2.1 GUNUNG SINABUNG BAB II TINJAUAN PUSTAKA

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 GUNUNG SINABUNG Gunung Sinabung merupakan salah satu gunung di Dataran Tinggi, Kabupaten Karo, Sumatera Utara, Indonesia. Koordinat puncak gunung Sinabung adalah 03o 10’ LU dan 98o 23’ BT dengan puncak tertinggi gunung ini adalah 2.460 meter dpl yang menjadi puncak tertinggi di Sumatera Utara. Gunung ini belum pernah tercatat meletus sejak tahun 1600. Aktivitas Gunung Sinabung terjadi pada tanggal 27 Agustus 2010, gunung ini mengeluarkan asap dan abu vulkanis. Kemudian, tanggal 29 Agustus 2010 dini hari sekitar pukul 00.15 WIB, gunung Sinabung mengeluarkan lava. Abu Gunung Sinabung cenderung meluncur dari arah barat daya menuju timur laut. Tanggal 3 September, terjadi 2 letusan. Letusan pertama terjadi sekitar pukul 04.45 WIB sedangkan letusan kedua terjadi sekitar pukul 18.00 WIB. Letusan Gunung Sinabung menyemburkan debu vulkanis setinggi 3 kilometer dan gempa bumi vulkanis yang dapat terasa hingga 25 kilometer di sekitar gunung ini. Tanggal 7 September, Gunung Sinabung kembali metelus. Ini merupakan letusan terbesar sejak gunung ini menjadi aktif pada tanggal 29 Agustus 2010. Debu vulkanis ini tersembur hingga

5.000

meter

di

6 http://digilib.mercubuana.ac.id/

udara.(Wikipedia2012).

7

Gambar 2.1 Gunung Sinabung Saat Erupsi (Sumber: Wikipedia, 2012)

2.2 PENGERTIAN ABU VULKANIK

Abu vulkanik merupakan bahan material vulkanik jatuhan yang disemburkan ke udara pada saat terjadi letusan. Secara umum komposisi abu vulkanik terdiri atas Silika.Bahan letusan gunung api yang berupa padatan dapat disebut sebagai bahan piroklastik (pyro = api, klastik = bongkahan). Bahan padatan ini berdasarkan diameter partikelnya terbagi atas debu vulkan (< 0.26 mm) yang berupa bahan lepas dan halus, pasir (0.25 – 4 mm) yang lepas dan tumpul, lapilli atau ‘little stone’ (4 – 32 cm) yang berbentuk bulat hingga persegi dan bom (> 32 mm) yang bertekstur kasar. Batuan hasil erupsi gunung api berdasarkan kadar silikanya dapat dikelompokkan menjadi batu vulkanis masam (kadar SiO2> 65%), sedang (35 – 65%) dan basa / alkali (<35%). Abu vulkanik mengandung mineral yang dibutuhkan oleh tanah dan tanaman dengan komposisi total unsur tertinggi yaitu Ca, Na, K dan Mg, unsur makro lain berupa P dan S, sedangkan unsur mikro terdiri dari Fe, Mn, Zn, Cu. Mineral tersebut berpotensi sebagai penambah cadangan mineral tanah, memperkaya susunan kimia dan memperbaiki sifat fisik tanah sehingga dapat digunakan sebagai bahan untuk memperbaiki tanah-tanah miskin hara atau tanah yang sudah mengalami pelapukan lanjut (Fiantis, 2006).

http://digilib.mercubuana.ac.id/

8

2.3 KANDUNGAN ABU VULKANIK

Aktivitas Gunung Sinabung terjadi pada tanggal 27 Agustus 2010, gunung ini mengeluarkan asap dan abu vulkanis. Kemudian, tanggal 29 Agustus 2010 dini hari sekitar pukul 00.15 WIB, gunung Sinabung mengeluarkan lava. Abu Gunung Sinabung cenderung meluncur dari arah barat daya menuju timur laut. Tanggal 3 September, terjadi 2 letusan. Letusan pertama terjadi sekitar pukul 04.45 WIB sedangkan letusan kedua terjadi sekitar pukul 18.00 WIB. Letusan Gunung Sinabung menyemburkan debu vulkanis setinggi 3 kilometer dan gempa bumi vulkanis yang dapat terasa hingga 25 kilometer di sekitar gunung ini. Tanggal 7 September, Gunung Sinabung kembali metelus. Ini merupakan letusan terbesar sejak gunung ini menjadi aktif pada tanggal 29 Agustus 2010. Debu vulkanis ini tersembur hingga 5.000 meter di udara.(Wikipedia,2012).

Dalam setiap semburan tersebut mengandung senyawa kimia yang mengancam kesehatan manusia. Senyawa tersebut diantaranya adalah Silika (Si), aluminium (Al), ferro (Fe), titanium (Ti), mangan (Mn) dan sisanya adalah senyawa-senyawa lain.

Menurut Balitbangtan 2014, hasil analisis abu vulkanik Sinabung mengandung unsur S berkisar antara 0,05-0,32 %, Fe berkisar antara 0,58-3,1 %, Pb berkisar antara 1,5-5,3 %, sedangkan untuk kandungan logam berat seperti Cd, As, Ag dan Ni tidak terdeteksi ataupun sangat rendah sehingga tidak membahayakan. Unsur S (belerang) tinggi pada abu segar, tetapi saat terjadi pencucian (terkena air hujan) nilai S akan berkurang.

Sedangkan hasil dari pengujian lapangan yang dilakukan untuk mengetahui kandungan unsur yang terdapat didalam abu vulkanik tersebut, maka abu vulkanik tersebut diuji menggunakan alat Elvax ProSpector spectrometer.


9

Adapun kandungan unsur yang terdapat di dalam abu vulkanik tersebut, yaitu : Table 2.1 Komposisi Abu Gunung Sinabung (sumber : LIPI, Fisika Rekayasa 2016) Hasil Pengukuran Sampel Abu Vulkanik Besar

Besar

Komposisi

Persentase

Si

64.7

± 0.6%

Fe

17.28

± 0.23%

Al

15.6

± 0.8%

Ti

1.58

± 0.08%

Mn

0.43

± 0.05%

Sb

0.12

± 0.21%

Sn

0.07

± 0.11%

Zr

0.06

± 0.06%

Zn

0.05

± 0.00%

Ni

0.02

± 0.01%

Cu

0.01

± 0.00%

Ga

0.01

± 0.00%

Unsur

Dari hasil uji sampel abu vulkanik Gunung Sinabung yang di lakukan di LIPI, Fisika Rekayasa mendapatkan komposisi abu vulkanik tersebut dengan persentase Silika (Si) mencapai 64.7%, Ferro (Fe) mencapai 17.28%, Aluminium (Al) mencapai 15.6%. Dari beberapa unsur yang didapat dengan menggunakan alat Elvax ProSpector spectrometer, ketiga unsur tersebutlah yang paling mendominasi.

2.4 PENGERTIAN KOMPOSIT

Pada dasarnya, komposit dapat diartikan sebagai kombinasi antara dua material atau lebih yang berbeda sifat dan perbedaan itu dapat dilihat secara mikroskopik yang tersusun dari dua komponen yakni matrik (resin) dan penguat (reinforcement) atau sering disebut dengan filler (Yudhanto, 2007; Sahari, dkk, 2009). Filler ini dapat


10

berupa partikel atau serat. Suatu jenis bahan berupa potongan-potongan komponen yang,membentuk jaringan memanjang, yang berfungsi memperkuat matrik disebut serat (Yudhanto, 2007). Serat dapat diperoleh secara alami maupun sintesis. Serat alami yang diperoleh dari tumbuhan-tumbuhan, hewan dan proses geologis. Sedangkan serat sintesis adalah serat buatan manusia yang berasal dari bahan petrokimia seperti polymida, polyester, fenol-formaldehid, pilivinyl, alkohol (PVOH), polvinyl klorida (PVC) dan polyolefin (Sembiring, 2010). Komposit memiliki definisi dasar yaitu submikro (nano), mikrostruktur, makrostruktur. Submikro (nano) adalah material matrik dapat didefinisikan sebagai fasa dalam komposit yang mempunyai bagian atau fraksi volume terbesar disusun dari dua atom atau lebih yang terletak pada molekul tunggal dan kisi Kristal, contohnya senyawa, paduan (alloy) polimer, keramik. Mikrostruktur merupakan material yang disusun dari dua fase atau senyawa. Makrostruktur merupakan material yang disusun dari campuran dua atau lebih penyusun makro yang berbeda dalam bentuk dan komposisi yang tidak larut satu sama lain atau definisi secara makro ini yang biasa dipakai dalam mendefinisikan komposit.

Secara umum, penyusun komposit terdiri dari dua material yang menimbulkan beberapa istilah yaitu komposit, seperti matriks (penyusun dengan fraksi volume terbesar), penguat (penahan beban utama), interphase (dominan) (Pramono, 2011). Matrik berfungsi melindungi serat dari pengaruh lingkungan (Temperatur, kelembaman, reaksi kimia) dan kerusakan akibat benturan (impact) (Puboputro, 2006; yudhanto, 2007; Sembiring, 2010), pedukung dan menginfiltrasi, transfer beban antar sekat, dan perekat yang serat yang stabil secara fisika dan kimia setelah proses manufaktur (Purboputro, 2006). Keramik terbuat dari polimer (misal: epoksi), keramik dan logam (alumunium) (Yudhanto, 2007).

2.4.1. Sifat dan Karakterisasi Komposit

Karekteristik komposit ditentukan berdasarkan karekeristik material penyusun dan dapat ditentukan secara teoritis dengan pendekatan metode rule of mixture (ROM), sehingga akan berbanding secara proporsional. Bentuk (dimensi) dan struktur (ikatan) penyusun komposit juga akan mempengaruhi karekteristik komposit, begitu pula bila


11

terjadi interaksi antar penyusun akan meningkatkan sifat dari komposit (Pramono, 2008).

2.4.2. Klasifikasi Komposit

Klasifikasi komposit berdasarkan jenis penguatnya dibagi menjadi 3 yaitu particulate composite (komposit partikulat), fiber composite, dan structural composite. Particulate composite (komposit partikulat) merupakan komposit yang menggunkan partikel serbuk sebagai penguatnya dan terdistribusi secara merata dalam matriknya, terdiri dari partikel besar dan penguat dispersi atau fiber composite (komposit serat) adalah komposit yang terdiri dari kontinyu dan diskoninyu (terikat dan acak). Sedangkan structural composite adalah komposit yang terdiri dari lamina dan panel sandwich (Lestari, 2008) sebagaimana ditunjukan pada Gambar 2.2 (Widyastuti, 2009) berikut:

Gambar 2.2 Klasifikasi Komposit Berdasarkan Jenis Penguat


12

Sedangkan berdasarkan matriknya, komposit dibedakan menjadi 3 jenis, yaitu polymer Matrix Composite (PMC), Metal metrix Composite (MMC) dan Ceramic Matrix Composite (CMC) seperti yang ditunjukan pada Gambar 2.3 berikut.

Gambar 2.3 Klasifikasi Komposit Berdasarkan Matriks

Polymer Matrix Composite (PMC) adalah salah satu jenis komposit yang merupakan kombinasi antara dua material atau lebih dengan matrik berupa polimer, yang memiliki kekakuan dan kekuatan spesipik yang tinggi serta lebih ringan dari material konvensional. Metal Matrix Composite (MMC) adalah salah satu jenis komposit dengan matrik berupa logam, yang memiliki kuat tekan dan geser yang baik, tidak mudah terbakar dan tidak menyerap kelembaban, tahan terhadap temperatur tinggi, memiliki ketahanan arus dan muai termal yang baik serta transfer tegangan dan regengan yang baik dibandingkan dengan Polymer Matrix Composite (PMC). Sedangkan jenis komposit dengan matrik yang terbuat dari bahan keramik disebur dengan Ceramic Matrix Composite (CMC). keuntungan dari CMC adalah dimensinya stabil bahkan lebih stabil dari pada logam, mempunyai karekteristik permukaan yang tahan arus, daya tahan terhadap kimia yang tinggi dan tahan terhadap korosi (Lestari, 2008).


13

Sedangkan Peter (2002) menjelaskan keuntungan dan kerugian komposit di dalam Tabel 2.2 di bawah ini.

Tabel 2.2 Keuntungan dan Kerugian dari Komposit Komersial (sumber : Jurnal Penelitian Characterization and Treatments of Pineapple Leaf Fibre Thermoplastic Composite For Construction Application, Munirah Mochtar, et.al, 2007) Keuntungan

Kerugian

 Berat berkurang

 Biaya bertambah untuk bahan baku dan fabrikasi

 Rasio antara kekuatan atau rasio kekakuan denga berat tinggi  Sifat-sifat beradaptasi:

yang

bidang

melintang

matri,

kekerasan

lemah

mampu

kekakuan

 Sifat-sifat

dapat

 Kelemahan rendah

beradaptasi terhadap pengaturan beban  Lebih tahan terhadap korosi

 Matriks

dapat

menimbulkan

degradasi lingkungan  Kehilangan sebagian sifat dasar

 Sulit dalam mengikat

material  Konduktivitas

termal

atau

 Analisa

sifat-sifat

fisik

dan

konduktivitas listrik meningkat

mekanik sulit dilakukan, analisa

atau menurun

untuk efisiensi damping tidak mencapai konsensus

Dari Tabel di atas dapat dilihat bahwa aplikasi komposit masih terbatas disebabkan oleh faktor ekonomi. Karena komposit menggunakan serat gelas atau material teknik yang lain sebagai penguat, biaya bahan mentah dan biaya fabrikasi akan menjadi tinggi. Hal ini jelas terlihat pada bidang industri yang memanfaatkan material komposit, seperti pada bidang penerbangan dan kelautan. Material komposit terdiri dari dua buah penyusun yaitu filler (bahan pengisi) dan matrik. Adapun definisi dari keduanya adalah sebagai berikut:


14

1.

Filler adalah bahan pengisi yang digunakan dalam pembuatan komposit, biasanya berupa serat atau serbuk. Serat yang sering digunakan dalam pembuatan komposit antara lain serat E-Glass, Boron, Carbon dan lain sebagainya. Bisa juga dari serat alam antara lain serat kenaf, jute, rami, cantula dan lain sebagainya.

2.

Matriks. Gibson R.F. (1994) mengatakan bahwa matriks dalam struktur komposit bisa berasal dari bahan polimer, logam, maupun keramik. Matriks secara umum berfungsi untuk mengikat serat menjadi satu struktur komposit. Matriks memiliki fungsi:

 Mengikat serat menjadi satu kesatuan struktur  Melindungi serat dari kerusakan akibat kondisi lingkungan  Mentransfer dan mendistribusikan beban ke serat  Menyumbangkan beberapa sifat seperti, kekakuan, ketangguhan dan tahanan listrik.

2.5 PENGERTIAN KERAMIK

Istilah keramik berasal dari bahasa Yunani keramos yang berarti periuk atau belanga yang dibuat dari tanah liat. Sedangkan yang dimaksud barang keramik ialah semua barang yang dibuat dari bahan-bahan tanah/batuan silikat yang proses pembuatannya melalui pembakaran suhu tinggi (Astuti, 2008).

Keramik merupakan bahan yang mempunyai karakteristik senyawa logam dan bukan logam, senyawa tersebut memiliki ikatan ionik dan ikatan kovalen (Vlack, 1991). Keramik merupakan bahan komposit yang memiliki tahanan suhu tinggi, keausan dan korosi yang lebih baik daripada super alloy namun memiliki sifat getas (Subiyanto & Subowo, 2003). Akan tetapi ada beberapa kelemahan pada kebanyakan jenis keramik yaitu sifatnya rapuh (britle), getas dan mudah patah seperti halnya pada jenis keramik konvensional seperti porselen, gerabah, gelas, dan sebagainya.

Pada prinsipnya keramik terbagi dalam 2 kategori: 1. Keramik tradisional yaitu keramik yang dibuat dengan menggunakan bahan alam. Keramik tradisional tersusun atas 3 komponen dasar, yaitu lempung


15

(tanah liat), feldspar, silika. Keramik ini menggunakan bahan-bahan amorf (tanpa diolah). Yang termasuk keramik tradisional adalah barang pecah belah (dinnerware), keperluan rumah tangga dan untuk industri. 2. Keramik teknologi adalah keramik yang dibuat dengan menggunakan oksidaoksida logam atau logam, seperti Al2O3, ZrO2, MgO. Penggunaanya sebagaielemen panas, semi konduktor, komponen turbin dan pada bidang medis.

Sifat umum keramik yang mudah dilihat adalah rapuh, contohnya pada keramik yang terbuat dari lempung, sifat lainnya adalah tahan suhu tinggi sebagai contoh keramik tradisional yang terdiri dari pasir, feldspar dan lempung tahan sampai pada suhu 1200ºC, sedangkan pada keramik teknik seperti keramik oksida mampu tahan sampai suhu 2000ºC (Umah, 2007). Kekuatan keramik dipengaruhi oleh bahan campuran sehingga keramik bergantung dari bahan baku dan bahan paduannya.

2.6 PENGERTIAN SILIKA

Silika dengan nama mineral silika (SiO2) dapat diperoleh dari silika mineral, silika nabati dan silika sintesis kristal. Silika mineral adalah senyawa yang banyak ditemui dalam bahan tambang/galian yang berupa mineral seperti pasir kuarsa, granit, dan feldsfar yang mengandung kristal-kristal silika (SiO2).

Silika mineral biasanya

diperoleh melalui proses penambangan yang dimulai dari penambang kemudian dilakukan proses pencucian untuk membuang pengotor yang kemudian dipisahkan dan dikeringkan kembali sehingga diperoleh kadar silika yang lebih besar bergantung dengan keadaan tempat penambangan. Saat ini mineral-mineral tersebut susah didapatkan maka diperlukan alternatif lain dalam pencarian silika seperti silika sintesis dan silika nabati.

Silika sintesis kristal didapatkan menggunakan bahan Fumed silika, TEOS dan TMOS (Naskar dan Chartterjee, 2004) dapat mengunakan metode pelelehan (melting). Proses dari pelelehan dimulai dengan pendinginan (cooling) dan kekristalisasi yang bersesuaian dengan mineral tersebut. Pelelehan tergantung pada pereduksian suhu leleh, perubahan dalam medium (Pitak, 1997) dan membutuhkan suhu yang sangat


16

tinggi. Namun harganya relatif mahal dan prosesnyapun sangat rumit sehingga diperlukan alternatif pencarian sumber silika sebagai penggantinya yaitu silika nabati yang dapat ditemui pada sekam padi, tongkol jagung, kayu, dan bambu. Silika nabati yang umum digunakan adalah silika sekam padi dengan kadar silika terbesar yaitu sebesar 94 – 96 % (Siriluk dan Yuttapong, 2005; dan Houston, 1972). Perolehan silika sekam padi dilakukan dengan proses sol-gel pada suhu rendah dengan homogenitas tinggi.

2.6.1. Karakterisasi Silika

Silika merupakan mineral yang jumlahnya sangat melimpah yang dapat ditemukan sebagai mineral penyusun batuan. Silika memiliki sifat kimia yaitu tidak larut dalam air, tahan terhadap zat kimia dan memiliki ekspansi termal rendah serta memiliki titik lebur yang tinggi sehingga dapat dimanfaatkan sebagai bahan refraktori (bahan tahan api), bahan keramik, adsorben dan pendukung katalis yang baik. Tabel 2.3 memperlihatkan karakteristik yang dimiliki silika amorf dan silika kristal.

Tabel 2.3 Karakterisasi Fisika, Mekanika, Termal, Dan Sifat Elektrik Silika Amorf Dan Silika Kristal (Sumber: Sigit Dan Jetty, 2001) No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Parameter Densitas Konduktivitas Termal Koefisien ekspansi termal Kekuatan tarik Kekuatan desak Rasio Poisso's Kekuatan retak Modulus elastis Daya tahan kejut termal Permitivitas (ε) Faktor Kehilangan (ἐ) Kekuatan Bidang dielektrik Resistifitas

Satuan

Silika Amorf

Silika Kristal

g/cm³ W/mK Kˉ¹ Mpa Mpa

2.65 1.3 12.3 x 10ˉ⁶ 55 2070 0.17 – 70 Baik Sekali 3.8-5.4 0.0015 15 - 25 10¹² - 10¹⁶

2.2 1.4 0.4 x 10⁻⁶ 110 690 - 1380 0.165 0.79 73 Baik Sekali 3.8 – 15 - 40 >10¹⁸

Mpa Mpa

kV/mm Ωm


17

2.6.2. Struktur Kristal Silika

Pada umumnya struktur silika adalah amorf.

Silika amorf dapat berubah bentuk

menjadi silika kristal dengan adanya perubahan suhu yakni fasa kuarsa, kristobalit dan tridimit. Ketiga fasa kristal tersebut mempunyai nilai densitas yang berbeda seperti yang disajikan pada Tabel 2.4 Tabel 2.4 Nilai Densitas Kristal Silika (Sumber: Smallman And Bishop, 1999) No

Struktur Kristal

Densitas

1 2 3

Kuarsa Tridimit Kristobalit

2.65 x 10³ kg/m³ 2.27 x 10³ kg/m³ 2.33 x 10³ kg/m³

Silika terbentuk melalui ikatan kovalen yang kuat, serta memiliki struktur lokal yang jelas, dan memiliki empat atom oksigen terikat pada posisi sudut tetrahedral di sekitar atom pusat yaitu atom silikon. Gambar 2.4 memperlihatkan struktur silika tetrahedral.

Gambar 2.4 Struktur Kristal Tetrahedral (Sumber: Canham, 2002 ; Shriver, 1999)

Atom oksigen bersifat elektronegatif dan kerapatan elektron pada atom silikon sebagian ditransfer pada atom oksigen, tetapi tidaklah tepat jika silika dikatakan sebagai garam yang terdiri dari ion Si4+ dan ion O2-, yang terkadang ditemukan dalam beberapa literatur. Untuk memahami hal ini maka dapat dilihat melalui arah ikatan (momen dipol) pada struktur silika. Sudut ikatan di sekitar O-Si-O merupakan sudut tetrahedral yaitu sebesar 109°; jarak antara atom Si-O sebesar 1,61 Å (0,16 nm). Silika memiliki ikatan yang disebut “jembatan” oksigen yang terdapat di antara atom silikon,


18

hal inilah yang memberikan sifat unik pada silika. Sudut ikatan pada Si-O-Si sekitar 145°, tetapi nilai ini sangat bervariasi antara 100-170° yang dipengaruhi oleh perubahan energi ikatan, sehingga sangat memungkinkan terjadinya rotasi ikatan secara bebas. Gambar 2.3 memperlihatkan sudut ikat Si-O-Si.

Struktur SiO2 terbentuk melalui kelompok-kelompok SiO4 yang saling berikatan melalui atom oksigen pada sudut-sudut tetrahedralnya, ikatan ini dapat terbentuk dalam berbagai variasi sudut. Variasi sudut yang terbentuk sangat memungkinkan terbentuknya struktur kristalin yang berbeda-beda pada silika, dan dapat dengan mudah membentuk struktur amorfous. Silika memiliki 35 bentuk kristalin dengan berbagai kerapatan yang berbeda-beda (17 sampai 43 unit SiO2 per Å³). Gambar 2.5 memperlihatkan bentuk dari unit kristal silika.

(a)

(b)

(c)

Gambar 2.5 Bentuk Unit Kristal Silika (A) Kristobalit, (B) Tridimit, Dan (C) Kuarsa (Sumber: Canhman, 2002; Shriver, 1999)

Kuarsa yang berada dalam dua modifikasi adalah fasa rendah (a-kuarsa) dan fasa tinggi (ß-kuarsa). Pada suhu kurang dari 5730C merupakan kuarsa fasa rendah yang kemudian berubah menjadi fasa tinggi pada suhu 8670C. Fasa yang stabil mencapai tridimit pada suhu 14700C. Kristobalit mempunyai jangkauan stabil suhu lebur pada suhu 17300C yang kemudian berubah menjadi cairan (liquid).


19

2.6.3. Aplikasi Silika

Berdasarkan karakteristik ukuran partikel, silika sudah banyak dimanfaatkan untuk keperluan diantaranya, i.

Bidang keramik seperti pembuatan gelas, kaca, beton,

ii.

Bidang kesehatan meliputi, pasta gigi, kosmetik,

iii.

Bidang industry seperti pengolahan karet, textil kertas, dan elektronik).

Dengan perkembangan teknologi, penggunaan silika pada industri semakin meningkat terutama dalam ukuran partikel yang kecil sampai skala mikron atau nano. Dengan skala mikron silika dapat digunakan sebagai bahan penguatan beton (mechanical property), penguat karet (strength dan stress) untuk meningkatkan daya tahan (durability). Dengan ukuran yang lebih kecil (nano), silika dapat digunakan industri pengolahan ban, cat, kosmetik, elektronik, dan keramik. Dari beberapa penelitian yang telah dilakukan berkaitan dengan pemanfaatkan silika, munjukkan bahwa silika dapat diguanakan sebagai bahan pengguat (reinforcing agent) (Astuti, 2010), silika dalam fasa kaca sebagai penyimpan hydrogen (Pramuditya dan Pertiwi, 2009), dan untuk menurunkan BOD (kebutuhan oksigen biologis) dan COD (kebutuhan oksigen kimiawi) limbah cair (Fatha, 2007).

2.7 PENGERTIAN ALUMINA

Alumina adalah senyawa yang terdiri dari aluminium dan oksigen, yang membentuk oksida logam. Alumina (Al2O3) merupakan jenis keramik yang banyak digunakan didunia industri, karena mempunyai titik lebur (melting point) tinggi berkisar C (Lee dan Rainforth, 1994), tahan terhadap zat kimia dan kekuatan serta kekakuan yang tinggi (Fitrullah, 2009).

2.7.1 Karakterisasi Alumina

Pada umumnya kemurnian Al2O3 cukup tinggi (>90%) sehingga dapat digunakan sebagai bahan dasar keramik tembus cahaya. Secara spesifik karakteristik alumina dengan tingkat kemurnian 94%, 96%, dan 99,5% dapat dilihat pada Tabel 2.5.


20

Tabel 2.5 Perbandingan Sifat-Sifat Aliumina Kemurnian 94%, 96%, Dan 99.5% Aluminium Oxide (Al2O3) (sumber: http://www.accuratus.com/alumox.html, 2009) Alumina Mechanical Density (gr/cc) Porosity (%) Color Flexural Strength (Mpa) Elastic Modulus (Gpa) Shear Modulus (Gpa) Bulk Modulus (Gpa) Poisson's Ratio Compressive Strength (Mpa) Hardness (kg/mm²) Fracture Toughness (Mpa Maximum Use Temperature (°C)

94% 3.69 0 White 330 300 124 165 0.21 2100 1175 3.5 1700

96% 3.72 0 White 345 300 124 172 0.21 2100 1100 3.5 1700

99.50% 3.89 0 Ivory 379 375 152 228 0.22 2600 1440 4 1750

18 8.1 880

25 8.2 880

35 8.4 880

Thermal Thermal Conduktivity (W/m.°K) Coefficient of Thermal Expansion (10⁻⁶/°K) Specific Heat (J/kg. °K) Electrical Dielectric Strength (ac-kv/mm) Dielectric Constant (1 MHz) Dissipation Factor (1 kHz) Loss Tangent (1 kHz) Volume Resistivity (Ωcm)

16.7 14.6 9.1 9 0.0007 0.0011 >10¹⁴

>10¹⁴

16.9 9.8 0.0002 >10¹⁴

Berdasarkan karakteristik alumina yang disajikan Tabel 2.5 menunjukkan bahwa semakin tinggi tingkat kemurnian alumina maka semakin tinggi pula karakteristik termal dan listrik sehingga sangat baik digunakan sebagai isolator. Alumina termasuk material yang ringan yang memiliki konduktivitas panas dan listrik yang tinggi, ketahanan korosi tinggi (mudah membentuk lapisan oksida yang kuat), memiliki ukuran dan bentuk yang baik, serta ketahanan terhadap serangan asam kuat dan alkali pada temperatur tinggi (Gibson, 2009). Pembentukan dan karakterisitik keramik alumina tergantung pada kemurnian, partikel size, dan unsur penyusunnya yang sesuai dengan yang kita inginkan.


21

2.7.2 Struktur Kristal Alumina

Alumina mempunyai stabilitas fisik seperti temperatur lebur, kekerasan dan kekuatan tarik yang tinggi.

Hal ini disebabkan karena kuatnya ikatan kimia antara ion

aluminium dan ion oksigen didalam struktur Al2 O3. Dalam struktur kristal alumina fasa korondum kation (Al-3) menempati 2/3 bagian dari sisipan octahedral sedangkan anion (O2-) menempati HCP. Bilangan koordinasi dari struktur korondum adalah 6 maka setiap ion Al+3 dikelilingi 6 ion O2- dan setiap ion O2- dikelilingi oleh 4 ion Al3+ untuk mencapai muatan yang netral (Worrall,1986). Struktur γ-Al2O3 mempunyai struktur dasar spinel yaitu A3B6O12 atau AB2O4. A dan B masing-masing adalah kation valensi dua dan tiga (Worrall, 1986). Bentuk struktur kristal korondum ditunjukkan pada Gambar 2.6 berikut.

Gambar 2.6 Struktur Kristal Korondum (Α-Al2O3) (Sumber: Warrall, 1986) Selain karakteristik yang dipaparkan di atas, senyawa alumina (Al2O3) merupakan material polimorfi yang irreversibel dan stabil dengan titik lebur 20500C. Dengan perlakuan termal (Al2O3) dapat mengalami perubahan bentuk struktur Kristal yakni, γ-Al2O3 dan α-Al2O3. Struktur kristal γ-Al2O3 terbentuk melalui penguraian gelatin Al(OH)3 pada suhu 2000C-3000C dan boehmite (AlOOH) pada suhu 5000C8000C. Sementara struktur γ-Al2O3 berubah menjadi α-Al2O3 melalui dua fasa yaitu δAl2O3 pada suhu 9000C-10000C dan θ-Al2O3 pada suhu 10000C-11000C. (Clifton, et all, 2000).


22

2.7.3 Aplikasi Alumina

Berdasarkan karakteristik yang dimiliki alumina seperti konduktivitas panas tinggi, kekerasan tinggi (hard), kekuatan (strength), kekakuan (stiffness) tinggi, ukuran dan bentuk yang baik, sehingga dapat digunakan sebagai isolator panas seperti Gas laser tubes (tabung laser gas), wear pads (Baju anti peluru), seal rings, isolator lisrik temperatur dan voltase tinggi seperti, Furnace, Senjata dan media gerinda (Ronald, 2009).

Busi

Alat Potong

Bahan Penggosok (Amplas)

Batu Tahan Api

Furnance

Gambar 2.7 Aplikasi Alumina (Sumber: Petra, 2006)

2.8 PENGERTIAN ALUMINIUM OKSIDA (Al2O3) Aluminium oksida (alumina) adalah senyawa kimia dari aluminium dan oksigen, dengan rumus kimia Al2O3. Secara alami, alumina terdiri dari mineral korondum, dan memiiki bentuk kristal seperti ditunjukkan pada Gambar 2.8.


23

Gambar 2.8 Struktur Kristal Mineral Korondum Alumina (Hudson, Et. Al., 2002)

Senyawa ini termasuk dalam kelompok material aplikasi karena memiliki sifat-sifat yang sangat mendukung pemanfaatannya dalam beragam peruntukan. Senyawa ini diketahui merupakan insulator listrik yang baik, sehingga digunakan secara luas sebagai bahan isolator suhu tinggi, karena memiliki kapasitas panas yang besar (Xu, et al., 1994). Alumina juga dikenal sebagai senyawa berpori sehingga dimanfaatkan sebagai adsorben (Ghababazade, et al., 2007). Sifat lain dari alumina yang sangat mendukung aplikasinya adalah daya tahan terhadap korosi (Mirjalili, et. al., 2011) dan titik lebur yang tinggi, yakni mencapai 2053-2072 0C (Budvari, 2001).

Secara umum alumina ditemukan dalam tiga fasa, yang dikenal sebagai γ, β, dan α alumina.

Ketiga fasa di atas diketahui memiliki sifat-sifat yang berbeda,

sehingga memiliki aplikasi yang khas (unik). Beta alumina (β-Al2O3) memiliki sifat tahan api yang sangat baik sehingga dapat digunakan dalam berbagai aplikasi keramik seperti pembuatan tungku furnace (Arribart and Vincent, 2001). Gamma alumina (γAl2O3) banyak digunakan sebagai material katalis, contohnya dalam penyulingan minyak bumi (Knozinger and Ratnasamy, 1978) dan digunakan dalam bidang otomotif (Satterfield, 1980; Gate, 1995). Alfa alumina (α-Al203) mempunyai struktur kristal heksagonal dengan parameter kisi a = 4, 7588 dan c = 12, 9910 nm. Alfa alumina banyak digunakan sebagai salah satu bahan refraktori dari kelompok oksida, karena bahan tersebut mempunyai sifat fisik, mekanik dan termal yang sangat baik (Mirjalili, et al., 2011). Fasa paling stabil dari alumina adalah fasa Alfa alumina (αAl2O3), dalam proses perlakuan termal α-Al2O3 diperoleh melalui transformasi fasa yang diawali dari Boehmite AlO(OH) yaitu:


24

ℎ −

→

−

→

−

→

−

→

−

→

(Beitollahi, et al., 2010).

2.9 KERAMIK ALUMINA

Keramik alumina, Al2O3 yang terbentuk dari bahan mentah (raw material) corundum, Al2O3 disebut sebagai keramik corundum. Keramik alumina memiliki sifat-sifat unggul seperti: kekerasan dan kekuatan tinggi, sifat termal yang unggul (tahan panas, ketahanan pada kejutan termal), merupakan bahan isolator listrik, dan tahan terhadap korosi. Ada 2 tipe dasar keramik alumina, yaitu: 1. Alumina dengan kemurnian tinggi atau beberapa single Kristal. 2. Alumina berupa poli Kristal.

Keramik alumina aplikasinya sangat luas, yaitu: sebagai material-material struktural yang digunakan pada teknologi-teknologi dengan temperatur (spark plug). Aplikasinya selanjutnya ditemukan dalam bidang elektronik dimana keramik alumina digunakan sebagai material substrat untuk rangkaian elektronik, bodi resistor, tabung elektron, dan lain-lain.

Sifat-sifat keramik alumina bergantung pada kemurnian bahan dan tipe fasa yang terbentuk serta porositas. Berikut ini ditunjukan sifat-sifat keramik alumina, yaitu: 1. Densitas bulk ∆b = 3,7 – 3,9 gr/cm3 2. Kekuatan patah (bending streng) = 150 – 400 MPA 3. Ekspansi termal = 7,6 x 10-2 C-1 4. Sifat termal = 10 W m-1 K-1 5. Resistevitas listrik = 107 – 1010 cm 6. Kuat dielektrik (dielektrik strength) = 10k V mm-1


25

2.9.1 Struktur Keramik Alumina (Al2O3) Alumina yang mempunyai rumus molekul Al2O3 mempunyai stabilitas fisik seperti temperatur lebur, kekerasan dan kekuatan dan mekanik yang tinggi, hal ini disebabkan karena kuatnya ikatan kimia antara ion oksigen didalam struktur Al2O3 kekuatan mekanis pada temperature ruang sangat tinggi, namun kekuatannya berkurang pada temperature 11000C Al2O3 juga mempunyai sifat thermal shock yang lebih rendah disbanding dengan material lainnya seperti Si3N4 dan SiC hal ini disebabkan karena Al2O3 mempunnyai koefisien mulai thermal yang kecil, namun demikian Al2O3 keterbatasan yaitu nilai ketangguhan patahnya yang rendah yaitu berkisar antara 4,18 sampai dengan 5,9 Mpa (m)1/2 secara kimia Al2O3 mempunyai sifat kimia yang lebih stabil dan mempunyai ketahanan korosi yang tinggi alumina juga tidak larut dalam air dan hanya sedikit larut dalam asam kuat dan larutan basa.

Senyawa alumina bersifat polimorfi yaitu material yang memiliki komposisi kimia yang sama tetapi memiliki struktur Kristal yang berbeda, yaitu di antaranya memiliki struktur alpha (α)-Al2O3 dan (γ)-Al2 O3 bentuk struktur yang lain seperti misalnya β-Al2O3 adalah alumina tidak murni yang merupakan paduan antara Al2O3Na2O dengan formula Na2O.11Al2O3 Alpha (α)-Al2O3 merupakan bentuk struktur yang paling stabil sampai suhu tinggi dan memiliki nama lain yaitu korundum.

2.9.2 Sifat-sifat dan Aplikasi Keramik Alumina

Ikatan atom antara Al dan O cukup kuat sekali dan memiliki energi pembentukan -400 kcal/mol maka Al2O3 merupakan senyawa yang stabil, kuat keras dan memiliki titik lebur yang tinggi yaitu 2015 0C umumnya keramik alumina disamping tahan suhu tinggi juga memiliki sifat tahan kimia dan tahan korosi pada suhu tinggi, keramik korundum murni dibuat melalui suhu tinggi ( 1800-19000C ) dan mempunyai sifat mekanik yang kuat sekali serta bersifat isolator listrik aplikasinya banyak digunakan sebagai alat pemotong bahan abrasive, peralatan listrik/electron, refaktori komponen mekanik, dan sebagai bio-inert material sedangkan γ- Al2O3 yang sifatnya reaktif dan stabil dibawah suhu 10000C, aplikasinya banyak digunakan sebagai reagen kimia dan bahan katalis.


26

2.10 PROSES PEMBUATAN KERAMIK KOMPOSIT DENGAN FASA PADAT (SOLID STATE PROCESSING)

Proses pembuatan keramik komposit dalam keadaan padat (solid state processing) lebih cendrung menggunakan proses metalurgi serbuk (Powder Metallurgy, PM). Proses pembuatan keramik komposit dengan metode metalurgi serbuk memiliki beberapa keunggulan bila dibandingakan dengan proses fasa cair maupun pada proses deposisi uap. Suhu yang digunakan dalam proses pembuatan keramik komposit dengan menggunakan metalurgi serbuk juga relative rendah (dibawah tititk leleh matrik), hal ini bertujuan untuk mengurangi reaksi antara permukaan (interface) antara matrik dengan penguat. Dengan memperkecil reaksi antara partikel penguat dan matrik yang tidak dikehendaki, maka aka menghasilkan produk keramik komposit yang memiliki sifat mekanis yang lebih baik.

Teknik pembuatan keramik komposit dengan metalurgi serbuk secara konvensional adalah dengan mencampurkan (blend) serbuk abu vulkanik dengan filler alumina silika /aluminium oksida (Al2O3). Setelah tercampur secara homogeny kemudian serbuk akan dikompaksi (Press) dan di sintering. Terkadang proses sintering dilakukan dengan tekanan tinggi pada suhu dibawah titik lelel matriks untuk mendapatkan ikatan yang lebih baik antara partikel penguat dan matriks. (Hartomo, 1992).

Dalam proses pembuatan keramik komposit ini, ada 3 proses utama dalam pembuatanya yaitu : proses pencampuran (mixing or blending), proses kompaksi (Compaction), dan proses pembakaran (sintering).

2.10.1 Mechanical Milling

Mechanical milling atau dipendekan milling adalah suatu penggilingan mekanik dengan suatu proses penggilingan bola dimana suatu serbuk yang ditempatkan dalam suatu wadah penggilingan digiling dengaan cara dikenai benturan bola bola berenergi tinggi. Proses ini merupakan metode pencampuran yang dapat menghasilkan produk


27

yang sangat homogen. Proses milling disini memperoleh partikel campuran yang relative lebih kecil sehingga dapat diharapkan serbuk abu vulkanik menjadi lebih halus agar dapat menjadi nano partikel (F. Izuni, 2012)

Dalam mekanik milling serbuk akan dicampur dalam suatu chamber ruangan dan dikenaik energi tinggi terjadi deformasi yang berulang ulang sehingga terjadi pertikel-partikel yang lebih kecil dari sebelumnya. Akibatnya dari tumbukan pada tiap tipe unsur partikel serbuk akan menghasilkan bentuk yang berbeda juga, untuk bahan yang ulet, sebelum terjadi fracture akan menjadi flat atau pipih terlebih dahulu, sedangkan untuk bahan yang getas akan langsung terjadi fracture dan menjadi partikel serbuk yang lebih kecil, saat dua bola bertumbukan berualng ulang menyebabkan terjadi pengambungan (suryanarayana ,2006)

Teknik penggilingan secara mekanik, dimulai dengan mengunkan jalan megoyang goyankan bola bola berukuran kecil sampai besar dengan bukbuk yang ada didalam HEM tersebut, selanjutnya Hem akan bergetar dan dengan bergetar HEM ini akan menjadi tubukan (impact) antara bubuk-bubuk dengan bola bola.

a.

Tipe – Tipe Milling

Tipe-tipe mlling berbeda dari peralatan milling yang digunakan untuk menghaluskan ukuran partikel serbuk, perbedaannya terletakpada kepastianya dan kecepatan putar jar milling, tipe tipe milling tersebut, antara lain : rotary ball mill, High energy milling, spex shaker milling, ball mill palanetary, attritor mill. Namun pada penelitian ini yang digunakan adalah HIGH ENERGY MILLING untuk menghaluskan serbuk abu vulkanik gunung sinabung yang akan menjadi sampel pembuatan keramik aluminum oksida.


28

Gambar 2.9 Mesin Shacker Mill

Alat-alat penggiling bola tersebut terus di kembangkan untuk meningkatkan keefektifan dan efisiensinya dalam proses penggilingan.HEM-3D, merupakan salah satu jenis shaker ballmill, merupakan generasi termutakhir alat penggiling bola yang dapat melakukan proses penggilingan dengan tingkat efektifitas dan efesiensi yang tinggi. HEM-3D adalah singkatan dari High Energy Mill-Elips 3 Dimentions.HEME3D merupakan alat penggiling bola yang digunakan untuk melakukan proses penggilingan serbuk berskala kecil dalam laboraturium. Spesifikasi HEM-E3D tampak pada Tabel berikut ini.

Table 2.6 Spesifikasi HEM - E3D Spesifikasi

Nilai

Dimensi

75 cm x 60 x 40 cm

Berat

63 kg (tanpa wadah penggilingan)

Sumber daya

380 volt

Daya motor

0,5 PK

Kecepatan motor


0

rpm – 500 rpm

29

b. Bola Penghancur Partikel

Fungsi bola dalam proses penggilingan adalah sebagai penghancur atau menghaluskan serbuk abu vulkanik oleh karna itu material pembentukan bola penggiling harus memiliki kekerasan yang sangat tinggi agar tidak terjadi kontiminasi saat terjadi benturandan gesekan antara serbuk, bola dan wadah penggiling material yang dapat digunakan untuk melakukan proses tersebut antara lain: baja tahan karat, baja karbon, baja perkakas dan baja kromium (C.Suryanarayana, 2006).

Untuk ukuran bola yang dapat digunakan dalam proses penggilingan bermacam-macam. Pemilihan ukuran bola bergantung pada ukuran serbuk yang akan dipadu. Bola yang akan di gunakan harus memiliki diameter yang lebih besar dibandingkan dengan diameter serbuknya. (C.Suryanarayana,2006).

Gambar 2.10. Bola Baja/Bola Penghancur Partikel

c.

Wadah Penggilingan Partikel

Wadah penggilingan merupakan media yang digunakan untuk menahan gerakan bolabola giling dan serbuk ketika proses penggilingan berlangsung.Akibat yang di timbulkan dari proses penahanan gerak bola-bola giling dan serbuk tersebut adalah terjadinya benturan antara bola-bola giling,serbuk dan wadah penggilingan sehingga menyebabkan terjadinya proses penghancuran serbuk. (C. Suryanarayana, 2006).


30

Jika material yang di gunakan sebagai wadah penggilingan sama dengan material serbuk yang akan digiling, maka proses penghancuran serbuk tidak akan efektif dan efesien karena kedua material tersebut memiliki kekerasan yang sama. Sedangkan jika kedua material tersebut memiliki kekerasan yang berbeda maka akan terjadi kontaminasi pada material serbuk yang akan di giling. (C. Suryanarayana, 2006).

Untuk menghindari terjadinya kontaminasi serbuk akibat benturan yang terjadi selama proses penggilingan berlangsung, maka material yang di gunakan sebagai wadah harus memiliki kekerasan yang lebih tinggi di bandingkan dengan kekerasan material serbuknya. Material yang dapat di gunakan sebagai wadah penggilingan antara lain: Baja perkakas, baja kromium dan baja tahan karat. (L.lu.M. O lax,1998).

Kontaminasi serbuk juga dapat terjadi akibat perbedaaan jenis material yang di gunakan sebagai wadah penggilingan dan bola penggiling. Untuk menghindari hal ini, material wadah penggilingan dan bola penggiling yang di gunakan terbuat dari jenis material yang sama. (C. Suryanarayana,2006).

Gambar 2.11 Wadah Bola Penghancur Partikel

d. Prinsip Kerja HEM

Dalam proses penggilingan,HEM-E3D bekerja dengan cara menghancurkan campuran serbuk melalui mekanisme pembenturan bola-bola giling yang bergerak mengikuti


31

pola gerakan wadahnya yang berbentuk elips tiga dimensi inilah yang memungkinkan pembentukan partikel-pertikel serbuk berskala nanometer akibat tingginya frekuensi tumbukan.Tingginya frekuensi tumbukan yang terjadi antara campuran serbuk dengan bola-bola giling di sebabkan karena wadah yang berputar dengan kecepatan tinggi,yaitu mencapai 500rpm,dan bentuk bola gerakan yang berbentuk elipstiga dimensi tersebut.Prinsip kerja HEM-E3D tampak pada Gambar beriku ini.

Gambar 2.12 Prinsip Kerja HEM-E3D (Sumber: Nurul T.R. Agus S.W. Alfian N. Wahyu B.W. Suryadi. Djanjani,2007).

e.

Parameter Proses Penggilingan

Parameter proses yang harus di perhatikan pada proses penggilingan antara lain: kecepatan dan waktu penggilingan, perbandingan berat bola terhadap berat serbuk, volume pengisian wadah penggilingan, atmosfer penggilingan process control agent dan temperature penggilingan.

a) Percepatan dan waktu penggelingan Semakin cepat proses penggilingan, maka semakin cepat pula proses penghancuran campuran serbuk. Namun jika kecepatan penggilingan terlalu tinggi, maka temperature komponen-komponen pada proses penggilingan akan meningkat. (C. suryanarayana,2006).

b) Perbandingan berat bola terhadap berat serbuk Untuk skala kecil atau laboratorium, umumnya perbandingan bola terhadap berat serbuk yang di gunakan sekitar 10:1, 10 gr bola dan 1 gram serbuk, sedangkan


32

untuk skala besar atau industry, jumlah perbandingan berat bola terhadap berat serbuk yang digunakan dapat mencapai 100:1. Semakin tinggi jumlah perbandingan berat bola terhadap berat serbuk yang di gunakan, maka frekuensi benturan juga semakin singkat.(c. suryanarayana,2006)

f.

Proses Milling

Proses milling adalah memecaahkan atau mematahkan, deformasi atau cold welding dan menumbu partikel. Efek khusus yang diberikan milling pada bukbuk sampel tergantung pada sifat kimia dan sifat fisik bubuk bersangkutan, lingunngan vakum, gas atau cairan dimana milling terjadi dan kondisi penghaslusan. Pemilihan kondisi milling tergantung pada hasil yang diharapkan dari proses milling tersebut, sifat bubuk sampel pada kondisi milling, sifat dasar dari bubuk sampel sebelum dimilling sertta sifat fisik dan mekanik material yang bersangkutan.

Dalam proses milling ini memiliki empat gaya, yaitu:  Tumbukan (impact) berarti benturan instan dar dua objek atau lebih yang saling bergerak atau salah sattunya berkeadaan diam.  Atrisi (attrition) adalah gesekan yang menghasilkan serpihan dan tipe penghsncur ini biasaya terjadi pada bahan yang rapuh kemudain biasanya juga dikombinasikan dengan gaya yang lain.  Gesekan (shear) ialah kontribusi pada peretakan atau pemecahan partikel menjadi pecahan partikel individu dengan penghalus minimum.  Kompresi (compression) ialah aplikasi pecahan dari gaya tekan pada bagian partakel.

2.10.2 Kompaksi (Compaction)

Compaction adalah salah satu cara untuk memadatkan serbuk menjadi bentuk yang diinginkan. Terdapat beberapa metode penekanan, diantaranya, penekanan dingin (cold compaction) dan penekanan panas (hot compaction). Cold compaction yaitu memadatkan serbuk pada tempetatur ruang dengan 100-900 Mpa dengan ukuran


33

spesimen 21 x 8 x 3 cm untuk menghasilkan green body. Proses cold pressing terdapat beberapa macam antara lain: a. Die Pressing, yaitu penekanan yang dilakukan pada cetakan yang berisi serbuk. b. Cold isotactic pressing, yaitu penekanan pada serbuk pada temperature kamar yang memiliki tekanan yang sama dari setiap arah. c. Rolling, yaitu penekanan pada serbuk metal dengan memakai rolling mill.

Gambar 2.13 Die Pressing

Penekanan terhadap serbuk dilakukan agar serbuk dapat menempel satu dengan lainnya sebelum ditingkatkan ikatannya dengan proses sintering. Dalam proses pembuatan suatu paduan dengan metode metalurgi serbuk, terikatnya serbuk sebagai akibat adanya interlocking antar permukaan, interaksi adesi-kohesi, dan difusi antar permukaan. Untuk yang terakhir ini (difusi) dapat terjadi pada saat dilakukan proses sintering. Bentuk benda yang dikeluarkan dari pressing disebut bahan kompak


34

mentah, telah menyerupai produk akhir, akan tetapi kekuatannya masih rendah. Kekuatan akhir bahan diperoleh setelah proses sintering.

2.10.3 Proses Pembakaran (Sintering)

Pemanasan kompak mentah sampai temperatur tinggi disebut sinter. Pada proses sinter, benda padat terjadi Karena terbentuk ikatan-ikatan. Panas menyebabkan bersatunya partikel dan efektivitas reaksi tegangan permukaan meningkat. Dengan perkataan lain, proses sinter menyebabkan bersatunya partikel sedemikian rupa sehingga kepadatan bertambah. Selama proses ini terbentuklah batas-batas butir, yang merupakan tahap rekristalisasi. Disamping itu gas yang ada menguap. Temperatur sinter umumnya berada pada 0.7-0.9 dari temperatur cair serbuk utama. Waktu pemanasan berbeda untuk jenis logam berlainan dan tidak diperoleh manfaat tambahan

dengan

diperpanjangnya

waktu

pemanasan.

Lingkungan

sangat

berpengaruh karena bahan mentah terdiri dari partikel kecil yang mempunyai daerah permukaan yang luas. Oleh karena itu lingkungan harus terdiri dari gas reduksi atau nitrogen untuk mencegah terbantuknya lapisan oksida pada permukaan selama proses sinter.

2.11KARAKTERISASI KERAMIK

Atom pembentuk keramik memiliki gaya ikatan yang sangat kuat, berupa pengikatan ionik, kovalen atau campuran dari keduanya. Jadi untuk mengetahui sifat-sifat dan kemampuan suatu bahan keramik, maka perlu dilakukan suatu pengujian atau analisa yang meliputi:

2.11.1. Densitas (Massa Jenis)

Densitas pada material didefinisikan sebagai massa per satuan volume, dinyatakan dalam gram per centimeter kubik (gr/cm3). Metode yang digunakan dalam menghitung densitas/massa jenis material adalah metode pengukuran secara langsung. Hal ini dikarenakan, bentuk dari material yang dibuat berupa benda pejal. Sehingga


35

dalam pengukuran volume benda dapat langsung diukur secara langsung.(ASTM D 792).

Persamaan sederhana untuk menghitung densitas pada dapat dilihat pada persamaan (2.1). =

,

(2.1)

Dimana: =

/

=

(

=

(

(

/

³)

) )

2.11.2. Struktur Morfologi (OM/Optical Microscope)

Mikroskop adalah instrumentasi yang paling banyak digunakan dan dan paling bermanfaat di laboratorium mikroskopi. Dengan alat ini diperoleh perbesaran sehingga memungkinkan untuk melihat mikroorganisme dan struktur yang tak tampak dengan mata telanjang.

Mikroskop alat yang sering digunakan peneliti untuk melihat benda yang berukuran kecil atau struktur dari material. Model mikroskop yang bermacam-macam menjadikan cara penggunaan yang berbeda sehingga perlu adanya ulasan tentang alat ini.

Cara kerja dari mikroskop optic adalah dari cahaya lampu yang dibiaskan oleh lensa condenser, setelah melewati lensa kondenser sinar mengenai spesimen dan diteruskan oleh lensa objektif. Lensa objektif ini merupakan bagian yang paling penting dari mikroskop karena dari lensa ini dapat diketahui perbesaran yang dilakukan mikroskop. Sinar yang diteruskan oleh lensa objektif ditangkap oleh lensa


36

okuler dan diteruskan pada mata atau kamera. Pada mikroskop ini mempunyai batasan perbesaran yaitu dari 400 X sampai 1400 X.

Gambar 2.14 Skema Kerja Alat Optical microscope (OM)

Untuk mengetahui struktur morfologi dari sampel setelah proses sintering, kita dapat menggunakan Mikroskop BS-6000AT. Mikroskop BS-6000AT adalah mikroskop digital dengan perbesaran dari 40x hingga 1400x. Digital CCD Mikroskop BS-6000AT Scopeman merupakan mikroskop terbaru dalam system video mikroskop Moritex yang mengintegrasikan optik canggih, serat optik dan komponen CCD. BS6000AT mikro-inspeksi stasiun menggabungkan kinerja tinggi dengan fleksibilitas dan kemudahan penggunaan dengan teknologi kamera CCD. Dikombinasikan dengan multi-eksposur, intensitas tinggi LED pencahayaan dan peran yang kuat untuk akuisisi cepat dan sistem sederhana yang memberikan hasil dengan Gambar beresolusi tinggi yaitu 1280x960 piksel.


37

2.11.3. X-RD (X-Ray Difraction)

Metode difraksi sinar X digunakan untuk mengetahui struktur dari lapisan tipis yang terbentuk. Sampel diletkan pada sampel holder difraktometer sinar X. proses difraksi sinar dimulai dengan menyalakan difraktor=meter sehingga diperoleh hasil difraksi berupa difraktogram yang menyatakan hubungan antara sudutdifraksi 20 dengan intesitas sinar X yang dipantulkan. Untuk difraktometer sinar X, sinar X terpancar dari tabung sinar X. Sinar-X didifraksikan dari sampel yang konvergen yang diterima dalam posisi simetris dengan respon ke focus sinar- X. Sinar-X ini ditangkap oleh detektor sintilator dan diubah menjadi sinyal listrik. Sinyal tersebut, setelah dieliminasi komponen noisenya, dihitung sebagai analisa pulsa tinggi. Teknik difraksi sinar x juga digunakan untuk menentukan ukuran kristal, regangan kisi, komposisi kimia dan keadaan lain yang memiliki orde yang sama.

Keuntungan utama penggunaan sinar-X dalam karakterisasi material adalah kemampuan penetrasinya, sebab sinar-X memiliki energi sangat tinggi akibat panjang gelombangnya yang pendek. Sinar-X adalah gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang 0,5-2,0 mikron. Sinar ini dihasilkan dari penembakan logam dengan elektron berenergi tinggi. Elektron itu mengalami perlambatan saat masuk ke dalam logam dan menyebabkan elektron pada kulit atom logam tersebut terpental membentuk kekosongan. Elektron dengan energi yang lebih tinggi masuk ke tempat kosong dengan memancarkan kelebihan energinya sebagai foton sinar-X.

Dari metode difraksi kita dapat mengetahui secara langsung mengenai jarak rata – rata antar bidang atom. Kemudian kita juga dapat menentukan orientasi dari kristal tunggal. Secara langsung mendeteksi struktur kristal dari suatu material yang belum diketahui komposisinya. Kemudian secara tidak langsung mengukur ukuran, bentuk dan internal stres dari suatu kristal. Prinsip dari difraksi terjadi sebagai akibat dari pantulan elastis yang terjadi ketika sebuah sinar berinteraksi dengan sebuah target. Pantulan yang tidak terjadi kehilangan energi disebut pantulan elastis (elastic scatering). Ada dua karakteristik utama dari difraksi yaitu geometri dan intensitas. Geometri dari difraksi secara sederhana dijelaskan oleh Bragg’s Law. Misalkan ada dua pantulan sinar α dan β. Secara matematis sinar β tertinggal dari sinar α sejauh xy


38

+ yz yang sama dengan 2d sinθ secara geometris. Agar dua sinar ini dalam fasa yang sama maka jarak ini harus berupa kelipatan bilangan bulat dari panjang gelombang sinar λ. Maka didapatkanlah Hukum Bragg: 2d sin θ = nλ

Gambar 2.15. Difraksi Bragg = 2 sin

(2.2)

Dimana: =

=

= =

(

) −

(1,2,3, … …

Apabila suatu bahan dikenai sinar-X maka intensitas sinar-X yang ditransmisikan lebih kecil dari intensitas sinar datang. Hal ini disebabkan adanya penyerapan oleh bahan dan juga penghamburan oleh atom-atom dalam material tersebut. Berkas sinar yang dihantarkan tersebut ada yang saling menghilangkan karena fasenya berbeda dan ada juga yang saling menguatkan karena fasenya sama. Berkas sinar-X yang saling menguatkan disebut sebagai berkas difraksi. Persyaratan yang harus dipenuhi agar berkas sinar-X yang dihamburkan merupakan berkas difraksi dikenal sebagai Hukum Bragg. Hukum Bragg menyatakan bahwa perbedaan lintasan berkas difrasi sinar-X harus merupakan kelipatan panjang gelombang. (Jamaluddin, K. 2010).


39

2.11.4. Kekerasan (Hardness)

Kekerasan adalah ketahanan material terhadap deformasi plastis. Metoda kuantitatif untuk mengetahui kekerasan adalah dengan cara menggoreskan satu benda dengan benda lainnya untuk membedakan kekerasan material. Skala Mohs memberikan angka kekerasan dari material yang paling lunak ( talk ) diberi skala 1, dan yang paling keras ( intan ) diberikan skla 10. Uji kekerasan vickers dilakukan setelah pengujian densitas dengan menggunakan pembebanan 0,01 Kg pada spesimen yang berbentuk silindris yang terlebih dahulu di mounting dalam resin untuk memudahkan sewaktu pemolesan dan pengujian kekerasan.

Cara lain untuk menyatakan kekerasan dapat dilakukan dengan cara dinamik yaitu dengan menjatuhkan bola baja kepermukaan benda yang diuji selanjutnya dilihat pantulannya. Alat ukur ini disebut Scleroscope. Uji kekerasan yang akan dilakukan adalah dengan metode Kekerasan Vickers, yang mengacu pada standard JIS Z 2251. Pengujian ini menggunakan identor berbentuk piramid intan dengan sudut 136o. Cara pengujian di lakukan sama dengan metoda Brinnell, dengan mengukur

identasi.

(Somiya,1989).

Kekerasan didefenisikan sebagai ketahanan bahan terhadap penetrasi atau ketahanan terhadap deformasi dari permukaan bahan. Ada tiga tipe pengujian terhadap ketahanan bahan, yaitu: tekukan (Brinell, Rockwell dan Vickers), pantulan (rebound) dan goresan (scratch). Pada penelitian ini pengukuran kekerasan (Vickers Hardness) dari sample keramik dilakukan dengan menggunakan microhardness tester. Kekerasan, Vickers Hardness (Hv) suatu bahan dapat ditentukan dengan persamaan berikut:

d = (d1 + d2 ) / 2 . bekas indentasi sebagai Gambar 3.6 berikut :


1 d 2 4

1 d 2 2

40

45 d .si 2 n6 8o

680

Gambar 2.16 Posisi Penetrator Vickers

Luas A = 4 x luas segitiga = 4 × 0.5 × =

× 2 × 0.5(

√ ×

°

)

.

= .

= 1.854 ×

(2.3)

Dimana: Hv

= Kekerasan Vickers (Mpa)

F

= Pembebanan (kgf)

d

= Diagonal rata – rata (mm)


2.1 GUNUNG SINABUNG BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Recommend Documents