Potensi Teknologi Sinar Gama Hijau Hasilkan Getah Asli Tanpa Sulfur Berprestasi Tinggi untuk Komponen Kejuruteraan Mekanikal

Penulis: Dr. Nurul Hakimah Mohd Lazim
Pensyarah Kanan,
Fakulti Kejuruteraan Mekanikal Universiti Teknologi MARA

Apabila membincangkan bidang kejuruteraan mekanikal, kebanyakan orang akan membayangkan struktur keluli, enjin turbin, sistem hidraulik atau pelbagai komponen logam yang digunakan dalam mesin dan jentera. Sememangnya, komponen logam merupakan elemen utama dalam kebanyakan sistem mekanikal. Namun begitu, terdapat satu lagi bahan yang memainkan peranan sama penting tetapi sering kurang diberi perhatian, iaitu getah asli (GA).

Getah asli ialah bahan semula jadi yang mempunyai sifat keanjalan yang tinggi. Sifat ini menjadikannya sesuai digunakan dalam pelbagai komponen mekanikal seperti pengasing getaran (vibration isolators), pelekap enjin (engine mounts), pengedap (seals), hos bertekanan dan sesendal (bushings) [1]. Komponen-komponen ini berfungsi menyerap getaran, mengurangkan bunyi, mengelakkan kebocoran bendalir dan meningkatkan kebolehpercayaan sesuatu sistem mekanikal. Sebagai contoh, tanpa pelekap enjin berasaskan getah, getaran daripada enjin akan dipindahkan terus kepada casis kenderaan. Begitu juga, kegagalan pengedap atau hos getah boleh menyebabkan kebocoran bendalir yang menjejaskan operasi sistem hidraulik dan mesin industri.

Walau bagaimanapun, perkembangan teknologi kejuruteraan hari ini menuntut bahan yang mampu beroperasi dalam keadaan yang lebih mencabar. Mesin moden beroperasi pada suhu yang lebih tinggi, tekanan yang lebih besar dan tempoh penggunaan yang lebih lama. Dalam keadaan sedemikian, getah asli mempunyai had prestasinya. Pendedahan berterusan kepada haba, oksigen dan tekanan mekanikal menyebabkan struktur molekul getah mengalami degradasi. Akibatnya, komponen getah menjadi keras, retak, hilang keanjalan dan akhirnya gagal berfungsi.

Bagi mengatasi masalah ini, penyelidik telah meneroka pelbagai pendekatan untuk meningkatkan prestasi getah asli. Salah satu pendekatan yang semakin mendapat perhatian ialah penggunaan teknologi penyinaran gama dalam pemprosesan getah. Pendekatan ini menggabungkan sumber semula jadi yang boleh diperbaharui dengan teknologi nuklear bagi menghasilkan bahan getah yang mempunyai sifat mekanikal dan ketahanan yang lebih baik.

Secara semula jadi, getah asli mentah bersifat melekit pada suhu tinggi dan menjadi rapuh pada suhu rendah. Oleh itu, ia perlu melalui proses pemvulkanan sebelum boleh digunakan sebagai bahan kejuruteraan. Sejak diperkenalkan oleh Charles Goodyear pada abad ke-19, proses pemvulkanan lazimnya menggunakan sulfur bersama haba. Dalam proses ini, atom sulfur membentuk ikatan silang (cross-linking) antara rantaian molekul getah seperti ditunjukkan dalam Rajah 1. Ikatan silang inilah yang memberikan getah sifat kenyal, anjal dan tahan lasak.

Walaupun kaedah pemvulkanan sulfur telah digunakan secara meluas selama lebih satu abad, ia mempunyai beberapa kekangan. Ikatan sulfur mudah terjejas apabila terdedah kepada suhu tinggi dalam tempoh yang lama [2]. Sebagai contoh, pelekap enjin yang sentiasa berada berhampiran enjin akan mengalami pendedahan haba yang berpanjangan. Lama-kelamaan, ikatan sulfur akan mula terurai, menyebabkan getah kehilangan keanjalan dan mengalami kegagalan akibat kelesuan bahan (rubber fatigue).

Selain isu prestasi, proses pemvulkanan tradisional turut menimbulkan cabaran dari sudut kelestarian alam sekitar. Penggunaan bahan kimia tertentu dalam proses ini menghasilkan sisa yang memerlukan pengurusan rapi bagi mengelakkan pencemaran air dan tanah. Di samping itu, pembakaran sisa getah tervulkan boleh membebaskan sebatian toksik yang memberi kesan kepada kualiti udara dan kesihatan manusia. Oleh sebab itu, pembangunan teknologi pemvulkanan yang lebih bersih dan mesra alam menjadi antara fokus utama penyelidikan dalam bidang sains bahan dan kejuruteraan getah.

Bagaimanakah teknologi radiasi nuklear boleh membantu? Bagi masyarakat awam, perkataan radiasi atau sinar gama sering mencetuskan kegerunan dan sering kali dikaitkan dengan sisa nuklear atau kesan buruk mutasi biologi. Hakikatnya, sinar gama ialah teknik hijau untuk mengubah ikatan kimia polimer yang sangat bersih, tepat, dan selamat. Sinar gama ini merupakan gelombang elektromagnet bertenaga tinggi yang mampu menembusi bahan tanpa meninggalkan sebarang sisa radioaktif pada bahan yang dirawat [3]. Bergantung kepada tahap dos yang diukur dalam unit kiloGray, tenaga radiasi ini akan diserap dan mengubah struktur molekul getah, seperti ditunjukkan pada Rajah 2. Sentuhan tenaga ini memutuskan ikatan kimia yang lemah secara terpilih dan merangsang pembentukan radikal bebas pada rantaian polimer getah. Radikal-radikal bebas ini kemudiannya bertindak balas sesama sendiri untuk membentuk ikatan terus antara molekul yang baharu tanpa memerlukan ejen sulfur.

Proses ini dikenali sebagai pembentukan taut silang melalui sinar gama. Apa yang menarik, proses ini berlaku pada suhu bilik. Berikutan kerana tiada haba melampau atau bahan kimia pemvulkanan intensif digunakan, struktur getah terubah suai dengan sangat seragam, menghasilkan jaringan tiga dimensi yang jauh lebih stabil berbanding ikatan sulfur tradisional. Oleh sebab ikatan silang yang terbentuk melalui radiasi sinar gama adalah ikatan langsung karbon-karbon (C-C) yang mempunyai tenaga ikatan jauh lebih tinggi daripada ikatan sulfur (S-S), GA tidak mudah rosak apabila terdedah kepada suhu operasi enjin yang ekstrem. Berbeza dengan GA yang melalui proses pemvulkanan konvensional, proses pemvulkanan radiasi ini lebih mesra alam, bebas sisa toksik dan menyebabkan peningkatan sifat mekanikal GA [2].

Pengubahsuaian pada struktur molekul getah ini memberikan kesan yang ketara terhadap prestasi komponen mekanikal yang dihasilkan. Antara peningkatan yang dicapai ialah kestabilan terma yang lebih baik serta keupayaan mengawal sifat mekanikal bahan. Dengan melaraskan dos sinaran gama yang dikenakan, contohnya daripada 10 kGy kepada 50 kGy, penyelidik dapat mengawal ketumpatan ikatan silang (cross-link density) dalam getah. Melalui pendekatan ini, sifat seperti kekerasan, kekuatan tegangan dan keupayaan menyerap getaran dapat dilaraskan mengikut keperluan sesuatu aplikasi tanpa mengubah komposisi asas getah asli.

Selain meningkatkan prestasi bahan, penggunaan sinaran gama dos rendah turut menyumbang kepada pembangunan teknologi pemprosesan yang lebih lestari. Selama ini, banyak aplikasi mekanikal bersuhu tinggi bergantung kepada getah sintetik berasaskan petroleum seperti getah nitril atau fluoroelastomer kerana ketahanannya terhadap haba. Namun begitu, penghasilan getah sintetik melibatkan penggunaan sumber fosil serta mempunyai jejak karbon yang lebih tinggi berbanding getah asli. Melalui teknik penyinaran dos rendah, prestasi getah asli dapat dipertingkatkan sehingga setanding, malah bagi sesetengah aplikasi, melebihi prestasi getah sintetik [4]. Di samping itu, proses ini mengurangkan kebergantungan kepada bahan kimia tertentu dalam pemvulkanan, sekali gus mengurangkan penghasilan sisa industri yang berbahaya.

Daripada perspektif kejuruteraan mekanikal, teknologi sinaran gama dos rendah menawarkan satu pendekatan yang berpotensi meningkatkan nilai tambah getah asli tempatan sebagai bahan kejuruteraan berprestasi tinggi. Perkembangan ini bukan sahaja dapat memperluaskan penggunaan getah asli dalam komponen mekanikal yang lebih mencabar, malah menyokong pembangunan industri yang lebih cekap, berdaya saing dan mampan.

Rujukan

[1]      N. H. Lazim, M. A. F. Johari, S. A. Mazlan, N. A. Nordin, S. M. Yusuf, and M. Sedlacik, “Molecular dynamics and experimental analysis of energy behavior during stress relaxation in magnetorheological elastomers,” Sci. Rep., vol. 14, no. 1, p. 19724, Aug. 2024, doi: 10.1038/s41598-024-70459-7.

[2]      N. H. Lazim, S. A. Shamsudin, and N. Mohd Hidzir, “Mechanical and thermal studies on modified 50/50 natural rubber latex/poly(styrene-block-isoprene-block-styrene) blend by gamma irradiation and comparison with sulphur and peroxide vulcanization methods,” Radiation Physics and Chemistry, vol. 207, p. 110857, Jun. 2023, doi: 10.1016/J.RADPHYSCHEM.2023.110857.

[3]      C. T. Ratnam, M. Nasir, A. Baharin, and K. Zaman, “Evidence of irradiation-induced crosslinking in miscible blends of poly(vinyl chloride)/epoxidized natural rubber in presence of trimethylolpropane triacrylate,” J. Appl. Polym. Sci., vol. 81, no. 8, pp. 1914–1925, Aug. 2001, doi: 10.1002/app.1624.

[4]      N. H. Lazim, N. M. Hidzir, N. S. Hamzah, T. Mikihito, and S. A. Shamsudin, “The effects of the cross‐linking mechanism of low doses of gamma irradiation on the mechanical, thermal, and viscoelastic properties of the natural rubber latex/poly(styrene‐ block ‐isoprene‐ block ‐styrene) block copolymer blend,” Polym. Eng. Sci., vol. 62, no. 1, pp. 185–200, Jan. 2022, doi: 10.1002/pen.25843.