Ahda Rizqy Maulana146060200111008

Keramik

Pendahuluan

Keramik, merupakan bahan yang sudah dikenal sejak ribuan tahun lalu. Secara etimology keramik berasal dari bahasa Yunani Keramos yang berarti gerabah, Keramos juga memiliki akar kata dari Bahasa Sansakerta yang berarti terbakar atau dibakar. Secara tradisional keramik dapat diartkan sebagai tanah yang dibakar sehingga memadat dan mengeras. Namun demikian setelah berkembangnya teknologi keramik bukan hanya lagi merupakan bahan tanah liat yang dibakar sebagai bahan gerabah, namun juga dapat digunakan secara luas dalam bidang rekayasa karena memiliki sifat sifat yang unggul seperti; sangat keras, kaku, kemampuan isolasi termal dan elektrik, serta titik lebur yang sangat tinggi yaitu diatas 1500oC. Namun demikian tidak ada definisi baku tentang material keramik ini, beberapa ahli menuangkan gagasannya sebagai berikut:

1. Menurut Smith (1974) ceramic merupakan bahan yang merupakan bahan in-organik dan non-metallik. Jenis ikatan pada unsur-unsur penyusun keramik merupakan ikatan ionic atau juga ikatan kovalen. Ceramic memiliki property yang unik yaitu keras dan brittle, temperatur leleh yang tinggi (refractory), ketahanan aus yang tinggi.

2. Groveer (2002) mengatakan keramik adalah paduan inorganik yang terdiri dari unsur logam dan non-logam. Memiliki kekerasan tinggi, insulasi elektrik dan termal yang baik, tidak mempunyai keuletan, pada keramik tertentu dapat meneruskan cahaya dengan baik.

3. Menurut Qiao (2010), keramik merupakan bahan inorganik dan nonlogam, memiliki ikatan kovalen dan ionic. Konduktivitas termal dan elektrik yang buruk. Bersifat getas, keuletan dan ketangguhan yang lebih rendah dari logam. Kestabilan kimia dan temperature lebur yang sangat tinggi.

4. Keramik adalah material inorganik dan non-logam yang terbuat dari campuran unsur metal dan non-metal. Material keramik dapat berwujud crystalline atau sebagian crystalline dan sebagian lagi non-crystaline. Dibentuk dengan pemanasan dan pendinginan bertahap. Biasanya keramik bersifat kuat kaku getas tidak mudah bereaksi secara kimia, tidak menghantar panas maupun listrik. Namun demikian ada keramik yang bersifat sebagai superkonduktor. (http://en.wikipedia.org/wiki/Ceramic_materials).

Dari keempat pendapat diatas dapat disimpulkan bahwa Keramik adalah material inorganic non-logam yang terdiri dari gabungan unsur logam dan non-logam yang melalui proses pembakaran sehingga terjadi glassifikasi atau vitrification yang umumnya terjadi pada suhu yang sangat tinggi (lebih dari 1500oC). memiliki ikatan ion atau kovalen yang kuat. Tidak mudah berubah sifat fisik dan sifat mekanik sampai dengan suhu yang sangat tinggi. Sangat keras dan getas, konduktivitas termal dan listrik yang rendah, tidak mudah bereaksi kimia. Sehingga dapat

Ahda Rizqy Maulana146060200111008

disimpulkan bahwa ceramic mempunyai kestabilan sifat yang baik sampai dengan suhu yang sangat tinggi.

Keramik secara umum dapat dikategorikan sebagai dua golongan besar, yaitu : keramik tradisional dan keramik modern (rekayasa) berdasarkan berdasarkan bahan, teknologi pembuatan dan fungsinya.

Bahan Ceramic Tradisional

Clay atau tanah liat mengandung banyak mineral seperti kaolin ballclay, feldspar, dan kuarsa. Mineral mineral ini terbentuk dari pelapukan pelapukan batuan yang terjadi karena faktor-faktor alam. Oksidasi, kikisan udara dan air, juga reaksi akibat asam-asam organik yang dikeluarkan oleh mahluk hidup mengakibatkan mineral-mineral terdeposisi dalam tanah. Kumpulan deposit mineral ini terkumpul dalam tanah liat yang biasanya terdapat di dasar sungai atau danau.

Tanah liat sebagai bahan ceramic mempunyai kegunaan sebagai sumber utama aluminosilicates, yang memiliki struktur crystal berlapis-lapis yang menghasilkan partikel-partikel micro yang berbentuk plat. Jika partikel-partikel ini bercampur atau tersuspensi dengan air dapat menghasilkan campuran yang dapat mampu alir. Sifat ini memungkinkan bahan ceramic diprosses menggunakan metode slip casting dan plastic forming sehingga dapat dibentuk dengan mudah untuk menghasilkan bentuk-bentuk yang diinginkan

a. kaolin

Nama kaolin berasal dari bahasa cina, kauling yang berarti pegunungan tinggi, yaitu gunung yang terletak dekat Jakhau Cina yang tanah lempungnya sudah dimanfaatkan dalam pembuatan keramik sejak beberapa abad lalu. Kaolin adalah tanah liat putih, clay jenis ini merupakan clay yang paling penting dalam pembuatan keramik dan paling putih di antara clay lainnya, karena kandungan besinya yang paling rendah.

Gambar 1. a. serbuk kaolin, b. Struktur molekul kaolinite.

a b

Ahda Rizqy Maulana146060200111008

Sifat-sifat kaolin :

1. Tidak terlalu plastis,2. Titik leburnya 1700o C-1785o C,3. Memberi warna putih pada mass badan keramik,

Kaolin merupakan endapan dari kikisan batuan kaolinite. Rumus kimia kaolin sama dengan kaolinite yakni Al Atau biasa disebut aluminium silika hidrat. Kaolinit Al2O3.SiO2.2H2O) mempunyai perbandingan berat dari unsur-unsurnya yaitu 47% oksida silinium (SiO2), 35% oksida aluminium (Al2O3), dan 24% air. Kaolin merupakan bahan baku utama pembuatan barang keramik halus. Berdasarkan analisis kimia, analisis besar butiran dan sifat fisisnya kaolin dapat dibagi menjadi 4 kelas yaitu:

1. Kelas porselin (porcelain) adalah keramik yang memiliki toughness, strength, dan translusence yang baik, berwarna putih. Kekerasan yang tinggi membuat porselin memiliki ketahanan terhadap abrasi. proses vitrifikasi terjadi didalam kiln dengan temperatur pembakaran 1200oC – 1400oC. Sifat yang biasa dikaitkan dengan porselin diantaranya permeability dan elastisitas yang rendah, translusens, strength, toughness, resonance dan resistansi terhadap reaksi kimia serta termal-shock.

2. Kelas keramik saniter (sanitary ware), dulu dibuat dari lempung, biasanya berpori. Dibandingkan dengan porselin sanitaryware tidak memiliki permukaan yang sehalus porselin, memiliki penyerapan air kurang dari 0.5% ( Ozel, 2012). Translucency tidak sebagus porselin.

3. Kelas keramik batu (stone ware), merupakan bahan keramik tertua, pengerjaan yang kasar dan tidak teliti

4. Kelas keramik tanah (earthen ware), disebut juga barang pecah belah atau gerabah, memiliki pori-pori yang besar, permukaan yang tidak halus, pemanasan dilakukan tidak sampai mencapai vitrifikasi (http://en.wikipedia.org/wiki/Earthenware)

b. Ballclay

Merupakan clay dengan sedimen kaolinitic, umumnya terdiri dari 20-80% kaolinite, 10-25% mica, 6-65% kuarsa. Dinamakan ballclay karena dulunya ditambang menggunakan tangan dan kemudian dibentuk menjadi kubus dengan berat 15-17kg, dan selama pengangkutannya kubus-kubus ini sudutnya membulat dan meninggalkan kesan seperti bola. Ballclay biasanya berwarna abu-abu tua karena adanya karbon. Makin banyak karbon yang dikandung ballclay makin bersifat plastis. Sifat plastis ini akan memberikan pertolongan selama pembentukan, karena kuarsa dan feldspar tidak plastis.

Alasan menggunakan ballclay di dalam badan keramik adalah:

1. Meningkatnya workability masa plastis, terutama dalam proses pengeringan,

2. Meningkatnya kekuatan kering, sehingga dapat mengurangi kerugian didalam pengangkutan dan penyusunan barang setengah jadi,

Ahda Rizqy Maulana146060200111008

3. Meningkatnya fluiditas masse cor, dan

4. Mengandung bahan pelebur yang dapat membantu sintering

Tabel 1. Penyusun ballclay

Nama Rumus kimia kandungan

Silica SiO2 52% ( ± 2% )

Alumina Al2O3 30% ( ± 1% )

Ferric Oxide Fe2O3 2% ( ± 1% )

Titanium Oxide TiO2 2% ( ± 0.5% )

Manganese Oxide MnO Traces

Calcium Oxide CaO Nil

Magnesium Oxide MgO 0.25% ( ± 0.1% )

Sodium Oxide Na2O 0.5% (± 0.2% )

Potassium K2O 0.4% ( ± 0.1% )

Loss On Ignition LOI 13% ( ± 2%)

 Sumber : Shree Umiya Sales Corporation 2010

Gambar 2. Ballclay

Sifat-sifat ballclay adalah:

1. Mempunyai plastisitas tinggi,

2. Mempunyai susut kering antara 4% smpai 15%,

3. Memiliki ukuran butiran halus dari pada kaolin,

4. Penyusutan selama pengeringan dan pembakaran sebesar 20%,

5. Mempunyai kekuatan kering tinggi, dan

6. Tahan suhu bakar sampai 1500oC.

Ballclay merupakan bahan tidak murni, bercampur dengan oksida pengotor. Oleh karena itu diusahakan pemakaian clay sesedikit mungkin.

Ahda Rizqy Maulana146060200111008

c. Feldspar

Menurut Vhiteware Division of The American Ceramic Society definisi feldspar adalah suatu kelompok mineral batuan beku yang terutama terdiri dari senyawa silikat dari K, Na, dan Ca dalam mana pada umumnya satu kation basa merupakan kation utama. Rumus umum feldspar adalah K Al Si 3O8 – Na Al Si 3O8 – Ca Al 2Si2O8.

Ada tiga jenis feldspar yaitu:

1) Potash (K2O ) dengan rumus K2O. Al2O3. 6SiO2

2) Soda (Na2O ) dengan rumus Na2O. Al2O3. 6SiO2

3) Lime ( Ca2O) dengan rumus Ca2O. Al2O3. 6SiO2

Dari ketiga jenis feldspar diatas, potash paling banyak digunakan dalam pembuatan bodi keramik, K-feldspar sangat aktif melarutkan kuarsa dalam clay membentuk massa gelas yang sangat kental yang akan merekatkan bahan-bahan yang tidak larut, dan menyebabkan bodi padat, tidak tembus air dan tidak tembus cahaya. Feldspar berfungsi sebagai bahan pelebur (fluks) yang akan memberikan kemungkinan terbentuknya masse badan yang lebih padat dan rapat setelah dibakar, baik untuk komposisi badan keramik maupun untuk pembuatan glasir. Pada saat dibakar feldspar akan meleleh dan membentuk lelehan gelas yang menyebabkan partikel-partikel clay bersatu bersama. Partikel-partikel gelas ini memberikan kekerasan dan kekuatan pada masse badan keramik. K-feldspar merupakan pelebur terbaik dibandingkan Na-feldspar dan Ca-feldspar.

Gambar 3. a. batuan feldspar, b. crushed feldspar, c. powder feldspar.

K-feldspar banyak dipergunakan dalam keramik halus, feldspar jenis ini sangat aktip melarutkan bahan kuarsa dan lempung, membentuk masa gelas yang sangat kental, bila mana akan merekatkan bahan-bahan tak larut dan membuat badan padat, tidak tembus air dan tidak tembus cahaya. K-feldspar tidak segera berubah bentuk selama pembakaran bahkan diatas titik leburnya. Karena alasan ini feldspar sangat identik sebagai pelebur dalam keramik halus

a. b. c.

Ahda Rizqy Maulana146060200111008

Na-feldspar mempunyai kemampuan melarutkan sama dengan K-feldspar, tetapi sifat-sifat bahan gelas yang terbentuk tidak begitu baik. Benda (barang) Keramik yang mengandung Na-feldspar mudah mengalami perubahan bentuk dan cenderung lebih regas (brittle).

Ca-feldspar meningkatkan fluiditas bahan gelas dan menyebabkan perubahan bentuk suatu badan (barang) keramik.

Sifat-sifat feldspar adalah:

1) Tahan pada temperatur 1250oC-1280oC,

2) Sebagai bahan pelebur (fluks),

3) Tidak plastis,

4) Mengurangi susut kering dan kekuatan kering, dan

5) Merendahkan temperatur bakar dari bahan lain.

d. kuarsa

Pasir kuarsa (quartz sands) merupakan pelapukan dari batuan beku asam seperti batu granit, gneiss atau batu beku lainnya yang mengandung mineral utama kuarsa. Hasil pelapukan ini kemudian mengalami proses sedimentasi, terbawa air atau angin kemudian diendapkan di tepi-tepi sungai, danau atau pantai. Karena jumlahnya yang cukup besar dan terlihat memutih di sepanjang tepi sungai, danau atau pantai tersebut, maka di Indonesia lebih dikenal dengan nama pasir putih. Mineral ini memiliki struktur kristal heksagonal yang terbuat dari silika trigonal terkristalisasi (silikon dioksida, SiO2), dengan skala kekerasan Mohs 7 dan densitas 2,65 g/cm³. Bentuk umum kuarsa adalah prisma segienam yang memiliki ujung piramida segi enam.

Gambar 4. a. dan b. batuan kuarsa, c. quartz powder

Fungsi kuarsa di dalam pembuatan keramik adalah :

1) Tidak mengurangi keplastisan dan penyusutan pada bodi keramik,

2) Mengurangi susut kering dan susut bakar dari tanah liat,

a. b. c.

Ahda Rizqy Maulana146060200111008

3) Memudahkan air untuk menguap sewaktu proses pengeringan dan proses pembakaran,

4) Memberi sifat kuat pada barang-barang yang dibuat dan dapat mencegah perubahan bentuk pada waktu dibakar, dan

5) Dapat mengurangi daya memuai dari benda yang sudah jadi.

Proses Manufaktur Keramik

Keramik tradisional dan keramik modern memiliki bahan baku yang berbeda. Perbedaan ini terletak pada tingkat kemurnian bahan bakunya. Jika keramik tradisional dibuat dari mineral yang didapat dari bahan galian, keramik modern dibuat dari sintesis bahan kimia seperti serbuk alumina, serbuk silicon karbida, serta senyawa karbida atau oksida lainnya yang memiliki kemurnian yang tinggi. Adapun untuk melakukan proses manufaktur keramik dilakukan tahapan tahapan sebagai berikut.

a. BlendingBahan baku untuk mendapatkan campuran bahan yang baik maka dibutuhkan keseragaman campuran bahan bahan penyusunnya. Semakin kecil ukuran partikel penyusun tersebut maka campuran homogeny akan semakin mudah tercapai. Oleh karenanya dibutuhkan proses penggilingan secara mekanik guna mendapatkan ukuran partikel yang halus.

Gambar 5. Proses Blending: a. Jaw crusher, b. gyratory crusher, c. roll crusher, d. hammer mill

Ahda Rizqy Maulana146060200111008

Gambar 6. Pembuatan serbuk keramik : a. ball mill, b. roller mill, c. impact grinding

b. MixingProses mixing adalah pencampuran bahan bahan pembentuk badan keramik. Setelah didapatkan ukuran partikulat yang halus maka semua bahan-bahan pembentuk dan pengikat dicampur dengan komposisi tertentu. Proses mixing atau pengadukan dapat dilakukan pada kondisi basah maupun kering. Lama pengadukan dan perbandingan komposisi serta bahan pengikat akan menentukan keseragaman bahan keramik.

Gambar 7. a. pug mixer b. ribbon mixer c. Mueller mixer

c. Pencetakan Setelah bahan baku badan keramik didapatkan maka dilakukan pembentukan untuk mendapatkan bentuk keramik yang diinginkan ada beberapa proses yang dapat dilakukan untuk mencetak green ceramic diantaranya :1) Slip casting

Bahan yang digunakan pada slip casting berupa slurry yaitu campuran serbuk keramik dan air yang cukup encer ( 25%-40% air) sehingga dapat dialirkan dalam cetakan. Ada dua macam slip casting yaitu proses drain dan proses solidPada proses drain slurry dituangkan dalam cetakan sampai membentuk lapisan semi padat sehingga kelebihan slurry dapat dibuang dan benda yang dihasilkan merupakan benda berrongga.Sedangkan pada proses solid slurry dituang dan dibiarkan sampai memadat.

Ahda Rizqy Maulana146060200111008

Gambar 8. Proses drain slip casting.2) Plastic Forming

Untuk melakukan proses plastic forming ada syarat yang harus dipenuhi terkait dengan kebasahan slurry. Konsistensi plastisitas mutlak harus dimiliki dengan kandungan air 15%-25%. Proses plastis dapat dilakukan secara manual maupun dengan mesin. Proses plastic forming diantaranya adalah: hand modelling, jiggering, plastic pressing, dan extrusi.

Hand modellingProses pembentukan secara manual menggunakan tangan sehingga diperoleh bentuk yang diinginkan. Cetakan biasanya digunakan untuk memperoleh bentuk bentuk rumit dan konsistensi bentuk benda kerja. Untuk mendapatkan benda yang berbentuk simetri putar maka alat bantu diperlukan seperti pottery wheel.

JiggeringProses ini digunakan untuk mendapatkan badan keramik yang berupa simetri putar seperti pada pottery wheel, tetapi tidak dengan tenaga manusia melainkan mesin.

Gambar 9. Proses jiggering

Plastic pressing

Ahda Rizqy Maulana146060200111008

Proses ini menggunakan dies untuk memperoleh bentuk badan keramik. Pada prinsipnya slurry diletakkan diantara dua buah cetakan, kemudian dilakukan penekanan sehingga slurry terdorong untuk memasuki rongga dies.

EkstrusiUntuk memperoleh bentuk panjang yang sama maka dilakukan proses ekstrusi. Bentuk badan keramik akan ditentukan oleh geometri ekstruder.

Gambar 10. Proses ekstrusi keramik

3) Semi Dry Pressing.

Gambar 11. Proses Semi-Dry Pressing.

Proses semi-dry pressing dilakukan dengan starting material yang memiliki kelembaban 10-15%. Gaya penekanan yang diberikan lebih besar dibandinkan dengan proses sebelumnya karena dengan kandungan air yang rendah menimbulkan tegangan alir yang lebih besar untuk membuat slurry mampu mengisi celah cetakan.

4) Dry Pressing.Proses dry pressing dilakukan pada badan keramik dengan kandungan air yang sangat rendah yaitu kurang dari 5%. Tahapan proses sama dengan proses semi dry, namun

Ahda Rizqy Maulana146060200111008

membutuhkan tekanan yang jauh lebih tinggi, oleh karena itu bahan dies harus terbuat dari bahan yang sangat keras dikarenakan powder ceramic sangat abrasive selain itu tekanan yang tinggi dapat menimbulkan kerusakan pada dies. Pada proses ini tidak terjadi penyusutan karena jumlah air yang terbuang sangat sedikit.

Gambar 12. Penggolongan pembentukan keramik berdasarkan kadar kelembaban

d. PengeringanSebelum dilakukan proses pembakaran kandungan kelembaban dalam badan keramik harus dibuang dengan tujuan mencegah kerusakan. Pengeringan dilakukan dengan carami dengan cara alami seperti dijemur atau pengeringan paksa

Pengeringan alami dilakukan dengan membiarkan keramik untuk mengering dengan sendirinya pada suhu kamar atau dapat juga dibantu dengan dijemur

Pengeringan buatan dilakukan dengan meletakkan keramik pada alat pengering. Keramik diletakkan dalam rak-rak dalam ruangan tertutup yang kemudian ditiupkan udara panas dengan suhu tertentu

Proses pengeringan harus dilakukan dengan hati-hati dengan menjaga keseimbangan laju pengeringan dan waktu pengeringan, kesalahan pengeringan dapat mengakibatkan penyusutan yang berbeda, wrapping, dan distorsi.

Gambar 13. Proses pengeringan

Ahda Rizqy Maulana146060200111008

e. Pembakaran.Proses terakhir adalah pembakaran. Proses ini bertujuan untuk mengubah green ceramic menjadi keramik sehingga terjadi proses penggelasan atau vetrifikasi. Dengan proses pembakaran partikel partikel keramik akan saling berikatan sehingga terbentuk material keramik yang keras.

Gambar 14. Perbedaan partikel green ceramic dan sintered ceramic

Proses pembakaran berlangsung didalam tungku refractory (furnace). Furnace merupakan satu alat utama dalam proses pembuatan keramik, agar proses glassisasi atau vetrifikasi dapat terjadi dibutuhkan pemanasan dengan suhu yang tinggi. Terdapat berbagai macam tipe furnaceBerdasarkan sumber panas yang digunakan furnace dibagi menjadi

▪ Combustion▪ Resistive▪ Microwave, radiofrequency (RF), or infrared(IR)/visible light

Gambar 15. a. Batch furnace elektrik dengan kapasitas kecil, b. batch furnace kapasitas besar dengan

bahan bakar gas.

Berdasarkan kontinuitas proses tungku dibagi menjadi dua, yaitu :

1) Periodic atau batch furnace

Ahda Rizqy Maulana146060200111008

Batch operation. Pada gambar 15.a menunjukkan contoh batch furnace dengan resistansi arus listrik sebagai sumber panas. Furnace jenis ini dapat mencapai suhu 1800oC dan didesain untuk beroperasi dengan atmosfer udara. Biasanya batch furnace beroperasi dengan cara memasukkan green ceramic pada temperatur ruang, dilanjutkan dengan pemanasan sampai mencapai suhu yang dikehendaki, penahanan temperature dengan waktu tertentu, kemudian didinginkan kembali sampai temperature ruang. Pada beberapa kasus proses memasukkan green ceramic dan mengeluarkan keramik dilakukan pada suhu tinggi, misalnya jika bahan kemramik berupa serbuk. Namun pada kasus lain dimana bahan keramik akan mengalami konsolidasi dengan besar cara ini dapat menimbulkan kerusakan akibat thermal shock. Batch furnace memiliki keunggulan dalam kemudahan operasinya dan juga fleksibel.

2) Continuous furnace.Gambar 16 menunjukkan sebuah continuous furnace skala industri. Furnace jenis ini sangat cocok digunakan untuk melakukan produksi secara massal seperti pada pembuatan barang pecah belah, ubin keramik atau genteng, atau pada keramik rekayasa seperti kapasitor atau multilayer chip maupun bearing keramik. Pada furnace jenis ini terdapat pembagian daerah berdasarkan suhu. Tiap tiap daerah tersebut memiliki temperatur yang terkontrol dan dikondisikan cendreung tetap. Green keramik secara bertahap akan digerakkan melalui ruangan ruangan pembakaran tersebut. Proses pembakaran menggunakan continuous furnace memiliki kelebihan waktu proses yang lebih cepat, hasil pembakaran yang seragam dan kapasitas yang sangat besar. Namun demikian pengendalian temperature masing masing bagian ruang harus dilakukan dengan cermat.

Gambar 16. Continuous furnace skala besar.

Ahda Rizqy Maulana146060200111008