PENGARUH KONSENTRASI Fe2O3 TERHADAP STRUKTUR DAN DIELEKTRISITAS GLASS FUNGSIONAL BOROSILIKAT DARI PASIR SILIKA PANTAI BANCAR TUBAN Norma Dian Prastiwi1, Markus Diantoro1, Nandang Mufti1 1
Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Negeri Malang Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Negeri Malang Jl. Semarang 5 Malang 65145
[email protected]
ABSTRAK Glass secara fungsional telah diterapkan pada berbagai aplikasi teknologi yang di antaranya sifat dielektrik dan sifat optik. Material utama glass adalah silika. Proses pembentukan glass yaitu adanya bahan cair tidak kristal yang didinginkan secara cepat. Glass memiliki keunggulan dari segi optoelektrik yang lebih baik dibandingkan dengan kritalin. Pada penelitian ini, menggunakan pasir silika Bancar Tuban untuk memperoleh silika yang diekstraksi dengan metode leaching. Silika ditambahkan Bi2O3 dan Na2CO3 untuk menurunkan titik leleh dan bahan Fe2O3/B2O3 digunakan untuk mempengaruhi struktur dan dielektrisitas glass. Proses pelelehan menggunakan low temperatur glass yaitu pada suhu di bawah 1000 oC kemudian dianiling pada suhu 420 oC dan didinginkan menuju suhu ruang untuk memperoleh glass borosilikat. Dari glass tersebut, diuji karakteristik struktur dengan menggunakan XRD (X-Ray Diffractometer) dan SEM (Scanning Electron Microscopy) serta FTIR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy) dan dielektriknya dengan menggunakan kapasitansi meter DC (Direct Current). Pada uji karakterisasi XRD diperoleh pola difraksi berupa glass yang tidak memiliki banyak puncak tajam tapi karakteristiknya seperti gundukan lebar pada material amorf. Hasil uji karakterisasi SEM menunjukkan ukuran butir yang kecil dan homogen, hal ini berarti glass berupa amorfus. Struktur formasi ikatan glass untuk Fe2O3 terjadi pada nomor gelombang 464-465 1/cm dengan ikatan Fe-O pada unit struktur FeO6. Peningkatan konsentrasi Fe2O3 mengakibatkan penurunan konstanta dielektrik yaitu dari 24937,93 menjadi 2837,38. Peningkatan energi cahaya mengakibatkan konstanta dielektrik semakin meningkat dan berubah pada energi tertentu yang terkuantisasi. Kata Kunci: Glass Fungsional, Pasir Silika, Struktur dan dielektrisitas Glass ABTRACT Glass is functionally has been applied to a variety of technological applications in between dielectric properties and optical properties. The main material is silica glass. Glass forming process that is the liquid material is not crystalline rapidly cooled. Glass has an advantage in terms of better optoelektrik compared with kritalin. In this study, using silica sand Bancar Tuban to obtain silica extracted by leaching method. Silica is added Bi2O3 and Na2CO3 to lower the melting point and materials Fe2O3/B2O3 used to influence the structure and dielektrisitas glass. The process of using low temperature melting glass is at a temperature below 1000 °C and then dianiling at a temperature of
420 °C and cooled towards room temperature to obtain borosilicate glasses. From the glass systems, structural characteristics tested by using XRD (X-Ray Diffractometer) and SEM (Scanning Electron Microscopy) also FTIR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy) and dielectric capacitance meter using a DC (Direct Current). In the characterization of XRD diffraction pattern is obtained in the form of glass that does not have a lot of sharp peaks but its characteristics such as width mound in amorphous material. SEM characterization test results showed that a small grain size and homogeneous, this means in the form of amorphous glass. Glass bonding configuration structure for Fe2O3 occurs at a wavelength of 464-465 1 / cm with the Fe-O bond in the structural unit FeO6. Increasing concentrations of Fe2O3 which results in a decrease in the dielectric constant of becoming 2837.38 to 24937.93. Increased light energy resulting in increased dielectric constant and changing at a particular energy quantized. Keywords: Glass fungsional, Silica Sand, Structure and Dielectrical of Glass PENDAHULUAN Glass secara fungsional dapat diterapkan pada berbagai aplikasi teknologi yang di antaranya yaitu sifat elektrik dan sifat optik glass[1]. Secara struktural memiliki peranan penting dalam berbagai bidang industri seperti perabotan dapur, kaca helm, kaca mobil, layar LCD, layar sentuh handphone, dan gorilla glass, serta solar smart glass sebagai dinding multifungsi Material utama glass adalah silika. Silika murni memiliki titik leleh yang sangat tinggi yaitu 1715oC [2]. Silika banyak terdapat pada pasir kuarsa [3]. Pemanfaatan pasir alam yang banyak mengandung silika, khususnya di daerah pantai timur dan utara dapat digunakan sebagai bahan utama pembuatan glass. Pembuatan glass menggunakan proses pelelehan sehingga biasanya diperlukan campuran bahan lain pada pasir dengan tujuan untuk menurunkan titik lebur pasir yang sangat tinggi. Penambahan Fe2O3 selain sebagai pemberi warna pada glass juga dapat menurunkan konstanta dielektrik sehingga memberikan sifat konduktiv pada glass yang dapat dimanfaatkan misal pada layar sentuh dan layar laptop.
Pada penelitian ini bahan SiO2 diperoleh dari pantai Bancar, daerah Tuban. Pasir pantai Bancar setelah diekstraksi menghasilkan kemurnian SiO2 86,8%. Sintesis pasir silika komposit B2O3 dan Fe2O3 dan penambahan Bi2O3 dengan Na2CO3 yang diharapkan mampu menghasilkan struktur berupa amorf yang dapat ditentukan konstanta dielektrik dan pengaruh intensitas terhadap dielektrisitas glass fungsional. METODE EKSPERIMEN Langkah-langkah penelitian yang dilakukan terdiri atas dua tahap utama yaitu ekstraksi pasir dan sintesis glass. Ekstraksi Pasir Silika Bancar Tuban Dilakukan ekstraksi untuk mendapatkan SiO2 dengan kemurnian yang lebih tinggi menggunakan metode leaching. Ekstraksi dilakukan dengan merendam pasir dalam HCl 2M selama 12 jam pada perbandingan serbuk dan larutan 1 : 2 dengan tujuan agar unsur yang dapat terikat dengan HCl hilang. Dari hasil ekstraksi pasir silika Bancar dilakukan uji karakterisasi XRF untuk mengetahui komposisi SiO2 dalam pasir.
Sintesis Glass Fungsional Sintesis glass dipersiapkan dari beberapa senyawa yang diantaranya B2O3, Fe2O3, Bi2O3, Na2CO3, SiO2. SiO2 diperoleh dari pasir pantai Bancar. Komposisi sistem glass dapat dilihat pada Tabel 1. Pertama, semua bahan dicampur dan dilelehkan dan dianeling pada suhu 420 oC selama 1 jam kemudian didinginkan secara lambat hingga suhu ruang. Tabel 1. Komposisi dari glass Glass Sampel Glass 1 Glass 2 Glass 3 Glass 4 Glass 5
Komposisi (wt%) Fe2O3 B2O3 SiO2 0 18 12 1 17 12 2 16 12 3 15 12 4 14 12
Na2CO3 10 10 10 10 10
Bi2O3 60 60 60 60 60
Pada Tabel 2 terlihat bahwa Si mengalami peningkatan 6,1% yaitu sebelum ekstraksi terdapat 80,7% dan setelah ekstraksi menjadi 86,8%. Beberapa unsur pengotor hilang dan larut dalam HCl. Sintesis Glass Fungsional Struktur pada sistem glass B2O3Fe2O3/Bi2O3-Na2CO3-SiO2 berbentuk amorfus (disorder) dengan fase material padat. Jenis material glass memiliki puncak difraksi yang tidak jelas seperti halnya kristal. Hal ini ditunjukkan pada Gambar 1. Pengaruh konsentrasi Fe2O3 terhadap formasi struktur glass dilakukan dengan uji karakterisasi FTIR dan dihasilkan seperti Gambar 3.
Dari sistem glass pada kelima sampel glass dilakukan uji karakterisasi untuk mengetahui struktur dan dielektrik glass dengan karakterisasi XRD, FTIR, dan Kapasitansi meter DC. HASIL DAN PEMBAHASAN Ekstraksi Pasir Silika
Gambar 1. Pola difraksi XRD dari glass
Berikut data kandungan pasir hasil ekstraksi berdasarkan uji karakterisasi XRF. Tabel 2. Kandungan Pasir Bancar Unsur Conc.Unit (%) Conc.Unit (%) Sebelum Setelah ekstraksi ektraksi Si 80.7 +/- 0.3 86.8 +/- 0.04 K 6.22 +/- 0.29 5.24 +/- 0.09 Ca 4.40 +/- 0.03 2.2 +/- 0.03 Ti 1.40 +/- 0.003 0.87 +/- 0.04 V 0.01 +/- 0.01 0.03 +/- 0.006 Cr 0.12 +/- 0.003 0.14 +/- 0.01 Mn 0.12 +/- 0.005 Fe 4.23 +/- 0.007 1.16 +/- 0.02 Ni 1.96 +/- 0.03 2.68 +/- 0.04 Cu 0.25 +/- 0.007 0.36 +/- 0.009 Zn 0.03 +/- 0.01 Re 0.2 +/- 0.03 Bi 0.52 +/- 0.008 -
(a)
(b)
Gambar 2. Struktur Morfologi Glass dengan konsentrasi 1% Fe2O3 dengan perbesaran (a) 1000x (b) 100.000x
Hasil karakterisasi SEM pada Gambar 2 menunjukkan morfologi struktur glass pada perbesaran 1000x berupa permukaan halus dan tidak nampak adanya butir kristal sedangkan pada perbesaran 100.000x muncul adanya grain yang sangat kecil
berukuran nano. Adanya grain yang sangat kecil dengan ukuran yang terlihat hampir sama ini menunjukkan sampel homogen dan berfase amorf.
dielektrik 16333,80, untuk 2% Fe2O3 memiliki konstanta dielektrik 12443,77, untuk 3% Fe2O3 memiliki konstanta dielektrik 8156,71, dan untuk 4% Fe2O3 memiliki konstanta dielektrik 2837,38. Pengaruh intensitas terhadap konstanta dielektrik dapat dilihat pada Gambar 4 dimana pada pengukuran menggunakan kapasitansimeter dan perhitungan menggunakan Microsoft Excel diperoleh hubungan yang mengakibatkan perubahan konstanta dielektrik pada setiap perubahan intensitas.
Gambar 3. Infrared spectra dari glass
Dari spektrum infrared pada Gambar 3 terjadi getaran pita pada panjang gelombang 464-465 1/cm yang menunjukkan ikatan Fe-O pada unit struktur FeO6. Pada Panjang gelombang antara 475 – 479 1/cm terjadi getaran pita pada struktur Si-O-Si dan Bi-O di unit [BiO6]. Kemudian antara 702 - 705 1/cm terjadi getaran pita dalam sistem B-O-B yaitu pada gugus [BO3] triangel. Kemudian pada puncak 935 - 937 1/cm memperlihatkan bahwa pita vibrasi meregang pada unit struktur [BO4] tetrahedral. Pada getaran pita di panjang gelombang 1330 1/cm menunjukkan getaran meregang pada unit triangel [BO3] pada sistem B-O. Pada Gambar 3 terlihat pula perubahan formasi dari masing-masing glass dengan ditandai perubahan tinggi rendahnya nilai transmitansi. Pengaruh konsentrasi Fe2O3 terhadap dielektrik dilihat dengan perubahan rentang dielektrik pada intensitas yang sama yaitu 0 lux menghasilkan penurunan konstanta dielektrik. Pada konsentrasi 0% Fe2O3 memiliki konstanta dielektrik 24937,93, untuk 1% Fe2O3 memiliki konstanta
Gambar 4. Hubungan persentase konsentrasi dan dielektrik glass borosilikat
KESIMPULAN Berasarkan hasil penelitian dilakukan dapat disimpulkan: 1.
2.
3.
yang
Struktur kristal pada sampel tetap berupa glass. Hasil uji karakterisasi SEM menunjukkan glass memiliki fase amorf dengan adanya grain yang homogen berukuran sangat kecil. Struktur formasi ikatan glass mengalami perubahan dengan ditandai tinggi rendah nilai transmitansi yang berbeda dari kelima sampel. Perubahan konsentrasi dengan meningkatnya Fe2O3 mengakibatkan penurunan konstanta dielektrik glass. Perubahan intensitas cahaya dengan semakin tinggi intensitas cahaya
mengakibatkan konstanta dielektrik yang semakin meningkat dan tidak linier. SARAN 1.
2.
3.
4.
5.
Perlu dilakukan penelitian lebih lanjut oleh peneliti lain mulai dari ekstraksi pasir menggunakan larutan HCl yang lebih pekat. Proses pelelehan menggunakan krusibel high alumina agar tidak terdapat banyak impuritas pada glass. Proses penuangan dilakukan pada cetakan agar glass mudah dilepas dari krusibel. Pengukuran dielektrisitas menggunakan LCR meter agar penelitian lebih akurat dan sesuai yang diharapkan. Uji optoelektrik seharusnya dilakukan pada glass yaitu dengan menggunakan UV-VIS.
DAFTAR PUSTAKA [1] Subhadra, M., Kistaiah, P. 2010.
Characterization and Optical Absorption Studies of VO2+ : Li2O-K2O-Bi2O3-B2O3 glass system. Journal of Alloys and Compounds 505. Hal 634-639. [2] Wahyudi., Marzuki A., Cari., Adi P. 2012. Kajian Indeks Bias Kaca TBZP. Jurnal Sains Universitas Sebelas Maret. [3] Lestari, Fifi B., Zainuri, M. 2013. Pengaruh Variasi Milling Time Pasir Silika Terhadap Sifat Ketahanan Korosi Komposit Pani/SiO2 Pada Plat Baja. Jurnal Sains dan Seni Pomits Vol 1, No.1.
