Chapter II-dikonversi

BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Pengertian Keramik
Keramik dapat didefinisikan sebagai campuran padat yang dibentuk oleh
perlakuan panas dan tekanan, terdiri dari setidaknya satu unsur logam dan satu
unsur padat non logam, campuran setidaknya dua unsur padat non logam, atau
sebuah campuran setidaknya dua unsur padat non logam dan satu non logam.
Kebanyakan orang mengasosiasikan kata keramik dengan gerabah, patung,
peralatan sanitasi, ubin dan lainnya. Dan sedangkan pendapat ini tidak benar,
tidak lengkap rasanya karena hanya mempertimbangkan secara tradisional, atau
berbasis silika, keramik.Sekarang bidang ilmu keramik atau rekayasa meliputi
lebih dari silika dan dapat dibagi menjadi keramik tradisional dan keramik maju.
Keramik tradisional sebagian besar berbasis silika mikrostruktur berpori
yang cukup kasar, tidak merata, dan multifase. Biasanya dibentuk dengan
mencampur tanah liat dan feldspar, dibentuk baik dengan slip casting atau roda
tembikar, pembakaran dalam tungku api untuk menyinternya, dan akhirnya glasir.
Dalam perkembangannya, keramik lain yang bukan tanah liat atau berbasis
silika tergantung pada bahan baku yang lebih canggih, seperti oksida biner,
karbida, perovskit, dan bahkan bahannya sepenuhnya sintetis yang sama dengan
bahan alami. Mikrostruktur keramik maju setidaknya kekuatannya lebih kuat dan
lebih homogen dan lebih sedikit pori dibandingkan keramik tradisional.
Sebagai klasifikasi, keramik keras, tahan aus, rapuh, rentan terhadap panas
berlebih, tahan api, isolator listrik dan termal, sebagian transparan, non magnetik,
secara kimiawi stabil, dan tahan oksidasi. Karena secara umum, akan ada
pengecualian, beberapa keramik elektrik dan termal yang cukup konduktif,
sementara yang lain bahkan superkonduktor (Barsoum,1997).
Bahan keramik terdiri dari fasa kompleks yang merupakan senyawa unsur
logamdan non logam yang terikat secara ionik maupun kovalen. Keramik pada
umumnya mempunyai struktur kristalin dan sedikit elektron bebasnya. Susunan
kimia keramik sangat bermacam-macam yang terdiri dari senyawa yang sederhana
Universitas Sumatera Utara
hingga campuran beberapa fasa kompleks. Hampir semua keramik merupakan
senyawa-senyawa antara unsur elektropositif dan elektronegatif. Keramik
memiliki sifat-sifat antara lain mudah pecah dan getas. Kekuatan dan ikatan
keramik menyebabkan tingginya titik lebur, tahan korosi, rendahnya konduktivitas
termal, dan tingginya kekuatan kompresif dari material tersebut. Secara umum
keramik mempunyai senyawa-senyawa kimia antara lain: SiO2, Al2O3, CaO,Na2O,
TiC, UO2, PbS, MgSiO3 dan lain-lain (Sembiring,2010).
2.2 Keramik Berpori
Keramik berpori merupakan keramik yang memiliki pori-pori dengan
distribusi ukuran tertentu dan porositas yang relatif tinggi. Secara luas keramik
berpori telah digunakan untuk keperluan insulasi termal dan sebagai bahan
bangunan. Penggunaan keramik berpori yang semakin meningkat dewasa ini
adalah sebagai filter dan membran. Keramik dengan ukuran pori sekitar 10-800
µm dapat digunakan sebagai filter (Purbasari, 2005).
Kualitas suatu produk keramik berpori ditentukan oleh jenis, komposisi,
ukuran partikel dan suhu pembakarannya. Adapun sifat-sifat keramik berpori yang
diamati meliputi sifat fisis, mekanik, termal dan analisis mikrostruktur
strukturnya.
Pembuatan keramik berpori yang telah dilakukan P. Sebayang, Muljadi,
serta Anggito P. Tetuko (2009) dengan bahan baku zeolit alam dan arang sekam
sekam padi dengan suhu pembakaran 900 oC dan 1000oC dengan penahanan
selama 2 jam. Dari penelitian mereka didapatkan bahwa = 2,16 g/cm³, susut bakar
= 35,94%, porositas = 66,05%, penyerapan air = 31,10%, kuat patah = 7,47 MPa,
kuat tekan = 4,38 MPa.
Tiar Delimawati Tambunan (2008) telah melakukan penelitian dengan
membuat keramik berpori menggunakan aditif karbon aktif sebagai filter gas
buang kendraan bermotor. Dari hasil penelitiannya tersebut semakin besar
penambahan karbon aktif maka semakin besar harga porositasnya dan besarnya
daya absorbsi terhadap gas radikal sebanding dengan banyaknya porositas pada
keramik berpori.
Universitas Sumatera Utara
2.3 Bahan Baku Keramik
2.3.1 Kaolin
Kaolin merupakan salah satu mineral tanah liat (lempung) yang
mengandung beberapa lapis aluminium silikat. Kaolin adalah jenis tanah liat
berifat lunak, halus dan berwarna putih. Proses terbentuknya kaolin terjadi melalui
pelapukan dan proses hidrotermal alterasi batuan beku feldspartik. Kaolin dibagi
menjadi dua jenis, yaitu :
1.
Kaolin yang bearsal dari proses hidrotermal, yaitu pengikisan yang terjadi
akibat pengaruh air panas yang terdapat pada retakan, patahan dan daerah
permeabel lainnya dalam batuan.
2.
Kaolin yang berasal dari proses pelapukan (sedementasi) yaitu proses
pelapukan batuan beku dan batuan metamorphic.
Sifat kaolin yaitu plastis, mempunyai daya hantar termal dan listrik yang
rendah. Kaolin digunakan untuk bahan baku keramik, bahan obat, pelapis kertas,
sebagai aditif pada makan dan pada pasta gigi. Bahan kaolin ketika sudah dibakar
maka terjadi perubahan fase bila diamati pola difraksinya seperti amorf.
2.3.2 Alumina (Al2O3)
Alumina (Al2O3) adalah senyawa terdiri dari aluminium dan oksigen,
sehingga alumina disebut juga senyawa oksida logam. Alumina diperoleh secara
komersial dari bauksit dan pada prinsipnya digunakan untuk pembuatan keramik,
bahan penggosok dan kromatografi. Keramik alumina yang sering digunakan
umumnya mempunyai fasa corundum (α-Al2O3) dengan struktur tumpukan
heksagonal (Hexagonal Closed Packed, HCP).Alumina (Al2O3) tergolong salah
satu jenis bahan keramik oksida yang aplikasinya cukup luas baik dalam bidang
elektronik dan bidang mekanik. Alumina memiliki sifat dapat meningkatkan
ketahanan kimiawi, menurunkan koefisien muai dan meningkatkan ketahanan
terhadap kekuatan mekanik.
Alumina memiliki sifat-sifat antara lain titk lebur sekitar 2050 oC, sangat
keras, kekuatan mekanik tinggi dan sifat isolator listrik. Alumina memiliki
beberapa karakterisasi :
Universitas Sumatera Utara
Tabel 2.1 Karakterisasi Alumina
3,96 gr/cm3
Densitas
Koefisien Termal Ekspansi
8 × 10−6 �� − 9 × 10−6 ��
Kekuatan Patah
350 MPa
Sifat daya hantar panas
Kekerasan (Hv)
Konduktor
1500-1800 kgf/mm2
2050oC
Titik lebur
Ketangguhan
4,9 MPa
Senyawa alumina secara komersial dihasilkan melalui proses ekstraksi
(bayer process) dari bahan alam yaitu mineral bauksit. Mineral tersebut
mengandung Al2O3 bervariasi pada kisaran 40-60% berat dan sisanya bahan
ikutan misalnya : SiO2, Fe2O3, dan TiO2 (Maghfirah, 2007).
Bentuk struktur yang lain dari alumina, γ dan β, akan dijelaskan ketika
berhubungan dengan bahan-bahan ini, agar tidak menghilangkan titik dimana
hanya ada satu bentuk bahan murni. Tidak ada yang polimorf dari alumina murni.
Itu sudah cukup pada tahap ini untuk mengatakan bahwa γ-Al2O3 terjadi sebelum
pembentukan α selama kalsinasi dari gipsit, sementara β-Al2O3 hasil dari reaksi
Al2O3 dengan Na2CO3 sekitar 1100 oC (McColm, 1983).
2.3.2 Debu Vulkanik Gunung Sinabung
Gunung Sinabung adalah gunung api di dataran tinggi Karo, Kabupaten
Karo, Sumatera Utara, Indonesia. Gunung Sinabung bersama gunung Sibayak
adalah dua gunung berapi aktif di Sumatera Utara dan menjadi puncak tertinggi di
provinsi itu. Ketinggian gunung ini adalah 2.460 meter. Gunung ini tidak pernah
tercatat meletus sejak tahun 1600, tetapi mendadak aktif kembali dengan meletus
pada tahun 2010. Letusan terakhir gunung ini terjadi sejak September 2013 dan
berlangsung hingga kini. Gunung Sinabung terletak pada kordinat 3o10’12” LU
dan 98o23’31” BT (Wikipedia, 2015).
Beberapa tahun belakangan ini aktivitas gunung Sinabung meningkat
setelah kurang lebih 400 tahun tertidur. Peningkatan aktivitas ini pertama kali
Universitas Sumatera Utara
terjadi pada tanggal 27 Agustus 2010. Peningkatan aktivitas ditandai dengan
keluar material dari perut gunung Sinabung berupa asap dan debu vulkanik yang
keluar melalui awan panas ataupun guguran lava. Debu vulkanik adalah bahan
material vulkanik jatuhan yang disemburkan ke udara saat terjadi letusan. Debu
vulkanik dapat jatuh hingga puluhan kilometer dari pusat letusan. Dampak dari
debu vulkanik ini sangat besar diantaranya merusak lahan pertanian, mencemari
sumber mata air, mengganggu kesehatan dan juga mengganggu penerbangan.
Gambar 2.1 Erupsi Gunung Sinabung 31 Desember 2013
(Dokumentasi Pribadi)
Debu vulkanik gunung Sinabung mengandung unsur hara seperti :
Nitrogen (N) 0,13%, Kalium (K2O) 0,55%, Karbon (C-Organik) 0,54%, Phosfor
(P2O5) 0,55%, Silika (SiO2) 59,92%, Belerang (S) 0,18%, Besi (Fe) 16,11%
(Sinuhaji,2011).
Albert Daniel S. (2012) dalam penelitiannya menyatakan debu vulkanik
gunung Sinabung memiliki senyawa silikon oksida (SiO2) yang dominan dengan
struktur heksagonal. Debu vulkanik gunung Sinabung memiliki struktur kristal
yang secara mikroskopis terlihat tajam-tajam dipinggir seperti pecahan kaca yang
tidak beraturan hal ini yang menyebabkan debu vulkanik gunung Sinabung sangat
berbahaya bagi penduduk sekitar gunung terutama pada kesehatan yang
mengakibatkan sesak nafas atau Bronchitis selain itu dapat menimbulkan iritasi
mata.
2.3.3 Karbon Aktif
Karbon aktif adalah karbon yang telah diaktifasi sehingga pori-porinya
terbuka sehingga daya serapnya lebih besar dari karbon biasa. Karbon aktif
Universitas Sumatera Utara
bebentuk amorf disusun oleh atom-atom karbon yang berikatan secara kovalen
dalam kisi heksagonal. Dengan menghilangkan hidrokarbon maka daya serapnya
semakin besar (Surest,2008).
Karbon aktif dapat dibuat dari bahan karbon berpori yang diperoleh dari
bahan padat pertanian seperti sekam padi, tempurung kelapa, tempurung kemiri,
tempurung kelapa sawit dan yang lainnya. Karbon aktif digunakan secara luas
sebagai absorben dalam proses menghilangkan pengotor, terutama yang
berhubungan dengan zat warna, pengolahan limbah, pemurnian air, obat-obatan
yang biasanya digunakan dalam bentuk absorben.
Kelebihan dari karbon aktif:
1.
Dapat berfungsi sebagai filter.
2.
Dapat mengurangi gas beracun.
3.
Dapat menyerap emisi gas folmaldehida dari formalin.
4.
Dapat menetralisir dari keracunan.
5.
Dapat meningkatkan presentase pertumbuhan tanaman.
6.
Dapat digunakan sebagai pengawet makanan (Pari, 2012).
2.4 Pembentukkan Keramik
Proses pembuatan keramik terdiri dari pembentukan, pengeringan dan
pembakaran. Pada proses pembentukan, bahan baku yang berbentuk bubuk
dipadatkan. Terdapat beberapa proses pembentukkan yaitu :
a. Die Pressing.
Pada proses ini bahan keramik dihaluskan hingga menjadi bubuk, lalu
dicampur dengan pengikat kemudian dimasukkan ke dalam cetakan lalu
ditekan hingga
menjadi
bentuk
padat
yang
kuat.
Metode
ini
biasanya digunakan dalam pembuatan ubin, keramik elektronik dengan
cukup sederhana dan murah.
Universitas Sumatera Utara
b.
Rubber Mold Pressing.
Pada proses ini pembuatan keramik menggunakan pembungkus karet
kemudian bubuk dimasukkan ke dalam sarung karet kemudian dibentuk
dalam cetakan hidrostatis.
c.
Extrusion Molding.
Pada metode ini melalui lubang cetakan dengan ekstruksi memalui mulut
yang keras. Metode ini biasa digunakan untuk membuat pipa saluran, pipa
reaktor atau material lain yang memiliki suhu normal untuk penampang
lintang tetap.
d.
Slip Casting.
Pada metode ini dilakukakn untuk memperkeras suspensi dengan air dan
cairan lainnya, lalu dituang ke dalam plester berpori, air akan diserap dari
daerah kontak ke dalam cetakan dan lapisan lempung yang kuat terbentuk.
e.
Injection Molding
Bahan yang bersifat plastis diinjeksikan dan dicampur dengan bubuk pada
cetakan. Metode ini banyak digunakan untuk memproduksi benda-benda
yang mempunyai bentuk yang kompleks.
2.5 Karakterisasi
2.5.1 Karakterisasi Sifat Fisis
2.5.1.1 Densitas
Densitas adalah ukuran kerapatan suatu zat yang dinyatakan banyaknya zat
(massa) per satuan volume. Pengukuran densitas menggunakan standart ASTM C
373-88. Untuk mengukur densitas :
��
�
�=
………………………………………...………………..(2.1)
Dimana:
ρ
: Densitas (gr/cm3),
mk : Massa sampel (gr)
V
: Volume sampel (cm3)
Universitas Sumatera Utara
2.5.1.2 Porositas
Porositas merupakan banyak pori suatu material yang dihitung dengan
mencari persentase (%) berdasarkan daya serap bahan terhadap air dan
perbandingan volume yang diserap terhadap volume total sampel. Pengukuran
densitas menggunakan ASTM C 373-88.Untuk mengukur porositas :
%��������� =
(��−��)
���� ��
×
100%………………………….…….(2.2)
Dimana :
mb : Massa basah sampel (gr)
mk
: Massa kering sampel (gr)
ρair : Densitas air (gr/cm3)
Vt
: Volume total sampel (cm3)
2.5.1.3 Susut Massa dan Susut Bakar
Susut massaadalah presentase penyusutan massa sebelum dilakukan
pembakaran dan sesudah dilakukan pembakaran. Susut massa dihitung
menggunkan persamaan:
%����� ����� = � ��� −� ��� × 100%.......................................(2.3)
� ���
Dimana :
msbl
: massa sebelum dibakar (gr)
mbkr
: massa sesudah dibakar (gr)
Susut bakar adalah persentase penyusutan volume sebelum dilakukan
pembakaran dan sudah dilakukan pembakaran. Susut bakar dihitung dengan
menggunakan persamaan:
%����� ����� =
� ��� −����
×
����
100%……………………...……..(2.4)
Dimana :
Universitas Sumatera Utara
Vsbl : Volume sebelum pembakaran (cm3)
Vbkr : Volume setelah pembakaran (cm3)
2.5.2
Karakterisasi Sifat Mekanik
2.5.2.1 Kuat Tekan (Compressive Strength)
Kekuatan tekan suatu material adalah kemampuan material dalam
menahan beban/gaya mekanik sampai terjadinya kegagalan.Kuat tekan suatu
bahan merupakan perbandingan besarnya beban maksimum yang dapat ditahan
oleh beban.Pengaruh kuat tekan menggunakan alat Universal Testing Machine
(UTM). Untuk pengukuran kuat tekan mengacu pada standard ASTM C 733 dan
dihitung dengan persamaan berikut :
� = ���� ………………………………………………...……(2.5)
�
Dimana :
P
: Kuat tekan (N/m2)
Fmaks : Gaya maksimum (N)
A
: Luas permukaan sampel (m2)
2.5.2.2 Kekerasan (Vickers Hardness)
Kekerasan adalah ketahanan material terhadap deformasi plastis yang
diakibatkan tekanan. Kekerasan suatu material harus diketahui khususnya untuk
material yang dalam penggunaanya akan mangalami pergesekan dan deformasi
plastis. Deformasi plastis yaitu suatu keadaan dari material diberikan gaya maka
struktur mikro dari material tersebut sudah tidak bisa kembali ke bentuk semula.
Lebih ringkasnya kekerasan didefinisikan sebagai kemampuan suatu material
untuk menahan beban identasi atau penetrasi (penekanan). Pengujian ini mengacu
ASTM E-18 dengan metode Vickers dengan persamaan :
HB = 0,941 HV ......................................................................... (2.6)
Dimana :
Universitas Sumatera Utara
HB
: Hardness of Brinnel
HV
: Hardness of Vickers
Universitas Sumatera Utara