PEMBUATAN PRODUK KERAMIK BERPORI

2.6 PEMBUATAN PRODUK KERAMIK BERPORI

Pembuatan produk keramik berpori secara umum sama halnya dengan pembuatan keramik lainnya, yaitu : diawali dengan proses penyiapan serbuk pencampuran bahan baku, kemudian dilanjutkan proses pembentukkan cara cetak tekan, cara cetak tuang dan tahapan terakhir adalah tahapan terpenting yaitu proses pembakaran yang sering disebut proses sintering. Sintering adalah proses pembakaran keramik setelah melalui proses pencetakan sehingga diperoleh suatu produk keramik yang kuat dan lebih padat. Suhu pembakaran pada proses sintering sangat tergantung sekali dengan jenis bahan keramik, umumnya disekitar 60-80 dari titik lebur bahan yang digunakan. Perbedaan pembuatan keramik berpori dengan keramik biasa adalah adanya tambahan organik sebagai pembentuk pori. Macam-macam bahan organik yang dapat dipergunakan antara lain : serbuk kayu, cellulose, polyvinyl, alkohol, busa dan lain- lain. Karena bahan-bahan organik tersebut akan habis terbakar pada suhu sekitar 400 – 600 C, dan akan meninggalkan jejak pori di dalam badan keramik yang di buat. Proses pembakaran merupakan tahapan produksi yang terpenting dan memberikan pengaruh yang sangat berarti terhadap karakteristik produk keramik yang dihasilkan. Material keramik setelah melalui proses pencetakan terjadi penggabungan atau pengelompokkan beberapa butiran, tetapi butiran satu dengan yang lainnya belum terikat kuat. Selama proses sintering berlangsung akan terjadi ikatan antara butiran menjadi kuat, proses difusi pada permukaan butiran, sehingga menimbulkan Julianda Siregar : Studi Analisis Tentang Hubungan Suhu Sintering Terhadap Karakter Keramik Berpori..., 2008 USU e-Repository © 2008 pertumbuhan butir grain growth dan munculnya batas butir baru. Akhirnya pada proses sintering akan terjadi penyusutan dimensi yang disertai pengurangan pori yang ada diantara butiran, sehingga material yang telah di sinter akan menjadi semakin kuat.

2.6.1. Pemilihan Bahan Baku Keramik Cordierite

Secara fungsional keramik cordierite dapat digunakan sebaga filter gas buang, media katalis, substrat mikroba pada sistem penjernihan air, saringan pada pengecoran logam, proteksi selubung termokopel, komponen elektronika dan lainnya. Untuk pembuatan keramik cordierite digunakan bahan baku MgCO 3 , Al 2 O 3 dan SiO 2 , masing-masing bahan baku mempunyai fungsi dan karakter tertentu. Bahan baku Magnesium Oksida MgO diperoleh dari sumber bahan MgCO 3 dalam bentuk magnesit melalui proses kalnisasi. Reaksi dekomposisi atau penguraian MgCO 3 berlangsung menjadi MgO dan stabil pada suhu 510 C. MgO merupakan refraktori yang murah, dimana titik leburnya adalah 2450 C dan memiliki densitas sebesar 3,58 gcm 3 . Kuarsa SiO 2 berfungsi untuk mengatur plastisitas dan mengurangi penyusutan dan meningkatkan suhu sintering. Mineral silika atau kuarsa dengan bentuk umum fasa kristalnya adalah tridimit, quartz dan kristobalit, tergantung pada suhunya. Kristal kuarsa paling banyak di alam pada suhu dibawah 573 C membentuk kuarsa fasa rendah g-SiO 2 , pada 573 C berubah menjadi kuarsa fasa tinggi -SiO 2 dan kuarsa fasa tinggi stabil pada 867 C. Fasa tridimit stabil pada Julianda Siregar : Studi Analisis Tentang Hubungan Suhu Sintering Terhadap Karakter Keramik Berpori..., 2008 USU e-Repository © 2008 suhu 1470 C dan kristobalit stabil hingga mencapai titik lebur menjadi cair , yaitu pada suhu 1730 C. Sifat fisis densitas dari kuarsa antara lain : kuarsa = 2,65 gcm 3 , tridimit = 2,27 gcm 3 , kristobalit = 2,33 gcm 3 . Senyawa alumina Al 2 O 3 bersifat polimorfi dengan struktur : g- Al 2 O 3, dan - Al 2 O 3 , dimana g- Al 2 O 3 merupakan bentuk struktur yang paling stabil pada suhu tinggi dan disebut corundum. Sedangkan - Al 2 O 3 merupakan senyawa alumina yang stabil dibawah 1000 C dan umumnya reaktif dibandingkan dengan g- Al 2 O 3 . Transformasi fasa – g diatas 1000 C menghasilkan mikrostruktur dengan ukuran mikro dengan derajat hubungan porositas tinggi, perubahan bentuk adalah irreversibel dan fasa g stabil hingga titik lebur 2050 C . Kemurnian Al 2 O 3 , umumnya lebih tinggi 99 dan mempunyai sifat mekanik, listrik, termal yang baik dan dapat dipergunakan dalam berbagai aplikasi. Beberapa besaran fisis dari keramik Al 2 O 3 , antara lain : densitas bulk = 3,78 – 3,80 gcm 3 , kekuatan tekan = 230 – 350 Mpa, kekerasan = 12,8 – 15 Gpa, koefisien ekspansi termal = 8 – 10 -6 0 C -1 dan titik leburnya 2050 C.

2.6.2. Bahan Baku Serbuk Kayu

Serbuk kayu yang dipergunakan diperoleh dari limbah penggergajian, dari berbagai jenis kayu yang memiliki sifat-sifat yang berbeda. Ada beberapa sifat umum yang terdapat pada semua serbuk kayu, yaitu : Julianda Siregar : Studi Analisis Tentang Hubungan Suhu Sintering Terhadap Karakter Keramik Berpori..., 2008 USU e-Repository © 2008 1. Serbuk kayu tersusun dari sel-sel dan susunan dinding selnya terdiri dari senyawa kimia berupa selulosa karbohidrat serta lignin non karbohidrat . 2. Semua serbuk kayu bersifat anisotropik sehingga bila di uji dalam tiga arah longitudinal, radial dan tangensial memberikan sifat yang berbeda. 3. Serbuk kayu bersifat higroskopis, dapat menyerap atau melepaskan air sebagai akibat perubahan kelembaban dan suhu udara sekelilingnya. Sifat fisis serbuk kayu antara lain : berat jenis, warna, tekstur, arah serat, kesan raba, bau dan rasa, higroskopis, daya hantar panas dan daya hantar listrik. Berat jenis serbuk kayu berkisar antara 0,2 batas minimum, dari serbuk kayu biasa sampai 1,28 serbuk kayu nani . Beraneka warna yang ada, disebabkan oleh zat pengisi warna dalam serbuk kayu, begitu juga teksturnya ada tiga yaitu : halus contoh giam, kulim dan lainnya, sedang contoh jati dan kasar contoh meranti. Arah serat dapat dibedakan menjadi serat : lurus, berpadu, berombak, terpilin dan diagonalmiring. Kesan raba diperoleh saat meraba permukaan serbuk kayu antara lain : kasar, halus, dingin, licin, berminyak dan lainnya, sangat bergantung pada tekstur dan kadar air di dalam serbuk kayu. Bau dan rasa mudah hilang bila disimpan di udara terbuka, ada bau yang merangsang, seperti : bau bawang dan sebagainya. Sifat higroskopis atau kemampuan menyerap dan melepaskan air, artinya makin tinggi kelembaban udara sekitarnya maka makin tinggi pula kelembaban serbuk kayu disebut sebagai Julianda Siregar : Studi Analisis Tentang Hubungan Suhu Sintering Terhadap Karakter Keramik Berpori..., 2008 USU e-Repository © 2008 kandungan air keseimbangan Equilibrium Moisture Content = EMC . Daya hantar panas serbuk kayu sangat jelek sehingga banyak dipergunakan yang berhubungan langsung dengan sumber panas. Daya hantar listrik serbuk kayu jelek oleh karena dipengaruhi kadar air, pada kadar air = 0 bersifat konduktor dan bila kandungan air maksimum maka daya hantarnya boleh dikatakan sama dengan daya hantar air.

2.6.3. Preparasi Serbuk, Pencetakan dan Kalsinasi

Pencampuran serbuk bahan baku diperlukan untuk mendapatkan campuran yang halus dan merata, agar produk yang dihasilkan menjadi lebih homogen. Proses pencampuran yang dilakukan adalah proses basah dengan penambahan media air. Banyak cara untuk proses penyampuran antara lain : konvensional, kimia basahlarutan dan preparasi dalam fasa gas. Proses pembentukan atau pencetakan keramik ada beberapa cara tergantung dengan bentuk dan ukuran yang diinginkan. Pada umumnya ada 3 cara yang sering digunakan, yaitu : cetak tekan dry pressing, ekstrusi dan cetak tuang slip casting. Kalsinasi adalah pembakaran tahap awal, dimana pada proses ini akan menghasilkan bahan dalam bentuk oksida dan menghilangkan zat-zat yang tidak dibutuhkan, seperti H 2 O, air kristal dalam bentuk OH dan gas CO 2 , suhu kalsinasi sangat tergantung pada jenis bahan yang dituang bentuk suspensi. Pada penelitian ini suhu kalsinasi berkisar 1200 C. Peristiwa yang terjadi selama kalsinasi antara lain James S.R, 1988 : Julianda Siregar : Studi Analisis Tentang Hubungan Suhu Sintering Terhadap Karakter Keramik Berpori..., 2008 USU e-Repository © 2008 1. Pelepasan air bebas H 2 O dan bentuk terikat bentuk OH berlangsung sekitar suhu 100 C hingga 300 C. 2. Pelepasan gas-gas, seperti : CO 2 berlangsung sekitar suhu 600 C dan pada tahap ini disertai terjadinya pengurangan berat yang cukup berarti. 3. Pada suhu lebih tinggi, sekitar 1200 C mulai terbentuknya fasa cordierite, dimana ikatan diantara partikel serbuk belum kuat dan mudah terlepas.

2.6.4. Proses Sintering

Sintering adalah suatu proses pembakaran keramik setelah melalui proses pencetakan sehingga diperoleh suatu produk keramik yang kuat dan lebih padat Reynen P, 1979. Suhu sintering sangat tergantung pada jenis bahan keramik yang dipergunakan. Faktor yang menentukan proses dan mekanisme sintering Reynen P and Bastius H, 1986 : jenis bahan, komposisi, bahan pengotor dan ukuran partikel. Proses sintering ini dapat berlangsung bila Reynen P, 1979, Ristic M.M, 1989 : 1. Adanya transfer materi antara butiran yang disebut proses difusi 2. Adanya sumber energi yang dapat mengaktifkan transfer materi untuk menggerakkan butiran sehingga terjadi kontak dan ikatan yang kuat. Energi untuk menggerakan proses sintering disebut gaya dorong driving force yang ada hubungannya dengan energi permukaan butiran . Gaya dorong tersebut dapat Julianda Siregar : Studi Analisis Tentang Hubungan Suhu Sintering Terhadap Karakter Keramik Berpori..., 2008 USU e-Repository © 2008 diilustrasikan dari dua bola yang berukuran sama yang saling kontak dengan ukuran leher kontak neck adalah x, seperti pada gambar 2.8, Richardson D.W, 1982. Gambar 2.8. Model dua bola saling kontak dengan permukaan leher kontak neck Richardson, D.W, 1982 Mekanisme proses perpindahan materi difusi selama proses sintering dapat berlangsung melalui : difusi volume, difusi permukaan, difusi batas butir, difusi secara penguapan dan kondensasi, seperti terlihat pada gambar 2.9. Gambar 2.9. Mekanisme perpindahan materi selama sintering William C, 1991 Tiap-tiap mekanisme difusi akan memberikan efek terhadap perubahan sifat fisis bahan setelah sintering antara lain, perubahan : densitas, porositas, penyusutan Julianda Siregar : Studi Analisis Tentang Hubungan Suhu Sintering Terhadap Karakter Keramik Berpori..., 2008 USU e-Repository © 2008 dan pembesaran butir. Dengan adanya difusi tersebut maka akan terjadi kontak antara partikel dan terjadi suatu ikatan yang kuat diantara partikel-partikel, disamping itu terjadi rekonstruksi susunan partikel yang dapat menghilangkan atau mengurangi pori-pori yang berada diantara partikel. Umumnya peningkatan densitas, pengurangan dan penyusutan disebabkan karena adanya difusi volum dan difusi antar butir Ristic M.M, 1989. Faktor-faktor yang mempercepat laju proses sintering antara lain : ukuran partikel dan penggunaan aditif. Untuk penggunaan partikel yang lebih kecil maka proses sintering akan dapat berjalan lebih cepat dibandingkan dengan penggunaan partikel yang lebih besar. Perubahan mikrostruktur keramik selama proses sintering, mulai berbentuk serbuk hingga akhir sintering diperlihatkan pada gambar 2.10. Selama proses sinter berlangsung, ada beberapa tahapan yang terjadi pada bahan meliputi Reynen P, 1979 dan William C, 1991 : 1. Tahap awal, partikel-partikel keramik saling kontak satu dengan lainnya setelah pencetakan 2. Tahap mulai sintering, permukaan kontak antar partikel mulai lebar, dimana ukuran butir ataupun pori belum terjadi 3. Tahap pertengahan sintering, pori-pori pada batas butir saling menyatu, dan terjadi perubahan kanal-kanal pori dan ukuran butir mulai membesar. Julianda Siregar : Studi Analisis Tentang Hubungan Suhu Sintering Terhadap Karakter Keramik Berpori..., 2008 USU e-Repository © 2008 4. Tahapan akhir sintering, batas butir bergeser dan terjadi pembesaran ukuran butir sampai kanal-kanal pori tertutup disertai terjadinya penyusutan. Gambar 2.10. Perubahan mikrostruktur keramik selama proses sintering Reynen P, 1979 dan William C, 1991 Melalui proses pencetakan terjadi penggabungan atau pengelompokkan beberapa butiran, tetapi butiran satu dengan yang lainnya belum terikat kuat. Ikatan antara butiran akan menjadi kuat setelah proses sintering, dimana akan terjadi penyusutan dimensi yang disertai pengurangan pori yang ada diantara butiran. Dengan demikian material yang telah di sintering akan menjadi semakin padat dan kuat. Julianda Siregar : Studi Analisis Tentang Hubungan Suhu Sintering Terhadap Karakter Keramik Berpori..., 2008 USU e-Repository © 2008 Pada gambar 2.11, ditunjukkan hubungan antara suhu sintering terhadap perubahan sifat-sifat material. Gambar 2.11. Kurva hubungan sifat-sifat keramik terhadap suhu sintering Reynen P, 1979 dan William C, 1991 Kurva tersebut menunjukkan bahwa semakin banyak jumlah partikel yang kecil maka nilai densitas setelah sintering semakin besar atau persen kepadatannya semakin besar. Dari kurva diatas terlihat bahwa pengaruh suhu sintering terhadap perubahan densitas, kekuatan mekanik dan ukuran butir adalah berbanding lurus, akan tetapi terjadi sebaliknya terhadap porositas dan resistivitas.

2.7. KARAKTERISASI MATERIAL