Pengaruh Variasi Komposisi Al2O3 Terhadap Sifat Fisis, Mekanis, Struktur Mikro, dan Fasa dalam Pembuatan Keramik Berbasis Bentonit dan Glass Bead

(1)

PENGARUH VARIASI KOMPOSISI Al

2

O

3

TERHADAP SIFAT

FISIS, MEKANIS, STRUKTUR MIKRO, DAN FASA

DALAM PEMBUATAN KERAMIK BERBASIS BENTONIT

DAN

GLASS BEAD

SKRIPSI

NURDINA

130801091

DEPARTEMEN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

(2)

PENGARUH VARIASI KOMPOSISI Al2O3 TERHADAP SIFAT FISIS,

MEKANIS, STRUKTUR MIKRO, DAN FASA DALAM PEMBUATAN KERAMIK BERBASIS BENTONIT DAN GLASS BEAD

SKRIPSI

Diajukan untuk melengkapi tugas dan memenuhi syarat mencapai gelar Sarjana Sains

NURDINA 130801091

DEPARTEMEN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

(3)

LEMBAR PENGESAHAN

PENGARUH VARIASI KOMPOSISI Al2O3 TERHADAP SIFAT FISIS,

MEKANIS, STRUKTUR MIKRO, DAN FASA DALAM PEMBUATAN

KERAMIK BERBASIS BENTONIT DAN GLASS BEAD

OLEH:

NURDINA

NIM : 130801091

Disetujui Oleh:

Komisi Pembimbing

Pembimbing 1, Pembimbing 2,

(Eko Arief Setiadi, M.Sc) (Prof. Dr. Zuriah Sitorus, MS)

NIP : 198804192015021002 NIP : 195607261984032001

Diketahui Oleh:

Departemen Fisika FMIPA USU Pusat Penelitian Fisika-Lipi

Ketua, Kepala,

(Dr. Perdinan Sinuhaji, MS) (Dr. Bambang Widiyatmoko, M.Eng)

(4)

PERSETUJUAN

Judul : Pengaruh Variasi Komposisi Al2O3 Terhadap Sifat Fisis,

Mekanis, Struktur mikro, dan Fasa dalam Pembuatan

Keramik Berbasis Bentonit dan Glass Bead

Kategori : Skripsi

Nama : Nurdina

Nomor Induk Mahasiswa : 130801091

Program Studi : Sarjana (S1) Fisika

Departemen : Fisika

Fakultas : Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam

Universitas Sumatera Utara

Disetujui di

Medan, Juni 2017

Komisi Pembimbing

Pembimbing 2 Pembimbing 1

Prof. Dr. Zuriah Sitorus, MS Eko Arief Setiadi, M.Sc NIP. 195607261984032001 NIP. 198804192015021002

Disetujui Oleh

Departemen Fisika FMIPA USU

Ketua

(5)

PERNYATAAN

SKRIPSI

Saya mengakui bahwa skripsi ini adalah hasil karya sendiri. Kecuali beberapa

kutipan dan ringkasan yang masing-masing disebutkan sumbernya.

Medan, Juni 2017

NURDINA

(6)

PENGHARGAAN

Alhamdulillah, Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Allah SWT atas

segala anugerah dan karunia-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan penyusunan

skripsi ini dengan judul “Pengaruh Variasi Komposisi Al2O3 Terhadap Sifat Fisis,

Mekanis, Struktur mikro, dan Fasa dalam Pembuatan Keramik Berbasis Bentonit dan

Glass Bead” yang dilaksanakan di Laboratorium Keramik P2F LIPI Serpong

Tangerang Selatan sesuai dengan waktu yang ditetapkan. Skripsi ini disusun untuk

memenuhi kewajiban penulis sebagai salah satu syarat untuk mendapatkan gelar

Sarjana Sains program studi Fisika di Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan

Alam Universitas Sumatera Utara.

Rasa hormat dan terimakasih penulis ucapkan kepada kedua orang tua

tercinta Ayahanda Wan Alfiansyah dan Ibunda Sutrisnawati yang telah memberikan

kasih sayang, doa dan memenuhi segala kebutuhan penulis selama ini baik moral

maupun materi. Penulis juga mengucapkan terimakasih kepada kakak dan adikku

tersayang Husna Agus Prilla, S.Pd dan Wan Alfisyahri serta keluarga besar atas

semua motivasi dan semangatnya kepada penulis.

Tersusunnya skripsi ini tidak terlepas dari bantuan dan dukungan dari

berbagai pihak, sehingga dengan kerendahan hati ini penulis ingin menyampaikan

terimakasih dan penghargaan yang sebesar-besarnya kepada Dr. Kerista Sebayang,

MS selaku Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas

Sumatera Utara, Dr. Perdinan Sinuhaji, MS dan Awan Maghfirah, S.Si., M.Si selaku

Ketua dan Sekretaris Departemen Fisika Universitas Sumatera Utara beserta seluruh

Staf Pengajar dan Pegawai Departemen Fisika Universitas Sumatera Utara.

Terimakasih penulis sampaikan kepada Eko Arief Setiadi, M.Sc dan Prof. Dr.

Zuriah Sitorus, MS selaku Dosen pembimbing yang telah meluangkan waktu, tenaga,

dan pikiran untuk membimbing penulis selama penyusunan skripsi ini. Terimakasih

kepada Prof. Perdamean Sebayang, Ir. Muljadi M.Si, dan Candra Kurniawan M.Si,

selaku pembimbing lapangan yang telah banyak memberi masukan penulis dalam

menyempurnakan tugas akhir ini, serta Pak Lukman, Pak Ahmad, dan Buk Ani yang

(7)

Terimakasih kepada Dr. Anwar Dharma S., MS dan Awan Maghfirah, S.Si.,

M.Si selaku Dosen Penguji yang telah memberikan panduan dan masukan dalam

penyelesaian Tugas Akhir ini, serta seluruh Rekan Laboratorium Fisika Atom,

terkhusus Bapak Dr. Achiruddin, M.S, selaku kepala Laboratorium dan rekan sesama

asisten (Nanda, Dini, Popi, Eka, Erianto, dan Zul Imri). Untuk sahabat-sahabatku di

Fisika Universitas Sumatera Utara terkhusus “DNDO” (Dini Rizqi Dwi, Fernanda

dan Roza Rezeki Zulwita), Andi Pratama, Almizan Ridho, Muhammad Irvan

Khairiza, Erianto Simatupang dan Dwi Purnomo BM yang saling berjuang,

membantu, mendoakan dan memberikan semangat selama masa perkuliahan dan

dalam penyelesaian skripsi ini. Untuk rekan seperjuangan di P2F-LIPI (Oza, Eri,

Nisa, Adinda, Santa, Ipit, Yara, Andini, Niko, Zul Imri, Suci wulansari), terimakasih

telah menghibur dan menyemangati penulis selama proses penelitian di P2F-LIPI.

Terimakasih untuk teman, adik, dan saudaraku yaitu Iis, Komala, Icha, Inas,

Anisa, Memei, Hasan, Rangga, dan Titan yang telah memberikan kesan dan

kenangan manis bagi penulis selama penelitian di P2F LIPI. Terimakasih kepada

kakak senior Fisika USU 2011 (Kak Meilia, Kak Shelly, Kak Yuni, Kak Kartika,

Kak Rani), teman-teman Fisika USU 2013, Adik-adik Fisika USU angkatan 2014

dan 2015 yang telah mendoakan dan memberikan semangat dalam penyusunan

skripsi ini, dan terakhir untuk Almamaterku.

Akhir kata dengan kerendahan hati penulis mengharapkan semoga hasil

skripsi ini dapat memberikan sumbangan pikiran yang berguna bagi fakultas dan

pengembangan ilmu pengetahuan. Penulis juga menyadari masih banyak kekurangan

dalam skripsi ini, baik dalam teori maupun penulisannya. Oleh karena itu, penulis

mengharapkan saran dan kritik dari pembaca demi penyempurnaan skripsi ini dan

demi perbaikan bagi penulis.

Medan, Juni 2017

(8)

ABSTRAK

Telah dilakukan pembuatan keramik berbasis bentonit dan glass bead dengan variasi komposisi Al2O3 dalam %berat. Proses preparasi bahan menggunakan metode metalurgi serbuk dengan komposisi bentonit : glass bead : Al2O3 adalah 50:50:0 ; 45:45:10 ; 40:40:20 ; 35:35:30 %berat dan campuran serbuk tersebut kemudian digiling basah dengan media toluena menggunakan HEM selama 2 jam. Sampel serbuk kemudian dikeringkan didalam oven pada suhu 100oC selama 24 jam dan dikarakterisasi meliputi pengujian true density dan Particle Size Analyzer (PSA). Kemudian sampel serbuk dicetak tekan dengan tekanan 80 kgf/cm2 pada suhu ruang menjadi pelet dengan diameter 16 mm, tebal 6 mm, dan massanya 2,5 gram. Sampel pelet kemudian disintering hanya pada suhu 900oC dengan penahanan selama 4 jam dan dikarakterisasi meliputi : pengujian sifat fisis yaitu bulk density, porositas, dan

water absorption dengan prinsip Archimedes. Pengujian sifat mekanis yaitu kekerasan dengan metode Hardness Vickers (HV). Analisa struktur mikro dan fasa menggunakan Optical Microscope (OM) dan X-Ray Diffraction (XRD). Hasil pengujian menunjukkan nilai true density, bulk density, dan kekerasan cenderung semakin meningkat sedangkan nilai porositas dan water absorption cenderung semakin menurun dengan penambahan Al2O3 yang semakin banyak. Kondisi optimum diperoleh pada penambahan 30 %berat Al2O3 yang menghasilkan nilai true

density 2,32 g/cm3,bulk density 2,39 gr/cm³, porositas 5,57 %, water absorption 2,46 %, kekerasan 631,76 kgf/mm², dan ukuran rata-rata diameter partikel 4,27 µ m. Hasil analisis menggunakan XRD terdapat 2 fasa yang terbentuk yaitu fasa mayor

anorthite (Al2CaSi2O8) dan fasa minor microline (KalSi3O8).

(9)

THE EFFECT OF COMPISITION VARIOUS Al2O3 TO PHYSICAL

PROPERTIES, MECHANICAL, MICROSTRUCTURE, AND PHASE IN MANUFACTURING CERAMICS BASED ON BENTONITE AND

GLASS BEAD

ABSTRACT

Has been made the manufacture of ceramics based on bentonite and glass bead with various of composition Al2O3 in wt%. The process of preparation material by using powder metallurgy method with composition of bentonite : glass bead : Al2O3 are 50:50:0 ; 45:45:10 ; 40:40:20 ; 35:35:30 wt% and then the powder mixture was wet milling with toluene media using HEM for 2 hours. Then powder sample was dried in the oven at 100oC for 24 hours and characterized including true density and Particle Size Analyzer (PSA). Next powder sample was compressed with pressure 80 kgf/cm2 in room temperature into a pellet with diameter 16 mm, thickness 6 mm, and mass 2,5 grams. Then pellet sample was sintered only at 900oC with 4 hours detention and characterized including : Physical properties testing is bulk density, porosity, and water absorption by using Archimedes principle. Testing mechanical properties namely hardness by using Hardness Vickers (HV) method. Analysis of microstructure and phase used Optical Microscope (OM) and X-Ray Diffraction. The test result showed value of true density, bulk density, and hardness tends to increase while the porosity value and water absorption tends to decrease with the addition of Al2O3 more a lot. The optimum condition was obtained in addition of 30 wt% of Al2O3 which resulted the value of true density 2,32 g/cm3,bulk density 2,39 gr/cm³, porosity 5,57 %, water absorption 2,46 %, hardness 631,76 kgf/mm², and averages size of particle diameter 4,27 µ m. The result of analysis by using XRD there are 2 phases which formed namely major anorthite (Al2CaSi2O8) phase and microline minor phase (KalSi3O8).

(10)

DAFTAR ISI

2.2.2 Sifat Fisik dan Kimia Bentonit 8

2.2.3 Aplikasi Bentonit 8

2.5 Metode Pembuatan Keramik 12

2.6 Proses Kompaksi 13

2.7 Proses Sintering 13

2.8 Karakterisasi Sifat Fisis 15

2.8.1 Densitas 15

2.8.2 Porositas 16

(11)

2.8.4 Particle Size Analyzer (PSA) 17

2.9 Karakterisasi Struktur mikro 18

2.9.1 Optical Microscope (OM) 18

2.9.2 X-Ray Diffraction (XRD) 19

2.10 Karakterisasi Sifat Mekanis 21

2.10.1 Kekerasan (Hardness Vickers) 21

2.10.2 Microhardness test 22

BAB 3 METODE PENELITIAN

3.1 Tempat dan Waktu Penelitian 23

3.1.1 Tempat Penelitian 23

3.1.2 Waktu Penelitian 23

3.2 Alat dan Bahan Penelitian 23

3.2.1 Alat Penelitian 23

3.2.2 Bahan Penelitian 25

3.3 Diagram Alir Penelitian 26

3.4 Prosedur Penelitian 27

3.4.1 Preparasi Sampel 27

3.4.7.1 Pengujian Setelah Milling (Serbuk)

a. True Density 30

b. Particle Size Analyzer (PSA) 31

3.4.7.2 Pengujian Setelah Sintering (Pelet)

a. Bulk Density 32

b. Porositas dan Water absorption 33

c. Optical Microscope (OM) 34

d. X-Ray Diffraction (XRD) 34

e. Kekerasan (Hardness Vickers) 35

BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Pengujian setelah milling (serbuk) 36

4.1.1 Pengujian True Density 36

4.1.2 Particle Size Analyzer (PSA) 37

4.2 Pengujian Sifat Fisis 40

4.2.1 Pengujian Bulk Density 40

4.2.2 Pengujian Porositas 41

4.2.3 Pengujian Water absorption 43

4.3 Analisis struktur mikro menggunakan Optical Microscope 44

4.4 Analisis X-Ray Diffraction (XRD) 45

(12)

BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan 49

5.2 Saran 49

DAFTAR PUSTAKA 50

(13)

DAFTAR TABEL

Nomor

Tabel Judul Halaman

1 Komposisi Kimia dari Bentonit 8

2 Komposisi oksida dari Soda lime glass 10

3 Karakteristik Alumina 11

4 Komposisi bahan bentonit, glass bead, dan Al2O3 27

5 Data hasil pengujian true density 36

6 Data hasil pengujian bulk density 40

7 Data hasil pengujian porositas 42

8 Data hasil pengujian water absorption 43

9 Hasil pengujian kekerasan (Hardness Vickers) 46

(14)

DAFTAR GAMBAR

Nomor

Gambar Judul Halaman

1 Reaksi penguraian gelatin Al(OH)3 dan bohmit AlOOH 11 2 Perubahan struktur mikro pada saat sintering 14 3 Prinsip dasar analisa besar butir menggunakan laser 18

4 Bagian-bagian Optical Microscope 19

5 Skema alat difraksi sinar-X (X-ray Diffraction) 20 6 Difraksi sinar-X oleh atom-atom pada bidang 20

7 Skema Pengujian Hardness Vickers 22

8 Diagram Alir Penelitian 26

9 Diagram pemanasan dan pendinginan sampel dalam furnace 29

10 Piknometer isi serbuk dan toluena 30

11 Particle Size Analyzer (PSA) merk Cilas 1190 31

12 Peralatan Archimedes 32

13 Sampel direbus dengan magnetic stirrer 33

14 Optical microscope (OM) 34

15 X-Ray Diffraction (XRD) 35

16 Microhardness Tester dengan metode pengukuran vickers 35

17 Hubungan antara true density bentonit dan glass bead

terhadap penambahan Al2O3 secara eksperimen dan teori

37

18 Grafik hubungan antara distribusi partikel terhadap ukuran diameter partikel campuran bentonit dan glass bead dengan penambahan 0 wt% Al2O3 (a) 10 wt% Al2O3 (b) 20 wt% Al2O3 (c) dan 30 wt% Al2O3 (d)

38

19 Hubungan antara bulk density bentonit dan glass bead

terhadap penambahan Al2O3 yang disinter pada suhu 900oC selama 4 jam

41

20 Hubungan antara porositas bentonit dan glass bead terhadap penambahan Al2O3 disinter pada suhu 900oC selama 4 jam

42

21 Hubungan antara water absorption bentonit dan glass bead

43

22 Gambar morfologi permukaan keramik berbasis bentonit dan glass bead yang disinter pada suhu 900oC selama 4 jam dengan penambahan 0 wt% Al2O3 (a) 10 wt% Al2O3 (b) 20 wt% Al2O3 (c) dan 30 wt% Al2O3 (d) pada perbesaran 400x

44

23 Pola difraksi sinar-X pada keramik bentonit dan glass bead

dengan penambahan 0 dan 30 wt% Al2O3 yang disinter pada suhu 900⁰ C selama 4 jam

45

24 Hubungan antara kekerasan bentonit dan glass bead

(15)

DAFTAR LAMPIRAN

Nomor

Lamp Judul Halaman

1 Alat dan Bahan Penelitian 52

2 Proses Pembuatan Sampel Keramik 58

3 Data Hasil Pengujian Sifat Fisis 61

4 Data Hasil Particle Size Analyzer (PSA) 65

5 Gambar Hasil Optical Microscope (OM) 69

6 Data Hasil X-Ray Diffraction (XRD) 71

(16)

DAFTAR SINGKATAN

Al2O3 : Aluminium oksida

ASTM : American Standard Testing and Material HEM : High Energy Milling

HV : Hardness Vickers OM : Optical microscope PSA : Particle Size Analyzer SiO2 : Silikon Dioksida

TFHT : Thermolyne Furnace High Temperature UTM : Universal Testing Machines