Sintesis Nano Kristal

8/19/2019 Sintesis Nano Kristal

1/8

Jurnal Riset Industri Vol. V, No. 1, 2011, Hal. 79-86

79

SINTESIS NANO KRISTALIN KOMPOSIT ALUMINA-ZIRKONIA DENGANTEMPLATE PULP ORYZA SATIVA MELALUI METODE KALSINASI PREKURSOR

SYNTHESIS OF NANO- ALU MINA COMPOSITE CRYSTALL INE ZIRKONIA

ORYZA SATIVA PULP BY TEMPLATE METHOD PRECURSOR CALCINATIONFrank Edwin*), Bambang Sunendar Purwasasmita**), Suhanda *), Rifki Septawendar *),

and Leanddas Nurdiwijayanto**) *) Balai Besar Keramik, Kementrian Perindustrian Indonesia

** ) Institut Teknologi [email protected]

ABSTRAK

Nano kristalin komposit alumina-zirkonia disintesis melalui metode kalsinasi prekursor dengan pulp oryza sativa sebagai template serta Al(NO3)3.9H2O dan ZrCl4 sebagai prekursor dengan komposisi molar 80:20. Pencampuran

prekursor, pelarut, dan pulp menggunakan ultra turrax T25 pada RPM 15000 selama 3 menit sebanyak 3 kali.Kalsinasi yang ditujukan untuk memperbaiki morfologi dan pembentukan fasa dilakukan pada temperatur 900,1000, 1100, 1200, dan 1250°C. Untuk mengetahui sifat-sifat dari material komposit yang terbentuk, dilakukankarakterisasi X-Ray Diffraction (XRD) dan Scanning Electron Microscope (SEM). Dari hasil XRD, dapatdiidentifikasi fasa dari komposit yang muncul, yaitu tetragonal-zirkonia, monoklinik-zirkonia, dan δ-alumina. Fasatunggal tetragonal-zirkonia muncul pada sampel yang dikalsinasi pada temperatur 900-1100°C, sementarasampel yang dikalsinasi pada temperatur yang lebih tinggi menghasilkan fasa campuran antara tetragonal-zirkonia dan monoklinik-zirkonia. Dari hasil SEM, terlihat bahwa morfologi partikel memiliki bentuk menyerupaibentuk dari pulp, yang mana bentuk ini merupakan akibat dari pencampuran dengan kecepatan tinggi.

Kata kunci: Komposit, Alumina-Zirkonia, Tetragonal-Zirkonia, Monoklinik-Zirkonia, Pulp.

ABSTRACT

Nanocrystalline composite alumina-zirconia has been successfully synthesized by precursor calcining processwith oryza sativa pulp as template. The synthesis of alumina-zirconia composite was done using Al(NO 3 )3.9H 2 Oand ZrCl 4 as precursors with molar ratio of 80:20. The mixing of precursors, solvent, and pulp was carried out bymeans of ultra turrax T25 homogenizer at 15000 rpm for 3 times with each for 3 minutes. The calcination processfor the formation of the phase of alumina-zirconia composite was performed at 900, 1000, 1100, 1200, and1250°C. To indentify the properties of alumina-zirconia composite, the X-Ray Diffraction (XRD) and ScanningElectron Microscope (SEM) need to be employed. Based on XRD analysis result, it can be seen that the phase ofalumina-zirconia composite are tetragonal-zirconia, monoclinic-zirconia, and δ -alumina. The single phase oftetragonal-zirconia appears for samples annealed at 900-1100°C; while for sampels annealed at 1200°C and1250°C, it appears to have multiphase of tetragonal-zirconia and monoclinic-zirconia. The transformation ofsinglephase of tetragonal-zirconia to multiphase of tetragonal-zirconia and monoclinic-zirconia is believed to bedue to the increase of crystallite size as the calcination temperature increased, thus causes the subsequentgrowth of the crystalls. According to SEM micrograph, it can be seen that the morphology of particles has a shaperesemble to the morphology of pulp, which is the effect of mixing at high RPM.

Keywords: Composite, Alumina-Zirconia, Tetragonal-Zirconia, Monoclinic-Zirconia, Pulp.

PENDAHULUAN

Alumina (Al2O3) merupakan salah satu materialoksida yang memiliki sifat serta karakteristikmekanik dan stabilitas termal yang baik[1,2,3].Sementara zirkonia (ZrO2) merupakan materialoksida yang penting dalam berbagai aplikasi,seperti penggunaannya dalam keramikrefaktori dan material tahan abrasi. Selain itu,

zirconia yang memiliki luas area besar dapatdigunakan sebagai katalis[4], sensor gas[5] dansolid oxide fuel cell [6]. Komposit aluminazirkonia dengan alumina sebagai matrik seringdikenal dengan istilah zirconia toughenedalumina (ZTA).

Penambahan zirkonia kedalam matrik aluminasangat berperan dalam meningkatkan danmemperbaiki sifat mekanik alumina.

mailto:[email protected]:[email protected]


2/8

Sintesis Nano Kristalin Komposit……….( Rifki Septawendar)

80

Sementara gabungan dari kedua materialtersebut memiliki keuntungan dalampenggunaan alumina yang murah sertazirconia yang memiliki kekuatan (strength)yang tinggi. Seperti telah diketahui,peningkatan kekuatan dan ketangguhan(thoughness) dari ZTA sangat dipengaruhi olehberbagai faktor, diantaranya adalah ukuranpartikel, sifat dasar dari partikel ZrO2, dandistribusinya didalam matriks, di mana dalamhal ini sangat tergantung sekali kepada prosessintesis komposit ZTA[3].

Kekuatan dan ketangguhan dari alumina dapatdiperbaiki dan ditingkatkan dengan me-nambahkan sebanyak 10-20 vol% fasa

metastabil tetragonal (t ) zirkonia, dimana fasatersebut dapat dengan mudah bertransformasike dalam fasa yang lebih stabil, yaitumonoklinik (m) zirkonia[7]. Biasanya hal ituterjadi apabila terdapat suatu patahan (crack )dalam struktur matriks alumina, dan zirkoniayang berada pada daerah patahan tersebutakan bertransformasi dari fasa tetragonal kefasa monoklinik yang mengakibatkan ekspansivolume sebesar 3%[7]. Penambahan volumetersebut akan mengakibatkan tegangan tekan(compressive stresses) di dalam struktur

matriks alumina yang dapat mendorongtimbulnya patahan yang lebih besar yang padaakhirnya akan mempengaruhi ketangguhandari material[7]. Oleh karena itu mem-pertahankan fasa dari tetragonal zirkonia didalam matriks alumina sangat penting untukmenjaga kekerasan dan ketangguhankomposit ZTA.

Berbagai metode sintesis seperti conventionaldry/wet milling dari campuran zirkonia danalumina[8,9], liquid precursor method[10], dan sol-gel[11] telah banyak dilakukan. Hal yang pentinguntuk diketahui adalah sintesis kompositalumina-zirkonia dengan menggunakanmetode conventional dry (solid state solution)/wet milling , memiliki beberapa kekurangandalam hal homogenitas campuran dalam skalaatomik, sinterabilitas, dan besarnyakemungkinan tercampur oleh pengotor.Kekurangan-kekurangan tersebut dapat diatasiapabila proses sintesis yang digunakan adalahproses sintesis dengan larutan kimia, sepertisol-gel.

Penelitian ini bertujuan untuk membuatkomposit alumina-zirconia dengan ukuranpartikel berskala nano meter yang disintesismelalui larutan kimia dengan menambahkansuatu aditif yang berfungsi sebagaitemplate, dalam hal ini berfungsi untukmenjaga kerapatan dari molekul-molekulgaram prekursor untuk tidak saling ber-aglomerasi. Template yang digunakan dalampenelitian ini adalah pulp oryza sativa (limbahmerang padi) yang mudah diperoleh, danharganyapun sangat murah.

METODOLOGI PENELITIAN

Alur penelitian “Sintesis dan KarakterisasiKomposit Alumina-Zirkonia dengan PulpOryza Sativa Sebagai Template MelaluiMetode Precursor Calcining Process” dapatdilihat dalam Gambar 1.


3/8


81

Gambar 1. Diagram Alir Penelitian Sintesis Dan Karakterisasi Komposit Alumina-ZirkoniaDengan Pulp Oryza Sativa Sebagai Template Melalui Metode Precursor Calcining Process

Bahan dan Alat

Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian

ini merupakan bahan-bahan yang memilikikualitas analytical grade dan digunakan tanpapemurnian lebih lanjut. Sementara, peralatandan instrumentasi yang dipergunakan adalahultra turrax T25, tungku listrik Nabertherm,XRD, Philips Analytical X-Ray dan SEM, JEOLJSM-35C

.Prosedur Penelitian

Sejumlah Al(NO3)3.9H2O dan ZrCl4 dengankomposisi molar 80:20, masing masingdilarutkan dalam ethanol dan isopropanoldan diaduk dengan magnetic stirrer selama15 menit sehingga diperoleh larutan Al(NO3)3 dan Zr(i-Pr)4. Konsentrasi totallarutan diatur pada nilai 0,1M. Kedua larutantersebut dicampur dan diaduk selama 30menit sambil dimasukkan pulp merangdengan perbadingan berat prekursor danpulp adalah 1:4. Selanjutnya, campuranlarutan di atas diaduk pada kecepatan tinggidengan menggunakan alat ultra turrax T25

pada RPM 15.000 selama 3 menit sebanyak

3 kali. Agar terjadi hidrolisis, larutanamoniak 25% ditambahkan sedikit demisedikit sambil diaduk hingga didapatkan pHsama dengan 6 lalu di aduk selama 60menit dan di-aging selama 24 jam.

Selanjutnya dilakukan penyaringan hinggadiperoleh gel bersama-sama dengan pulpdan dicuci dengan menggunakan aqua dmsebanyak tiga kali. Gel yang telah dicucidilakukan perlakuan panas pada temperatur550˚C selama 3 jam yang bertujuan untukmenghilangkan karbon dari pulp (decarbonize)dan dilanjutkan dengan kalsinasi padatemperatur 900 °C, 1000 °C, 1100 °C selama60 menit, dan 1200°C dan 1250°C selama 60

menit untuk sampel yang sebelumnya telahdikalsinasi pada 900°C. Sampel-sampel yangterbentuk diberi nama: AZ900°C, AZ1000°C, AZ1100°C, AZ1200°C dan AZ1250°C.Karakterisasi pada kelima sampel tersebutdilakukan dengan meng-gunakan X-RayDiffraction (XRD, Philips Analytical X-Ray , CuKα, λ=1,54Å) untuk mengetahui fasa-fasa yangterbentuk dan menghitung ukuran kristal yangterbentuk, serta Scanning Electron Microscope(SEM, JEOL JSM-35C) untuk mengetahuimorfologi partikelnya.


4/8


82

HASIL DAN PEMBAHASAN

Pada gambar 2 terlihat pola XRD dari

komposit alumina-zirkonia yang dikalsinasipada temperatur 900°C, 1000°C, 1100°C,1200°C dan 1250°C. Berdasarkan kelimapola XRD tersebut, dapat diketahui bahwaterdeteksi tiga fasa yang terbentuk, yaitufasa tetragonal-zirkonia, monoklinik-zirkonia,dan δ-alumina.

Pada temperatur kalsinasi 900°C, 1000°Cdan 1100°C fasa yang muncul adalah fasatunggal dari tetragonal-zirkonia sementarapada temperatur kalsinasi 1200°C dan1250°C fasa yang muncul adalah fasa daritetragonal-zirkonia, monoklinik-zirkonia, danδ-alumina, yang mana pada temperatur inisampel yang di kalsinasi pada duatemperatur tersebut adalah sampel yangsebelumnya telah dikalsinasi padatemperatur 900°C.

Gambar 2. Pola XRD komposit Alumina-Zirconia, m=monoklinik, t=tetragonal,δ=δ-alumina

Fasa α-alumina merupakan fasa stabil secaratermodinamik dari alumina, bilamana dalamsintesis terutama dalam kalsinasi, α-aluminadiperoleh melalui tranformasi yang diawali dariboehmite, yaitu: boehmite → γ → δ → θ → α[7].Transformasi fasa ini disebabkan oleh nukleasidan mekanisme pertumbuhan kristal[7,12]. Fasadari α-alumina merupakan fasa yang paling

stabil dikarenakan energi bebas dari α-aluminalebih kecil dari pada transisi fasa-fasasebelumnya[7]. Berdasarkan hasil XRD padagambar 2, dapat dilihat bahwa fasa yangterbentuk saat kalsinasi pada 1200°C dan1250°C hanya sampai pada δ-alumina, danbelum dapat dicapai fasa dari α-alumina. Hal inikemungkinan disebabkan oleh belumcukupnya energi saat kalsinasi padatemperatur tersebut untuk terjadinya prosestransformasi alumina ke fasa yang paling stabil(α-alumina). Selain itu ukuran partikel juga

memiliki peranan dalam transformasi fasa ini, di

mana ukuran partikel yang lebih kecil akanmembutuhkan energi yang lebih kecil dalamtransformasi fasanya.

Selain itu pada hasil XRD pada Gambar 2,terlihat bahwa pada temperatur kalsinasi900°C, 1000°C, dan 1100°C zirkonia yangterbentuk memiliki fasa tunggal, yaitutetragonal-zirkonia, namun pada temperatur

kalsinasi yang lebih tinggi, yaitu 1200°C dan1250°C, zirkonia yang terbentuk memiliki fasamonoklinik dan tetragonal.Pada keadaantemperatur ruang, zirkonia umumnya berfasastabil monoklinik, walaupun sebelumnya telahdilakukan perlakuan panas pada temperaturyang tinggi[7,13].

Transformasi fasa dari bulk zirkonia dimulaidari: monoklinik-zirkonia → tetragonal-zirkoniapada temperatur 1170°C → kubik-zirkoniapada temperatur 2370°C[14-17]. Berdasarkangrafik XRD tersebut, pada temperatur kalsinasi


5/8


83

1200°C dan 1250°C terlihat bahwa zirkoniayang terbentuk memiliki dua fasa, yaitumonoklinik dan tetragonal sementara padatemperatur kalsinasi yang lebih rendah zirkoniamembentuk fasa tetragonal.Stabilitas fasa tetragonal dari zirkoniaditengarai dipengaruhi oleh ukuran kristalzirkonia yang kecil di dalam matriks Al2O3, dimana ukuran kristal yang kecil mengurangienergi bebas dari pembentukan tetragonalzirkonia jika dibandingkan denganpembentukan monoklinik zirkonia[3]. Sehinggadi sini, dengan mening-katnya temperaturkalsinasi yang diikuti oleh pertumbuhan kristalakan menyebabkan transformasi dari fasa

tetragonal zirkonia ke monoklinik zirkonia saatperlakuan panas telah selesai dan temperaturturun ke temperatur ruang[3].

Berdasarkan Gambar 1 pula, dapat dilihatbahwa semakin tinggi temperatur kalsinasisemakin tajam puncak yang terbentuk. Halini menandakan bahwa kristalinitas yangterbentuk semakin baik seiring denganmeningkatnya temperatur kalsinasi. Merujukpuncak-puncak utama pola XRD padaGambar 1, dapat dicari ukuran suatu Kristaldengan fasa tertentu melalui pendekatanpersamaan Scherrer.

D adalah ukuran dari kristal, K adalah faktorbentuk dari kristal dengan nilai sama dengan0,9-1, λ adalah panjang gelombang dari sinar -X, yaitu 1,54056 Å, dan β adalah nilai dari Full

Width at Half Maxima (FWHM). Berdasarkanpersamaan tersebut, ukuran kristal dari fasatetragonal zirkonia ditunjukkan oleh grafik padaGambar 2. Ukuran kristal terendah adalah 5,9nm untuk sampel yang dikalsinasi pada 900°Csedangkan ukuran kristal terbesar adalah 25,7nm untuk sampel yang dikalsinasi pada1250°C. Sehingga disini terlihat adanya profildari kenaikan ukuran kristal seiring dengannaiknya temperatur kalsinasi, yang manakalsinasi pada temperatur 1200°C dan 1250°Cyang memiliki ukuran kristal masing-masing20,7 dan 25,7 nm memperlihatkan munculnyadua fasa, yaitu monoklinik-zirkonia dantetragonal-zirkonia.

Gambar 3. Ukuran kristal untuk fasa tetragonalzirkoni

(1)


6/8


84

Gambar 4. SEM komposit alumina-zirkonia dengan perbedaan temperatur kalsinasi

(a) ZA900°C dan (b) ZA1000°C

Gambar 5. SEM komposit alumina-zirkonia dengan perbedaantemperatur kalsinasi (a) ZA1100°C, (b) ZA1200°C, dan (c) ZA125

Perlakuan panas pada temperatur yanglebih tinggi malah menyebabkan fasa daritetragonal zirkonia tidak stabil sehingga

muncul fasa monokliniknya. Hal iniditengarai akibat dari semakin besarnyaukuran kristal karena adanya mekanismepertumbuhan kristal ketika temperatur saatperlakuan panas lebih tinggi, sehinggamengakibatkan meningkatnya energi bebasuntuk pembentukan tetragonal zirkoniadaripada monoklinik zirkonia.

Gambar 5 memperlihatkan hasil karakterisasiSEM dari sampel komposit alumina-zirkoniadengan perbedaan temperatur kalsinasi.Berdasarkan mikrograf SEM yang dihasilkan,

dapat diketahui bahwa mikrostruktur yangterbentuk memperlihatkan suatu strukturbongkahan yang memanjang terdiri atas

kumpulan-kumpulan partikel nano kompositalumina-zirkonia, yang mana pola memanjangini mengikuti pola dari pulp. Bentukmikrostruktur yang memanjang inikemungkinan diakibatkan oleh prosespenghalusan pulp dengan menggunakan ultraturrax pada kecepatan 15000 rpm di dalamlarutan prekursor. Dengan tingginya kecepatandari ultra turrax memungkinkan untuk prekursormerembes dan menyelimuti permukaan pulpdengan lebih baik, sehingga pada saatdilakukan hidrolisis, koloid yang yang terbentuk


7/8


85

akan langsung menempel pada pulp. Olehkarena itu, pada perbesaran yang lebih tinggidapat dilihat bahwa adanya butiran-butiranyang kecil yang menyelimuti suatu bongkahan.Partikel-partikel kecil tersebut diperkirakanadalah partikel dari zirkonia yang tergabungdalam matriks partikel alumina.

Prospek Ekonomis

Pulp oryza sativa dari limbah merang padisebagai template dalam pembuatan nanokomposit alumina-zirconia, sangat mudahdiperoleh di Indonesia dan harganya jauhlebih murah dibanding template sintetis

seperti polivinil alkohol (PVA) atau etilenglikol, yang harganya cukup mahal sehinggaprospek nilai ekonomi pembuatan nanokomposit alumina-zirconia dengan templatePulp oryza sativa dari limbah merang padisebagai bahan alternatif, sangat baik.

KESIMPULAN

Sintesis komposit alumina-zirconia telahberhasil diteliti dengan menggunakan metode

precursor calcining process dengan pulp oryzasativa sebagai template dengan perlakuanpanas pada temperatur 900°C hingga 1250°C.Melalui metode ini, dapat disimpulkan:

1. Mineral yang dihasilkan dalam kompositalumina-zirkonia adalah monoklinik-zirconia,tetragonal-zirkonia dan δ-alumina.

2. Pada temperatur kalsinasi 900-1100°C,fasa zirkonia yang terbentuk adalah fasatetragonal dengan ukuran kristal berkisar

antara 5,9-18,2 nm, sedangkan pada1200°C dan 1250°C didapatkan fasamonoklinik dan tetragonal dengan ukurankristal pada fasa tetragonal adalah 20,7dan 25,7 nm.

3. Fasa alumina yang terbentuk adalah δ-alumina pada temperatur 1200°C dan1250°C.

4. Sintesis komposit alumina dan zirkoniamelalui metode precursor calcining process dengan pengadukan padakecepatan tinggi, yaitu 15000 rpm,

mengkibatkan morfologi partikelmengikuti alur dari pulp, yaitu sepertibongkahan memanjang dengan ukuranpada skala mikrometer.

DAFTAR PUSTAKA

W.H. Gitzen (Ed.), Alumina as a CeramicMaterial , (American Ceramic Society,Columbia, Ohio, 1970), p.43.

D. Ganguli dan M. Chatterjee, Ceramic PowderPreparation: A Handbook (Kluwer Academic Publishers, Boston, 1997),p.75.

M. Chartterjee, M.K. Naskar, dan D. Ganguli,

Sol-Emulsion-Gel Synthesis of Alumina-zirconia Composite Microspheres,Journal of Sol-Gel Science andTechnology. 2003, 28:217-225.

T. Klimova, M.L. Rojas, dan P.Catillo, R.Cuevas, J. Ramirez, Characterization of Al 2 O3-ZrO2 mixed oxide supports prepared by sol-gel method , Microporousand mesoporous materials. 1998,20:293-306.

H. Neumann, G. Hotzel, dan G. Lindermann, Advanced planar oxygen cencors forfuture emission control strategies, 1997,SAE 970459.

S. Park, J.M. Vohs, dan R.J. Gorte, Directoxidation of hydrocarbons in a solid-oxidefuel cell , Nature. 2000, 404:265-267.

A. Beitollahi, H. Hosseini-Bay, dan H.Sapoorlaki, Synthesis andcharacterization of Al 2 O3-ZrO2 nanocomposite powder by sucrose process. Journal of Material Science:Material in Electronics. 2010, 21:130-136.

B. Kibbel dan AH Heuer, Exaggerated GrainGrowth In ZrO2-Toughened Al203,Journal of American Ceramic Society.1986, 69[3]:231.

Green, D. J., Critical Microstructures forMicrocracking in Al2O3-ZrO2Composites, Journal of AmericanCeramic Society. 1982, 65(12):610-614.

M-L. Balmer, F.F.Lange, dan V. Jayaram, danC.G.Levi, Development of nano-composite microstructures in Al 2 O3-ZrO2 via the solution precursor method ,


8/8


86

Journal of American Ceramic Society. 1995,78:1489.

B. Fegley, Jr, P. White, dan HK Bowen,Preparation of zirconia-alumina powders by zirconium alkoxidehydrolysis, Journal of American CeramicSociety. 1985, 68:C –60-C-62.

Dynys, F.W. dan Halloran, J.W., Alpha aluminaformation in alum-derived gammaalumina, Journal of the AmericanCeramic Society. 1982, 65(9):442-448.

R.d. Purohit, S. Saha, dan A.K. Tyagi,Combustion synthesis of nanocrystallineZrO2 powder : XRD, raman spectroscopyand TEM studies, Materials science and

engineering. B, Solid-state materials foradvanced technology. 2006, 130:57-60.K C Patil, MS Hedge, Tanu Rattan, dan S T

Aruna, Chemistry of NanocrystallineOxide Materials, Combustion Synthesis,

Properties and Applications, WorldScientific, ISBN-13 978-981-279-314-0,New Jersey, (2008).

W. Pyda, Nano-ceramic aspect of reparationand processing of zirconia nanopowders,Materials Science-Poland. 2008, 26(2):403-412.

Daiping He, Yunjie Ding, Hongyuan Luo, danCan Li, Effects of zirconia phase on thesynthesis of higher alcohols over zirconiaand modified zirconia, Journal ofMolecular Catalysis A:Chemical. 2004,208:267-271.

Subir Roy, Nanocrystalline undoped tetragonaland cubic zirconia synthesized using

poly-acrylamide as gel and matrix ,Journal of Sol-Gel Science andTechnology. 2007, 44: 227-233.

Sintesis Nano Kristal

Documents

Transcript of Sintesis Nano Kristal