BAHAN KERAMIK ALUMINIUM BORAT SEBAGAI PEMANDU BENANG MESIN TEKSTIL Irkhos Jurusan Fisika FMIPA Universitas Bengkulu Jl Raya Kandang Limun Bengkulu, Telp (0736) 21187 Abstrak Telah dilakukan karakterisasi keramik aluminium borat menggunakan metode analisis struktur fasa, densitas, porositas dan kekerasan. Hasil yang diperoleh untuk masing-masing metode menunjukkan bahwa keramik aluminium borat dapat dimanfaatkan untuk pemandu benang mesin tekstil. Kondisi optimum terdapat pada sampel dengan komposisi 78% mol Al2O3 : 22% mol B2O3 yang merupakan komposisi nonstoikometris. Kata Kunci : Keramik, Karakterisasi, Mesin tekstil Astract Has been characterization of ceramic (Al8 B2O15) used phase structure analysis, density, porosity and hardness methods. Based on the result with that methods, ceramics (Al8B2O15) can used to textil engine guide. Maximal condition found on compotition 78% mole Al2O3 : 22% mole B2O3, this condition is nonstoicometrics Key Word : ceramics, characterization, textill engine PENDAHULUAN Indonesia merupakan negara yang memiliki sumber daya alam yang jumlahnya sangat besar terutama kekayaan mineral dan bahan baku. Bahan baku tersebut sangat potensial untuk diolah dan dikembangkan salah satunya menjadi bahan keramik yang berguna dan bermanfaat. Bahan keramik dapat dimanfaatkan pada berbagai bidang industri, salah satunya pada industri tekstil (Ichinose., 1983). Di Indonesia industri tekstil merupakan salah satu hasil ekspor terbesar dan lahan industri yang sedang dikembangkan, hampir di setiap wilayah Indonesia terdapat pabrik tekstil terutama daerah Jawa. Untuk ini dibutuhkan mesin tekstil yang mampu berproduksi secara baik dan berkualitas. Hal ini sangat ditunjang oleh kualitas mesin yang digunakan seperti komponen-komponen mesin tekstil tersebut. Pemanfaatan bahan keramik pada mesin tekstil digunakan sebagai pemandu benang. Penggunaan
Bahan Keramik .................. (Irkhos)
bahan keramik ini karena sifat-sifat yang dimiliki keramik lebih menguntungkan seperti anti korosi dan abrasi, tahan suhu tinggi, tahan kejutan termal dan bersifat isolator listrik. Keunggulan seperti anti korosi dan abrasi akan mempengaruhi jalannya benang sehingga tidak rusak dan kusut. Hal ini dapat mempengaruhi proses produksi dan kualitas produk tekstil. Bahan keramik yang digunakan sebagai pemandu benang adalah keramik Aluminium Borat (Al8B2O15) yang merupakan hasil campuran γalumina yaitu serbuk Al2O3 bersifat lebih reaktif dan B2O3 berbentuk kristal. Bila disinter pada suhu sintering antara 600oC-1650oC akan membentuk keramik padat Aluminium Borat yang dapat diaplikasikan sebagai pemandu benang mesin tekstil (Walter, 1970). Produk keramik yang telah disinter ini akan dianalisis dengan difraksi sinar-X untuk mengamati fasa yang telah terbentuk secara dominan
100
dengan bantuan metode Hannawalt, dilakukan pengujian sifat-sifat fisis seperti densitas, porositas dan kekerasan. Karakterisasi ini dapat sebagai dasar pertimbangan untuk penggunanan pada mesin tekstil. Selama ini pemandu benang mesin tekstil masih menggunakan bahan yang mudah mengalami korosi dan abrasi, kurang optimal pada suhu tinggi, serta mengalami gangguan ketika terjadi kejutan termal. Kondisi ini menyebabkan perlunya penelitian untuk mendapatkan karakteristik bahan yang optimal sebagai pemandu benang mesin tekstil. Campuran yang dibuat dari γ-Al2O3 murni dan B2O3 berbentuk kristal sebagai material awal menghasilkan Aluminium Borat (Gielisse, 1962). Proses sintering pada keramik adalah proses pemadatan atau konsolidasi sekitar 75% dari sekumpulan serbuk pada suhu tinggi mendekati titik leburnya. Melalui proses ini terjadi perubahan struktur mikro seperti pengurangan jumlah dan ukuran pori, pertumbuhan butiran (grain growth), peningkatan densitas dan penyusutan. Sintering merupakan tahapan pembuatan keramik yang sangat penting dan menentukan sifatsifat produk keramik. Faktor-faktor yang menentukan proses dan mekanisme sintering antara lain : jenis bahan, komposisi, bahan aditif dan ukuran partikel (Walter, 1970). Proses sintering dapat berlangsung apabila adanya transfer materi antara butiran yang disebut difusi dan sumber energi yang dapat mengaktifkan transfer materi, energi tersebut digunakan untuk menggerakkan butiran hingga terjadi kontak dan ikatan yang sempurna. Uji kekerasan Vickers menggunakan penumbuk pyramid intan yang dasarnya berbentuk bujur
Exacta, Vol.5, No.2, Dese 2007 : 100-104
sangkar. Besarnya sudut antara permukaan pyramid yang saling berhadapan adalah 136o. Sudut ini dipilih karena nilai tersebut mendekati sebagian besar nilai perbandingan yang diinginkan antara diameter bola penumbuk dan diameter lekukan pada uji kekerasan Brinell. Angka kekerasan pyramid intan atau angka kekerasan Vickers (VHN). didefinisikan sebagai beban dibagi luas permukaan lekukan. Pada prakteknya luas lekukan dihitung dari permukaan mikroskopik panjang diagonal jejak (Franklin, 1976). Densitas merupakan ukuran kepadatan dari suatu material yang didefinisikan sebagai massa persatuan unit volume. Terdapat dua jenis densitas yaitu bulk density dan true density (Franklin, 1976). Dalam hal ini yang diukur adalah bulk density yang merupakan densitas sample termasuk pori atau rongga. Bulk density untuk benda padatan yang besar dengan bentuk yang beraturan dapat dilkukan dengan cara mengukur berat dan dimensi volumenya (Anonius, 1977). Sedangkan untuk entuk yang tidak beraturan Bulk Density diukur menggunakan metode Archiemedes. Perhitungan bulk density penting dalam mengetahui sifat dan karakteristik keramik. Jumlah dan distribusi porositas mempengaruhi kekuatan modulus elastisitas dan resistansi. Porositas didefinisikan sebagai perbandingan antara jumlah volume lubang-lubang kosong yang dimiliki zat padat (volume kosong), dengan volume lubang kosong dan volume yang ditempati zat padat. Porositas keramik berbeda-beda mulai dari 0 sampai 90% dari volume total. Adanya volume kosong menjelaskan bahwa pada keramik terjadi perubahan bentuk. Porositas pada keramik dinyatakan dalam persen yang menghubungkan antara volume pori
101
terbuka terhadap volume benda keseluruhan (Anonius, 1977). METODE PENELITIAN Alat dan bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah Boehmit (Al(OH)3), Boron Oksida (B2O3), Magnetik Stirrer, Hydraulic Press, Furnace 1700oC, Difraktometer sinarX merek Rigaku, MikroHardness tester. Penelitian ini terdiri dari pengujian sifat produk terdiri dari analisis struktur fasa menggunakan difraksi sinar-X dan sifat fisis (densitas dan porositas) menggunakan metode archiemedes dengan cairan air, pengujian kekerasan dengan Vickers Hardness Tester. Secara keseluruhan penelitian ini melalui tahapan sebagai berikut : Analisis Struktur Fasa Struktur fasa dari sample yang telah disinter dianalisis menggunakan difraktometer sinar-X. Prosedur pengujiannya adalah sebagai berikut : 1. Sampel digerus menggunakan mortar sehingga menjadi serbuk yang benar-banar halus. 2. Serbuk ditempatkan pada sebual pelat empat persegi dan diletakkan pada wadah objektif. 3. Proses pengujian dilakukan dengan penyinaran sinar–X monokromatis terhadap sampel dan mengatur batas intensitas dan sudut difraksi yang digunakan. 4. Dari pengujian ini didapat grafik pola struktur yang merupakan huungan antara intensitas dan sudut difraksi. 5. Sudut 2 yang ditampilkan grafik digunakan untuk menentukan jarak antar kisi (d) berdasarkan persamaan 6. Data jarak antar kisi yang diperoleh dari perhitungan disesuaikan dengan nilai d referensi yang terdapat pada table Hannawalt.
Bahan Keramik .................. (Irkhos)
Maka dapat diidentifikasi struktur fasa yang terbentuk. Pengukuran Densitas dan Porositas Prosedur pengukuran densitas dan porositas berdasarkan metode Archiemedes dengan zat cair adlah sebagai berikut : 1. Satu sample setiap komposisi dan suhu sinter direbus dengan air selama 5 jam sehingga gelembung udara tidak tampak lagi keluar dari pellet. 2. Ditimbang berat jenuh terisi air mengganakan air yang terdapat pada permukaan sample. 3. Ditimbang berat sample + kawat terbenam dalam air. 4. Ditimbang berat kawat yang terbenam dalam air. 5. Sampel dikeringkan dalam oven pengering pada suhu 1000 C. 6. Setelah diperoleh sample yang benar-benar kering, ditimbang sebagai berat kering di udara. 7. Dari data-data yang diperoleh di atas, dapat dihitung nilai densitas dan porositas Pengukuran Kekerasan Peralatan uji kekerasan adalah MicroHardness Tester merk Matsuzawa MXT-50. Prosedur pengujian kekerasan terhadap keramik aluminium borat adlah sebagai berikut: 1. Pastikan permukaan benda uji benar-benar halus dan memantul yang digosok kertas ampelas. 2. Diatur posisi pembebanan yang diinginkan (300 gf) dan set waktu identasi selama 20 detik. 3. Dipilih permukaan yang akan diamati benar-benar rata dan dalam kondisi fokus. Diukur panjang diagonal identasi yang terdapat pada benda uji, sehingga nilai kekerasan yang terukur dapat terbaca di monitor. Dilakukan pembacaan sebanyak tiga kali untuk tiap
102
penekanan dan dirat-ratakan sebagai nilai kekerasan benda uji. HASIL DAN PEMBAHASAN Densitas Hasil Sinter Densitas hasil sinter 1100oC, o 1200 C, 1300oC, 1400oC diukur menggunakan prinsip Archiemedes dengan zat cair berupa air (H2O). Pengaruh proses sintering terhadap sifat-sifat bahan salah stunya adalah meningkatnya densitas sampai mencapai harga maksimum. Kecenderungan meningkatnya densitas dapat dilihan dengan semakin meningkatnya temperatur sintering. Fenomena meningkatnya densitas disebabkan oleh terjadinya pengurangan volume pori-pori dalam serbuk selama sintering. Hal yang berperan dalam pengurangan pori adalah pertumbuhan butiran sehingga lama-kelamaan pori menghilang. Selain temperatur faktor yang mempengaruhi densitas produk adalah komposisi bahan. Semakin banyak alumina densitas produk semakin naik. Hal ini disebabkan alumina memiliki susunan partikel yang lebih padat dari pada Boron Oksida sehingga sangat berpengaruh pada densifikasi bahan. Proses pembentukan juga memberikan kontribusi pada nilai densitas karena pada proses ini mulai terjadi proses densifikasi dimana penyusunan butiran dalam serbuk mengakibatkan pemampatan sampai terjadinya deformasi plastis. Hal ini mengakibatkan pengurangan volume pori. Densitas terbesar dicapai pada temperatur sintering 1400oC dengan komposisi 82% alumina yaitu sebesar 3,28 garm/cm3. Sedangkan densitas terkecil diperoleh pada temperatur sintering 1100oC dengan komposisi 80% alumina yaitu sebesar 2,93 . gram/cm3
Exacta, Vol.5, No.2, Dese 2007 : 100-104
Porositas Hasil Sinter Hal yang sangat mempengaruhi besarnya porositas adalah ukuran dan seragamnya butiran dalam serbuk, temperatur sintering dan komposisi bahan. Meningkatnya temperatur sintering maka nilai porositasnya semakin menurun. Hal ini berbanding terbalik dengan densitas jika dihubungkan denagn temperatur sintering. Fenomena menurunnya porositas disebabkan terjadinya pengurangan pori-pori atau bahkan menghilang sebagian pada temperatur yang semakin tinggi. Faktor lain yang mempengaruhi nilai porositas adalah komposisi bahan. Dapat dikatakan semakin banyak Boron Oksida semakin berkurang poripori pada produk sinter. Hal ini disebakan pada suhu tinggi sebagian Boron Oksida meleleh atau menggelas sehingga pori-pori menghilang sebagian. Porositas maksimum terjadi pada suhu 1400oC dengan komposisi 22% B2O3 yaitu sebesar 26,99%. Sedangkan porositas maksimum terdapat pada temperatur 1100oC dengan komposisi 18% B2O3 yaitu sebesar 53,71%. Kekerasan Hasil Sinter Pengukuran kekerasan dilakukan menggunakan Micro Hardness Tester yang dilengkapi penumbuk intan denagan sudut 136o. Produk sinter semakin meningkat denagan meningkatnya temperature sintering. Hal ini disebabkan karena pada saat sintering berlangsung, terjadi perubahan bentuk pada sampel dimana pori-pori perlahan-lahan berkurang atau bahkan menghilang sebagian dan terjadi densifikasi, kepadatan ini mempengaruhi sifat mekanik bahan terutama kekerasannya. Kekerasan sangat dipengaruhi oleh tingkat porositasnya, semakin
103
kecil porositas maka semakin keras produk sinter. Kekerasan produk sinter juga dipengaruhi oleh komposisi, semakin banyak Boron Oksida akan semakin tinggi kekerasannya. Hal ini disebabkan Boron Oksida mengurangi pori-pori saat sintering berlangsung. Kekerasn terbesar terjadi pada temperature 1400oC dengan komposisi 22% B2O3 yaitu sebesar 422 Kgf/mm2. Sedangkan kekerasan terkecil diperoleh pada temperatur sintering 1100oC dengan komposisi 18% B2O3 yaitu sebesar 118 Kgf/mm2. KESIMPULAN DAN SARAN Kondisi optimum dalam eksperimen ini terdapat dalam sampel dengan komposisi 78% mol Al2O3 : 22% B2O3 yang merupakan komposisi nonstoikometris. Keramik aluminium borat yang disinter 1400o C menghasilkan dua fasa yaitu Al18B4O3 dan Al8B2O15. Ini dipengaruhi oleh temperatur sintering dan komposisi bahan. Untuk memperoleh kondisi yang lebih optimum dalam pembuatan keramik aluminium borat dapat dilakukan dengan menaikkan temperatur sintering, menambah komposisi karbon oksida.
Tokyo.Levin, M. Ernest., Robbins, R. Carl and Mc. Murdie F. Howard., 1964, Phase Diagrams For Ceramists, Vol. 1, The American Ceramic Society, Inc. Walter H. Gitzen., 1970, Alumina as A Ceramic Materials, The American Ceramic Society, Inc.
DAFTAR PUSTAKA Anonius., 1977, Standard Test Method for Water Absorption, Bulk Density, Apparent Porosity and Apparent Specific Gravity on Fire White Ware Product, ASTM Franklin F. Y. wang., 1976, Treatise on Material Science ang Technology, Ceramic Fabrication Process, Vol. 9. Academic Press, Inc London. Gielisse, P. J. M. and Foster, W. R., 1962, The system Al2O3 – B2O3, Nature195 [4836] 69-70. oke Ichinose., 1983, Introduction to Fine Ceramics, Application in Engineering, Ohmsa, Ltd,
Bahan Keramik .................. (Irkhos)
104
