JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6
1
PENGARUH KONSENTRASI CaCO3 TERHADAP SIFAT KOROSI BAJA ST.37 DENGAN COATING PANi(HCl)/CaCO3 Ahmad Hijazi, Zaenal Arifin, Suminar Pratapa Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Imu Pengetahuan Alam, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail:
[email protected]
Penelitian tentang pengaruh konsentrasi CaCO3 terhadap sifat korosi coating PANi (HCL) – CaCO3 telah dilakukan. Dalam penelitian ini telah dilakukan sintesis PANi (HCL) dilakukan dengan metode reaksi kimia. Kemudian untuk sintesis CaCO3 dilakukan dengan metode karbonasi dengan kecepatan alir gas CO2 sebesar 10 SCFH untuk memperoleh fasa kalsit. Komposit PANi (HCL) – CaCO3 akan dicampurkan ke dalam cat dasar untuk menjadikan pelapis tahan korosi. Penambahan konsentrasi CaCO3 dalam komposit adalah sebesar 2,5%, 5%, 7,5%, dan 10%. Bahan komposit diuji dalam dua macam metode yaitu metode Spectroskopi Impedansi Elektrokimia (EIS) dan metode Polarisasi Potensiodinamik (tafel). Melalui hasil perhitungan laju korosi dengan metode Polarisasi Potensiodinamik (tafel) dapat diketahui bahwa komposit dengan konsentrasi 2,5%wt CaCO3 memiliki ketahanan yang paling baik dengan laju korosi sebesar 0,00029524 mpy.
Kata Kunci : Kalsit, Kalsium Karbonat, Karbonasi, Polianilin, Metode EIS, Metode Tafel
I. PENDAHULUAN Polimer dikenal sebagai materi yang bersifat non konduktif. Ahli polimer telah menemukan polimer yang bersifat konduktif maupun semi-konduktif. Polimer konduktif adalah polimer yang dapat menghantarkan arus listrik. Hantaran listrik terjadi karena ada elektron yang terdelokalisasi, yang mempunyai struktur pita seperti silikon. Polimer konduktif kebanyakan bersifat semikonduktor, karena struktur pitanya mirip silikon. Tapi ada beberapa polimer yang mempunyai gap pita kosong sehingga bersifat seperti logam. Keunggulan lain dari bahan polimer adalah ketahanannya terhadap lingkungan yang bersifat korosif. Salah satu alternatif yang digunakan untuk mengatasi masalah korosi yang terjadi pada logam adalah dengan membuat pelapis anti korosi yang berbasis pada bahan komposit, yaitu memberikan pengisi komposit pada cat dasar untuk meningkatkan ketahanannya dari korosi. Komposit sendiri merupakan kombinasi dari dua material atau lebih yang memiliki fasa berbeda menjadi suatu material baru yang memiliki properti lebih baik dari keduanya. Sekarang ini banyak sekali penelitian tentang polimer yang
bertujuan untuk menciptakan bahan komposit agar menjadi bahan yang bersifat lebih unggul dan aplikatif. Salah satu polimer yang paling mudah dibuat adalah PANi dan dengan memberikan filler (CaCO3), maka PANi tersebut akan memiliki sifat yang lebih unggul dan aplikatif dalam hubungannya dengan proteksi korosi.
II. TINJAUAN PUSTAKA A. Polianilin Polianilin (PANi) dapat dibedakan dalam 5 (lima) fasa, yang meliputi basa leukoemeraldin, garam leukoemeraldin, basa emeraldin, emeraldin teroksidasi dan garam emeraldin (Andreatta, 1988). Diantara fasa tersebut yang bersifat konduktif adalah garam emeraldin, sedangkan fasa yang lain bersifat isolator. PANi dalam fasa konduktif dapat disintesis melalui oksidasi dengan cara kimia dan elektrokimia dalam medium asam. B. Batu Kapur Salah satu batuan sedimen yang paling banyak ditemui adalah batuan kapur. Limestone merupakan istilah yang digunakan untuk batuan karbonat/fosil yang terbentuk secara pokok terdiri dari kalsium karbonat atau kombinasi dari kalsium dan magnesium karbonat dengan variasi sejumlah impuritas yang terbanyak adalah silika dan alumina. Sedangkan lime tidak terlalu bervariasi dibandingkan limestone, merupakan hasil kalsinasi atau dibakar dalam bentuk limestone, yang lebih dikenal atau populer sebagai qucklime atau hydrated lime. Proses kalsinasi memaksa keluar karbon dioksida dari batuan, membentuk kalsium oksida/quiclime (Bonyton, 1980). C. Korosi Definisi dari korosi adalah penurunan mutu material akibat reaksi elektrokimia dengan lingkungan sekitar. Bila ditinjau dari interaksi yang terjadi, korosi adalah proses transfer elektron dari logam ke lingkungannya. Logam bertindak
JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6 sebagai sel yang memberikan elektron (anoda) dan lingkungan bertindak sebagai penerima elektron (katoda). Sedangkan penurunan mutu yang diakibatkan interaksi secara fisik bukan disebut korosi, namun biasa dikenal sebagai erosi dan keausan. Dengan bereaksi ini sebagian logam akan “hilang”, menjadi suatu senyawa yang lebih stabil. Di alam, logam pada umumnya berupa senyawa, karena itu peristiwa korosi juga dapat dianggap sebagai peristiwa kembalinya logam menuju bentuknya sebagaimana ia terdapat di alam. Ini merupakan kebalikan dari proses extractive metallurgy, yang memurnikan logam dari senyawanya. Dalam hal ini korosi mengakibatkan
2 state) dari antaraksi antara elektrode dan larutan ruah dapat diketahui. Rct = RT/nFI0.....................2.1 Hasil dari pengukuran EIS diungkapkan dalam aluran Nyquist. Tahanan listrik dalam EIS dinyatakan dalam impedansi (Z). Impedansi sendiri adalah ukuran kemampuan suatu rangkaian dalam menahan aliran arus listrik. Aluran Nyquist berupa diagram berbentuk setengah lingkaran yang mengalurkan impedansi nyata (real) terhadap impedansi imajiner (imajiner). Pada umumnya, aluran Nyquist yang dihasilkan tidak memperlihatkan setengah lingkaran, melainkan semi-lingkar, perilaku ini dapat dihubungkan dengan dispersi frekuensi akibat dari kekasaran permukaan elektroda.
kerugian karena hilangnya sebagian hasil usaha manusia memurnikan logam (Fontana, 1987). D. Pengendalian Korosi Dengan Lapisan Penghalang Lapisan penghalang yang dikenakan ke permukaan logam dimaksudkan baik untuk memisahkan lingkungan dari logam maupun untuk mengendalikan lingkungan mikro pada permukaan logam. Banyak cara pelapisan yang digunakan untuk maksud ini termasuk cat, selaput organik, vernis, lapisan logam dan enamel dan sejauh ini yang paling umum digunakan adalah cat. Dewasa ini teknologi pembuatan cat dan cara pemakaiannyaberubah dengan pesat didorong oleh terus meningkatnya biaya energi, bahan baku, dan tenaga kerja. Polusi juga menjadi masalah dalam masyarakat yang sadar lingkungan dimana senyawa organik mudah menguap dilepaskan ke atmosfer setiap tahun akibat penggunaan cat. Ini menyebabkan pengunaan pelarut lain terutama air menjadi lebih menarik. Timbal sebagai aditif yang berbahaya pada umumnya telah digantikan dengan bahan – bahan Titanium Oksida yang sekarang menjadi salah satu bahan paling lazim dalam kehidupan sehari – hari. E. Metode EIS Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) adalah suatu metoda untuk menganalisis respon suatu elektroda terkorosi terhadap sinyal potensial. Pada prinsipnya metode EIS dapat digunakan untuk menentukan sejumlah parameter berkaian dengan besaran elektrokimia seperti tahanan polarisasi (Rp), tahanan larutan (Rs), dan kapasitansi lapis rangkap listrik (Cdl) (Jones, 1992). Besaran tahanan larutan Rs bergantung pada konsentrasi ion, jenis ion, temperatur, dan geometri area penghantaran arus. Sedangkan besaran tahanan transfer muatan Rct diperoleh dari perbedaan impedansi pada frekwensi rendah dan frekwensi tinggi (diameter semilingkar). Nilai tahanan transfer muatan Rct merupakan ukuran transfer elektron pada permukaan logam yang secara proporsional kebalikan dari arus korosi (Io) melalui persamaan 2.2. Spektra impedansi yang dihasilkan dari pengukuran dengan EIS disajikan dalam aluran Nyquist. Sebelum pengukuran dengan EIS, dilakukan pengukuran OCP agar keadaan mantap (steady
Gambar 2.7 Aluran Impedansi Nyquist (Kandias, 2008) Adanya sudut 450 dari garis yang berhubungan dengan bagian frekwensi sudut yang rendah menunjukkan bahwa kinetika dari sistem elektrokimia dibatasi oleh proses kontrol difusi (konsentrasi polarisasi). Ekstrapolasi setengah lingkaran sebagai perpotongan impedansi nyata Z’ secara grafik menyatakan tahanan polarisasi,Rp. Pemodelan dari sirkuit yang digunakan dalam EIS dapat dimodelkan seperti pada Gambar 2.8.
Gambar 2.9 Skema sirkuit elektrokimia EIS Model pada gambar 2.9 menunjukkan bahwa potensial yang digunakan pada sirkuit dan respon hantaran sebagai sinyal frekwensi dijadikan sebagai data impedansi. Data impedansi dihubungkan dengan tahap perubahan sudut dan variasi potensial serta luas hantaran. F. Metode Tafel Salah satu teknik untuk menentukan perilaku korosi logam berdasarkan hubungan potensial dan arus anodik atau katodik adalah metode polarisasi potensiodinamik (Sunarya, 2008). Jika anoda dan katoda yang ada dalam suatu elektrolit terhubung singkat, maka reaksi-reaksi anodik dan katodik
JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6 akan berlangsung secara serempak, disebabkan terbentuknya sistem mikrosel elektrokimia. Korosi logam terjadi jika terdapat arus anodik yang besarnya sama dengan arus katodik. Hal ini disebabkan karena adanya beda potensial antara logam dan larutan elektrolit sebagai lingkungannya. Beda potensial ini dinamakan dengan potensial korosi (Ekorr)(Sunarya, 2008). Ada dua macam jenis polarisasi yaitu, polarisasi anodik dan polarisasi katodik. Kedua polarisasi ini akan diterjemahkan ke dalam persamaan Tafel menjadi tetapan Tafel anodik (βa) dan tetapan Tafel katodik (βc).
3 3
)(sunarya, 2008). Nilai efisiensi proteksi korosi ditentukan melalui persamaan : PE(%)=(CRuncoat – CR/CRuncoat)x100%........(2.4) Dengan PE adalah protection efficiency (%), CRuncoat dan CR berturut – turut adalah tingkat korosi tanpa pelapisan dan dengan pelapisan PANi – CaCO3. III. METODOLOGI A. Bahan Bahan yang dipakai dalam penelitian ini adalah plat baja ST.37 dengan dimensi 5 cm x 2 cm, batu kapur alami asal Desa Tuwiri Kab Tuban, Anilin, Amonium Peroksidisulfat, Asam Klorida, Tetrahidrofuran, Ammonium hidroksida, Ammonium, Aquades, NMP, Cat Acrylic. B. Skema Kerja Persiapan Alat dan Bahan
GAMBAR 2.10 PLOT TAFEL (KANDIAS, 2008) Tahanan polarisasi (Rp) merupakan ketahanan spesimen terhadap oksidasi selama dibei arus luar. Penggunaan tahanan polarisasi yang paling utama adalah menentukan laju korosi. Laju korosi akan diperoleh berdasarkan kemiringan kurva potensial sebagai fungsi rapat arus di sekitar potensial korosinya. Jika proses korosi logam dikendalikan oleh transfer muatan, maka Ekorr dan arus korosi Ikor dapat ditentukan dari perpotongan garis Tafel anodik dan garis Tafel katodik. Akan tetapi terlebih dahulu harus ditentukan nilai Ikor dan konstanta Tafel dari kurva polarisasi. Kelebihan dari penggunaan metode ini selain dapat menentukan laju korosi, Vkor, juga dapat mengukur tahanan polarisasi (Rp) dan kerapatan arus korosi, Ikor dengan cepat. Dengan menentukan kerapatan arus korosi, Ikor, dapat diketahui dari tetapan anodik βa, tetapan Tafel kaodik βc, dan tahanan polarisasi, Rp pada baja karbon. Nilai Ikor ditentukan dengan menggunakan persamaan :
........2.2. Laju korosi ditentukan dari nilai kerapatan arus korosi melalui persamaan berikut :
............2.3. dimana Vkor merupakan laju korosi (mm.th-1), Ae adalah massa ekivalen logam (g.mol-1.ek-1), Ikor adalah rapat arus korosi (μA.cm-2), dan ρ adalah massa jenis logam yang diukur (g.cm-
Pembuatan PANi (HCl)
Pembuatan CaCO3 fasa kalsit
Pencampuran PANi (HCL) & CaCO3 dengan cat
Pencelupan plat baja S.T 37 ke dalam larutan cat
Pengujian sampel dengan metode EIS & Tafel
Pengamatan dengan program Voltamaster 4
JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6 IV. ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN A. Hasil Penentuan Laju Korosi Dengan Metode Tafel Hasil yang didapatkan dari pengujian ini berupa potensial (V) dan densitas arus (A/cm2). Gambar 4.1 adalah hasil pengujian polarisasi potensiodinamik baja ST.37 tanpa pelapisan PANi/CaCO3 dan Gambar 4.2 adalah baja ST.37 yang dilapisi dengan PANi/CaCO3 dengan konsentrasi CaCO3 yang berbeda.
Gambar 4.1 Kurva polarisasi potensiodinamik tanpa pelapisan
4 C10 %
6,6961
0,91173
0,000618
C original
10,855
-1,0094
0,010026
Berdasarkan Gambar 4.1 dan Tabel 4.2 potensial korosi baja ST.37 tanpa dilapisi PANi/CaCO3 mempunyai harga yang sangat negatif -1,0094 Volt hal ini menunjukkan bahwa baja ST.37 mudah mengalami serangan korosi oleh ion – ion klorida (Cl-). Pelapisan PANi/CaCO3 pada permukaan baja ST.37 dapat menggeser nilai potensial korosi ke arah yang lebih positif. Semakin kecil konsentrasi CaCO3 yang disubstitusikan ke dalam matrik PANi semakin positif potensial korosinya. Hal ini menunjukkan proteksi lapisan PANi/CaCO3 pada permukaan baja ST.37 dapat berfungsi sebagai penghalang serangan ion – ion korosif. Semakin kecil konsentrasi CaCO3 dalam matrik PANi semakin sempurna barrier yang diberikan oleh lapisan PANi/CaCO3. Hal ini ditandai dengan semakin rendahnya nilai laju korosi (CR) yang dihasilkan Yang menjadi pertanyaan dalam kajian perilaku korosi pelapis PANi/CaCO3 ini, mengapa semakin besar konsentrasi CaCO3 yang disubstitusikan sifat korosinya semakin berkurang. Hal ini dapat dijelaskan berdasarkan tinjauan distribusi CaCO3 dalam matrik PANi. Semakin besar konsentrasi CaCO3 semakin terdistribusi merata dalam PANi, sehingga CaCO3 itulah yang menyebabkan semakin besarnya serangan korosi. Hal ini disebabkan karena adanya kompositkomposit baru yaitu cat, PANi, dan CaCO3 itu sendiri. Karena CaCO3 merupakan salah satu bahan keramik yang memiliki muatan positif sehingga terkena serangan korosi terlebih dahulu oleh ion-ion Cl-. Semakin besar konsentrasi CaCO3 yang disubstitusikan maka daerah yang terserang korosi semakin besar. Efisiensi pelapis PANi/CaCO3 dapat diketahui dengan persamaan : %EF =
Gambar 4.2 Kurva polarisasi potensiodinamik PANi/CaCO3 dengan konsentrasi CaCO3 berbeda Sedangkan parameter yang dihasilkan dari kurva polarisasi potensiodinamik disajikan pada Tabel 4.2. Tabel 4.2 Nilai parameter extrapolasi Tafel PANi – CaCO3 SAMPEL
Io (x10-7 A/cm2)
Eo (Volts)
% Efisiensi CR (mmPY) proteksi
C2,5 %
3,1967
0,49534
0,000295
97,05
C5 %
7,3119
0,83017
O,000675
93,26
C7,5 %
7,8571
0,90713
0,000720
90
38,31
x100%.......4.1
B. Hasil Penentuan Laju Korosi dengan Metode EIS Analis perilaku korosi dengan Electrochemical Impedansi Spectroscopy (EIS) adalah analisis diagram Nyquist yang menyatakan hubungan Impedansi real (Z) dan Impedansi imajiner (Z’). Parameter elektrokimia yang diperoleh dari pengujian ini adalah Rs, Rp, Rct dan Cdl, dimana Rs adalah tahanan larutan, Rp adalah tahanan polarisasi, Rct tahanan transfer muatan, dan Cdl adalah kapasitansi dobel layer yang terbentuk pada antar muka lapisan dan cairan. Besarnya nilai kelengkungan yang menyatakan ketahanan korosi logam atau baja, semakin besar kelengkungan yang dihasilkan semakin tahan korosi logam atau baja tersebut. Dengan kata lain serangan korosi oleh ion – ion korosif terjadi dalam rentang waktu yang cukup lama. Hasil pengujian PANi/CaCO3 dengan konsentrasi CaCO3 fasa kalsit berbeda ditunjukkan pada Gambar 4.4
JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6
5 C7,5 %
1014
23134
35541
0,64
C10 %
21,05
3271
19533
0,32
Berdasarkan data komponen rangkaian ekivalen pada Tabel 4.3, tampak pada konsentrasi CaCO3 rendah (2,5%) mempunyai nilai Rct dan Rp paling besar, hal ini menunjukkan bahwa lapisan PANi/CaCO3 merupakan barrier yang efektif untuk menahan serangan atau perpindahan ion – ion korosif. Sebaliknya pada konsentrasi CaCO3 yang semakin besar menghasilkan nilai Rct dan Rp yang semakin kecil, artinya kemampuan barriernya semakin berkurang. Pada bagian yang lain juga ditunjukkan nilai Cdl yang rendah 0,57 untuk konsentrasi CaCO3 sebesar 2,5%. Semakin kecil nilai Cdl semakin baik protektif lapisan PANi/CaCO3 dan sebaliknya semakin besar nilai Cdl semakin jelek kemampuan protektifnya dalam menahan serangan ion – ion korosif. V. KESIMPULAN Dari hasil penelitian dan analisa data maka didapatkan kesimpulan adalah lapisan PANi/CaCO3 dengan penambahan 2,5% CaCO3 (kalsit) memiliki ketahanan korosi yang lebih baik daripada pelapisan 5%, 7,5%, dan 10%. UCAPAN TERIMA KASIH Gambar 4.4 Diagram Nyquist PANi/CaCO3 dengan konsentrasi CaCO3 berbeda Untuk mengetahui sejauh mana sifat proteksi korosi yang dimiliki oleh lapisan PANi/CaCO3 dapat dianalisis melalui rangkaian ekivalen, seperti ditunjukkan pada Gambar 4.5
DAFTAR PUSTAKA
Gambar 4.5 Rangkaian ekivalen
[1]
Untuk menentukan besarnya komponen penyusun dalam rangkaian ekivalen dilakukan dengan “program Zview” yang dibuat oleh “Soborton Corp”. Hasil perhitungan selengkapnya untuk setiap konsentrasi CaCO3 dalam matrik PANi ditunjukkan dalam Tabel 4.3. Tabel 4.3 Nilai Parameter EIS SAMPEL
Tuliskan ucapan terima kasih dengan bahasa baku, misalnya, “Penulis A.F. (inisial nama mahasiswa) mengucapkan terima kasih kepada Direktorat Pendidikan Tinggi, Departemen Pendidikan dan Kebudayaan Republik Indonesia yang telah memberikan dukungan finansial melalui Beasiswa Bidik Misi tahun 2010-2014”. Penulis juga diperkenankan menyampaikan ucapan terima kasih kepada sponsor penyedia dana penelitian.
Rs (Ω)
Rp (Ω)
Rct (Ω)
Cdl (F/m)
C2,5 %
7305
374270
605590
0,57
C5 %
77968
272520
537910
0,63
Boynton, Robert S.(1980), “Chemistry and Technology of Lime and Limestone”, A Wiley-Interscience Publication. [2] Kiyo S, Hikoo S., “Manufacture of plate-like Calcium Carbonate”, Japanese Patent 2-184519 (1989). [3] Kojima Y., A. Sadotomo, T. Yasue, Y. Arai, “Journal of theCeramic “, Society of Japan 9-1145 (1992) [4] Nan Zhaodong, dkk. “ Structure Transition from Aragonite to Vaterite and Calcite by The Assistance of SDBS”, Journal of Colloid and Interface Science, 325 : 331-336 (2008) [5] Wen, Y., Xiang, L., Jin, Y. ”Synthesis of plate-like calcium carbonate via carbonation route”, Material letters, 57:2565-2571.(2003) [6] Yamada H., S. Oka, “Synthesis of Plate-like Calcium Carbonate” Japanese Patent 61-219717 (1986) [7] Fontana. Mars 1987. Corrosion Engineering, third edition. Mc GrawHill Book Company, Amerika. [8] Malcolm. P. S. 2007. Kimia Polimer. Edisi kedua. Diterjemahkan oleh Dr. Ir. Iis Sopyan, M.Eng. Jakarta. Pradnya Paramita. [9] Epstein A.J, Ginder J.M, Angelopoulos M, & Mac Diarmid A.G. 1987. Insulator Metal Transisition in Polyaniline, Effect Protonation on Emeraldine Base. Journal Synthetic Metal. [10] Asrori. M. Z. 2000. Fisika Polimer. Surabaya. Jurusan Fisika, FMIPA, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya.
JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6 [11] Arifin, Zainal (2010), “Identifikasi dan Karakterisasi Batu Kapur Kemurnian Tinggi sebagai Potensi Unggulan Nano-Material di Kabupaten Tuban”, Jurusan FMIPA ITS, Surabaya.
6
