PENGARUH WAKTU MILLING TERHADAP SIFAT MAGNETIK DARI PASIR PANTAI SUNGAI SUCI
BENGKULU
REPOSITORY
OLEH
ANNISA SEPTIANI NIM. 1703113398
PROGRAM STUDI S-1 FISIKA JURUSAN FISIKA
FALKUTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS RIAU
2021
1
PENGARUH WAKTU MILLING TERHADAP SIFAT
MAGNETIK DARI PASIR PANTAI SUNGAI SUCI BENGKULU
Annisa Septiani*1, Erwin2
1,2Program S1 Fisika FMIPA-Universitas Riau
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Riau, Pekanbaru, Riau, 28293, Indonesia.
*Email : annisa.septiani4898@student.unri.ac.id
ABSTRAK
Telah dilakukan penelitian tentang sifat magnetik dari nanopartikel magnetik dengan sampel pasir pantai Sungai Suci Bengkulu. Oksida besi dan non oksida besi dari sampel pasir pantai dipisahkan menggunakan magnet Neodynium Iron Boron (NdFeB). Penghancuran dari sampel pasir pantai menggunakan metode dua tahap. Ball milling tahap satu menggunakan bola milling dengan ukuran diameter 0,5 cm, 0,7 cm, dan 1,5 cm selama 60 jam, kemudian dilakukan ball milling tahap dua dengan variasi waktu selama 20 jam, 40 jam, dan 60 jam. Induksi magnetik solenoid (Bo) dan induksi magnetic total solenoid (BT) dapat diketahui dengan menggunakan sensor probe pasco PS-2162. Sifat magnetik dari produk ball milling dua tahap ini diuji dengan menggunakan Vibrating Sample Magnetometer (VSM). Hasil penelitian menunjukkan bahwa nilai suseptibilitas magnetik mengalami peningkatan seiring dengan meningkatnya waktu milling. Hasil uji Vibrating Sample Magnetometer (VSM) menunjukkann nilai magnetisasi saturasi (Ms) mengalami variasi dipengaruhi oleh adanya fasa pengotor hematit (α−Fe2O3), kemudian nilai magnetisasi remanen (Mr), koersivitas (Hc), loop squareness (Mr/Ms) dan luas loop mengalami peningkatan seiring dengan bertambahnya waktu. Hasil dari loop hysteresis menunjukkan bahwa sampel bersifat ferromagnetik atau magnetik keras dengan fasa magnetit Fe3O4.
Kata kunci : Pasir pantai, nanopartikel oksida besi, sifat magnetik, ball milling.
ABSTRACT
Research on magnetic properties of Sungai Suci Bengkulu Beach Sand has been carried out. The iron oxide and non iron oxide of the beach sand samples were separated using Neodynium Iron Boron (NdFeB). Then the milling process was carried out using two stage ball milling. Ball milling stage one was carried out for 60 hours with diameter balls 0,5cm, 0,7 cm, and 1,5 cm, then ball milling stage two was carried out with time variations of 20, 40, and 60 hours.
Magnetic susceptibility of the samples was determined based on magnetic induction and total magnetic induction using pasco magnetic probe PS-216. The magnetic properties of iron oxide
2 nanoparticles were measured using Vibrating Sample Magnetometer (VSM). The results showed that the value of magnetic susceptibility of the samples increases with increasing milling time.
The results of the Vibrating Sample Magnetometer (VSM) showed that the saturation magnetization value (Ms) reveals a variation values due to the presence of an impurity phase of hematite (α-Fe2O3), the value of remanent magnetization (Mr), coercivity (Hc), loop squareness (Mr/Ms) and the loop area increases with the milling time. The results of the hysteresis loop also show that the sample is ferromagnetic or hard magnetic properties with the Fe3O4 magnetite phase.
Keywords : Sand beach, iron oxide nanoparticles, magnetic properties, ball milling.
1. Pendahuluan
Indonesia memiliki sumber kekayaan alam yang melimpah salah satunya bahan magnetik. Bahan magnetik alam tersebut diantaranya terdapat di dalam pasir alam.
Pantai Sungai Suci merupakan salah satu pantai yang memiliki pasir alam dengan komposisi bahan magnetik yang cukup tinggi [1].
Pasir besi merupakan endapan pasir yang mengandung partikel bijih besi, dimana bijih besi tersebut dapat memiliki mineral-mineral magnetik seperti magnetite (Fe3O4), hematite (α-Fe2O3) dan maghemite (γ- Fe2O3). Bahan magnetik dari pasir besi bersifat ferromagnetik yang menunjukkan kemagnetan paling kuat di antara oksida- oksida besi yang lain sehingga banyak dimanfaatkan di berbagai bidang [2].
Banyak cara untuk mendapatkan naopartikel magnetik ini salah satunya adalah menggunakan metode ball milling. Ball milling digunakan untuk mensintesis pasir pantai untuk mendapatkan nanopartikel magnetik.
Bahan magnetik merupakan suatu bahan yang memiliki sifat kemagnetan dalam komponen pembentuknya. Magnet
merupakan benda yang dapat menarik benda-benda disekitarnya seperti besi atau baja serta memiliki medan magnet [3]. Sifat dan karakteristik magnetik dari suatu bahan erat kaitannya dengan nilai suseptibilitas magnetik . Suseptibilitas Magnetik ( ) adalah kemampuan suatu bahan untuk dimagnetisasi jika bahan tersebut dikenakan medan magnetik luar.
Karakteristik bahan ferromagnetik yang dipengaruhi oleh induksi magnetik, medan magnet luar, dan magnetisasi ditunjukkan dalam bentuk kurva hysteresis. Bentuk kurva hysteresis loop material feromagnetik dipengaruhi oleh magnetisasi saturasi (Ms), Magnetisasi remanen (Mr), dan medan koersivitas (Hc). Magnetisasi saturasi adalah besarnya magnetisasi setelah seluruh momen dipol magnet spin memiliki arah yang sama.
Medan magnet yang dibutuhkan untuk mencapai saturasi desebut medan saturasi (Hs). Magnetisasi remanen (Mr) dalam hysteresis loop merupakan besar magnetisasi yang masih tersisa ketika medan magnet dihilangkan. Selanjutnya, medan koersivitas (Hc) pada kurva hysteresis yaitu besar medan magnet yang dibutuhkan untuk membawa magnetik remanen menuju nol [4].
2 Penelitian ini diperlukan untuk
menganalisis sifat magnetik dari parameter hysteresis loop menggunakan vibrating sample magnetometer (VSM) dan dapat diketahui setelah diadakan berbagai eksperimen dan pengukuran besaran magnet.
Kurva histeresis memberikan informasi mengenai magnetisasi remanen, koersifitas, serta besaran magnetis lainnya.
2. Metode Penelitian
2.1 Pemisahan Partikel Oksida Besi dan Non Oksida Besi dengan Magnet Neodynium Iron Boron (NdFeB)
sampel yang telah dipisahkan oleh Iron Sand Separator (ISS) dipisahkan kembali partikel magnetik dan non magnetiknya menggunakan magnet kuat Neodymium Iron Boron (NdFeB) dengan cara mendekatkan magnet batang yang dibungkus dengan plastik ke pasir sehingga partikel magnetik akan terangkat oleh magnet batang. Proses ini bertujuan untuk memisahkan unsur pengotor dengan partikel magnetik.
Sehingga hasil dari pemisahan ini diperoleh produk NdFeB.
2.2 Proses Ball Milling
Untuk menghancurkan sampel produk NdFeB dilakukan menggunakan ball milling, yaitu proses dimana sampel dihancurkan menggunakan bola-bola besi dalam sebuah tabung yang berputar untuk mendapatkan produk yang lebih halus.
Produk NdFeB dihancurkan menggunakan metode ball milling dengan ukuran diameter bola besi gabungan yaitu 0,5 cm, 0,7 cm, dan 1,5 cm selama 60 jam. sehingga hasil yang diperoleh disebut produk ball milling I.
Produk ball milling I selanjutnya dibagi menjadi 3 bagian yang sama rata untuk
dihancurkan kembali menggunakan ball milling dengan ukuran bola besi 1,5 cm dan variasi waktu yang berbeda yaitu, selama 20 jam, 40 jam, dan 60 jam. Hasil yang diperoleh yaitu produk ball milling II.
Produk ball milling I dan produk ball milling II nilai total BT nya diukur dengan menggunakan sensor probe pasco PS-2162 kemudian dihitung nilai suseptibilitas magnetiknya.
2.3 Penentuan Induksi Magnetik dan Suseptibilitas Magnetik
Pengukuran nilai induksi magnetik dengan menggunakan selenoid berbentuk silinder dengan jumlah lilitan sebanyak 2500 yang dihubungkan ke power supply dan juga dengan menggunakan alat sensor probe pasco PS-2162. Nilai induksi magnetik yang diukur terdiri dari induksi magnetik solenoid tanpa inti B0 dan induksi magnetik total dengan inti BT dengan jarak tetap 1 mm.
Arus yang digunakan yaitu 200 mA, 400 mA, 600 mA, 800 mA dan 1000 mA. Untuk menghitung suseptibilitas magnetiknya berdasarkan nilai induksi magnetik total dengan inti sampel BT dikurang dengan nilai induksi magnetik tanpa sampel B0 ke mudian dibagi dengan nilai induksi tanpa inti B0, seperti persamaan :
(1)
3. Hasil dan Pembahasan
3.1 Pengukuran Induksi Magnetik Tanpa Inti (B0)
Pengukuran induksi magnetik tanpa inti B0 berdasarkan fungsi arus dengan jarak tetap yaitu 1 mm
3
11,2 11,4 11,6 11,8 12 12,2 12,4 12,6 12,8 13 13,2
Murni ISS NdFeB BM 1 BM 2 (20 jam)
BM 2 (40 jam)
BM 2 (60 jam)
Induksi Magnetik (mT)
Sampel
Gambar 1. Grafik induksi magnetik solenoid tanpa inti sebagai fungsi arus.
Pengukuran induki magnetik selonoid tanpa inti menghasilkan nilai induksi magnetik yang meningkat seiring bertambahnya besar arus. Hal ini disebabkan karena pengaruh energi yang tersimpan dalam solenoid. Peningkatan ini sesuai dengan teori bahwa semakin besar arus yang diberikan maka nilai induksi magnetik pada solenoid akan meningkat secara linear.
3.2 Pengukuran Induksi Magnetik dengan Inti Sampel (BT)
Telah diperoleh nilai induksi magnetik solenoid dengan inti pasir pantai, produk ISS, produk NdFeB, produk ball milling I, dan produk ball milling II dimana pada perbandingan ini dilakukan untuk fungsi arus 1000 mA. Dapat dilihat perbandingan nilai induksi magnetiknya dalam bentuk grafik yang terdapat pada Gambar 2.
Gambar 2. Grafik perbandingan induksi magnetik solenoid dengan inti sampel.
Dapat dilihat bahwa nilai induksi magnetik total terendah berasal dari pasir murni sebelum proses pemisahan yaitu sebesar 11,818 mT, hal ini disebakan karena kandungan mineral magnetik dan mineral non magnetiknya masih tercampur rata.
Produk yang telah diproses dengan Ball Milling selama 60 jam memiliki nilai induksi magnetik solenoid paling tinggi diantara semua sampel dan produk yaitu sebesar 12,987 mT. Hal ini dikarenakan semakin lama proses Ball Milling maka produk ball milling I yang masih mengandung bongkahan-bongkahan akan semakin hancur dan pada proses pemisahan dengan magnet Neodynium Iron Boron (NdFeB) yang menempel hanya mineral magnetiknya saja.
3.3 Penentuan Suseptibilitas Magnetik Nilai suseptibilitas magnetik dihitung berdasarkan nilai induksi magnetik solenoid dengan inti (BT) yang diperoleh melalui pengukuran nilai pasir murni, sampel yang telah di Iron Sand Separator (ISS), sampel yang sudah di magnet kuat NdFeB serta konsentrasi ball milling yang diukur yaitu selama 20 jam, 40 jam, dan 60 jam.
4
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
Murni Setelah di ISS Setelah di magnet NdFeB Suseptibilitas Magnetik (x 10-5)
Sampel
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000
0 20 40 60
Suseptibilitas Magnetik (x 10-5)
Waktu (jam)
Tabel 1. Nilai suseptibilitas magnetik sampel terhadap arus 1000 mA.
Sampel Suseptibilitas Magnetik ( ) Pasir pantai 1198,835
Produk ISS 3724,953
Produk NdFeB 5848,604
Gambar 3. Nilai suseptibilitas magnetik dari sampel sebelum ball milling.
Gambar 3. nilai suseptibilitas magnetik setelah pemisahan menggunakan magnet kuat NdFeB (produk NdFeB) lebih besar dibandingkan nilai suseptibilitas magnetik sampel pasir murni, dan pemisahan menggunakan ISS. Hal ini dikarenakan produk NdFeB sudah melewati proses pemisahan menggunakan ISS dan magnet kuat NdFeB sehingga partikel magnetik sudah terpisah dari partikel-partikel non magnetiknya.
Tabel 2. Penentuan suseptibilitas magnetik produk BM I dan produk BM II
Sampel Waktu
(jam) Xm ( )
Produk BM I 0 7561,226
Produk BM II 20 9213,906 Produk BM II 40 10250,043 Produk BM II 60 11209,111
Gambar 4. Penentuan suseptibilitas magnetik dari sampel produk ball milling I dan produk ball milling II.
Gambar 4. Nilai suseptibilitas magnetik dari produk ball milling I dan produk ball milling II mengalami peningkatan.
Peningkatan nilai suseptibilitas magnetik antara produk ball milling I dan produk ball milling II terjadi akibat perbedaan waktu milling dimana produk ball milling II memiliki waktu penghancuran yang lebih lama dibandingkan produk ball milling I sehingga menyebabkan konsentrasi mineral magnetiknya lebih tinggi.
3.4 Karakterisasi Sifat Magnetik menggunakan Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
Pegujian sifat magnetik dari sampel berdasarkan loop hysteresis yang merupakan luaran dari Vibrating Sample Magnetometer (VSM). Sampel yang diuji yaitu produk ball milling II yang di miling selama 20 jam, 40 jam, dan 60 jam. Medan magnetik luar yang digunakan adalah 25.000 Oe.
5 Gambar 5. Grafik Loop Hysteresis
nanopartikel magnetik untuk waktu milling 20 jam.
Gambar 6. Grafik Loop Hysteresis nanopartikel magnetik untuk waktu milling 40 jam.
Gambar 7. Grafik Loop Hysteresis nanopartikel magnetik untuk waktu milling 60 jam.
Nilai magnetisasi saturasi (Ms) dari produk ball milling II pada waktu milling 20 jam memiliki nilai Ms = 24,80 emu/g. Nilai magnetisasi saturasi pada waktu milling 40
jam mengalami sedikit penurunan menjadi Ms = 24,49 emu/g, dan pada waktu milling 60 jam mengalami peningkatan saturasi lagi menjadi Ms = 25,32 emu/g. secara umum nilai magnetisasi saturasi dari sampel mengalami peningkatan, hal ini dikarenakan jumlah momen magnetik total persatuan volume seiring dengan pertambahan waktu milling yang disebabkan oleh semakin mengecilnya ukuran kristal dari nanopartikel magnetik.
Nilai magnetisasi remanen yang merupakan sisa magnetisasi (M) dalam proses magnetisasi pada saat medan magnet H dihilangkan atau pada saat H berharga nol. Menunjukkan bahwa nilai magnetisasi remanen (Mr) dari produk ball milling II (20 jam) memiliki nilai Mr = 6,75 emu/g, produk ball milling II (40 jam) memiliki nilai Mr = 7,80 emu/g, dan produk ball milling II (60 jam) memiliki nilai Mr = 8,34 emu/g. Peningkatan ini disebabkan karena semakin banyak domain dalam partikel oksida besi yang arah magnetik momennya tidak kembali ke orientasi semula dalam sampel ketika medan magnetik luar dihilangkan.
Nilai koersivitas pada sampel menunjukkan bahwa nilai koersivitas (Hc) dari produk ball milling II pada waktu milling 20 jam memiliki nilai Hc = 416,92 Oe, nilai koersivitas pada waktu milling 40 jam mengalami kenaikan menjadi Hc = 495,51 Oe, dan pada waktu milling 60 jam menjadi Hc = 537,25 Oe. Dari penelitian ini bahwa nilai koersivitas mengalami kenaikan seiring dengan bertambahnya waku milling.
Peningkatan nilai ini dikarenakan semakin banyaknya partikel oksida besi dan semakin kecil ukuran butiran partikel maka nilai
6 koersivitas yang diperoleh akan semakin
besar.
Nilai loop squareness yang merupakan rasio antara magetisasi remanen terhadap magnetisasi saturasi (Mr/Ms). Pengaruh dari waktu milling menunjukkan nilai loop squareness meningkat. Dari ketiga variasi waktu milling rasio Mr/Ms terbesar terjadi pada waktu milling 60 jam yang memiliki nilai Mr/Ms = 0,330, kemudian pada waktu milling 40 jam rasio Mr/Ms memiliki nilai 0,319, dan rasio Mr/Ms terkecil pada waktu milling 20 jam yaitu memiliki nilai Mr/Ms = 0,272. Kurva loop hysteresis menunjukkan sifat ferromagnetik maka nilai rasio (Mr/Ms) akan semakin besar.
Luas loop hysteresis (loop area) dari sampel mengalami peningkatan seiring dengan bertambahnya waktu milling. Nilai loop area terkecil memiliki nilai 4,1 kOe.emu/g yaitu pada waktu milling selama 20 jam, pada waktu milling 40 jam sampel memiliki loop area sebesar 4,2 kOe.emu/g dan memiliki nilai loop area terbesar 4,7 kOe.emu/g pada waktu milling 60 jam. Loop area juga berhubungan dengan koersivitas, magnetisasi remanen, magnetisasi saturasi.
Jika nilai koersivitas, magnetisasi remanen dan magnetisasi saturasinya semakin besar maka nilai dari loop areanya juga semakin besar seiring dengan bertambahnya waktu milling. dapat dilihat bahwa nilai loop area dan koersivitas pada sampel mengalami kenaikan sehingga sampel merupakan hard magnetik material, yang artinya material ferromagnetik yang memiliki hysteresis loop yang lebar.
4. Kesimpulan
Pada penelitian ini nilai suseptibilitas magnetik mengalami peningkatan seiring dengan bertambanya besar arus yang diberikan. Sifat magnetik menurut parameter loop hysteresis mengalami peningkatan seiring dengan bertambahnya waktu milling.
Peningkatan Ms ini disebabkan oleh semakin kecilnya ukuran kristal nanopartikel magnetik. Peningkatan nilai Mr disebabkan oleh meningkatnya interaksi antara partikel oksida besi dalam sampel. Bahan dari sampel bersifat ferromagnetik dan hard magnetik.
Daftar Pustaka
[1] Permatahati, dkk. 2019. Penentuan Suseptibilitas Magnetik dan Fase Serta Komposisi Pasir Besi Pantai Sungai Suci Kabupaten Bengkulu Tengah Berdasarkan Kedalaman. Undergraduated thesis, FMIPA.
[2] Teja, A.S. & Koh, P. 2009. Synthesis, Properties, and Application of Magnetic Iron Oxide Nanoparticles. Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials, 2009 (55): 22-45
[3] Jiles, D. 1998. Introduction To Magnetism and Magnetic Materials, 2nd Ed.
London and New York: Chapman and Hall [4] Erwin and Adhy Pryayitno, 2017.
Magnetic Exchage Interaction In Cobalt Samarium Thin Films For High Density Magnetic Recording Media, Journal of Engineering and Applied Sciences.
[5] Kurniawan, C, et, al. 2017. Synthesis and Characterization of Magnetic Elastomer Based PEG-Coated Fe3O4 From Natural Iron Sand. Materials Science and
Engineering. 202,1-7
