POLITEKNOLOGI VOL. 11 NO. 3, SEPTEMBER 2012
PELAPISAN ALUMINIUM DENGAN PROSES ANODISASI MULTIWARNA UNTUK APLIKASI KOMPONEN DEKORATIF SECARA PRAKTIS Dewin Purnama1, Vika Rizkia2 1
Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Jakarta,Kampus Baru UI Depok 16424
[email protected] 2 Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Jakarta,Kampus Baru UI Depok 16424
Abstract Anodizing of aluminum is an environmental friendly process and can be done with a relatively low cost, but the resulting product has a good surface appearance and a protective oxide layer. The purpose of this research is to produce alumina oxide layer in accordance with the criteria and the protective layer can be applied to coloring in the process further and to determine the effect of changes in temperature and voltage to the aluminum oxide layer formation and pore formation for dyeing in a solution of phosphoric acid (H 3 PO 4 ). Preparation of porous anodic alumina layer is done through anodizing process with a set of processes and variables such as type and composition of electrolyte, voltage and current density, temperature process in order to obtain honeycomb structures with pore sizes in the scale of micrometers or nanometers. As an innovation, the process followed by a staining using inorganic dyeing with multicolored technique. Expectations from this research were obtained decorative aluminum coating method that can be applied practically. The results showed that the increasing dip temperature and the applied voltage will reduce the thickness of the oxide layer formed and then the higher the temperature applied to the anodizing process will result in larger pore sizes are formed on the oxide layer and the resulting pore size affects the intensity of color that occurs Keywords :Anodizing, Aluminum Oxide, Pore Diameter, Thickness Abstrak Proses anodisasi aluminium merupakan proses yang ramah lingkungan dan dapat dilakukan dengan biaya yang relatif murah, namun produk yang dihasilkan mempunyai penampilan permukaan cukup baik serta memiliki lapisan oksida yang protektif. Tujuan penelitian ini adalah untuk menghasilkan produk lapisan oksida alumina yang sesuai dengan kriteria lapisan protektif dan dapat diaplikasikan untuk pewarnaan dalam proses lebih lanjut serta untuk mengetahui pengaruh perubahan temperatur dan tegangan terhadap pembentukan lapisan aluminum oxide dan pembentukan pori untuk pewarnaan hasil proses anodisasi dalam larutan asam fosfat (H 3 PO 4 ). Pembuatan lapisan anodic porous alumina dilakukan melalui proses anodisasi dengan mengatur proses dan variable seperti jenis dan komposisi elektrolit, tegangan dan rapat arus, temperatur proses agar didapat struktur honeycomb dengan ukuran pori yang berskala mikrometer atau nanometer. Sebagai inovasi, proses dilanjutkan dengan pewarnaan menggunakan inorganic dyeing dengan teknik multiwarna. Diharapkan dari penelitian ini diperoleh metode pelapisan aluminium dekoratif yang dapat diterapkan secara praktis. Hasil penelitian menunjukan bahwa semakin meningkatnya temperatur celup dan tegangan yang diberikan akan menurunkan ketebalan lapisan oksida yang terbentuk. Kemudian semakin tinggi temperatur yang diaplikasikan pada proses anodisasi akan mengakibatkan ukuran pori yang semakin besar yang terbentuk pada lapisan oksida dan ukuran pori yang dihasilkan mempengaruhi intensitas warna yang terjadi. Kata kunci : Anodisasi, Aluminium Oksida, Diameter Pori, Tebal Lapisan
207
Dewin Purnama, Pelapisan Aluminium Dengan Proses Anodisasi …………….. inovasi dilanjutkan dengan pewarnaan menggunakan inorganic dyeing dengan teknik multiwarna. Diharapkan dari penelitian ini diperoleh metode pelapisan aluminium dekoratif yang dapat diterapkan secara praktis.
I. PENDAHULUAN Latar Belakang Sejak setengah abad yang lalu, pengembangan teknologi dalam proses finishing aluminium telah berkembang sangat pesat. Salah satu metode yang sangat lazim digunakan dalam proses manufaktur yaitu anodisasi (anodizing), karena mampu memberikan lapisan protektif dan perbaikan penampilan permukaan melalui pewarnaan, serta dapat mengubah permukaan aluminium menjadi alumunium oksida yang sangat keras, tahan lama, dan tahan korosi (J.R. davis et all, 1993).
Tujuan Penelitian Menghasikan produk lapisan oksida alumina yang sesuai dengan kriteria lapisan protektif dan dapat diaplikasikan untuk pewarnaan dalam proses lebih lanjut. Mengetahui pengaruh variabel perubahan temperatur dan tegangan terhadap pembentukan lapisan aluminum oxide hasil anodisasi dalam larutan asam fosfat (H 3 PO 4 ).
Lapisan oksida aluminium (anodic porous alumina) memiliki sifat khas yaitu keteraturan strukturnya yang terbentuk (Patermarakis G et all, 1993). Dengan prinsip elektrokimia dan memanfaatkan sifat aluminium yang memiliki afinitas kimia terhadap oksigen yang tinggi, oksida aluminium anodic porous alumina terbentuk dengan melibatkan oksidasi anodik sehingga didapatkan lapisan alumina yang porous (berpori), baik dalam skala mikro maupun nano (Y.Li et all, 2004). Karakteristik pori dari alumina ini memberikan kemudahan dalam pewarnaan, dan mampu bersaing dengan metode cat konvensional. Hingga saat ini sudah banyak terobosan dalam teknik pewarnaan aluminium, salah satunya adalah inorganic dyeing.
Mengetahui pengaruh variabel perubahan temperatur dan tegangan terhadap pembentukan pori untuk pewarnaan hasil proses anodisasi dalam larutan asam fosfat (H 3 PO 4 ) Tinjauan Pustaka Anodisasi adalah proses elektrokimia ramah lingkungan yang mengubah permukaan logam aluminium menjadi aluminium oksida berpori. Dimana lapisan oksida yang dihasilkan akan meningkatkan sifat ketahanan korosi dari aluminium tersebut karena lapisan ini berfungsi sebagai lapisan protektif yang menghalangi oksigen untuk bereaksi lebih lanjut dengan aluminium. Pada proses anodisasi aluminium, logam aluminium digunakan sebagai anoda dengan cara menyambungkan logam aluminium tersebut dengan terminal positif sumber arus DC. Sedangkan katoda (material yang tidak bereaksi pada larutan anodisasi) disambungkan dengan terminal negatif sumber arus. Ketika sirkuit tertutup, elektron diambil dari logam pada terminal positif, menyebabkan ion-ion pada permukaan logam bereaksi dengan air membentuk lapisan oksida pada permukaan logam. Elektron kembali menuju bath pada katoda dimana
Teknologi anodisasi yang menggunakan prinsip elektrokimia, merupakan sektor yang sederhana dan inovatif. (N. Itoh et all, 1998). Dalam penelitian ini akan dilakukan pembuatan lapisan anodic porous alumina melalui proses anodisasi dengan mengatur proses dan variable seperti jenis dan komposisi elektrolit, tegangan dan rapat arus, temperatur proses agar didapat struktur honeycomb dengan ukuran pori yang berskala mikrometer atau nanometer. Sebagai 208
POLITEKNOLOGI VOL. 11 NO. 3, SEPTEMBER 2012 mereka bereaksi dengan ion hidrogen membentuk gas hidrogen. Keunggulan dari proses ini adalah menciptakan produk akhir yang tahan lama dan tahan cuaca dengan biaya perawatan rendah. Proses anodisasi dengan warna dapat dikategorikan menjadi 6 metode, tergantung dari bahan warna yang digunakan yaitu:
Gambar. 1 Beberapa parameter yang mempengaruhi diameter pori (Aluminium Handbook 2, 2003)
a. Surface coating, menggunakan asam kromat dengan organic polymer sebagai zat warna
II. METODE PENELITIAN Pelat Aluminum berukuran 3 mm x 100 mm yang telah dilakukan proses pengamplasan hingga grit 1200 , direndam kedalam larutan Acetone selama 5 detik. Selanjutnya dibilas dengan air yang mengalir dan di rendam dalam larutan ethanol 95 %, kemudian dikeringkan hair dyer selama 3 menit untuk selanjutnya dilakukan proses isolasi. Percobaan anodisasi pada penelitian ini dilakukan dengan tahapan sebagai berikut :
b. Integral coloring, menggunakan asam organik tanpa pewarnaan khusus c. Organic dyeing, menggunakan asam kromat dengan pewarnaan organic d. Inorganic dyeing, menggunakan asam kromat dengan pewarnaan inorganik (garam warna) e. Electrolytic coloring, menggunakan asam kromat dengan pewarnaan secara elektrolitik
1. Menyiapkan larutan asam fosfat (H 3 PO 4 ) 0,2 M sebanyak 500 ml
f. Kombinasi elektrolitik dengan dyeing, menggunakan asam kromat dengan kombinasi pewarnaan
2. Menyusun rangkaian sel elektrokimia dengan menghubungkan kutub positif dari power supply DC ke anoda aluminium dan menghubungkan kutub negatif power supply DC ke katoda logam timbal. Menyiapkan kondisi temperatur larutan yaitu 10, 40, 70o C. Sampel di-anodisasi pada tegangan 10, 20, 30, 40, 50 Volt dengan kecepatan magnetic stirrer sebesar 500 rpm selama 30 menit lalu sampel dibilas dengan aquades dan dikeringkan menggunakan hair dryer.
Adapun beberapa faktor yang mempengaruhi pembentukan lapisan oksida aluminum, yaitu : a. Konsentrasi larutan elektrolit b. Waktu Anodisasi c. Jenis dan Elektrolit
Konsentrasi
Larutan
d. Tegangan e. Rapat Arus f. Temperatur
Selanjutnya dilakukan proses pewarnaan dengan menggunakan dye dengan garam warna yang dilarutkan dengan air. Sampel hasil anodisasi dicelup ke dalam wadah garam selama
209
Dewin Purnama, Pelapisan Aluminium Dengan Proses Anodisasi …………….. 5-15 menit dikeringkan.
kemudian
dibilas
dan
Pengaruh Temperatur Celup Dan Tegangan Terhadap Ketebalan Lapisan Oksida Yang Terbentuk Berdasarkan hasil pengamatan menggunakan Scanning electron microscope (SEM), percobaan anodisasi dengan cara mencelupkan pelat aluminium ke dalam larutan elektrolit asam fosfat 0,2 M selama 30 menit pada temperatur 10, 40, dan 70oC dengan tegangan 10, 20, 30, 40, dan 50 V menghasilkan satu lapisan oksida pada permukaan substrat aluminium. Lapisan oksida tersebut terlihat lebih gelap dibandingkan dengan substrat aluminium. Lapisan oksida tersebut merupakan Al 2 O 3 yang terbentuk saat arus dialirkan melalui larutan elektrolit asam fosfat. Ketika pelat aluminium dijadikan anoda, ion-ion oksigen bermuatan negatif bermigrasi ke pelat aluminium dan membentuk lapisan oksida Al 2 O 3 pada permukaan substrat aluminium.
Pengujian yang dilakukan adalah Pengujian Karakterisasi Ketebalan Lapisan dan Pengujian Karakterisasi Ukuran Pori dengan menggunakan alat SEM (scanning electron microscope).
Gambar. 2 Rangkaian sel anodisasi penelitian III. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN Pengamatan visual ini bertujuan untuk melihat kecenderungan perubahan sampel secara fisik. Hasil pengamatan visual pada penelitian ini adalah terdapat perubahan warna pada permukaan sampel aluminium pada bagian yang telah dianodisasi, yaitu cenderung lebih gelap dan buram dibandingkan dengan sampel aluminium sebelum anodisasi (Gambar.3). Hal ini menunjukkan bahwa permukaan sampel aluminium hasil anodisasi telah mengalami reaksi kimia dengan larutan elektrolit asam fosfat. (H 3 PO 4 ).
Gambar. 4 Foto mikro hasil pengujian Scanning Electron Microscope dengan perbesaran 300X. Terbentuk lapisan oksida pada permukaan substrat aluminium Selanjutnya dilakukan penghitungan ketebalan lapisan oksida tersebut untuk mengetahui pengaruh temperatur dan tegangan terhadap ketebalan lapisan oksida yang terbentuk hasil anodisasi.
Gambar. 3 Contoh kondisi sampel pelat aluminium sebelum dan sesudah dilakukan anodisasi 210
POLITEKNOLOGI VOL. 11 NO. 3, SEPTEMBER 2012 memperlihatkan bahwa semakin tinggi tegangan yang diberikan, pori yang terbentuk akan semakin besar. o Selanjutnya pada temperatur 70 C, pori hanya terbentuk pada tegangan aplikasi 10 V dan 20 V, namun secara umum pori yang terbentuk pada tegangan tersebut lebih besar dibandingkan pori yang terbentuk pada temperatur 40o C. Sehingga berdasarkan hasil penelitian, semakin tinggi temperatur yang diaplikasikan pada proses anodisasi akan mengakibatkan ukuran pori yang semakin besar yang terbentuk pada lapisan oksida. Hal ini disebabkan karena peningkatan temperatur akan meningkatkan kemampuan larutan elektrolit untuk menyerang (chemical attack) lapisan oksida untuk membentuk pori yang lebih lebar pada permukaan dibandingkan di bagian dalam lapisan oksida.
Gambar. 5 Pengaruh tegangan terhadap ketebalan lapisan oksida
Pengaruh Temperatur Celup Dan Tegangan Terhadap Hasil Pewarnaan Hasil pencelupan warna setelah anodisasi untuk tegangan 10 V – 50 V pada temperatur 10o C tidak terjadi perubahan warna, aluminium hasil anodisasi hanya tampak lebih gelap pada tegangan 40 V dan 50 V, sedangkan pada temperatur 40o C, intensitas warna merah pada alumnium terlihat jelas pada tegangan 30 V sampai 50 V dimana deposit warna terjadi lebih banyak seiring dengan kenaikan tegangan. Namun pada temperatur 70o C, intensitas warna yang jelas hanya terjadi pada tegangan 40 V dan 50 V, dimana deposit warna lebih banyak terjadi pada tegangan 50 V jika dibandingkan dengan 40 V.
Gambar. 6 Pengaruh temperatur terhadap ketebalan lapisan oksida
Secara umum, Gambar 5 dan 6 memperlihatkan trend yang sama dan konsisten yaitu semakin meningkatnya temperatur celup dan tegangan yang diberikan akan menurunkan ketebalan lapisan oksida yang terbentuk. Hal ini terjadi karena peningkatan temperatur dan tegangan akan meningkatkan driving force untuk terjadinya pelarutan lapisan oksida, yaitu meningkatkan kemampuan larutan elektrolit untuk melarutkan lapisan oksida. Pengaruh Temperatur Celup Dan Tegangan Terhadap Ukuran Pori Pada Lapisan Oksida Yang Terbentuk Berdasarkan hasil penelitian, secara umum pada temperatur 10o C, untuk semua tegangan yang diberikan cenderung tidak memperlihatkan terbentuknya pori pada lapisan oksida Al 2 O 3 . Kemudian pada temperatur 40o C terlihat pori mulai terbentuk dimana
Menurut Jose. L. Gazapo dalam tulisannya tentang Anodizing of Alumnium pada tahun 1994, bahwa intensitas warna tergantung pada jumlah zat warna yang mengendap pada lapisan anodic. Mekanisme penyerapan inorganic dyeing diproduksi di bagian 211
Dewin Purnama, Pelapisan Aluminium Dengan Proses Anodisasi …………….. atas anodic film, dimana warna yang di hasilkan akibat adanya endapan garam warna pada lapisan oksidasi. Makin banyak jumlah zat warna yang mengendap maka makin tinggi intensitas warnanya.
Semakin meningkatnya temperatur celup dan tegangan yang diberikan akan menurunkan ketebalan lapisan oksida yang terbentuk. Hal ini terjadi karena peningkatan temperatur dan tegangan akan meningkatkan driving force untuk terjadinya pelarutan lapisan oksida, yaitu meningkatkan kemampuan larutan elektrolit untuk melarutkan lapisan oksida.
Ukuran pori yang terjadi akibat pengaruh temperatur dan tegangan dalam proses anodisasi memberikan kontribusi yang besar terhadap pengendapan zat warna. Makin besar diameter pori yang terbentuk maka makin banyak deposit zat warna yang terbentuk.
Semakin tinggi temperatur yang diaplikasikan pada proses anodisasi akan mengakibatkan ukuran pori yang semakin besar yang terbentuk pada lapisan oksida. Hal ini disebabkan karena peningkatan temperatur akan meningkatkan kemampuan larutan elektrolit untuk menyerang (chemical attack) lapisan oksida untuk membentuk pori yang lebih lebar pada permukaan dibandingkan di bagian dalam lapisan oksida.
Temperatur sangat berpengaruh terhadap diameter pori. Peningkatan temperatur akan memperbesar diameter pori, terutama di daerah dekat permukaan (Zhao dan Nai-Qin, 2007). Namun hasil penelitian menunjukkan perbedaan intensitas warna pada temperatur 40o C dengan 50o C, pada temperatur 40o C intensitas warna nampak lebih jelas dibandingkan dengan temperatur 50o C, hal ini di sebabkan pada temperatur 40o C diameter pori tidak terlalu besar namun jumlah pori yang terjadi lebih banyak jika dibandingkan dengan temperatur 50o C. Berdasarkan hasil penelitian, kondisi warna yang optimum terjadi pada pengaruh temperatur 40o C dan tegangan 40 V dan 50 V.
Intensitas warna proses anodisasi tergantung dari ukuran pori yang terbentuk, makin besar diameter pori yang terbentuk maka jumlah zat warna yang terdeposit juga makin banyak. Kondisi optimum pewarnaan terjadi pada temperatur 40o C dan tegangan 40 V dan 50 V V. DAFTAR PUSTAKA [1] Aluminium Handbook 2. “Forming, Casting, Surface Treatment, Recycling and Ecology”. Aluminium-Verlag Marketing & Kommunikation GmbH. Germany.2003. [2] Jose L. Gazapo, J. Gea, Anodizing of Aluminium, Talat Lecture 5203, European Aluminium Association, 1994 [3] J.R. Davis et all, Aluminum and Aluminum Alloys, ASM Specialty Handbook, 1993 [4] N. Itoh, N. Tomura, T. Tsujj, M. Hongo, Microporous Mesoporous Mater. 20 (1998) 333 [5] Patermarakis G; Papandreadis N (1993), Study on the kinetics of
IV. KESIMPULAN Sampel aluminium pada bagian yang telah dianodisasi cenderung lebih gelap dan buram dibandingkan dengan sampel aluminium sebelum anodisasi, hal ini menunjukkan bahwa permukaan sampel aluminium hasil anodisasi telah mengalami reaksi kimia dengan larutan elektrolit asam fosfat (H 3 PO 4 ). Terbentuk satu lapisan oksida Al 2 O 3 yang berbatasan dengan substrat aluminium yang terlihat lebih gelap dibandingkan dengan substrat aluminium.
212
POLITEKNOLOGI VOL. 11 NO. 3, SEPTEMBER 2012 growth of porous anodic Al 2 O 3 film on Al metal Electrochim, Acta 38:2351-2355 [6] Y. Li, Y. Kanamori, K. Hane, A new method for fabrication nano-porous aluminum grating array,
Microsystem Technologies 10 (2004) 272 [7] Zhao, Nai-Qin, "Effects of Anodizing Conditions on Anodic Alumina Structure," J Mater Sci (42) 2007: 3878–3882.
213
Dewin Purnama, Pelapisan Aluminium Dengan Proses Anodisasi ……………..
214
