PENERAPAN METODE FAST FIRING PROCESS PADA PEMBUATAN KERAMIK UKIR JENIS STONEWARE M. Dachyar Effendi Pusat Pengembangan Teknologi Material BPPT Gedung II Lantai 22 Jl. M.H. Thamrin No.8 Jakarta 10340 Email :
[email protected]
Abstract To reduce energy consumption in ceramic process, Investigation of fast firing methode to produce relief product has been carried out. Best Ceramic composition applied to produce rellief without defect when burned in normal firing traject. The composition consists of Kalimantan clay :52,5 %, Penujak clay 10%, Felspar RRC 16%, Talk 2,00 – 5,00%, limestone 2,5% - 6,50% and Ballclay 13,00 – 13,50% and agree with stoneware qualification. In this research, Desired temperature reached at 7 hour, decreased 2 hour compare to normal firing traject. Crack occured on some rellief products indicated that the product with differ thickenness significantly along ceramic body can not be applied into fast firing process. Kata kunci: keramik ukir, stoneware. 1. PENDAHULUAN Bahan bakar adalah salah satu komponen biaya produksi yang menyedot porsi sangat besar dalam industri. Hampir 40 % biaya produksi keramik dialokasikan untuk bahan bakar. Pembakaran keramik biasanya mematuhi trayek bakar tertentu, tergantung jenis pembakaran dan bahan yang dibakar. Pembakaran biskuit mempunyai trayek bakar yang berbeda dengan pembakaran glasir, pembakaran gerabah juga berbeda trayeknya dengan pembakaran stoneware. Dalam pembakaran terdapat beberapa titik dan atau rentang suhu penting dimana pembakaran harus diperlambat, titik-titik itu antara lain pada suhu penguapan air mekanis o (antara 50 – 150 C), penguapan air hidrat (pada o daerah water smoke dengan suhu 500 - 700 C), o serta inversi kuarsa (sekitar 500 C) (Alexander, Brian, 2001). Pada rentang-rentang suhu tersebut jika kecepatan kenaikan suhu lebih daripada yang semestinya maka produk akan pecah. Pemakaian bahan bakar sangat berhubungan dengan waktu pembakaran. Jika dapat dilakukan penghematan waktu pembakaran, maka akan didapat dua penghematan yaitu penghematan bahan bakar dan penghematan biaya tenaga kerja (man hour) pembakaran (Behrens, R., 2003). Kegiatan ini berusaha mendapatkan trayek pembakaran yang dipercepat, pembakaran
biscuit yang biasanya dilakukan selama 9 (sembilan) jam akan dipersingkat menjadi (7) tujuh jam saja. Jika hal ini dapat dilakukan maka penghematan biaya akan cukup besar mengingat semakin tinggi suhu bakar maka laju kenaikannya akan semakin sulit dan lambat 2. BAHAN DAN METODE Metodologi yang digunakan adalah meliputi analisis kimia terhadap bahan-bahan mentah yang akan digunakan untuk membuat bahan baku relief dan proses pembuatan formula keramik stoneware dan pengujian Metode penyiapan sampai dengan metode pengujian adalah sebagai berikut (Hartono, Y.M.V, 1983, ; Lawrence, W.G. & West, R. R., 1982, ; Mason, Brian & Moore, Carleton B., 1982) mengikuti tahapan proses sebagai berikut: Pengolahan bahan mentah untuk mencapai kehalusan butiran dibawah 0,125 mm. Penentuan komposisi campuran dengan cara persen berat dengan mempertimbangkan kandungan mineral kuarsa, felspar dan clay dalam campuran. Pembuatan benda uji dan penentuan susut kering, susut bakar, susut jumlah, peresapan air, warna dan suara. Bahan baku kering udara dengan kehalusan butiran dibawah 0,125 mm ditambahkan air
Penerapan Metode Fast Firing ……………. (M. Dachyar Effendi)
33
serata mungkin sehingga mencapai air pembentukan optimum. Kemudian ditutup dengan lap basah dan dibiarkan selama 2 jam, supaya terjadi pemerataan kadar air. Campuran lalu diulek dan dibanting-banting cukup lama, supaya airnya merata betul dan terbentuk masa plastis (tidak ada gelembung udara). Sifat plastis ditandai dengan sifat masa yang tidak lengket ketika ditekan dengan jari tangan dan dapat o membentuk lingkaran 360 dengan keliling 10 cm, tebalnya 1 cm tanpa terjadi retak. Dari masa plastis itu dibentuk benda uji dengan menggunakan cetakan kayu yang sebelumnya bagian dalamnya diolesi minyak mineral supaya benda uji tidak melekat pada cetakan dan mudah dikeluarkan. Ukuran benda uji 12 cm x 2,5 cm x 1,5 cm. Untuk penentuan susut kering dan susut bakar pada tiap tingkat pembakaran digunakan paling sedikit 6 benda uji. Masa plastis yang dimasukkan dalam cetakan sebaiknya sedikit lebih banyak dari yang diperlukan untuk pembentukan ujinya, panjangnya dan lebarnya sedikit kurang, tetapi tebalnya lebih. Masanya ditekan dari tengah ketepi hingga cetakannya berisi penuh. Kelebihan masa kemudian dipotong dan permukaannya dibuat licin dengan pisau atau potongan kayu, yang dibasahi. Setelah dibentuk, pada permukaannya diberi tanda garis 10 cm. Benda uji ditimbang lalu dibiarkan pada udara terbuka sampai menjadi kering pada papan yang diberi sedikit berminyak. 2.1. Penentuan Susut Kering (SNI 15-02551984) Benda uji yang dikeringkan pada papan, pada waktu-waktu tertentu dibalik-balik supaya pengeringannya merata dan mengurangi terjadi kelengkungan. Setelah benda uji menjadi kering (dikontrol dengan penimbangan , selisih berat kurang dari 0,5 g untuk 2 hari berturut-turut), jarak tanda garis ditentukan dengan mikrometer tepat sampai 0,1 mm (p cm), maka susut kering = (10 – p)/10 x 100. Susut kering yang diberikan ialah hasil rata-rata susut kering benda uji yang diukur. 2.2. Penentuan Susut Bakar (SNI 15-02551984) Benda uji yang telah diukur jarak tanda garisnya p cm, untuk mengetahui susut kering, dibakar dalam tungku laboratorium sampai suhu yang telah ditentukan untuk setiap pembakaran. Kondisi pembakaran sebaiknya netral. Bila tidak memakai tungku listrik, benda uji dimasukkan dalam kapsel supaya terlindung dari api langsung. Kecepatan kenaikan suhu diatur o sedemikian, sehingga sampai 900 C dalam
34
waktu 4 - 5 jam, sesudah itu setiap kenaikan o 100 C dalam waktu 1 jam. Setelah pembakaran selesai, benda uji dibiarkan menjadi dingin dalam tungku. Jarak tanda garis benda uji lalu ditentukan dengan mikrometer tepat sampai 0,1 mm (p1 cm). Susut bakar = (p – p1)/p x 100% dan susut jumlahnya = (10 - p1)/10 x 100%. Susut bakar atau susut jumlah diberikan sebagai hasil rata-rata semua susut bakar atau susut jumlah benda uji yang diukur. 2.3. Penentuan peresapan air (SNI 12-2580-92) Mula-mula benda uji pasca bakar dikeringkan o dalam oven pada suhu 105 –110 C, sehingga beratnya tetap. Kemudian didinginkan dalam desikator dan ditentukan berat keringnya (D gram) dengan ketelitian 0,01 g. Benda uji dipanaskan dalam wadah berisi air sampai mendidih dan ditahan selama 5 jam. Pasang penyekat atau semacamnya sebagai pemisah antara benda uji dengan dinding atau dasar wadah, begitupun atara benda uji satu dengan lainnya agar tidak bersentuhan. Kemudian dinginkan selama 24 jam, direndam dalam air, lalu dikeluarkan dan dilap dengan kain lembab. Benda uji segera ditimbang dengan neraca yang ketelitiannya 0,01 g ( W gram) maka, peresapan airnya adalan = (W – D)/D x 100%. Untuk menentukan keporian semu (KS), berat jenis isi (BJI) dan berat jenis semu (BJS) dilakukan penimbangan sampel dalam air (D1 gram), dan selanjutnya perhitungan KS 2.4. Penentuan warna, cacat badan dan suara Selain melakukan pengukuran untuk menentukan susut kering, susut bakar, susut jumlah dan peresapan air, juga dilakukan penentuan warna dan pengamatan cacat yang mungkin ada (retak, pecah, meleot) secara visual serta penentuan suara dengan memukul salah satu ujung benda uji dengan sesamanya atau benda pejal lainnya. Suara yang terdengar dinyatakan nyaring, agak nyaring atau tidak nyaring 3. HASIL DAN PEMBAHASAN Uji metode pembakaran dipercepat diujikan kedalam formula bahan baku stoneware putih sebanyak 5 (lima) buah dengan komposisi seperti tertera dalam Tabel 1.
Jurnal Energi dan Lingkungan Vol. 5, No. 1, Juni 2009 Hlm. 33-37
Tabel 1. Formula Bahan Baku yang Dibuat Kode Bahan Baku
Prosentase R–1
R–2
R–3
R–4
R–5
Lempung Bahan mentah Kalimantan
52,50
52,50
52,50
52,50
52,50
Lempung Penujak
10,00
10,00
10,00
10,00
10,00
Felspar RRC
16,00
16,00
16,00
16,00
16,00
Talk
5,50
2,50
4,00
5,00
2,00
Kapur
2,50
6,00
4,25
3,00
6,50
Ballclay
13,50
13,00
13,25
13,50
13,00
Bahan-bahan baku stoneware putih yang dihasilkan telah memenuhi standar ASTM maupun SNI yang ditetapkan. Adapun sifat-sifat fisik terukur dari kelima massa raga stoneware putih tersebut adalah sebagai berikut : Tabel 2. Hasil uji komposisi Suhu Bakar (oC) No.
Parameter uji
Nilai Standar 900
1200
1250
Kecoklatan
Kelabu tua
Putih - coklat
Nyaring
nyaring
1.
Warna
Coklat
2.
Suara
Tidak nyaring Agak nyaring
3.
Keplastisan
4.
Susut Kering (%)
5.
Susut bakar (%)
Plastis Sangat Plastis
6. 7. 8. 9. 10.
<9
8,8889 + 0,2316 -+ 4,6569 + 0,3472 Susut jumlah (%) 8,8889 + 13,1313 + 0,2316 0,4229 Peresapan Air (%) 18,1170 + 9,0629 + 0,2176 0,2190 Keporian Semu (%) 30,8825 + 17,6128 + 0,3312 0,4285 BJ isi (gr/cm3) 1,7048 + 1,9439 + 0,0093 0,0244 BJ semu (gr/cm3) 2,4667 + 2,3598 + 0,0183 0,0348
7,4644 + 0,4282 15,6902 + 0,4157 2,1833 + 0,1540 4,6329 + 0,2913 2,1257 + 0,0375 2,2290 + 0,0386
<8 < 18 < 3 (ASTM) atau 5 (Rhodes) 2,1 – 2,3 -
Trayek pembakaran biskuit (suhu bakar o 900 C) yang dicobakan adalah sebagai berikut seperti dapat dilihat pada Tabel 3. Tabel 3. Suhu yang dicapai pada pembakaran normal dan dipercepat Waktu Pembakaran (jam) 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0
Suhu yang Dicapai Trayek Normal Trayek Dipercepat 30 30 60 75 90 125 125 150 150 200 200 275 275 375 350 450 435 500 490 550 525 600 550 650 575 725 600 820 650 900 700 767 835 900
Analisis reaksi yang terjadi pada badan keramik dalam pembakaran dapat diuraikan seperti dalam uraian di bawah ini Pelepasan air terikat, pada sekitar suhu o 100 C air terikat dilepaskan ke udara, sebelum air terikat lepas sempurna, kenaikan suhu akan menguapkan air terikat dengan cepat dan terjadi letupan pada badan. Penguraian senyawa organik akibat efek o termal, pada sekitar suhu 250 C, zat organik pada badan (bakteri, bahan perekat, potongan kayu, padi-padian, sebagai pengotor) secara perlahan-lahan terurai dengan pemanasan dan sisa karbon meninggalkan sisa karbon pada badan Pelepasan air kristal, pada sekitar suhu o 450 C, clay melepaskan air kristal, kaolinit terkonversi membentuk metakaolin dan sekaligus disertai terjadinya penyusutan volume. Reaksi ini bersifat endothermik, kenaikan suhu pada badan lebih rendah dari ambien dan perbedaan suhu pada badan melebar. Pada saat air kristal dilepaskan, kepemilikan sifat partikel clay sebagai pasta/pengikat berkurang dengan drastis. Karena itu kekuatan mekanik berkurang dan badan mudah menderita retak. o Inversi kuarsa, pada suhu 573 C terjadi perubahan dari alpha kuarsa (suhu rendah) menjadi beta kuarsa (pada suhu tinggi). Pada proses ini terjadi pengembangan volume kuarsa sangat besar. Air kristal lepas badan menjadi getas dan ini menyebabkan menjadi retak. Pelepasan sisa organik dengan pembakaran, setelah material organik mengalami dekomposisi termal, tumpukan sisa (utamanya karbon) bereaksi dengan oksigen disekitar badan menjadi gas dan dengan cara difusi keluar dari badan. Peleburan feldspar, feldspar mulai lebur pada o 800 C membentuk fasa gelas yang sangat kental pada suhu rendah. Kekentalan mengecil secara o perlahan-lahan dari 850 C dan membasahi partikel kuarsa dan meta kaolin menjadi lebur dan mengisi ruang kosong diantara partikel. Dengan demikian proses ini mengurangi porositas, penyusutan dimensi dan meningkatkan kekuatan badan secara drastis. o Penyusutan bakar, diatas 950 C meta kaolin berubah menjadi SiO2 dan spinel 2Al2O3.3SiO2. o Diatas 1000 C, fasa gelas encer membasahi partikel kuarsa dan kuarsa mulai lebur. Leburan kuarsa mengisi ruang diantara partikel dan porositas menurun, badan menyusut dengan cepat. Dalam hal pembakaran reduksi, sebelum proses reduksi , pori tersisa pada badan. Proses reduksi sebaiknya selesai sebelum kematangan glasir. Pembentukan mullite, pada suhu sekitar o 1100 C spinel dalam fasa gelas menjadi lebur,
Penerapan Metode Fast Firing ……………. (M. Dachyar Effendi)
35
membentuk kristal mullite seperti jarum, yang mengisi seluruh bentuk jaringan gelas. Jumlah kristal mullite tergantung pada komposisi fasa gelas. Hubungan jumlah kristal mullite dan kandungan fasa gelas serupa dengan hubungan antara fiber dan gelas dalam gelas dengan penguat fiber. Keberadaan mullite memperkuat fasa gelas yang pada gilirannya berpengaruh pada peningkatan sifat-sifat mekanik produk. Penurunan kekentalan gelas lebih lanjut menyebabkan pengisian ruang kosong menjadi lebih cepat terpenuhi dan penyusutan dapat dikatakan tidak terjadi lagi. o Sintering, pada suhu diatas 1200 C, partikel kuarsa halus lebur seluruhnya dalam fasa gelas. Partikel kasar kuarsa mengalami peleburan pada bagian permuakaannya. Pada proses ini ukuran butiran berkurang tetapi butiran tersisa dalam fasa gelas dalam bentuk kristal kuarsa dan tidak terjadi peleburan sempurna. Ruang antara partikel kuarsa yang terisi fasa gelas hanya meninggalkan sedikit ruang kosong dalam bentuk pori tertutup (pori yang tidak berhubungan dengan udara). Pada kondisi ini porositas sangat kecil dan sintering berakhir. Sintering adalah tingkat keadaan padat suatu bahan atau badan keramik. Kepadatan adalah suatu keadaan badan yang tidak menyerap air dan mempunyai suara nyaring. Grafik trayek pembakaran dipercepat yang dicobakan dan pembakaran normal yang biasa digunakan dapat dilihat pada Gambar 1.
1000 Trayek Normal
Suhu yang Dicapai
Trayek Percepatan
Gambar 2. Benda uji tahap biscuit Trayek pembakaran dipercepat ternyata memang dapat dilakukan dengan menggunakan tungku gas dan suhu pembakaran biscuit juga dapat dicapai sesuai dengan waktu yang telah ditetapkan. Walaupun begitu ternyata sistem ini sulit menghasilkan produk yang utuh. Produk relief dapat utuh hanya jika perbedaan ketebalan bagian yang tebal dan tipis (gunung-lembah relief) tidak terlalu jauh dan pengeringan dilakukan pada jangka yang sangat lama. Kelemahan sistem ini adalah ketika mengejar suhu yang diinginkan seringkali kecepatannya sangat tinggi dan susah memperlambatnya, jika pun bisa cara ini kurang efektif karena membuat operator menjadi sangat sibuk memperkecil dan memperbesar aliran gas bakar (LPG) ke dalam tungku. Ketika mengubah-ubah kecepatan aliran ini terjadi kelebihan kecepatan kenaikan dari yang diinginkan sehingga suhu-suhu (daerahdaerah) rawan terlewati dengan kecepatan kenaikan suhu yang tinggi. Akibatnya benda akan pecah.
500
0 0
5
Jam Pembakaran
10
Gambar 1. Trayek pembakaran dipercepat dan normal pada pembakaran biscuit
36
Gambar 3a. Benda uji tahap biscuit pecah setelah perlakuan pembakaran dipercepat
Jurnal Energi dan Lingkungan Vol. 5, No. 1, Juni 2009 Hlm. 33-37
Sekalipun benda utuh sewaktu pembakaran biscuit, akan tetapi benda tersebut telah mempunyai retak rambut yang tidak kelihatan/kasat masa. Akibatnya ketika dibakar glasir benda akan pecah.
Pembakaran dipercepat hanya cocok untuk membakar benda dan atau relief yang tingkat perbedaan ketebalannya tidak mencolok serta ukurannya tidak terlalu besar (Gambar 4), sedangkan jika perbedaan ketebalan mencolok maka benda akan pecah. 4. KESIMPULAN Trayek pembakaran dipercepat dapat dilakukan dengan menggunakan tungku gas dan suhu pembakaran biscuit juga dapat dicapai sesuai dengan waktu yang telah ditetapkan. Walaupun begitu ternyata metode ini sulit menghasilkan produk yang utuh tanpa mengalami cacat atau retak. Produk relief dapat utuh hanya jika perbedaan ketebalan bagian yang tebal dan tipis (gunung-lembah relief) tidak terlalu jauh dan pengeringan dilakukan pada jangka yang sangat lama
Gambar 3b. Benda uji tahap biscuit pecah setelah perlakuan pembakaran dipercepat
DAFTAR PUSTAKA Alexander, Brian., 2001. Panduan Praktis Kamus Keramik Untuk Praktisi, Perajin dan Industri, Milenia Populer, Australia – Indonesia Institute, Jakarta. Behrens, Richard, 2003. Glaze Projects, a Formula of Leadless Glazes, A Ceramics Monthly Magazine Handbook, Profesional Publications, Inc.,Ohio Hartono, Y.M.V., 1983. Bahan Mentah Untuk Pembuatan Keramik, Balai Besar Penelitian dan Pengembangan Industri Keramik, Bandung Lawrence, W.G. & West, R. R., 1982. Ceramics Science for Potter, Chilton Book Company, Radnor, Pennsylvania
Gambar 4 Rellief dengan dimensi kecil dan tingkat ketebalan tidak signifikan,dibakar dengan metode fast firing process
Mason, Brian & Moore, Carleton B., 1982. th Principles of Geochemistry, 4 . Ed., John Wiley & Sons, New York
Relief yang dibakar dengan trayek biasa dapat utuh sedangkan relief yang dibakar dengan pembakaran yang dipercepat pecah. Pecahnya produk terjadi pada relief dengan ketebalan tinggi. Hal ini karena pada pembakaran dipercepat keluarnya air hidrat dan air mekanis o sisa ketika water smoke pada suhu 510 sd 705 C berlangsung cepat. Akibatnya jalur keluarnya air tidak terisi oleh butir lempung dan terjadi pecah.
Penerapan Metode Fast Firing ……………. (M. Dachyar Effendi)
37
