PENGARUH KONSENTRASI NIKEL DAN KLORIDA TERHADAP
PROSES ELEKTROPLATING NIKEL Mentik Hulupi Agustinus Ngatin Teknik Kimia, Politeknik Negeri Bandung Jl. Gegerkalong Hilir, Ds. Ciwaruga, Bandung E-mail:
[email protected]
Abstrak Proses elektroplating nikel dipengaruhi oleh beberapa variabel kondisi proses seperti rapat arus, suhu, konsentrasi elektrolit, waktu proses, pengadukan /agitasi. Variabel tersebut mempengaruhi proses mapun hasil lapisan. Penelitian ini bertujuan untuk mempelajari pengaruh rapat arus dan konsentrasi larutan nikel. Penelitian dilakukan dalam skala laboratorium dengan volume elektrolit 1,0 liter dan ukuran benda kerja 2,5 x 7 cm 2 . Rentang rapat arus yang digunakan adalah 3 A/dm 2 s.d 15 A/dm2 dengan konsentrasi nikel 110 g/L dan 127,5 g/L. Pada rapat arus 6 A/dm2 dan 9A/dm2 dipakai untuk mempelajari pengaruh konsentrasi nikel dengan rentang konsentrasi 72,5 g/L s.d 145 g/L.Kondsi operasi meliputi suhu 55 0C, waktu proses: 11 menit, dan pH larutan elektrolit 4,5. Hasil penelitian menunjukkan bahwa pada konsentrasi nikel 110 g/L dan 127,5 g/L dengan rapat arus 3 A/dm2 s.d 15 A/dm2 dihasilkan laju pelapisan nikel semakin meningkat dengan efisiensi proses tertinggi pada rapat arus 6 A/dm2 dengan efisiensi 99 %. Untuk rapat arus 6A/dm2 dan 9A/dm2 dengan konsentrasi nikel 72,5 g/L s.d 145 g/L dihasilkan laju pelapisan nikel mencapai maksimum pada konsentrasi nikel 127,5 g/L dengan laju pelapisan 33,6 mg/menit untuk rapat arus 9 A/dm2 dan 21,8 mg/menit untuk rapat arus 6 A/dm2. Efisiensi proses pelapisan nikel pada rapat arus 6 A/dm2 lebih tinggi daripada menggunakan rapat arus 9A/dm2 dan efisiensi proses mencapai 99 % untuk ke dua rapat arus pada konsentarsi nikel 127,5 g/L. Kata kunci : Elektroplating, konsentrasi, rapat arus, efisiensi
Pendahuluan Proses elektroplating nikel bertujuan untuk melindungi logam khususnya logam baja dari serangan korosi dan untuk tujuan dekoratif agar lebih menarik dan mempunyai nilai ekonomis yang tinggi(1). Proses pelapisan logam ini dilakukan dengan sistem lapis listrik dimana logam pelapis dalam hal ini nikel bertindak sebagai anodaUmumnya, logam yang dilapisi nikel secara elektroplating adalah logam besi atau baja yang merupakan material logam yang rentan terhadap, sedangkan benda kerja yang dilapisi sebagai katoda, kedua elektroda tersebut dicelupkan dalam suatu elektrolit yang mengandung nikel sulfat(2). korosi akibat berinteraksi dengan lingkungan dan logam ini banyak digunakan untuk membuat peralatan rumah tangga dan industri automotif. Proses elektroplating nikel dipengaruhi oleh beberapa variabel kondisi proses seperti rapat arus, suhu, konsentrasi elektrolit, waktu proses,
pengadukan /agitasi, dan lain lain. Penelitian ini mempelajari pengaruh rapat arus dan konsentrasi larutan nikel, sedangkan variabel lain tetap. Konsentrasi nikel berasal dari garam atau senyawa nikel sulfat (NiSO4.5H2O) dan nikel klorida (NiCl2.6H2O) dengan perbandingan 4:1. Variabel rapat arus dan konsentrasi dipilih karena keduanya sangat mempengaruhi proses dan hasil lapisan nikel. Rapat arus sangat berpengaruh terhadap proses elektroplating nikel dengan semakin besar rapat arus maka jumlah nikel yang terlapiskan ke dalam material (benda kerja) semakin banyak, tetapi belum tentu menghasilkan lapisan yang baik, begitu juga dengan konsentrasi nikel semakin meningkat dapat meningkatkan lapisan nikel pada benda kerja(2). Adapun tujuan penelitian ini adalah mempelajari pengaruh rapat arus dan konsentrasi nikel terhadap hasil pelapisan elektroplating nikel, mendapatkan kondisi terbaik berdasarkan rapat 735
Journal of Refrigeration, Air Conditioning and Energy
arus 3 s.d 15 A/dm2 dengan waktu proses 11 menit dan suhu proses 55 0C. Kondisi yang terbaik artinya mempunyai efisiesni proses tinggi, daya rekat baik, lapisan halus dan merata, serta tidak terdapat bercak hitam. Efisiensi proses dihitung berdasarkan hubungan hukum Faraday dengan hasil lapisan yang sebenarnya.(Dennis : 1986) , yang dirumuskan dengan persamaan Ef=(beratnyata/beratteoritis ) x 100% (1) Berat teoritas dihitung berdasarkan persamaan Faraday , yang dinyatakan dengan: m = (ArL.I.t/nF) (2) dengan m = massa lapisan ; ArL : massa atom realatif logam, I : arus yang digunakan, t: waktu proses , n: jumlah elektron yang terlibat (misal n nikel = 2), F : bilangan Faraday yang untuk besarnya : 96500 C/ek.K). Berdasarkan massa lapisan nikel yang terdapat di permukaan benda kerja dapat ditentukan tebal lapisan. Tebal lapisan dapat diukur atau ditentukan dengan menggunakan persamaan Tebal lapisan = V/A, (3) dan V = m/d (4) dengan : V : Volume lapisan, a: luas permukaan benda kerja, m: masa lapisan d : densitas nikel yang besarnya 8,90 g/Cm3.
Metode Penelitian ini dilakukan di laboratorium menggunakan peralatan yang sederhana dengan volume tangki 1 liter dan luas permukaan benda kerja 2,5 cm x 7 Cm menggunakan elektroda nikel dan rectifier dengan arus maksimum 2 A. Peralatan elektroplating nikel secara sederhana ditunjukkan pada Gambar 1 berikut ini.
Gambar 1. Proses Elektroplating Nikel Pada proses elektroplating nikel, benda kerja atau material yang akan dilapisi dihubungkan dengan katoda (kutub negatif) dan nikel sebagai elektroda dihubungkan dengan anoda (kutub positif), yang keduanya dicelupkan ke larutan elektrolit yang berisi ion nikel (Ni2+), maka setelah ke dua elektroda dialiri arus selama waktu tertentu akan terjadi lapisan di katoda atau benda kerja.. Benda kerja perlu dilakukan pretreatment sebelum dilakukan proses elektroplating yaitu mengalami perlakuan mekanik untuk menghilangkan kotoran, proses degreasing dalam larutan natrium hidroksida 10% untuk membersihkan lemak yang terdapat di permukaan benda kerja, dan pickling dalam larutan asam klorida 10% untuk menghilangkan karat.
Hasil dan Pembahasan Pengaruh Rapat Arus elektroplating Nikel
terhadap
Proses
Ion nikel yang terdapat dalam larutan atau bak plating berasal dari senyawa nikel sulfat (NiSO4.6H2O) dan Nikel klorida (NiCl2.6H2O) dengan perbandingan 4:1 Ke dalam campuran tersebut ditambahkan asam borat 50 g/L berfungsi untuk mempertahankan pH larutan an ditambahkan bahan aditif atau pengkilat. Kondisi operasi dilakukan pada suhu 55 0C dengan waktu proses 11 menit, dan pH larutan sekitar 4,5. 736 Journal of Refrigeration, Air Conditioning and Energy
laju pelapisan (mg/mnt)
35 30
100
98
85
80
100
80
60
40
120
Efisiensi Proses (%)
Pada variasi rapat arus 3A/dm 2 s.d 15 A/dm2 dengan konsentrasi nikel sebagai ion nikel (Ni 2+) 72,5 dan 110 g/L dihasilkan laju penambahan massa lapisan per waktu (Δm/menit) ditunjukkan pada Gambar 2. Berikut
40
20,9
20
15,9
0
25 20 15
110 g/L
0
2
4
6
8
10 12 (A/dm2) 14 Rapat arus
127,5 g/L
Gambar 3 Pengaruh rapat arus vs efisiensi proses
10 5 0 110 g/L 0 127,5 g/L2
4
6
8 Rapat10arus (A/dm2) 12
14
16
Gambar 2. Pengaruh rapat arus vs laju pelapisan
Berdasarkan Gambar 3 ditunjukkan bahwa efisiesni proses untuk elektroplating nikel lebih besar dari 80 %. Hal ini menunjukkan bahwa elektroplating nikel cukup baik dan elektif.. Mekanisme pelapisan nikel di permukaan benda kerja ditunjukkan seperti Gambar 4. berikut ini
Berdasarkan Gambar 2 ditunjukkan bahwa kenaikan rapat arus menyebabkan laju pelapisan nikel semakin cepat. Hal tersebut disebabkan rapat arus semakin meningkat menyebabkan arus yang mengalir melewati elektroda semakin cepat dan mengakibatkan gerakan ion-ion nikel di dalam elektrolit semakin cepat , maka laju pelapisan nikel di permukaan benda kerja semakin bertambah (2). Peningkatan laju pelapisan nikel di permukaan benda kerja ini tidak menunjukkan peningkatan efisiensi proses elektroplating, tetapi efisiensi menjadi kondisi maksimum pada rapat arus 6 A/dm2 baik untuk konsentrasi nikel 110 g/L maupun 127,5 g/L seperti ditunjukkan pada Gambar 3 berikut ini.
Gambar 4. Mekanisme pelapisan nikel secara elektroplating [ ]
737 Journal of Refrigeration, Air Conditioning and Energy
16
Berdasarkan mekanisme reaksi tersebut, bahwa peoses pelapisan nikel pada benda kerjadi pengganggu yaitu dihasilkannya gas hidrogen (H2) di permukaan logam, yang dapat mempengaruhi hasil pelapisan. Untuk itu maka selama proses pelapisan diperlukan pengadukan larutan agar gas yang terbentuk di permukaan benda kerja dapat dengan cepat meninggalkan dan tidak menempel di permukaan benda kerja.
Pengaruh konsentrasi nikel terhadap proses pelapisan nikel Kondisi proses yang dipelajari adalah rapat arus 6A/dm2 dan 9 A/dm2 dengan variasi konsentrasi nikel 72,5 g/L, 90 g/L, 110 g/L, 127,5 g/L dan 145 g/L pada suhu 55 0C dan waktu proses 11 menit. Ke dalam larutan ditambahkan asam borat berfungsi untuk menjaga pH larutan di sekitar 4,5 . Rapat arus 6 A/dm2 dan 9 A/dm2 dipilih karena pada kedua rapat arus tersebut mengahsilkan efisisien maksimum pada percobaan di atas.
40 35 Laju Pelapisan (mg/mnt)
Berdasarkan Gambar 4 ditunjukkan bahwa di kedua elektroda terjadi reaksi, yaitu di elektroda positip ( anoda) terjadi pelarutan logam nikel menjadi ion nikel (Ni2+) berarti elektroda nikel mengalami penipisan dan semakin berkurang sebanding dengan waktu proses. Sebaliknya di elektroda negatif (katoda) yang merupakan benda kerja terjadi pelapisan nikel, yaitu ion nikel (Ni 2+) menjadi atom-atom nikel. Pada elektroplating nikel digunakan air sebagai pelarut dan elektrolit nikel (II) sulfat dan nikel (II) klorida terjadi mekanisme reaksi berikut (2). Di katoda melibatkan reaksi Ni Ni 2+ + 2e 2H2O + 2e H2 + 2OH Di Anoda (elektroda Ni) melibatkani Ni Ni 2+ + 2e H2O ½ O2 + 2H+ + 2e 2Cl Cl2 + 2e
33,6
30
27,2 21,8 22,7 19,1 20,916,4 12,7
25 20 15 10 5 0 60A/dm2 9 A/dm2
50
100 150 Konsentrasi Nikel (mg/L)
200
Gambar 5 Pengaruh Konsentrasi Nikel vs Laju Pelapisan Nikel Berdasarkan Gambar 5 ditunjukkan bahwa peningkatan konsentrasi nikel akan menaikkan laju pelapisan nikel dan mencapai laju pelapisan nikel tertinggi pada konsentrasi 127,5 g/L. Hal tersebut disebabkan konsentrasi nikel di dalam larutan elektrolit semakin meningkat berarti jumlah ion nikel semakin banyak, sehingga gerakan ion-ion semakin rapat , maka gerakan ion menuju katoda (benda kerja) semakin cepat. Pada konsentrasi di atas 127,5 g/l laju pelapisan mengalami penurunan kemungkinan disebabkan semakin rapat dan semakin cepat gerakan tetapi menghasilkan atom-atom atau butiran-butiran nikel di permukaan benda kerja kurang efektif sehingga laju pelapisananya menjadi turun. Jika ditinjau berdasarkan efisiensi proses peningkatan konsentrasi nikel juga menunjukkan hal yang sama, yaitu efisiensi proses tertinggi dicapai pada konsentrasi 127,5 g/L nikel seprti ditunjukkan pada Gambar 6 berikut.
Laju pelapisan yang dihasilkan pada rapat arus 6A/dm2 dan 9 A/dm2 dengan variasi konsentrasi nikel 72,5 g/L s.d 145 g/L ditunjukkan pada Gambar 5 berikut ini.
738 Journal of Refrigeration, Air Conditioning and Energy
120
100 99
Efisiensi Proses (%)
100
80
nikelsemakin meningkat dengan efisiensi proses tertinggi pada rapat arus 6 A/dm2 dengan efisiensi 99 %. Untuk rapat arus 6A/dm2 dan 9A/dm2 dengan variasi konsentrasi nikel dalam larutan 72,5 g/L s.d 145 g/L dihasilkan laju pelapisan nikel mencapai maksimum pada konsentrasi nikel 127,5 g/L dengan laju pelapisan 33,6 mg/menit untuk rapat arus 9 A/dm2 dan 21,8 mg/menit untuk rapat arus 6 A/dm2. Efisiensi proses pelapisan nikel pada rapat arus 6 A/dm2 lebih tinggi daripada menggunakan rapat arus 9A/dm2 dan efisiensi proses mencapai 99 % untuk ke dua rapat arus pada konsentarsi nikel 127,5 g/L.
70
73
81
60 40
20 0 6 A/dm2 0 9 A/dm2
50
100 150 Konsentrasi Nikel (g/L)
200
Gambar 6 Pengaruh Konsentrasi nikel Vs Efisiensi Proses Berdasarkan gambar 5 dan 6 ditunjukkan bahwa rapat arus 6 A/dm2 memperlihatkan laju pelapisan nikel dan efisiensi proses lebih tinggi dibandingkan dengan rapat arus 9 A/dm2. Hal ini disebabkan dengan peningkatan rapat arus menunjukkan arus listrik yang mengalir melewati elektroda lebih besar, tetapi kurang efektif mengahsilkan lapisan, dan dengan rapat arus yang besar dapat mengahsilkan butiran yang besar dan berwarna hitam, serta meningkatkan pengendapan logam yang kurang mulia (Hartomo: 1999) Pada elektroplating nikel menggunakan elektrlit dari garam nikel klorida bertujuan untuk menambahkan ion klorida ke dalam elektrolit. Dalam elektroplating nikel ion klorida dapat berfungsi untuk mencegah pasivitas di permukaan anoda sehingga arus yang keluar dari anoda menjadi besar dan lebih efektif (4).
Daftar Pustaka (1) Agus Solehudin, Leni Juwita,”Simulasi Proses Pelapisan Logam Nikel Dekoratif untuk Meningkatkan Kualitas Produk”, Majalah Ilmiah Kartika Wijayakusuma, vol.10, No.1, Pebruari 2002, hal.40-46 (2) Anton J.Hartono, Tomijiro Kaneko, Mengenal PelapisanLogam, Yogyakarta, 1999 (3) ASTM B 183-79, (1984). Standard Practice for Preparation of Low carbon Steel for Elektroplating, NACE (4) Dennis, K dan Such.T.E., (1986). Nickel and chromium Plating, London: butterword & Co.Ltd. (5) Gabe Dr,BSc,MMet,PhD, (1978), Principles of Metal surface Treatment and Protection . 2 nd ed, New York : Pergamon
Kesimpulan Berdasarkan variabel yang dipelajari pada proses elektroplating nikel dapat disimpulkan bahawa rapat arus dan konsentrasi nikel mempengaruhi proses elektroplating nikel. Pada konsentrasi nikel 110 g/L dan 127,5 g/L dengan rapat arus 3 A/dm2 s.d 15 A/dm2 dihasilkan laju pelapisan 739 Journal of Refrigeration, Air Conditioning and Energy
