Daftar isi ISSN 0216 - 3128
184
Parikill, dkk
KARAKTERISASI SIFAT TERMAL, STRUKTUR KRISTAL DAN WARNA PROD UK BAKAR CLAY-SINDANGLAUT Pari kin, M. Dani, A.H. Ismoyo, A. FisH dan S. Sugiyantoro Puslitbang IPTEK Bahan BATAN, Serpong
ABSTRAK KARAKTERISASI SlFAT TERMAL, STRUKTUR KRISTAL DAN WARNA PRODUK BAKAR CLAYSINDANGLAUT. Dalam makalah ini dilaporkan hasil identifikasi awal pengaruh temperatur pembakaran terhadap produk clay-Sindanglaut. Penelilian ini sebagai studi awal dalam usaha inovatif pembuatan produk clay berestetika wama alami. Penumbuhan wama tanpa menggunakan bahan additif colorant lain dengan tujuan dapat menekan biaya produksi semaksimal mungkin. Bahan clay mumi diramu sederhana dengan campI/ran air secukupn)"a. Cuplikan dicetak berbentuk lempengan kecil dan dikeringkan dalam temperatllr nwng kurang lebih 2-3 hari. Clay dibakar dengan laju standar 14 'C/menit selama 12 jam dalam furnace pada temperatur 700 "C-II 00 "C. Karakterisasi awal dilakukan via sifat termal (STA), struktur kristal (XRD) dan wama bakar disesuaikan degradasi wama cat di pasaran. Hasil studi menunjukkan bahwa se/ain impuritas (CaC03, FeJ03 and SiO~, clay-Sindanglaut mengandung mineral clay: kaolillit, illit dan montmorillonit, sedang dari produk bakar memperlihatkan degradasi warn a produk clay berubah dari coklat tua hingga merah bata dan coklat-hilam keperakan. Disimpulkan bahwa temperatur pembakaran dapat menumbuhkan wama yang berlainan pada produk clay-Sindanglaut. Kata Kllllci: clay, sifat termal, struktur kristal, temperatur bakar dan wama alami.
ABSTRACT CHARACTERIZATION OF THERMAL PROPERTIES, CRYSTAL STRUCTURE AND COLOUR OF CLA YSINDANGLA UT FIRING PRODUCTS. In this paper, we report on the preliminary research work to develop an illllOvative process by which aesthetically natural co lOllred clays could be manufactured. The objective is to bring out the natural colours of the clay products without the aid of any additive colorant agents, thus minimizing production costs. Pure natural clay material was prepared by mixing clay with a sufficient amount of water, and then moulded into the bulk forms. The samples were dried in air at room temperature for a period of 2-3 days. The clays were, then, fired for 12 hours in an automated standard fumace at a heating rate of 14 'C/minutes at between 700 "C and 1100 "C. The characterization was conducted via thermal (heat flow) and physical (structure and colour) properties. The' results show that besides of impurities (CaC03, FeJO.l and SiO~, the Sindangla/lf clay consists of kaolinite. illite and montmorillonite (clay minerals), and the colour degradation of firing products occurred from dark brown 10 red brown and silver black-brown. As a conclusion, the variations in the firing temperature can affect the colour changes of the Sindanglaut-clay products. Keywords: clay, thermal properties, crystal structure,firing
PENDAHULUAN Claymerupakan atau sering liat/lempung salahdisebut satu tanah komponen dasar keramik tradisional[l], yang ditambang dari lokasi keberadaannya. Clay adalah mineral hidrat AI2Si205(OH)4; di alam aluminium silikat, ditemukan berwarna hitam, merah dan coklat (krem), berstruktur menyerupai piringan ceper dengan ukuran butiran sangat halus. Struktur piringan ini mampu memberikan sifat plastis saat dibentuk dalam keadaan basah, dan sangat kuat ketika sudah kering dan setelah dibakar, seperti kebanyakan produk keramik tradisional; batubata, genteng, poselin dan barang-barang sanitari. Clay biasa dipergllnakan llntuk mcmproduksi bahan-bahan struktur di atas dikenal sebagai clay non-refraktoriI2J. Bahan ini berpasir
temperature, natural colour.
dan mengandung sejumlah pengubah (fluxes); seperti oksida logarn dan lain-lain. Meskipun tidak ada spesifikasi khusus dalam pernbuatan bahan penyusun clay, sifat-sifat produk yang ingin ditampilkan, dapat direkayasa dari pengaturan pencampuran dan temperatur pembakaran pada proses pembuatannya. Sifat bahan clay selain plastis, susut kering dan susut bakar, kandungan garam terlarut, juga tak kalah penting; pertumbuhan warna mclalui variasi komposisi (oksida logam). Pewarnaan produk clay ini dapat juga dilakukan melaJui perbedaan temperatur bakar. Selama proses pembakaran warna clay dapat berdegradasi sesuai penerapan temperatur pada proses pembakaran produk. Dalam makalah ini dipaparkan identifikasi awal clay-Sindanglaut dan scjauh mana temperatur pembakaran mcmpengaruhi penumbuhan warna
Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 8 Juli 2003
ISSN 0216 - 3128
Parikill, dkk
p~da p~oduk ~/ay dari daerah Sindanglaut Cirebon. I Pengambilan cuplikan c1ay-Sindanglaut dimaksudkan untuk memberi sedikit kontribusi informasi CLPTOO CLPT90 CLPT800 CLPT70 CLPTll CLPTl ilmiah pada industi gerabah tradisional yang banyak tersebar di daerah tersebut.
/85
Tabell. Cuplikan
Penanda~n
cuplikan.
Keterangan tak dibakar/unfired Clay murni dibakar 900°C 800°C 700°C 1000°C 11OO°C
TATA KERJA Bahall dall Alat Bahan-bahan yang diperlukan: clay (tanah liat sawah) dan air secukupnya; sedang alat yang digunakan adalah: wadah plastik, pengaduk, kuas, cetakan •bulk', scraft, dan kain lap. Karakterisasi dilakukan dengan alat: furnace, Perangkat STA (Simultan Thermal Analyzer) dan difraktometer sinar-X dengan target Cu.
Metode Bahan clay untuk penelitian diperoleh dari daerah Sindanglaut Cirebon. Clay ini memiliki warna hitam. Pembuatan cuplikan diawali dengan . proses pengeringan hingga cukup untuk ditumbuk kasar, kemudian dicampur dengan air secukupnya dan diaduk sampai berkondisi 'gel', seperti adonan bubur clay berkekentalan tertentu. Pengambilan adonan hanya bagian atas agar endapan batuan/pasir tidak ikut tercetak. Adonan dituangkan kedalam cetakan 'bulk' dan dirapihkan dengan kuas, 'scraft'dan kain lap. Cuplikan diberi tanda berupa kode tertentu dan dikeringkan dalam atmosfer ruangan selama 2-3 hari. Setelah itu cuplikan dibakar dalam furnace selama 12 jam pada temperatur 700°C-I 100°C dengan laju pemanasan standar 14°C/menit. Tabel I memberikan susunan penandaan dan keterangan cuplikan. Karakterisasi dilakukan dengan STA (sifat termal) dan XRD (struktur kristal dan impuritas) sedang warna cuplikan setelah dibakar disesuaikan dengan warna cat di pasaran. Adapun aliran proses mekanisme penelitian tersusun dalam Gambar I.
'eftCaM,Uraft
4atl
'lI: ••t~4u"a ••
Gambar 1. Mekanisme proses
Prosiding
Pertemuan
HASIL DAN PEMBAHASAN Dari penelitian yang telah dilakukan, clay Sindanglaut masuk dalam kategori bentonit[2J, yang merupakan dekomposisi abu vulkanik. /Dalam betonit ini terdapat banyak mineral lkaolinit salah satu dari tiga mineral (kaolinite,illite dan montmorillonite) yang banyak dikandung batuan.
. daerah
Analisis awal clay ini dengan STA (Simultan Thermal Analyzer)-SETARAM dengan jangkauan temperatur dari 50°C hingga 800°C memperlihatkan karakteristik (heat-flow) clay ini mirip mineral kaolinit[3] pada temperatur di atas 300°C, namun dibawah temperatur tersebut kelakuan termal memiliki persamaan dengan mineral montmorillonit[3J. Perbandingan kurva ini dapat dilihat dalam Gambar 2. Gambar 2a-2c memperlihatkan berturut-turut sifat termal unfiredclay Sindanglaut dan clay yang dibakar pada 700°C dan lOOO°C hasil karakterisasi dengan STA. Sedang Gambar 2d merupakan referensi mineral clay s(andar berdasarkan literatur [3]. Gambar 2b dan 2c memperlihatkan pola ST A yang mirip. terjadi puncak endotermik di sekitar suhu 135°C, 310°C, 410°C, 470°C, 665°C dan 830°e. Clay yang dibakar pad a 700°C dan lOOO°C memperlihatkan puncak endotermik pertama di angka 135°C, akibat adanya pelepasan air serapan. Peruntuhan ikatan antar senyawa dalam bahan baru dimulai di temperatur 310°C dengan terjadinya transisi gelas. Pada temperatur 410°C dan 470°C proses dehidroksilasi dan dekomposisi senyawa berlangsung simultan dari peruntuhan ikatan-ikatan kristal yang ada. Logam aluminium baru melepaskan oksigen yang diikatnya disekitar suhu 665°C dan mencair pada suhu sekitar 720°e. Hal yang masih dalam dugaan adalah puncak kecil eksotermik di temperatur 830°e. Kemungkinan yang dapat diungkapkan adalah terjadi proses rekristalisasi kembali dari unsur-unsur yang ada dalam bahan. Pada gambar 2a dan 2d terse but diperlihatkan sedikit perbedaan dalam ketinggian dan posisi puncak endotermik pertama yang merupakan proses pcnguapan kadar air scrapan
dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan P3TM-BATAN Yogyakarta, 8 Juli 2003
dan Teknologi
Nuklir
186
ISSN 0216 - 3128
pacta permukaan clay. Proses ini merupakan pembebasan air yang terikat secara fisika pada permukaan struktur lembaran clay,0 Pada kaolin •... standar terjadi di temperatur sekitar 100°C dan -60 montmorillonit standar pada temperatur 160°C, sedang pada unfired-clay Sindanglaut di sekitar temperatur 170°C. Puncak clay terlihat lebih tinggi dari kaolin karena clay tidak murni; ada impuritas berupa zat organik yang terlarut dalam bahan.
Parikill, dkk
Kaolinite and Montmorillonite
0u:: J: 0:t >' 'E-iii C1I
W'
tI
10300 400 -40 -30 -500 -10 -20
V
200
d
Temperature
a
U nfire dot b y
Gambar
standard
(DC)
2. Karakteristik termed clay dan standard Ie} kaohnit dan montmorillonit; Vnfired-clay . (b) clay dibakar 700 "C, (e) clay dibakar 1000 "C. (f) Standard kaohnit dan montmorillonit.
TGA
Puncak endotermik kedua pada Gambar 2a merupakan akibat kehilangan air kombinasi oleh adanya dehidrasi gugus hidroksil (-OH) yang terikat pada lembaran silikat dan degradasi (peruntuhan) clay terjadi di temperatur sekitar 600°C baik pada kaolin standar dan unfired-clay Sindanglaut. Informasi ini cocok dengan yang dilaporkan Canizares et.al.[4] terhadap sifat termogravimetri batuan bentonit ' debu vulkanik. Perubahan massa terjadi pad a temperatur antara 2soC-lS0°C akibat penguapan air terserap secara fisika dipermukaan lembaran clay, dan antara SOO°C-900°C akibat dehidroksilasi dan dekomposisi dari struktur clay. Puncak eksotermik sebagai informasi rekristalisasi atau dekomposisi clay tidak terdeteksi karena keterbatasan jangkauan pengukuran alat.
b STA
TGA
I ',',."'" c STA TGA
.•.
~
Gambar 2a-2c juga menyajikan data analisa ternlal gravimetri, dimana informasi kehilangan massa akibat terjadi proses perubahan fasa diberikan. Gambar 2b-2c memperlihatkan pola yang hampir sarna, yakni tidak terjadi kehilangan mass a (grafik cenderung konstan), hanya pada Gambar 2b dan 2c terdapat sedikit gangguan sistem pengukuran pada termal gravimetri. Kondisi menarik diberikan pad a Gambar 2a, dimana di bawah temperatur 300°C, saat awal penguapan air serapan terjadi di puncak endotermik pertama. Sistem tidak mengalami perubahan fasa, namun terjadi laju kehilangan massa sebesar 0,0226 mg/OC dari reaksi: (Al~03.2SiO~.2H~0).I/H~O -7 + I/H~O. Pada tcmpcratur Al~03.2SiO~.2H~0 300°C::;T::;SOO°C, sistem mengalami perubahan fasa dari padat ke fasa cair dengan proses peleburan, kondisi ini tidak disertai kehilangan massa dengan garis mendatar. Puncak endoternlik kedua dimana pelepasan gugus hidroksi] (_OH)14J dari scnyawa clay (hidrat aluminium silikat) mulai
Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta. 8 Juli 2003
Parikill, dkk
ISSN 0216 - 3128
berlangsung. Proses ini terjadi pada temperatur 500°Cg::;;700°C, dimana sistem kehilangan massa scbesar 0,0125 mg/oC dari reaksi: Alz03.2SiOz.2HzO -7 Alz03.2SiOz + 2HzO. Diatas temperatur 700°C sistem mengalami degradasi (fasa cair menjadi uap) dan proses rekristalisasi Alz03 dan SiOl' Pada Gambar 3 diperlihatkan pola difraksi sinar-X clay-Sindanglaut menggunakan target Cu . Scanning dilakukan dari sudut 28=5° hingga 28=75° dengan langkah 28=0,05°dan kecepatan 20 detik. Gambar 3a merupakan difraktogram clay sebelum dibakar dan Gambar 3b adalah pola clay setelah dibakar 1000°C. Beberapa puncak difraksi[5] teridentifikasi sebagai milik mineral kaolinit (Alz03.2SiOz.2HzO), yakni; (I ;3;0), (0;0;3), (1;1;4) dan (0;6;2), mineral illit 28=27 ,65°(1 ;0;5) dan montmorillonit: 28=19,75°(0;2;0), 28=54,80°(1 ;4;5) dan 28=61,80°(0;0; 10). Dalam pola masih ditemui pengotor (impurity) seperti: CaC03 di sudut 28=20,80° (1; I ;0) dan 28=54,80° (2;2;0), SiOl pada sudut 28=26,55° (1 ;0; 1), 28=42,35° (2;0;0) dan 28=50,10° (1; 1;2), serta FeZ03 pada sudut 28=39,85° (0;0;6) dan 28=71,30° (1 ;0; 10). Efek fen omena Illl ditunjukkan pada Gambar 3b, dimana puncak-puncak baru muncul sebagai hasil proses dekomposisi senyawa seperti: CaC03 dimana produk hasil bakar senyawa ini adalah oksida CaO dan COz pada pembakaran di atas 900°C, dan FeZ03 yang terurai menjadi Fe, FeO dan Oz pada temperatur di atas 1000°C. Kandungan pengotor/impuritas dalam clay, seperti: CaC03 berasal dari batuan dolomit dan pupuk organik tanaman karena diambil dari tanah persawahan setempat. Sedang Fel03 merupakan bijih pasir besi dan tertangkap ketika dicampur air dan diaduk dengan magnetik stirer. Adanya pengotor ini berpengaruh terhadap ketinggian dan pergeseran posisi puncak endotermik pertama, seperti terlihat pada Gambar 2a. Pada Gambar 4 diperlihatkan foto cuplikan hasil pembakaran pada temperatur 700°C-II 00°c. Cuplikan produk bakar ini memperlihatkan perubahan (degradasi) warna coklat yang disesuaikan dengan warna standar cat di pasaran. Perubahan terjadi dari temperatur bakar (TB) 700°C yang memberikan warna coklat tua dari lllljired-clay yang berwarna hitam, TB==800°C; 900°C; 1000°C dan 1100°C berturut-turut memperlihatkan warna coklat muda, coklat merah, coklat kuning dan coklat-hitam perak. Variabel lengkap temperatur, waktu dan warna prod uk bakar selama proses pembakaran berlangsung disusun pada Tabel 2.
/87
K:kaolinite I :ilIite
"
....
M: montmorilbnite
j
600 400 E~ u 100 300 g., 0 200 500 0
.!
_~~_~i2!_
...
ou • u
~
j
(a)
"
:x: ••
....w:. ; :i ,.. ~;
;;
j ~ • ""'~~ u
'='
10
20
30
40
50
60
70
80
Two Theta (de g.)
.•..
700
I-ClaYJOOO I
C~ 200 500 u ~g 0 400 300 60
600 100 0
(b)
10
20
30
40
50
60
70
80
2Theta (deg.)
Gambar
3. Difraktogram clay-Sindanglaw; (a). SebelulIl dibakar (b). Dibakar 1000 'C.
Perubahan warna tersebut terjadi dari proses oksidasjPJ oksida logam (oksidan) yang berlainan. Dengan memanipulasi keadaan oksidasi (bilangan oksidasi), oksidan CaO dan sedikit FeOz dapat memodifikasi warna produk clay dari hitam alamiah hingga coklat kemerahan dan coklat kekuningan. Pemanipulasian bilangan oksidasi ini dilakukan dengan pengaturan temperatur bakar selama proses pembakaran berlangsung, dimana terjadi pelepasan sebagian atau semua oksigen yang mampu mentransmisikanlmemantulkan cahaya pewarna. Sebagaimana Fel03, degradasi warna coklat akibat tidak secara spontan seluruhnya teroksidasi, melainkan sebagian demi sebagian dari temperatur bakar 700°C. FeO yang memberikan warna coklat tua hitam, hingga oksigen terbakar habis mejadi Jogam Fe yang memberikan warn a hitam keperakan pad a 1100°C. Pada Gambar 4a oksidan yang ada hanya sedikit yang teroksidasi ditunjukkan perubahan warna dari hitam menjadi coklat tlla, sedang 4b sebagian oksidan mulai teroksidasi yang menyebabkan warna coklat
Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 8 Juli 2003
(TB) kar/l/Iiflred (cC) CLPT70 CLPTOO
/88
ISSN 0216 - 3128
terang/muda. Pada Gambar 4c pengendapan kandungan FeZ03 menyebabkan dasar clay yang terbakar berwarna kemerahan ketika temperatur bakar dinaikan menjadi 900°C.
Tabcl 2.
Temperatllr, waktll dan warna prodllk bakar clay-Sindanglallt. -Waktu Tidak Coklat-Hitam Tcmpcratur
800 1000 12 700 12 1100 Coklat \Varna tua merah muda 900 (Jam) kuning Hitam Cuplikan pcrak
Pariki/l,
dkk
dahulu di temperatur 600°C selama 1 jam kemudian dibakar langsung ke 1000°C. Sedang Gambar 4e adalah produk clay yang dibakar pada temperatur 1100°C yang memberikan warna coklat hitam keperakan, dimana oksidan besi (Fe) yang mulai terbakar terlihat menyelimuti permukaan produk bakar clay-Sindanglaut.
KESIMPULAN Dari hasil pengamatan disimpulkan bahwa: •
Sifat termal clay-Sindanglaut memperlihatkan tiga puncak dominan dari proses penguapan air serapan (endotern1ik), dehidroksilasi dan dekomposisi (endotermik) dan rekristalisasi (eksotermik).
•
Clay-Sindanglaut merupakan campuran dari mineral kaolinit, montmorillonit dan illit dengan pengotor/impuritas CaC03, Fe~03, Ah03 dan SiO~.
•
Temperatur pembakaran dapat menumbuhkan warn a yang berlainan pad a produk bakar c1aySindanglaut.
UCAPAN TERIMAKASIH
Coklat merah
Coklat muda
Coklat tua
•:,
"'<~'.'
"'
>
"'>01
,
,
,,"
" '"
Coklat kuning
Gambar
4.
'"
'
.~
i!.\"
Dengan tulus hati penulis ingin mengucapkan terima kasih yang sebesarbesarnya kepada; Dr. Azis Khan Yahya, Drs. Nurdin Effendi, M.T., Heri E. Jodi,M.Eng., Mohammad Ihsan SSi, Dra. Evy Hertinvyana, Dr. Set yo Purwanto, Dra. Saryati dan Kepala P3IB-BA TAN; Bapak Drs. Gunanjar, SU serta semua pihak yang langsung/tak langsung terkait.
"
'.
.
;',,:
~'
Coklat·Hitam perak
PUST AKA (
Coklat kuning
Produk bakar clay-Sindanglaut; TB=700'C, (b) TB=800'C, TB=900'C. (d) TB=/OOO'C, TB=/IOO'C dan (f) TB=IOOO'C T';>I,<'r;>lg=600 'C,
(a) (c) (e) dan
Pada temperatur 1000°C, oksidan CaO memanipulasi produk bakar clay menjadi coklat kekuningan, dimana proses dekomposisi CaC03 (terdeteksi dalam pola XRD) menjadi CaO dan gas CO~ berlangsung diatas tcmpcratur 900°C. Pada GambaI' 4d dan 4 f merupakan produk hasil pcmbakaran pada temperatur ini. Perbedaan kcduanya hanya pada proses sintering yang dilakukan, sehingga mampu mencegah shock thermal berlebih dan keretakan produk bakar. GambaI' 4f merupakan produk bakar disinter lebih
/. Colling, David A., and Thomas Vasitos, "Industrial Materials: Polymer Ceramics and Composites", Vol. 2, Prentice Hall, Inc. USA, (1995). 2. FisH, A., "Pembllatan dan Karakterisasi Kata/is Oksida Mangan dengan Pendukung Bentonit Berpilar Alumina lIntuk Oksida Gas CO", Tesis S-2, FMIPA-UI, Jakarta, (2002). 3. S.Prokopovich (conducted), "Technology of Brickmaking", Departemen of Ceramic Engineering, The University of New South Wales, (1993). 4. Caiiizarcs P., l.R Holum, M.R. Sun Kou, C.J,3. Molina, "Synthesis and CharaClerization of PILCs with Single and mixed Oxide Pillars prepared from Two different Bentonite, (1999). 5. A Comparative Study", Micropor. Mesopor. Mater,29,267-281. 5].Nkoma .I.S., G. Ekosse,
Prosiding Pertemuan dan Presentasilimiah Penelitlan Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 8 Juli 2003
.~Parikill, dkk
ISSN 0216 - 3128
"X-ray DifFaction Study of Layered Silicates: Kaolinite, Illite and montmorri/onite ", International Report, The Abdussalam International Center for Theoretical Physics, 117, (1998).
TANYAJAWAB Heny Suseno Clay yang anda buat untuk maksud apa ? Parikin 1111 untuk Kami melakukan studi mengidentifikasi awal slfat clay dari Sindanglaut Cirebon. Di daerah tersebut banyak terdapat industri batubata tradisionar Sifat clay ini kami karakterisasi sebagai bahan matriks komposit material bangunan, yang dipadu dengan batu
/89
---------------
--
------
---
kapur, sulfur dan lain-lain agar memberikan tampi/an menarik dengan memvariasi komposisi substratnya. Alwar Saran dan diskusi ~ pembuatan genteng/ batubata yang bisa menahanl mengisolasi suhu didalam ruangan dari perubahan panas dan dingin di luar ruangan. Pari kin Memang lebih lanjut kami akan mengamati konduktivitas panas produk bakar ini sebagai kelengkapan karakterisasi bahan produk Disamping itu kami juga melakllkan pembuawn bahan kOl1lposit material banglUlwl, dengan meml'ariasikan kOl1lposisi reinforce/ sub.l'trat lain .I'eperri.batu kapur. batu sulfur dan lain-/ailL Sifat mekanik produk bakarjuga diamari-
Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta. 8 Juli 2003
