Analisa Kekuatan Tekan, Kekerasan Dan Porositas Pada Biokomposit HASilika Dengan Proses Ball Milling.
ABSTRAK Material komposit mulai dilirik karena memiliki beberapa keuntungan dibandingkan dengan material anorganik lainnya, dengan memanfaatkan limbah tulang sapi yang diproses menjadi serbuk hidroksiapatit sebagai filler dan serbuk silika menjadi matrik, perbandingan komposisi antara HA-Silika adalah 85%:15%, 90%:10%, dan 95%:5% dengan temperatur pemanasan yang bervariasi yaitu 800oC, 900oC dan 1000oC pada tekanan cetakan 50 kg/cm2, dilakukan untuk mendapatkan nilai sifat mekanik yang lebih baik diantaranya nilai kekerasan, kekuatan tekan dan porositas. Dari material biokomposit HA-Silika didapatkan nilai kekerasan tertinggi 648,83 MPa dengan komposisi 85%:15% pada temperature pemanasan 1000oC,nilai kekuatan tekan tertinggi Dengan komposisi 85%:15% temperatur pemanasan 1000 oC 5,99 MPa dan nilai porositas tertinggi 4,03% dengan penambahan 15% silika temperatur pemanasan 1000 oC. Dari hasil uji diatas terlihat bahwa variasi komposisi dan temperatur pemanasan sangat berpengaruh terhadap nilai kekerasan, kekuatan tekan, dan porositasnya.
Kata Kunci : Biokomposit, Serbuk Hidroksiapatit, Serbuk Silika, Nilai Kekerasan, Kekuatan Tekan, Porositas.
ABSTRACT
The composite material has been developed in a variety of applications, by utilizing the bovine bone hydroxyapatite is processed into powder with a mixture of silica, as biocomposites and silicate filler composition as the matrix, by varying the temperature of 800oC, 900oC, 1000oC, with the composition of the filler and matrix are 85:15, 90:10, 95:5, is done to get a better mechanical properties including hardness and compressive strength. In the hardness test obtained the highest hardness value of 1,245 MPa at the heating temperature in 1000oC with the composition of the matrix filer and 85: 15%, and lowest hardness values contained in the composition of the filer 95: 5% with a heating temperature of 800 oC diamana hardness value of 693.02 MPa. While the press testing compressive stress values obtained 12.23 MPa at a temperature high heating filer in 1000oC with the composition of 85: 15%, and the compressive stress value was lowest for the composition of the filer 95: 5% with a heating temperature of
800oC where the voltage value of 5.86 MPa tekanya , Medium density values tend to decrease with the addition of silica 15%, and the heating temperature in 1000 oC, while the value of porosity tends to increase., So the value of hardness and compressive strength biocomposite material that can be applied according to its function. Where the temperature variation in the composition of hydroxyapatite and silica filler that is very influential on the hardness and compressive strength Keywords: biocomposites, hydroxyapatite powder, silica, Hardness Value, Strength Press PENDAHULUAN Material komposit mulai dilirik karena memiliki beberapa keuntungan jika dibandingkan dengan material anorganik lainnya, diantaranya adalah massanya yang lebih ringan, kekuatan yang lebih tinggi dan juga ketahanan terhadap korosi yang lebih baik. Atas dasar tersebut material organik kini hadir dan mulai menggantikan material anorganik yang telah lama dipakai oleh dunia. Tulang sapi merupakan suatu limbah biologi yang dapat di manfaatkan dalam ilmu medis, tetapi penggunannya masih belum maksimal. Kandungan protein kolagen yang terdapat dalam tulang sapi memiliki kemiripan dengan senyawa kolagen tulang manusia. Proses pengolahan terhadap tulang sapi akan menghasilkan material hidroksiapatit, yang digunakan sebagai material implant. Pengolahan tulang sapi menjadi hidroksiapatit telah banyak digunakan untuk mencangkok, memperbaiki, mengisi atau penggantian tulang. dan dalam pemulihan jaringan gigi karena biokompabilitas yang sangat baik dengan jaringan keras, bioktivitas merekonstruksi ulang jaringan tulang yang telah rusak dan juga di dalam jaringan lunak (Kusrini dan Sontang., 2012).
Tulang merupakan struktur penting dalam tubuh manusia, tulang bisa mengalami kerusakan-kerusakan seperti patah tulang, retak dan rapuh. Kekuatan tulang ditentukan oleh kandungan mineral tulang selain itu juga ditentukan oleh karakteristik struktural tulang yaitu ukuran, bentuk dan susunan arsitektur tulang. jaringan yang bagus memberikan keuntungan yang besar pada hidroksiapatit dalam aplikasi klinik sebagai material pengganti tulang, seperti allograft atau sebagai pelapis implant logam. Hidroksiapatit memiliki struktur heksagonal dengan P63/m dan dimensi selnya a = b= 9,42 Å dan c = 6,88 Å. HA secara stokiometri Ca/P rationya 1,67 dan secara kimia sama dengan mineral tulang manusia. Hidroksiapatit sintetik memiliki sifat mekanik yang sangat rendah dibanding dengan tulang. Salah satu cara untuk memperbaiki sifat mekanik HA adalah dengan cara pelapisan dengan logam, komposit dengan polimer, dan komposit dengan keramik (Hengki.W. B). Hidroksiapatit yang berasal dari tulang sapi telah secara luas dalam aplikasi medis seperti dipergunakan untuk mencangkok tulang, memperbaiki, mengisi, atau penggantian tulang, dan dalam
pemulihan jaringan gigi. Hidroksiapatit digunakan karena biokompabilitas yang sangat baik dengan jaringan keras, bioaktivitas merekonstruksi ulang jaringan tulang yang telah rusak dan juga di dalam jaringan lunak meskipun mempunyai laju degradasi yang rendah. (Kusrini dan Sontang, 2011).
Wadah penggiling adalah tempat atau media yang digunakan untuk menahan gerakan bola–bola giling ketika peroses penggilingan berlansung. Akibat dari peroses penahanan gerak bola oleh wadah akan mengakibatkan benturan yang berulang-ulang antara bola, serbuk, dan wadah. METODOLOGI PENELITIAN
Planetary Ball Mill
Diagram Alir
Planetary ball mill adalah alat penggiling dalam sekala kecil yang diguanakn dalam laboratorium dan digunakan untuk mereduksi ukuran baik penggilingan secara kering atauupun basah. Selain itu juga dapat digunakan untuk pencampuran, homogenisasi dari bahan. Bahan yang diperbolehkan masuk kedalam alat ball mill berukuran hingga 10 mm dengan kedadaan lunak, keras, dan rapuh. Planetary ball mill terdiri dari bola gilinng dan wadah penggilingan. Bola giling berfungsi sebagai penghancur, sehingga bahan pembentuk bola giling harus memiliki kekerasan yang tinggi agar tidak terjadi kontaminasi saat terjadi benturan dan gesekan antara serbuk, bola, dan wadah penggilinngan. Biasanya bola yang diguanakn adalah bola baja. Ukuran bola penggiling yang digunakan untuk peroses mereduksi akan mempengaruhi efisiensi dan kualitas serbuk setelah dilakukan penggilingan. Penggunaan bola yang besar akan mengakibatkan terjadinya kontaminan yang semakin besar dan bola yang menumbuk serbuk akan semakin kecil luasanya.
PROSES PEMBUATAN KOMPOSIT HIDROKSIAPATIT TULANG SAPI
Proses pembuatan komposit dilakukan sebagai berikut : 1. Menyiapkan bahan-bahan dan peralatan yang akan diperlukan dalam pengerjaan pembuatan material komposit hidroksiapatit tulang sapi. 2. Proses pemilihan tulang sapi dan dibersihkan dengan cara mencuci agar kotoran-kotoran yang menempel pada tulang dapat terbuang. 3. Proses pengecilan dimensi tulang sapi yaitu memotong tulang dengan gergaji tangan. 4. Proses penghilangan kadar lemak yang terkandung dalam tulang sapi dengan cara melakukan pemanasan dengan merebus tulang pada panci Presto selama 240 menit. 5. Selanjutnya proses pengilangan kadar air yang terkandung dalam tulang yang sudah di presto dengan cara melakukan penjemuran dibawah terik matahari selama 2 hari. 6. Kemudian proses penghilangan kadar lemak yangkedua kali nyayang terkandung dalam tulang sapi dengan cara melakukan pemanasanulang dengan merebus tulang pada panci Presto selama 240 menit. 7. Selanjutnya prosesfinishing pengilangan kadar air yang terkandung dalam tulang yang sudah di presto dengan cara melakukan penjemuran dibawah terik matahari selama 4 hari.
8. Setelah itu dilakukan pengerjaan merubah tulang menjadi serbuk tulang dengan cara proses penggilingan tulang sapi di mesin penggiling. 9. Proses selanjutnya pengayakan serbuk tulang yang bertujuan memisahkan serbuk tulang yang masih kasar dengan yang halus. 10. Kemudian proses menghilangkan unsur-unsur lain dengan cara merebus serbuk tulang didalam dandang presto yang masih terkandung didalam serbuk tulang seperti: kadar air, lemak, bakteri, dan lain-lain dengan waktu 240 menit 11. Selanjutnya proses menghilangkan unsur-unsur lain yang masih terkandung didalam serbuk tulang seperti: kadar air, lemak, bakteri, dan lain-lain yaitu dengan proses kalsinasi serbuk tulang sapi di dalam furnace secara bertingkat pada temperatur 300˚C dalam waktu 30 menit, dan dilanjutkan dengan suhu 600˚C dalam waktu 30 menit, kemudian ditingkatkan lagi dengan suhu terakhir 1000˚C selama waktu 3 jam. 12. Setelah itu proses menghaluskan silika gel blue dengan cara menggiling silika gel dalam mortar, sehingga menghasilkan serbuk silika. 13. Selanjutnya dilakukan pengayakan serbuk silika yang telah digiling yang bertujuan
menghasilkan serbuk silika yang halus secara merata. 14. Proses selanjutnya setelah pengerjaan pembuatan serbuk kedua bahan selesai dilakukan pembagian komposisi serbuk tulang,yaitu 17 gramserbuk HA:3 gramserbuksilika, 18 gram serbuk HA : 2 gram serbuksilika, dan 19 gram serbuk HA : 1 gram serbuksilika. 15. Setelah pembagian komposisi selesai maka dilakukan pencampuran serbuk tulang sapi dan silika menggunakan alat planetary ball mill, dengan menggunakan bola penggiling dengan ukuran 10 mm, sebanyak 25 buah dengan kecepatan penggilingan 200 rpm selama 40 menit untuk masing-masing komposisi. 16. Proses selanjutnya dilakukan pencetakan specimen dengan menggunakan cetakan yang berbahan alumunim batang dengan diameter luar 20 mm dan diameter dalam 10 mm dengan tinggi cetakan 20 mm. 17. Proses pencetakan komposit hidroksiapatit dilakukan dengan cara menekan campuran serbuk hidrosiapatit dan silika dengan alatcetak, dengan menggunakan dongkrak, yang dilengkapi dengan preasure gauge dengan tekanan50 kg/cm2. 18. Setelah proses pencetakan maka dilakukan penimbangan, untuk
memperoleh masa sepesimen sebelum di panaskan. 19. Setelah specimen selesai ditimbang, kemudian untuk masing-masing specimen tersebut di panaskan di dalam furnace dengan temperature 800˚C, 900˚C, dan 1000˚C selama 2 jam. 20. Kemudian specimen tersebut dirapikan dan bersihkan menggunakan mesin poles yang berputar360° , dengan cara menahanya dan sedikit di tekan, hingga didapatkan sepesimen dengan panjang 10 mm, dan semua sisi permukaan spesimen menjadi rata dan bersih. 21. Lalu dilakukan penimbangan, untuk mengetahui masa sepesimen. 22. Jika langkah-langkah pembuatan biokomposit diatas telah selesai, dilakukan uji kekerasan, uji tekan untuk mendapatkan nilai kekuatan mekanik spesimen tersebut. Peralatan yang digunakan : 1. Presto Untuk memanaskan tulang sapi 2. Mesin penggiling Untuk menghancurkan tulang sapi 3. Planatary Ball Mill Untuk menghaluskan dan menggiling serbuk HA-Silika 4. Cetakan Untuk membentuk sepesimen sesuai ukuran 5. Furnace
7.
8. 9.
B. Kekerasan Vickers hardness 2000 Kekerasan (MPa)
6.
Untuk memanaskan serbuk tulang sapi Timbanagan Untuk mengukur massa sepesimen Mesin poles Untuk menghaluskan permukaan sepesimen Alat Uji Kekerasan Untuk menentukan nilai kekerasan Alat Uji Tekan Untuk menentukan nilai kekuatan tekan.
1500
5
10
1000 900 800
Kekerasan (MPa)
Porositas (%)
5
4.03 3.42 2.49
480.54
541.93
345.5
385.41
10
Komposisi Silika (%)
15
Grafik rata-rata kekerasan dengan variasi komposisi dan temperatur pemanasan
Grafik Nilai Porositas 3.13 3.32 2.37
240.27
0
A. Porositas
2.28 2.3 2.24
427.58
500
ANALISA DAN PEMBAHASAN
15 10 5 0
519.77
1000
648.83
570.37
2000 1500 1000
480.54 480.54 427.58
385.41 345.5 240.27
500 0 800
900
648.83 570.37 519.77 1000
Temperatur Pemanasan (C)
15
Komposisi Silika(%)
. Pada grafik diatas terlihat bahwa variasi komposisi dan temperatur pemanasan sangat berpengaruh terhadap nilai porositas, nilai tertinggi porositas adalah 4,3% dengan komposisi biokomposit HA-Silika 85%:15% dengan temperatur pemanasan 1000oC pada tekanan cetakan 50 kg/cm2.
Grafik nilai kekerasan sepesimen biokomposit HA-Silika dengan tekanan cetakan 50 kg/cm2 Pada diatas dapat dilihat bahwa perbedaan variasi komposisi dan temperatur pemanasan sangat mempengaruhi nilai kekerasanya. Pada pengujian kekerasan yang dilakukan didapat bahwa fraksi volume 85% hidroksiapatit dan 15% silika mampu meningkatkan nilai kekuatan tekan material biokomposit, Nilai kekerasan tertinggi pada temperatur 1000 , sebesar 648,83 MPa. namun apabila penambahan fraksi volume di
kurangi
Sementara pengaruh suhu pemanasan terhadap nilai kekerasan material ini dapat dilihat bahwa peningkatan suhu dari 800oC, 900oC, dan 1000oC memiliki kecenderungan meningkatkan kekerasanya, peningkatan kekerasan ini di sebabkan karena semakin tinggi temperatur yang diberikan manka tingkat pencairan silika juga semakin meningkat, biokomposit yang terdiri dari hidroksiapatit memiliki banyak pori sehingga saat dilakukan pemanasan pada sepesimen menyebabkan ikantan antara filer dan matrik semakain baik dan solid, sehingga silika ini mengisi ruang kosong yang ada pada sepesimen hidroksiapatit dan juga mengikat filer secara merata.
Kekutan Tekan(MPa)
menjadi 240,27 MPa. Berdasarkan penjelasan diatas dapat di lihat bahwa perbedaan fariasi komposisi dan temperatur sangat mempengaruhi nilai kekerasanya, yang mana semakin tinggi persentase silika yang diberikan semakin meningkatkan kualitas kekuatan mekaniknya. Peningkatan kekerasan ini dapat diketahui bahwasanya pengikat lebih banyak akan menyelimuti seluruh permukaan butiran HAp dan penyebaranya lebih merata, sehingga kekerasan material lebih tinggi dan tidak getas.
C. Kekuatan Tekan
20 15 10 5 0 5
5.36
5.61
4.36 2.99
4.74
5.99
3.87
10
5.61
(T)1000
4.61
(T) 900 (T) 800
15
Komposisi Silika (%)
Grafik perbandingan kekuatan tekan material biokomposit HA-Silika berdasarkan variasi komposisi dan temperature pemanasan. Kekutan Tekan (MPa)
menjadi 95% hiroksiapatit dan 5% silika kekerasanya cenderung menurun, nilai kekerasan terendah pada suhu 800 ,
20 15
5.61
5.99
4.61 5.61 4.74 3.87 5.36 2.99 4.36
10 5 0 800
900 1000
Silika 15% Silika 10% Silika 5%
Temperatur Pemanasan (C)
Grafik nilai kekuatan tekan material biokomposit HA-Silika dengan variasi komposisi dan temperature pemanasan.
Pada grafik diatas dapat dilihat bahwa kecenderungan nilai kekuatan tekanya semakin meninkat di akibatkan oleh peningkatan temperatur kalsinasi dan peningkatan jumlah silika, jika dibandingkan dengan grafik 4.3 dan 4.4 maka kekuatan tekanya berbanding lurus dengan kekerasan. Disini didapatkan kekuatan tekan tertingggi sebesar 5,99 MPa, pada suhu 1000oC dan komposisi silika
15%, namun apabila penambahan fraksi volume silika di kurangi 5% kekuatan tekanya cenderung menurun, nilai kekuatan tekan terendah pada suhu 800oC, menjadi 2,99 MPa. Berdasarkan penjelasan diatas dapat di lihat bahwa perbedaan Variasi komposisi dan suhu pemanasan sangat mempengaruhi nilai kekuatan tekanya. Semakin tinggi persentase silika yang diberikan semakin meningkatkan kualitas kekuatan mekaniknya. Peningkatan kekuatan tekan ini dapat di ketahui bawasanya pengikat lebih banyak akan menyelimuti seluruh permukaan butiran HAp, sehingga kekuatan tekanya lebih tinggi dan tidak getas. begitupula dengan peningkatan temperatur pemanasanya, semakin tinnggi temperature pemanasan maka nilai kekuatan tekanya juga cenderung meningkat. Dari penlitian yang ada nilai kekuatan tekan tulang kortikal manusia yang diperoleh berkisar 45-175 MPa. (dalam Nanang Nurul Hidayat & Michael et.al, 2002), (V.P Orloisky, 2002) nilai kekuatan tekan jaringan keras tulang manusia berkisar 88-164 MPa,Namun bisa dipakai untuk material implant pada bagian tulang yang lain dengan kekuatan yang lebih rendah ( Conseleus). Ternyata hasil yang diperoleh sudah dapat di tingkatkan dengan menambah unsur-unsur yang terkandung didalam material biokomposit. Karena unsur tersebut yang mengandung mineral yang berfungsi sebagai penguat.
DAFTAR PUSTAKA
Ardhiyanto. H. B, Peran Hidroksiapatit Sebagai Bone Graft Dalam Proses Penyembuhan Tulang., Fakultas Kedokteran Gigi Indonesia. Dieter, Uji Kekerasan Vickers. (1987). Gunawarman, Malik. A,. Mulyadi. S., Riana, Hayani. A. (2010). Karakteristik Fisik dan Mekanik Tulang Sapi Variasi Berat Hidup sebagai Referensi Desain Material Implan. Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin (SNMTTM) ke-9. Hidayat.N.N. Sintesis Dan Karakterisasi Sifat Makroskopik Nano Komposit Hidrosiapatit/Kitosan (nHAp/CS) untuk aplikasi tulang. ADLN Perpustakaan Universitas Airlangga. Surabaya. Indahyani. D.E, Hamzah. Z, Lestari. P.I 2010. Preliminari Study Of Amorphous Silica Husk Rice As Synthetic Bone Graft Material : The Effect On Osteoblasts Activities (In-Vitro). Depatemen of Oral Biology Faculty of Dentistry University of Jember.
Keenan,C.W.,Kleinfelter,D.C.,dan Wood,J.H. (1992). Ilmu Kimia Untuk Universitas. Edisi keenam. Jilid 2. Jakarta: Penerbit Erlangga. Kusrini. E.Sontang. M. (2012). Characterizingof X-Ray Diffraction and Electron Spin Resonance: Effects Of Sintering Time and Temperature On Bovine Hydroxyapatite. Rad Phsical and Chem. Ooi. C.Y., Hamdi. M., Ramesh. S. (2007). Properties of hydroxyapatite produced By annealing of bvin bone. Ceramics international. Pudjiastuti. R. A. 2012. Preparasi Hidroksiapatit dari Tulang Sapi dengan Metode Kombinasi Ultrasonik dan Spray Drying. Tesis. Universitas Indonesia: Jakarta. Ruksukdjarit. A., Pengpat. K., Rujijanagul. G., Tunkasiri. T. (2008). Synthesis and characterization of nanocrystalline hydroxyapatite from natural bovine bone. Curent Pplied Physics. Saputra. K, Burmawi, Satria. I. (2015). Analisa Sifat Mekanik Biokomposit Hidroksiapatit Borosilikat Variasi Komposisi dengan
Tekanan Tetap 40kg/cm2. Fakultas Teknologi Industri Universitas Bung Hatta. Sontang. M., (2000) Optimasi Hydroxyapatite Dalam Tulang Sapi Melalui Proses Sintering. Indonesia.
Tesis,
Universitas
Wahdah. I., Wardhani. S., dan Darjito. (2014). Sintesis Hidroksiapatit dari Tulang Sapi dengan Metode BasahPengendapan. Skripsi. Universitas Brawijaya. Malang. Zhou. H., Lee. J. (20011). Nanoscle hydroxyapatite particles for bone tissue Engineering. Acta biomaterial.
