Perbandingan Stabilitas Lapisan Hidrofobik Pada Substrat Kaca Dengan Metode Sol-Gel Berbasis Water-glass dan Senyawa Alkoksida

Perbandingan Stabilitas Lapisan Hidrofobik Pada

Substrat Kaca Dengan Metode Sol-Gel Berbasis

Water-glass dan Senyawa Alkoksida

Mahardika Fahrudin Rois (2307 100 091) Dosen Pembimbing : Ir. Minta Yuwana MS

Prof. Dr. Ir. Heru Setyawan, M.Eng

Zia Ardhi (2307 100 151)

Kaca

Jendela

Properti Kacamata

Alat Makan

Latar Belakang

Kaca

Hidrofobik Hidrofilik Keuntungan Kaca Hidrofobik :

1. Tidak Basah oleh Air 2. Mengurangi gesekan fluida-permukaan 3. Mengurangi overloading fluida di permukaan 4. Mudah dibersihkan

Coating

Silika Pada Kaca

Silika (

SiO

₂

)

Kaca

Sifat Umum

Silika :

1. Daya Adhesi Kuat 2. Ketahanan Terhadap

Suhu dan Bahan Kimia 3. Properti Penahan yang Baik 4. Hidrofobik

Pelapisan

(

Coating

)

Penelitian Terdahulu

Prakash dkk (1995) dan Zhang dkk (2001)

Dimungkinkan membuat lapisan tipis (film) hidrofobik dengan teknik dip-coating berbasis TEOS dengan modifying agent TMCS

Yoneda dkk (1999)

Penggunaan TMOS sebagai media coating pada substrat kaca dengan metode dip-coating meningkatkan daya tahan(durability)

kaca

Nicolic dkk (1997)

Kaca yang dilapisi silika dari TEOS akan memiliki efek self-cleaning dan membuat permukaannya bersifat hidrofobik

Penelitian Terdahulu

Setyawan dkk (2010)

Kaca hidrofobik dapat diproduksi dari metode dip-coating pada kaca dengan silika berbasis water-glass (Na₂SiO₃) yang dimodifikasi

dengan gugus Alkil berupa TMCS atau HMDS (sudut Kontak dengan Air 142,5o₎

Tinjauan water-glass

Water-glass : Sodium Silikat : Natrium Silikat (Na₂SiO₃). Berupa larutan kental, transparan, dan larut dalam air.

_{Mengandung Natrium Oksida (Na}

2O)

dan

silika (SiO

₂

)

, atau campuran dari

Natrium Silikat berbagai rasio SiO₂ untuk Na₂O

Tinjauan TEOS

Tetraethylorthosilicate atau Si(OC₂H₅)₄ terdiri dari empat Grup etil yang terikat pada ion SiO₄4-_{(orthosilicate).}

Sumber : http://chemicalland21.com

Komparasi

TEOS

(Senyawa Alkoksida)

Water-Glass

Mahal

_Murah

Rp. 800.000/250 ml

Sulit didapat

Mudah didapat

_{Rp. 4000/L}

Indent 2 bulan

Toxic

Tersedia di pasaran

Ramah Lingkungan

Tujuan - Manfaat

Diharapkan water-glass dapat

menjadi alternatif bahan baku

pelapis kaca hidrofobik

menggantikan TEOS

Perlu adanya uji perbandingan stabilitas

lapisan hidrofobik dari kedua bahan

Skema Penelitian

Pengenceran Ion Exchange Titrasi Water-Glass Water-glass encer Asam Silicic Sol Silika Aquadest Resin Kation KOH Hidrolisa Asam Kondensasi Tetraetylortosilicate (TEOS) Sol Silika Aquadest HCl Etanol Larutan Stock NH₄OH Ethanol Dip Coating Kaca Preparat Surface Aging Solvent Exchange* Methanol Surface Modification Trimethylclorosilane (TMCS) Drying Kaca Hidrofobik Transparansi Sudut Kontak Air

Skema Penelitian

Kaca Hidrofobik

Transparansi Sudut Kontak Air

Transparansi Sudut Kontak Air

Uji Stabilitas Hidrofobik

Larutan : HCl 1 N

Waktu (t) : 0, 1 jam, 2 jam, 3 jam ,4 jam

Suhu (T) : 120o_C,140 o_C,160 o_C,180 o_{C, 200} o_C

Waktu (t) : 0, ½ jam, 1 jam, 2 jam, 3 jam ,

dan 4 jam

Larutan : 5 ml Sabun + 10 ml Air

Waktu (t) : 0, 1 jam, 2 jam, 3 jam ,

Dan 4 jam

Pensil

H,2H,3H,4H,5H,6H 1 Kali Goresan Variabel

Uji Asam Uji Thermal Uji Sabun Uji Gores

Uji Stabilitas Hidrofobik

Uji Stabilitas Hidrofobik

Uji Thermal

Kaca dipanaskan menggunakan oven

Suhu (T) :

120o_C,140 o_C,160 o_C,180 o_{C, 200} o_C

Waktu (t) :

0, ½ jam, 1 jam, 2 jam, 3 jam , dan 4 jam

Uji Gores

Kaca di goreskan 1x menggunakan variasi pensil (H,2H,3H,4H,5H,6H)

Uji Stabilitas Hidrofobik

Uji Asam

Kaca direndam pada HCl 1 N

Kaca direndam pada larutan sabun (5 ml Sabun + 10 ml Air)

Waktu (t) :

0, 1 jam, 2 jam, 3 jam ,4 jam

-Kaca dibilas dengan Aquades - Dikeringkan dengan Angin -Uji Hidrofobisitas Ulang

Uji Sabun

Waktu (t) :

0, 1 jam, 2 jam, 3 jam ,4 jam

-Kaca dibilas dengan Aquades - Dikeringkan dengan Angin -Uji Hidrofobisitas Ulang

Karakterisasi Produk

Uji Hidrofobisitas

Pengukuran Sudut Kontak

Uji Transparansi

Menggunakan Spektrofotometer UV-VIS

Uji Kerataan Lapisan

Menggunakan USB Microscope M-1 Scalar 200x

(Meneteskan air pada permukaan kaca yang telah dilapisi)

(Pengukuran ini dilakukan dengan mengukur intensitas cahaya yang melewati sampel. Persen transmittan menunjukkan tingkat

transparansi kaca)

(Mengambil gambar permukaan kaca yang telah terlapisi dengan perbesaran 200 kali)

Precursor TEOS

Reaksi yang terjadi terdiri dari 2 jenis : - Reaksi Hidrolisa untuk menghasilkan Si(OH)₄ - Reaksi Kondensasi untuk menghasilkan sol silika

Precursor Water-Glass

Reaksi yang terjadi terdiri dari 2 jenis : - Reaksi Pertukaran ion menghasilkan Si(OH)₄ - Reaksi Kondensasi untuk menghasilkan sol silika

Penyeragaman Kondisi

1. Konsentrasi SiO₂ dalam masing-masing precursor yaitu 1,07 %. Konsentrasi ini dipilih karena dalam pembuatan sol silika yang lebih pekat dari 1,07%, precursor water glass akan berubah fase dari liquid menjadi solid (gel).

2. Aging time dan aging temperature. Dipilih waktu aging yakni 1 jam pada temperature 50 °C.

3. Konsentrasi modifying agent. Modifying agent yang digunakan adalah TMCS dengan konsentrasi 10% dalam solvent n-Hexane.

4. Lama dan Suhu modifikasi. Dipilih waktu modifikasi kaca adalah 9 jam pada Suhu 50o_C.

Uji Thermal Lapisan Hidrofobik

90 100 110 120 130 140 150 160 170 0 1 2 3 4 Su d u t ko n ta k (d e ra ja t)

Waktu pemanasan (jam)

120°C 140°C 160°C 180°C 200°C

Kecenderungan penurunan tingkat hidrofobisitas (Water-glass dan TEOS) seiring dengan lama pemanasan dan suhu pemanasannya yang tidak lebih dari 30 derajat. Fenomena ini disebabkan gugus alkil pada suface modifying agent berupa TMCS baru lepas pada kisaran

suhu pemanasan 400°C (Seunghun, 2006)

90 100 110 120 130 140 150 160 170 0 1 2 3 4 Su d u t ko n ta k (d e ra ja t)

(120o_{C) (140}o_C)

(160o_{C) (180}o_C)

20 40 60 80 100 120 140 160 0 1 2 3 4 Sudut k on ta k (de ra ja t)

Waktu perendaman (jam)

TEOS Water-glass

Asam kuat pekat mampu melarutkan silika sebesar 100 – 150 ppm, maka kebanyakan silika dari TEOS akan larut dan mengakibatkan kaca yang terlapisi

20 40 60 80 100 120 140 160 0 1 2 3 4 Sud ut k on ta k (der aj at )

Waktu perendaman (jam)

TEOS Water-glass

Sabun merupakan surface active agent atau lebih dikenal dengan surfaktan yang

berfungsi untuk menurunkan tegangan permukaan air sehingga sudut kontak tetesan air pada permukaan kaca yang terlapisi silika cenderung turun

Variabel Pensil

Jenis Precursor

Water glass TEOS

Sebelum Sesudah Sebelum Sesudah

H 2 H 3 H 4 H 5 H 6 H 100 µm 100 µm Sebelum Penggoresan Setelah Penggoresan

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 %T Panjang Gelombang (nm) Water-glass SiO2 1,07% TEOS SiO2 1,07%

Blanko (Tanpa Pelapisan)

% transmitan pada kaca yang terlapisi silika berbasis TEOS cenderung lebih transparan dibandingan dengan kaca berbasis water glass. Ukuran partikel dari silika berbasis water glass yang relative lebih besar sehingga menjadikan

kaca yang terlapisi relatif lebih buram

1. Kaca hidrofobik dari precursor water glass secara uji thermal

(pemanasan) memiliki tingkat stabilitas yang hampir sama dengan

kaca hidrofobik dari precursor TEOS.

2. Kaca hidrofobik dari precursor water glass lebih stabil terhadap

kondisi asam bila dibandingkan dengan kaca hidrofobik dari

precursor TEOS.

3. Kaca hidrofobik dari precursor TEOS maupun water glass sama-sama

mengalami penurunan hidrofobisitas ketika diberi larutan sabun.

4. Lapisan silika berbasis water glass pada kaca bersifat lebih stabil

secara mekanik (gores) dibandingkan dengan lapisan silika berbasis

TEOS.

5. Kaca yang telapisi water glass memiliki tingkat transparansi lebih

rendah bila dibandingkan dengan transparansi kaca yang terlapisi

Lapisan hidrofobik berbasis water glass pada

kaca memiliki tingkat stabilitas yang hampir

sama dengan lapisan hidrofobik berbasis

TEOS, sehingga water glass dapat dijadikan

alternatif precursor lapisan hidrofobik pada