KARAKTERISASI KRIST ALINIT AS BAHAN KRIST ALIN DENGAN DIFRAKSI SINAR-X

~

p~

~

N~

H~

N~

~ ~

XKt2.15~1410-f6g6

KARAKTERISASI KRIST ALINIT AS BAHAN KRIST ALIN DENGAN DIFRAKSI SINAR-X Sugondo clanMuchlis Badruzzaman

s~

P2TBDU- BATAN; Kawasan Puspiptek. Serpong-Tangerang

ABSTRAK

KARAKTERISASI KRISTALINITAS BAHAN KRISTALIN DILAKUKAN DENGAN DIFRAKSI SINAR.X. Sampel yang digunakan adalah pasir silikon dan slag tembaga. Pasir silikon digunakansebagai bahan ampelasdan slag t'3mbaga diusulkan sebagai penggantipasir silikon. Analisis unsur menunjukkankandunganlogam yang dinyatakansebagaioksida SiO2 23"10,AI203 2,27"10, dan Fe203 63"10.Sedangkan dari analisis kristal secara kwalitatifdiperoleh SiO2+ FeO + CU20di dalam pasir silikon dan SiO2di dalam slag-tembaga.Hasil karakterisasi kristalinitasdiperolehbahwa derajatkristalinitassebesar4,68"10 dimilikioleh slag tembaga,sedangkanpasir silikon derajattersebutsebesarhampir 100 "10. Kristalinitasdihitung dengan perbandinganintensitas difraktogramkrista! terhadap intensitastotal difraktogrampacta sudut Bragg 26 antara20° sampai38°. Dari derajatkristalinitastersebutbisa didugabahwaslag tembagajauhlebih Iunakjika dibandingdenganpasirsilikon.

ABSTRACT THE CRYSTALLINITYCHARACTERIZATIONOF CRYSTALLINEMATERIALSWAS CONDUCTEDBY AN X-RAY DIFFRACTION. The analized samples were silicone sand and copperslag. The silicone sand is used as an abr,lsive and the copper slag was supposedto replacethe siliconesand. Basedon the chemicalanalizes,the copperslag was composed by the oxides of SiO223%, AI2032.27%, and Fe203 63%. Meanwhile,from the crystal analyzes it was composedqualytativelyby just only Sia2 in the oopperslag. The results of the crystallinity characterizationwas found thatthe degree of the crystallinitywere 4.68%for copperslag andthe siliC()nesand almost100%. The crystallinitywas computedby the ratio of the crystal intensityto the total intensity of a diffractogramat Bragg anglerange in between200 and 38°. Based on the degree of the crystallinity,it was predictedthat the copperslag was far softerthan the siliconesand

PENDAHULUAN Kristalinitas adalah banyaknya kandungan kristal di dalam suatu bahan kristalin. Contoh bahan tersebut adalah polimer, seramik, dan batuan. sifat fisis, elektris, daD mekanis bahan kristalin berkorelasi dengan kristalinitas. Seperti pacta kain berumur 133 tahun terendam dalam laut mempunyai kristalinitas lebih rendah jika dibanding dengan kain barn yang direndam dalam air laut selama tiga bulan [3]. Holtou, J. et. al., 1994 menyatakan adanya korelasi antara komposisi polimer, titik leleh, dan tekanan luluh dengan kristalinitas untuk bahan vinilidien fluorida (VOF) polimer[5]. Korelasi kristalinitas dengan sifat luluh juga telah dipelajari oleh Seguela, R., 1994 [9]. Oi samping itu juga berkorelasi dengan laju ulur dan suhu proses cetak-tekan kopolimer polietilen dan etilen. Perubahan berat terhadap suhu dikemukakan oleh Alice, Ng.C., 1994 bahwa sampel dengan kristalinitas tinggi mengalami perubahan berat cukup berarati dengan suhu pacta bahan nilon [1]. Pengkerutan sol-gel titania berhenti pacta tingkat kristalinitas tel'tentu [8].

~,

Kristalinitas bisa ditingkatkan dengan proses ani ling, hal ini telah dibuktikan pada film tembaga-indium [4]. Mengingat fakta di atas perlu karakterisasi bahan kristalin yang kemungkinan mengandung rasa amorf. Kristalinitas bisa ditentukan dengan berbagai metoda antara lain: (I). Difraksi sinar-x (XRD) berdasarkan pola spektrum difraksi kristal daD amorf. (2). Densitas yaitu perbedaandensitas eksperimental daD densitas teoritis yang kemudian dibandingkan dengan standard. (3). Panas diferensial (DSC) yaitu membandingkan panas peleburan sampel dengan standar. (4). Resonansi magnetik inti (NMR), yaitu membandingkan resonansi sampel dengan standar. (5). Infra merah (IR), yaitu membandingkan pola spektrum infra merah sampel denganstandard. Dari beberapa metoda tersebut yang dipilih di sini adalah difraksi sinar-x sebab mempuyai beberapa keuntungan antara lain: (1). Pola difraksi berdasarkan kisi kristal sehingga hasilnya lebih akurat. (2). Preparasi cuplikan sederhana. (3). Pengukuran lebih cepat, jika

2SA~

1111

73

~~ pengukuran rutin bisa dalam orde menit. (4). Bisa ditentukan tanpa stadar. Atom dalam bahan amorf tidak tersusun secara teratur seperti dalam bahan kristalin. Ketidakteraturan sistem atom tersebut menyebabkan difraktogram Iebar (halo) pada sudut Bragg kecil yaitu antara 5° sampai dengan 40°. Sebaliknya bahan kristalin mempunyai puncak difraktogram pada sudut Bragg tertentu. Kristalinitas didetinisikan sebagai fraksi berat kristalin dalalm suatu bahan. Semakin teratur susunan atom dalam bahan, semakin tinggi tingkat kristalinitasnya. Panjang dan sudut ikatan suatu bahan menghasilkan distribusi densitas yang sebanding dengan posisi dan intensitas difraktogram. Dengan demikian jumlah integral puncak dan halo adalah konstan. Selanjutnya kristalinitas dapat dihitung dari perbandingan luas puncak terhadap luas kristal (halo + puncak). Oari kriteria tersebut di atas maka timbul beberapa metoda perhitungan kristalinitas. Kelebihan dan kekurangan masing-masing metoda tidak diuraikan di sini. Pemilihan metoda tergantung dari difraktogram yang diperoleh dari percobaan dan prasarana yang mungkin bisa dilakukan. Sebagian metoda perhitungan tersebut dirangkum oleh (Kaelb1e,E.F., 1967).

~~~~T~~~-X ~ .l;r H~ ~

Kristalinitas

= (fraksi luas kristalin)/(fraksi kristalin + luas fraksi

luas

3. Berdasarkan Gambar-l.c., dengan metoda pengurangan hamburan cacah latar trapesium, perhitungankristalinitassebagaiberikut: PersenKristalinitas ='IOO{IJ(Ic+KI.)}. Keteranl!an: Ic = intensitasdifraksi kristal I. = intensitasharnburanamort K = konstantadianggapsatu

:;-30

~ ~20

Metoda perhitungan derajat kristalinitas denganpola difraksi sinar-x

~

iG: 10

:

Backgraundscattering

.,

I. Berdasarkan Gambar-l.a., dari difraktogram bisa dihitung kristalinitas dengan formula perhitungan sebagaiberikut:

8

12 "

2:;

,..

~

28

..

32

. 36

X-ray diffraction angle (20) Gambar-1c: Contoh difraktogram untuk perhitungan kristalinitas dari bahan polietilen tereftalat

(W. /WI:) = K {I. /(1100 +1200)} Keterangan: W. = fraksi beratamorf Wb= fraksi beratkrista! I. = intensitasamorf Ihkl= intensitaskristal K =Konstanta(I/Ic) padaJCPDSataudianggapsarna dengansatu

4. Berdasarkan Gambar-l.d., dengan perbandingan tinggi puncak maka kristalinitas sebagaiberikut: Kristalinitas

= I -Tinggi

puncak kristal

dibagi tinggi puncak total

2. BerdasarkanGambar-l.b., hamburanamort melebar di bawah puncak kristal, dengan perhitungan sebagai berikut: I

.~

.~

OJ

:s

~ ..

~

~

14.

I'

18.

ZO'

22.

24.

26.

28'

]0'

OififactlM o-.lt 1281

Gambar-1d: Contoh difrakto~vam untuk perhitungan kristalinitas dari bahan rayon

Gambar-1a: Contoh difraktogram untuk perhitungan kristalinitas dari bahan polipropilen

74

~I

2SA~

1111

~

K..t ~

~ ~

Kristalinitas

1. Preparasi Cuplikan Sampel diterima berupa granular berukuran < 2 rom. Sebagian granular dihaluskan dengan "Mirko Mill". Serbuk yamg diperoleh diayak sampai melewati ayakan 325 mesh (45 ~m). Preparasi serbuk ini sesuai dengan ASTM 0934.80. Selanjutnya serbuk dicetak tekan pada tempat cuplikan difraktometer.

= (Iu -I.) / (Ie -I.)

Iu adalah intensitas sarnpel Iaadalah intensitas amorf Ic adalah intensitas kristal

.tan.ard

.

2. Instrumen Instrumen

I.-I.

.\

.. 1

1;::.

",1Iir ~) t,'j ~ ~ .."

"""~

\'~ i;, ,.

~

f" -f.

;';:;"CryJtalline .tandard X-ray diffraction ang~ (20)

Gambar -1 e: Contoh difraktogram untuk perhitungan kristalinitas dari bahan pofietilen tereftalat

mengalami

perubahan

dalam

digunakan

adalah

3. Scanning Cuplikan Cuplikan diskaning pada interval sudut Bragg (20) antara 5° (d = 17,673 A O)sampai dengan 20 90° ( d = 1,0902 A O) dengan laju skaning = 0.2 o/detik. Sinar-x dari target Cu berpanjang gelombang (A.)= 1.5405 AO.

Metoda tersebutmasihrelevansampaisekarang walaupun

yang

Difraktometer sinar-x Schimatzu dengan generator berkapasitas 1300 W untuk mensuplai power tabung sinar-x bertarget tembaga. Sinar-x yang dihasilkan dilewatkan filter melalui slit 1° selanjutnya sinar terdifraksi dilewatkan :;Iit 0.2°. Pulsa yang diperoleh di proses dalam suatu analisator dan akhimya menghasilkan difraktogram berabsis sudut Bragg (28) dan berordinat intersitas (I). Interval sudut Bragg difraktogram antara 5° sampai dengan 70°

Unknown

".-

~-X

g..~.

TATA KERJA

Keterangan

Amorphoul

T~ ~ k.. H~

S2 ds = faktor volume: yang ditentukan oleh 2 sin 8/A, A adalah panjang gelomtlang dalam A 0

5. Berdasarkan Gambar-l.e., dengan standar amorf dan kristal maka cuplikan bisa dibandingkan dengan formula sebagai berikut:

hat

komputerisasi. Seperti yang ditunjukkan oleh Andrew,M.W., 1986denganformulasi[8] :

HASIL DAN PEMBAHASAN

Kristalinitas = (Itensitas amort)/Intensitas total

total

Pasir silikon

Intensitas

Difraktogram pasir silikon mempunyai 13 puncak, Gambar-2 dan Tabel-l, pada interval 28 antara 10° sampai dengan 70°. Tiga puncak berintersitas dominan pada 28 = 26.464° ( d = 3.3651 AO); 28 = 50.008 ( d = 1.8223 AO); dan 28 = 20,693 ( d = 4.2886

i

,

Sedangkan James,M.R., 1986 menghitung denganfonnula [6] :

!

Kristalinitas = Intensitas kristal/Intensitas total Jika dinyatakan dengan formula matematis adalah sebagaiberikut: oX)

XCR

-0 -oX)

fS2/ds 0

Keterangan XCR= fraksi berat kristalinitas ICR = intensitas koheren kristalin f = faktor hamburan 0 = konstanta disorder Ruland

~, :

A O). Dari difraktogram SiO2 standar JSPDS ketiga puncak tersebut terletak pada 28 = 20.836° ( d = 4.2535 AO); 28 = 26.646° (d = 3.3422 AO); dan 28 = 50.170 (d = 1.8177 A O). Perbedaan posisi sudut Bragg difraktogram standar dengan sampel dari ketiga puncak tersebut secara berurutan sebagai berikut 0,182° (0.683%); 0.162° (0.323%); 0.143 (0.686%). Perbedaan tersebut terlihat pada himpitan puncak difraktogram sampel dengan standar pada Gambar-2.b. Walaupun demikian fakta tersebut sudah bisa digunakan untuk memutuskan bahwa di dalam pasir silikon terdapat mayoritas kristal SiO2 ( d -kwarsa). Jika dibandingkan dengan puncak difraktogram FeO yang mempunyai t~a posisi puncak utama pada 28= 41,9916° (d=2, 15 A O); 28= 40,4630° (d=2,49 A O) dan 28= 66,2846° (d= 1,52 A O) bisa dikatakan berhimpitan dengan puncak difraktogram pada 2(;)= 42,314°

f S2 I cRds

IDd." ~

~

2S" A~

1111

75

~~

~~~~T~~~-X ~

;

H~

g..,l.~.

(d=2,4668 AO); 28 = 42,314° (d=2,1341 AO); dan 28 = 59,779° (d=I,5457 AO) dengan demikian maka sampel mengandung kristal CU20. SIal! tembal!a Tabel 2: Data analisis spektrum difraksi sinarx slag tembaga dengan target Cu. Gambar-3: (a) Spektrum difraksi sinar-x slag-tembaga dengan target Cu. (b). Himpitan puncak spektrum Cu-slag dengan standar SiO2 dan Fe304. (c). Puncak spektrum standar SiO2. (d). Puncak spektrum standar Fe304 (JCPDS 19629). ,'oJ...,

I

I

,

!

!"I,I-

(a)

~~4~ ..1

Gambar-2: (a) Difraktogram difraksi sinar-x pasir silikon dengan target Cu. (b). Hompitan puncak difraktogram pasir silikon dengan puncak difraktogram standar SiO2. (c) Puncak difraktogram standar JCPDS SiO2

1

Unknown Profile

~

1 ..'.I

I..I:

J..

Unkonown peaklines

~

~

.~

c~

,

(b)

~

...

.lIi

Standard peaklines Tabel1

Data analisis spektrum difraksi sinar-x Si-Sand denQan tarq~ Cu.

I' ',"I.""r'.""'"

..:.

'I

If

L"""":""i'.'\'."."""'."'.~

I

".I:... '.'J ."

,

If

'.J"""",!

..111"~

IJ

-..J.

(c)

S,02 peaks 1: A ..77

[_11J_11.15 .0490 (d)

FeJO.peaks Diffr4lctionaJI!:1e (29)

Jika dibandingkan dengan puncak standar CU20 (cuprite) yang mempunyai tiga puncak utama pada 28 = 40,7906° (d=2,47 AO); 28= 47,0806° (d=2,14 AO); dan 28= 66,7236° (d= 1,51A O) puncak tersebut berhimpitan

dengan puncak difraktogram pada 28 =

76

Gambar-3: (a). Spektrum difraksi sinar-x Cu-slag dengan target Cu. (b) Himpitan puncak spektrum Cu-slag dengan puncak spektrum standar SiO2 dan Fe304 (c). Puncak difraktogram standar SiO2 dan Fe304.

36,389°

~I

2: A -38 19-829

2SA~

1111

~

-Gravimetrl

~

~

g..t ~

~ ~.l

Tabel2.

Data analisis spektrum difraksi difraksi sinar-x Cu-slaa denaan t~raet Cu.

Peak

2e

Nn

deg

~

42.47

2 3 4 5

Al203

2.51 .13

2.50

34.01

~ ~

9 10

31.31

rr83

67 69

Cr203

87

Cu

67

Cd

2.76

31.32

~I

,

MnO2

Si

77

~~

~

K20 Na20

38

~ 2.71

8

~

CaD

45

~

~ ~

~~

49

~

32.49

I

TiO2

~

35.90

6 7

Fe203

48

n.07

Kandungan %

2.99

~-X

H~~~. Metoda

SiO2

1/1,

d Ao

43.62

Senyawa

T~ ~

Ni Zn

~M

~ ~ ~~~

AAS Titrimetri Spektrofotometri AAS AAS AAS AAS AAS

I

AAS AAS

~

AAS

~-

AAS

~

O,QL

AAS

.I

AAS

II

12 13 14 15 16

29J"j

3.04

27.93

~

27.08

~!

-w:ss-

~

64

Perhitun~an persenkristalinitas

64

~

4.25

58

Si-Sand

78

Dari Gambar 2.a. terlihat bahwa difraktogram Si-sand tidak terdapat halo (puncak lebar) pada sudut

50

rendah dan juga sudah diterangkan pada paragraf

Halo difraktogram slag tembaga terletak pada interval 28 antara 20° sampai dengan 38°. Keluaran analisis komputer memberikan puncak difraktogram sebanyak 16 puncak. Tetapi puncak no 6 sampai dengan no 14 tidak mempunyai lebar puncak setengah maksimum (FWHM), seperti terlihat pada Tabel 2 Puncak-puncak tersebut berada di daerah halo yang merupakan puncak subkristalit. Pada daerah halo juga terjadi hamburan dari rasa amorf. Dengan demikian pelebaran puncak pada halo merupakan sumbangan dari subkristalit dan rasa amorf. Puncak difraktogram SiO2 standar dihimpitkan dengan difraktogram sampel. Hasil himpitan terlihat pada Gambar-3.b. Beberapa puncak sampel berhimpitan dengan puncak standar. Ketiga puncak utama standar SiO2 yaitu pada puncak 28 20,838° (d=4,2535 A O); 28=26,646° (d=3,3422 AO) dan 28=50,170° (d=I,8177 A O) berhimpitan dengan puncak sampel pada 28=20,693 (d=4,2886 AO); 28= 26,464 (d= 3,3651 AO); dan 28=50,008 (d= 1,8223 AO). Dari fakta tersebut dapat diambil kesimpulan bahwa dalam slag tembaga terdapat kristal SiO2. Puncak difraktogram sampel juga dibandingkan dengan puncak standar Fe304. Ketiga puncak utama difraktogram tidak berhimpitan dengan puncak difraktogram sampel. Maka dari fakta ini bahwa sampel tidak mengandung kristal Fe304. Dari analisis kimia diperoleh unsur yang dinyatakan sebagian dalam oksida yang mayoritas mengandung senyawa sebagai berikut: SiO2 23%, AI2O3 2,27%, dan Fe20363% (Tabel 3)

sebelumnya bahwa halo terbentuk dari senyawa amorf. Dengan demikian bahwa Si-sand hampir tidak

mengandungsenyawa amorf, sedangkan kandungan kristal dinyatakan dengan istilah kristalinitas yaitu perbandingan antara fraksi berat kristal dengan fraksi berat amorf. Dengan demikian maka kristalinitas Sisand bisa dikatakan 100%. Slag Tembaga Kristalinitas dihitung dari perbandingan luas puncak kristal terhadap luas puncak total ( Kristal + amorph). Luas tersebut dihitung dengan pendekatan luas segitiga. Pendekatan ini memang menimbulkan koreksi yang besar tetapi pendekatan ini sederhana clan mudah dimengerti. Perlu diketahui bahwa perhitungan tersebut sifatnya relatifbukan absolut. .Puncak kristal yaitu puncak pada sudut 20.847°; 26,618°; 33,004°. .Hamburan amorph mulai dari sudut 20° sampai dengan38° .Metoda perhitungan mengikuti perbandingan luas puncak kristal terhadap luas puncak total (kristal + amorph) yaitu metoda III. .Perhitungan luas denganpendekatan segitiga. .Keterangan: indek "I"; "2"; "3" adalah puncak pertama, kedua dan ketiga sedangkan indek "a" adalah pengganti amorph. "t" adalah tinggi segitiga, "L" ialah alas segitiga, clan "A" adalah luas segitiga atau luas puncak. 1. Luas Hamburan ta = 20 dan La = 115 maka Aa = 57.5 X 20 = 1150

Tabel3: Data analisis kimia slag-tembaga

~,

2SA~

1111

[6]. [2].

~~

~~~T~~~-X ~~H~~~.

2. Luas puncak-1 tl = 14 dan Ll =4 makaAI =2 x 14 =28

{3]. 3. Luas puncak-2 t2= = 12 dan L2 = 3 maka A2 = .Sx 12= 18 4. Luas puncak-3 t3 = 7 dan L3 = 3 maka A3 = 1.5 x 7 = 10.5

464. [4].

Totalluas puncakkristal = 56.5 Totalluas puncakkristal danamorph= 1206.5

[5].

Jadi % kristalinitas slag tembaga = 56.5/1206.5= 4.68% Dari perhitungan diperoleh persentasi kristalinitas slag tembaga sebesar4.68%. Sehingga dapat dikatakanbahwa Cu-slag bukan senyawakristal melainkansenyawaamorph. KESIMPULAN I. Si-sandtersusunmayoritasdari SiO2 dan penyusun minoritas adalah FeO dan CuzO kristal degan kristalinitashampir100%. 2. Cu-slaghanyamengandungsedikit kristal SiO2 dan kemungkinanada kristal Fe304 dengankristalinitas sebesar4.68%.

78

[7J. [8]

[9]

DAFTARPUSTAKA [1].

ray Diffraction, Advances in X-ray Analysis, Vol 29, Plenum Press,New York, 1986, hal 281-290. Foreman,D. W. daD Jones,K.A., X-ray Diffractometric Measurement of Microcystallite Size, Unit Cell Dimensions, and Crystallinity: Application to Celluloic Marine Textiles, Textile ResearchJournal V63, 8 Agustus 1993, hal 455-

Alice,Ng.C.W., Bellinger,M.A., dan Machknight,W.J., Macromolecules,Vol 27 (23), 7 Nov. 1994,haI6942-6947. Andrew, M.W. et. al., ComputerCapability for the Determinationof PolymerCrystallinity by X-

~,

2SA~

Guillen,C. daD Herrero,J., Journal of Electrochemical Soc., Vol 141, I January 1994, hal225 -230. Holtou, J., Bolmer,M. daD Schlinguer, B., Estimating Pipe Burst Properties of VDF Based resins, Proceedings of the 52nd Annual Technical Conference ANTEC 1994 Part3, Soc. of Plastics Engineers, Brookfield, CT, USA, haI3377-3381. James,M.R. dan Anderson, D.P., Detennination of Crystallinity in Graphite Fiber-Reinforced Thennoplastic Composites, Advances in X-ray Analysis, Vol. 29, Plenum Press, New York, 1986, haI291-303. Kaelble,E.F., Hanbook of X-ray, Mc Graw Hill, New York, 1967, ha121.5 -21.10. Keddie, J.L., Braun,P. V., daD Giannlis, E.P., Interrelationship Between Densification, Crystallization, and Chemical Evolution in SolGel Titania Thin Film, Journal of the American Ceramic Soc., Vol. 77, 6 June 1994, hal 15921596. Seguela,R. daD Dorras, 0., "Phenomenological Aspects of the Double Yield of Polyethylene and Related Copolymers Under Tensile Loading", Journal of Materials Science, Vol.29 (20), 15 Oct. 1994, hal 5342-5352.

1'i'i'i

Ke Daftar Isi