3.3 Hasil dan Pembahasan
3.3.3 Analisis Ukuran Kristalit Biokomposit MgZn-xHAp
Ukuran kristalit akan menentukan ukuran butir pada mikrostruktur. Ukuran kristalit yang semakin kecil akan menghasilkan ukuran butir yang semakin kecil juga. Oleh karena itu dapat dikatakan bahwa ukuran kritalit juga sangat berhubungan dengan sifat mekanik dari suatu bahan sebagaimana dijelaskan dalam Persamaan 1. Ukuran kristalit biokomposit MgZn-xHAp juga dihitung dengan metode analisis regresi linear pada Persamaan 3 dan 4. Hasil perhitungan ukuran kristalit yang disajikan pada Tabel 3 menunjukkan bahwa kehadiran HAp dalam paduan dapat menghasilkan ukuran kristalit yang lebih kecil dibandingkan dengan ukuran kristalit paduan MgZn. Hasil ini menunjukkan bahwa HAp dapat membatasi proses rekristalisasi akibat perlakuan panas pada bahan sehingga menghasilkan ukuran kristalit yang lebih kecil. Gambar 22 menunjukkan bahwa komposisi HAp yang semakin besar menghasilkan ukuran kristalit yang semakin kecil untuk perlakuan panas yang sama. Khanra et al 2010 dan Khalil 2012 juga melaporkan hasil yang sama ketika mengkompositkan Mg dengan HAp dalam penelitian mereka sebagaimana ditampilkan dalam Gambar 23. Berdasarkan hasil ini dapat dikatakan bahwa HAp merupakan refiner yang baik bagi paduan Mg. Secara teoritis diketahui bahwa ukuran butir yang semakin kecil menghasilkan nilai Yield Strength yang semakin besar. Dengan demikian dapat diprediksi bahwa biokomposit MgZn-xHAp memiliki nilai Yield Strength yang lebih baik dari paduan MgZn.
Gambar 23 Pengaruh HAp terhadap ukuran kristalit biokmposit MgZn-xHAp Tabel 3 Perhitungan ukuran kristalit Biokomposit MgZn-xHAp
Perlakuan Titik Potong kλ/D D (Å) D (nm)
MgZn-0%HAp -5.879 0.0028 490.08 49.01 MgZn-5%HAp -5.7188 0.0033 417.54 41.75 MgZn-7%HAp -5.6228 0.0036 379.32 37.93 MgZn-9%HAp -5.4659 0.0042 324.24 32.42
24
Gambar 24 Pengaruh HAp terhadap ukuran butir/ukuran kristal komposit Mg-HAp hasil penelitian (a) Khalil 2012; (b) Khanra 2010.
3.4 Simpulan
Biokomposit MgZn-xHAp telah berhasil disintesis dengan proses sintering pada suhu 350 oC, penahanan 1 jam. Penambahan Hidroksiapatit (HAp) ke dalam paduan MgZn berpengaruh terhadap ukuran kristalit biokomposit yang dihasilkan dimana semakin besar komposisi HAp yang ditambahkan maka ukuran kristalit biokomposit semakin kecil.
4 PENGUJIAN KOROSI PADUAN MgZn dan BIOKOMPOSIT MgZn-xHAp
4.1 Pendahuluan
Korosi dapat didefinisikan sebagai reaksi suatu kontruksi material dengan lingkungannya sehingga menyebabkan kerusakan pada material tersebut (Shreir et al,2000). Proses korosi segera terjadi pada sisi permukaan yang memiliki beda potensial, yang terbentuk ketika proses sintesa bahan, misalnya adanya variasi fasa, batas butir, ketidakmurnian bahan dan lain sebagainya (Nasution dan Hermawan 2016).
Misalkan suatu logam divalent M berada dalam lingkungan basah yang mengandung oksigen, maka proses korosinya dapat digambarkan seperti skema pada Gambar 24. Proses korosi secara umum dapat dijelaskan dengan proses reduksi oksidasi (redoks) dimana proses oksidasi terjadi pada reaksi anodik sedangkan proses reduksi terjadi pada reaksi katodik. Pada reaksi anodik, logam akan terurai dan mentransfer ion M2+ ke dalam larutan sedangkan 2e- akan dihantarkan ke daerah katodik melalui logam dan digunakan dalam reaksi katodik. Reaksi katodik menghasilkan 2OH- dan akan berikatan dengan M2+ di dalam
25 larutan sehingga membentuk M(OH)2 (Bardal 2003). Hidroksida hasil reaksi kemudian akan terdeposisi pada permukaan logam dan melidungi logam dari proses korosi lebih lanjut (Chen et al 2014). Bila larutan yang digunakan mengandung elektrolit maka katoda dan anoda akan terhubung layaknya suatu rangkaian listrik tertutup. Proses korosi seperti ini disebut korosi basah (wet corrosion) dengan mekanisme elektrokimia.
Gambar 25 Skema proses korosi suatu logam (Bardal 2003)
Laju korosi suatu material perlu diukur untuk dapat disesuaikan dengan pengaplikasiannya. Metode yang umum digunakan untuk mengukur laju korosi dikategorikan menjadi dua yaitu Metode polarisasi dan metode non terpolarisasi. Perbedaan kedua metode ini terletak pada gaya penggeraknya yaitu polarisasi elektrokimia yang digunakan selama pengujian (Kirkland et al 2015; Sanchez et al 2015). Metode polarisasi terdiri dari dua metode yaitu Polarisasi Potensiodinamik (PDP) dan Spektroskopi impedansi elektrokimia(EIS) sedangkan metode non polarisasi terdiri dari tiga metode yaitu Massa Hilang (Mass Loss), Evolusi hidrogen dan kontrol pH. Metode pengukuran korosi yang digunakan pada penelitian ini adalah metode PDP.
Pengukuran laju korosi dengan polarisasi potensiodinamik dilakukan dengan menggunakan potensiostat. Potensiostat terdiri dari tiga elektroda yaitu elektroda kerja (W), elektroda penghitung (C) dan elektroda referensi (R). Elektroda referensi terhubung dengan elektroda kerja secara elektrolit menggunakan jembatan garam seperti yang ditunjukkan pada Gambar 25. Potensial pada potensiostat dijaga konstan sehingga arus yang direspon oleh elektroda penghitung merupakan arus hasil beda potensial yang dihasilkan oleh elektroda kerja (hasil reaksi anodik). Respon yang dihasilkan oleh elektroda kerja ditampilkan pada Gambar 26. Garis utuh menunjukkan kelebihan tegangan pada reaksi anodik (A) dan katodik (B) yang diperoleh dari Persamaan Tafel. Perpotongan kedua garis Tafel ini menunjukkan Potensial korosi. Garis putus-putus menunjukkan kurva polarisasi Anodik (A) dan kurva polarisasi katodik (B).
26
Gambar 26 Diagram pengukuran laju korosi dengan potensiostat (Bardal,2003)
Gambar 27 Kurva respon pada elektroda kerja saat pengukuran laju korosi (Bardal,2003)
Laju korosi bahan dihitung dengan Persamaan Faraday
(5)
dengan adalah Laju korosi dalam mils /tahun (mpy) , K = 0,129 mils g/ µA cm tahun, Icorr menunjukkan rapat arus korosi yang diperoleh dari ekstrapolasi Tafel
27 dalam µA/ cm2, EW merupakan berat ekivalen dari logam, ρ adalah massa jenis bahan yang diuji dalam g / cm3 (ASTM G 102).
4.2 Metode Penelitian
Paduan MgZn dan biokomposit MgZn-xHAp dibersihkan dengan proses poles dan kemudian dimasukkan ke dalam peralatan potensiostat yang telah diisi larutan uji pada suhu ruang. Larutan uji yang digunakan ada 3 jenis yaitu NaCl 0,9%, Ringer laktat dan Aquadest. Komposisi dan kandungan ion masing-masing larutan diberikan pada Tabel 4 dan Tabel 5. Potensiostat pengukur menggunakan karbon rood sebagai elektroda penghitung dan kalomel sebagai elektroda perekomendasi. Laju korosi dikalkulasi dari arus korosi (Icorr) yang diperoleh dari kurva polarisasi menggunakan ekstrapolasi Tafel.
Tabel 5 Komposisi Kimia dalam larutan uji
Komposisi kimia Ringer Laktat NaCl 0,9%
Natrium Laktat (C3H5NaO3) 1,55 g -
Natrium Klorida (NaCl) 3,0 g 4,5 g
Kalium Klorida (KCl) 0,15 g -
Kalsium Klorida (CaCl2.2H2O) 0,1 g -
Air Injeksi 500 ml 500 ml
Osmolaritas 274 mOsm/l 308 mOsm/l
Tabel 4 Kandungan Ion dalam larutan Uji
Ion Ringer Laktat NaCl 0,9%
Na+ 130 mEq/l 154 mEq/l
K+ 4 mEq/l -
Laktat (HCO3-) 27,5 mEq/l -
Cl- 109,5 mEq/l 154 mEq/l
28
4.3 Hasil dan Pembahasan
Sifat korosi dari bahan diukur dengan potensiodinamik polarisasi pada larutan NaCl 0,9%, Ringer laktat dan aquadest, ketiga jenis larutan ini mewakili cairan tubuh manusia. Reaksi korosi yang terjadi disetiap larutan dinyatakan dalam Persamaan 6 dan Persamaan 7
(6)
(7)
Senyawa hasil korosi yang dihasilkan pada pengujian paduan MgZn dan biokomposit MgZn-xHAp adalah , , dan . Laju korosi yang terukur mengindikasikan banyaknya logam Mg yang telah diubah menjadi
dan dalam jangka waktu tertentu.
Parameter elektrokimia yang diperoleh dari uji polarisasi ditampilkan pada Tabel 6. Rapat arus korosi pada larutan NaCl memiliki nilai yang lebih besar dibandingkan pada larutan uji lainnya. Hal ini terjadi karena konsentrasi ionnya lebih besar dibandingkan dengan larutan lainnya (Tabel 5). Ion–ion dalam larutan akan bertindak sebagai penghantar yang menghubungkan elektroda penghitung dengan elektroda kerja (Gambar 25), semakin tinggi konsentrasi ion pada larutan maka daya hantar arus semakin besar dengan demikian akan diperoleh arus korosi yang lebih besar juga. Rapat arus korosi (Icoor) pada Tabel 6 cenderung menurun dengan bertambahnya elemen yang ditambahkan pada matriks Mg dan kecenderungan ini terjadi disemua larutan uji. Penurunan Icoor ini diakibatkan oleh Zn dan HAp yang menempati batas butir di dalam mikrostrukturnya dimana batas butir ini merupakan bagian yang paling cepat mengalami proses korosi di dalam suatu bahan (Shreir et al,2000). Jika batas butir ini diisi oleh elemen lain yang memiliki ketahanan korosi yang baik maka jumlah elektron yang terlepas dari matriks logam pada proses anodik akan lebih kecil dibandingkan jumlah elektron yang terlepas dari batas butir yang tidak terisi oleh suatu elemen lain. Zn dan HAp adalah elemen yang ketahanan korosinya lebih baik dibandingkan dengan Mg.
Tabel 6 Parameter elektrokimia polarisasi
Sampel E coor (mV) I coor (µA/cm
2)
Aquadest NaCl RL Aquadest NaCl RL
SS-316L -261,12 -226,12 -268,05 0,08 0,16 0,18 Mg -1480,09 -1639,3 -1660,4 0,71 2,87 1,13 MgZn -1452,34 -1617,5 -1606,8 0,46 1,24 0,8 MgZn-5HAp -1494,17 -1616,9 -1599,1 0,32 0,59 0,61 MgZn-7HAp -933,83 -1059,5 -1590,2 0,15 0,36 0,25 MgZn-9HAp -1425,33 -794,03 -1593,7 0,19 0,3 0,13
29 Laju korosi dihitung dengan menggunakan Persamaan 5. Nilai massa jenis, berat ekivalen dan laju korosi masing-masing bahan ditampilkan pada Tabel 7. Laju korosi paduan MgZn hasil sintering menggunakan Furnace ditunjukkan pada Gambar 27 dan MgZn hasil sintering APS pada Gambar 28. Kedua hasil paduan menunjukkan nilai laju korosi yang lebih kecil dibandingkan dengan Mg murni, dari hasil ini dengan jelas diketahui bahwa kehadiran Zn dalam matriks Mg dapat meningkatkan ketahanan korosi Mg. Jika nilai laju korosi kedua hasil paduan dibandingkan maka didapati bahwa paduan MgZn hasil sintering APS memiliki laju korosi yang lebih rendah dibandingkan dengan MgZn hasil sintering menggunakan Furnace untuk semua larutan. Laju korosi berkaitan dengan tingkat kelarutan Zn dalam matriks Mg dimana sintering menggunakan APS melarutkan lebih banyak Zn ke dalam Mg sebagaimana telah dibahas dalam Bab 2. Semakin banyak Zn yang terlarut dalam Mg maka laju korosinya juga semakin kecil. Hal ini diakibatkan oleh Zn yang memiliki potensial oksidasi yang lebih kecil dibandingkan dengan Mg (Ebbing dan Gammon 2009) sehingga lebih tahan korosi dibandingkan Mg.
Laju korosi biokomposit MgZn-xHAp ditampilkan pada Gambar 29. Hasil laju korosi biokomposit disemua larutan uji menunjukkan kecenderungan yang sama yaitu semakin besar persentasi HAp yang ditambahkan semakin kecil nilai laju korosinya, artinya penambahan HAp ke dalam bahan implan dapat meningkatkan ketahanan korosi bahan tersebut. Penurunan laju korosi ini diakibatkan oleh HAp yang bersifat isolator menempati batas butir dalam mikrostrukturnya sehingga memperkecil luas permukaan logam yang terpapar larutan dan mengurangi arus korosi Mg. Nasution dan Hermawan 2016 mengatakan bahwa rekayasa mikrostruktur dan ukuran butir dapat meningkatkan ketahanan korosi Mg, oleh karena itu ukuran kristalit yang makin kecil akibat kehadiran HAp juga menjadi faktor yang menyebabkan laju korosi yang semakin mengecil juga.
Nilai laju korosi paduan MgZn dan biokomposit MgZn-xHAp paling tinggi pada larutan NaCl 0,9% diikuti oleh Ringer Laktat dan yang paling rendah pada aquadest. Hal ini dipengaruhi oleh konsentrasi elektrolit yang terkandung di dalam larutan NaCl lebih tinggi (154 mEq/l) dibandingkan pada Ringer laktat (137 mEq/l). Elektrolit ini akan membuat daerah anodik (elektroda kerja) terhubung dengan daerah katodik (elektroda pengukur) pada Gambar 24 menyerupai rangkaian listrik tertutup sehingga laju arus korosi makin tinggi. Arus korosi lebih tinggi menyebabkan rapat arus lebih besar dan menghasilkan laju korosi yang lebih tinggi juga sesuai dengan Persamaan 5. Nilai laju korosi Biokomposit MgZn-9HAp masih lebih besar dibandingkan dengan laju korosi SS 316L, oleh karena itu dapat dikatakan bahwa biokomposit MgZn-9HAp masih bersifat biodegradable.
30
Gambar 28 Laju korosi paduan MgZn hasil sintering dengan Furnace
Gambar 29 Laju korosi paduan MgZn hasil sintering dengan APS Tabel 7 Laju korosi biokomposit MgZn-xHAp di dalam larutan uji
Sampel Massa Jenis
(g/cm3)
Berat Ekivalen
Laju korosi (mpy)
Aquadest NaCl RL SS-316L 7,9800 25,5 0,0333 0,066 0,0783 Mg 1,7400 12,156 0,6494 2,6102 1,0291 MgZn (APS) 1,8227 13,39 0,0748 0,5329 0,741 MgZn 1,8227 13,39 0,4399 1,1847 0,7679 MgZn-5HAp 1,8621 13,39 0,2978 0,5631 0,5741 MgZn-7HAp 1,8783 13,39 0,144 0,3325 0,2281 MgZn-9HAp 1,8949 13,39 0,174 0,279 0,1222
31
Gambar 30 Laju korosi Biokomposit MgZn-xHAp hasil sintering dengan Furnace
4.4 Simpulan
Pengujian korosi dengan menggunakan potensiostat menunjukkan bahwa bahan implan paduan MgZn dan biokomposit MgZn-xHAp bersifat degradable dengan laju korosi yang masih lebih tinggi dibandingkan dengan SS 316L sebagai kontrol. Biokomposit MgZn-xHAp di semua larutan uji memiliki ketahanan korosi yang lebih baik dari MgZn maupun Mg ditunjukkan dengan nilai laju korosi yang lebih kecil. Ketahanan korosi bahan implan biokomposit MgZn-xHAp di semua larutan uji semakin meningkat dengan meningkatnya komposisi HAp di dalam bahan. Laju korosi paling besar terjadi pada larutan NaCl 0,9% untuk semua komposisi dan laju korosi paling kecil adalah pada MgZn-9HAp untuk semua larutan uji.
5 PEMBAHASAN UMUM
Upaya untuk mendapatkan suatu implan tulang biodegradable yang unggul dalam sifat mekanik dan ketahanan korosi masih terus dilakukan oleh para peneliti. Magnesium menjadi salah satu logam yang sedang marak dikembangkan dalam 15 tahun belakangan ini. Berbagai metode dilakukan untuk meningkatkan ketahanan korosi Mg yaitu dengan memadukannya dengan elemen lain,
32
mengcoating dengan bahan biokeramik dan salah satu yang dikembangkan pada penelitian ini adalah dengan mengkompositkan paduan MgZn dengan HAp.
Proses komposit dilakukan dengan proses sintering. Metode ini mudah dan cepat dalam perlakuan untuk membentuk paduan Mg karena didukung oleh titik leleh magnesium yang rendah. Perlakuan suhu dalam proses sintering dapat mempengaruhi mikrostruktur paduan yang dihasilkan. Hal ini terlihat jelas pada paduan MgZn yang dihasilkan dengan proses sintering menggunakan APS dan Furnace. Sintering menggunakan APS memberikan perlakuan panas yang lebih tinggi dibandingkan dengan Furnace sehingga menghasilkan dendrit di dalam mikrostuktur paduannya. Dendrit ini diperoleh dari Zn yang meleleh saat proses sintering dan membeku kembali membentuk dendrit pada proses pendinginan. Ditinjau dari kelarutan Zn, didapati bahwa sintering dengan APS dapat melarutkan lebih banyak Zn ke dalam matriks Mg, hal ini dapat dilihat dari posisi pucak Mg yang bergeser lebih kanan pada pola XRD yang dihasilkan sebagaimana telah dijelaskan dalam Bab 2. Tingkat kelarutan Zn akan berpengaruh terhadap ketahanan korosi paduan MgZn dimana semakin banyak Zn yang terlarut dalam matriks Mg maka ketahanan korosinya juga semakin meningkat. Hal ini terkonfirmasi dalam penelitian ini. Dari data pengukuran laju korosi diperoleh laju korosi paduan MgZn hasil sintering APS lebih kecil dibandingkan dengan paduan MgZn hasil sintering Furnace untuk semua larutan yang secara detail dapat dilihat pada Bab 4.
Batas kelaruan Zn di dalam Mg adalah 6,2% massa atau 0,024 fraksi mol pada suhu sintering 340 oC (Gambar 1). Memadukan 6% Zn ke dalam Mg dengan suhu sintering 350 oC akan menghasilkan paduan berupa larutan padat tanpa menghasilkan presipitat fasa MgZn lainnya dalam mikrostruktur, karena jumlah Zn yang diberikan masih dibawah batas kelarutan. Hal ini terkonfirmasi dalam penelitian ini, dimana dari hasil identifikasi fasa menggunakan software high score plus diketahui bahwa fasa yang ada pada paduan MgZn baik hasil sintering menggunakan APS maupun sintering menggunakan Furnace hanya terdiri dari fasa Mg dan fasa Zn dan tidak ada fasa lain yg teridentifikasi, secara detail telah dijelaskan dalam Bab 2.
HAp adalah bahan keramik biodegradable yang merupakan kelompok mineral dalam tulang. Penambahan HAp ke dalam bahan dapat meningkatkan ketahanan korosi bahan implan yang dihasilkan. Peningkatan ketahanan korosi ini di sebabkan oleh dua hal, yang pertama HAp bersifat isolator sehingga dapat memperkecil luas permukaan logam yang terpapar dengan larutan uji (memperkecil reaksi anodik). Sebagaimana telah dibahas dalam Bab 3 bahwa HAp menempati batas-batas butir dalam mikrostruktur bahan implan dimana batas butir ini adalah bagian yang paling cepat korosi di dalam bahan oleh karena itu ketika HAp berada pada posisi tersebut otomatis akan memperkecil laju korosi yang dihasilkan. Yang kedua adalah keberadaan HAp menghasilkan ukuran kristalit yang lebih kecil. Sun T et al 2013 dan Hallem et al 2014 dalam penelitian mereka mendapati bahwa ukuran kristalit berpengaruh terhadap laju korosi dimana ukuran kristalit yang semakin kecil menghasilkan ketahanan korosi yang semakin baik. Pada penelitian ini diperoleh ukuran kristalit semakin kecil dengan bertambahnya HAp dalam bahan maka dengan demikian ketahanan korosinya juga akan meningkat dengan bertambahnya HAp dalam bahan.
33
6 SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Paduan MgZn telah berhasil disintesis dengan proses sintering menggunakan Furnace maupun APS. Proses sintering menggunakan APS menghasilkan paduan MgZn yang lebih baik dibandingkan dengan hasil sintering menggunakan Furnace karena dapat melarutkan Zn lebih banyak kedalam matriks Mg. Biokomposit MgZn-xHAp juga telah berhasil disintesis dengan proses sintering pada suhu 350oC dan penahanan 1 jam. Hasil karakterisasi biokomposit MgZn-xHAp menggunakan XRD dan SEM/EDS menunjukkan bahwa dengan paduan MgZn tetap terbentuk pada proses sintering meskipun telah ditambahkan dengan hidroksiapatit. Hal ini merupakan informasi baru dalam proses rekayasa bahan magnesium. Kehadiran HAp dalam bahan menghasilkan ukuran kristalit yang semakin kecil dengan bertambahnya komposisi HAp dalam bahan.
Hasil pengujian korosi biokomposit MgZn-xHAp di 3 larutan yang mewakili cairan tubuh menunjukkan nilai yang cukup baik. Nilai di semua larutan masih lebih besar dari laju korosi SS 316L yang digunakan sebagai kontrol namun masih dibawah nilai laju korosi maksimum yang diizinkan dalam bidang biodegradable. Hal ini menunjukkan bahwa Biokomposit MgZn-xHAp masih bersifat biodegradable. Komposisi HAP dalam mempengaruhi laju korosi bahan tersebut dimana semakin besar komposisi HAP dalam bahan semakin kecil laju korosi yang dihasilkan. Biokomposit MgZn-xHAp memiliki sifat ketahanan korosi yang lebih baik dibandingkan dengan MgZn. Laju korosi biokomposit yang paling kecil adalah pada komposisi HAp 9% yaitu 0,174 mpy di aquadest, 0,279 mpy di NaCl 0,9% dan 0,1222 mpy di Ringer laktat. Nilai ini masih lebih besar dari nilai laju korosi SS 316L yaitu 0,0333 mpy di aquadest, 0,066 mpy di NaCl 0,9% dan 0,0783 mpy di Ringer laktat.
Saran
Penelitian ini masih terbatas pada karakterisasi pembuatan bahan dan uji korosi bahan namun belum teruji secara in vitro maupun in vivo sebagai bahan implan tulang. Oleh karena itu diharapkan ada pengujian lebih lajut secara in vitro untuk melihat sifat sitotoksisitas bahan dan secara in vivo untuk melihat sifat bioaktifitas dan biokompatibel bahan implan tulang biokomposit MgZn-xHAp.
34