LAPORAN PRAKTIKUM ILMU MATERIAL I
Topik : Setting Expansion Bahan Tanam Gypsum Bonded berdasarkan W:P Ratio Grup : A4a
Tgl. Praktikum : 29 Mei 2012
Pembimbing : Sri Yogyarti, drg., MS
Penyusun :
1. Rizki Widyakartika Yuniarti 021111057 2. Nur Indah Metikasari 021111058 3. Rahmah Ayu D. 021111059 4. Erlina Rachmawati 021111060 5. Nia Pramais Octaviani 021111061 6. Jennifer Widjaja 021111062
7. Suryani 021111063
8. Nadya Soraya Auliyah 021111064
DEPARTEMEN MATERIAL KEDOKTERAN GIGI FAKULTAS KEDOKTERAN GIGI
UNIVERSITAS AIRLANGGA 2012
1. Tujuan
Mahasiswa dapat memanipulasi bahan tanam tuang dengan cara yang tepat dan dapat membedakan setting expansion bahan tanam tuang gypsum bonded dengan variasi w/p ratio.
2. Alat dan Bahan 2.1.Bahan :
a. Bahan tanam gypsum bonded (w:p = 15:43, 15:45, 18:43) b. Air PAM
c. Vaselin
Gambar a. bubuk bahan Gambar b. Air PAM Gambar c. Vaselin tanam gypsum bonded
2.2.Alat a. Mangkuk karet b. Spatula c. Gelas ukur d. Stopwatch e. Timbangan analitik f. Gelas Plastik g. Dial indicator h. Pisau gypsum i. Pisau model j. Pisau malam k. Sonde l. Ekstensometer m. Sendok Plastik n. Botol Plastik
o. Penggaris
Gambar a. Mangkuk karet Gambar b. Spatula Gambar c. Gelas ukur
Gambar d. Stopwatch Gambar e,f. Timbangan Analitik Gambar g. Dial indicator dan gelas plastik
Gambar h. Pisau Gypsum Gambar i. Pisau Model Gambar j. Pisau Malam
Gambar k. Sonde Gambar l. Ekstensometer Gambar m. Sendok Plastik
3. Cara Kerja
a. Alat dan bahan praktikum dipersiapkan terlebih dahulu.
b. Bagian dalam cetakan bahan tanam tuang gypsum bonded pada ekstensometer diolesi vaselin secara merata.
c. Alat uji ekstensometer disiapkan, kemudian dial indicator dipasang pada posisi yang tepat dengan jarum menunjuk ke angka nol.
d. Bubuk bahan tanam tuang gypsum bonded ditimbang seberat 43 gr dan air sebanyak 15 ml disiapkan.
e. Air dituangkan ke dalam mangkuk karet, selanjutnya bahan tanam dituang sedikit demi sedikit dan biarkan mengendap selama 30 detik untuk menghilangkan gelembung udara.
f. Adonan bahan tanam tuang gypsum bonded dan air diaduk sampai homogen selama 1 menit / 120 putaran bersamaan dengan itu mangkuk karet diputar perlahan-lahan.
g. Adonan bahan tanam tuang gypsum bonded dituang ke dalam cetakan (tanpa merubah posisi cetakan dan jarum dial indicator), kemudian permukaannya diratakan dengan spatula gips/pisau malam.
h. Panjang awal cetakan bahan tanam tuang gypsum bonded diukur pada alat ekstensometer.
i. Terjadinya ekspansi bahan tanam tuang gypsum bonded diamati dan dicatat pada penujuk mikrometer pada dial indicator setiap interval 10 menit sampai menit ke 60.
j. Percobaan diatas diulangi sebanyak 2 kali dengan rasio yang berbeda, yaitu bahan tanam gypsum bonded sebanyak 46 gr dengan air sebanyak 15 ml, dan bahan tanam gypsum bonded sebanyak 43 gr dengan air sebanyak 18 ml.
Gambar e. Bubuk dibiarkan mengendap Gambar f. Saat pengadukan Gambar g. Penuangan adonan ke cetakan
Gambar h. Pengukuran awal Gambar i. Pengamatan pada dial indicator dengan interval 10 menit sampai menit ke 60
4. Hasil Praktikum
Tabel 1. Hasil Perhitungan Setting Expansion pada Bahan Tanam Tuang
Perubahan:
W/P (ml/gr) Jumlah putaran / menit Panjang awal (mm)
Waktu (menit ke-) / pertambahan panjang
(mm) Panjang Akhir (mm) Perubahan (%) 10 20 30 40 50 60 15/46 kental 68 137 0 0 0.15 0.28 0.34 0.36 137.36 0.263 15/43 normal 120 133 0 0 0.13 0.27 0.34 0.38 133.38 0.286 18/43 encer 112 135 0 0 0 0.01 0.03 0.05 135.05 0.037
Grafik Perbandingan Setting Expansion dengan variabel W/P Rasio
Keterangan :
- Expansi bahan tanam tuang diukur dengan : angka yang ditunjukkan pada jarum indikator x 0,01. Hasil yang didapat merupakan pertambahan panjang dalam mm - Pengukuran panjang awal dan akhir pada cetakan dengan menggunakan penggaris
5. Pembahasan
Bahan tanam adalah bahan yang dipakai untuk menanam model malam pada proses pembuatan restorasi dari logam, sehingga setelah dilakukan burn out (buang malam) didapatkan mould atau rongga tuang, selanjutnya rongga tersebut dituangi logam cair dan akan menghasilkan tuangan logam dengan bentuk sama seperti model malam. Berdasarkan titik cair logam, bahan tanam tuang terbagi menjadi beberapa jenis yaitu gypsum bonded, phosphate bonded, dan silica bonded.
Gypsum bonded adalah bahan tanam yang paling umum digunakan dalam pengecoran dental alloy emas dengan suhu liquidus tidak lebih tinggi dari 1.080°C, yang biasanya digunakan untuk inlay emas, mahkota, dan gigi palsu sementara dan permanen sebagian. Karena kecenderungannya untuk terurai pada suhu tinggi, bahan ini tidak cocok untuk pengecoran alloy emas yang titik leburnya tinggi, alloy paladium (digunakan untuk copings dalam alloy keramik restorasi), atau alloy logam paling dasar, seperti nikel-kromium dan kobalt-krom. (O’Brian 2002, hal 89)
Gypsum bonded diklasifikasikan oleh International Standards Organization (1990) menjadi 3 tipe, yaitu:
Tipe 1: jenis Ekspansi termal, untuk inlays casting dan mahkota
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 10 20 30 40 50 60 menit ke - 15/46 15/43 18/43
Tipe 2: Tipe ekspansi higroskopis, inlays untuk casting dan mahkota Tipe 3: Untuk pengecoran basis gigi tiruan lengkap dan sebagian.
Beberapa bahan, diklasifikasikan oleh produsen sebagai produk "universal," yang diklaim sebagai bahan yang cocok untuk casting semua restorasi alloy emas. (O’Brian 2002, hal 89)
Gambar 1. Klasifikasi gipsum bonded (O’Brian 2002, hal 89)
Tabel 1. Tipe gipsum bonded (O’Brian 2002, hal 90)
Tipe Contoh
Inlay investment, thermal expansion (ISO type 1) Inlay investment, thermal expansion, rapid heat (ISO type 1)
Inlay investment, hygroscopic expansion (ISO type 2)
Denture investment (ISO type 3)
Cristobalite Inlay (Kerr/ Sybron) Cristoquick (GC)
Beauty-Cast (Whip Mix)
R&R Gray (Dentsply/ Ransom and Randolph)
Bahan tanam tuang gipsum bonded ini adalah bubuk yang dicampur dengan air dan terdiri dari campuran silika (SiO2) dan kalsium sulfat hemihydrate (produk gipsum) bersama-sama dengan komponen kecil lainnya termasuk grafit bubuk atau bubuk tembaga dan berbagai modifikasi untuk mengontrol setting time. (Mc Cabe 2008, hal 47)
Semua gipsum bonded pada dasarnya terdiri dari bahan pengisi yang refraktori dan binder. Kemungkinan juga terdapat sejumlah kecil (kurang dari 5%) bahan modifikasi yang penting. Bahan refraktori yang terkandung pada gipsum bonded adalah polimorf dari silika (SiO2). Persentase bahan refraktori dalam gipsum bonded biasanya berkisar antara 55% sampai 75% (O’Brian 2002, hal 90). Bahan ini juga berfungsi sebagai substansi pengeras (Oktavian Lubis 2003, hal 17). Silica mempunyai sususan kristal yang berbeda-beda, yaitu: 1. Cristobalite
2. Quarts (O’Brian 2002, hal 90).
Bahan refraktori juga dapat berbentuk campuran cristobalite dan quarts. (O’Brian 2002, hal 90). Penambahan bahan refraktori akan memperbesar ekspansi sewaktu pemanasan. Besarnya ekspansi dari masing-masing bentuk kristal berbeda, yaitu:
1. Cristobalite memberikan ekspansi sebesar 1,6% pada temperatur 400°C. 2. Quarts 1,4% pada temperatur 600°C.
Silica juga dapat mengatur thermal expansi dan mencegah pecahnya bahan investment selama pemanasan (Oktavian Lubis 2003, hal 17).
Binder material yang dipergunakan untuk gipsum bonded adalah alpha kalsium sulfat hemihydrat, dalam bentuk plester atau batu (O’Brian 2002, hal 90). Banyaknya binder dalam gipsum bonded berkisar 25% - 40%. Sebagai binder, alpha kalsium sulfat hemihydrat mengikat zat-zat lain secara bersamaan. Kekuatan dari dental invesment tergantung dari banyak dan sedikitnya kandungan binder di dalamnya. Sewaktu air dicampur dengan investment, air akan bereaksi dengan alpha kalsium sulfat hemihydrat membentuk alpha kalsium dihydrat. Pada tahap permulaan proses pemanasan, kelebihan air akan menguap. Akibat pemanasan, gipsum akan mengalami kontraksi dan ekspansi. Reaksi yang terjadi adalah: (Oktavian Lubis 2003, hal 17)
CaSO4.½H2O + 1½H2O --> CaSO4.2H2O + panas
Hemihydrat dihydrat (gipsum)
Zat-zat lain yang terkandung dalam gipsum bonded banyaknya sekitar 5% yang berguna untuk memperbaiki keadaan-keadaan fisikalnya. Zat-zat lain tersebut adalah:
1. Modifiying agents
Bahan ini dapat mencegah penyusutan dari gipsum ketika dipanaskan diatas 33°C. Contoh bahan ini adalam asam boraks dan sodium chloride.
2. Reducing agents
Bahan ini berupa carbon yang berguna untuk mengurangi tekana udara di dalam mould sewaktu pemanasan dan mengurangi oksidasi yang terjadi pada metal. Reducing agent yang biasa terdapat pada investment adalah graphite.
3. Copper powder.
4. Mg Oxyde (Oktavian Lubis 2003, hal 17).
Ketika bahan tanam tuang setting, silika tidak terpengaruh; pengikat hemihydrate berikatan dengan air untuk membentuk dihidrat (gipsum) seperti yang terjadi pada proses
setting gipsum produk lainnya. Reaksi saat setting sama dengan yang ditunjukkan pada bahan cetak gipsum. Setting bahan tanam terdiri dari partikel halus silika yang melekat pada suatu kumpulan yang lebih kecil yang saling terkait dengan kristal gipsum acicular. (O’Brian 2002, hal 90)
Mikrostruktur bahan tanam gipsum bonded yaitu partikel-partikel besar merupakan kristobalit; kristal acicular kecil gipsum yang terbentuk selama setting. (O’Brian 2002, hal 91)
Bahan tanam tuang gypsum bonded dapat mengalami setting expansion. Campuran dari silika dan gipsum menghasilkan setting expansion yang lebih besar dari setting expansion produk gipsum yang digunakan sendiri. Ukuran partikel kalsium sulfat hemihidrat mempunyai efek yang kecil pada hygroscopic expansion, sedangkan ukuran partikel silika mempunyai efek yang signifikan. Partikel silika yang semakin baik menyebabkan setting dan higroscopic expansion yang lebih tinggi (Powers, 2006). Partikel-partikel silika akan bercampur dengan kristal interlocking dan intermeshing ketika mengalami pembentukan, sehingga selama pembentukan terdapat tekanan pada kristal. Setting ekspansi dapat diatur dengan menambahkan retarder atau akselerator. (Powers, 2006)
Ekspansi setting diukur dengan menggunakan sebuah bak khusus dengan ujung pelat yang dapat bergerak, mendorong sebuah extensometer. Bahan campuran dituangkan ke dalam bak dan saat mengeras dan mengembang extensometer dapat bergeser, memberikan nilai ekspansi linier. Nilai ekspansi maksimum adalah 0,15% untuk bahan tipe 1 dan 4 dan 0,30% untuk bahan tipe 2 dan 5. Bahan tipe 3 memiliki ekspansi maksimum 0,20%. Beberapa produk individu memiliki nilai ekspansi jauh lebih rendah. (Mc Cabe 2008, hal 36)
Ekspansi yang mengimbangi diperoleh dengan kombinasi ekspansi setting, ekspansi termal dan ekspansi yang terjadi ketika silika mengalami inversi pada temperatur tinggi.
Ekspansi higroskopis dapat digunakan untuk melengkapi ekspansi setting bahan gypsum bonded. Ini juga mungkin untuk bahan phosphate bonded tetapi jarang digunakan dalam praktik untuk produk ini. Ekspansi setting dari bahan gypsum bonded khas adalah dalam orde 0,3% yang dapat meningkat menjadi sekitar 1,3% oleh ekspansi higroskopis. (Mc Cabe 2008, hal 51)
Tujuan adanya setting expansion adalah untuk membantu pemuaian mold untuk mengkompensasi penyusutan logam. Apabila bahan tanam tuang setting dengan udara di sekelilingnya, ekspansi ini disebut dengan normal setting expansion. Sedangkan apabila adonan bahan tanam tuang setting dengan kontak dengan cair, ekspansinya akan jauh lebih besar dan disebut dengan hygroscopic setting expansion. (Powers, 2006)
Perubahan fisik lain yang menyertai setting adalah ekspansi kecil yang disebabkan oleh dorongan yang keluar dari kristal tumbuh. Tingkat maksimum ekspansi terjadi pada saat suhu meningkat paling cepat. Ekspansi ini, pada kenyataannya, hanya terlihat sejak set berisi bahan dengan volume porositas besar. Jika material ditempatkan dalam air pada tahap set awal, ekspansi jauh lebih banyak terjadi selama setting. Ekspansi ini meningkat disebut ekspansi higroskopis dan kadang-kadang digunakan untuk meningkatkan setting ekspansi bahan tanam gipsum bonded. (Mc Cabe, 2008 hal 36)
Mekanisme terjadinya hygroscopic expansion berhubungan dengan normal setting expansion yang muncul ketika adonan bahan tanam tuang set dan kontak dengan udara. Dasar dari mekanisme ini berada pada tegangan permukaan dari air campuran dan dapat dijabarkan sebagai berikut. Setelah adonan bahan tanam tuang tercampur, air mengelilingi komponen bahan tanam tuang setting. Sebagai reaksi dari calcium sulfate binder, air di sekelilingnya berkurang dan menyebabkan adanya kristal gipsum berbenturan pada permukaan dari sisa air yang oleh tegangan permukaan pertumbuhan kristal dihambat. Ketika air yang dibutuhkan untuk reaksi habis digunakan dan reaksinya selesai, pertumbuhan kristal gipsum berhenti (Powers, 2006).
Faktor yang berpengaruh terhadap setting expansion: 1. ukuran partikel silika
2. silica/binder ratio 3. water/powder ratio 4. spatulation
5. usia bahan tanam tuang 6. water-bath technique
Ukuran partikel kalsium sulfat hemihidrat berpengaruh kecil terhadap hygroscopic expansion sedangkan ukuran partikel silika mempunyai pengaruh yang signifikan. Silika yang lebih baik menghasilkan setting dan hygroscopic expansion yang lebih tinggi (Powers, 2006).
Silica/binder ratio juga berpengaruh terhadap setting expansion. Bahan tanam tuang biasanya mengandung 65% sampai 75% silika, 25% sampai 35% kalsium sulfat hemihidrat, dan sekitar 2% sampai 3% zat kimia tambahan untuk mengontrol sifat fisis yang berbeda dan untuk memberi warna bahan tanam tuang (Powers, 2006). Apabila silica/stone ratio dinaikkan, hygroscopic expansion dari bahan tanam tuang juga akan meningkat, tetapi kekuatannya akan menurun. Selain itu, water/powder ratio juga berperan dalam setting expansion. Semakin banyak air pada adonan (semakin cair adonan atau W/P ratio lebih tinggi), normal dan hygroscopic setting expansion berkurang. Thermal expansion pun berkurang apabila adonan lebih encer.
Proses pengadukan mempunyai efek yang sangat besar terhadap setting time dan setting expansion. Semakin banyak jumlah spatulasi (semakin cepat atau semakin lama waktu pengadukan atau keduanya) akan memperpendek setting time. Ketika bubuk dimasukkan ke dalam air, reaksi kimia dimulai dan beberapa kalsium sulfat dihidrat terbentuk. Selama pengadukan, kalsium sulfat dihidrat yang baru terbentuk pecah menjadi kristal yang lebih kecil dan memulai nukleasi dimana kalsium sulfat dihidrat dapat mengendap. Karena penambahan jumah spatulasi menyebabkan nuclei centers terbentuk, konversi dari kalsium sulfat hemihidrat menjadi dihidrat semakin cepat (Powers, 2006). Selain itu, setting expansion juga akan semakin besar.
Usia dari bahan tanam tuang berperan juga dalam setting expansion. Bahan tanam tuang yang sudah berusia dua atau tiga tahun tidak akan memuai seperti bahan tanam tuang yang baru. Oleh sebab itu, container tempat menyimpan bahan tanam tuang harus disimpan tertutup serapat mungkin, terutama apabila bahan tanam tuang disimpan di tempat yang lembab (Powers, 2006).
Implikasi
Pada praktikum bahan tanam gypsum bonded, kami melakukan tiga percobaan pengukuran setting expansion dengan menggunakan ekstensometer yang dilengkapi dial indicator dengan perbandingan w/p rasio yang bervariasi. Setting expansion dilihat selama 10 menit sekali selama satu jam.
Pada percobaan pertama digunakan komposisi water dan powder (w/p rasio) sesuai aturan ADA, yaitu 15 ml : 43 gr. Pada percobaan pertama ini mengalami ekspansi sebesar 0.263%. Pada percobaan pertama ini juga mengalami puncak setting expansion pada menit ke 60. Pada percobaan ini, kami melakukan pengadukan sesuai prosedur yaitu 120 putaran per menit. Hasil yang didapatkan adalah bahan tanam tuang gypsum bonded yang bertekstur halus dan tidak berporus. Flow dan kepadatan yang didapat cukup, sehingga mudah saat dicetak dan dilepaskan dari ekstensometer.
Pada percobaan kedua digunakan komposisi water dan powder (w/p rasio) sesuai aturan ADA, yaitu 15 ml : 46 gr, dalam hal ini powder bertindak sebagai accelerator. Pada percobaan kedua ini mengalami ekspansi sebesar 0,286 %. Pada percobaan kedua ini juga mengalami puncak setting expansion pada menit ke 60. Penambahan powder menghasilkan konsistensi adonan yang lebih kental dibandingkan konsistensi adonan pada percobaan pertama. Semakin banyak powder, maka jumlah partikel silika pada adonan bahan tanam tuang semakin banyak. Jumlah partikel silika yang banyak tersebut menyebabkan adanya pembentukan nuklei kristal meningkat. Selanjutnya, kristal-kristal ini akan berdesakan dan bergerak ke luar selama reaksi pengerasan. Semakin banyak nuklei kristal yang bergerak keluar, ekspansi yang dihasilkan akan semakin besar pula. Pada percobaan kedua ini ekspansi yang dihasilkan seharusnya lebih besar daripada percobaan pertama. Namun ternyata hasil praktikum menunjukkan bahwa ekspansi pada percobaan kedua lebih kecil daripada percobaan pertama. Hal ini disebabkan oleh karena pengaruh dari cara pengadukan bahan tanam tuang. Seharusnya pengadukan mencapai 120 putaran dalam 1 menit, namun dalam percobaan kedua, kami melakukan pengadukan 112 putaran dalam 1 menit. Selain itu, pencampuran yang tidak homogen, dan banyak ikatan antar molekul gypsum yang patah karena pengandukan yang tidak searah. Pencampuran yang tidak homogen mengakibatkan permukaan gypsum bonded porus. Selain itu, karena penyimpanan yang kurang rapat, partikel mudah menguap apabila dibiarkan dalam udara terbuka. Apabila mengacu pada teori, partikel gipsum bersifat sensitive terhadap kelembaban udara.
Pada percobaan ketiga digunakan komposisi water dan powder (w/p rasio) sesuai aturan ADA, yaitu 18 ml : 43 gr, dalam hal ini air bertindak sebagai retarder. Pada percobaan ketiga ini mengalami ekspansi sebesar 0,037%. Pada percobaan ketiga ini juga mengalami puncak setting expansion pada menit ke 60. Penambahan water menghasilkan konsistensi adonan yang lebih encer dibandingkan konsistensi adonan pada percobaan pertama. Jumlah partikel silica yang bertumbukan pada adonan bahan tanam tuang menjadi semakin sedikit
sehingga nuklei kristal yang bergerak keluar semakin sedikit pula, dan ekspansi yang dihasilkan lebih kecil dibandingkan dengan percobaan yang pertama dan kedua.
Nilai percobaan pada praktikum ini seharusnya dapat mencapai nilai setting expansion normal yaitu sekitar 0,3 – 1,3 % (Mc Cabe 2008, hal 51). Akan tetapi, karena pada alat pengukur setting expansion tidak diberi tutup, maka ekspansi yang terjadi tidak hanya linier, tetapi juga secara vertical. Hal ini juga menjadi faktor ketidak akuratan hasil.
Pada praktikum ini, setting expansion bahan tanam tuang gypsum bonded yang diujikan adalah setting expansion yang dipengaruhi oleh rasio w:p. Setting expansion bahan tanam tuang dipengaruhi oleh rasio w:p, cara pengadukan, banyaknya pengadukan, lama pengadukan, suhu, dan kelembapan dari cara penyimpanan. Rasio w:p berbanding terbalik terhadap setting expansion, semakin rendah rasio w:p maka akan semakin besar ekspansinya, begitu juga sebaliknya.
Tingginya rasio w:p mengakibatkan adonan bahan tanam tuang semakin encer karena mengandung banyak air sehingga menyebabkan tumbukan silika akan semakin sedikit dan pembentukan kristal-kristal nuklei juga sedikit pula, sehingga ekspansinya akan menjadi semakin kecil.
Suhu pun berpengaruh pada setting expansion bahan tanam tuang, karena penggunaan bahan tanam tuang gypsum bonded digunakan pada suhu dibawah 1200o C, semakin tinggi suhu nya maka setting expansion akan semakin cepat pula.
Kelembapan dari cara penyimpanan juga dapat mempengaruhi setting expansion. Bahan tanam tuang yang lama disimpan selama dua atau tiga tahun tidak akan memuai seperti bahan tanam tuang yang baru karena terpengaruh udara luar. Oleh sebab itu, tempat menyimpan bahan tanam tuang harus tertutup serapat mungkin, terutama disimpan di tempat yang lembab.
Hasil praktikum menunjukkan kesamaan dengan teori yang terdapat dalam literatur, yakni rasio w:p pada bahan tanam tuang dapat mempengaruhi setting expansion, semakin rendah rasio w:p maka akan semakin besar ekspansinya.
6. Kesimpulan
Setting expansion bahan tanam tuang gypsum bonded dipengaruhi oleh rasio w:p, cara pengadukan, lama pengadukan, banyaknya pengadukan, suhu, dan kelembapan dari cara penyimpanan. Rasio w:p berbanding terbalik terhadap setting expansion, semakin rendah rasio w:p maka akan semakin besar ekspansinya, begitu juga sebaliknya, semakin tinggi rasio w:p maka akan smakin kecil pula ekspansinya.
7. Daftar Pustaka
1. Mc Cabe and Walls. 2008. Applied Dental Material. 9th ed. Blackwell Science publ. 2. Oktavian Lubis. 2003. Kompensasi Gypsum Bonded Investment terhadap Penyusutan
Logam Campur Emas pada Saat Pengecoran. Karya Ilmiah. hal 17
3. O’Brian W.J. 2002. Dental Material and Their Selection.3rd ed. Michigan. Quintessence Publishing Co Inc.
4. Craig, Robert G., Powers, John M., Wataha, John C., 2006, Dental Materials Properties and Manipulation 8th Edition, Mosby Elsevier, Missouri
