MD. Effendi., Prosiding Seminar Teknologi Untuk Negeri (STUN) agustus, 2008 Note : SIlahkan mengutip isi dari tulisan ini, namun mohom kutipan ditulis sumbernya
PEMBUATAN KOMPOSISI GLASIR BEBAS LOGAM BERAT BARIUM DAN SENG DENGAN METODE OPTIMALISASI GLASIR MENGGUNAKAN MODEL OPTIMIZATION OF GLASS BATCH COMPOSITION (OGBC) M. Dachyar Effendi UPT Pengembangan Seni dan Teknologi Keramik dan Porseli Bali
Abstract Firing behavior test has been carried out and physical properties of the glazes are calculated by using mathematical models describing the properties as additive functions of their oxide composition (OGBC model).. The calculation procedure of optimizing the glaze composition satisfying certain desired properties of the glaze. To Obtain properties of the glaze, mineralogical testing was caried out by AAS and spectrofotometry. The result of firing behavior which has given curve that need to determine level of temperature and OGBC model which has given properties range are used to determine a Good qualitity of glaze. Based on OGBC calculaton, Glaze made from barium oxide and zinc with composition are Felspar 39, Wollastonite 11 Kapur 5, Kaolin 6, Zirkon silikat 11, Dolomit 6, Kuarsa 13, ZnO 2, BaCO3 2 (on percent weight), barium and zinc content can be reduced and give same quality.The final composition free barium and zinc are : Felspar 42, Wollastonite 12, kapur 5, Kaolin 6, Zirkon silikat 11, Dolomit 8, kuarsa 16, ZnO 0, BaCO3 0 (on percent weight) Katakunci: Glasir, model OGBC, optimalisasi, sifat sifat glasir
1. PENDAHULUAN Sifat-sifat kimia dan fisika glasir yang digunakan pada bermacam-macam produk keramik sangat beragam. Membandingkan glasir yang berbeda adalah hal pokok yang dapat untuk memperkirakan sifat-sifat fisik komposisi kimia yang paling fundamental. Secara tradisional, komposisi glasir diramu dengan rumus seger. Rumus seger memberikan komposisi glasir dengan normal molar, dan tidak dapat secara langsung dipakai untuk menghitung semua sifatsifat fisik yang diinginkan, meskipun begitu, untuk formula seger lebih menawarkan cara yang mudah untuk memperkirakan sifat-sifat fisik seperti suhu pembakaran. Komputerisasi telah memudahkan penghitungan sejumlah besar sifat-sifat fisik dengan mudah dan cepat, misalnya untuk rumus untuk sekali proses (batch), komposisi oksida, dan lain-lain. Dalam prinsipnya, sifat-sifat dinamik semacam rheologi suspensi glasir atau sifat-sifat fisik pembakaran glasir dapat dibuat perhitungan dengan persamaan matematis dengan membuat hubungan sifat-sifat fisik yang diinginkan sebagai fungsi dari komposisi glasir. Beberapa sifat-sifat
fisik, khususnya dalam bahan mentah glasir, lebih perlu diketahui dibandingkan dengan komposisi secara mineral dari bahan mentah yang digunakan. Disamping oksida dan komposisi mineral, perbedaan parameter pembuatan spesifik juga mempengaruhi kualitas akhir glasir. Persoalan utama saat membuat komposisi glasir adalah karakter dinamik dari glasir yang tergantung dengan efek dari badan keramik. Perhitungan sifat-sifat fisik produk-produk homogen semacam gelas telah lama dilakukan dalam R&D dan dilakukan pula dalam proses pembuatannya. Dalam studi ini, akan dicoba adaptasi dari Abo model Akademi pengoptimalisasian dari gelas sekali proses (OGBC)10, sebuah program komputer yang semula untuk membuat perhitungan gelas sekali proses dibuat untuk memecahkan masalahmasalah seputar glasir. Ide utama dari OGBC model adalah menghitung gelas atau komposisi sekali proses yang memenuhi sebuah set dari sifat-sifat fisik gelas yang ditetapkan sebelumnya. Diharapkan model itu juga dapat digunakan untuk perhitungan sifat-sifat fisik sederhana dari komposisi glasir. Perhitungan sekali proses biasanya dilakukan dengan peminimalan harga
MD. Effendi., Prosiding Seminar Teknologi Untuk Negeri (STUN) agustus, 2008 Note : SIlahkan mengutip isi dari tulisan ini, namun mohom kutipan ditulis sumbernya secara simultan, dalam arti komposisi sekali proses dioptimalkan dalam sifat fisik yang diinginkan dari perhitungan bahan mentahnya. Model perhitungan dapat secara langsung diaplikasikan untuk menentukan sifat-sifat fisik dan komposisi glasir. Namun untuk sifat-sifat dalam pembakaran glasir tertentu dan glasir tak homogen, mempunyai efek besar pada penampakan permukaan glasir yang juga mempunyai pengaruh atas kinetika reaksi. Oleh karena itu, sulit untuk membuat model matematis yang dapat menggambarkan kinetika reaksi glasir yang terintegrasi dalam model perhitungan
mempengaruhi sifat-sifat fisik; SiO2, Na2O, Al2O3 menyatakan kandungan oksida, yang bisa dinyatakan dalam persen berat atau mol. Beberapa model diberikan dalam literatur dapat digunakan secara baik untuk perhitungan glasir. Misalnya, model Appen untuk ekspansi, Modulus Young, densitas, dan index refraktori digunakan untuk memberikan korelasi yang dapat diterima dengan nilai-nilai pengukuran standar. Model viskositas Lakatos, semula dibuat untuk gelas soda abu komersial, sekarang diperluas untuk glasir keramik rumah tangga dan dapat memberikan hasil yang memuaskan, khususnya ketika membandingkan hubungan antara viskositas dengan suhu dari dua komposisi glasir yang berbeda Beberapa sifat-sifat fisik diambil untuk program optimalisasi kelihatannya tidak begitu penting untuk glasir, tetapi sifat-sifat tersebut berhubungan untuk dapat ditangani secara matematika untuk masalah glasir yang multidimensional dimana glasir mengandung beberapa oksida. Skema prinsip untuk sifat-sifat tsb diberikan dalam matrix :
Prinsip Pengoptimalisasian Sifat-sifat fisik gelas dihitung dengan menggunakan model matematika yang menggambarkan sifat-sifat fisik sebagai fungsi aditif dari komposisi oksidanya. Jadi sifat A sebagai fungsi dari komposisi dapat secara umum digambarkan dengan persamaan: A = constanta + a SiO2 + b Na2O + c Al2O3 + … Dimana a, b, dan c adalah koefisien yang menggambarkan bagaimana oksida tertentu
log n logη 2 ....... a11 logη m a µ = 21 ... P Tliq a i1 ρ n D
a12
a13
a 22
...
ai 2
...
Koefisien a11,a12, dan sebagainya memberikan gambaran bagaimana oksida B2O3, Al2O3, dan sebagainya mempunyai pengaruh atas masing-masing sifat dalam ekspresi matematika yang membayangkan sifat-sifat dari komposisi.
X B 2O 3 X Al 2O 3 X LiO 2 aij X Na 2O X K 2O ↔ X CaO X BaO X ZnO X PbO X SiO 2 untuk preparasi sesuai dengan metode yang dipakai.
2. MATERI DAN METODE
2.2. Alat spektrofotometer UV dan AAS digunakan untuk memeriksa kandungan mineral / oksida dari bahan-bahan mentah glasir.
2.1. Bahan Penelitian Bahan yang dipakai adalah bahan-bahan yang diperlukan untuk untuk pembuatan glasir. Dalam hal ini dipakai campuran dari felspar, wollastonite, kapur, Kaolin, Zircon silikat, dolomit, kuarsa, ZnO, dan BaCO3. Untuk pemeriksaan kandungan oksida bahan dipakai bahan-bahan
2.3. Cara Kerja Untuk pembuatan glasir dengan kandungan logam berat, dibuat campuran homogen bahan dengan komposisi sebagai berikut : Felspar 39%, wollastonite 11%, kapur 10%, Kaolin 6%, Zircon silikat 11%, dolomit 6%, kuarsa 13%, ZnO 2% dan BaCO3 2%.
MD. Effendi., Prosiding Seminar Teknologi Untuk Negeri (STUN) agustus, 2008 Note : SIlahkan mengutip isi dari tulisan ini, namun mohom kutipan ditulis sumbernya Dan untuk glasir bebas logam berat, dipakai komposisi sebagai berikut : 3. HASIL DAN PEMBAHASAN Felspar 43%, wollastonite 11%, kapur 5%, Kaolin 6% , Zircon silikat 11%, dolomit 8%, dan kuarsa Prosedur penghitungan optimalisasi komposisi 16%, glasir yang baik dengan sifat-sifat diinginkan Karena dalam perhitungan dalam OGBC model dicontohkan dengan contoh sederhana dari 2 mensyaratkan komposisi mineral yang harus komponen Na2O-SIO2. Untuk dapat mengerjakan sistem ini kita butuh dua sifat, sebagai contoh, diketahui maka dilakukan penentuan/determinasi oksida dalam contoh bahan, kemudian dibuatkan viskositas pada temperatur spesifik dan muai model matematikanya menurut OGBC. panas. Dilihat dari gambar I(a), harga viskositas Sifat sifat fisik yang diambil ke dalam perhitungan menurun sesuai dengan penambahan sodium dalah program optimalisasi glasir adalah : oksida. Sebagai komposisi yang telah diketahui, mudah untuk memperkirakan harga viskositas 1. Viskositas lelehan gelas, log ηm , pada seperti yang ditunjukkan dalam gambar. temperatur yg diinginkan ( m adalah 0 Beberapa variasi dapat dilakukan tanpa terjadii jumlah suhu pada rentang 500 - 1500 C) penurunan kualitas glasir sehingga beberapa 2. Ekspansi panas, α komposisi dapat ditentukan (gambar 1.b). Sifat3. Modulus Young, E sifat lainnya menggambarkan dua komponen 4. Rasio Poisson, µ glasir versus muai panas, menunjukkan korelasi 5. Daya tahan lama air, P yang meningkat seiring dengan bertambahnya 6. Densitas, ρ kandungan sodium oksida. Jika kualitas sifat-sifat 7. Index refraktori, nD. fisik telah ditentukan, maka harga sifat-sifat fisik Untuk mempelajari bagaimana model seperti yang terlihat dalam gambar 2 dalam matematis itu dapat bekerja, dibuat campuran rentang komposisi untuk ekspansi tertentu dapat biner Na2O – SiO2. Dalam perhitungannya, ditentukan campuran sederhana ini hanya memerlukan dua Seperti halnya kedua sifat-sifat fisik oleh glasir sifat fisik saja, dalam hal ini muai panas dan yang sama, sebuah rentang komposisi lebih viskositas pada suhu yang spesifik. Kemudian sempit sehingga hasil dicapai dengan lebih baik model diterapkan pada campuran glasir yang terlihat dalam dalam gambar 2b. lebih kompleks dan karena itu memerlukan data sifat-sifat fisik yang lebih banyak lagi.
Gambar 1. Viskositas pada temperatur tertentu sebagai fungsi dari komposisi glasir (A). Harga viskositas yang diinginkan dan hubungannya dengan komposisi glasir(b)
2a. 2
2
Gambar 2. Harga muai panas dan hubungannya dengan komposisi glasir (2a), komposisi glasir pada viskositas yang diinginkan dan tingkat ekspansi dengan rentang yang lebih sempit(2b)
MD. Effendi., Prosiding Seminar Teknologi Untuk Negeri (STUN) agustus, 2008 Note : SIlahkan mengutip isi dari tulisan ini, namun mohom kutipan ditulis sumbernya Program OGBC pertama menghitung rentang komposisi dengan memenuhi semua kriteria untuk kedua sifat-sifat fisik. Rentang tsb kemudian menjadi starting point untuk langkah pengoptimalan. Optimalisasi dapat dilakukan untuk memilih komposisi secara least-square error untuk harga sifat-sifat fisik yang diinginkan tetapi masih dalam rentang yang diterima, atau untuk memilih metode sekali-proses yang memberikan kombinasi harga material dasar yang paling murah untuk sifat-sifat fisik yang diinginkan.seperti clay, felspar, dll. Tabel 1. Komposisi glasir dari bahan mentah yang mengandung Barium oksida dan Zinc Bahan mentah Komposisi, % Felspar 39 Wollastonite 11 Kapur 10 Kaolin 6 Zirkon silikat 11 Dolomit 6 Kuarsa 13 ZnO 2 BaCO3 2 Dalam alam, bahan mentah didapat dalam bentuk oksida murni semisal karbonat. Bahan mentah untuk komposisi dari satu atau seluruh bahan mentah dapat dibatasi atau dispesifikasi pada level tertentu. Hal penting yang berhubungan dengan perhitungan sifat-sifat fisik adalah dengan mengabaikan pengaruh dari sifatsifat fisik yang tidak penting. Penghitungan komposisi glasir Penerapan model OGBC adalah untuk mengeliminasi logam berat dari bahan mentah glasir tipikal tanpa mengurangi kualitas glasir. Dengan model optimalisasi komposisi glasir sekali proses dapat dihitung dengan mudah. Langkah pertama adalah mendefinisikan kondisi awal dengan menghitung harga sifat-sifat fisik untuk komposisi yang telah diketahui, dalam kasus ini diambil contoh glasir yang mengandung logam berat barium oksida atau seng (tabel 1 dan 2). Perhitungan harga sifat-sifat fisik tersebut menghasilkan langkah pertama untuk prosedur perhitungan. Untuk langkah selanjutnya pengetahuan dalam teknologi glasir sangat diperlukan, artinya, untuk memperkirakan apakah harga sifat-sifat fisik dapat diterima untuk diperluas atau dirubah diperlukan pengetahuan tersendiri
Tabel 2. Perhitungan sifat-sifat fisik glasir yang mengandung Barium dan Zinc Sifat-sifat Perhitungan referensi fisik model Viskositas 0 700 C 1 Lakatos (log(dPas)) 0,544 8000C 8,163 9000C 7,012 0 1000 C 6,091 0 1100 C 5,109 11800C 4,245 12000C 4,125 0 1230 C 4,049 Appen Modulus 73440 Appen young (104 MN/m2) Poisson ratio 0,193 Hupa Durability (mL Hcl/g) 0,015 Backman Temp. likuiditas (x 1,230 Appen 30 10 C) Densitas (g/cm3). 2,380 Appen Indeks bias Muai panas 1,536 Appen (10-5 l/K) 0,544 Tabel 3. Kriteria optimalisasi bahan mentah glasir bebas logam Bahan mentah Komposisi, % Felspar 10-60 Wollastonite 5-20 Kapur 5-20 Kaolin 6 Zirkon silikat 11 Dolomit 0-9 Kuarsa 0-35 ZnO & BaCO3 0 Tabel 4. Kriteria optimalisasi untuk glasir bebas logam berat nerdasarkan sifat-sifat fisik Sifat-sifat fisik Viskositas 0 700 C (log(dPas)) 8000C 0 900 C 10000C 11000C 11800C 0 1200 C 0 1230 C Modulus
Perhitungan
9,0-12 8,0-9,0 6,7-6,9 5,5-5,7 4,75-4,95 4,2-4,3 4,1-4,2 3,9-4,0 6,0-8,0
Weighing factor
0 0 10 100 100 1000 10.000 10.000 0
MD. Effendi., Prosiding Seminar Teknologi Untuk Negeri (STUN) agustus, 2008 Note : SIlahkan mengutip isi dari tulisan ini, namun mohom kutipan ditulis sumbernya 4
young (10 2 MN/m ) Poisson ratio Durability (mL Hcl/g) Temp. likuiditas (x 103 0C) Densitas 3 (g/cm ). Indeks bias Muai panas -5 (10 l/K)
0,2-0,3
0
matematika yang dipakai untuk menggambarkan sifat-sifat fisik bahan dengan melakukan percobaab yang sesungguhnya .
0,001-0,5
10
4. KESIMPULAN
1,0-1,3
100
2,3-2,5
0
1,5-1,7 0,52-0,56
0 10.000
Tabel 5. Komposisi bahan mentah glasir bebas logam berat Bahan mentah Komposisi, % Felspar 42 Wollastonite 12 Kapur 5 Kaolin 6 Zirkon silikat 11 Dolomit 8 Kuarsa 16 ZnO 0 BaCO3 0 Tabel 6. Sifat-sifat fisik glasir bebas logam berat Sifat-sifat fisik Perhitungan Viskositas 0 700 C (log(dPas)) 10,639 8000C 8,397 9000C 6,840 0 1000 C 5,697 0 4,821 1100 C 11800C 4,255 12000C 4,128 0 1230 C 3,948 Modulus young (104 7,413 MN/m2) Poisson ratio 0,194 Durability (mL Hcl/g) 0,016 Temp. likuiditas (x 1,201 103 0C) Densitas (g/cm3). 2,349 Indeks bias 1,514 -5 Muai panas (10 l/K) 0,537 Tabel 5 dan 6 memberikan hasil yang optimum dengan memperhatikan sifat-sifat yang diinginkan. Pada tabel 5, barium dan Zinc oksida dapat dieliminasi dengan mengatur Komposisi dari komponen lainnya sehingga kriteria sifat-sifat yang diinginkan terpenuhi. Penghitungan komposisi glasir dapat dicoba secara untuk memastikan validitas dari model
Model komputerisasi untuk memperkirakan komposisi glasir adalah perangkat yang efektif untuk digunakan menghitung sifat-sifat glasr dan untuk membuat rumusan glasir baru. Namun Model tersebut sejauh ini tak cukup kemungkinannya untuk menghitung reaktivitas dan sifat-sifat dalam pembakaran bahan mentah glasir. Sifat Pembakaran dapat diperkirakan dari tes dengan mikroskop temperatur tinggi. sifat-sifat glasir dalam pembakaran dapat juga diperkirakan dengan membangun model matematika dari metode tiitik standar dan metode tiga titik percobaan. Program komputer OGBC dapat mengurangi sejumlah tes untuk membuat glasir kompisisi baru. Juga perubahan kecil dalam proses kontinu pembuatan glasir dapat ditunjukkan dengan menggunakan model matematikanya berdasarkan sifat-sifat fisik yang diketahui. UCAPAN TERIMA KASIH Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada Ir. A.A.N. Rai Indra, M.Sc selaku kepala Laboratorium UPT-PSTKP Bali dan kepada Drs. I Gusti Ketut Astana untuk penyediaan sarana yang dperlukan hingga selesainya tulisan ini. DAFTAR PUSTAKA 1. Frank and Janet Hamer, “The Potter’s Dictionary of Matterials and Techniques”, A&C Black,LTD,p.17-18, 1968 2. Hartono,Y.M.V, “Bahan Mentah Untuk Pembuatan Keramik”, Departemen Perindustrian Badan Penelitian dan Pengembangan Industri Balai besar Penelitian dan Pengembangan Industri Keramik, hal. 63-68, 1982 3. John Dickerson, “Pottery Making A complete Guide”, Madison Avenue, New York,N.Y 10022, p. 10,16,17,284, 1974 4. Nuryanto, Daru Taufik, “Evaluasi Beberapa Ball Clay Di Pulau Jawa”, Informasi Teknologi Keramik & Gelas, No.49 , Th.XIII, Juni.,hal.30-37, 1991 5. Nuryanto dan Eko Tri Sumarnadi, “Tufa Riolitik Sebagai Bahan Baku Keramik Gerabah Halus Kasar”, Prosiding Seminar
MD. Effendi., Prosiding Seminar Teknologi Untuk Negeri (STUN) agustus, 2008 Note : SIlahkan mengutip isi dari tulisan ini, namun mohom kutipan ditulis sumbernya Nasional Geoteknologi III, Pusat Penelitian dan Pengembangan Geoteknologi -LIPI, hal.296-304,1996 6. Daniel Rhodes, “Clay and Glazes For The Potter”, Chilton Book Company, Radnor, Pennsylvania. p. 44, 1973 7. Supomo, “Karakterisasi Dan Pengendalian Bahan Mentah Keramik”, Diklat Quality Control Supervisor Industri Keramik Saniter dan Tableware, kerjasama Balai Besar Industri Keramik dengan Pengelola PKK Ditjen Perdagangan Dalam Negeri, Bandung,1998 8. T. Kronber dan K Froberg, “The melting Point in the System Wollastonite-Felsparquarz”,Ceramic Engineering and Science Proceeding, Vol. 22, 2001 9. Toton Sentana Kunrat, Supriatna Suhala, , “Bahan Galian Industri”, Pusat Penelitian dan Pengembangan Teknologi Mineral, 1997.
10. T. Wesrlund, L. Hatakka, dan K.H. Karlsson, “A model for optimizing glass batch composition” , J.Am. Ceram. Soc., hal. 574579,1983 RIWAYAT PENULIS M. Dachyar Effendi, lahir di Jakarta pada tanggal 9 Januari 1971. Menamatkan Pendidikan S1 di Universitas Pembangunan Nasional "Veteran" Yogyakarta dalam bidang Teknik Kimia. Mengikuti training “Characterization of Ceramic Traditional Raw material” di Faenza, Italia pada bulan September s/d November 2002. Saat ini bekerja sebagai peneliti dan staf program UPT Pengembangan Seni dan Teknologi Keramik dan Porselin Bali
