Seminar Nasional Pascasarjana XI – ITS, Surabaya 27 Juli 2011 ISBN No.
SINTESIS BARIUM M-HEKSAFERIT BaFe12O19 DENGAN VARIASI TEMPERATUR KALSINASI
Noer Af’idah *, El Indahnia 2, Darminto 3
3
Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya, Indonesia1*
[email protected] Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya, Indonesia2 Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya, Indonesia3
Abstrak Telah dilakukan sintesis dan karakterisasi serbuk barium M-heksaferit BaFe12O19 menggunakan metode kopresipitasi dengan pemanasan pada suhu rendah. Sintesis barium M-heksaferit dilakukan menggunakan barium karbonat (BaCO3), FeCl3.6H2O, HCl (12,063 M), NH4OH (6,5 M) sebagai material dasar. Hasil kopresipitasi dikalsinasi pada temperatur 850C, 2000C, dan 3000C dengan variasi waktu penahanan 1 j am dan 3 jam. Sebagai pembanding juga dilakukan kalsinasi pada suhu tinggi yaitu 6000C, 7000C, dan 8000C. Pengujian DTA/TGA dilakukan untuk mengetahui transformasi fasa yang terjadi akibat kalsinasi yang dilakukan pada bahan. Identifikasi fasa dilakukan dengan menggunakan X-Ray Difractometer (XRD) untuk mengetahui serbuk barium M-heksaferit dengan kemurnian fasa yang paling tinggi. Hasil pengujian dengan XRD dianalisa dengan menggunakan software Rietica untuk mengetahui fasa-fasa yang terbentuk. Berdasarkan analisa dengan Rietica menunjukkan bahwa fasa barium M-heksaferit dengan kemurnian paling tinggi terbentuk pada temperatur kalsinasi 3000C selama 3 jam, yaitu sebesar 89,33% sedangkan sisanya adalah fasa hematit (α-Al2O3). Pada kalsinasi temperatur 6000C, 7000C, dan 8000C tidak menunjukkan terbentuknya fasa barium M-heksaferit tetapi hanya menghasilkan fasa hematit (α-Al2O3) saja. Kata kunci: Barium M-heksaferit, metode kopresipitasi.
1. Pendahuluan Sains dan teknologi nano (IPTEK Nano) yang saat ini dikembangkan secara intensif di kalangan internasional antara lain telah banyak melahirkan bahan magnetik cerdas (smart magnetic materials). Bahan-bahan yang termasuk dalam kategori ini salah satu di antaranya adalah material pengabsorpsi gelombang mikro (radar absorbser material). Radar Absorber Material (RAM) merupakan bahan yang digunakan dalam teknologi sealth untuk menyamarkan kendaraan atau struktur dari radar. Mencermati aplikasi yang luas dari bahan magnetik cerdas tersebut, bisnis produk ini semakin potensial dan diperkirakan akan marak dalam waktu dekat. Untuk antisipasi agar negara kita tidak tertinggal dengan negara lain maka perlu dikembangkan penelitian tentang materialmaterial tersebut. Barium heksaferit dengan struktur heksagonal dan seluruh turunannya memiliki sifat magnet yang spesifik sehingga dapat dimanfaatkan sebagai magnet permanen, media peredam magnetik dan peralatan aplikasi gelombang mikro lainnya. Kemampuan bahan ferit heksagonal sebagai peredam gelombang elektromagnetik inilah yang diharapkan dapat diaplikasikan sebagai bahan antiradar atau
dikenal sebagai RAM yang sangat diperlukan dalam pertahanan militer suatu negara. Hal inilah yang menjadi latar belakang penelitian ini. Berbagai macam metode telah dilakukan untuk menghasilkan serbuk heksaferit, yaitu: metode kopresipitasi, metode sol-gel, dan metode hidrotermal. Namun metode-metode tersebut membutuhkan pemanasan pada suhu yang relatif tinggi. Dalam penelitian ini, akan dilakukan sintesis dan karakterisasi serbuk barium heksaferit dengan metode kopresipitasi, diharapkan dengan pemanasan suhu yang relatif rendah sudah didapatkan fasa barium heksaferit. Metode kopresipitasi (pengendapan) adalah salah satu jenis teknik fabrikasi dengan cara kimia,teknik ini digunakan untuk memisahkan analit dari pengganggu-pengganggunya. Berdasarkan rumus kimia dan struktur kristalnya, barium heksaferit dikelompokkan menjadi 5 tipe, yaitu: tipe-M (BaFe12O19), tipe-W (BaMe2Fe16O27), tipe-X (Ba2Me2Fe28O46), tipe-Y (Ba2Me2Fe12O22) dan tipe-Z (Ba2Me2Fe24O41). Tipe-M yang lebih dikenal dengan sebutan barium heksagonal ferit (BaM) merupakan oksida keramik yang paling banyak dimanfaatkan secara komersial. Barium M-heksaferit atau dikenal dengan sebutan BaM memiliki rumus kimia BaO.6Fe2O3 (BaFe12O19) dan struktur heksagonal
Seminar Nasional Pascasarjana XI – ITS, Surabaya 27 Juli 2011 ISBN No.
yang sesuai dengan space group P 63/mmc. Sel komplek BaM tersusun atas 2 sistem kristal yaitu struktur kubus-pusat-sisi (face-centered-cubic) dan heksagonal mampat (hexagonal-closepacked) seperti terlihat pada Gambar 1. Keduanya tersusun dengan lapisan atom yang sama, satu lapisan di atas lapisan yang lain. Dalam setiap lapisan, atom terletak di pusat jaringan.
Gambar 1. Sel satuan barium Mheksaferit terdiri atas dua molekul BaFe12O19 Sel satuan BaM berisi 2 molekul, atau totalnya 2 x 32 = 64 atom. Inilah yang membuat strukturnya sangat panjang ke arah sumbu z dengan c = 23,2 A˚ dan a = 5,88 A˚. Ion-ion Ba2+ dan O2- memiliki ukuran yang besar, hampir sama dan bersifat non magnetik. Keduanya tersusun dalam model close packed (tertutup). Ion Fe3+ menempati posisi interstisi. Dalam sel satuan BaM, terdapat 10 lapisan dari ion-ion besar (Ba2+ dan O2-), dengan 4 ion di setiap lapisannya. Delapan dari lapisanlapisan tersebut adalah oksigen, sedangkan 2 lainnya berisi masing-masing satu ion barium. Seluruh blok dari 10 lapisan tersusun atas 4 blok, 2 blok kubus dan 2 blok heksagonal. Dalam blok kubus tersusun atas ion-ion oksigen yang memenuhi struktur tetrahedral dan oktahedral. Dalam setiap blok heksagonal, ion barium mengganti ion oksigen den letaknya di lapisan tengah, seperti yang terlihat pada Gambar 1. Ion yang bersifat magnet dalam barium ferit hanyalah ion Fe3+, tiap-tiap ion dengan nilai momen magnetik 5μB yang terletak dalam 3 jenis struktur kristalografi yang berbeda jenisnya yaitu tetrahedral, oktahedral dan heksahedral. Ion-ion Fe3+ searah dengan bidang lapisan oksigen, yang
bisa sejajar atau tegak lurus dengan sumbu-z dalam <0001>. Dalam setiap sel satuan terdapat 24 ion Fe3+, 4 ion berada di sistem tetrahedral, oktahedral dan 2 ion dalam heksahedral. Terdapat 16 i on dengan spin searah dan 8 i on dengan spin berlawanan. Momen magnet setiap selnya adalah (16–8) 5μB = 5μB /sel satuan atau 5μB / molekul dari BaO.6(Fe2O3). Jumlah ini sebanding dengan 100 e mu/g yang diukur pada magnetisasi saturasi di 00 K. Barium heksaferit merupakan material magnetik dengan medan anisotropik yang tinggi sehingga dapat dimanfaatkan pada frekuensi yang lebih tinggi daripada ferit spinel atau garnet (di atas 30 GHz). Kristal magnet anisotropik berasal dari strukturk kristal dengan anisotropik yang tinggi. Pertumbuhan butir struktur kristal tersebut juga bersifat anisotropik, dengan bentuk morfologi seperti bidang heksagonal yang memberikan peningkatan sisi anisotropiknya. Akibatnya, BaM menghasilkan koersifitas tinggi. Syarat itulah yang mestinya harus dimiliki oleh magnet permanen (Lisjak, dkk, 2006). 2. Metodologi 2.1 Sintesis Serbuk Barium M-Heksaferit Dalam penelitian ini serbuk barium Mheksaferit disintesis dengan menggunakan metode kopresipitasi. Bahan utama yang digunakan dalam penelitian ini adalah barium karbonat (BaCO3), FeCl3.6H2O, HCl (12,063 M), NH4OH (6,5 M) dan aquades. Serbuk FeCl3 10 gram dilarutkan dalam 0,67 ml aquades sampai terlarut sempurna (diindikasikan oleh tidak adanya endapan dalam larutan). Serbuk BaCO3 0,61 gram direaksikan dengan 0,51 ml larutan HCl dengan menggunakan pengaduk magnetik, kemudian ditambahkan aquades sampai terlarut sempurna. Kedua larutan tersebut dicampurkan sambil terus diaduk dan dipanaskan dengan pengaduk magnetik. Selanjutnya ditambahkan 18,52 ml NH4OH sedikit demi sedikit sampai terbentuk endapan berwarna kuning kecoklatan. Hasil endapan dibilas aq uades dan diendapkan dengan menggunakan magnet permanen. Pembilasan dilakukan hingga sisa asam, kotoran dan impuritas di dalam endapan menghilang. Hal itu bisa dilakukan dengan mengukur pH endapan menggunakan pH meter. Serbuk hasil endapan dikeringkan dengan menggunakan lampu bohlam sampai benar-benar kering, selanjutnya dikalsinasi pada temperatur 850C, 2000C, 3000C, 6000C, 7000C dan 8000C dengan variasi waktu penahanan 1 jam dan 3 jam. Reaksi yang terjadi pada pembentukan endapan BaFe12O19 pada proses kopresipitasi adalah sebagai berikut :
Seminar Nasional Pascasarjana XI – ITS, Surabaya 27 Juli 2011 ISBN No.
2.2
Karakterisasi Sampel Dengan Uji DTA/TGA Serbuk hasil sintesis yang telah dikeringkan dengan lampu bohlam selanjutnya diuji DTA/TGA untuk mengetahui temperatur terjadinya transformasi fasa pada bahan. DTA (Differential Termal Analizer) merupakan analisis termal yang mengukur perbedaan suhu (ΔT) antara sampel dan material referen yang inert sebagai fungsi dari suhu. Sedangkan TGA ( Termogravimetrik Analizer) secara otomatis merekam perubahan massa sampel sebagai fungsi suhu dan waktu. Keduanya adalah alat untuk melakukan analisis termal dengan tujuan penentuan reaksi keadaan padat, dekomposisi termal, terjadinya transisi fasa dan penentuan diagram fasa.
3. Hasil Dan Pembahasan Dalam penelitian ini digunakan metode kopresipitasi untuk mendapatkan serbuk barium M-heksaferit. Metode kopresipitasi dilakukan dengan menggunakan media pasangan asam-basa HCl sebagai media pelarut dan NH4OH sebagai media pengendapnya. Sisa-sisa HCl dan NH4OH yang dapat berubah menjadi pengotor dapat dihilangkan dengan menggunakan aquades. Serbuk hasil sintesis dikeringkan dengan menggunakan lampu bohlam 75 watt atau setara dengan pemanasan 85 0C. Selanjutnya dilakukan kalsinasi agar terjadi transformasi fasa sehingga diharapkan akan terbentuk fasa yang diinginkan. Grafik DTA/TGA 0
2.3
-20
0
500
1000
1500
-40
DTA
-60
TGA
-80 -100 Temperatur
Gambar 1. Grafik hasil uji DTA/TGA
Dari grafik DTA/TGA dapat diamati adanya puncak endotermis pada sekitar temperatur 80 oC sampai 90 oC yang disertai dengan adanya penurunan massa. Ini menunjukkan adanya transformasi fasa yang dapat dibuktikan dengan hasil XRD sampel yang telah dikeringkan dengan lampu bohlam pada temperatur 85 oC ternyata telah terbentuk fasa barium M-heksaferit (BaFe12O19) sebesar 5,21% sedangkan sisanya adalah fasa hematit (α-Al2O3) yaitu 94,79%. Grafik hasil uji xrd 160 140 120 intensitas
Identifikasi Fasa Dengan XRD Metode yang digunakan untuk mengkarakterisasi bahan uji hasil percobaan menggunakan difraksi sinar-x Tipe Philips X’Pert MPD (Multi Purpose Diffractometer) system terdapat di Laboratorium Difraksi SinarX RC (Research Center) LPPM ITS Surabaya (Gambar 3.2). Untuk mengetahui karakter fisis material secara kuantitatif berdasarkan data difraksi sinar-x maka dilakukan analisis Rietveld (Rietveld, 1969). Material akan dikarakterisasi dengan menggunakan perangkat lunak Rietica dan MAUD yang berbasis pada penghalusan Rietveld. Metode Rietveld adalah metode penghalusan (refinement) yang menggunakan metode pencocokan pola difraksi terhitung atau teoritis (model) dan pola difraksi terukur (eksperimen) yang menggunakan metode kuadrat terkecil. Karakterisasi pengukuran mengambil sudut 2θ mulai dari 20o hingga 70o dengan step 0,004. Panjang geombang yang dipakai adalah Cu Kα 1,54 Ǻ, 40 kV, 30 mA. Pengujian dengan XRD dilakukan untuk mengidentifikasi fasa yang terbentuk dari hasil sintesis. Dari pola difraksi dapat diperkirakan ada tidaknya fasa kristal atau masih amorf. Fasa kristal ditunjukkan dengan adanya puncakpuncak difraksi sedangkan fasa amorf ditunjukkan dengan pola difraksi yang berbentuk punuk atau intensitas latar yang tidak teratur. Proses identifikasi fasa didasarkan pada pencocokan data posisi-posisi puncak difraksi terukur dengan basis data (database). Identifikasi fasa juga dinamakan cari-dan-cocokkan (search-
match) yang dapat dilakukan dengan cara manual atau yang berbasis komputer.
DTA Signal/delta M
BaCO3 (s) + 2HCl (l) → BaCl2 +H2CO3 (2.1) (2.2) 12FeCl3.6H2O +12 H2O → 12FeCl3 +84H2O BaCl2+12 FeCl3 + H2CO3 + H2O+ HCl +39NH4OH (2.3) → BaFe12O19 + 39NH4Cl + 22H2O + CO2
85
100
200,1j
80
200,3j
60
300,1j
40
200,3j
20 0 -20 0
20
40
60
80
2 teta (derajat)
Gambar 2. Grafik hasil uji XRD untuk sampel yang dikalsinasi pada temperatur 850C, 2000C, dan 3000C selama 1 jam dan 3 jam.
Seminar Nasional Pascasarjana XI – ITS, Surabaya 27 Juli 2011 ISBN No.
Tabel 1: Komposisi fasa hasil analisa data difraksi dengan menggunakan software Rietica
Data hasil pengujian dengan XRD dianalisa dengan menggunakan software Rietica untuk mengidentifikasi fasa-fasa yang terbentuk pada bahan hasil sintesis. Dari identifikasi fasa didapatkan hasil bahwa diantara serbuk hasil kopresipitasi yang telah dikalsinasi yang dengan menghasilkan fasa BaFe12O19 kemurnian tertinggi adalah sampel yang dikalsinasi pada temperatur 300oC selama 3 jam yakni sebesar 89,33 %. Gambar 2 menunjukkan pola difraksi dari serbuk yang dipanaskan pada temperatur 850C, 2000C, dan 3000C selama 1 jam dan 3 jam. Dari kelima sampel menunjukkan pola difraksi yang sama, yang berbeda adalah besar intensitas dari tiap sampel. Dari analisa data XRD dengan menggunakan Rietica menunjukkan bahwa kelima sampel mengandung dua fasa yang sama yaitu fasa barium Mheksaferit dan fasa hematit, yang berbeda diantara kelima sampel adalah besarnya komposisi masing-masing fasa. Grafik hasil uji XRD 800 700
intensitas
600 600,1j
500
600,5j
400
700,1j
300
700,3j
200
800,1j
100 0 -100 0
20
40
60
80
2 teta (derajat )
Gambar 3. Grafik pola difraksi untuk sampel yang dikalsinasi pada temperatur 850C, 2000C, dan 3000C selama 1 jam dan 3 jam.
Serbuk hasil kopresipitasi yang telah dikalsinasi pada temperatur 600oC, 700oC, dan 800oC menunjukkan fasa hematit 100%. Hal ini bisa dilihat dari Gambar 3 y ang menunjukkan pola difraksi yang sama untuk masing-masing sampel. Semua fasa barium M-heksaferit bertransformasi menjadi fasa hematit. Hal ini mungkin disebabkan jumlah BaCO3 yang digunakan sangat kecil jika dibandingkan dengan FeCl3. sehingga secara stoikiometri jumlah atom Ba juga sangat kecil. Jadi pada saat kalsinasi temperatur yang tinggi dimungkinkan atom Ba terlarut dan membentuk fasa lain yang sangat kecil intensitasnya sehingga tidak dapat diamati dengan menggunakan XRD.
Temperatur kalsinasi (0C)
GoF
85 200, 1 jam 200, 3 jam 300, 1 jam 300, 3 jam 600, 1jam 600, 5 jam 700, 1jam 700, 3 jam 800, 1 jam
4.167 2.147 3.776 2.488 2.829 1.425 1.483 1.186 1.167 1.178
Fasa BaFe12O19 (% Wt) 5.21 65.34 64.62 86.61 89.33 -
Fasa Fe2O3 (% Wt) 94.79 34.66 35.38 13.39 10.67 √ √ √ √ √
4. Kesimpulan Dari analisa data dan pembahasan yang dilakukan dapat dambil kesimpulan sebagai berikut: 1. Serbuk barium M-heksaferit telah sukses disintesis dengan menggunakan metode kopresipitasi. 2. Serbuk barium M-heksaferit mulai terbentuk pada saat pengeringan serbuk hasil sintesis sebesar 5.21%. 3. Serbuk yang dikalsinasi pada temperatur 3000C selama 3 jam menghasilkan fasa barium M-heksaferit dengan kemurnian tertinggi yakni sebesar 89,33%. 4. Kalsinasi serbuk hasil kopresipitasi pada temperatur 600oC, 700oC, dan 800oC menunjukkan fasa hematit 100%. 5. Pustaka Abdullah, Mikrajuddin. & Khairurrijal, (2008). ”Review: Karakterisasi Nanomaterial”, Jurnal Nanoscience dan T eknologi vol.2, No.1. Callister, Jr., W.D.,( 1985) ”Material Science and Engineering”. Dimri, M.C, dkk., (2004). ”Electrical and magnetic properties of barium hexaferrite nanoparticles prepared by citrate precursor method”, Ceramics International 30, 1623-1626. Feng Y.B., Qiu T., Shen C.Y., (2007), “Absorbing Properties and Structural Design of Microwave Absorbers Based on Carbonyl Iron and Barium Ferrite”, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 318. 8–13 Imran, M.I., Hasnain, A., Abd. Aziz, M.Z.A., dan Ja’afar, A.S., (2008), “Design and Development of Carbon Base Microwave Absorber” Journal of
Seminar Nasional Pascasarjana XI – ITS, Surabaya 27 Juli 2011 ISBN No.
Advanced Manufacturing Technology, Vol. 2 No.2 July-December 2008. Kitaitsev Alexander A., Zhumabayeva Gulnur N., dan Koledintseva Marina Y., (2007), “Method of Measuring Permittivity of Composite Materials with Hexagonal Ferrite Inclusions”, 1-4244-13508/07/$25.00 ©2007 IEEE . Lisjak, D. & Miha Drofenik, (2006). ”The low temperature formation of barium hexaferrites”, Journal of the European Ceramic Society 26, 3681-3686. Lisjak, D. & Miha Drofenik, (2007). ”The mechanism of the low temperature formation of barium hexaferrites”, Journal of the European Ceramic Society 27, 4515-4520. Narang Bindra Sukhleen dan H udiara I.S., (2006), “Microwave Dielectric Properties of M-Type Barium, Calcium and Strontium Hexaferrite Substituted with Co and Ti”, Journal of Ceramic Processing Research., Vol. 7, No. 2, pp. 113-116. Qiu, Jianxun,dkk.,(2005).”Microwave absorption of nanosized barium ferrite particles prepared using high-energy ball milling”, Journal Powder Technology 154, 116119. Qiu, Jianxun. & Mingyuan Gu, (2006). ”Crystal structure and magnetic properties of barium ferrite synthesized using GSPC and HEBM”, Journal of Alloys and Compounds 415,209-212. Ramprecht J. dan Sjoberg D., (2007), “Biased Magnetic Materials in RAM Applications” Progress In Electromagnetics Research, PIER 75, 85–117.
Shepherd, P., dkk., (2007). ”Magnetic and structural properties of M-type barium hexaferrite prepared by coprecipitation”. Juornal of Magnetism and Magnetic Materials 311, 683-692. Suasmoro S., Pratapa S., Hartanto D., Setyoko D., dan Dani U.M., (2000), “The Characterization of Mixed Titanate Ba1xSrxTiO3 Phase Formation from Oxalate Coprecipitated Precursor”, Journal of the European Ceramic Society 20 (2000) 309-314. Wiley John, Sans. Inc., (2005), “Fundamnental of Electromagnetics with Engineering Applications”, STUART M. WENTWORTH, Auburn University (2005), 511-512. Wu K.H., Ting T.H., Wang G.P., Yang C.C., Tsai C.W., (2008), “Synthesis and Microwave Electromagnetic Characteristics of Bamboo Charcoal/Polyaniline Composites in 2– 40GHz”, Elsevier B.V. All rights reserved, Synthetic Metals 158 (2008) 688–694.
