methacrylates; towards monodisperse
colloids for polymer opals.
$
"
205: 147911488.
Gupta B, Anjum N. 2003. Plasma and
radiation1induced graft modification of
polymers for biomedical applications. % &
"
162: 35161.
Harten AV. 1998.
!
"
%
Cambridge University Pr.
.
Ivanov VS. 1992.
$
"
. Netherland: VCP BV.
London:
Kim S, Nho YC. 2009. $
'
"
"
. Austria: IAEA.
Lewis G. 2001. Properties of crosslinked
ultrahigh molecular weight polyethylene.
!
22: 3711401.
Mark JE. 1999. "
'
(
New York: Oxford University.
.
McKellop
. 1999. Development of an
extremely wear resistant ultrahigh
molecular weight polyethylene for total
hip replacements. #
)
17:
1571167.
Rosario
SC,
Silva
LGA.
2006.
Characterization of the virgin and recycled
ultra high molecular weight polyethylene
irradiated
[tesis].
Brazil:
Cidade
University.
Rusianto T. 2009. Hot pressing metalurgi
serbuk alumunium dengan variasi suhu
pemanasan.
2: 89195.
Stevens MP. 2001.
Pradnya Paramita.
"
. Jakarta:
Stephens
CP.
2009.
Morphological
characterization of irradiated ultrahigh
molecular
weight
polyethylene
(UHMWPE)
[disertasi].
Knoxville:
University of Tennessee.
Sulchan M, Endang NW. 2007. Keamanan
pangan kemasan plastik dan styrofoam
[tesis]. Semarang: Program Pascasrjana,
Universitas Diponegoro.
Surdia, Saito. 1995. "
!
. Jakarta: Pradnya Paramita.
Wahyudianto
AFX.
2006.
Pengaruh
implantasi ion berbasis nitrogen pada
cobalt chrome alloy terhadap sifat keausan
die drawn GUR 1120 UHMWPE [tesis].
Yogyakarta:
Program
Pascasarjana,
Universitas Gadjah Mada.
Wang S, Ge S. 2007. The mechanical
property and tribological behavior of
UHMWPE: effect of molding pressure.
263: 9491956.
Yuwono AH. 2009.
"
Jakarta: UI Pr.
*'
&
+.
LAMPIRA
12
Lampiran 1 Diagram alir penelitian
Pembuatan film
HDPE
Metode pemanasan
UHMWPE
Metode kempa panas
Dipanaskan dalam tanur pada suhu
180 °C selama 4 jam
Dipanaskan dalam alat kempa
panas pada suhu 180 °C selama
3 menit lalu ditekan dengan
tekanan 3000 psi selama 3 menit
Didinginkan pada suhu ruang
Didinginkan dalam alat kempa
dingin pada suhu ruang (25 °C)
selama 10 menit
Dicetak dengan bentuk sesuai uji
ketahanan mekanik masing1masing
Dicetak dengan bentuk sesuai uji
ketahanan mekanik masing1
masing
Iradiasi sinar gamma 0, 100, 200, 300, dan 500 kGy
Analisis mikrostruktur permukaan dengan SEM
Pengujian kekuatan kekerasan, kekuatan tarik,
perpanjangan putus, dan analisis derajat kristalinitas
dengan XRD
13
Lampiran 2 Data Nilai Kekerasan UHMWPE dan HDPE
Dosis
Sampel
Metode
Pemanasan
HDPE
Kempa
panas
UHMWPE
Kempa
panas
Nilai kekerasan (shore A)
Rerata
iradiasi
(kGy)
1
2
3
(shore D)
0
91.00
91,50
91.50
44.22
100
93.50
93.50
92.50
45.11
200
93.50
94.00
93.00
45.27
300
94.50
95.00
93.00
45.68
500
94.50
94.50
94.50
45.76
0
91.50
92.00
92.00
44.47
100
94.00
94.00
93.00
45.36
200
94.00
94.50
94.00
45.60
300
95.00
95.50
93.50
45.84
500
94.50
95.00
95.00
45.92
0
93.50
93.50
94.00
45.36
100
95.00
95.00
95.00
46.00
200
95.00
95.50
95.00
46.08
300
96.00
95.00
95.50
46.24
500
97.00
95.00
95.50
46.39
14
Lampiran 3 Data Nilai Rerata Ketebalan, Gaya Maksimum, dan Kekuatan Tarik
UHMWPE dan HDPE
ilai rerata ketebalan (2)
Dosis
Sampel
Metode
Pemanasan
HDPE
Kempa
panas
UHMWPE
Rerata ketebalan (cm)
iradiasi
Kempa
panas
(kGy)
1
2
3
4
5
0
0.1375
0.1354
0.1426
0.1216
0.0944
100
0.0885
0.0962
0.0954
0.1133
0.1064
200
0.1182
0.1168
0.1038
0.1101
0.0944
300
0.0977
0.0952
0.0963
0.1223
0.1220
500
0.0892
0.1037
0.1007
0.1093
0.1278
0
0.0481
0.0484
0.0488
0.0457
0.0485
100
0.0466
0.0508
0.0478
0.0489
0.0484
200
0.0450
0.0513
0.0487
0.0501
0.0490
300
0.0494
0.0497
0.0477
0.0515
0.0476
500
0.0495
0.0493
0.0491
0.0450
0.0495
0
0.0680
0.0605
0.0566
0.0672
0.0646
100
0.0597
0.0622
0.0707
0.0532
0.0608
200
0.0715
0.0610
0.0590
0.0577
0.0564
300
0.0690
0.0667
0.0673
0.0601
0.0730
500
0.0742
0.0699
0.0739
0.0747
0.0643
ilai gaya maksimum (F)
Dosis
Sampel
Metode
Pemanasan
HDPE
Kempa
panas
Gaya maksimum (kg)
iradiasi
(kGy)
1
2
3
4
5
0
9.83
9.82
9.73
9.50
8.00
100
5.12
9.10
4.50
6.75
7.53
200
5.80
3.60
5.20
4.98
6.00
300
5.00
1.50
5.40
5.00
5.20
500
3.55
5.52
3.48
3.70
4.02
0
4.94
4.84
5.20
4.56
4.86
100
4.48
4.56
4.65
4
ME I GKATKA KETAHA A MEKA IK
RET O WULA DARI
DEPARTEME KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DA ILMU PE GETAHUA ALAM
I STITUT PERTA IA BOGOR
BOGOR
2011
ABSTRAK
RETNO WULANDARI. Iradiasi Sinar Gamma UHMWPE dan HDPE untuk
Meningkatkan Ketahanan Mekanik
. Dibimbing oleh ARMI
WULANAWATI dan SULISTIOSO GIAT SUKARYO.
Polietilena bobot molekul ultra tinggi (UHMWPE) merupakan polimer
yang banyak digunakan dalam pembuatan
, tetapi harganya sangat
mahal. Oleh karena itu, dikembangkan polietilena kerapatan tinggi (HDPE) dalam
pembuatan
karena harganya yang lebih murah dan memiliki kemiripan
sifat dengan UHMWPE. HDPE dibuat dengan dua metode, yaitu metode kempa
panas dan metode pemanasan, sedangkan UHMWPE hanya dibuat dengan metode
kempa panas. Film
UHMWPE dan HDPE yang dihasilkan dari kedua
metode kemudian diiradiasi sinar gamma dengan ragam dosis 0, 100, 200, 300,
dan 500 kGy. Polimer1polimer tersebut dianalisis mikrostruktur permukaan,
kekerasan, kekuatan tarik, persentase perpanjangan putus, dan derajat kristalinitas.
Semakin tinggi dosis iradiasi, maka kekerasan dan derajat kristalinitas semakin
meningkat, tetapi kekuatan tarik dan persentase perpanjangan putus semakin
menurun. Kedua polimer belum dapat meningkatkan ketahanan mekanik yang
baik pada kisaran dosis iradiasi yang digunakan karena pembentukan ikatan silang
terhambat oleh oksigen yang menyebabkan pemutusan rantai. Peningkatan nilai
kekerasan HDPE hasil metode kempa panas yang mendekati kekerasan
UHMWPE membuat HDPE memiliki potensi untuk dijadikan sebagai
dengan metode tersebut.
Kata kunci: HDPE, iradiasi sinar gamma,
, UHMWPE.
ABSTRACT
RETNO WULANDARI. Gamma Ray Irradiation on UHMWPE and HDPE to
Increase Tibial Tray Mechanical Properties. Supervised by ARMI
WULANAWATI and SULISTIOSO GIAT SUKARYO.
Ultrahigh molecular weight polyethylene (UHMWPE) is a polymer that is
widely used in the manufacture of tibial tray, but it is very expensive. Therefore,
high density polyethylene (HDPE) was developed for the manufacturing of tibial
tray because the price is lower and has similar properties to UHMWPE. HDPE
was made by two methods, namely hot pressing method and heating method, but
UHMWPE wass made only by hot pressing method. Tibial tray film of HDPE and
UHMWPE from both methods were irradiated with various doses of gamma rays
0, 100, 200, 300 and 500 kGy. The polymers were analyzed for surface
microstructure, hardness , tensile strength, elongation at break percentage, and
degree of crystallinity. The higher the dose of irradiation the higher the hardness
and the degree of crystallinity, but not for the tensile strength and elongation at
break percentage. Both polymers were not able to increase mechanical properties
in those irradiation doses range because crosslink formation is inhibited by the
presence of oxygen that causes chain scission. HDPE hardness enhancement by
hot pressing method was close to hardness of UHMWPE that makes HDPE
potential to be used as tibial tray.
Keyword: gamma ray irradiation, HDPE, tibial tray, UHMWPE.
IRADIASI SI AR GAMMA UHMWPE DA HDPE U TUK
ME I GKATKA KETAHA A MEKA IK
RET O WULA DARI
Skripsi
Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Sains pada
Departemen Kimia
DEPARTEME KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DA ILMU PE GETAHUA ALAM
I STITUT PERTA IA BOGOR
BOGOR
2011
Judul
Nama
NIM
: Iradiasi Sinar GammaUHMWPE dan HDPE untuk Meningkatkan
Ketahanan Mekanik
: Retno Wulandari
: G44070073
Menyetujui
Pembimbing I
Pembimbing II
Armi Wulanawati, S.Si, M.Si.
NIP 196907252000032001
Drs. Sulistioso Giat Sukaryo, MT
NIP195708261988011001
Mengetahui
Ketua Departemen Kimia
Prof. Dr. Ir. Tun Tedja Irawadi, MS.
NIP 195012271976032002
Tanggal Lulus :
PRAKATA
Puji syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT atas berkat limpahan
rahmat dan hidayah1Nya penulis dapat menyelesaikan karya ilmiah dengan judul
Iradiasi Sinar Gamma UHMWPE dan HDPE untuk Meningkatkan Ketahanan
Mekanik
. Salawat serta salam semoga selalu tercurahkan kepada Nabi
Muhammad SAW, keluargannya, dan semoga kita semua menjadi pengikutnya
hingga akhir zaman.
Penulis mengucapkan terima kasih kepada Ibu Armi Wulanawati, S.Si,
M.Si dan Bapak Drs. Sulistioso Giat Sukaryo, MT selaku pembimbing yang
senantiasa memberikan arahan, dorongan semangat, dan doa kepada penulis
selama melaksanakan penelitian. Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada
staf Pusat Teknologi Bahan Industri Nuklir Badan Tenaga Nuklir Nasional
(PTBIN1BATAN) Serpong atas bantuan serta masukan selama penelitian
berlangsung.
Terima kasih tak terhingga penulis ucapkan kepada Bapak, Ibu, serta
seluruh keluarga, atas doa dan kasih sayangnya. Kepada Adi yang telah
membantu memberi masukan dan saran, Savitri, Danang, Randi, Kandhita, Ayu,
Shinta, Dwi Putri, Ardita, serta seluruh teman1teman kimia angkatan 44 atas
segala dukungan dan doanya, penulis ucapkan terima kasih.
Penulis berharap karya ilmiah ini dapat bermanfaat bagi perkembangan
ilmu pengetahuan.
Bogor, Agustus 2011
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Jakarta pada tanggal 12 Juni 1989 dari bapak
Suratman dan ibu Endah Triwahyuning. Penulis adalah putri ketiga dari empat
bersaudara.
Tahun 2007 penulis lulus dari SMA Negeri 3 Jakarta dan pada tahun yang
sama penulis lulus seleksi masuk Institut Pertanian Bogor (IPB) melalui jalur
Seleksi Penerimaan Mahasiswa Baru (SPMB) dan diterima di Departemen Kimia,
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam.
Selama perkuliahan, penulis aktif mengikuti organisasi kemahasiswaan
atau Ikatan Mahasiswa Kimia (IMASIKA) menjadi staf bimbingan belajar
Avogadro di Departemen PK2M tahun ajaran 2008/2009 dan 2009/2010. Bulan
Juli1September 2010 penulis melaksanakan Praktik Lapangan di Pusat Aplikasi
Teknologi Isotop Radiasi Badan Tenaga Nuklir Nasional (PATIR1BATAN)
Jakarta dengan judul Evaluasi Metode Pengendapan 125I dengan Pengekstrak
Benzena dan Toluena dalam Sampel Air Panas Bumi.
DAFTAR ISI
Halaman
DAFTAR GAMBAR ............................................................................................ vii
DAFTAR LAMPIRAN ......................................................................................... vii
PENDAHULUAN ...................................................................................................1
TINJAUAN PUSTAKA ..........................................................................................1
Polimer .................................................................................................................1
UHMWPE ............................................................................................................1
HDPE ...................................................................................................................2
Iradiasi Sinar Gamma ..........................................................................................2
METODE .................................................................................................................2
Bahan dan Alat .....................................................................................................2
Lingkup Kerja ......................................................................................................2
HASIL DAN PEMBAHASAN................................................................................4
Ciri1ciri Fisik
.....................................................................................4
Sifat Mekanik .......................................................................................................6
SIMPULAN DAN SARAN .....................................................................................9
Simpulan ..............................................................................................................9
Saran ....................................................................................................................9
DAFTAR PUSTAKA ..............................................................................................9
LAMPIRAN ...........................................................................................................11
DAFTAR GAMBAR
Halaman
1 Anatomi
dalam sendi lutut tiruan .......................................................2
2 Film UHMWPE metode kempa panas HDPE metode kempa panas, dan
HDPE metode pemanasan pada dosis 0 kGy. .....................................................4
3 Film UHMWPE metode kempa panas, HDPE metode kempa panas, dan
HDPE metode pemanasan pada dosis 500 kGy. .................................................4
4 Permukaan HDPE metode kempa panas pada dosis 0 kGy dan 500 kGy
dengan perbesaran 1000 kali ...............................................................................5
5 Permukaan UHMWPE metode kempa panas pada dosis 0 kGy dan 500 kGy
dengan perbesaran 500 kali .................................................................................5
6 Pembentukan ikatan silang .................................................................................5
7 Pemutusan rantai .................................................................................................6
8 Nilai kekerasan UHMWPE metode kempa panas, HDPE metode kempa
panas, dan HDPE metode pemanasan .................................................................6
9 Difraktogram UHMWPE metode kempa panas pada dosis 0 kGy dan
500 kGy ...............................................................................................................7
10 Difraktogram HDPE metode kempa panas pada dosis 0 kGy dan 500 kGy.......7
11 Difraktogram HDPE metode pemanasan pada dosis 0 kGy dan 500 kGy..........7
12 Nilai kekuatan tarik UHMWPE metode kempa panas, HDPE metode kempa
panas, dan HDPE metode pemanasan .................................................................8
13 Nilai persentase perpanjangan putus UHMWPE metode kempa panas,
HDPE metode kempa panas, dan HDPE metode pemanasan .............................8
DAFTAR LAMPIRA
Halaman
1 Diagram alir penelitian.......................................................................................12
2 Data nilai kekerasan UHMWPE dan HDPE ......................................................13
3 Data nilai rerata ketebalan, gaya maksimum, dan kekuatan tarik
UHMWPE dan HDPE ........................................................................................14
4 Data nilai panjang sampel saat putus dan persentase perpanjangan putus
UHMWPE dan HDPE ........................................................................................17
5 Data nilai bobot kristalin, bobot amorf, bobot kertas 1 × 1, dan
persentase derajat kristalinitas UHMWPE dan HDPE………………………..…… 19
PE DAHULUA
Peradangan sendi lutut (osteoarthritis)
merupakan penyakit yang sering menyerang
orang1orang berusia di atas 40 tahun baik laki1
laki maupun perempuan sehingga perlu
adanya upaya untuk mengembalikan fungsi
normal dari sendi tersebut. Salah satu upaya
yang dilakukan adalah operasi penggantian
sendi lutut menggunakan sendi lutut tiruan
(Wang dan Ge 2007). Operasi ini
membutuhkan polimer sebagai komponen
.
adalah suatu komponen
yang termasuk ke dalam komponen tibial
dalam sendi lutut tiruan. Komponen ini terdiri
dari suatu bidang (
) yang membatasi
antara permukaan yang lebih kuat dan lebih
lemah. Bahan1bahan yang digunakan sebagai
harus memiliki sifat1sifat tertentu
sebagai biomaterial agar memiliki kekuatan
mekanik yang baik. Sifat1sifat utama
biomaterial adalah biokompatibel, tahan
terhadap korosi, biofungsional, memiliki
kemampuan proses, dan ketersediaan yang
baik (Batista
. 2004).
Telah banyak penelitian yang melaporkan
pembuatan
dari polietilena bobot
molekul ultra tinggi (UHMWPE) dengan
memodifikasi
metode
agar
dapat
meningkatkan
ketahanan
mekaniknya,
diantaranya metode pemanasan dengan
iradiasi sinar gamma, metode hamburan
elektron (
) (McKellop
.
1999), serta metode kempa panas tanpa
iradiasi gamma (Wang dan Ge 2007).
McKellop
. (1999) melaporkan bahwa
jumlah massa UHMWPE yang hilang
terendah menggunakan metode iradiasi sinar
gamma dapat mencapai 0.12 mg/106 siklus,
sedangkan menggunakan metode hamburan
elektron dapat mencapai 8.5 mg/106 siklus.
Wang dan Ge (2007) melaporkan bahwa
jumlah massa yang hilang pada UHMWPE
setelah 10000 siklus dalam uji keausan, yaitu
0.93 mg.
Keausan yang rendah pada UHMWPE
hasil iradiasi sinar gamma menyebabkan
peningkatan ketahanan mekaniknya menjadi
lebih baik dibandingkan dengan metode1
metode yang lain. Rosario dan Silva (2006)
melaporkan bahwa kekerasan UHMWPE
semakin meningkat seiring bertambahnya
dosis iradiasi pada kisaran 01500 kGy dengan
nilai kekerasan 64168 shore D. Wang dan Ge
(2007) menyatakan bahwa pemberian tekanan
dalam
metode
kempa
panas
dapat
meningkatkan kekerasan dalam UHMWPE.
McKellop
. (1999) juga menyatakan
bahwa keausan UHMWPE hasil metode
pemanasan dengan iradiasi sinar gamma
berkurang seiring bertambahnya dosis iradiasi
sehingga kekerasan semakin meningkat.
Modifikasi metode dengan iradiasi sinar
gamma telah luas digunakan dalam bidang
kesehatan dan obat1obatan (Gupta dan Anjum
2003). Selain itu, iradiasi sinar gamma juga
dapat digunakan untuk sterilisasi.
Dengan demikian, berdasarkan kemiripan
sifat, seperti bobot jenis dan titik leleh pada
polietilena
kerapatan
tinggi
(HDPE)
dibandingkan dengan UHMWPE, serta
harganya yang relatif murah dan mudah
diperoleh, maka penelitian ini bertujuan
memodifikasi metode, seperti metode kempa
panas dan metode pemanasan dengan iradiasi
sinar gamma terhadap permukaan HDPE dan
UHMWPE agar HDPE dapat digunakan
sebagai
.
TI JAUA PUSTAKA
Polimer
Polimer berasal dari bahasa Yunani yang
terdiri dari dua kata, yaitu
yang berarti
banyak dan
yang berarti bagian atau
unit sehingga polimer didefinisikan sebagai
molekul besar (makromolekul) yang terbentuk
dari susunan ulang unit kimia yang kecil dan
sederhana (Billmeyer 1984). Molekul
sederhana penyusun polimer dinamakan
monomer. Berdasarkan strukturnya, polimer
dibagi menjadi tiga macam, yaitu polimer
rantai lurus, polimer rantai cabang, dan
polimer jaringan (Stevens 2001). Klasifikasi
polimer berdasarkan sifat termalnya dibagi
menjadi dua, yaitu polimer termoset dan
polimer termoplastik (Egen & Zentel 2004).
Polimer termoplastik dapat meleleh bila
dipanaskan di atas suhu transisi gelas (Tg) dan
akan mengeras kembali bila didinginkan,
sedangkan polimer termoset tidak dapat
meleleh jika dipanaskan (Egen dan Zentel
2004). Contoh polimer termoset, yaitu fenol
formaldehida (PF), urea formaldehida (UF),
epoksi, poliester tidak jenuh, dan melamin
formaldehida
(MF).
Contoh
polimer
termoplastik, yaitu polietilena kerapatan
rendah (LDPE), HDPE, polipropilena (PP),
polivinilklorida (PVC), dan polistirena (PS)
(Stevens 2001).
UHMWPE
UHMWPE adalah material yang sudah
umum digunakan sebagai
dalam
2
komponen sendi karena bersifat fleksibel,
keras, dan halus. UHMWPE yang banyak
digunakan pada komponen sendi lutut tiruan
mempunyai berat molekul antara 3 juta dan 6
juta g/mol dengan bobot jenis 0.940 g/cm3 dan
titik leleh 138 °C (Batista
. 2004).
Permukaan yang halus dari UHMWPE dapat
menghasilkan gesekan yang rendah dengan
material lain sehingga dapat meningkatkan
ketahanan mekaniknya. Polimer UHMWPE
telah digunakan di bidang ortopedi sebagai
selama lebih dari 40 tahun
(Wahyudianto 2006). Gambar 1 menunjukkan
anatomi
dalam sendi lutut tiruan.
Gambar 1 Anatomi
dalam sendi
lutut tiruan (Beyer 2011).
HDPE
HDPE merupakan polietilena kerapatan
tinggi yang mempunyai jumlah rantai cabang
sangat sedikit dibandingkan dengan LDPE
dan LLDPE sehingga HDPE bersifat
semikristalin. Polimer ini memiliki bobot jenis
minimum 0.940 g/cm3, bobot molekulnya
berkisar 1041106 g/mol, dan titik lelehnya
sebesar 135 °C (Surdia dan Saito 1995).
Polietilena kerapatan tinggi ini akan meleleh
pada suhu tinggi dan akan memadat jika suhu
lingkungan diturunkan. HDPE juga memiliki
kecenderungan untuk mengkerut dan getas
selama dicetak sehingga termasuk material
yang kritis terhadap cetakan (Sulchan dan
Endang 2007).
Iradiasi Sinar Gamma
Iradiasi sinar gamma merupakan pancaran
gelombang elektromagnetik energi tinggi
dalam bentuk paket energi (foton) (Ivanov
1992). Sinar gamma umumnya bersumber dari
isotop kobalt160 (60Co) dan mempunyai
panjang gelombang yang lebih pendek dari
sinar UV, yaitu sebesar 0.0111016 nm (Harten
1998). Interaksi radiasi gamma dengan materi
atau penyerapan energi oleh materi
menyebabkan terjadinya efek fotolistrik,
hamburan Compton, dan produksi pasangan.
Ketiga proses tersebut dapat menghasilkan
elektron yang dapat mengeksitasi molekul.
Ion yang terbentuk akan cepat berinteraksi
dengan elektron yang menyebabkan eksitasi
molekul. Molekul yang tereksitasi akan
terdisosiasi menjadi radikal bebas. Spesi
radikal bebas yang dihasilkan dari iradiasi
sinar gamma terhadap polimer memegang
peranan penting dalam reaksi seterusnya,
yaitu polimer dapat mengalami pemutusan
rantai (
) dan polimer dapat
membentuk ikatan silang (
).
Ikatan silang terbentuk dari suatu proses
pemutusan ikatan C1H dalam satu rantai
polimer pada fase amorf sehingga membentuk
radikal bebas yang mudah bergerak untuk
berikatan dengan radikal bebas yang terdapat
pada rantai polimer lain, tetapi dalam keadaan
yang tidak ada oksigen (Blunn
. 2002).
Ikatan
silang
pada
polimer
dapat
menghasilkan struktur tiga dimensi sehingga
akan meningkatkan kekuatan mekanik, titik
leleh,
dan
bobot
molekul
seiring
meningkatnya dosis iradiasi yang diberikan
(Ivanov 1992). Pemutusan rantai adalah suatu
proses pemutusan ikatan C1C dengan adanya
oksigen sehingga oksigen tersebut berikatan
atau menangkap radikal bebas yang dihasilkan
(Blunn
. 2002).
METODE
Bahan dan Alat
Bahan1bahan yang digunakan dalam
penelitian ini adalah serbuk UHMWPE (bobot
molekul 316 juta g/mol) dan butiran HDPE.
Alat1alat yang digunakan dalam penelitian
ini adalah tabung kaca, wadah cetakan besar
berbentuk kotak, gegep, alumunium
,
tanur, alat pemotong, alat kempa panas, alat
kempa dingin, alat pencetak dumbel,
mikrometer sekrup, alat uji kekuatan tarik dan
perpanjangan putus Toyoseiki, alat uji
kekerasan Zwick shore A, alat difraksi sinar1x
(XRD) Shimadzu, alat mikroskop elekron
payaran (SEM), dan alat iradiator panorama
serbaguna (IPRASENA) Irka.
Lingkup Kerja
Penelitian ini terbagi menjadi dua tahapan,
yaitu tahap pertama yang terdiri dari
pembuatan film
dari UHMWPE
dan HDPE dengan metode kempa panas dan
metode pemanasan kemudian diiradiasi sinar
gamma, serta dilakukan juga analisis
mikrostrukturnya dengan SEM. Tahap kedua
adalah pengujian sifat mekanik, meliputi
pengujian
kekerasan,
kekuatan
tarik,
3
perpanjangan putus, dan analisis derajat
kristalinitas dengan XRD (Lampiran 1).
sebanyak 25 buah film untuk uji kekuatan
tarik dan perpanjangan putus.
Pembuatan Film
Metode Kempa Panas (Modifikasi Wang
dan Ge 2007)
Iradiasi Sinar Gamma
Wadah cetakan berbentuk persegi dengan
panjang sisi 20 cm dan tebal 0.5 mm
disiapkan kemudian diisi serbuk UHMWPE
sebanyak 12 g di bagian tengah cetakan pada
suhu ruang. Sampel dalam cetakan tersebut
dimasukkan dalam alat kempa panas dan
dipanaskan dengan suhu tinggi sebesar 180 °C
selama 3 menit. Kemudian ditekan dengan
dan
tekanan
sebesar
200
kg/cm2
dipertahankan selama 3 menit. Setelah itu,
sampel dikeluarkan dari alat kempa panas dan
dimasukkan ke dalam alat kempa dingin
selama 10 menit kemudian dikeluarkan dari
wadah cetakan. Sampel berbentuk persegi
tersebut dibuat sebanyak tujuh buah.
Sampel1sampel kemudian dicetak di alat
pencetak dumbel sehingga berbentuk dumbel
yang sesuai standar ASTM D1822106
sebanyak 25 buah film uji kekuatan tarik dan
perpanjangan putus, dan ada juga yang
dipotong berbentuk persegi dengan panjang
sisi 3.5 cm sebanyak 60 buah film untuk uji
kekerasan. Hal yang sama juga dilakukan
terhadap film HDPE.
Metode Pemanasan (Modifikasi McKellop
. 1999)
Satu buah tabung kaca disiapkan lalu
dilapisi dengan aluminium foil pada bagian
bawah dan dalam tabung. Tabung tersebut
diisi HDPE sebanyak 10 g. Wadah cetakan
besar berbentuk kotak disiapkan kemudian
dilapisi dengan aluminium foil hingga seluruh
wadah tertutup. Wadah tersebut diisi sedikit
demi sedikit secara merata dengan HDPE
sebanyak 60 g sehingga bagian dasar wadah
tertutup. Tabung kaca dan wadah cetakan
yang telah diisi HDPE dipanaskan di atas titik
lelehnya pada suhu 180 °C selama 4 jam di
dalam tanur. Setelah dipanaskan, sampel
tersebut didinginkan secara perlahan pada
suhu ruang sehingga sampel keras
Sampel yang berada di dalam tabung
dipotong1potong
berbentuk
lingkaran
berdiameter 3 cm sebanyak 5 bagian sehingga
bobot masing1masing film sebesar 2 g dengan
tebal 6 mm untuk uji kekerasan. Sampel yang
berada dalam wadah kotak dicetak dengan alat
pencetak dumbel sehingga berbentuk dumbel
yang sesuai standar ASTM D1822106
Film HDPE dan UHMWPE dimasukkan
ke dalam ampul kemudian diiradiasi sinar
gamma (γ) dengan sumber yang berasal dari
isotop 60Co. Iradiasi dilakukan dalam media
udara dengan alat iradiator panorama
serbaguna (IPRASENA) Irka selama selang
waktu dan jarak tertentu dari sumber radiasi.
Ragam dosis yang digunakan dalam metode
ini, yaitu 0, 100, 200, 300, dan 500 kGy.
Analisis Mikrostruktur Permukaan dengan
SEM
Film HDPE atau UHMWPE dengan
ukuran tertentu disalut emas dalam keadaan
vakum selama waktu dan kuat arus tertentu
dengan penyalut ion. Setelah itu, film
dimasukkan pada tempat sampel dalam alat
SEM dengan tegangan tertentu. Gambar yang
dihasilkan berupa gambar topografi dengan
segala tonjolan, lekukan, dan lubang pada
permukaan. Gambar tersebut dapat diamati di
layar monitor dengan perbesaran tertentu yang
dapat diatur.
Pengujian Kekerasan (ASTM D2240805)
Film diukur tebalnya dengan ketebalan
minimal sebesar 6 mm. Film diletakkan di
atas meja atau tempat yang rata kemudian alat
uji kekerasan Zwick shore A diletakkan di
atas sampel. Lalu baja seberat 1 kg diletakkan
di atas alat tersebut selama 15 detik kemudian
diukur nilai kekerasannya. Besarnya nilai
kekerasan ditentukan dari nilai skala yang
ditunjuk oleh jarum yang bergerak dalam alat
tersebut. Nilai skala uji kekerasan shore A
berkisar antara 01100. Pengukuran dilakukan
sebanyak tiga kali ulangan. Nilai kekerasan
shore A dikonversi ke dalam shore D.
Pengujian
Kekuatan
Tarik
dan
Perpanjangan Putus (ASTM D1822806)
Film dibentuk dumbel dengan ukuran
panjang sebesar 63.5 mm, lebar sebesar 10
mm, dan lebar bagian tengah dumbel sebesar
3 mm. Bagian tengah dumbel ditandai dengan
dua titik yang berjarak 1 cm. Kemudian film
diukur ketebalannya terlebih dahulu dengan
mikrometer sekrup sebanyak 3 kali ulangan.
Setelah itu, film dijepit diantara kedua
pendulum dalam alat Toyoseiki. Tanda dua
titik di bagian tengah dumbel dipastikan
berada di tengah kedua pendulum tersebut
4
untuk pengukuran per
perpanjangan putus.
Kemudian sampel ditar
ditarik sampai putus
dengan kecepatan 100 mm/menit
sehingga
m
dapat diketahui besarnya
nya gaya
g
maksimum dan
panjang sampel saat putus. Pengukuran
dilakukan sebanyak lima ka
kali ulangan.
Kekuatan
tarik
ik
dan
persentase
perpanjangan putus dihit
dihitung menggunakan
Persamaan 1 dan 2.
transparan (Gambar 2a), sedangkan HDPE
dengan metode yang sama berwarna putih
pekat (Gambar 2b). Pollimer HDPE hasil
metode pemanasan pada
ada ddosis 0 kGy juga
berwarna putih, tetapi lebih pekat dari HDPE
hasil metode kempa panas (Gambar 2c).
. . .1
(c)
(a)
(b)
Gambar 2 Film UHMWP
MWPE metode kempa
panas (a),, HDPE
HDP metode kempa
panas (b), dan HDPE metode
pemanasann (c) pada dosis 0 kGy.
Keterangan:
= kekuatan tarik
rik (kg
(kg/cm2)
= gaya maksimun
mun (k
(kg)
= luas penampang
pang sampel
s
(cm2)
=
0,3
= rataan ketebalan
alan ssampel (cm)
%
%
∆
∆
100%
. . .2
= persentase perpan
erpanjangan putus (%)
= pertambahann panj
panjang sampel (cm)
= (cm) – (cm)
= panjang sampel
pel sa
saat putus (cm)
= panjang sampel awal (cm)
Analisis Derajat Kristalin
istalinitas dengan XRD
Film HDPE atau
tau U
UHMWPE dengan
ukuran tertentu ditempel
tempelkan pada tempat
sampel dalam alat XRD
RD dengan
de
perekat ganda
yang kemudian diletakkan
takkan pada guaniometer
dan dirotasikan pada sudut kalibrasi (2θ) 15°1
30° selama waktu tert
tertentu. Hasil yang
diperoleh berupa difraktogram
difrakt
dan dapat
diamati di layar monitor.
nitor. Persentase derajat
kristalinitas
dapatt
ditentukan
dari
difraktogram hasil XRD
RD m
melalui Persamaan 3:
!
!"
100%
. . .3
HDPE hasil kedua
Warna UHMWPE dan H
metode setelah diiradiasi
iasi pada
pa dosis 500 kGy
berubah menjadi warna
na cok
coklat. Warna coklat
pada UHMWPE hasil
il met
metode kempa panas
masih sedikit transparan
sparan (Gambar 3a),
dibandingkan dengan HDPE
HDP yang berwarna
coklat pekat (Gambarr 3b)
3b). Namun, HDPE
hasil metode pemanasan
asan memiliki warna
coklat yang lebih pekat
at dibandingkan
dib
dengan
HDPE hasil metode kempa
kemp panas (Gambar
3c).
(a)
(b)
(c)
Gambar 3 Film UHMWP
MWPE metode kempa
panas (a),, HDPE
HDP metode kempa
panas (b), dan HDPE metode
pemanasann (c) pada dosis 500
kGy.
#$ %
Keterangan:
= derajat kristali
ristalinitas (%)
rah kr
kristalin (cm2)
&'()*+,(- = luas daerah
= luas daerah
rah am
amorf (cm2)
+./'0
PEM
HASIL DA PEMBAHASA
Ciri8ciri Fisik
UHMWPE
WPE dan HDPE yang
dihasilkan dari kedua
ua me
metode menunjukkan
ciri1ciri fisik permukaan
kaan yyang berbeda. Ada
perbedaan warna yang signifikan
sig
dari kedua
polimer pada dosis 0 kGy
kG dan 500 kGy.
UHMWPE hasil metode
tode kempa panas pada
dosis 0 kGy berwarna
arna putih
p
yang sedikit
Perubahan warna pol
polimer dari putih
menjadi coklat dipengaruh
garuhi oleh pemanasan
yang dilakukan sebelum
lum iradiasi dan saat
iradiasi sinar gamma. Berdasarkan
Ber
Sulchan
dan Endang (2007), HDPE
HDP memiliki sifat
tahan terhadap suhu tinggi,
inggi, keras, buram, dan
kurang tembus cahaya. Hal ini menyebabkan
pemanasan menjadi tidak
idak merata
m
ke seluruh
bagian HDPE padaa metode
me
pemanasan
sehingga panas yang dihas
dihasilkan saat iradiasi
hanya terjadi di permuka
rmukaan saja. Hal ini
berbeda dengan HDPE
E dan UHMWPE yang
dihasilkan dari metode kempa
ke
panas, pada
metode kempa panas polimer
polim diberi tekanan
selama pemanasan sehing
sehingga saat iradiasi,
panasnya tidak hanyaa di ppermukaan, tetapi
juga ke seluruh bagiann poli
polimer. Oleh karena
5
HDP
hasil metode
itu, warna coklat HDPE
pemanasan lebih pekat
kat dibandingkan
dib
dengan
UHMWPE dan HDPE metode
kempa panas.
me
Iradiasi sinar gammaa m
mengubah sifat1sifat
fisik permukaan polimer
olimer secara signifikan
baik warna maupun struktur
permukaannya.
struk
Pembentukan radikal bebas
beba menjadi sumber
terjadinya perubahann str
struktur kimia dan
perubahan sifat1sifat polim
polimer (Ivanov 1992).
Mikroskop elektron
ktron payaran (SEM)
digunakan untuk meng
mengamati perubahan
struktur dari permukaan
ukaan polimer akibat
iradiasi sinar gamma. HDPE
HD
hasil metode
kempa panas pada dosis
osis 0 kGy terlihat kasar
dan tidak homogen karena
kare
masih terdapat
banyak butiran di permuk
ermukaan (Gambar 4a),
sedangkan pada dosiss 500 kGy butiran1butiran
sedikit berkurang sehingg
ehingga cenderung lebih
homogen
(Gambar
4b).
Permukaan
UHMWPE pada dosis
sis 0 kGy tampak halus,
licin, dan lebih homogen
homo
dibandingkan
dengan HDPE, tetapi masih
ma
terlihat adanya
sedikit butiran (Gamb
Gambar 5a). Seiring
bertambahnya dosis iradiasi,
iradi
butiran1butiran
pada permukaan UHMWP
MWPE yang diberi dosis
500 kGy semakin berkurang
be
sehingga
permukaannya menjadi
adi leb
lebih homogen, halus,
dan licin (Gambar 5b). Batista
. (2004)
menyatakan bahwa permuk
ermukaan yang licin dan
halus dari UHMWPE
PE ddapat menghasilkan
gesekan yang rendah
ah den
dengan material lain
sehingga dapat mening
eningkatkan ketahanan
mekaniknya.
(a)
(b)
Gambar 4 Permukaan
an HD
HDPE metode kempa
panas pada
da do
dosis 0 kGy (a) dan
500 kGy (b) dengan perbesaran
1000 kali.
(a)
(b)
Gambar 5 Permukaan
aan U
UHMWPE metode
kempa panas pada dosis 0 kGy
(a) dan 500 kGy (b) dengan
perbesaran
ran 50
500 kali.
Butiran yang terdapa
rdapat di permukaan
menunjukkan adanya gelembung
gelem
udara yang
akibat proses
terjebak di dalam polimer
polim
pemanasan pada suhu
hu tinggi
t
(Billmeyer
1984). Metode kempaa pan
panas adalah metode
kompaksi yang dilakukan
ukan pada suhu tinggi
untuk menghasilkan suatu proses pemadatan
polimer yang sempurna
urna (Rusianto 2009),
sedangkan metode pemanasan
merupakan
peman
metode yang dilakukan
kan pada
p
suhu tinggi,
tetapi tidak diberi tekanan.
nan. Pemberian tekanan
pada metode kempa panas sebesar 200 kg/cm2
setelah pemanasan yang
ang ttidak berlangsung
lama pada serbukk ha
halus UHMWPE
menyebabkan pemanasan
san m
menjadi merata ke
seluruh bagian sehingga
gga gelembung udara
yang terjebak, sepertii oksig
oksigen di permukaan
sangat sedikit dan homogen
mogen. Hal ini berbeda
dengan HDPE karena HDPE yang digunakan
masih berupa butiran
tiran sehingga luas
permukaannya menjadi
adi llebih kecil dari
UHMWPE. Luas permukaa
mukaan yang kecil dan
sifat HDPE yang tahan
an terh
terhadap suhu tinggi
menyebabkan gelembung
ung ud
udara yang terjebak
di permukaan banyakk dan HDPE menjadi
kurang homogen. Oksigen
igen yang
y
terdapat pada
gelembung udara tersebut
sebut berperan sebagai
penangkap radikal beba
bebas saat iradiasi
sehingga menghambat
at terbentuknya
ter
ikatan
silang (Blunn
. 2002).
Oksigen yang kemungki
ungkinan terjebak pada
permukaan UHMWPE,
E, serta
ser proses iradiasi
sinar gamma yang berlangs
rlangsung dalam media
udara
mengakibatkan
tkan
terganggunya
pembentukan ikatan silang dan UHMWPE
dapat mengalami pemutus
mutusan rantai seiring
bertambahnya dosis iradiasi
radiasi (Stephens 2009).
Gambar 6 menunjukkan
an pro
proses pembentukan
ikatan silang. HDPE hasil
hasi metode kempa
panas juga dapat menghasil
ghasilkan ikatan silang,
tetapi kemungkinan terbentuknya
terb
ikatan
silang lebih sedikit dari
ari UHMWPE.
U
Hal ini
disebabkan oleh banyakny
nyaknya oksigen yang
terjebak di permukaan
aan HDPE sehingga
polimer tersebut lebih
bih cepat
c
mengalami
pemutusan rantai diban
dibandingkan dengan
UHMWPE (Gambar 7).
an ikatan
ika
silang (Lewis
Gambar 6 Pembentukan
2001).
6
Gambar 7 Pemutusan rantai (Lewis 2001).
Sifat Mekanik
Kekerasan
Kekerasan adalah ketahanan suatu
material terhadap gaya penekanan dari
material lain yang lebih keras. Penekanan
tersebut
dapat
berupa
mekanisme
penggoresan, pantulan, dan indentasi dari
material keras terhadap suatu permukaan
benda uji (Yuwono 2009). Kekerasan
merupakan salah satu sifat bahan yang sangat
penting dan sudah sering digunakan sebagai
indikator untuk ketahanan aus polimer (Wang
dan Ge 2007). Pengukuran kekerasan
menunjukkan bahwa terjadi peningkatan
kekerasan dengan meningkatnya dosis iradiasi
baik pada UHMWPE maupun HDPE. Hasil
ini sesuai dengan laporan Rosario dan Silva
(2006) yang menyatakan bahwa nilai
kekerasan UHMWPE semakin tinggi seiring
bertambahnya dosis iradiasi dan berada pada
kisaran 64168 shore D.
Nilai kekerasan UHMWPE hasil metode
kempa panas berada pada kisaran 45.36146.39
shore D, HDPE yang dihasilkan dari metode
kempa panas berada pada kisaran 44.47145.92
shore D, dan HDPE hasil metode pemanasan
berada pada kisaran 44.22145.76 shore D
(Gambar 8). Nilai kekerasan yang diperoleh
dari ketiga polimer tersebut masih lebih kecil
dari hasil laporan Rosario dan Silva (2006).
Lampiran 2 menunjukkan perhitungan nilai
kekerasan UHMWPE dan HDPE.
Nilai Kekerasan
(shore D)
46,5
46
45,5
45
44,5
44
0
100
200
300
400
500
600
Dosis Radiasi (kGy)
Gambar 8 Nilai kekerasan UHMWPE ( ),
HDPE ( ), metode kempa panas
(1), dan metode pemanasan (1).
Peningkatan nilai kekerasan kedua polimer
disebabkan oleh beberapa faktor, yaitu
kemungkinan terbentuknya ikatan silang dan
pemutusan rantai. Ikatan silang menyebabkan
susunan rantai acak yang berada di daerah
amorf menjadi teratur sehingga polimer
menjadi lebih keras. Pemutusan rantai juga
dapat meningkatkan kekerasan karena oksigen
menangkap radikal bebas hasil iradiasi sinar
gamma sehingga polimer mengalami suatu
proses oksidasi dan menghasilkan senyawa
hidroperoksida yang dapat menyebabkan
putusnya ikatan C1C dan membentuk kristal
baru (Stephens 2009). Kristal1kristal inilah
yang menyebabkan kekerasan juga semakin
meningkat. Nilai kekerasan UHMWPE lebih
besar dari HDPE hasil kedua metode karena
kemungkinan terbentuknya ikatan silang pada
polimer tersebut lebih banyak sehingga
pemutusan rantai yang terjadi seiring
bertambahya dosis iradiasi masih lebih lama
dibandingkan dengan HDPE. Oleh karena itu,
UHMWPE masih lebih keras dari HDPE,
tetapi peningkatan kekerasan HDPE hasil
metode kempa panas tidak berbeda jauh
dengan UHMWPE.
Bobot molekul juga mempengaruhi
besarnya nilai kekerasan pada UHMWPE dan
HDPE. Bobot molekul yang sangat tinggi
pada UHMWPE menyebabkan rantai polimer
yang dihasilkan dari iradiasi sinar gamma
menjadi lebih panjang, sedangkan bobot
molekul HDPE yang lebih kecil dari
UHMWPE menghasilkan rantai polimer yang
lebih pendek dari UHMWPE. Rantai polimer
UHMWPE yang lebih panjang dari HDPE
membuktikan bahwa UHMWPE mengalami
proses pemutusan rantai yang lebih lama
dibandingkan HDPE sehingga UHMWPE
masih lebih keras dan lebih mampu dalam
menahan gaya penekanan dari material lain
yang lebih berat.
Pemutusan rantai yang berlangsung secara
perlahan pada kisaran dosis 01500 kGy
menyebabkan kenaikan kekerasan yang
dihasilkan dari kedua polimer tidak signifikan.
Kenaikan kekerasan yang tidak signifikan
juga dapat dilihat dari difraktogram hasil
XRD. Ada dua jenis puncak yang dihasilkan
dari difraktogram, yaitu puncak yang tajam
dan puncak yang lebar. Puncak yang tajam
menggambarkan daerah kristalin, sedangkan
puncak yang lebar menggambarkan daerah
amorf. Puncak1puncak tersebut muncul dalam
difraktogram karena polimer UHMWPE dan
HDPE merupakan polimer yang semikristalin
(Bambang 2011).
15
20
25
30
Intensitas
2Ө
(a)
3600
3200
2800
2400
2000
1600
1200
800
400
0
20
25
30
Intensitas
2Ө
(a)
3600
3200
2800
2400
2000
1600
1200
800
400
0
15
20
25
30
2Ө
(b)
Gambar 10 Difraktogram HDPE metode
kempa panas pada dosis 0 kGy
(a) dan 500 kGy (b).
Intensitas
3200
2800
2400
2000
1600
1200
800
400
0
3200
2800
2400
2000
1600
1200
800
400
0
15
3200
2800
2400
2000
1600
1200
800
400
0
15
20
25
30
2Ө
15
20
25
30
2Ө
(b)
Gambar 9 Difraktogram UHMWPE metode
kempa panas pada dosis 0 kGy (a)
dan 500 kGy (b).
HDPE hasil metode kempa panas juga
mengalami hal yang sama dengan UHMWPE,
tetapi intensitas daerah amorf pada dosis 0
kGy terlihat lebih rendah dari UHMWPE
(Gambar 10a). Setelah diiradiasi pada dosis
500 kGy, intensitas daerah amorf juga
semakin berkurang (Gambar 10b). Intensitas
daerah amorf HDPE hasil metode pemanasan
pada dosis 0 kGy terlihat sangat rendah
(Gambar 11a). Semakin naiknya dosis
iradiasi, yaitu pada dosis 500 kGy,
intensitasnya menjadi semakin rendah
(Gambar 11b). Intensitas daerah amorf HDPE
metode pemanasan setelah iradiasi sangat
rendah karena HDPE tersebut sangat mudah
mengalami pemutusan rantai akibat oksigen
yang terjebak pada permukaan sangat banyak
dan kemungkinan tidak ada ikatan silang yang
terbentuk. Oleh karena itu, HDPE hasil
metode pemanasan lebih cepat kristalin
dibandingkan dengan HDPE dan UHMWPE
hasil metode kempa panas.
Intensitas
Intensitas
Intensitas daerah amorf UHMWPE hasil
metode kempa panas pada dosis 0 kGy terlihat
tinggi (Gambar 9a), tetapi setelah diiradiasi
pada dosis 500 kGy, intensitas daerah
amorfnya berkurang atau lebih rendah
(Gambar 9b). Penurunan intensitas daerah
amorf menunjukkan bahwa UHMWPE
semakin
keras
dan
kristalin
akibat
terbentuknya ikatan silang dan pemutusan
rantai, tetapi penurunannya tidak signifikan.
Penurunan intensitas daerah amorf yang tidak
signifikan disebabkan oleh pemutusan rantai
pada kisaran dosis 01500 kGy terjadi secara
perlahan (Kim dan Nho 2009). Oleh karena
itu, kenaikan kekerasannya pun tidak
signifikan.
Intensitas
7
(a)
3200
2800
2400
2000
1600
1200
800
400
0
15
20
25
30
2Ө
(b)
Gambar 11 Difraktogram HDPE metode
pemanasan pada dosis 0 kGy
(a) dan 500 kGy (b).
Kekuatan Tarik, Perpanjangan Putus, dan
Derajat Kristalinitas
Uji tarik suatu bahan dapat memberikan
informasi mengenai sifat mekanik, seperti
kuat tarik dan perpanjangan putus. Kekuatan
tarik menggambarkan kekuatan tegangan
maksimum suatu material untuk menahan
gaya tarik yang diberikan, sedangkan
perpanjangan
putus
menggambarkan
kemampuan
material
dalam menahan
deformasi hingga terjadinya perpatahan.
Perpatahan material hasil pengujian tarik ada
dua macam, yaitu perpatahan ulet dan
perpatahan getas. Perpatahan ulet lebih
disukai karena bahan yang ulet umumnya
lebih tangguh dan memberikan peringatan
terlebih dahulu sebelum terjadinya perpatahan
(Yuwono 2009). Pengukuran kuat tarik
8
Nilai Kekuatan Tarik
(kg/cm2)
600
500
400
300
200
100
0
0
100
200
300
400
500
600
Dosis Radiasi (kGy)
Gambar 12 Nilai kekuatan tarik UHMWPE
( ), HDPE ( ), metode kempa
panas (1), dan metode pemanasan
(1).
Pengukuran persentase perpanjangan putus
juga menunjukkan hal yang sama, yaitu
semakin meningkatnya dosis iradiasi yang
diberikan,
maka
semakin
berkurang
persentase
perpanjangan
putusnya.
Berkurangnya persentase perpanjangan putus
membuktikan bahwa polimer semakin getas
akibat adanya pemutusan rantai. UHMWPE
getas pada dosis 500 kGy, HDPE hasil metode
kempa panas mulai getas pada dosis 200 kGy,
dan HDPE hasil metode pemanasan mulai
getas pada dosis 100 kGy (Gambar 13).
Terjadinya kegetasan dapat dilihat dari
persentase perpanjangan putus yang bernilai
0%. Berdasarkan hasil tersebut UHMWPE
mengalami perpatahan ulet dan tidak mudah
getas dibandingkan dengan HDPE. Lampiran
4 menunjukkan perhitungan persentase
perpanjangan
putus
yang
diperoleh
UHMWPE dan HDPE.
Perpanjangan Putus (%)
menunjukkan bahwa terjadi penurunan kuat
tarik dengan meningkatnya dosis iradiasi baik
UHMWPE maupun HDPE dari kedua metode.
Bobot molekul mempengaruhi kekuatan
tarik dan perpanjangan putus pada polimer
(Mark 1999). Bobot molekul yang sangat
besar pada UHMWPE menyebabkan rantai
polimer hasil iradiasi sinar gamma menjadi
lebih panjang (Blunn
. 2002). Bobot
molekul
HDPE
yang
lebih
kecil
mengakibatkan rantai polimer HDPE lebih
pendek dari UHMWPE, namun rantai polimer
HDPE hasil metode pemanasan masih lebih
pendek dari HDPE hasil metode kempa panas.
Rantai polimer yang panjang dari UHMWPE
menyebabkan nilai kuat tariknya lebih besar
dari HDPE hasil metode kempa panas dan
rantai polimer HDPE hasil metode pemanasan
yang sangat pendek menyebabkan nilai kuat
tariknya paling kecil (Gambar 12).
Seiring meningkatnya dosis iradiasi, maka
rantai polimer semakin lama semakin pendek
karena adanya pemutusan rantai sehingga
nilai kekuatan tariknya semakin lama semakin
menurun. Dengan kata lain, pemutusan rantai
dapat meningkatkan kekerasan sekaligus
menurunkan kekuatan tarik karena kristal
yang terbentuk merupakan gabungan kristal
hasil pemutusan ikatan C1C yang berikatan
dengan oksigen. Penurunan kuat tarik terjadi
secara tidak signifikan karena pemutusan
rantai juga terjadi secara perlahan pada
kisaran dosis yang digunakan. Lampiran 3
menunjukkan perhitungan nilai kuat tarik
yang diperoleh UHMWPE dan HDPE.
800
700
600
500
400
300
200
100
0
0
100
200
300
400
500
600
Dosis Radiasi (kGy)
Gambar 13 Nilai persentase perpanjangan
putus UHMWPE ( ), HDPE
( ), metode kempa panas (1),
dan metode pemanasan (1).
Persentase perpanjangan putus yang
diperoleh UHMWPE menurun dari 350% ke
0% pada kisaran dosis 01500 kGy. Hasil
tersebut tidak berbeda jauh dengan laporan
Rosario dan Silva (2006) yang menyatakan
bahwa persentase perpanjangan putus
UHMWPE menurun dari 248% ke 30% pada
kisaran dosis radiasi 01500 kGy sehingga
kekuatan tariknya juga menurun. Sedikitnya
oksigen yang terjebak pada permukaan
UHMWPE menyebabkan polimer tersebut
mengalami pemutusan rantai yang lebih lama
dibandingkan dengan HDPE sehingga
UHMWPE memiliki nilai kuat tarik yang
paling besar dan lebih mampu dalam menahan
gaya tarikan dari material lain yang lebih
berat. Oleh karena itu, UHMWPE mulai getas
pada dosis 500 kGy. Hal ini berbeda dengan
HDPE dari kedua metode.
HDPE hasil metode kempa panas lebih
mudah
mengalami
pemutusan
rantai
dibandingkan dengan UHMWPE karena
oksigen yang terjebak pada permukaan lebih
banyak sehingga kemungkinan terbentuknya
ikatan silang lebih sedikit dari UHMWPE.
Hal ini menyebabkan HDPE tersebut masih
kurang mampu dalam menahan gaya tarikan
dari material lain yang lebih berat, nilai kuat
tariknya lebih kecil dibandingkan dengan
9
UHMWPE, dan mulai getas pada dosis 200
kGy. HDPE hasil metode pemanasan tidak
terbentuk ikatan silang dan sangat kristalin.
Kristalinitas yang tinggi akibat pemutusan
rantai menyebabkan HDPE hasil metode
pemanasan memiliki nilai kuat tarik paling
kecil sehingga HDPE tersebut sangat mudah
getas setelah diiradiasi. Hasil ini sesuai
dengan laporan Rosario dan Silva (2006) yang
melaporkan bahwa semakin kecil kekuatan
tarik dan perpanjangan putusnya, maka
polimer semakin getas seiring bertambahnya
dosis iradiasi.
Nilai kekuatan tarik dan perpanjangan
putus
yang
semakin
menurun juga
dipengaruhi oleh faktor derajat kristalinitas
yang semakin meningkat. Derajat kristalinitas
adalah derajat kemungkinan terbentuknya
susunan kristal dalam bentuk rantai (Bambang
2011). Sifat kristalinitas yang tinggi
menyebabkan tegangan yang tinggi dan kaku
(Agusnar 2004). Difraksi sinar1x (XRD)
digunakan
untuk
menentukan
derajat
kristalinitas polimer. Persentase derajat
kristalinitas UHMWPE hasil metode kempa
panas pada dosis 0 kGy sebesar 52.07%,
sedangkan pada dosis 500 kGy sebesar
59.70%. Persentase derajat kristalinitas HDPE
hasil metode kempa panas juga semakin
meningkat dan lebih besar dari UHMWPE,
yaitu 67.11% pada dosis 0 kGy dan 68.75%
pada dosis 500 kGy. Kenaikan derajat
kristalinitas juga terjadi pada HDPE hasil
metode pemanasan dan memiliki nilai yang
paling besar, yaitu 69.96% pada dosis 0 kGy
dan 79.15% pada dosis 500 kGy. Hasil ini
sesuai dengan laporan Kim dan Nho (2009)
yang menyatakan bahwa semakin tinggi dosis
iradiasi, maka semakin tinggi derajat
kristalinitasnya. Lampiran 5 menunjukkan
perhitungan persentase derajat kristalinitas
yang diperoleh UHMWPE dan HDPE.
Derajat kristalinitas HDPE hasil metode
pemanasan memiliki persentase yang paling
besar dibandingkan dengan UHMWPE dan
HDPE hasil metode kempa panas karena
daerah amorf HDPE pada dosis 0 kGy sangat
sedikit atau lebih kristalin sehingga HDPE
tersebut sangat mudah terjadi pemutusan
rantai. Hal ini disebabkan oleh oksigen yang
terjebak sangat banyak baik pada daerah
kristalin maupun daerah amorf sehingga
oksigen tidak hanya menyerang radikal bebas
di daerah kristalin saja, melainkan juga di
daerah amorf. Proses tersebut menyebabkan
adanya oksidasi pada polimer sehingga
menghasilkan senyawa hidroperoksida yang
dapat menyebabkan pemutusan rantai dan
menghasilkan kristal baru (Stephens 2009).
Semakin tinggi kristalinitas akibat pemutusan
rantai, maka HDPE menjadi semakin keras,
tetapi mudah rapuh atau getas. Hasil ini sesuai
dengan pernyataan Sulchan dan Endang
(2007) yang menyatakan bahwa HDPE
memiliki kecenderungan untuk mengkerut dan
getas selama dicetak sehingga termasuk
material yang kritis terhadap cetakan.
Faktor jenis ikatan dan struktur rantai juga
mempengaruhi kristalinitas polimer (Agusnar
2004). Rantai polimer HDPE hasil metode
kempa panas yang lebih pendek dari
UHMWPE menyebabkan rantai polimer lebih
cepat berkurang akibat adanya pemutusan
rantai. Oleh karena itu, HDPE lebih cepat
menjadi kristalin, derajat kristalinitasnya lebih
besar, dan termasuk material yang lebih keras
dan rapuh dibandingkan dengan UHMWPE.
SIMPULA DA SARA
Simpulan
UHMWPE yang dihasilkan dari metode
kempa panas dan HDPE yang dihasilkan dari
metode kempa panas dan metode pemanasan
belum dapat meningkatkan ketahanan
mekanik yang baik, dilihat dari menurunnya
nilai kuat tarik dan persentase perpanjangan
putus pada kisaran dosis 01500 kGy. Nilai
peningkatan kekerasan HDPE hasil metode
kempa panas yang mendekati UHMWPE
membuat HDPE memiliki potensi untuk
dijadikan sebagai
menggunakan
metode tersebut dibandingkan dengan metode
pemanasan.
Saran
Perlu dilakukan homogenisasi sebelum
dicetak menjadi
iradiasi sinar
gamma dalam keadaan vakum, dan dosis yang
lebih tinggi terhadap HDPE baik metode
pemanasan maupun metode kempa panas
karena pembentukan ikatan silang merupakan
faktor penting dalam
. Selain itu,
perlu
dilakukan
pengujian
untuk
membuktikan adanya ikatan silang atau
pemutusan rantai.
DAFTAR PUSTAKA
Agusnar H. 2004. Penentuan derajat
kristalinitas larutan kitin dengan variasi
10
waktu penyimpanan menggunakan difraksi
sinar1x (XRD).
8: 43145.
[ASTM] American Society for Testing and
Materials. 2010. Tensile1Impact Energy to
Break Plastics and Electrical Insulating
Materials. Philadelphia: ASTM; (ASTM
Standard: D1822106).
[ASTM] American Society for Testing and
Materials. 2010. Rubber Property1
Durometer
Hardness.
Philadelphia:
ASTM; (ASTM Standard: D2240105).
Bambang E. 2011. Pengaruh variasi
temperatur pada proses
jenis RN. 350 dengan bahan baku
murni,
campuran
,
,
dan
[skripsi]. Medan: Fakultas
Teknik, Universitas Sumatera Utara.
Batista G, Ibarra M, Ortiz J, Villegas M.
2004. Engineering biomechanics of knee
replacement.
1: 11
12.
Beyer A. 2011. Arthroscopic surgery
[terhubung berkala]. http://california1
kneedoctor.com/total1health/surgical1
procedures [5 Februari 2011].
Billmeyer FW. 1984.
!
"
. New York: John Willey and Sons.
Blunn
2002. Ultrahigh molecular weight
polyethylene (uhmwpe) in total knee
replacement: fabrication, sterilisation and
wear. #
!
#
84: 9461949.
Egen M, Zentel R. 2004. Surfactant free
emulsion polymerization of various
methacrylates; towards monodisperse
colloids for polymer opals.
$
"
205: 147911488.
Gupta B, Anjum N. 2003. Plasma and
radiation1induced graft modification of
polymers for biomedical applications. % &
"
162: 35161.
Harten AV. 1998.
!
"
%
Cambridge University Pr.
.
Ivanov VS. 1992.
$
"
. Netherland: VCP BV.
London:
Kim S, Nho YC. 2009. $
'
"
"
. Austria: IAEA.
Lewis G. 2001. Properties of crosslinked
ultrahigh molecular weight polyethylene.
!
22: 3711401.
Mark JE. 1999. "
'
(
New York: Oxford University.
.
McKellop
. 1999. Development of an
extremely wear resistant ultrahigh
molecular weight polyethylene for total
hip replacements. #
)
17:
1571167.
Rosario
SC,
Silva
LGA.
2006.
Characterization of the virgin and recycled
ultra high molecular weight polyethylene
irradiated
[tesis].
Brazil:
Cidade
University.
Rusianto T. 2009. Hot pressing metalurgi
serbuk alumunium dengan variasi suhu
pemanasan.
2: 89195.
Stevens MP. 2001.
Pradnya Paramita.
"
. Jakarta:
Stephens
CP.
2009.
Morphological
characterization of irradiated ultrahigh
molecular
weight
polyethylene
(UHMWPE)
[disertasi].
Knoxville:
University of Tennessee.
Sulchan M, Endang NW. 2007. Keamanan
pangan kemasan plastik dan styrofoam
[tesis]. Semarang: Program Pascasrjana,
Universitas Diponegoro.
Surdia, Saito. 1995. "
!
. Jakarta: Pradnya Paramita.
Wahyudianto
AFX.
2006.
Pengaruh
implantasi ion berbasis nitrogen pada
cobalt chrome alloy terhadap sifat keausan
die drawn GUR 1120 UHMWPE [tesis].
Yogyakarta:
Program
Pascasarjana,
Universitas Gadjah Mada.
Wang S, Ge S. 2007. The mechanical
property and tribological behavior of
UHMWPE: effect of molding pressure.
263: 9491956.
Yuwono AH. 2009.
"
Jakarta: UI Pr.
*'
&
+.
LAMPIRA
12
Lampiran 1 Diagram alir penelitian
Pembuatan film
HDPE
Metode pemanasan
UHMWPE
Metode kempa panas
Dipanaskan dalam tanur pada suhu
180 °C selama 4 jam
Dipanaskan dalam alat kempa
panas pada suhu 180 °C selama
3 menit lalu ditekan dengan
tekanan 3000 psi selama 3 menit
Didinginkan pada suhu ruang
Didinginkan dalam alat kempa
dingin pada suhu ruang (25 °C)
selama 10 menit
Dicetak dengan bentuk sesuai uji
ketahanan mekanik masing1masing
Dicetak dengan bentuk sesuai uji
ketahanan mekanik masing1
masing
Iradiasi sinar gamma 0, 100, 200, 300, dan 500 kGy
Analisis mikrostruktur permukaan dengan SEM
Pengujian kekuatan kekerasan, kekuatan tarik,
perpanjangan putus, dan analisis derajat kristalinitas
dengan XRD
13
Lampiran 2 Data Nilai Kekerasan UHMWPE dan HDPE
Dosis
Sampel
Metode
Pemanasan
HDPE
Kempa
panas
UHMWPE
Kempa
panas
Nilai kekerasan (shore A)
Rerata
iradiasi
(kGy)
1
2
3
(shore D)
0
91.00
91,50
91.50
44.22
100
93.50
93.50
92.50
45.11
200
93.50
94.00
93.00
45.27
300
94.50
95.00
93.00
45.68
500
94.50
94.50
94.50
45.76
0
91.50
92.00
92.00
44.47
100
94.00
94.00
93.00
45.36
200
94.00
94.50
94.00
45.60
300
95.00
95.50
93.50
45.84
500
94.50
95.00
95.00
45.92
0
93.50
93.50
94.00
45.36
100
95.00
95.00
95.00
46.00
200
95.00
95.50
95.00
46.08
300
96.00
95.00
95.50
46.24
500
97.00
95.00
95.50
46.39
14
Lampiran 3 Data Nilai Rerata Ketebalan, Gaya Maksimum, dan Kekuatan Tarik
UHMWPE dan HDPE
ilai rerata ketebalan (2)
Dosis
Sampel
Metode
Pemanasan
HDPE
Kempa
panas
UHMWPE
Rerata ketebalan (cm)
iradiasi
Kempa
panas
(kGy)
1
2
3
4
5
0
0.1375
0.1354
0.1426
0.1216
0.0944
100
0.0885
0.0962
0.0954
0.1133
0.1064
200
0.1182
0.1168
0.1038
0.1101
0.0944
300
0.0977
0.0952
0.0963
0.1223
0.1220
500
0.0892
0.1037
0.1007
0.1093
0.1278
0
0.0481
0.0484
0.0488
0.0457
0.0485
100
0.0466
0.0508
0.0478
0.0489
0.0484
200
0.0450
0.0513
0.0487
0.0501
0.0490
300
0.0494
0.0497
0.0477
0.0515
0.0476
500
0.0495
0.0493
0.0491
0.0450
0.0495
0
0.0680
0.0605
0.0566
0.0672
0.0646
100
0.0597
0.0622
0.0707
0.0532
0.0608
200
0.0715
0.0610
0.0590
0.0577
0.0564
300
0.0690
0.0667
0.0673
0.0601
0.0730
500
0.0742
0.0699
0.0739
0.0747
0.0643
ilai gaya maksimum (F)
Dosis
Sampel
Metode
Pemanasan
HDPE
Kempa
panas
Gaya maksimum (kg)
iradiasi
(kGy)
1
2
3
4
5
0
9.83
9.82
9.73
9.50
8.00
100
5.12
9.10
4.50
6.75
7.53
200
5.80
3.60
5.20
4.98
6.00
300
5.00
1.50
5.40
5.00
5.20
500
3.55
5.52
3.48
3.70
4.02
0
4.94
4.84
5.20
4.56
4.86
100
4.48
4.56
4.65
4