PREPARASI KERAMIK TANAH LIAT LOKAL UNTUK

451/Teknik Elektro
LAPORAN KEMAJUAN (70%)
PENELITIAN DOSEN PEMBINA
PREPARASI KERAMIK TANAH LIAT LOKAL UNTUK
BAHAN ISOLATOR PORSELIN LISTRIK
Ifkar Usrah, ST., M.T/04170364001
Nundang Busaeri, Ir., MT/0030066203
UNIVERSITAS SILIWANGI
JULI 2017
1
2
DAFTAR ISI
Hal:
HALAMAN PENGESAHAN
2
DAFTAR ISI
3
RINGKASAN
4
BAB 1. PENDAHULUAN
5
1.1 Latar Belakang
5
1.2 Rumusan Masalah
6
1.3 Tujuan Khusus
6
BAB 2. STUDI PUSTAKA
7
2.1 State of the arts
7
2.2 Studi Pendahuluan
8
BAB 3. METODE PENELITIAN
10
3.1 Bahan Baku
10
3.2 Pencampuran dan Pencetakan Sampel
10
3.3 Karakterisasi Keramik Porselin
10
3.4 Pengukuran Resistivitas Listrik
10
BAB 4. HASIL YANG DICAPAI
12
4.1 Hasil XRF untuk Kuarsa, Bentonit, Kaolin dan Zeolit
12
BAB 5. RENCANA TAHAPAN BERIKUTNYA
13
BAB 5. KESIMPULAN
14
DAFTAR PUSTAKA
15
3
RINGKASAN
Dalam sistem transmisi dan distribusi daya listrik tegangan tinggi, konduktor yang berada di
udara umumnya dipasang menggunakan bahan pendukung tower atau tiang. Tower atau
tiang keduanya ditanahkan, sehingga harus ada isolator antara tower atau bodi tiang dan
konduktor pembawa arus untuk mencegah aliran arus dari konduktor ke tanah melalui tower
atau bodi tiang yang ditanahkan. Isolator porselin telah menjadi salah satu isolator pilihan
yang menjanjikan di masa depan karena isolator ini dapat disiapkan dari bahan lokal (tanah
liat, feldspar, dan kuarsa) dan mempunyai karakteristik kekuatan mekanik, ketahanan korosi,
dan dielektrik daya tinggi. Bahan baku tanah liat, fieldspar dan kuarsa cukup melimpah
tersedia di Indonesia, namun sebagian besar isolator yang digunakan masih diimpor dari
negara maju. Untuk memenuhi kebutuhan isolator porselin listrik, mengurangi
ketergantungan impor dan mengurangi biaya pembelian impor, maka itu perlu
mengeksplorasi bahan lokal untuk bahan isolator porselin. Tujuan penelitian ini adalah
mempelajari pengaruh ukuran, jumlah dan distribusi partikel tanah liat, fieldspar dan kuarsa
terhadap sifat mekanik isolator porselin yang dihasilkan dan menentukan karakteristik
temperatur yang menghasilkan resistivitas listrik tertinggi. Kaolin dari Kec. Kadipaten,
kuarsa/batu jasper dari Kec. Pancatengah, zeolit dan bentonit dari Kec. Karangnunggal telah
diidentifikasi komposisinya untuk bodi poerselin. Komposisi kimia bahan baku
dikarakterisasi dengan XRF dengan komposisi utama adalah SiO2.
4
BAB 1 : PENDAHULUAN
1.1
Latar Belakang
Industri daya listrik cenderung mengembangkan tegangan ekstra tinggi, kapasitas
besar dan transmisi jarak jauh. Dalam sistem transmisi dan distribusi daya listrik tegangan
tinggi, konduktor yang berada di udara umumnya dipasang menggunakan bahan pendukung
tower atau tiang. Tower atau tiang keduanya ditanahkan, sehingga harus ada isolator antara
tower atau bodi tiang dan konduktor pembawa arus untuk mencegah aliran arus dari
konduktor ke tanah melalui tower atau bodi tiang yang ditanahkan (Gambar 1).
Gambar 1. Contoh isolator yang digunakan saluran transmisi dan distribusi daya listrik
tegangan tinggi.
Diantara beberapa jenis isolator yang digunakan untuk saluran transmisi dan distribusi
daya listrik tegangan tinggi, isolator porselin telah menjadi salah satu isolator pilihan yang
menjanjikan di masa depan. Alasan untuk ini dihubungkan terhadap ketersediaan bahan baku
dan sifat karakteristiknya. Pertama, isolator porselin dapat disiapkan dari tanah liat, feldspar,
dan kuarsa. Tanah liat memberikan kekenyalan pada campuran keramik, kuarsa (silika)
mempertahankan bentuk bodi selama pembakaran, fieldspar berfungsi sebagai fluks yang
ditambahkan untuk mengurangi temperatur pembakaran sehingga mengurangi biaya
penggunaan energi pembakaran. Kedua, isolator porselin memiliki beberapa sifat
karakteristik seperti kekuatan mekanik, kekuatan dielektrik daya tinggi, dan ketahanan
korosi. Kepemilikan sifat-sifat tersebut telah diselidiki dalam proselin triaxial (Kitouni, 2014)
dan proselin bauksit (Meng dkk, 2016), proselin dengan pengurangan kadar silika (Riahi
Noori dkk, 2007), dan porcelain dengan tambahan zeolit alam (Sukran Demirkiran dkk,
2010). Dari hasil penelitiannya, para peneliti memberikan alasan penggunaan porselin
meskipun munculnya bahan baru seperti plastik dan komposit. Porselin membentuk basis
isolator keramik yang biasa digunakan untuk isolasi tegangan rendah dan tinggi.
5
Selanjutnya itu diketahui bahwa bahan baku tanah liat, fieldstar dan kuarsa cukup
melimpah tersedia di Indonesia untuk pembuatan isolator porselin listrik. Namun terlepas dari
itu, sebagian besar isolator yang digunakan masih diimpor dari negara maju. Untuk
memenuhi kebutuhan isolator porselin listrik, mengurangi ketergantungan impor dan
mengurangi biaya pembelian impor, maka itu perlu mengeksplorasi bahan lokal untuk bahan
isolator porselin. Oleh karena itu, maka dalam penelitian ini akan dilakukan “Preparasi
Keramik Tanah Liat Lokal untuk Isolator Porselin Listrik”.
1.2
Rumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang di atas, maka rumusan masalah penelitian adalah:
a. Bagaimana pengaruh ukuran, jumlah dan distribusi partikel tanah liat, filedstar dan
kuarsa terhadap sifat mekanik isolator porselin yang dihasilkan?
b. Apakah bahan baku yang diproduksi secara lokal (tanah liat, fieldstar dan kuarsa)
memenuhi persyaratan untuk bahan isolasi proselin yang baik.
1.3
Tujuan Khusus
Tujuan umum penelitian ini adalah mengeksplorasi bahan lokal (tanah liat, fieldstar
dan kuarsa) sebagai bahan baku untuk isolator porselin dalam usaha mengurangi
ketergantungan ekspor isolator porselin. Tujuan khusus penelitian ini adalah:
a. Mempelajari pengaruh ukuran, jumlah dan distribusi partikel tanah liat, filedstar dan
kuarsa terhadap sifat mekanik isolator porselin yang dihasilkan.
b. Menentukan karakteristik temperatur yang menghasilkan resistivitas listrik tertinggi.
6
BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA
2.1 State of the art
Saluran transmisi daya di udara memerlukan kabel untuk menghantarkan listrik dan
isolator untuk mengisolasi kabel dari bahan pendukung seperti tower atau bodi tiang. Isolator
kebanyakan dibuat dari keramik atau gelas. Bahan-bahan tersebut memiliki sifat isolasi yang
luar biasa dan tahan cuaca, tetapi memiliki kelemahan yaitu bobotnya berat, mudah patah,
dan mengalami degradasi sifat tegangannya ketika tercemar. Isolator organik telah
dikembangkan untuk mengganti isolator inorganik (Yan dkk, 2014), tetapi bahan isolator ini
tidak tahan cuaca, dan karakteristiknya tidak cocok untuk penggunaan di luar. Isolator epoksi
resin dikembangkan (Wang dkk, 2010) tetapi bahan ini bobotnya berat, tidak tahan terhadap
degradasi dan pelacakan UV, dan tidak pernah dimasukkan ke dalam layanan yang
sebenarnya. Sejumlah bahan isolator baru telah dikembangkan dengan struktur komposit
ethylene propylene rubber (EPR), ethylene propylene diene methylene (EPDM),
polytetrofluoro ethylene (PTFE), silicone rubber (SR) dan inti fiber-reinforced plastic (FRP)
(Halim dkk, 2014) untuk menahan beban tarik. Bahan baru ini mengalami kendala teknis
seperti adhesi antara bahan dan penembusan uap air dan ujung kanal yang mengirimkan
beban. Isolator karet silikon telah digunakan secara besar-besaran (Plesa dkk, 2016) karena
tahan cuaca yang hampir permanen dan sifat hidrofobiknya yang memungkinkan peningkatan
tegangan ketahanan maksimal terhadap pencemaran. Furukawa Electric mengembangkan
inter-phase spacer untuk mencegah kelainan dalam saluran trasmisi daya, dan pada saat itu
dikembangkan isolator komposit yang memiliki bobot ringan dan fleksibilitas. Isolator
komposit pertama, karet silikon digunakan sebagai inter-phase spacer untuk 66-kV duty dan
tahun 1994 penggunaannya dikembangkan untuk 275-kV. Keuntungan menggunakan isolator
komposit adalah penyederhanaan kerja konstruksi dan menurunkan biaya isolator agar supaya
biaya pemasangan dan pemeliharaan saluran transmisi daya murah (Kobayashi dkk, 2000).
Bahan inorganik (filler) seperti aluminum nitrida, boron nitrida, silikon dioksida,
aluminum oksida, titanium oksida, silikon karbid dan seng oksida digabungkan ke dalam
polimer isolasi listrik untuk memperoleh sifat-sifat listrik, mekanik dan termal tertentu (Han
dan Garrett, 2008; Nelson, 2007). Ketahanan komposit terhadap lucutan parsial dan
pemohonan elektrik memungkinkan rancangan sistem isolasi baru dengan kekuatan gangguan
elektrik bertambah. Faktor permitivitas dan disipasi diperlukan serendah mungkin dan faktor
loss setinggi mungkin untuk isolasi listrik. Frame retardant adalah sifat yang diperlukan
isolasi kabel dimana jika kabelnya terbakar, apinya tidak merambat, sedangkan tahanan
saluran sangat penting untuk isolator luar ruangan (Tanaka dkk, 2004).
7
Porselin merupakan salah satu jenis bahan keramik dan pada dasarnya isolator yang
mempunyai nilai resistivitas listrik sekitar 1012 – 1014 ohm cm pada temperature ruang. Tetapi
itu turun dengan kenaikan temperatur (Islam dkk, 2004). Bodi porselin standard dibuat dari
campuran kaolin, fieldstar dan kuarsa dan mengandung agregat kristal mullit dan kuarsa yang
tersimpan dalam matriks kaca (Hutching dkk, 2006). Dibandingkan dengan isolator porselin,
isolator kaca dengan profil yang sama mempunyai kinerja antipolusi yang lebih baik.
Keuntungan porselin listrik melebihi bahan keramik isolator lainnya adalah kenyataan bahwa
porselin dapat dibuat dengan konfigurasi kompleks untuk insulator tegangan tinggi dengan
ukuran besar. Porselin listrik dapat digolongkan berdasarkan tujuan dan sifat-sifatnya.
Porselin tegangan tinggi biasa digunakan dalam produksi saluran dan isolator peralatan
tegangan tinggi. Porselin tegangan tinggi dengan kadar kuarsa tinggi digunakan untuk
membuat isolator peralatan tegangan tinggi dengan sifat-sifat elektromekanik ditingkatkan.
Porselin alumina tegangan tinggi digunakan untuk insulator peralatan tegangan tinggi dengan
kekuatan mekanik tinggi. Porselin tegangan rendah digunakan dalam produksi isolator dan
bagian isolasi untuk pembangkit listrik sampai 500 V membangkitkan arus searah dan bolakbalik dan pembangkit arus lemah. Lebih dari 20% total pengeluaran untuk transmisi dan atau
system distribusi energi listrik adalah untuk sistem isolasi. Dalam periode waktu yang lama,
itu disadari bahwa beberapa sifat karakteristik porselin seperti kekuatan mekanik, kekuatan
dielektrik daya tinggi, dan ketahanan korosi sebagai produk keramik tidak dapat diperoleh
dalam bahan lain.
2.2 Studi Pendahuluan
Di laboratorium kami yaitu Center for Material Processing and Renewable Energy,
Fakultas Teknik, Universitas Siliwangi telah dilakukan penelitian karakteristik keramik
dengan bahan dasar tanah liat. Dalam penelitian tentang fabrikasi ubin keramik tak
mengkilap menggunakan komposit tanah liat dan limbah padat terstruktur (Aripin dkk, 2010),
itu diperoleh bahwa pada 1100oC, serapan air ubin lantai tak mengkilap adalah lebih kecil
dari 1%. Dalam DIN standar, serapan air kurang dari 5% diperlukan untuk ubin lantai tak
mengkilap (Keethawat, 2006). Serapan air dari ubin lantai tak mengkilap yang diperoleh
dalam penelitian ini berada pada rentang yang dianjurkan oleh standar ini. Selanjutnya dalam
penelitian tentang pembentukan keramik tanah liat berpori menggunakan abu limbah sagu
sebagai bahan tambahan dengan kontrol penggerusan (Aripin dkk, 2014), itu diperoleh bahwa
Vicker hardness ditemukan sebanding terhadap densitasnya. Untuk sampel yang digerus
selama 12, 24, dan 48 jam kekerasannya cenderung berkorelasi secara linier dengan
8
perubahan densitasnya. Untuk sampel yang digerus 6 jam variasi nonlinier kekerasan dengan
densitas diamati. Itu dianggap bahwa keberadaan ukuran grain lebih besar mengganggu
pembentukan kekerasan pada sampel. Dari dua hasil penelitian tersebut, paling tidak pada
tahap awal kami sudah mempunyai pengalaman dalam mengembangkan keramik yang dibuat
dari tanah liat dan sudah mengetahui karakteristiknya untuk dikembangkan lebih lanjut.
Bahan Baku (kaolin,
fieldspar, kuarsa)
Pencucian dan
pengeringan
Penghalusan
menjadi serbuk
Analisis kimia
XRF
Pencetakan
sampel
Sintering pada
50oC – 600oC
Uji XRD, SEM dan
FTIR
Isolator porselin
Uji resistivitas listrik
Gambar 1. Diagram skematik untuk sintesis isolator porselin dan Uji resistivitas listrik
9
BAB 3. METODE PENELITIAN
Pelaksanaan penelitian ini akan mengikuti diagram alir seperti ditunjukkan pada
Gambar 1. Di bawah, secara terperinci setiap tahapan dijelaskan.
3.1 Bahan Baku
Bahan baku yang digunakan untuk mempersiapkan porselin listrik adalah kaolin atau
tanah liat, fieldstar, dan kuarsa. Mineral baku yang digunakan dalam penelitian ini diambil
dari tempat yang berbeda. Tanah liat, fieldstar, dan kuarsa berturut-turut diambil dari Kec.
Cipatujah, Kec. Karangnunggal dan Kec. Pancatengah.
3.2 Pencampuran dan Pencetakan Sampel
Setelah dibersihkan dari kotoran yang melekat, bahan baku dikeringkan dengan panas
matahari. Bahan baku kering selanjutnya ditumbuk/digiling untuk menghasilkan serbuk
dengan ukuran di bawah 100 m. Sampel disiapkan menurut formulasi bodi porselin pada
Tabel 1.
Tabel 1. Formulasi bodi porselin
No
Tanah liat (%)
Fieldstar (%)
Kuarsa (%)
1
100
0
0
2
70
20
10
3
50
30
20
4
30
40
30
Komponen dari formula Tabel 1 dicampurkan dan kemudian campuran dicetak menggunakan
hydraulic press dengan ukuran diameter 10 mm dan tebal 20 mm. Sampel tercetak
dikeringkan dalam oven pada temperatur 120oC selama 24 jam.
4.2 Karakterisasi Keramik Porselin
Setelah sampel disiapkan pada bagian 3.1 dan 3.2, selanjutnya untuk setiap sampel,
komposisi kimia bahan baku dikarakterisasi dengan XRF, struktur fase dikarakterisasi dengan
XRD, morfologi permukaan dengan SEM, dan gugus fungsional dengan FTIR.
4.3 Pengukuran Resistivitas Listrik
Pengukuran resistivitas listrik dilakukan dengan metode dua probe. Dalam rangka membuat
saluran konduksi untuk pengukuran resistivitas listrik pada sampel, sampel ditempeli pasta
10
perak pada permukaan atas dan bawahnya. Kawat perak berbentuk spiral dipasang pada
kedua permukaan sampel dan dilewatkan melalui pipa kuarsa keluar dari tanur. Sampel
digantung dipusat tanur listrik. Power supply DC dan electrometer digunakan untuk
pengukuran resistivitas listrik. Tegangan antara 25 dan 200 V pada interval 25 V diberikan ke
sampel dari sumber pada 50, 200, 400 dan 600oC dan tegangan dan arus diukur dengan
electrometer.
11
BAB 4. HASIL YANG DICAPAI
4.1 Hasil XRF untuk Kuarsa, Bentonit, Kaolin dan Zeolit
Tabel 4.1 Komponen Logam Oksida dari Material natural Kuarsa, Kaolin, Zeolit dan
Bentonit
Komponen
SiO2
TiO2
ZrO2
MgO
Al2O3
Na2O
Fe2O3
K2O
CaO
Kuarsa
85.1
0.634
0.125
0.314
0.264
13.4
-
Kaolin
42.2
1.1
0.464
24.8
30.1
1.11
-
Zeolit
59.3
0.699
5.02
0.158
5.02
8.47
12.3
7.81
Bentonit
38.2
1.35
1.2
3.89
54.0
0.10
0.98
Material kuarsa adalah batu jasper diambil dari Kampung Pasir Gintung, Kec. Pancatengah,
Kab. Tasikmalaya. Kaolin diambil dari Desa Kadipaten, Kec. Kadipaten, Kab. Tasikmalaya.
Zeolit dan bentonit diambil dari Kec. Karangnunggal, Kab. Tasikmalaya.
12
BAB 5. RENCANA TAHAPAN BERIKUTNYA
Rencana berikutnya adalah:
1. Mencampurkan kuarsa, kaolin dan zeolit dengan bobot berbeda untuk memperoleh
bahan porselin dengan karakteristik optimum
2. Mengkarakterisasi bahan campuran dengan Fourier Tranform Far Infra Red (FTIR),
Scanning Electron Microscope (SEM), Porositas dan BET surface.
13
BAB 6. KESIMPULAN
Hasil dari penelitian ini adalah telah diidentifikasi komposisi kimia dari material kuarsa atau
batu jasper diambil dari Kampung Pasir Gintung, Kec. Pancatengah, Kab. Tasikmalaya,
kaolin dari Desa Kadipaten, Kec. Kadipaten, Kab. Tasikmalaya, zeolit dan bentonit dari Kec.
Karangnunggal, Kab. Tasikmalaya. Hasil ini akan digunakan untuk mempersiapkan
campuran porselin.
14
DAFTAR PUSTAKA
Aripin, S.Tani, S. Mitsudo,T. Saito dan T. Idehara, 2010. Fabrication Of Unglazed Ceramic
Tile Using Dense Structured Sago Waste And Clay Composite, Jurnal Sains Materi
Indonesia, Vol. 11, pp. 79 – 82.
Aripin, H., S. Mitsudo, B. Rahmat, S. Tani, K. Sako, Y. Fujii, K. Kikuchi, T. Saito, T.
Idehara, S. Sabchevski, 2014. Formation of Porous Clay Ceramic Using Sago Waste
Ash as a Prospective Additive Material with Controllable Milling, Science of Sintering,
Vol. 46, pp. 55-64.
Halim, S.F., L. S. Nasrat, A. Awad, N. Darwish, 2014. Effect of Aging on the Mechanical
and Electrical Properties of Ethylene Propylene Diene/Silicone Blends Used as Outdoor
High Voltage Insulators, J. Int. Environmental Application and Science, Vol. 9, pp. 427
– 434.
Han, J., dan R. Garrett, 2008. Overview of polymer nanocomposites as dielectrics and
electrical insulation materials for large high voltage rotating machines, NSTI-Nanotech,
Vol. 2, pp. 727–732.
Hutching, L.M., Y. Xu, E. Sachez, M.Z Ibanez, M.F Quereda, 2006. Porcelain tile
microstructure, implication for polishability, Journal of the Europen Ceramic Society,
Vol. 26, p. 1035 – 1042.
Islam, R.A., Y.C Chan, M.F Islam, 2004. Structure property relationship in high tension
ceramic insulator fired at high temperature, Material Science and Engineering, Vol.
B106, p. 132 – 140.
Kitouni, S., Dielectric Properties of Triaxial Porcelain Prepared Using Raw Native Materials
Without Any Additions, 2014. Balkan Journal of Electrical and Computer
Engineering, Vol. 2, pp. 128 – 131.
Kobayashi, S., Y. Matsuzaki, H. Masuya, Y. Arashitani, and R. Kimata, 2000. Development
of Composite Insulators for Overhead Lines, Furukawa Review, No. 19, pp. 129 – 135.
Meng, Y., G.H. Gong, Z.P. Wu, S.R. Liu, 2012. Fabrication and microstructure investigation
of ultra-high-strength porcelain insulator, Journal of the European Ceramic Society,
Vol. 32, pp. 3043 – 3049.
Plesa, I., P. V. Notingher, S. Schlögl, C. Sumereder dan M. Muhr, 2016. Properties of
Polymer Composites Used in High-Voltage Applications, Polymers, Vol. 8, pp. 173 –
178.
15
Riahi Noori, N., R. Sarraf Mamoory dan S. Mehraeen, 2007. Effect of Materials Design on
Properties of Porcelain Insulators, American Ceramic Society Bulletin, Vol. 86, pp.
9201 – 9203.
Sukran Demirkiran, Recep Artir, Esref Avci, Electrical resitivity of porcelain bodies with
natural zeolite addition, Ceramic International, Vol. 36, pp. 917 – 921.
Tanaka, T., G.C. Montanari, R. Mulhaupt, 2004. Polymer nanocomposites as dielectrics and
electrical insulation-Perspectives for processing technologies, material characterization
and future applications., IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul., Vol. 11, pp.763–784.
Wang, Q., G. Chen, A. S. Alghamdi, 2010. Influence of Nanofillers on Electrical
Characteristics of Epoxy Resins Insulation, International Conference on Solid
Dielectrics, Potsdam, Germany, July 4-9, 2010.
Yan, W., J. Zhao, B. Toan Phung, F. Faupel, K. Ostrikov, 2014. High-Voltage Insulation
Organic-Inorganic Nanocomposites by Plasma Polymerization, Materials, Vol. 7, pp.
563 – 575.
16