artikel mitawulandarilukman

8/12/2019 Artikel MitaWulandariLukman

1/5

SINTESIS BIOMATERIAL KOMPOSIT CAO-SIO2BERBASIS MATERIAL ALAM (BATUAN

KAPUR DAN PASIR KUARSA) DENGAN VARIASI SUHU PEMANASAN DAN PENGARUHNYA

TERHADAP POROSITAS, KEKERASAN DAN MIKROSTRUKTUR

Mita Wulandari Lukman1)

, Yudyanto2)

, Hartatiek3)

1), 2), 3) Jurusan Fisika FMIPA UM,

Alamat e-mail : (1)[email protected](2)[email protected] (3)[email protected]

Abstrak

Telah dilakukan penelitian tentang biomaterial komposit CaO-SiO2dari bahan dasar material alam

batu kapur dan pasir kuarsa.Penggunaan bahan dasar yang berasal dari bahan alam dilakukan untukmeningkatkan nilai ekonomis dari batu kapur dan pasir kuarsa.

Jenis penelitian yang dilakukan merupakan eksperimen murni. Eksperimen diawali dengan ekstraksi

bahan dasar biomaterial komposit dari batu kapur (CaCO3) dan pasir kuarsa. Hasil dari ekstraksi berupa

serbuk CaO dan SiO2yang dikarakterisasi menggunakan XRF, XRD untuk mengetahui kemurnian dan fasa

yang terbentuk. Kedua serbuk dicampur dan digerus selama 4 jam. Sintesis biomaterial komposit CaO-SiO2

dilakukan dengan metode pencampuran serbuk dengan komposisi 52% CaO dan 48% SiO2. Pemanasan

dilakukan pada suhu 500C, 600C, 700C, 800C dan 900C.

Hasil penelitian menunjukkan pada suhu 500-800C terbentuk biomaterial komposit CaO-SiO2

dengan fasa dicalcium silicate dan masih ada fasa SiO2. Kenaikan suhu pemanasan menyebabkan porositas

meningkat dan kekerasan menurun. Tampak pada mikrostruktur ukuran yang butir yang semakin besar dan

pori yang semakin banyak. Pada suhu pemanasan 900C proses sintering mulai terjadi dan fasa SiO2 tidak

lagi ditemukan. Porositas mengalami penurunan dan nilai kekerasan meningkat. Tampak pada mikrostruktur

interaksi antar buti terbentuk dan pori semakin mengecil. Dapat disimpulkan bahwa suhu sintering yang

paling sesuai pada penelitian ini adalah 900C dengan persentase porositas (10,494 0,003) % dan nilai

kekerasan (64,03 8,36) HV.

Kata kunci :Biomaterial, CaO-SiO2, Porositas, Kekerasan dan Mikrostruktur.

I. PendahuluanDi Indonesia, kebutuhan akan biomaterial dalam

bidang medis untuk berbagai keperluan terusmeningkat. Hal ini disebabkan oleh meningkatnya

berbagai kasus penyakitbencana alam, kecelakaankerja, kecelakaan lalu lintas serta kasus ledakan bomyang mengakibatkan patah tulang juga kehilangananggota tubuh (Arifin, 2009).

Material alam seperti batu kapur dan pasir kuarsayang keberadaanya melimpah di Indonesia masihdimanfaatkan sebagai bahan bangunan sehingganilai ekonomisnya rendah. Untuk meningkatkannilai ekonomis material alam ini perlu dilakukaninovasi dengan memanfaatkannya sebagai bahan

dasar untuk sintesis biomaterial komposit. Materialalam diyakini lebih dapat diterima oleh tubuh kerenamemiliki persamaan sifat fisiko kimia (Nurlaela,2009).

Pasir kuarsa dan batu kapur memiliki potensiuntuk diaplikasikan dalam bidang biomaterialmelalui proses pemurnian (ekstraksi). Prosesekstraksi pasir kuarsa menghasilkan silika (SiO2).Ektraksi batu kapur akan menghasilkan kalsium(CaO).

Beberapa tahun terakhir pemanfaatan silika dan

kalsium yang dibuat nanokomposit menjadi kandidatbahan bioaktif yang menjanjikan untuk aplikasi

perbaikan jaringan tulang. Pada penelitian Jin-Bo(2011) silika dan kalsium dimanfaatkan sebagaikomposit membran denganpolylactid acid(PLA).

Secara garis besar, penelitian ini dilakukan untukmemperoleh biomaterial komposit berbahan dasarpasir kuarsa dan batu kapur. Dalam penelitian ini,sintesis biomaterial dilakukan dengan metode

pencampuran serbuk dengan pemanasan pada suhu500C, 600C, 700C, 800C dan 900C.Karakterisasi dilakukan dengan XRD, porositas,kekerasan dan mikrostruktur untuk mendapatkandata tentang karakteristik biomaterial komposit yangdihasilkan.

II. Kajian TeoriBiomaterial

Pada handbook Overview of Biomaterials and

Their Use in Medical Devices biomaterialdidefinisikan sebagai material sintetik yangdigunakan untuk memperbaiki atau menggantikanfungsi jaringan tubuh.

Adanya interaksi dengan jaringan tubuhmenyebabkan biomaterial harus memiliki sifat-sifatbiokompatibilitas, yaitu kemampuan suatu material
mailto:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]


2/5

untuk bekerja selaras dengan tubuh tanpamenimbulkan efek lain yang berbahaya (Cahyanto,

2009).

Biomaterial diklasifikasikan berdasarkan

kereaktifannya terhadap tubuh menjadi 2, yaitu

bioaktif yang bereaksi dengan jaringan tubuh danbioinert yang tidak beraksi dengan jaringan tubuh.

Batu Kapur

Batu kapur merupakan batuan padat yangmengandung banyak kalsium karbonat. Batu kapurberwarna putih, abuabu kuning tua, abu-abukebiruan, jingga dan hitam (Oates, 1998) tergantungpada pengotornya.

Menurut Ginting (2004) ikatan pada senyawaCaCO3 akan terputus apabila diberi energi panas.Pemberian energi panas (kalsinasi) mengacu kepada

proses thermal decomposition untuk menghasilkansenyawa kalsium oksida (CaO) dan karbon dioksida(CO2).

Pasir Kuarsa

Pasir kuarsa mempunyai komposisi gabungan

dari SiO2, Fe2O3, Al2O3, TiO2, CaO, MgO, dan K2O.Pasir kuarsa berwarna putih bening atau warna lain

bergantung pada senyawa pengotornya, kekerasan 7(skala Mohs), berat jenis 2,65, titik lebur 1715C,bentuk kristal hexagonal, panas spesifik 0,185, dankonduktivitas panas 12 1000C (Pusat Penelitian

dan Pengembangan Teknologi Mineral danBatubara,2005).

Silika amorf dapat diekstraksi dari pasir kuarsamenggunakan metode presipitasi, metode sol gel,metode proses penghilangan asam dan metode

ekstraksi basa (Nofa, 2012). Silika yang terbentukakan menyerupai gel (silika gel).

Menurut Kalapathy (2000) silika gel dapat

diklasifikasikan menjadi aquagel(porinya terisi air),xerogel(fasa larutan dihilangkan dengan penguapan)dan aerogel (pelarut dihilangkan dengan

supercritical extraction).

Komposit CaO-SiO2

Campuran komposisi CaO-SiO2 telahbanyak diteliti dan menjadi bahan dasar bioaktifglass dan glass keramik. Ion Ca2+yang mengalamireaksi exchange cationdengan silika memunculkan

kemampuan Bioactivity pada CaO-SiO2 (Bansal,1990). Komposit CaO-SiO2 dengan fasawollastonite, dicalciumsilicate, dan diopsidesangat

potensial untuk digunakan sebagai tulang buatan (JinBo, 2011). Pada penelitian yang dilakukan Lee

(2008) CaO-SiO2 gel disintesis dengan metode solgel dengan pemanasan 800C-900 C terbentuk fasa

amorf. Pada suhu pemanasan diatas 1000 Cterbentuk struktur Quartz dan Kristobalit.

Suhu yang tinggi menyebabkan porositas CaO-SiO2 gel semakin mengecil (Bansal, 1990). Pada

penelitian yang dilakukan Coleman (2006) porositas

CaO-SiO2meningkat sebanding dengan peningkatanfraksi mol CaO.

III. Metode PenelitianEkstraksi Batu kapur

Batu kapur (CaCO3) dipanaskan didalam furnacesampai suhu 1000C selama empat jam agarterbentuk CaO. Furnace dimatikan dan batu kapurdibiarkan didalam funace selama semalam.CaO

yang dihasilkan digerus dan diletakkan pada wadahyang kedap udara untuk meminimalisasi kontakdengan udara. Hasil ekstraksi dikarakterisasi XRD

untuk menentukan fasa kristal yang terbentuk.

Ekstraksi Silika

Ekstraksi silika dilakukan dengan cara metodexerogel. Langkah pertama yang dilakukan, Pasirkuarsa yang diambil dari kecamatan Bancar Tuban

digerus dengan mortar kemudian diayak denganayakan 200 mesh. Pasir yang lolos ayakan direndamdalam HCl 2M selama 12 jam. Residu dicuci denganaquades sampai tidak ada warna kekuningan. Residu

dikeringkan pada suhu 80C sampai kadar air hilang.Pasir yang telah kering direaksikan dengan NaOH

3M pada suhu 95C sambil distirer 300 selama 3jam pada labu yang bertutup. Larutan disaring

menggunakan kertas saring halus. Residu ditetesi 20ml aquades mendidih. Larutan lolos saring + tetesan

aquades yang suhunya telah mencapai suhu ruangdistirer 100 dan ditetesi HCl 6M sampai terbentukgel. Gel yang terbentuk dibiarkan selama 18 jam.Gel silika dicuci dengan aquades 5 x.Gel silika

dikeringkan dengan suhu 80C sampai kadar airhilang. Gel yang telah dikeringkan dicuci denganaquades.

Residu dikeringkan lagi pada suhu 80 C sampaikadar air hilang. Gel yang telah mengering digerus

untuk mendapatkan serbuk silika. Serbuk silika diujiXRD dan XRF untuk menentukan fasa kristal dankemurnian silika hasil ekstraksi.

Sintesis Komposit CaO-SiO2

Tiap sampel bermassa 2 gram dengan komposisi52 % CaO dan 48% SiO. Pencampuran sampeldilakukan dengan menggerus serbuk SiO2dan CaO

selama 4jam menggunakan mortar. Sebelum dipresssampel ditetesi PVA 3 tetes. Sampel dipress denganalat press menggunakan cetakan berbentuk silinder.

Pemanasan sampel diletakkan pada crusibel dalam

furnace dengan variasi suhu : 500 C; 600 C; 700C; 800 C; 900 C dengan lama penahanan 4 jam.
http://www.tekmira.esdm.go.id/http://www.tekmira.esdm.go.id/http://www.tekmira.esdm.go.id/http://www.tekmira.esdm.go.id/http://www.tekmira.esdm.go.id/http://www.tekmira.esdm.go.id/http://www.tekmira.esdm.go.id/http://www.tekmira.esdm.go.id/http://www.tekmira.esdm.go.id/


3/5

Karakterisasi

Karakterisasi sampel dilakukan menggunakanXRD, Porositas, micro hardness vickers, dan SEM.XRD dilakukan untuk mengetahui karakteristik fasa

kristal pada sampel hasil sintesis.

Karakterisasi porositas dilakukan untuk

menentukan persentase keporian semu pada sampel.Karakterisasi dilakukan dengan pengukuran massasebelum sintering, massa setelah sintering dan massa

jenuh stelah direndam air 15jam denganmenggunakan necara digital. Hasil pengukurandihitung sebagai persentase porositas semu.

Karakterisasi kekerasan dilakukan denganpenetrasi menggunakan piramida intan dengan alat

micro hardness vickers.Nilai yang terukur berupa

diagonal dari indentasi yang kemudian dihitunguntuk memperoleh nilai kekerasan.

Kerakterisasi dengan SEM dilakukan untukmgetahui foto mikrostruktur sampel hasil sintesis.

IV. Hasil PenelitianInvestigasi Awal

Batu KapurBatu kapur yang telah diekstraksi diuji XRD.

Hasil uji diperoleh sebagaimana ditunjukkan padaGambar 4.1.

Gambar 4.1 Pola Difraksi CaO Hasil Ekstraksi

Hasil dari ekstraksi batu kapur dengan metodekalsinasi diperoleh fasa CaO sebesar 82,5% dan fasa

Ca(OH)217,5%.

Ekstraksi Pasir KuarsaPerbandingan kandungan unsur pada pasir kuarsa

asli dan serbuk silika hasil ekstraksi dapat dilihatsebagai berikut.Tabel 4.1 Kandungan Unsur Pasir Kuarsa

No. UnsurKandungan ( %)

Pasir asli Hasil ekstraksi

1 Si 74,2 97,5

2 K 3,5 -

3 Ca 3,01 1,24 Ti 1,49 0,23

5 V 0,06 -6 Cr 0,08 0,117 Mn 0,12 -8 Fe 17,0 0,439 Ni 0,04 0,11

10 Cu 0,16 0,2111 As 0,14 -

12 Yb 0,2 0,2

Pada pengujian XRD diperoleh data berupagambaran puncak difraksi yang ditunjukkan padaGambar 4.2.

Gambar 4.2 Pola Difraksi Serbuk Silika Hasil

Ekstraksi

Tampak pada Gambar 4.2 hasil ekstraksi daripasir kuarsa diperoleh SiO2amorf.

Sintesis Biomaterial Komposit CaO-SiO2Fasa Kristal

Sintesis Biomaterial Komposit CaO-SiO2

dikarakterisasi fasa kristal dan dicocokkan denganfasa kristal dicalcium silicate seperti pada Gambar4.3.

Gambar 4.3 Perbandingan Puncak Difraksi Senyawa

Dicalcium Silicate Dengan Puncak Sampel Hasil

Sintesis

Pada suhu 500-600C beberapa puncak untukpola difraksi yang sesuai dengan dicalcium silicate

belum terbentuk, tapi 3 puncak utama telahterbentuk. Ketika suhu pemanasan dinaikkan tampak

kenaikan intensitas pada sudut yang sesuai dengandicalsium silicate. Peningkatan suhu pemanasan


4/5

juga menunjukkan semakin berkurangnya intensitasuntuk puncak-puncak lain.

Pada suhu 500-700C puncak-puncak pengotormenunjukkan kesesuaian dengan fasa quartz(SiO2).

Sedangkan pada suhu 800C pengotor menunjukkan

kesesuaian dengan fasa coesite (SiO2). Coesiteterbentuk pada pemanasan dari fasa quartz padasuhu 700-1300C. Pada suhu 900C puncak pengotortidak ditemukan. Hal ini menunjukkan semua atomunsur menempati simetri kristal yang sesuai dengandicalsium silicate.

Porositas

Tabel 4.2 Variasi Suhu Pemanasan Biomaterial

Komposit CaO-SiO2 terhadap Porositas

N

o.

Suhu Pemanasan

(C)

Porositas

Rp(%)

1 500 11,732 0,0032 600 12,934 0,0023 700 14,000 0,0034 800 18,012 0,003

5 900 10,494 0,003

Pada proses sintering butiran mengalami dua

mekanisme sekaligus yaitu pengasaran danpemadatan. Berdasarkan data porositas (Tabel 4.4)tampak bahwa pada suhu 500-800C porositas bahan

semakin meningkat. Pada suhu ini proses pengasarancenderung lebih dominan daripada pemadatan.Butiran yang semakin besar tidak diikuti denganpemadatan sehingga terbentuk pori-pori.

Pada pemanasan dengan suhu 900C persentasepori menurun. Hal ini dimungkinkan terjadi karena

sampel telah mengalami pemadatan. Sampel yangdipanaskan sampai pada suhu 800C hanyamengalami peningkatan ukuran butir. Ketika suhu

dinaikkan menjadi 900C terjadi proses sintering danmulai ada difusi antara butiran yang satu denganyang lain. Butiran saling melebur dan menutup poridari udara luar sehingga muncul proses pemadatan.

Kekerasan

Tabel 4.3 Suhu Pemanasan terhadap Kekerasan

Biomaterial Komposit CaO-SiO2

No Suhu Pemanasan

(C)

Kekerasan Sk (HV)

1 500 50,47 6,52

2 600 32,13 1,73

3 700 26,97 2,09

4 800 21,07 1,55

5 900 64,03 8,36

Penurunan kekerasan terjadi pada sampel yang

dipanaskan pada suhu 500-800C. Pada suhu 900Ckekerasan bahan meningkat secara tajam. Secarateoritis peningkatan suhu sintering akan memberikan

kontribusi peningkatan kekerasan karena adanyainteraksi antar butir. Interaksi antar butir yang

mengurangi jumlah permukaan dan batas butiranmenyebabkan semakin kecil bidang dislokasi yangmenyebabkan pergeseran sehingga bahan memiliki

kekerasan yang tinggi. Kekerasan tertinggi

ditemukan pada sampel dengan suhu pemanasan900C. Pada suhu ini sintering mulai terjadi.

Mikrostruktur

500C 600C

700C 800C

900C

Pada suhu 500C tampak permukaan yangmerata. Permukaan yang merata ini terbentuksebagai akibat dari interaksi antar butir. Butir yang

satu dengan yang lain saling melekat sehingga batasbutir menghilang dan terbentuk sebuah butiran baru

yang lebih besar.

Pada suhu 600C permukaan yang meratasemakin berkurang bagitu juga ketika dipanaskan

pada suhu 700C. Pada suhu 600C dan 700Csemakin terlihat banyak pori dan butiran semakinbesar. Peningkatan suhu pemanasan menyebabkan

ukuran butir yang semakin besar. Peningkatanukuran butir yang tidak disertai denganpenghilangan pori dan interaksi antar butiranmenyebabkan terjadinya pengasaran. Pengasaran inipada tampak mikrostruktur terlihat sebagaimenghilangnya permukaan yang sebelumnya

tampak merata.


5/5

Pada suhu 800C permukaan mulai terbentukkembali namun tampak banyak pori-pori. Ukuran

butiran semakin meningkat dan ada interaksi antarbeberapa butir. Terjadi perubahan bentuk butir daribulat lonjong menjadi menyerupai polygonal. Hal ini

dimungkinkan terjadi karena adanya transformasi

fasa.

Pada suhu 900C permukaan yang terbentuksemakin melebar dan ukuran butir semakin kecil.

Mekanisme sintering mulai terjadi, tampak difusiantar butir dan penghilangan pori. Pada pemanasandengan suhu yang lebih tinggi pori akan tertutup

secara sempurna dan batas butiran akan menghilang.

V. KESIMPULANBerdasarkan hasil penelitian melalui proses

ekstraksi batu kapur diperoleh serbuk 82,5% CaOdan 17,5% Ca(OH)2. Ekstraksi pasir kuarsamenghasilkan serbuk silika amorf dengan kemurnian

97,3%.

Suhu pemanasan mempengaruhi kesesuaian pola

difraksi dengan dicalcium silicate. Semakin tinggisuhu pemanasan pola difraksi yang terbentuksemakin sesuai.

Suhu pemanasan yang semakin tinggimeningkatkan prosentase porositas, tetapi pada suhu

900C porositas menurun dan terjadi sintering.

Suhu pemanasan yang semakin tinggi

menurunkan nilai kekerasan, tetapi pada suhu 900C

kekerasan meningkat dan terjadi sintering.

Suhu pemanasan mempengaruhi mikrostruktursampel. Peningkatan suhu dari 500-700Cmengurangi interaksi antar butir. Pada suhu 800-

900C interaksi antar butir kembali meningkat. Padasuhu 900C sintering mulai terjadi sehingga sebagianpori mulai tertutup dan ukuran butiran meningkat.

VI. REFERENSIArifin, Fatahul dan Eka Satria Martomi. 2009.

Keramik (Advance Ceramics) Sebagai

Material Alternatif di Bidang Kesehatan.Jurnal Austenit. 1(1): April 2009.

Cahyanto, Arief. 2009. Makalah Biomaterial.Bogor: Institut Pertanian Bogor.

Jin-Bo, LI, dkk. 2011. Preparation andCharacterization of Bioactive Poly (LacticAcid)/ SiO2-CaO Composite Membranes.Journal of inorganic materials. 26(9).

Kalapathy, U., et al. 2000. A simple method forproduction of pure silica from rice hull ash.Bioresource Technology. 73 : (257-262).

Nofa, Rini Sri. 2012. Ekstraksi Silika Amorf dari

Sekam dan Jerami Padi sebagai Penyerap Ion

Logam Cd(II).Skripsi.Malang: UM.

Nurlaela, Ai. 2009.Penumbuhan Kristal Apatit DariCangkang Telur Ayam Dan Bebek Pada

Kitosan Dengan Metode Presipitasi. IPB:Bogor.

Oates J.A.H., 1998, Lime and Limestone, Chemistry

and Technology, Production and Uses, Wiley-

Vch.Pusat Penelitian dan Pengembangan Teknologi

Mineral dan Batubara.2005.Informasi Mineraldan Batubara. (Online),(http://www.tekmira.esdm.go.id/data/PasirKwarsa/ulasan), diakses tanggal 24 September2012.
http://repository.ipb.ac.id/handle/123456789/41244http://repository.ipb.ac.id/handle/123456789/41244http://repository.ipb.ac.id/handle/123456789/41244http://repository.ipb.ac.id/handle/123456789/41244http://repository.ipb.ac.id/handle/123456789/41244http://repository.ipb.ac.id/handle/123456789/41244http://repository.ipb.ac.id/handle/123456789/41244http://www.tekmira.esdm.go.id/http://www.tekmira.esdm.go.id/http://www.tekmira.esdm.go.id/http://www.tekmira.esdm.go.id/data/PasirKwarsa/ulasanhttp://www.tekmira.esdm.go.id/data/PasirKwarsa/ulasanhttp://www.tekmira.esdm.go.id/data/PasirKwarsa/ulasanhttp://www.tekmira.esdm.go.id/data/PasirKwarsa/ulasanhttp://www.tekmira.esdm.go.id/data/PasirKwarsa/ulasanhttp://www.tekmira.esdm.go.id/data/PasirKwarsa/ulasanhttp://www.tekmira.esdm.go.id/data/PasirKwarsa/ulasanhttp://www.tekmira.esdm.go.id/http://www.tekmira.esdm.go.id/http://repository.ipb.ac.id/handle/123456789/41244http://repository.ipb.ac.id/handle/123456789/41244http://repository.ipb.ac.id/handle/123456789/41244http://repository.ipb.ac.id/handle/123456789/41244http://repository.ipb.ac.id/handle/123456789/41244

artikel mitawulandarilukman

Documents