BAB II TINJAUAN PUSTAKA BAB II TINJAUAN PUSTAKA

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Koloid

Koloid adalah suatu supensi yang mana fasa terdispersinya sangat kecil, berukuran 1-1000 nm, dalam suatu medium pendispersi, dimana pengaruh gaya gravitasi dapat diabaikan, dan interaksi antar fasa terdispersi maupun medium pendispersi didominasi oleh gaya yang bekerja dalam jarak dekat, yaitu gaya tarik van der Waals dan muatan permukaan. Selain itu, inersia dari fasa terdispersi cukup kecil sehingga memiliki gerak Brownian (Brownian motion) atau difusi Brownian (Brownian diffusion), yaitu gerak acak yang digerakkan karena momentum yang dihasilkan dari tumbukan antar molekul dalam medium.

Menurut Ostwald, koloid merupakan suatu sistem dimana terdiri dari fasa terdispersi (fasa diskontinu) yang terdistribusi secara seragam dalam medium pendispersi (fasa kontinu).

Jenis-jenis koloid yang dapat digunakan untuk menghasilkan polimer atau

partikel yang selanjutnya dapat menghasilkan material keramik, antara lain: ¾ Sol, yaitu sistem koloid dengan fasa terdispersi padat dalam cair.

¾ Aerosol, yaitu sistem koloid partikel dalam gas (disebut sebagai kabut atau

fog jika partikelnya cair, disebut sebagai asap atau smoke jika partikelnya

padat).

Gambar 2.1 Partikel Koloid[18]

2.2 Teknologi Sol-Gel

Istilah sol-gel digunakan secara luas untuk menggambarkan preparasi material keramik melalui suatu proses yang meliputi preparasi sol, gelasi sol, dan penghilangan fasa cair. Sol merupakan suspensi partikel koloid dalam fasa cair, dimana partikel terdispersi masih mengalami gerak Brownian (Brownian motion) atau difusi Brownian (Brownian diffusion). Gel merupakan jaringan material padat yang mengandung komponen cair, dimana keduanya berada dalam fasa terdispersi. Secara umum teknik sol-gel digambarkan sebagai metode dimana padatan, biasanya keramik, dibentuk melalui reaksi hidrolisis dan kondensasi dari molekul dalam fasa cair.

Teknik pemrosesan sol-gel umumnya dibagi atas dua, yaitu teknik particulate (atau colloidal) gel yang mana solnya terdiri dari partikel koloid padat yang berukuran 1-1000 nm, dan teknik polimeryc gel yang mana solnya terdiri dari rantai polimer tetapi tidak memiliki partikel padat yang berukuran lebih besar dari 1 nm. Ketika ukuran partikel mencapai batas terendah rentang ukuran koloid, maka perbedaan antara teknik particulate gel dan teknik polymeric gel menjadi tidak jelas.

Di dalam teknik pemrosesan sol-gel, senyawa awal (prekursor) yang dipakai untuk preparasi sol terdiri dari garam-garam organik atau senyawa metal organik. Di dalam penelitian-penelitian sol-gel, jenis prekursor yang sering digunakan berasal dari senyawa metal alkoksida, termasuk ke dalam jenis prekursor metal organik yang memiliki ligan organik yang terikat pada atom metal atau metalloid. Hal ini dikarenakan kemudahannya untuk mengalami reaksi hidrolisis dengan air (reaksi ini sangat penting pada proses sol-gel selain reaksi kondensasi). Metal alkoksida yang sering digunakan pada proses sol-gel adalah tetraethoxysilane (tetraethyl orthosilicate

-TEOS), Si(OC2H5)4 dan tetramethoxysilane (tetramethyl orthosilicate-TMOS),

Si(OCH3)4.

Gambar 2.2 TEOS[2] _{Gambar 2.3 TMOS}[2]

Tabel 2.1 Berbagai Macam Metal Alkoksida

Alkoxide State

Na(OC2H5) Solid (decomposes above 530 K)

Ba(O-i_C

3H7)2 Solid (decomposes above 4000 K)

Al(O-iC3H7)3 Liquid (bp 408 K at 1.3 kPa)

Si(OC2H5)4 Liquid (bp 442 K at asmopheric pressure)

Ti(O-iC3H7)4 Liquid (bp 364.3 K at 0.65 kPa)

Zr(O-iC3H7)4 Liquid (bp 476 K at 0.65 kPa)

Sb(OC2H5)3 Liquid (bp 367 K at 1.3 kPa)

Te(OC2H5)4 Liquid (bp 363 K at 0.26 kPa)

Y(O-i_C

Terdapat tiga reaksi yang umumnya digunakan untuk menggambarkan proses sol-gel, yaitu hidrolisis, kondensasi alkohol, dan kondensasi air. Laju dari ketiga reaksi ini sangat dipengaruhi oleh berbagai faktor antara lain, pH, temperatur dan

waktu reaksi, konsentrasi reagen, katalis, H2O/Si molar ratio (R), temperatur dan

waktu aging, dan pemanasan (drying). Ketiga reaksi tersebut dapat dilihat pada Gambar 2.4 di bawah.

Gambar 2.4 Tiga Reaksi Pada Proses Sol-Gel[19]

Reaksi hidrolisis merupakan reaksi penggantian gugus alkoksida (-OR) oleh gugus hidroksil (-OH). Reaksi kondensasi yang mengandung gugus silanol (Si-OH) akan menghasilkan ikatan siloksan (Si-O-Si) ditambah produk air untuk kondensasi air dan alkohol untuk kondensasi alkohol. Umumnya, reaksi kondensasi mulai terjadi sebelum reaksi hidrolisis selesai. Faktor-faktor seperti pH, H2O/Si molar ratio (R),

dan katalis dapat mempercepat terjadinya reaksi hidrolisis sebelum reaksi kondensasi terjadi. Karena air dan alkoksida tidak larut satu sama lain, maka digunakanlah pelarut seperti alkohol. Dengan keberadaan alkohol sebagai agen homogenisasi, hidrolisis dapat dilakukan dengan mudah.

2.2.1 Mekanisme Hidrolisis Pada Kondisi Asam

Pada kondisi asam, gugus alkoksida terprotonasi dengan cepat. Misal, dengan menggunakan TEOS, maka kerapatan elektron diambil dari atom silikon sehingga mengakibatkan gugus alkoksidanya lebih elektrofilik dan lebih mudah diserang oleh

H2O. Proses ini menghasilkan formasi penta-coordinate transition state sesuai

dengan mekanisme SN-2.

Gambar 2.5 Mekanisme Hidrolisis Pada Kondisi Asam[5]

2.2.2 Mekanisme Hidrolisis Pada Kondisi Basa

Pada kondisi basa, hidrolisis silikon alkoksida membutuhkan waktu yang lebih lama dibandingkan dengan hidrolisis silikon alkoksida pada kondisi asam pada konsentrasi katalis yang sama. Hal ini dikarenakan oksigen alkoksida cenderung menolak gugus –OH. Bagaimanapun, ketika reaksi hidrolisis sudah mulai terjadi, maka akan diikuti tahap reaksi berikutnya, dengan gugus alkoksida yang berikutnya lebih mudah dihilangkan dari monomer daripada gugus alkoksida yang sebelumnya.

2.2.3 Mekanisme Kondensasi Pada Kondisi Asam

Mekanisme kondensasi pada kondisi asam meliputi silanol yang terprotonasi. Protonasi silanol membuat atom silikon lebih elektrofilik sehingga lebih mudah diserang oleh nukleofilik. Dalam hal ini, silanol yang paling mungkin terprotonasi adalah silanol yang terkandung di dalam monomer.

Gambar 2.7 Mekanisme Kondensasi Pada Kondisi Asam[5]

2.2.4 Mekanisme Kondensasi Pada Kondisi Basa

Mekanisme kondensasi pada kondisi basa yang umumnya terjadi adalah reaksi yang meliputi serangan nukleofilik yang terdeprotonasi silanol pada asam silika netral untuk membentuk ikatan siloksan.

Gambar 2.8 Mekanisme Kondensasi Pada Kondisi Basa[19]

Untuk senyawa inorganik, misalnya senyawa metal klorida, berlangsungnya reaksi hidrolisis dan alkoholisis (bila dalam suatu prekursor terdapat alkohol) sampai selesai akan sangat dipengaruhi oleh sifat elektropositif yang dimiliki oleh atom metal. Reaktivitas senyawa metal klorida terhadap reaksi hidrolisis dan alkoholisis akan menurun seiring dengan meningkatnya keelektropositifan atom metal.

TiCl4 + 2EtOH → TiCl2(OEt)2 + 2HCl

Dari kedua reaksi di atas dapat dilihat bahwa atom Ti yang lebih elektropositif dibandingkan dengan atom Si akan menghasilkan reaksi alkoholisis yang parsial (tidak selesai). Hal inilah yang menyebabkan senyawa alkoksida menjadi prioritas utama dibandingkan senyawa inorganik metal dalam sintesis keramik dengan menggunakan metoda sol-gel. Senyawa alkoksida dapat terhidrolisis dan teralkoholisis dengan cepat dan tidak menghasilkan produk samping seperti senyawa inorganik metal.

2.3 Hybrid Organic Inorganic Materials (HOIM)

Dari pandangan material maju, salah satu yang menarik dari teknologi sol-gel adalah dimungkinkannya mensintesis material baru yang dikenal dengan Hybrid

Organic Inorganic Materials. Konsepnya dengan memanfaatkan masing-masing

fungsi spesifik dari material organik dan inorganik yang ada. Umumnya material organik memiliki sifat elastis, fotorefraktif, koefisien ekspansi termal yang rendah, dan fleksibel. Sedangkan material inorganik memiliki sifat ketahanan terhadap suhu tinggi, stabil secara kimia, keras, getas, koefisien ekspansi termal yang tinggi, optik, magnetik, dan elektronik yang khas. Dengan mengkombinasikan dua sifat tersebut dimungkinkan membuat suatu lapisan multi fungsi. Seperti memanfaatkan sifat listrik dari keramik untuk memodulasi warna dari polimer.

Hybrid Organic-Inorganic Materials disebut juga nano komposit atau

komposit molekular. Hybrid Organic-Inorganic Materials merupakan jenis baru di dalam material komposit yang mana ukuran nanometer sebagai ukuran maksimum komponen organik dan inorganiknya. Hal ini mengakibatkan permukaan kontak antara komponen organik dengan komponen inorganiknya cenderung tidak terbatas.

Sanchez et al. (1994) mengklasifikasikan Hybrid Organic-Inorganic

Materials ke dalam dua kelas utama. Yang pertama disebut “Kelas I”, yang mana

dan gaya van der Waals. Yang kedua disebut “Kelas II”, yang mana komponen organik dan inorganiknya secara kuat berikatan melalui ikatan iono-kovalen.

2.4 Organically Modified Silicates (Ormosils)

Organically Modified Silicates (Ormosils) termasuk ke dalam jenis Hybrid Organic Inorganic Materials. Salah satu bentuk ormosils yaitu hasil reaksi antara

tetraethoxysilane (TEOS) dengan polydimethylsiloxane (PDMS). Ormosils dapat dianggap sebagai “ceramic rubbers” tergantung pada rasio PDMS/TEOS yang digunakan dalam reaksi.

Pada dasarnya ormosils dapat dihasilkan dengan metode sol-gel. Dengan memperhatikan parameter-parameter tertentu, maka sifat akhir ormosils bisa berbeda. Selain rasio PDMS/TEOS, sifat akhir ormosils juga ditentukan oleh kondisi pada saat pemrosesan dan persen berat PDMS yang ditambahkan (% wt). Ketika PDMS yang ditambahkan dengan persen berat yang kecil, maka material ormosils yang dihasilkan akan memiliki sifat keras, kaku, dan cukup kuat. Seiring dengan penambahan persen berat PDMS, maka material ormosils akan menjadi lebih lentur dan ketika melewati konsentrasi kritisnya, maka material ormosils akan bersifat rubbery. Hal ini dapat dilihat pada Gambar 2.9 di bawah ini.

Perubahan sifat materials ormosils dari keras menjadi ”rubbery” dapat terjadi karena pengaruh dari penambahan persen berat PDMS. Pada Gambar 2.9, perubahan sifat tersebut terjadi ketika penambahan PDMS kurang lebih 35% wt (batas konsentrasi). Penambahan PDMS di bawah batas konsentrasi, maka fasa PDMS yang terbentuk akan terputus-putus, sedangkan jika penambahan PDMS di atas batas konsentrasi maka fasa PDMS akan membentuk rantai-rantai.

Kekuatan pada material ormosils dengan penambahan PDMS di bawah batas konsentrasi akan sangat dipengaruhi oleh fasa inorganiknya. Bentuk ikatan penambahan PDMS di bawah dan di atas batas konsentrasi dapat terlihat pada Gambar 2.10 dan Gambar 2.11 di bawah ini.

 

Gambar 2.10 Silika Amorf Dan Material Ormosils Yang Bersifat Keras[13]

Material ormosils pada Gambar 2.11 yang memiliki sifat “rubbery” ini bisa memiliki komponen inorganik sampai dengan 75% dan memiliki sifat mekanik yang lebih stabil daripada karet biasa. Oleh karena itulah material ormosils bisa digunakan sebagai material yang membutuhkan sifat “rubbery”, ringan, dan tahan temperatur tinggi. Pada Gambar 2.12 di bawah ini dapat dilihat grafik tegangan-regangan dengan persen berat (% wt) PDMS terhadap metal alkoksida (TEOS) 0% wt, 15% wt, 46% wt, dan 70% wt.

2.5 Dip Coating

Prasyarat umum untuk memperoleh lapisan kimia basah (wet chemical

coatings) dengan kualitas optik yang tinggi pada gelas adalah dengan melakukan

pelapisan pada kondisi ruangan yang bersih, larutan pelapis (coating liquid) harus terlebih dahulu disaring, dan gelas yang dipakai sebagai substrat harus terlebih dahulu dibersihkan.

Teknik dip coating dapat digambarkan sebagai suatu proses dimana substrat

yang dilapisi dicelupkan ke dalam suatu larutan dan ditarik kembali dengan kecepatan penarikan yang konstan. Proses dip coating dibagi ke dalam lima tahapan, yaitu immersion, start-up, deposition, drainage, dan evaporation. Dengan memakai pelarut yang mudah menguap, seperti alkohol, penguapan akan terjadi pada tahap

start-up, deposition, dan drainage.

Ketebalan lapisan yang dihasilkan merupakan kombinasi antara viskositas dengan gravitasi. Secara teoritis dapat dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut:

h = c1(ηU/ρg)1/2 _(2.1)

dimana h adalah ketebalan lapisan, c1 adalah konstanta (sekitar 0,8 untuk larutan

Newtonian), η adalah viskositas larutan, U adalah kecepatan tarik substrat, ρ adalah rapat dari sol coating, dan g adalah gravitasi. Tetapi pada umumnya, hubungan antara variabel coating dengan ketebalan yang dihasilkan dilakukan secara eksperimental. Ketebalan untuk setiap kali proses biasanya berkisar 50-500 nm.

     

Berbeda dengan proses dip coating, proses continuous dip coating lebih sederhana karena proses ini memisahkan tahap immersion dari tahap yang lain. Pada dasarnya mengeliminasi tahap start-up dan “menyembunyikan” tahap drainage pada lapisan yang terdeposisi.

2.6 XRD (X-Ray Diffraction)

Difraksi sinar-X untuk serbuk digunakan untuk mengidentifikasi fasa kristalin yang tidak diketahui dari suatu material. Aplikasi XRD yang digunakan pada penulisan tugas akhir ini adalah untuk mengidentifikasi fasa-fasa yang terbentuk pada

hybrid film dan gel powder SiO2-TiO2-PDMS.

Sinar-X adalah bentuk dari radiasi gelombang elektromagnetik, dihasilkan

dari benda yang ditumbuk oleh elektron. Panjang gelombang sinar-X adalah 10-10 m

sampai dengan 10-8 m (1-100 Angstrom) dan hanya 0,3-0,25 Angstrom yang

digunakan untuk difraksi sinar-X. Sinar-X memiliki daya penetrasi yang besar, sehingga sinar-X dapat mengetahui periodisitas kristal.

Apabila berkas sinar-X diarahkan pada material kristalin, maka atom-atom di dalam kristal akan menyerap energi dan kemudian akan menghamburkan sinar-X kembali ke segala arah. Berkas sinar-X yang dihamburkan oleh atom jika sefasa maka akan saling menguatkan, akan tetapi jika tidak sefasa maka akan saling meniadakan. Hukum yang digunakan pada difraksi sinar X adalah Hukum Bragg, yaitu:

(2.2) nλ = 2d sin θ

dimana n adalah orde reaksi, λ adalah panjang gelombang, d adalah jarak penembakan sinar, dan θ adalah sudut yang dibentuk. Fenomena sinar-X yang mengenai bidang kristal dapat dilihat pada Gambar 2.14.

Gambar 2.14 Difraksi Sinar-X Pada Kristal[3]

Secara eksperimen, Hukum Bragg dapat diamati melalui dua cara. Dengan menggunakan sinar X dengan panjang gelombang (λ) tertentu dan mengukur θ, sehingga dapat ditentukan lebar (d) dari beberapa bidang kristal. Metode ini disebut dengan analisis struktur. Metoda yang lain adalah menggunakan kristal dengan lebar (d) bidang diketahui, lalu mengukur θ, sehingga dapat ditentukan panjang gelombang (λ) dari radiasi yang digunakan. Metoda ini disebut dengan X-ray spectroscopy.

Pola sinar X dari bahan-bahan kristalin dapat disebut sebagai sidik jari (finger

print), setiap material (secara terbatas) memiliki pola difraksi yang unik. Dengan

menggunakan metode difraksi serbuk ini, sebenarnya parameter yang diukur adalah lebar dari kisi-kisi mineral yang diketahui daripada menetukan struktur dari mineral tersebut.

2.7 SEM/EDS

  SEM (Scanning Electron Microscopy) dan EDS (Energy Dispersive

Spectroscopy) banyak digunakan untuk mengkarakterisasi material, antara lain

material logam, material keramik, dan material polimer. SEM merupakan perkembangan dari mikroskop optik yang memiliki perbesaran maksimum 1000 x, sehingga dapat mencapai perbesaran maksimum sampai 150.000 x (tergantung pada kondisi spesimen dan SEM pada saat itu). SEM banyak digunakan untuk aplikasi sebagai berikut:

• Pemeriksaan struktur mikro spesimen metalografi dengan perbesaran (magnifikasi) yang jauh melebihi perbesaran mikroskop optik biasa.

• Pemeriksaan permukaan patahan dan permukaan yang memiliki kedalaman tertentu yang tidak mungkin diperiksa dengan mikroskop optik.

• Evaluasi orientasi kristal dari permukaan spesimen metalografi, seperti butir individual, fasa presipitat, dan dendrit (struktur khas dari proses pengecoran logam).

• Analisis unsur pada objek dalam range mikron pada permukaan bulk spesimen. Misalnya, inklusi dan fasa presipitat.

• Distribusi komposisi kimia pada permukaan bulk spesimen sampai jarak mendekati 1 mikron.

Persyaratan spesimen untuk material konduktif diperlukan persiapan metalografi standar seperti sudah dipolish dan dietsa. Untuk non-konduktif harus dicoating terlebih dahulu dengan karbon dan emas supaya terbentuk lapisan tipis yang konduktif. Prinsip kerja SEM secara sederhana:

• Electron gun yang dilengkapi dengan filamen tungsten (6-12 V DC) berfungsi untuk menembakkan elektron.

• Elektron yang ditembakkan karena terdapat beda potensial (1-30 kV) akan menumbuk benda kerja.

• Ketika menumbuk spesimen akan terjadi interaksi antara primary electron dengan spesimen sehingga menghasilkan x-ray dan elektron (secondary

electron, backscattered electron, dan auger electron).

Gambar 2.15 Interaksi Elektron-Benda Kerja[1]

• Hasil interaksi yang keluar dari dalam material ditangkap oleh tiga detektor, yaitu:

a. Detektor SE (Secondary Electron), bertujuan untuk menghasilkan image. b. Detektor BSE (Back Scattered Electron), bertujuan untuk menghasilkan

image dan menampilkan perbedaan kontras berdasarkan perbedaan berat

massa atom.

c. Detektor X-ray, bertujuan untuk mengidentifikasi unsur kimia (EDS) yang terdapat dalam material.

EDS (Energy Dispersive Spectrometry) dapat digunakan untuk mengidentifikasi komposisi elemental (per unsur) dari material yang dapat terlihat oleh SEM (Scanning Electron Microscopy). EDS dapat digunakan untuk analisis semikuantitatif unsur-unsur dari material. Jadi secara umum EDS dapat digunakan untuk menganalisis kontaminan seperti inklusi, antarmuka, analisa partikel, pemetaan unsur (elemental mapping), analisis deposit korosi, analisis ketidakmurnian (sampai ketelitian di atas 2% berat). EDS juga dapat digunakan untuk verifikasi material, analisa pelapisan, dan mengetahui secara semikuantitatif banyaknya inklusi pada suatu produk. EDS merupakan suatu sistem peralatan dan software tambahan yang dipasangkan pada suatu mikroskop elektron. Teknik ini memanfaatkan X-ray yang dihasilkan oleh spesimen selama spesimen dibombardir oleh primary electron. Hal ini digunakan untuk mengkarakterisasi komposisi unsur pada volume tertentu.

Saat spesimen dibombardir oleh elektron, maka mengakibatkan adanya elektron yang keluar dari atom penyusun permukaan material sehingga terjadi kekosongan. Karena terjadi kekosongan elektron pada kulit/orbital elektron tadi maka elektron dari kulit terluar akan mengisi kekosongan tersebut.

Untuk menjaga kesetimbangan energi antara dua elektron (elektron yang keluar dari orbital atom dan elektron pengisi kekosongan dari kulit orbital yang lebih berada di luar) akan dihasilkan X-ray Fluorescense. Detektor dari EDS akan mengukur jumlah X-ray Fluorescence yang dihasilkan versus energinya. Energi dari

Gambar 2.16 Eksitasi Elektron Pada Orbital Dan Kα, Lα, dan Mα[3]

Spektrum energi versus perhitungan relatif X-ray Fluorescence yang terdeteksi didapatkan dan dapat dievaluasi untuk menentukan secara kualitatif dan semikuantitatif elemen yang ada pada spesimen.

2.8 UV-Vis

Spektrofometri ultraviolet dan cahaya tampak berguna pada penentuan struktur molekul organik dan pada analisis kuantitatif. Spektrofometri ultraviolet dan cahaya tampak juga berguna untuk:

• Penentuan jenis kromofor yang ada dalam molekul dan menentukan kromofor manakah yang menyebabkan transisi berenergi terendah.

• Meramalkan daerah panjang gelombang kira-kira untuk berbagai jenis transisi.

• Memahami mengapa sistem terkonjugasi mengabsorpsi pada panjang gelombang yang lebih besar.

2.9 Aplikasi Hybrid Film dan Gel Powder SiO2-TiO2-PDMS

Hybrid Film dan Gel Powder SiO2-TiO2-PDMS merupakan salah satu jenis

dari material Hybrid Organic Inorganic Materials yang memiliki sifat-sifat multifungsi yang berasal dari penggabungan sifat-sifat spesifik dari material organik dan inorganik yang ada. Keuntungan dari organically modified inorganic composites ini adalah bisa mengatur ketebalan lapisan yang diinginkan, bisa diperoleh lapisan yang bebas crack, dan bisa diperoleh bulk material. Oleh karena itu, hybrid film dan

gel powder SiO2-TiO2-PDMS banyak diaplikasikan pada material-material optik

seperti integrated optics, material laser, data storage, dan teknologi komunikasi. Selain itu, bisa juga diaplikasikan sebagai photocatalyst.