BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 ABU VULKANIK Abu vulkanik

BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 ABU VULKANIK
Abu vulkanik terdiri dari kata abu dan vulkanik. Abu adalah material padat yang
tersisa oleh pembakaran yang tersisa oleh api. (Wikipedia 2013). Vulknik sendiri
adalah partikel halus yang terhembus ketika gunung berapi meletus, kadang-kadang
partikel ini berhembus tinggi sekali sehingga jatuh di tempat yang sangat jauh
(KBBI). Abu vulkanik adalah bahan material vulkanik jatuhan yang di semburkan ke
udara saat terjadi suatu letusan. Abu maupun pasir vulkanik terdiri dari batuan
berukuran besar sampai berukuran halus, yang berukuran besar biasanya jatuh sampai
radius 5-7 km dari kawah, sedangkan yang berukuran halus dapat jatuh pada jarak
mencapai ratusan ribuan kilometer.(sudaryo dan sutjipto 2009). Abu vulkanik menjadi
isu lingkungan yang penting jumlahnya yang cukup banyak dan mengganggu
keseimbangan lingkungan. Abu vulkanik merupakan material piroklastik yang sangat
halus namun memiliki ciri bentuk dan karakteristik yang beragam.
Abu vulkanik merupakan material batuan termasuk material glass yang
memiliki ukuran sebesar pasir dan kerikikl dengann dimeter kurang lebih 2 mm
(1/2inchi) yang merupakan hasil erupsi Gunung Berapi. Partikel abu sangat kecil
tersebut dapat memiliki penampang lebih kecil dari 0,001 mm ( 1/25,000 of an inchi).
Abu vulkanik bukan merupakan produk pembakaran seperti abu terbang yang lunak
dan halus seperti hasil pembakaran kayu, daun atau kertas. Abu vulkanik memiliki
sifat sangat keras dan tidak larut dalam air sehingga sangat abrasive dan sedikit
korosif serta mampu menghantarkan listrik ketika dalam keadaan basah.
6
http://digilib.mercubuana.ac.id/
7
Gambar 2.1 Abu Vulkanik Gunung Sinabung
Abu vulkanik terbentuk selama erupsi vulkanik secara eksplosif gunung
merapi. Erupsi explosive terjadi ketika gas larut didalam batuan cair (magma) yang
mengalami ekspansi dan melepaskan secara ledakan kedalam udara, dan juga ketika
air dipanaskan oleh magma dan melepaskan secara tiba-tiba kedalam uap. Gaya
pelepasann gas bersuara keras mematahan batuan padat. Sementara gas yang
berekspansi pecahan-pecahan batuan kecil vulkanik dan gelas pada saat diudara
angina akan menghembuskan butiran abu kecil tersebut sejauh beberapa kilometer
dari pusat erupsi.
Abu vulkanik merupakan material berukuran kecil dan berstruktur halus yang
keluar dari perut bumi akibat letusan atau erupsi gunung berapi. Menurut bentuk
fisiknya, partikel abu vulkanik terdiri dari berbagai fraksi partikel vitric (kaca,
nonkristal) dan kristalatau litik (nonmagnetik). Ash (or volcanic ash) is fine
pyroclastic material (under 40 mm diameter. Secara kimiawi abu vulkanik juga
mengandung silika (SiO2) sehinga sangat berbahaya bagi manusia bila dilihat pada
mikroskop, abu vulkanik memilki ujung runcing sehingga bila masuk ke paru-paru
juga bila terkena mata dapat menyebabkan perih.
http://digilib.mercubuana.ac.id/
8
2.1.1 Struktur Abu Vulkanik
Abu vulkanik tersusun dari berbagai jenis material tergantung dari mana abu vukanik
itu berasal, karena setiap letusan gunung api memiliki komposisi yang berbeda-beda.
Secara umum, abu vulkanik berasal dari magma yang terdapat di dalam perut bumi
yang kaya akan silika (SiO2) dan oksigen (O2). Bernbagai jenis magma dihasilkan
selama letusan gunung berapi.Pertama, letusan basal dengan energi rendah yang
menghasilkan abu basal. Letusan ini menghasilkan abu berwarna gelap khas yang
mengandung 45%-55% silika dan umumnya kaya akan zat besi (Fe) dan magnesium
(Mg).
Letusan yang kedua adalah letusan riolit dengan energi letusan yang tinggi.
Abu vulkanik yang dihasilkan dari letusan ini adalah abu felsic dengan kandungan
silika yang lebih dari 69%. Jenis abu lain di hasilkan dari beberapa letusan gunung
berapi adalah andesit atau dasit yang memiliki kandungan silika antara 55%-69%.
Selain silika, sekitar 55 ion juga terdapat dalam abu vulkanik. Ion-ion ini terbentuk
dari reaksi asam (sulfat,klorida, dan fluorida) dengan abu dari letusan gunung berapi.
Ion-ion ini terdiri dari kation dan anion. Kation dan anion yang paling banyak
ditemukan adalah Na+, K+, Ca2+, Mg2+ untuk kation Cl-, F-, dan SO42- untuk
anion sehingga dengan adanya ion-ion dalam beberapa kasus letusan gunung berapi
terkandung padatan garam sederhana pada abu vulkanik seperti NaCl dan CaSO4.
Dalam sebuah percobaan pada abu vulkanik dari letusan Gunung St. Helens tahun
1980, ditemukan garam klorida yang terkandung dalam abu letusan Gunung St.
Helens. Namun, bukan berarti setiap gunung mempunyai jenis kandungan dan
konsentrasi yang sama. WHO (World Health Organization) mengatakan bahwa jenis
kandungan dan konsentrasi abu vulkanik setiap gunung berapi berbeda-beda,
tergantung kondisi alam seperti suhu udara dan angin. Dengan konsentrasi yang
berbeda-beda ini, abu vulkanik mempunyai dampak lingkungan di sekitarnya dari
yang sederhana seperti gatal atau iritasi pada mata sampai dampak yang mengerikan
seperti gangguan pernafasan akut (bronchitis, emfisema, dan asma).
http://digilib.mercubuana.ac.id/
9
2.1.2 Kandungan Abu Vulkanik
Aktivitas gunung sinabung terjadi pada tanggal 17 agustus 2010, gnung ini
mengeluarkan asap abu vulkanik. Kemudian tanggal 19 agustus 2010 dini hari sekitar
pukul 00.15 WIB., gunung sinabung mengeluarkan lava abu gnung sinabung
cenderung meluncur dari arah barat daya menuju timur laut. Tanggal 3 september
terjadi 2 letusan pertama terjadi sekitar 04.45 WIB sedangkan letusan kedua terjadi
sekitar pukul 18.00 WIB letusan gunung sibnabung menyemburkan debu vulkani
setinggi 3 kilometer dan gempa bumi vulkanik yang dpat tersara sehingga 25
kilometer disekitar gunung ini. Tanggal 7 September, gunung sinabung kembali
meletus. Ini merupakan letusan terbesar sejak gunung ini menjadi aktif pada tanggal
29 Agustus 2010. Debu vulkanik ini tersebar hingga 5.000 meter diudara
(Wikipedia,2012). Dalam setiap sembuaran mengadung
senyawa kimia yang
mengancam kesehatan manusia. Senyawa tersebut diantaranya adalah silika (Si),
alumina (Al), ferro (Fe), titanium (Ti), dan mangan (Mn) dan sisanya adalah senyawasenyawa lain. Dari hasil pengujian lapangan yang dilkaukan untuk mengetahui
kandungan unsur yang terdapat didalam abu vulkanik tersebut, maka abu vulkani
tersebut diuji dengan menggunakan alat X-ray fluorescence (XRF).
Tabel 2.1 Komposisi Abu Vulkanik Gunung Sinabung
Hasil Pengukuran Sampel Abu Vulkanik
Unsur
Besar
Komposisi
Besar Persentase
Si
Fe
Al
Ti
Mn
Sb
Sn
Zr
Zn
Ni
Cu
Ga
64.7
17.28
15.6
1.58
0.43
0.12
0.07
0.06
0.05
0.02
0.01
0.01
± 0.6%
± 0.23%
± 0.8%
± 0.08%
± 0.05%
± 0.21%
± 0.11%
± 0.06%
± 0.00%
± 0.01%
± 0.00%
± 0.00%
http://digilib.mercubuana.ac.id/
10
2.1.3 Dampak Positif Abu Vulkanik
Banyak orang sudah mengetahui bahwa abu vulkanik memiliki berbagai macam
manfaat dalam berbagai macam bidang.Manfaat yang langsung dapat dilihat dari abu
vulkanik mengandung unsur yang berguna bagi pertumbuhan dan perkembangan
tanaman. Pada umumnya, daerah yang rusak akibat erupsi gunung berapi tak lama
kemudian akan pulih kembali. Misalnya, letusan Gunung berapi pada tahun 2010 telah
menimbulkan kerusakan berat pada ekosistem hutan yang berada pada sekitar lereng
Gunung Merapi.Namun, dapat kita lihat saat ini mulai mincul ekosistem yang
baru.Abu vulkanik berguna untuk menyuburkan tanah.
Selain itu, abu vulkanik merupakan salah satu hasil timbang galian C yang
mempunyai nilai ekonomi yang cukup menggiurkan di daerah yang terdapat gunung
berapi, umumnya masyarakat sekitar memanfaatkan kelimpahan abu vulkanik pascaerupsi. Abu vulkanik yang tercampur dengan material lain terbawa oleh air. Kemudian
mengendap
di
sepanjang
hilir
sungai
dijadikan
lahan
mata
pencaharian
penduduk.Setiap hari puluhan truk pengangkut pasir (Abu Vulkanik) lalu lalang
membawa muatannya kepengepul. Abu vulkanik juga sedang diteliti sebagai salah
satu alternatif bahan baku bangunan. Dari karakteristik dan strukturnya abu vulkanik
dipandang memenuhi syarat sebagai bahan bangunan, dan dalam penelitian kali ini
kita akan mencoba melakukan penelitian pembuatan material rekfraktori bebrbasis
abu vulkanik. Karena dalam Penelitian-penelitian tentang material refraktori berbasis
abu terbang (fly ash) banyak yang telah dipublikasikan. Sedangkan publikasi tentang
refraktori berbahan dasar lain masih relatif sedikit. Hal tersebut yang mendasari
penelitian ini tentang kelayakan abu vulkanik sebagai bahan dalam pembuatan
material refraktori yang akan dilakukan.
2.1.4 Dampak Negatif Abu Vulkanik
Dimana ada cahaya, disitu ada bayangan. Selain memiliki berbagai macam sisi positif,
abu vulkanik juga memiliki dampak negatif dalam bidang kesehatan, akibat yang
timbul dari abu vulkanik antara lain gangguan pernafasan serta iritasi mata dan kulit.
Butiran halus abu vulkanik dapat masuk kesaluran pernafasan dan menimbulkan
http://digilib.mercubuana.ac.id/
11
penyakit pernafasan seperti contoh, sesak nafas dan asma.Akan tetapi sangat
berbahaya apabila abu vulkanik masuk kedalam paru-paru.Sifat asam vulkanik juga
dapat merusak jaringan kulit.Abu vulkanik bersifat racun terhadap tubuh manusia
maupun hewan.
Pada bidang infrastruktur, dampak abu vulkanik dapat terlihat dengan
rusaknya bangunan-bangunan.Bangunan-bangunan tersebut terkikis akibat abu
vulkanik yang larut dalam air dan masuk ke pori-pori bangunan. Bangunan dapat
runtuh akibat timbunan abu vulkanik yang bercampur dengan air memiliki massajenis
yang sangat besar. Abu vulkanik basah sangat berbahaya jika terkena jaringan arus
listrik.Kabel bertegangan tinggi
yang terkena abu
vulkanik dapat
terjadi
kebocoran.Jaringan komunikasi juga dapat terganggu.Frekuensi dari pemancar
maupun penerima menjadi tidak stabil akibat abu vulkanik.
2.2 KERAMIK
keramik berasal dari bahasa yunani “keramos” yang memiliki arti yang berbeda beda
definisi keramik itu sendiri ada tiga macam, yaitu:
a. Bahan atau mineral yang terbuat dari tanah liat yang dibakar
b. Material organic yang
tersusun atau unsur logam atau non logam yang
berkaitan ionic atau kovalen.
c. Semua material yang bersifat keras, rapuh, tahan panas dan tahan korosi serta
mengandung satu atau lebih unsur logam termasuk oksigen.
Pembuatan keramik pada zaman dahulu hanya dilakukan dengan membkar
satu bahan saja, yaitu dengan lempung. Senin dan industry keramik telah berangsung
sejak ribuan tahun yang lalu, proses pembuatan keramik pada zaman dahulu dengan
cara membakar menggunakan bahandan peralatan yang sederhana bahan yang dipakai
seperti feldspar., tanah liat atau lempungan, hal ini disebabkan karena pengentahuan
tentang keramik belum memadai.
Seiring dengan perkembangan ilmu bahan maka proses pembuatan keramik
dari tahun ke tahun mengalami kemajuan. Kualitas bahan
http://digilib.mercubuana.ac.id/
keramik juga
12
dikembangankan dengan bahan fluks fledspar dan kuarsa sebagai pengisi, sehingga
produk produk yang dihasilkan dapat diaplikasinya dalam berbagai kebutuhan.
Keramik merupakan paduan logam dan bukan logam yang terikat secara ionic
atau konvlen. Berdasarkan fungsingnya keramik dapat dibedakan menjadi dua
kelompok, yaitu:
1. Keramik tradisonal, yaitu keramik yang banyak digunakan untuk produk
produk yang sederhana, seperti ; bahan bahan abrasive refaktori
( tahan
panas) gelas, proselin dan bahan bangunan seperti beton, lantai dan lain lain.
2. Keramik modern, penggunaknya pada teknologi canggih atau alat-alat teknik,
keramik modern memiliki sifat-sifat listrik, sifat mekanik dan sifat termal yang
baik, sehingga digunakann untuk teknologi canggih.
Keunggulan keramik dibanding logam sebagaai bahan industry antara lain:
1. Tidak korosif
2. Ringan
3. Keras
4. Kuat
5. Stabil pada suhu tinggi.
Keramik pada awalnya diproduksi secara tradisonal dari aterial alam, namun
sekarang kegunaan keramik bermacam – macam fungsinya. Dahulu hanya digunakan
sebagai barang pecah belah, gerabah, namun sekarang telah menajdi industry yang
cukup besar dengan aplikasi kegunaan seperti keramik porselin sebagai salah satu
bahan isolator loistrik, peralatan pabrik, dan lain sebagainya.
2.2.1 Keramik Konstruksi
Keramik dinilai dari propertinya. Kegunaan keramik beragam disesuaikan dengan
kemampuan dan daya tahannya. Keramik dengan properti elektrik dan magnetik dapat
digunakan sebagai insulator, semikonduktor, konduktor dan magnet. Keramik dengan
properti yang berbeda dapat digunakan pada aerospace, biomedis, konstruksi
bangunan, dan industri nuklir. Disebut keramik konstruksi karena jenis keramik ini
http://digilib.mercubuana.ac.id/
13
ikut serta berperan di dalam konstruksi suatu bangunan. Klasifikasi keramik
tradisional yang digunakan dalam konstruksi, di dasarkan pada lingkup :
1. Keramik untuk lantai, dinding, maupun atap(bata)
2. peralatan sanitasi (kesehatan)
3. Alat angkut cairan dan pembuangan (pipa periuk)
4. Lantai dan dinding (ubin)
2.2.2 Keramik alumina
Keramik alumina, Al2O3 yang terbentuk dari bahan mentah (raw material) corundum,
Al2O3 disebut sebagai keramik corundum. Keramik alumina memiliki sifat-sifat
unggul seperti: kekerasan dan kekuatan tinggi, sifat termal yang unggul (tahan panas,
ketahanan pada kejutan termal), merupakan bahan isolator listrik, dan tahan terhadap
korosi.
Ada 2 tipe dasar keramik alumina, yaitu :
1.
Alumina dengan kemurnian tinggi atau beberapa single Kristal.
2.
Alumina berupapoli Kristal.
Keramik alumina aplikasinya sangat luas, yaitu: sebagai material-material
struktural yang digunakan pada teknologi-teknologi dengan temperatur (spark plug).
Aplikasinya selanjutnya ditemukan dalam bidang elektronik dimana keramik alumina
digunakan sebagai material substrat untuk rangkaian elektronik, bodi resistor, tabung
elektron, dan lain-lain.
Sifat-sifat keramik alumina bergantung pada kemurnian bahan dan tipe fasa
yang terbentuk serta porositas. Berikut ini ditunjukan sifat-sifat keramik alumina,
yaitu:
1.
Densitas bulk ∆b = 3,7 – 3,9 gr/cm3
2.
Kekuatan patah ( bending strength ) = 150 – 400 MPa
3.
Ekspansi termal = 7,6 x 10-2 C-1
4.
Sifat termal = 10 W m-1 K-1
5.
Resistevitas listrik = 107 – 1010 cm
6.
Kuat dielektrik (dielektrik strength) = 10k V mm-1
http://digilib.mercubuana.ac.id/
14
2.2.3 Struktur keramik alumina Al2O3
Alumina yang mempunyai rumus molekul Al2O3 mempunyai stabilitas fisik seperti
temperature lebur, kekerasan dan kekuatan dan mekanik yang tinggi, hal ini
disebabkan karena kuatnya ikatan kimia antara ion oksigen didalam struktur Al2O3
kekuatan mekanis pada temperature ruang sangat tinggi, namun kekuatannya
berkurang pada temperature 1100 0C Al2O3 juga mempunyai sifat thermal shock yang
lebih rendah di banding dengan material lainnya seperti Si3N4 dan Si Chalini
disebabkan karena Al2O3 mempunnyai koefisien mulai thermal yang kecil, namun
demikian Al2O3 keterbatasannya itu nilai ketangguhan patahnya yang rendah yaitu
berkisar antara 4,18 sampai dengan 5,9 Mpa (m)1/2 secara kimia Al2O3 mempunyai
sifat kimia yang lebih stabil dan mempunyai ketahanan korosi yang tinggi alumina
juga tidak larut dalam air dan hanya sedikit larut dalam asam kuat dan larutan basa.
Senyawa alumina bersifat polimorfi yaitu material yang memiliki komposisi
kimia yang sama tetapi memiliki struktur Kristal yang berbeda, yaitu di antaranya
memiliki struktur alpha (α)-Al2O3 dan (γ)-Al2O3 bentuk struktur yang lain seperti
misalnya β-Al2O3 adalah alumina tidak murni yang merupakan paduan antara Al2O3Na2O dengan formula Na2O.11Al2O3 Alpha (α)-Al2O3 merupakan bentuk struktur
yang paling stabil sampai suhu tinggi dan memiliki nama lain yaitu korundum.
2.2.4 Sifat dan Aplikasi Keramik Alumina
Ikatan atom antara Al dan O cukup kuat sekali dan memiliki energy pembentukan 400 kcal/molmaka Al2O3 merupakan senyawa yang stabil, kuat keras dan memiliki
titik lebur yang tinggi yaitu 2015 0C umumnya keramik alumina disamping tahan suhu
tinggi juga memiliki sifat tahan kimia dan tahan korosi pada suhu tinggi, keramik
korundum murni dibuat melalui suhu tinggi ( 1800-1900 0C ) dan mempunyai sifat
mekanik yang kuat sekali serta bersifat isolator listrik aplikasiny abanyak digunakan
sebagai alat pemotong bahan abrasive, peralatanlistrik/electron, refaktori komponen
mekanik, dan sebagai bio-inert material sedangkan γ- Al2O3 yang sifatnya reaktif dan
http://digilib.mercubuana.ac.id/
15
stabil dibawah suhu 1000 0C, aplikasinya banyak digunakan sebagai reagen kimia dan
bahan katalis.
2.3 ALUMINA
Alumina adalah senyawa yang terdiri dari aluminium dan oksigen, yang membentuk
oksida logam. Alumina (Al2O3) merupakan jenis keramik yang banyak digunakan
didunia industri, karena mempunyai titik lebur (melting point) tinggi berkisar
C (Lee dan Rainforth, 1994), tahan terhadap zat kimia dan kekuatan serta
kekakuan yang tinggi (Fitrullah, 2009).
2.3.1 Karakterisasi Alumina
Pada umumnya kemurnian Al2O3 cukup tinggi (>90%) sehingga dapat digunakan
sebagai bahan dasar keramik tembus cahaya. Secara spesifik karakteristik alumina
dengan tingkat kemurnian 94%, 96%, dan 99,5% dapat dilihat pada Tabel 2.2.
Tabel 2.2 Perbandingan Sifat-Sifat Alumina Kemurnian 94%, 96%, Dan 99.5%
Aluminium Oxide (Al2O3)
Alumina
94%
96%
99.50%
Elastic Modulus (Gpa)
3.69
0
White
330
300
3.72
0
White
345
300
3.89
0
Ivory
379
375
Shear Modulus (Gpa)
124
124
152
Bulk Modulus (Gpa)
165
172
228
Poisson's Ratio
0.21
0.21
0.22
Compressive Strength (Mpa)
2100
2100
2600
Hardness (kg/mm²)
1175
1100
1440
3.5
3.5
4
1700
1700
1750
Mechanical
Density (gr/cc)
Porosity (%)
Color
Flexural Strength (Mpa)
Fracture Toughness (Mpa
Maximum Use Temperature (°C)
http://digilib.mercubuana.ac.id/
16
Thermal
Thermal Conduktivity (W/m.°K)
18
25
35
Coefficient of Thermal Expansion (10⁻⁶/°K)
8.1
8.2
8.4
Specific Heat (J/kg. °K)
880
880
880
Dielectric Strength (ac-kv/mm)
16.7
14.6
16.9
Dielectric Constant (1 MHz)
9.1
9
9.8
Electrical
Dissipation Factor (1 kHz)
0.0007 0.0011
0.0002
Loss Tangent (1 kHz)
Volume Resistivity (Ωcm)
>10¹⁴
>10¹⁴
>10¹⁴
Berdasarkan karakteristik alumina yang disajikan Tabel 2.2 menunjukkan
bahwa semakin tinggi tingkat kemurnian alumina maka semakin tinggi pula
karakteristik termal dan listrik sehingga sangat baik digunakan sebagai isolator.
Alumina termasuk material yang ringan yang memiliki konduktivitas panas dan listrik
yang tinggi, ketahanan korosi tinggi (mudah membentuk lapisan oksida yang kuat),
memiliki ukuran dan bentuk yang baik, serta ketahanan terhadap serangan asam kuat
dan alkali pada temperatur tinggi (Gibson, 2009). Pembentukan dan karakterisitik
keramik alumina tergantung pada kemurnian, partikel size, dan unsur penyusunnya
yang sesuai dengan yang kita inginkan.
2.3.2 Struktur Kristal Alumina
Alumina mempunyai stabilitas fisik seperti temperatur lebur, kekerasan dan kekuatan
tarik yang tinggi.
Hal ini disebabkan karena kuatnya ikatan kimia antara ion
aluminium dan ion oksigen didalam struktur Al2 O3. Dalam struktur kristal alumina
fasa korondum kation (Al-3) menempati 2/3 bagian dari sisipan octahedral sedangkan
anion (O2-) menempati HCP. Bilangan koordinasi dari struktur korondum adalah 6
maka setiap ion Al+3 dikelilingi 6 ion O2- dan setiap ion O2- dikelilingi oleh 4 ion Al3+
untuk mencapai muatan yang netral (Worrall,1986). Struktur γ-Al2O3 mempunyai
struktur dasar spinel yaitu A3B6O12 atau AB2O4. A dan B masing-masing adalah
kation valensi dua dan tiga (Worrall, 1986). Bentuk struktur kristal korondum
ditunjukkan pada gambar 2.2.
http://digilib.mercubuana.ac.id/
17
Gambar 2.2 Struktur Kristal Korondum (Α-Al2O3)
(Sumber: Warrall, 1986)
Selain karakteristik yang dipaparkan di atas, senyawa alumina (Al2O3)
merupakan material polimorfi yang irreversibel dan stabil dengan titik lebur 20500C.
Dengan perlakuan termal (Al2O3) dapat mengalami perubahan bentuk struktur Kristal
yakni, γ-Al2O3 dan α-Al2O3. Struktur kristal γ-Al2O3 terbentuk melalui penguraian
gelatin Al(OH)3 pada suhu 2000C-3000C dan boehmite (AlOOH) pada suhu 5000C8000C. Sementara struktur γ-Al2O3 berubah menjadi α-Al2O3 melalui dua fasa yaitu δAl2O3 pada suhu 9000C-10000C dan θ-Al2O3 pada suhu 10000C-11000C. (Clifton, et
all, 2000).
2.3.3 Aplikasi Alumina
Berdasarkan karakteristik yang dimiliki alumina seperti konduktivitas panas tinggi,
kekerasan tinggi (hard), kekuatan (strength), kekakuan (stiffness) tinggi, ukuran dan
bentuk yang baik, sehingga dapat digunakan sebagai isolator panas seperti Gas laser
tubes (tabung laser gas), wear pads (Baju anti peluru), seal rings, isolator lisrik
temperatur dan voltase tinggi seperti, Furnace, Senjata dan media gerinda (Ronald,
2009).
2.4 SILIKA
Silika dengan nama mineral silika (SiO₂) dapat diperoleh dari silika mineral, silika
nabati dan silika sintesis kristal. Silika mineral adalah senyawa yang banyak ditemui
dalam bahan tambang/galian yang berupa mineral seperti pasir kuarsa, granit, dan
feldsfar yang mengandung kristal-kristal silika (SiO₂).
http://digilib.mercubuana.ac.id/
Silika mineral biasanya
18
diperoleh melalui proses penambangan yang dimulai dari penambang kemudian
dilakukan proses pencucian untuk membuang pengotor yang kemudian dipisahkan
dan dikeringkan kembali sehingga diperoleh kadar silika yang lebih besar bergantung
dengan keadaan tempat penambangan. Saat ini mineral-mineral tersebut susah
didapatkan maka diperlukan alternatif lain dalam pencarian silika seperti silika sintesis
dan silika nabati.
Silika sintesis kristal didapatkan menggunakan bahan Fumed silika, TEOS dan
TMOS (Naskar dan Chartterjee, 2004) dapat mengunakan metode pelelehan (melting).
Proses dari pelelehan dimulai dengan pendinginan (cooling) dan kekristalisasi yang
bersesuaian dengan mineral tersebut. Pelelehan tergantung pada pereduksian suhu
leleh, perubahan dalam medium (Pitak, 1997) dan membutuhkan suhu yang sangat
tinggi. Namun harganya relatif mahal dan prosesnyapun sangat rumit sehingga
diperlukan alternatif pencarian sumber silika sebagai penggantinya yaitu silika nabati
yang dapat ditemui pada sekam padi, tongkol jagung, kayu, dan bambu. Silika nabati
yang umum digunakan adalah silika sekam padi dengan kadar silika terbesar yaitu
sebesar 94 – 96 % (Siriluk dan Yuttapong, 2005; dan Houston, 1972). Perolehan
silika sekam padi dilakukan dengan proses sol-gel pada suhu rendah dengan
homogenitas tinggi
2.4.1 Karakterisasi Silika
Silika merupakan mineral yang jumlahnya sangat melimpah yang dapat ditemukan
sebagai mineral penyusun batuan. Silika memiliki sifat kimia yaitu tidak larut dalam
air, tahan terhadap zat kimia dan memiliki ekspansi termal rendah serta memiliki titik
lebur yang tinggi sehingga dapat dimanfaatkan sebagai bahan refraktori (bahan tahan
api), bahan keramik, adsorben dan pendukung katalis yang baik. Tabel 2.3
memperlihatkan karakteristik yang dimiliki silika amorf dan silika kristal.
http://digilib.mercubuana.ac.id/
19
Tabel 2.3 Karakterisasi Fisika, Mekanika, Termal, Dan Sifat Elektrik
Silika Amorf Dan Silika Kristal
No
Parameter
Satuan
Silika
Silika
Amorf
Kristal
1
Densitas
g/cm³
2.65
2.2
2
Konduktivitas Termal
W/mK
1.3
1.4
3
Koefisien ekspansi termal
Kˉ¹
12.3 x 10ˉ⁶
0.4 x 10⁻⁶
4
Kekuatan tarik
Mpa
55
110
5
Kekuatan desak
Mpa
2070
690 - 1380
6
Rasio Poisso's
0.17
0.165
7
Kekuatan retak
Mpa
–
0.79
8
Modulus elastis
Mpa
70
73
9
Daya tahan kejut termal
Baik Sekali
Baik Sekali
10
Permitivitas (ε)
3.8-5.4
3.8
11
Faktor Kehilangan (ἐ)
0.0015
–
12
Kekuatan Bidang dielektrik
kV/mm
15 - 25
15 – 40
13
Resistifitas
Ωm
10¹² - 10¹⁶
>10¹⁸
(Sumber: Sigit Dan Jetty, 2001)
2.4.2 Struktur Kristal Silika
Pada umumnya struktur silika adalah amorf.
Silika amorf dapat berubah bentuk
menjadi silika kristal dengan adanya perubahan suhu yakni fasa kuarsa, kristobalit dan
tridimit. Ketiga fasa kristal tersebut mempunyai nilai densitas yang berbeda seperti
yang disajikan pada Tabel 2.4
Tabel 2.4 Nilai Densitas Kristal Silika
No
Struktur Kristal
Densitas
1
2
3
Kuarsa
Tridimit
Kristobalit
2.65 x 10³ kg/m³
2.27 x 10³ kg/m³
2.33 x 10³ kg/m³
(Sumber: Smallman And Bishop, 1999)
http://digilib.mercubuana.ac.id/
20
Silika terbentuk melalui ikatan kovalen yang kuat, serta memiliki struktur
lokal yang jelas, dan memiliki empat atom oksigen terikat pada posisi sudut
tetrahedral di sekitar atom pusat yaitu atom silikon. Gambar 2.3 memperlihatkan
struktur silika tetrahedral.
Gambar 2.3 Struktur Kristal Tetrahedral
(Sumber: Canham, 2002 ; Shriver, 1999)
Atom oksigen bersifat elektronegatif dan kerapatan elektron pada atom silikon
sebagian ditransfer pada atom oksigen, tetapi tidaklah tepat jika silika dikatakan
sebagai garam yang terdiri dari ion Si4+ dan ion O2-, yang terkadang ditemukan dalam
beberapa literatur. Untuk memahami hal ini maka dapat dilihat melalui arah ikatan
(momen dipol) pada struktur silika. Sudut ikatan di sekitar O-Si-O merupakan sudut
tetrahedral yaitu sebesar 109°; jarak antara atom Si-O sebesar 1,61 Å (0,16 nm). Silika
memiliki ikatan yang disebut “jembatan” oksigen yang terdapat di antara atom silikon,
hal inilah yang memberikan sifat unik pada silika. Sudut ikatan pada Si-O-Si sekitar
145°, tetapi nilai ini sangat bervariasi antara 100-170° yang dipengaruhi oleh
perubahan energi ikatan, sehingga sangat memungkinkan terjadinya rotasi ikatan
secara bebas. Gambar 8 memperlihatkan sudut ikat Si-O-Si.
Struktur SiO2 terbentuk melalui kelompok-kelompok SiO4 yang saling
berikatan melalui atom oksigen pada sudut-sudut tetrahedralnya, ikatan ini dapat
terbentuk dalam berbagai variasi sudut. Variasi sudut yang terbentuk sangat
memungkinkan terbentuknya struktur kristalin yang berbeda-beda pada silika, dan
dapat dengan mudah membentuk struktur amorfous. Silika memiliki 35 bentuk
kristalin dengan berbagai kerapatan yang berbeda-beda (17 sampai 43 unit SiO2 per
ų). Gambar 2.4 memperlihatkan bentuk dari unit kristal silika.
http://digilib.mercubuana.ac.id/
21
(a)
(b)
(c)
Gambar 2.4 Bentuk Unit Kristal Silika (A) Kristobalit, (B) Tridimit, Dan
(C) Kuarsa
(Sumber: Canhman, 2002; Shriver, 1999)
Kuarsa yang berada dalam dua modifikasi adalah fasa rendah (a-kuarsa) dan
fasa tinggi (ß-kuarsa). Pada suhu kurang dari 5730C merupakan kuarsa fasa rendah
yang kemudian berubah menjadi fasa tinggi pada suhu 8670C. Fasa yang stabil
mencapai tridimit pada suhu 14700C. Kristobalit mempunyai jangkauan stabil suhu
lebur pada suhu 17300C yang kemudian berubah menjadi cairan (liquid).
2.4.3 Aplikasi Silika
Berdasarkan karakteristik ukuran partikel, silika sudah banyak dimanfaatkan untuk
keperluan diantaranya :

Bidang keramik seperti pembuatan gelas, kaca, beton,

Bidang kesehatan meliputi, pasta gigi, kosmetik,

Bidang industry seperti pengolahan karet, textil kertas, dan elektronik).
Dengan perkembangan teknologi, penggunaan silika pada industri semakin
meningkat terutama dalam ukuran partikel yang kecil sampai skala mikron atau nano.
Dengan skala mikron silika dapat digunakan sebagai bahan penguatan beton
(mechanical property), penguat karet (strength dan stress) untuk meningkatkan daya
tahan (durability). Dengan ukuran yang lebih kecil (nano), silika dapat digunakan
industri pengolahan ban, cat, kosmetik, elektronik, dan keramik. Dari beberapa
penelitian yang telah dilakukan berkaitan dengan pemanfaatkan silika, munjukkan
bahwa silika dapat diguanakan sebagai bahan pengguat (reinforcing agent) (Astuti,
http://digilib.mercubuana.ac.id/
22
2010), silika dalam fasa kaca sebagai penyimpan hydrogen (Pramuditya dan Pertiwi,
2009), dan untuk menurunkan BOD (kebutuhan oksigen biologis) dan COD
(kebutuhan oksigen kimiawi) limbah cair (Fatha, 2007).
2.5 PROSES PEMBUATAN MATERIAL KERAMIK
Material keramik umumnya berupa senyawa poli-kristal yang proses pembuatannya
dapat dikelompokan menjadi tiga tahapan yaitu pra kompaksi, pembentukan dan
pembakaran (sintering). Pada proses pembuatan material keramik ini kareana murni
hanya menggunakan bahan abu vulkanik jadi tidak terdapat proses pra kompaksi.
Parameter-parameter proses pembentukan keramik tergantung pada jenis keramiknya
yang akan di buat, bidang aplikasinya dan sifat-sifat yang di harapkan. Misalnya
proses pembuatan keramik tradisioanl memiliki parameter yang berbeda dengan
pembuatan keramik teknik. Karena pada keramik tradisional hanya memerlukan bahan
baku alam dengan bahan baku tanpa kemurnian tinggi, sedangkan untuk pembuatan
keramik teknik di perlukan bahan baku dengan kemurnian tinggi serta terkontrol agar
diperoleh sifat-sifat bahan yang diinginkan.
2.5.1 Proses pencampuran
Proses ini penting dilskuksn untuk mendapatkan campuran material bahan baku
keramik dengan banhan baku komposisi dan kehalusan serbuk sehingga homogenitas.
Selain itu proses ini juga dapat meningkatkan densitas dari keramik dan juga
mengurangi porositas yang terdapat dalam keramik tersebut. Tahapan persiapan ini
diperlukan untuk memudahkan pada saat kalinisasi.
2.5.2 Proses pembentukan dengan tekan (Die Pressing)
Metode ini cocok dilakukan untuk membuat bentuk yang sederhanadan tebal. Proses
cetak tekan ada dua macam, yaitu dengan tekanan biasa yang tekanannya satu arah,
dan dengan cara isostaktis press yang arah tekanannya ke segala arah. Skema proses
pencetakan keramik dengan kedua cara tersebut ditunjukkan pada Gambar 2.5 dan
Gambar 2.6.
http://digilib.mercubuana.ac.id/
23
Gamabar 2.5. Skema pembentukan Tekan Satu Arah
Gambar 2.6 Skema Pembentukan Isotaktis Press
2.5.3 Tahap Pembakaran (Sintering)
Proses sintering adalah suatu proses pemadatan dari sekumpulan serbuk pada suhu
tinggi mendekti
titik leburnya hingga terjadi perubahan struktur mikro seperti
pengurangan jumlah dan ukuran pori, pertumbuhan butir (grain growth) ,peningkatan
densitas dan penyusutan (shrinkage). Faktor-faktor yang menentukan proses dan
mekanisme sintering antara lain: jenis bahan, komposisi, bahan pengotornya dan
ukuran partikel.
http://digilib.mercubuana.ac.id/
24
Proses sintering dapet berlangsung apabila :
1. Adanya transfer materi diantara butiran yang disebut proses difusi.
2. Adanya sumber energi yang dapat mengaktifkan transfer materi, energi
tersebut digunakan untuk menggerakkan butiran hingga terjadi kontak dan
ikatan yang sempurna.
Proses sintering keramik ada beberapa tahapan yaitu:
1. Tahapan awal
Dimana partikel-partikel keramik akan saling kontak setelah proses pencetaka.
Disini serbuk masih dalam keadaan bebas.
2. Tahapaan mulai sintering
Adalah tahap pembentukan ikatan, dimana sintering mulai berlangsung dan
permukaan kontak kedua partikel semakin lebar. Perubahan ukuran butiran
maupun pori belum terjadi.
3. Tahapan pertengahan sintering
Adalah tahap antara pembentukan batas butir.
4. Tahapan akhir sintering
Dimana terjadi densifikasi dan eliminasi pori sepanjang batas butir, yaitu:
terjadinya pembesaran ukuran butiran sampai kanal-kanal pori tertutup dan
sekaligus terjadi penyusutan.
2.6 UJI MATERIAL
Setelah semua proses dilakukan, maka tahapan selanjutnya adalah proses pengujian.
Dalam pengujian material keramik tersebut, ada bebrapa pengujian yang dilakukan,
antara lain:
2.6.1 Uji Densitas
Densitas (massa jenis) adalah suatu besaran kerapatan massa benda yang dinyatakan
dalam berat benda persatuan volume benda tersebut. Besaran massa jenis dapat
membantu menerangkan mengapa benda yang berukuran sama memiliki berat yang
berbeda.
http://digilib.mercubuana.ac.id/
25
Adapun rumus yang digunakan dalam menentukan densitas (massa jenis)
adalah :
=
=
=
=
(2.1)
(
(
)
)
2.6.2 Morfologi (Optical microscope)
Optikal Mikroskop adalah alat bantu yang digunakan untuk melihat dan mengamati
benda-benda yang berukuran sangat kecil yang tidak mampu dilihat dengan mata
telanjang. Kata Mikroskop berasal dari bahasa latin, yaitu “mikro” yang berarti kecil
dan kata “scopein” yang berarti melihat. Benda kecil dilihat dengan cara memperbesar
ukuran bayangan benda tersebut hinga berkali-kali lipat. Bayangan benda dapat
dibesarkan 40 kali, 100 kali, 400 kali, bahkan 1000 kali, dan perbesaran yang mampu
dijangkau semakin meningkat seiring dengan perkembangan teknologi . Ilmu yang
mempelajari objek-objek berukuran sangat kecil dengan menggunakan mikroskop
disebut Mikroskopi. Mikroskop ditemukan oleh Anthony Van Leewenhoek,
penemuan ini sangat membantu peneliti dan ilmuan untuk mengamati objek
mikroskopis
.
Untuk mengetahui struktur morfologi dari sampel setelah proses sintering,kita
dapat menggunakan Mikroskop BS-6000AT. Microscope optical adalah salah satu alat
yang digunakan untuk mengamati perbesaran material pada material keramik. Cara
kerja dari microscope optical adalah dari cahaya lampu yang di biaskan oleh lensa
condenser, setelah melewati lensa kondensor sinar mengenai specimen dan diteruskan
oleh lensa objektif. Lensa objektif ini merupakan bagian yang paling penting dari
mikroskop karena dari lensa ini dapat diketahui perbesaran yang dilakukan
mikroskop. Sinar yang diteruskan oleh lensa obektif ditangkap oleh lensa okuler dan
dieruskan pada mata atau kamera. Microscope optical memiliki kemampuan
memperbesar benda dari 40x hingga 1400x dan juga pencahayaan dapat diatur dengan
mudah.
http://digilib.mercubuana.ac.id/
26
2.6.3 Uji Kekerasan (Vickers Hardness)
Kekerasan adalah ketahanan material terhadap deformasi plastis. Metoda kuantitative
untuk mengetahui kekerasan adalah dengan cara menggoreskan satu benda dengan
benda lainnya untuk membedakan kekerasan material. Skala Mohs memberikan angka
kekerasan dari material yang paling lunak ( talk ) diberi skala 1, dan yang paling
keras ( intan ) diberikan skla 10. Uji kekerasan vickers dilakukan setelah pengujian
densitas dengan menggunakan pembebanan 0,01 Kg pada spesimen yang berbentuk
silindris yang terlebih dahulu di mounting dalam resin untuk memudahkan sewaktu
pemolesan dan pengujian kekerasan.
Cara lain untuk menyatakan kekerasan dapat dilakukan dengan cara dinamik
yaitu dengan menjatuhkan bola baja kepermukaan benda yang diuji selanjutnya dilihat
pantulannya. Alat ukur ini disebut Scleroscope. Uji kekerasan yang akan dilakukan
adalah dengan metode Kekerasan Vickers, yang mengacu pada standard JIS Z 2251.
Pengujian ini menggunakan identor berbentuk piramid intan dengan sudut 136o. Cara
pengujian di lakukan sama dengan metoda Brinnell, dengan mengukur
identasi.
(Somiya,1989).
Kekerasan didefenisikan sebagai ketahanan bahan terhadap penetrasi atau
ketahanan terhadap deformasi dari permukaan bahan. Ada tiga tipe pengujian terhadap
ketahanan bahan, yaitu: tekukan (Brinell, Rockwell dan Vickers), pantulan (rebound)
dan goresan (scratch). Pada penelitian ini pengukuran kekerasan (Vickers Hardness)
dari sample keramik dilakukan dengan menggunakan microhardness tester.
Kekerasan, Vickers Hardness (Hv) suatu bahan dapat ditentukan dengan persamaan
berikut:
http://digilib.mercubuana.ac.id/
27
1
d 2
4
1
d 2
2
d = (d1 + d2 ) / 2 . bekas indentasi sebagai berikut :
45 d
.si 2
n6
8o
680
Gambar 2.4 Posisi Penetrator Vickers
Luas A = 4 x luas segitiga
= 4 × 0.5 ×
=
× 2 × 0.5(
√
×
°
1.854
=
1.854
= 1.854 ×
Dimana : Hv = Kekerasan Vickers (Mpa)
F
= Pembebanan (N)
d
= Diagonal rata – rata (mm)
http://digilib.mercubuana.ac.id/
(2.2)
28
2.6.4 XRD (X-Ray Diffraction)
X-Ray Diffractometer adalah alat yang dapat memberikan data-data difraksi dan
kuantitas intensitas difraksi pada sudut-sudut difraksi (2θ) dari suatu bahan. Tujuan
dilakukannya pengujian analisis struktur kristal adalah untuk mengetahui perubahan
fase struktur bahan dan mengetahui fase-fase apa saja yang terbentuk selama proses
pembuatan sampel uji. Tahap pertama yang dilakukan dalam analisa sinar-X adalah
melakukan analisa pemeriksaan terhadap sampel x yang belum diketahui strukturnya.
Sampel ditempatkan pada titik fokus hamburan sinar-X yaitu tepat ditengah – tengah
plate yang digunakan sebagai tempat yaitu sebuah plat tipis yang berlubang ditengah
berukuran sesuai sampel (pellet) dengan pelekat pada sisi baliknya. (Sholihah &
Zainuri, 2012).
Difraksi
sinar-X
merupakan
suatu
teknik
yang
digunakan
untuk
mengidentifikasi adanya fasa kristalin di dalam material-material benda dan serbuk,
dan untuk menganalisis sifat-sifat struktur (seperti stress, ukuran butir, fasa komposisi
orientasi kristal, dan cacat kristal) dari tiap fasa. Metode ini menggunakan sebuah
sinar-X yang terdifraksi seperti sinar yang direfleksikan dari setiap bidang, berturutturut dibentuk oleh atom-atom kristal dari material tersebut. Dengan berbagai sudut
timbul, pola difraksi yang terbentuk menyatakan karakteristik dari sampel. Susunan
ini diidentifikasi dengan membandingkannya dengan sebuah data base internasional.
Dari metode difraksi kita dapat mengetahui secara langsung mengenai jarak
rata – rata antar bidang atom. Kemudian kita juga dapat menentukan orientasi dari
kristal tunggal. Secara langsung mendeteksi struktur kristal dari suatu material yang
belum diketahui komposisinya. Kemudian secara tidak langsung mengukur ukuran,
bentuk dan internal stres dari suatu kristal. Prinsip dari difraksi terjadi sebagai akibat
dari pantulan elastis yang terjadi ketika sebuah sinar berinteraksi dengan sebuah
target. Pantulan yang tidak terjadi kehilangan energi disebut pantulan elastis (elastic
scatering). Ada dua karakteristik utama dari difraksi yaitu geometri dan intensitas.
Geometri dari difraksi secara sederhana dijelaskan oleh Bragg’s Law. Misalkan ada
dua pantulan sinar α dan β. Secara matematis sinar β tertinggal dari sinar α sejauh xy
+ yz yang sama dengan 2d sinθ secara geometris. Agar dua sinar ini dalam fasa yang
http://digilib.mercubuana.ac.id/
29
sama maka jarak ini harus berupa kelipatan bilangan bulat dari panjang gelombang
sinar λ. Maka didapatkanlah Hukum Bragg: 2d sin θ = nλ
Dapat
disimpulkan
juga
bahwa
difraksi
sinar-X
digunakan
untuk
mengidentifikasi struktur kristal suatu padatan dengan membandingkan nilai jarak d
(bidang kristal) dan intensitas puncak difraksi dengan data standar. Sinar-X
merupakan radiasi elektromagnetik dengan panjang gelombang sekitar 100 pm yang
dihasilkan dari penembakan logam dengan electron berenergi tinggi. Melalui analisiss
XRD diketahui dimensi kisi (d= jarak antar bidang) dalam struktur mineral. Sehingga
dapat ditentukan apakah suatu material mempunyai kerapatan yang tinggi atau tidak.
Hal ini dapat diketahui dari persamaan Bragg yaitu nilai sudut difraksi θ yang
berbanding terbalik dengan nilai jarak d (jarak anatar bidang) dalam kristal. Sesuai
dengan persamaan Bragg:
Gambar 2.7 Skema Difraksi Bragg
(Sumber.gsu.edu)
n λ = 2 dhkl sin θ……………………………..
Dengan : dhkl
=
(2.3)
jarak antar bidang
θ
= sudut pengukuran (sudut difraksi)
λ
= panjang gelombang sinar-X
n
= orde difraksi (1,2,3,….)
Apabila suatu bahan dikenai sinar-X maka intensitas sinar-X yang
ditransmisikan lebih kecil dari intensitas sinar datang. Hal ini disebabkan adanya
penyerapan oleh bahan dan juga penghamburan oleh atom-atom dalam material
http://digilib.mercubuana.ac.id/
30
tersebut. Berkas sinar yang dihantarkan tersebut ada yang saling menghilangkan
karena fasenya berbeda dan ada juga yang saling menguatkan karena fasenya sama.
Berkas sinar-X yang saling menguatkan disebut sebagai berkas difraksi. Persyaratan
yang harus dipenuhi agar berkas sinar-X yang dihamburkan merupakan berkas
difraksi dikenal sebagai Hukum Bragg.
http://digilib.mercubuana.ac.id/