BAB II TINJAUAN PUSTAKA

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 ABU VULKANIK

Abu vulkanik terdiri dari kata abu dan vulkanik. Abu adalah material padat yang tersisa oleh pembakaran yang tersisa oleh api. (Wikipedia 2013). Vulknik sendiri adalah partikel halus yang terhembus ketika gunung berapi meletus, kadang-kadang partikel ini berhembus tinggi sekali sehingga jatuh di tempat yang sangat jauh (KBBI). Abu vulkanik adalah bahan material vulkanik jatuhan yang di semburkan ke udara saat terjadi suatu letusan. Abu maupun pasir vulkanik terdiri dari batuan berukuran besar sampai berukuran halus, yang berukuran besar biasanya jatuh sampai radius 5-7 km dari kawah, sedangkan yang berukuran halus dapat jatuh pada jarak mencapai ratusan ribuan kilometer.(sudaryo dan sutjipto 2009). Abu vulkanik menjadi isu lingkungan yang penting jumlahnya yang cukup banyak dan mengganggu keseimbangan lingkungan. Abu vulkanik merupakan material piroklastik yang sangat halus namun memiliki ciri bentuk dan karakteristik yang beragam.

Abu vulkanik merupakan material batuan termasuk material glass yang memiliki ukuran sebesar pasir dan kerikikl dengann dimeter kurang lebih 2 mm (1/2inchi) yang merupakan hasil erupsi Gunung Berapi. Partikel abu sangat kecil tersebut dapat memiliki penampang lebih kecil dari 0,001 mm ( 1/25,000 of an inchi). Abu vulkanik bukan merupakan produk pembakaran seperti abu terbang yang lunak dan halus seperti hasil pembakaran kayu, daun atau kertas. Abu vulkanik memiliki sifat sangat keras dan tidak larut dalam air sehingga sangat abrasive dan sedikit korosif serta mampu menghantarkan listrik ketika dalam keadaan basah.

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

7

Gambar 2.1 Abu Vulkanik Gunung Sinabung

Abu vulkanik terbentuk selama erupsi vulkanik secara eksplosif gunung merapi. Erupsi explosive terjadi ketika gas larut didalam batuan cair (magma) yang mengalami ekspansi dan melepaskan secara ledakan kedalam udara, dan juga ketika air dipanaskan oleh magma dan melepaskan secara tiba-tiba kedalam uap. Gaya pelepasann gas bersuara keras mematahan batuan padat. Sementara gas yang berekspansi pecahan-pecahan batuan kecil vulkanik dan gelas pada saat diudara angina akan menghembuskan butiran abu kecil tersebut sejauh beberapa kilometer dari pusat erupsi.

Abu vulkanik merupakan material berukuran kecil dan berstruktur halus yang keluar dari perut bumi akibat letusan atau erupsi gunung berapi. Menurut bentuk fisiknya, partikel abu vulkanik terdiri dari berbagai fraksi partikel vitric (kaca, nonkristal) dan kristalatau litik (nonmagnetik). Ash (or volcanic ash) is fine pyroclastic material (under 40 mm diameter. Secara kimiawi abu vulkanik juga mengandung silika (SiO2) sehinga sangat berbahaya bagi manusia bila dilihat pada mikroskop, abu vulkanik memilki ujung runcing sehingga bila masuk ke paru-paru juga bila terkena mata dapat menyebabkan perih.

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

8

2.1.1 Struktur Abu Vulkanik

Abu vulkanik tersusun dari berbagai jenis material tergantung dari mana abu vukanik itu berasal, karena setiap letusan gunung api memiliki komposisi yang berbeda-beda. Secara umum, abu vulkanik berasal dari magma yang terdapat di dalam perut bumi yang kaya akan silika (SiO2) dan oksigen (O2). Bernbagai jenis magma dihasilkan selama letusan gunung berapi.Pertama, letusan basal dengan energi rendah yang menghasilkan abu basal. Letusan ini menghasilkan abu berwarna gelap khas yang mengandung 45%-55% silika dan umumnya kaya akan zat besi (Fe) dan magnesium (Mg).

Letusan yang kedua adalah letusan riolit dengan energi letusan yang tinggi. Abu vulkanik yang dihasilkan dari letusan ini adalah abu felsic dengan kandungan silika yang lebih dari 69%. Jenis abu lain di hasilkan dari beberapa letusan gunung berapi adalah andesit atau dasit yang memiliki kandungan silika antara 55%-69%. Selain silika, sekitar 55 ion juga terdapat dalam abu vulkanik. Ion-ion ini terbentuk dari reaksi asam (sulfat,klorida, dan fluorida) dengan abu dari letusan gunung berapi. Ion-ion ini terdiri dari kation dan anion. Kation dan anion yang paling banyak ditemukan adalah Na+, K+, Ca2+, Mg2+ untuk kation Cl-, F-, dan SO42- untuk anion sehingga dengan adanya ion-ion dalam beberapa kasus letusan gunung berapi terkandung padatan garam sederhana pada abu vulkanik seperti NaCl dan CaSO4. Dalam sebuah percobaan pada abu vulkanik dari letusan Gunung St. Helens tahun 1980, ditemukan garam klorida yang terkandung dalam abu letusan Gunung St. Helens. Namun, bukan berarti setiap gunung mempunyai jenis kandungan dan konsentrasi yang sama. WHO (World Health Organization) mengatakan bahwa jenis kandungan dan konsentrasi abu vulkanik setiap gunung berapi berbeda-beda, tergantung kondisi alam seperti suhu udara dan angin. Dengan konsentrasi yang berbeda-beda ini, abu vulkanik mempunyai dampak lingkungan di sekitarnya dari yang sederhana seperti gatal atau iritasi pada mata sampai dampak yang mengerikan seperti gangguan pernafasan akut (bronchitis, emfisema, dan asma).


9

2.1.2 Kandungan Abu Vulkanik

Aktivitas gunung sinabung terjadi pada tanggal 17 agustus 2010, gnung ini mengeluarkan asap abu vulkanik. Kemudian tanggal 19 agustus 2010 dini hari sekitar pukul 00.15 WIB., gunung sinabung mengeluarkan lava abu gnung sinabung cenderung meluncur dari arah barat daya menuju timur laut. Tanggal 3 september terjadi 2 letusan pertama terjadi sekitar 04.45 WIB sedangkan letusan kedua terjadi sekitar pukul 18.00 WIB letusan gunung sibnabung menyemburkan debu vulkani setinggi 3 kilometer dan gempa bumi vulkanik yang dpat tersara sehingga 25 kilometer disekitar gunung ini. Tanggal 7 September, gunung sinabung kembali meletus. Ini merupakan letusan terbesar sejak gunung ini menjadi aktif pada tanggal 29 Agustus 2010. Debu vulkanik ini tersebar hingga 5.000 meter diudara (Wikipedia,2012). Dalam setiap sembuaran mengadung

senyawa kimia yang

mengancam kesehatan manusia. Senyawa tersebut diantaranya adalah silika (Si), alumina (Al), ferro (Fe), titanium (Ti), dan mangan (Mn) dan sisanya adalah senyawasenyawa lain. Dari hasil pengujian lapangan yang dilkaukan untuk mengetahui kandungan unsur yang terdapat didalam abu vulkanik tersebut, maka abu vulkani tersebut diuji dengan menggunakan alat X-ray fluorescence (XRF).

Tabel 2.1 Komposisi Abu Vulkanik Gunung Sinabung

Hasil Pengukuran Sampel Abu Vulkanik Unsur

Besar Komposisi

Besar Persentase

Si Fe Al Ti Mn Sb Sn Zr Zn Ni Cu Ga

64.7 17.28 15.6 1.58 0.43 0.12 0.07 0.06 0.05 0.02 0.01 0.01

± 0.6% ± 0.23% ± 0.8% ± 0.08% ± 0.05% ± 0.21% ± 0.11% ± 0.06% ± 0.00% ± 0.01% ± 0.00% ± 0.00%


10

2.1.3 Dampak Positif Abu Vulkanik

Banyak orang sudah mengetahui bahwa abu vulkanik memiliki berbagai macam manfaat dalam berbagai macam bidang.Manfaat yang langsung dapat dilihat dari abu vulkanik mengandung unsur yang berguna bagi pertumbuhan dan perkembangan tanaman. Pada umumnya, daerah yang rusak akibat erupsi gunung berapi tak lama kemudian akan pulih kembali. Misalnya, letusan Gunung berapi pada tahun 2010 telah menimbulkan kerusakan berat pada ekosistem hutan yang berada pada sekitar lereng Gunung Merapi.Namun, dapat kita lihat saat ini mulai mincul ekosistem yang baru.Abu vulkanik berguna untuk menyuburkan tanah.

Selain itu, abu vulkanik merupakan salah satu hasil timbang galian C yang mempunyai nilai ekonomi yang cukup menggiurkan di daerah yang terdapat gunung berapi, umumnya masyarakat sekitar memanfaatkan kelimpahan abu vulkanik pascaerupsi. Abu vulkanik yang tercampur dengan material lain terbawa oleh air. Kemudian mengendap

di

sepanjang

hilir

sungai

dijadikan

lahan

mata

pencaharian

penduduk.Setiap hari puluhan truk pengangkut pasir (Abu Vulkanik) lalu lalang membawa muatannya kepengepul. Abu vulkanik juga sedang diteliti sebagai salah satu alternatif bahan baku bangunan. Dari karakteristik dan strukturnya abu vulkanik dipandang memenuhi syarat sebagai bahan bangunan, dan dalam penelitian kali ini kita akan mencoba melakukan penelitian pembuatan material rekfraktori bebrbasis abu vulkanik. Karena dalam Penelitian-penelitian tentang material refraktori berbasis abu terbang (fly ash) banyak yang telah dipublikasikan. Sedangkan publikasi tentang refraktori berbahan dasar lain masih relatif sedikit. Hal tersebut yang mendasari penelitian ini tentang kelayakan abu vulkanik sebagai bahan dalam pembuatan material refraktori yang akan dilakukan.

2.1.4 Dampak Negatif Abu Vulkanik

Dimana ada cahaya, disitu ada bayangan. Selain memiliki berbagai macam sisi positif, abu vulkanik juga memiliki dampak negatif dalam bidang kesehatan, akibat yang timbul dari abu vulkanik antara lain gangguan pernafasan serta iritasi mata dan kulit. Butiran halus abu vulkanik dapat masuk kesaluran pernafasan dan menimbulkan


11

penyakit pernafasan seperti contoh, sesak nafas dan asma.Akan tetapi sangat berbahaya apabila abu vulkanik masuk kedalam paru-paru.Sifat asam vulkanik juga dapat merusak jaringan kulit.Abu vulkanik bersifat racun terhadap tubuh manusia maupun hewan.

Pada bidang infrastruktur, dampak abu vulkanik dapat terlihat dengan rusaknya bangunan-bangunan.Bangunan-bangunan tersebut terkikis akibat abu vulkanik yang larut dalam air dan masuk ke pori-pori bangunan. Bangunan dapat runtuh akibat timbunan abu vulkanik yang bercampur dengan air memiliki massajenis yang sangat besar. Abu vulkanik basah sangat berbahaya jika terkena jaringan arus listrik.Kabel bertegangan tinggi

yang terkena abu

vulkanik dapat

terjadi

kebocoran.Jaringan komunikasi juga dapat terganggu.Frekuensi dari pemancar maupun penerima menjadi tidak stabil akibat abu vulkanik.

2.2 KERAMIK

keramik berasal dari bahasa yunani “keramos” yang memiliki arti yang berbeda beda definisi keramik itu sendiri ada tiga macam, yaitu: a. Bahan atau mineral yang terbuat dari tanah liat yang dibakar b. Material organic yang

tersusun atau unsur logam atau non logam yang

berkaitan ionic atau kovalen. c. Semua material yang bersifat keras, rapuh, tahan panas dan tahan korosi serta mengandung satu atau lebih unsur logam termasuk oksigen.

Pembuatan keramik pada zaman dahulu hanya dilakukan dengan membkar satu bahan saja, yaitu dengan lempung. Senin dan industry keramik telah berangsung sejak ribuan tahun yang lalu, proses pembuatan keramik pada zaman dahulu dengan cara membakar menggunakan bahandan peralatan yang sederhana bahan yang dipakai seperti feldspar., tanah liat atau lempungan, hal ini disebabkan karena pengentahuan tentang keramik belum memadai.

Seiring dengan perkembangan ilmu bahan maka proses pembuatan keramik dari tahun ke tahun mengalami kemajuan. Kualitas bahan


keramik juga

12

dikembangankan dengan bahan fluks fledspar dan kuarsa sebagai pengisi, sehingga produk produk yang dihasilkan dapat diaplikasinya dalam berbagai kebutuhan.

Keramik merupakan paduan logam dan bukan logam yang terikat secara ionic atau konvlen. Berdasarkan fungsingnya keramik dapat dibedakan menjadi dua kelompok, yaitu: 1. Keramik tradisonal, yaitu keramik yang banyak digunakan untuk produk produk yang sederhana, seperti ; bahan bahan abrasive refaktori

( tahan

panas) gelas, proselin dan bahan bangunan seperti beton, lantai dan lain lain. 2. Keramik modern, penggunaknya pada teknologi canggih atau alat-alat teknik, keramik modern memiliki sifat-sifat listrik, sifat mekanik dan sifat termal yang baik, sehingga digunakann untuk teknologi canggih.

Keunggulan keramik dibanding logam sebagaai bahan industry antara lain: 1. Tidak korosif 2. Ringan 3. Keras 4. Kuat 5. Stabil pada suhu tinggi.

Keramik pada awalnya diproduksi secara tradisonal dari aterial alam, namun sekarang kegunaan keramik bermacam – macam fungsinya. Dahulu hanya digunakan sebagai barang pecah belah, gerabah, namun sekarang telah menajdi industry yang cukup besar dengan aplikasi kegunaan seperti keramik porselin sebagai salah satu bahan isolator loistrik, peralatan pabrik, dan lain sebagainya.

2.2.1 Keramik Konstruksi

Keramik dinilai dari propertinya. Kegunaan keramik beragam disesuaikan dengan kemampuan dan daya tahannya. Keramik dengan properti elektrik dan magnetik dapat digunakan sebagai insulator, semikonduktor, konduktor dan magnet. Keramik dengan properti yang berbeda dapat digunakan pada aerospace, biomedis, konstruksi bangunan, dan industri nuklir. Disebut keramik konstruksi karena jenis keramik ini


13

ikut serta berperan di dalam konstruksi suatu bangunan. Klasifikasi keramik tradisional yang digunakan dalam konstruksi, di dasarkan pada lingkup : 1. Keramik untuk lantai, dinding, maupun atap(bata) 2. peralatan sanitasi (kesehatan) 3. Alat angkut cairan dan pembuangan (pipa periuk) 4. Lantai dan dinding (ubin)

2.2.2 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 berupapoli 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 strength ) = 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


14

2.2.3 Struktur keramik alumina Al2O3 Alumina yang mempunyai rumus molekul Al2O3 mempunyai stabilitas fisik seperti temperature 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 1100 0C Al2O3 juga mempunyai sifat thermal shock yang lebih rendah di banding dengan material lainnya seperti Si3N4 dan Si Chalini disebabkan karena Al2O3 mempunnyai koefisien mulai thermal yang kecil, namun demikian Al2O3 keterbatasannya itu 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)-Al2O3 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.

2.2.4 Sifat dan Aplikasi Keramik Alumina

Ikatan atom antara Al dan O cukup kuat sekali dan memiliki energy pembentukan 400 kcal/molmaka 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 ( 1800-1900 0C ) dan mempunyai sifat mekanik yang kuat sekali serta bersifat isolator listrik aplikasiny abanyak digunakan sebagai alat pemotong bahan abrasive, peralatanlistrik/electron, refaktori komponen mekanik, dan sebagai bio-inert material sedangkan γ- Al2O3 yang sifatnya reaktif dan


15

stabil dibawah suhu 1000 0C, aplikasinya banyak digunakan sebagai reagen kimia dan bahan katalis.

2.3 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).

2.3.1 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 2.2. Tabel 2.2 Perbandingan Sifat-Sifat Alumina Kemurnian 94%, 96%, Dan 99.5% Aluminium Oxide (Al2O3) Alumina 94%

96%

99.50%

Elastic Modulus (Gpa)

3.69 0 White 330 300

3.72 0 White 345 300

3.89 0 Ivory 379 375

Shear Modulus (Gpa)

124

124

152

Bulk Modulus (Gpa)

165

172

228

Poisson's Ratio

0.21

0.21

0.22

Compressive Strength (Mpa)

2100

2100

2600

Hardness (kg/mm²)

1175

1100

1440

3.5

3.5

4

1700

1700

1750

Mechanical Density (gr/cc) Porosity (%) Color Flexural Strength (Mpa)

Fracture Toughness (Mpa Maximum Use Temperature (°C)


16

Thermal Thermal Conduktivity (W/m.°K)

18

25

35

Coefficient of Thermal Expansion (10⁻⁶/°K)

8.1

8.2

8.4

Specific Heat (J/kg. °K)

880

880

880

Dielectric Strength (ac-kv/mm)

16.7

14.6

16.9

Dielectric Constant (1 MHz)

9.1

9

9.8

Electrical

Dissipation Factor (1 kHz)

0.0007 0.0011

0.0002

Loss Tangent (1 kHz) Volume Resistivity (Ωcm)

>10¹⁴

>10¹⁴

>10¹⁴

Berdasarkan karakteristik alumina yang disajikan Tabel 2.2 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.

2.3.2 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 2.2.


17

Gambar 2.2 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).

2.3.3 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).

2.4 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

18

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 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

2.4.1 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.


19

Tabel 2.3 Karakterisasi Fisika, Mekanika, Termal, Dan Sifat Elektrik Silika Amorf Dan Silika Kristal No

Parameter

Satuan

Silika

Silika

Amorf

Kristal

1

Densitas

g/cm³

2.65

2.2

2

Konduktivitas Termal

W/mK

1.3

1.4

3

Koefisien ekspansi termal

Kˉ¹

12.3 x 10ˉ⁶

0.4 x 10⁻⁶

4

Kekuatan tarik

Mpa

55

110

5

Kekuatan desak

Mpa

2070

690 - 1380

6

Rasio Poisso's

0.17

0.165

7

Kekuatan retak

Mpa

–

0.79

8

Modulus elastis

Mpa

70

73

9

Daya tahan kejut termal

Baik Sekali

Baik Sekali

10

Permitivitas (ε)

3.8-5.4

3.8

11

Faktor Kehilangan (ἐ)

0.0015

–

12

Kekuatan Bidang dielektrik

kV/mm

15 - 25

15 – 40

13

Resistifitas

Ωm

10¹² - 10¹⁶

>10¹⁸

(Sumber: Sigit Dan Jetty, 2001)

2.4.2 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 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

(Sumber: Smallman And Bishop, 1999)


20

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 2.3 memperlihatkan struktur silika tetrahedral.

Gambar 2.3 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, 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 8 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 2.4 memperlihatkan bentuk dari unit kristal silika.


21

(a)

(b)

(c)

Gambar 2.4 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).

2.4.3 Aplikasi Silika

Berdasarkan karakteristik ukuran partikel, silika sudah banyak dimanfaatkan untuk keperluan diantaranya : 

Bidang keramik seperti pembuatan gelas, kaca, beton,



Bidang kesehatan meliputi, pasta gigi, kosmetik,



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,


22

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).

2.5 PROSES PEMBUATAN MATERIAL KERAMIK

Material keramik umumnya berupa senyawa poli-kristal yang proses pembuatannya dapat dikelompokan menjadi tiga tahapan yaitu pra kompaksi, pembentukan dan pembakaran (sintering). Pada proses pembuatan material keramik ini kareana murni hanya menggunakan bahan abu vulkanik jadi tidak terdapat proses pra kompaksi. Parameter-parameter proses pembentukan keramik tergantung pada jenis keramiknya yang akan di buat, bidang aplikasinya dan sifat-sifat yang di harapkan. Misalnya proses pembuatan keramik tradisioanl memiliki parameter yang berbeda dengan pembuatan keramik teknik. Karena pada keramik tradisional hanya memerlukan bahan baku alam dengan bahan baku tanpa kemurnian tinggi, sedangkan untuk pembuatan keramik teknik di perlukan bahan baku dengan kemurnian tinggi serta terkontrol agar diperoleh sifat-sifat bahan yang diinginkan.

2.5.1 Proses pencampuran

Proses ini penting dilskuksn untuk mendapatkan campuran material bahan baku keramik dengan banhan baku komposisi dan kehalusan serbuk sehingga homogenitas. Selain itu proses ini juga dapat meningkatkan densitas dari keramik dan juga mengurangi porositas yang terdapat dalam keramik tersebut. Tahapan persiapan ini diperlukan untuk memudahkan pada saat kalinisasi.

2.5.2 Proses pembentukan dengan tekan (Die Pressing)

Metode ini cocok dilakukan untuk membuat bentuk yang sederhanadan tebal. Proses cetak tekan ada dua macam, yaitu dengan tekanan biasa yang tekanannya satu arah, dan dengan cara isostaktis press yang arah tekanannya ke segala arah. Skema proses pencetakan keramik dengan kedua cara tersebut ditunjukkan pada Gambar 2.5 dan Gambar 2.6.


23

Gamabar 2.5. Skema pembentukan Tekan Satu Arah

Gambar 2.6 Skema Pembentukan Isotaktis Press

2.5.3 Tahap Pembakaran (Sintering)

Proses sintering adalah suatu proses pemadatan dari sekumpulan serbuk pada suhu tinggi mendekti

titik leburnya hingga terjadi perubahan struktur mikro seperti

pengurangan jumlah dan ukuran pori, pertumbuhan butir (grain growth) ,peningkatan densitas dan penyusutan (shrinkage). Faktor-faktor yang menentukan proses dan mekanisme sintering antara lain: jenis bahan, komposisi, bahan pengotornya dan ukuran partikel.


24

Proses sintering dapet berlangsung apabila : 1. Adanya transfer materi diantara butiran yang disebut proses difusi. 2. Adanya sumber energi yang dapat mengaktifkan transfer materi, energi tersebut digunakan untuk menggerakkan butiran hingga terjadi kontak dan ikatan yang sempurna.

Proses sintering keramik ada beberapa tahapan yaitu: 1. Tahapan awal Dimana partikel-partikel keramik akan saling kontak setelah proses pencetaka. Disini serbuk masih dalam keadaan bebas. 2. Tahapaan mulai sintering Adalah tahap pembentukan ikatan, dimana sintering mulai berlangsung dan permukaan kontak kedua partikel semakin lebar. Perubahan ukuran butiran maupun pori belum terjadi. 3. Tahapan pertengahan sintering Adalah tahap antara pembentukan batas butir. 4. Tahapan akhir sintering Dimana terjadi densifikasi dan eliminasi pori sepanjang batas butir, yaitu: terjadinya pembesaran ukuran butiran sampai kanal-kanal pori tertutup dan sekaligus terjadi penyusutan.

2.6 UJI MATERIAL

Setelah semua proses dilakukan, maka tahapan selanjutnya adalah proses pengujian. Dalam pengujian material keramik tersebut, ada bebrapa pengujian yang dilakukan, antara lain:

2.6.1 Uji Densitas

Densitas (massa jenis) adalah suatu besaran kerapatan massa benda yang dinyatakan dalam berat benda persatuan volume benda tersebut. Besaran massa jenis dapat membantu menerangkan mengapa benda yang berukuran sama memiliki berat yang berbeda.


25

Adapun rumus yang digunakan dalam menentukan densitas (massa jenis) adalah : = = = =

(2.1)

(

(

) )

2.6.2 Morfologi (Optical microscope)

Optikal Mikroskop adalah alat bantu yang digunakan untuk melihat dan mengamati benda-benda yang berukuran sangat kecil yang tidak mampu dilihat dengan mata telanjang. Kata Mikroskop berasal dari bahasa latin, yaitu “mikro” yang berarti kecil dan kata “scopein” yang berarti melihat. Benda kecil dilihat dengan cara memperbesar ukuran bayangan benda tersebut hinga berkali-kali lipat. Bayangan benda dapat dibesarkan 40 kali, 100 kali, 400 kali, bahkan 1000 kali, dan perbesaran yang mampu dijangkau semakin meningkat seiring dengan perkembangan teknologi . Ilmu yang mempelajari objek-objek berukuran sangat kecil dengan menggunakan mikroskop disebut Mikroskopi. Mikroskop ditemukan oleh Anthony Van Leewenhoek, penemuan ini sangat membantu peneliti dan ilmuan untuk mengamati objek mikroskopis . Untuk mengetahui struktur morfologi dari sampel setelah proses sintering,kita dapat menggunakan Mikroskop BS-6000AT. Microscope optical adalah salah satu alat yang digunakan untuk mengamati perbesaran material pada material keramik. Cara kerja dari microscope optical adalah dari cahaya lampu yang di biaskan oleh lensa condenser, setelah melewati lensa kondensor sinar mengenai specimen 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 obektif ditangkap oleh lensa okuler dan dieruskan pada mata atau kamera. Microscope optical memiliki kemampuan memperbesar benda dari 40x hingga 1400x dan juga pencahayaan dapat diatur dengan mudah.


26

2.6.3 Uji Kekerasan (Vickers Hardness)

Kekerasan adalah ketahanan material terhadap deformasi plastis. Metoda kuantitative 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:


27

1 d 2 4

1 d 2 2

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

45 d .si 2 n6 8o

680

Gambar 2.4 Posisi Penetrator Vickers Luas A = 4 x luas segitiga = 4 × 0.5 × =

× 2 × 0.5(

√ ×

°

1.854

= 1.854 = 1.854 × Dimana : Hv = Kekerasan Vickers (Mpa) F

= Pembebanan (N)

d

= Diagonal rata – rata (mm)


(2.2)

28

2.6.4 XRD (X-Ray Diffraction)

X-Ray Diffractometer adalah alat yang dapat memberikan data-data difraksi dan kuantitas intensitas difraksi pada sudut-sudut difraksi (2θ) dari suatu bahan. Tujuan dilakukannya pengujian analisis struktur kristal adalah untuk mengetahui perubahan fase struktur bahan dan mengetahui fase-fase apa saja yang terbentuk selama proses pembuatan sampel uji. Tahap pertama yang dilakukan dalam analisa sinar-X adalah melakukan analisa pemeriksaan terhadap sampel x yang belum diketahui strukturnya. Sampel ditempatkan pada titik fokus hamburan sinar-X yaitu tepat ditengah – tengah plate yang digunakan sebagai tempat yaitu sebuah plat tipis yang berlubang ditengah berukuran sesuai sampel (pellet) dengan pelekat pada sisi baliknya. (Sholihah & Zainuri, 2012).

Difraksi

sinar-X

merupakan

suatu

teknik

yang

digunakan

untuk

mengidentifikasi adanya fasa kristalin di dalam material-material benda dan serbuk, dan untuk menganalisis sifat-sifat struktur (seperti stress, ukuran butir, fasa komposisi orientasi kristal, dan cacat kristal) dari tiap fasa. Metode ini menggunakan sebuah sinar-X yang terdifraksi seperti sinar yang direfleksikan dari setiap bidang, berturutturut dibentuk oleh atom-atom kristal dari material tersebut. Dengan berbagai sudut timbul, pola difraksi yang terbentuk menyatakan karakteristik dari sampel. Susunan ini diidentifikasi dengan membandingkannya dengan sebuah data base internasional.

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 + yz yang sama dengan 2d sinθ secara geometris. Agar dua sinar ini dalam fasa yang


29

sama maka jarak ini harus berupa kelipatan bilangan bulat dari panjang gelombang sinar λ. Maka didapatkanlah Hukum Bragg: 2d sin θ = nλ

Dapat

disimpulkan

juga

bahwa

difraksi

sinar-X

digunakan

untuk

mengidentifikasi struktur kristal suatu padatan dengan membandingkan nilai jarak d (bidang kristal) dan intensitas puncak difraksi dengan data standar. Sinar-X merupakan radiasi elektromagnetik dengan panjang gelombang sekitar 100 pm yang dihasilkan dari penembakan logam dengan electron berenergi tinggi. Melalui analisiss XRD diketahui dimensi kisi (d= jarak antar bidang) dalam struktur mineral. Sehingga dapat ditentukan apakah suatu material mempunyai kerapatan yang tinggi atau tidak. Hal ini dapat diketahui dari persamaan Bragg yaitu nilai sudut difraksi θ yang berbanding terbalik dengan nilai jarak d (jarak anatar bidang) dalam kristal. Sesuai dengan persamaan Bragg:

Gambar 2.7 Skema Difraksi Bragg (Sumber.gsu.edu)

n λ = 2 dhkl sin θ…………………………….. Dengan : dhkl

=

(2.3)

jarak antar bidang

θ

= sudut pengukuran (sudut difraksi)

λ

= panjang gelombang sinar-X

n

= orde difraksi (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


30

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.


BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Recommend Documents