Serpong,
20 -21 Oktober 1998
ISSN1410-2897
PEMBUATAN KERAMIK
ALPHA-ALUMINA
DENGAN PROSES SOL-GEL
S3b
A. Sitompull, S. Pumama I, Sudirman I, Anik Sunami 2
I Pusat Penelitian Sains Materi, BATAN 2 Pusat Aplikasi dan lradiasi Radioisotop, BATAN
ABSTRAK
PEMBUATAN KERAMIK ALPHA-ALUMINA DENGAN PROSES SOL-GEL. Salah satu proses terbaru untuk pembuatan bahan keramik oksida logam adalah dengan proses sol-gel. Pada penelitian ini dibuat bahan keramik aluminium oksida, corundum (a-AlzOJ dengan proses sol-gel menggunakan prekursor aluminium tri-tert butoxide (ATB) dan aluminium tri-sec butoxide (ASB). Kedua jenis prekursor tersebut dihidrolisa dengan perbandingan 100 mol air untuk setiap mol bahan prekursor. Peptisasi dilakukan dengan memvariasikan jumlah katalis HCI untuk ATB dan HNO] untuk ASB. Gel yang terjadi dipanaskan pada beberapa temperatur : 300, 700, 1100, dan 1300.C selama I jam. Hasil proses hidrolisa dan polimerisasi yang diamati dengan spektroskopi sinar infra merah terlihat dengan adanya ikatan AI-OH pada 1070 cm-1 dan keberadaan puncak-puncak karakteristik rasa y-AIOOH pada : 474, 632, 742, dan 1070 cm-l. Transformasi rasa pada proses pirolisa yang akhirnya membentuk rasa a-AlIa] ditunjukkan oleh puncak-puncak 844, 642, 586 dan 446 cm-l- Hasil karakterisasi difraksi sinar-x memperkuat analisis di atas. Gel kering yang terbentuk adalah alumina hidroksida, boehmite (y-AlOOH) yang mengalami transformasi rasa menjadi y-AIZO]' 8-AIZO] dan akhirnya menjadi a-AlIa] pada temperatur 1300 "C. Struktur mikro alumina hidroksida ditandai dengan kantung-kantung air atau sisa senyawa organik dan menjadi pori-pori yang halus pada rasa a-AlIa]. Densitas rasa a-AlIa) tertinggi diperoleh sebesar 3,52 g/cm] untuk perkursor ATB dengan jumlah katalis 0,105 mol HCI, dan 3,73 g/cm] untuk prekursor ASB dengan jumlah katalis 0,2 mol HNO]
ABSTRACT
SYNTHESIS ALPHA-ALUMINA CERAMIC BY SOL-GEL PROCESS. One of the newest process to synthesis metal oxide ceramic is the sol-gel process. In this research, aluminum oxide or corundum (a-AlzO3) has been made by sol-gel process using aluminum tri-tert butoxide (ATB) and aluminum tri-sec butoxide (ASB) precursors. The two precursors were hydrolyzed with IOO-mole water/mole precursor and peptized with several number variation of catalyst HCI for ATB and HNO3 for ASB. The gel formed was pirolized at several temperatures: 300, 700, 1100 and 1300 "C for I hour. Hydrolysis and polymerization process which are detected by Infrared Spectroscopy showed AI-OH bending at 1070 cm.1 and peaks characteristic ofy-AIOOH phase at 474, 632,742, and 1070 cm-1 and also the peaks characteristic of the a-AlzO3 phase at 844, 642, 586 and 446 cm-l. The X-ray diffraction data supported above argument, the dried gel is hydroxide alumina phase, boehmite (y-AIOOH) which transformed to y-AlzO3' 9-AlZO3 and a-AlzO3 at 1300 .C. The microstructure of hydroxide alumina consist of water and organic compound and become fine pores at the a-AlzO3 phase. The highest density of the a-AlzO3 phase is 3.52 g/cm3 for ATB precursor with 0.105 mole HCI, and 3.73 g/cm3 for ASB precursor with 0.2 mole HNO3.
PENDAHULUAN
Pembuatan bentuk padat bahan kerarnik densitas tinggi melalui proses metalurgi serbuk konvensional
adalah sulit. Struktur mikro produk sinter dipengaruhi oleh karakteristik serbuk seperti ukuran partikel, distribusi ukuran serbuk. bentuk serbuk, luas permukaan daD keadaan aglomerasi serbuk. Pacta saat serbuk
dikompak-si, aglomerat dan/alan agregat serbuk akan menye-babkan ketidak-homogenan pacta struktur mikro bahan yang dikompaksi daD berlanjut sampai bahan tersebut disinter.
Proses sol-gel adalah salah satu teknik barn untuk membuat bahan keramik logam oksida. Dengan proses sol-gel memungkinkan untuk memanipuiasi s1IUktur mikro daD sifat-sifat bahan keramik, yakni dengan mengontrol variabel proses yang ada pacta proses sol-gel. Selain itu bahan keramik yang dibuat dengan proses sol-gel
yang relatiflebih rendah. Plastisitas dari gel memberikan keuntungan lain yakni produk dibuat dalam bentuk tertentu. Selain menjadi serbuk dapat dibuat bentuk serat, lapisan tipis dan bentuk padat.
Alumina adalah salah satu bahan keramik yang banyak digunakan sebagai bahan untuk komponen alat, baik di industri maupun di laooratorium penelitian. Bahan tersebut mempunyai beberapa sifat yang baik, seperti ketahanan pada temperatur tinggi, ketahanan terhadap bahan kimia lain atau tahan korosi serta bersifat insula-tor. Beberapa penggunaan keramik alumina yaitu : sebagai
insulator pada subtrat IC, krusibel, konverter katalis dan sebagai bahan dasar pembuatan bahan superionik beta-almnina
Menurut Yoldas, untuk membuat bentuk padat alumina melalui proses sol-gel dapat menggunakan
alu-Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi III
Serpong,
20 -21 Oktober 1998
ISSN 1410-2897
dalam proses sol-gel tersebut yaitu : 1). Hidrolisis alkoksida alwniniwn. 2). Peptisasi hidroksida menjadi sot. 3). Pembentukan gel, dan 4). Pirolisis gel menjadi alu-mina [1). Variabel proses pada tahap-tahap tersebut adalah perbandingan molar air dengan alkoksida logam, jenis daD jumlah katalis, pH, daD temperatur sintesis. Katalis asam akan mempercepat laju reaksi hidrolisis sedang katalis basa akan mempercepat reaksi pol ikon-densasi dan keduanya memperluas daerah kelarutan [2). Pada penelitian ini akan dilakukan pembuatan bahan keramik alpha-alumina (corundum) dengan proses sol-gel menggunakan prekursor aluminium alkoksida.
manual. Morfolo-gi sampel diamati dengan Scanning
Electron Microscope
(SEM).
BASIL DAN PEMBABASAN
Tabell menunjukkan lJaSil pengukurnn pH datI waktu pembentukan gel daTi masing-masing ballaD prekursor yang digunakan. Pengamatan dan pengukuran waktu gelasi dilakukan dengan cara menghitung waktu dari keadaan larutan sol yang enter sampai menjadi kental saat menjadi gel. Pada prekursor Am, waktu pembentu-kan gel tidak dipengaruhi oleh kenaipembentu-kan jumlah katalis. Sebaliknya untuk prekursor ASH, kecepatan gelasi
Tabe!
Hasil pengukuranpH dan waktu gelasiPrekursor ATB Prekursor ASB
!lH Waktu gelasi (menit) pH Waktu gelasi (menit) MQIHC[ Mol HNO)
8m ('rei Sol {'lei
7 7 7 7 7 7 155 173 130 163 173 173 7 7 7 7' 7
7
170 140 190 75 55 25 0~~
~
~
0.2
0 Q:.Q.?!!l!:..
~
~
1,1 7~
~
2 7 6~
5 4 3,5TATA KERJA
Aluminium alkoksida yang digunakan sebagai prekursor adalah serbuk aluminum tri-tert butoxide ([C2H5CH(C~)OJ)AI) disebut Am dan larutan kental aluminium tri-sec butoxide ([(C~»)COJ)AI) disebut ASB. Kedua bahan prekursor tersebut dicampur air dengan perbandingan moll: 1oO untuk membentuk alkoksida hidroksil, selanjutnya dipeptisasi (}X)lime risasi) pada 90 °C dengan katalis HCI untuk Am dan HNO) untuk ASB. Jumlah bahan katalis HCI divari-asikan dari 0; 0,025 ; 0,07; 0,105; 0,175 danO,2 mol., dan bahankataiisHNO) divariasikan dari 0; 0,07; 0,2; 0,5; 0,75 dan I, I mol untuk setiap mol bahan prekursornya. Gel yang diperoleh selanjutnya dibagi -bagi untuk dipanaskan pada beberapa temperatur: 300, 700, 900, 1100, dan 1300 °C seIarna ljam.
Sampel padat gel kering dan sampel yang telah dipanaskan pada setiap temperatur diukur densitasnya dengan menggunakan piknometer. Identifikasi senyawa-senyawa atau rasa dilakukan dengan menggunakan Spektroskopi Sinar Infrarnerah. Sampel serbuk yang digunakan sebanyak 0, 1 mg, dan dicarnpur dengan kalium bromida sebanyak I mg. Kondisi alat : temperatur 20 °C, waktu I menit, kecepatan kertas 40 nnn/menit. Identifikasi fasajuga dilakukan denganDifraktometer Sinar-X dengan sumber Co, tegangan 30 kV, aruS 30 mA. Sampel yang digunakan daIam bentuk serbuk. Analisis difraksi sinar-x dilakukan menggunakan metoda Hanawalt secara
semakin besar dengan bertambahnya jumlah bahan katalis. Pada kasus ASB, terjadi proses hidrolisis yang semakin cepat dengan semakin banyak bahan katalis asam yang dipakai.
Tabel 2 dan Tabel3 serta Gambar 1 dan Gambar 2 berikut ini menunjukkan basil pengukuran densitas sampel yang dipanaskan pada belbagai temperatur untuIc prekursor ATB dan ASB. Pengukuran densitas sampel ATB dilakukan pada 3 variasi jumlah katalis, yakni 0; 0,105 daD 0,2 mol HCI per mol ATB sedang sampel ASB dengan 6 variasijumlah katalis, yakni 0; 0,07; 0,2; 0,5; 0,75;dan 1,1 molHNO) per mol ASB.
Dari kedua gmfik tersebut tampak bahwa jumlah bahan katalis mempengaruhi densitas sampel. Secara umum semakin tinggi pemanasan semakin besar pula densitasnya. Hal ini disebabkan terjadinya proses
TaIxi
2. IbEitm ~
Am fIdi lx:rl:IIg;Ii
~
<D1 jlldah latalis
Serpong,
20 -21 Oktober 1998
ISSN 1410-1897
Tabel 3. Densitas sarnpel ASH pada berbagai temperatur dan jumlah katalis
Temperatur ("C) 0 0.07 0.2 0.5 0,75 1,1 300 700 900 1100 1300 1,99 2,71 1,14 2,89 3,31 2,46 2,57 1,55 3.62 3,69 2,47 2,79 2,83 3,12 3,73 2,14 2,36 2,62 3.26
2.57
2,82 2,91 2,65 3,43 3,42 2,04 1,97 2,29 3,12 3,57 .-., ...e
u~
'"
s
"rn I:~
Garnbar Graflk densitas sampel ATB pada variaSi temperatur danjumlah katalis (-+-: 0 ;-8-: 0,105 ;-,6.-: 0,2 mol/mol ATB)
Gambar 2. Graflk densitas sampel ASB pada variasi temperatur clan jumlah katalis (-+~: 0; _:0,07; -.6.-: 0,2 ; -0-:0,5; -X-:O, 75; ~: I, I rnoVrnol ASB)
g/cm3. Bila dibandingkan dengan data literatur [3], densitas alpha-alumina adalah sebesar 3,98 g/cm3, dengan demikian densitas alpha-alumina yang diperoleh lebih kecil. Hal ini disebabkan masih banyaknya pori-pori pada rasa alpha-alumina yang terjadi (lihat gambar SEM). Terhadap sampel dengan kedua jenis katalis ini, selanjutnya dilakukan pengamatan daD identifikasi rasa dengan difraksi sinar-x daD spektroskopi sinal infra meral1.
penguapan air dan adanya sisa senyawa organik serta transfonnasi rasa dan proses sintering yang menyebab-kan pori-pori semakin mengecil.
Dari semua sampel densitas tertinggi dicapai pada temperatur 1300 °C dimana pada temperatur tersebut terbentuk rasa alpha-alumina. Kondisi optimal yang diperoleh adalah pacta densitas tertinggi dengan laju kenaikan densitas yang stabil. Hal ini ditunjukkan sampel denganjumlah katalis 0,105 mol HCI untuk prekursor
Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi III
Serpong. 20 -2l Oktober 1998
ISSN 1410-2897
..
D-\I :!.>-..
.
c.
..
c 40 50 60 70 80 90 29 angle Ideg) 100 zo 30Gambar 3. Pola difraksi sinar-x sampel ASH dan ATB (swnber Co) Tabel4. Hasil analisis difraksi sinar-x
temperatur untuk mengamati perubahan atau transfor-masi rasa yang teljadi. Gambar 3 OOalah pola difraksi sinar-x dari sampel ASB daD ATB yang dipanaskan pada temperatur 90, 300,700, 1100 dan 1300 °C. Hasil analisis pola difraksi sinar-x tersebut ditampilkan pada Tabel4.
Dari basil analisis tersebut tampak bahwa antara sampel dengan prekursor ATB daD prekursor ASB menunjukkan basil transformasi rasa yang sarna. Gel kering yang dibuat pada temperatur 90 °C, pada awalnya merupakan senyawa alumina hidroksida y-AlOOH atau boehmite. Fasa ini masih terdapat sampai temperatur 300 °C. Kemudian sampai pemanasan 700 °C, alumina hidroksida berubah menjadi rasa alumina, y-Al2O) dan juga sudah terbentuk rasa 8-Al20). Selanjutnya sampai pemanasan 1100 °C, rasa utarna yang terbentuk adalah a-Al2O) Damon masih terdapat rasa 8-Al2O) daD rasa y-Al2O1. Pada temperatur 1300 °C, rasa yang terjadi
seluruhnya adalah rasa a-AI20).
Menumt D. E. Clark [1], gel kering yang terbentuk merupakan rasa O-AIOOH atau diaspore, berubah menjadi rasa y-Al2O) antara temperatur 90 -475 .C, lalu sebagian menjadi rasa 8-Al20) antara 900 dan 1100 .C dan sepenuhnyamenjadifasaa-Al2O)antara 1100 -1300 .C. Sedangkan menurut C. J. Brinker [4] gel yang terbentuk adalah boehmite, AlOOH yang menjadi y-Al2O) pada300 "Clalu8-Al2o) pada 1100 .Cdanakhirnya menjadi rasa a-AI2O) pada T;?: 1200 .C. Kelihatannya ada perbedaan, namun perbedaan ini hanya pada tahap proses pemanasan pada temperatur rendah yang kemungkinan diakibatkan oleh lamanya pamanasan dan penyerapan uap air setelah pemanasan yang berakibat pada peroedaan kadar kandungan air pada sampel. Pada penelitian yang dilakukan D .E. Clark [1 } ~ pemanasan
189
Serpong,
20 -21 Oktoher 1998
ISSN
1410-2897
Gambar 4. Spektrum infra merah sampel A TB
Gambar 5. Gambar morfologi sampel A TB pada beberapa temperatur
Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi III
Serpong,
20- 21 Oktober 1998
ISSN 1410-2897
KESIMPULAN
Pembuatan bahan keramik alpha-alwnina dengan proses sol-gel dari dua bahan prekursor : aluminium
tri-tert butoxide dan aluminium tri-sec butoxide menunjukkan basil yang sarna. Bahan keramik alplm-alumina terbentuk pada temperatur 1300 °C dengan pori-pori yang halos
daD merata. Densitas rasa alpha-alumina diperoleh sebesar 3,52 gicm3 untuk prekursor ATB dan 3,73 gicm3 untuk prekursor ASB, masing-rnasing dengan jumlah katalisO,105 mo1HCldanO,2 moIHNO,.
UCAPAN TERJMA KASm
Penelitian ini adalah bagian dari usu1an penelitian tahun 1997/1998 di Pusat Penelitian Sains Materi, BAT AN. Kami mengucapkan terima kasih kepada Dr. Wuryanto selaku Kepala Pusat yang banyak memberi-kan saran-saran daD motivasi yang konstruktif. Kami juga mengucapkan terima kasih kepada Budi U.F. dan
Titin Sutedja, mahasiswa Universitas Jayabaya yang membantu penelitian ini. Demikianjuga kepada rekan-rekan di Bidang Metalurgi dan Bahan Industri dan Balai Tekno Kimia yang banyak memberikan waktunya untuk diskusi mengenai proses sol-gel.
DAFfAR PUS TAKA
Pengamatan dengan spektroskopi sinar inframerah hanya dilakukan pacta sampel ATB saja, yaitu A1B90, AlB700, danAlBI300. Spektnun inframerahnya ditampilkan pacta Gambar 4. Analisis spektrum dilakukan dengan menggunakan data literatur [1,5.6J. Pita atau puncak yang menunjukkan terjadinya proses hidrolisis yakni adanya penyerapan air tampak pacta 1697 cm-1 daD
3648 cm-l. Puncak 1697 cm.1 adalah H-O-H bending vibration daD puncak 3648 cm-1 disebabkan O-H stretching vibration yang menunjukkan struktur dan molekul air. Intensitas puncak-puncak ini berkurang selama pengeringan atau pemanasan karena terjadinya pelepasan molekul air. Bila sampai temperatur 700 °C (ATB700) masih terdapat puncak tersebut, hat itu disebabkan adanya penyerapan uap air dari udarn setelah proses pemanasan. Pacta sampel ATB1300 atau sampel yang telah dipanaskan sampai temperatur 1300 °C daD telah terbentuk rasa a-Al2O), puncak-puncak tersebut tidakadalagi. Puncak-puncak474.632, 742, dan 1070cm-I adalah puncak karak-teristik dari gel kering rasa alumina hidroksida yang mernpakan basil proses polimerisasi. Puncak 1070 cm-1 disebabkan oleh AI-OH bending vibration daD menunjukkan keberadaan air pacta gel atau rasa alumina hidroksida. Puncak ini tetap stabil sampai pemanasan 700 °C yang dari difraksi sinar-x menunjukkan kebe-radaan rasa alumina, y-Al20). Dari umtan Gambar 4 di alas, tampak bahwa puncak majemuk yang tajam pacta ATB90 dan ATB700 menjadi puncak tunggal yang lebar pacta ATB 1300. Hal ini menunjukkan adanya proses pembahan dan pembentukan rasa barn. Akhirnya pacta AlB 1300 terlJentuk puncak-puncak karakteristik dari rasa a-Al2o) yakni pacta 844, 642,586 dan 446cm-l.
Gambar 5 adalah morfologi permukaan sampel ATB yang diambil dengan Scanning Electron Microscope. Pacta sampel gel kering (ATB90) terlihat
suatu bentuk yang berwarna putih, diperkirakan tempat terebut mempakan kantung-kantung air dan sisa senyawa organik. Untuk sampel yang dikeringkan pada temperatur 300 °C (ATB300), bentuknya sedemikian mpa sehingga pacta bagian pinggirnya saja yang berwarna putih dan di bagian dalam tampak kekosongan seperti rongga-rongga
(crater).
Gambar tersebut mendukung adanya proses penguapan air dan sisa senyawa organik. Sampai pacta pemanasan 700 °C (ATB700), bentuk tersebut semakin kecil. Akhirnya pacta sampel ATB 1300 atau pacta rasa
a-Al2O) kandungan airnya sudah tidak ada, yang tertinggal adalah pori-pori kecil berwarna hitam yang merata. Pori-pori ini semula adalah kantung-kantung air daD mengecil akibat terjadinya proses sintering saat pemanasan pacta temperatur tinggi.
[1]. CLARKD.E.andLANNU1TI,J.J.,"PhaseTnmsfor mations in Sol-Gel Derived Aluminas", Ultra structure Processing of Ceramics, Glasses and Composites, edited by Hench L. L., Ulrich D. R., John Willey and Sons, 1984.
[2]. PRASSAS M. andHENCHLL., "Physical Chemical Factors in Sol-Gel Processing", Ultrastructure Processing of Ceramics, Glasses and Composites", edited by Hench L. L., Ulrich D. R., John Willey and
Sons, 1984.
[3]. Encyclopedia of Physical Science and Technology, 2nd editiOn, vol.2, Academic Press, Inc., 1992. [4]. BRINKER C. J. and SCHERER G. W., "Sol-Gel
Science, The Physics and Chemistry of Sol-Gel Processing", Academic Press, Inc.,1990.
[5]. SORRELL T. N., "Interpreting Spectra of Organic Molecules", University Science Books, 1988. [6]. SILVERSTEIN, BASSLER and MORRll..L, "Spedro
metric Identification of Organic Com pounds", 4d1 edition, John Willey & Sons, 1981.
