Cahya Nugraha

13/348320/TK/40883

Teknik Kimia UGM

PROSES PEMBUATAN KACA

    I.            PENGERTIAN

Kaca atau gelas adalah salah satu alat rumah tangga yang bahan utama penyusunnya adalah  SiO2 dengan suhu

pelelehan 2000◦ C. Kaca atau gelas merupakan bahan pejal sekata, biasanya terbentuk apabila bahan cair tidak

berkristal disejukkan dengan cepat, dengan itu tidak memberikan cukup masa untuk jaringan kekisi kristal biasa

terbentuk. Kaca atau gelas termasuk kelompok vitroida atau termogel, yang merupakan senyawa kimia dengan

susunan yang kompleks. Senyawa tersebut diperoleh dengan membekukan lelehan yang lewat dingin. Kaca atau

gelas ialah produk yang “amorf dan bening dengan kekerasan dan elastisitas yang cukup, tetapi sangat rapuh.

Seperti yang telah dijelaskan di bab sebelumnya bahwa kaca atau gelas apabila dipandang dari segi fisika

merupakan zat cair yang sangat dingin. Disebut demikian karena struktur partikel-partikel penyusunnya yang

saling berjauhan seperti dalam zat cair namun dia sendiri berwujud padat. Ini terjadi akibat proses pendinginan

(cooling) yang sangat cepat, sehingga partikel-partikel silika tidak “sempat” menyusun diri secara teratur. Dari

segi kimia, kaca atau adalah gabungan dari berbagai oksida anorganik yang tidak mudah menguap , yang

dihasilkan dari dekomposisi dan peleburan senyawa alkali dan alkali tanah, pasir serta berbagai penyusun lainnya.

Kaca atau gelas merupakan bahan lutsinar, kuat, tahan hakis, lengai, dan secara biologi merupakan bahan

yang tidak aktif, yang dapat dibentuk menjadi permukaan yang datar dan licin. Ciri-ciri ini menjadikan kaca atau

gelas sebagai bahan yang sangat berguna. Kaca atau gelas biasanya dicampur dengan bahan lain untuk mengubah

cirinya. Misalnya seperti kaca atau gelas bertimah hitam yang menyebabkan kaca atau gelas menjadi lebih

berkilauan, hal ini karena adanya peningkatan index pantulannya, sementara boron ditambahkan untuk mengubah

ciri termal dan elektriknya, seperti Pyrex. Penambahan barium juga dapat meningkatkan indeks pantulannya, dan

serium ditambahkan untuk kaca atau gelas yang menyerap tenaga infra. Logam oksida juga ditambahkan untuk

memberikan warna pada kaca atau gelas. Peningkatan soda atau potash dapat menurunkan titik lebur, sementara

mangan ditambahkan untuk menghilangkan warna yang tidak dikehendaki. Kaca atau gelas berwarna diperoleh

dengan menambahkan sedikit oksida logam peralihan. Misalnya, oksida mangan akan menghasilkan warna ungu,

oksida kuprum dan kromium memberikan warna hijau, dan oksida kolbalt memberikan warna biru.

 II.            SIFAT-SIFAT KACA ATAU GELAS

Kaca atau gelas memiliki sifat-sifat yang sangat khas bila disbanding dengan keramik. Kehasan sifat kaca ini

disebabkan oleh keunikan silika (SiO2) dan proses pembentukannya.

Beberapa sifat kaca atau gelas yang sangat umum adalah sebagai berikut :

Gelas merupakan bahan yang dapat ditembus oleh cahaya tampak dan sinar infra merah, tetapi

tidak oleh sinar ultraviolet.

Padatan amorf (short range order).

Berwujud padat tapi susunan atom-atomnya seperti pada zat cair.

Tidak memiliki titik lebur yang pasti (ada range tertentu)

Mempunyai viskositas cukup tinggi (lebih besar dari 1012 Pa.s)

Transparan, tahan terhadap serangan kimia, kecuali hidrogen fluorida. Karena itulah kaca banyak

dipakai untuk peralatan laboratorium.

Efektif sebagai isolator.

Mampu menahan vakum tetapi rapuh terhadap benturan.

 Secara umum dan ringkas reaksi pembentukan kaca adalah sebagai berikut :

Na2CO3   +   aSiO2   Na2O.aSiO2  +CO2

CaCO3    +   bSiO2  –>CaO.bSiO2   + CO2

Na2SO4   +   cSiO2   +    C   –>  Na2O.cSiO2    + SO   +  SO +   CO

Jenis - Jenis dari Gelas dan Kaca

Secara umum, kaca komersial dapat dikelompokkan menjadi beberapa golongan:

1. Silika lebur. Silika lebur atau silika vitreo dibuat melalui pirolisis silikon tetraklorida pada suhu tinggi,

atau dari peleburan kuarsa atau pasir murni. Secara salah kaprah, kaca ini sering disebut kaca kuarsa

(quartz glass). Kaca ini mempunyai ciri-ciri nilai ekspansi rendah dan titik pelunakan tinggi. Karena itu,

kaca ini mempunyai ketahanan termal lebih tinggi daripada kaca lain. Kaca ini juga sangat transparan

terhadap radiasi ultraviolet. Kaca jenis inilah yang sering digunakan sebagai kuvet untuk spektrometer

UV-Visible yang harganya sekitar dua jutaan per kuvet. 

2. Alkali silikat. Alkali silikat adalah satu-satunya kaca dua komponen yang secara komersial, penting.

Untuk membuatnya, pasir dan soda dilebur bersama-sama, dan hasilnya disebut Natrium silikat. Larutan

silikat soda juga dikenal sebagai kaca larut air (water soluble glass) banyak dipakai sebagai adhesif dalam

pembuatan kotak-kotak karton gelombang serta memberi sifat tahan api.          

3. Kaca soda gamping. Kaca soda gamping (soda-lime glass) merupakan 95 persen dari semua kaca yang

dihasilkan. Kaca ini digunakan untuk membuat segala macam bejana, kaca lembaran, jendela mobil dan

barang pecah belah.    

4. Kaca timbal. Dengan menggunakan oksida timbal sebagai pengganti kalsium dalam campuran kaca cair,

didapatlah kaca timbal (lead glass). Kaca ini sangat penting dalam bidang optik, karena mempunyai

indeks refraksi dan dispersi yang tinggi. Kandungan timbalnya bisa mencapai 82% (densitas 8,0, indeks

bias 2,2). Kandungan timbal inilah yang memberikan kecemerlangan pada “kaca potong” (cut glass). Kaca

ini juga digunakan dalam jumlah besar untuk membuat bola lampu, lampu reklame neon, radiotron,

terutama karena kaca ini mempunyai tahanan (resistance) listrik tinggi. Kaca ini juga cocok dipakai

sebagai perisai radiasi nuklir. 

5. Kaca borosilikat. Kaca borosilikat biasanya mengandung 10 sampai 20% B2O3, 80% sampai 87% silika,

dan kurang dari 10% Na2O. Kaca jenis ini mempunyai koefisien ekspansi termal rendah, lebih tahan

terhadap kejutan dan mempunyai stabilitas kimia tinggi, serta tahanan listrik tinggi. Perabot laboratorium

yang dibuat dari kaca ini dikenal dengan nama dagang pyrex. Kaca borosilikat juga digunakan sebagai

isolator tegangan tinggi, pipa lensa teleskop seperti misalnya lensa 500 cm di Mt. Palomer (AS).       

6. Kaca khusus. Kaca berwarna , bersalut, opal, translusen, kaca keselamatan,fitokrom, kaca optik dan kaca

keramik semuanya termasuk kaca khusus. Komposisinya berbeda-beda tergantung pada produk akhir yang

diinginkan.     

7. Serat kaca (fiber glass). Serat kaca dibuat dari komposisi kaca khusus, yang tahan terhadap kondisi cuaca.

Kaca ini biasanya mempunyai kandungan silika sekitar 55%, dan alkali lebih rendah.

III.            PROSES PEMBUATAN KACA ATAU GELAS

a.            Bahan-Bahan :

Pada dasarnya, bahan baku pembuatan kaca atau gelas terdiri atas 3 jenis bahan yang masing-masing memiliki

peranan pada kualitas dan hasil akhir dari produk gelas secara keseluruhan. Ketiga jenis tersebut adalah :

1.         Bahan pembentuk gelas

Ø  Pasir kuarsa/silika dengan kemurnian SiO2  99.1 – 99.7%

Silikon (IV) oksida ialah molekul kovalen raksasa. Oleh karena itu, silicon (IV) oksida memerlukan banyak

tenaga haba untuk mengatasi setiap ikatan kovalen antara atom dalam struktur raksasa. Maka, silicon (IV) oksida

mempunyai titik lebur yang sangat tinggi, yaitu 1710 C. Dalam silicon (IV) oksida, setiap atom silikon diikat

secara kovalen kepada 4 atom oksigen dalam bentuk tetrahedron dengan sudut antara ikatan 109.5 . Unit itu

diulangi secara tidak terhingga dengan setiap atom oksigen terikat kepada 2 atom silikon untuk membentuk

molekul kovalen raksasa seperti struktur berlian.

Ø   sodium karbonat/soda abu (Na2CO3)

Ø  asam borat/borax

Ø  phosfor pentaoksida

Ø  dolomit (CaCO3.MgCO3)

Dolomit merupakan variasi batu gamping yang mengandung < 50% karbonat. Secara geologi dolomit dapat

terbentuk karena proses primer maupun sekunder. Secara sekunder dolomit terjadi karena proses dolomitisasi

yaitu proses perubahan mineral kalsit menjadi dolomit, selain itu dapat juga terbentuk karena diendapkan secara

tersendiri sebagai endapan evaporit. Dolomit primer berbentuk urat, yang terbentuk bersama-sama dalam jebakan

bijih. Dolomit mempunyai struktur kristal rhombohedral yang mempunyai komposisi kimia CaMg(CaCO3)2 atau

manganodolomit dan berkomposisi MgFe(CaCO3)2 atau ferrodolomit. Umumnya dolomit berwarna putih keabu-

abuan atau kebiru-biruan, kekerasan 3,5 – 4, berifat pejal, berat jenis 2,8 – 2,9, berbutir halus-kasar, mudah

menyerap air, mudah dihancurkan.

Ø  feldspar, dengan rumus molekul R2O.Al2O3.6SiO2 di mana R2O mewakili Na2O atau K2O atau gabungan

keduanya.

Feldspar adalah nama kelompok mineral yang terdiri atas potasium, sodium dan kalsium alumino silikat. Pada

umumnya kelompok ini terbentuk oleh proses pneumatolitis dan hidrotermal yang membentuk urat pegmatit.

Felspar ditemukan pada batuan beku, batuan erupsi dan metamorfosa, baik bersifat asam maupun basa. Felspar

mempunyai nilai kekesaran 6 – 6,5 skala Mosh, berat jenis 2,4 – 2,8, warna dari putih keabu-abuan, merah jambu,

coklat, kuning dan hijau. Felspar adalah mineral alumina anhidrat silikat yang berasosiasi dengan unsur Kalium

(K), Natrium (Na) dan Calsium (Ca) dalam perbandingan yang beragam. Mutu felspar ditentukan oleh kandungan

oksida kimia K2O dan Na2O yang relatif tinggi diatas 6%, oksida Fe2O3 dan TiO2 .

Ø  cullet, merupakan pecahan-pecahan kaca atau kaca yang berasal dari produk tak lolos quality control.

Cullet berfungsi untuk menurunkan temperatur leleh dari bahan baku. Cullet yang diumpankan sebanyak 25%

dari total bahan baku.

2.         Bahan stabilizer

Bahan stabilizer merupakan bahan yang mampu menurunkan kelarutan di dalam air, tahan terhadap serangan

bahan kimia lain termasuk materi-materi lain yang terdapat di atmosfer. Contoh bahan stabiliser yang biasa

dipakai di industri gelas adalah :

Ø  Kalsium Karbonat atau Limestone, membuat produk akhir menjadi tidak larut di dalam air.

Ø  Barium Karbonat, meningkatkan berat spesifik dan indeks bias.

Ø  Timbal Oksida, membuat produk menjadi transparan, mengkilat, dan memiliki indeks bias yang tinggi.

Ø  Seng Oksida, membuat gelas tahan terhadap panas yang mendadak, memperbaiki sifat-sifat fisik dan

mekanik, dan meningkatkan indeks bias.

Ø  Aluminium oksida

Aluminium oksida adalah sebuah senyawa kimia dari aluminium dan oksigen, dengan rumus kimia Al2O3 dan

nama mineralnya adalah alumina. Disini alumunium oksida berfungsi untuk meningkatkan viskositas gelas,

kekuatan fisik dan ketahanan terhadp bahan kimia. 

3.         Komponen sekunder

Ø   Refining agent, menghilangkan gelembung-gelembung gas pada saat pelelehan bahan baku. Bahan  yang

biasa digunakan sebagai refining agent pada industri gelas adalah sodium nitrat dan sodium sulfat atau arsen

oksida (As2O3).

Ø   Penghilang warna (decolorant), menghilangkan warna yang biasanya diakibatkan oleh kehadiran senyawa

besi oksida yang masuk bersama bahan baku. Bahan penghilang warna yang digunakan adalah mangan dioksida

(MnO2), logam selenium (Se), atau nikel oksida (NiO).

Ø   Pewarna (colorant), digunakan untuk membuat gelas khusus sesuai dengan warna yang dikehendaki.

Ø   Opacifiers. Bahan yang digunakan sebagai opacifier adalah fluorite (CaF2), kriolit (Na3AlF6), sodium

fluorosilika (Na2SiF6), timah phospat, seng phospat (Zn3(PO4)2), dan kalsium phospat (Ca3(PO4)2). Opacifiers

adalah zat yang ditambahkan untuk membuat kaca atau gelas bersifat buram atau tidak dapat ditembus gelombang

elektromagnetik, walaupun kacaatau gelas tersebut transparan.

b.      Proses Pembuatan

Secara skematis proses pembuatan kaca atau gelas dapat digambarkan sebagai berikut:

1.      Persiapan bahan baku (batching)

Pada tahap ini dilakukan penggilingan, pengayakan bahan baku serta pemisahan dari pengotor-pengotornya.

Serbuk bahan baku ditimbang sesuai komposisi, termasuk bahan-bahan aditif lain yang diperlukan seperti zat

pewarna atau zat-zat yang sesuai dengan produk kaca yang dikendaki. Pengadukan campuran bahan baku dalam

suatu mixer hal ini dilakukan agar campuran menjadi homogen sebelum dicairkan.

Komposisi dari bahan-bahan penyusunnya adalah sebagai berikut :

Bahan Komposisi

(%)

Pasir Silika 72,6

Natrium Karbonat 13,0

Kalsium Karbonat 8,4

Dolomit 4,0

Alumina 1,0

Lain-Lain 1,0

2.      Pencairan (melting/fusing)

Bahan baku yang sudah homogen, diayak dahulu sebelum dimasukkan ke dalam tungku (furnace) bersuhu

sekitar 1500oC sehingga campuran akan mencair. Selama proses pencairan, masing-masing bahan baku akan

saling berinteraksi membentuk reaksi-reaksi kimia berikut :

1. Reaksi-reaksi penguraian

2. Na2SO3     Na2O     +       SO2                                                                

3. CaCO3     CaO        +       CO2                                                            

4. Na2SO4    Na2O               +     SO2

5. Reaksi antara SiO2  dengan Na2CO3 pada suhu 630 – 780oC

6. Na2CO3   +     aSiO2         Na2O.aSiO2      +  CO2                      

7. Reaksi antara SiO2  dengan CaCO3 pada suhu 600oC

8. CaCO3    +     bSiO2         CaO.bSiO2        +  CO2                     

9. Reaksi antara CaCO3  dengan Na2CO3 pada suhu di bawah 600oC

10. CaCO3    +     a2CO3       Na2Ca(CO3)2                                         

11. Reaksi antara Na2SO4 dengan SiO2 pada suhu 884oC

12. Na2SO4   +     nSiO2        NaO.nSiO2        +  SO2 +    0.5O2

13. Reaksi utamaaSiO2 + bNa2O + cCaO + dMgO     aSiO2.bNa2O.cCaO.dMgO

                                                                              LEBURAN KACA

Tungku sebagai tempat mencairkan campuran bahan baku kaca atau gelas, terbagi menjadi 3 jenis, yaitu :

·         Pot furnace

Biasanya dipakai untuk menghasilkan kaca-kaca khusus (special glass) seperti kaca seni, kaca optik dengan

skala produksi yang kecil sekitar 2 ton atau lebih rendah. Pot terbuat dari bata silica-alumina (lempung)

khusus atau platina.

·         Tank furnace

Digunakan pada industri gelas skala besar dan terbuat dari bata refraktori (bata tahan panas). Furnace ini

mampu menampung sekitar 1350 ton cairan gelas yang membentuk kolam di jantung furnace.

·         Regenerative furnace

3.      Pembentukan (forming/shaping)

Bahan kaca atau gelas yang berbentuk cair lalu dialirkan ke dalam alat-alat yang berfungsi untuk membentuk

kaca padat sesuai yang diinginkan. Ada beberapa jenis proses pembentukkan kaca, di antaranya adalah :

Ø  Proses mekanik :

a.       Proses Fourcault

Bahan cair dialirkan secara vertikal ke atas melalui sebuah bagian yang dinamakan “debiteuse”. Bagian ini

terapung di permukaan kaca cair dengan celah sesuai dengan ketebalan kaca yang diinginkan. Di atas

debiteuse terdapat bagian sirkulasi air pendingin yang akan mendinginkan kaca hingga 650 – 670oC. Pada

suhu tersebut kaca berubah menjadi pelat padat dan akan bergerak dengan didukung oleh roda pemutar

(roller) yang menarik kaca tersebut ke atas. Gambar di bawah ini melukiskan skema proses Fourcault.

b.      Proses Colburn (Libbey-Owens)

Jika proses Fourcault , gerakan kaca berlangsung secara vertikal, maka pada proses Colburn kaca akan

bergerak secara vertical kemudian diikuti gerakan horizontal setelah melewati roda-roda penjepit yang

membentuk leburan gelas menjadi lembaran-lembaran.

c.       Proses Pilkington (float process)

Bahan cair dialirkan ke dalam sebuah kolam berisi cairan timah (Sn) panas. Kecepatan aliran bahan cair ini

merupakan pengatur tebal tipisnya kaca lembaran yang akan diproses. Kaca akan mengapung di atas cairan

timah karena perbedaan densitas di antara keduanya. Kaca ini tetap berupa cairan dengan pasokan panas yang

berasal dari pembakar di bagian atas kolam. Pengendalian temperatur di dalam kolam dilakukan agar kaca

tetap rata di kedua sisinya serta pararel. Bahan yang biaanya digunakan untuk keperluan ini adalah gas

nitrogen murni. Selanjutnya, aliran kaca melewati daerah pendinginan (masih di dalam kolam) dan keluar

dalam bentuk kaca lembaran bersuhu ±600oC.

sumber : http://www.agc.com/english/csr/environment/products/sp01.htmls

Ø  Proses tiup (blow)

Proses ini digunakan untuk membuat botol kaca, gelas kemasan, atau aneka bentuk kaca seni lainnya.

4.      Annealing

Fungsi tahapan ini adalah untuk mencegah timbulnya tegangan-tegangan antar molekul pada kaca yang tidak

merata sehingga dapat menimbulkan kepecahan. Proses annealing kaca terdiri dari 2 aktivitas, yaitu :

·   menahan kaca dengan waktu yang cukup di atas temperatur kritik tertentu untuk menurunkan regangan

internal

·   mendinginkan kaca sampai temperatur ruang secara perlahan-lahan untuk menahan regangan sampai titik

maksimumnya.

Proses ini berlangsung di dalam “annealing lehr”. Untuk jenis kaca lembaran, annealing lehr ini dilewati oleh

kaca-kaca yang bergerak di atas roda berjalan.

5.      Finishing dan pengendalian kualitas (Quality Control)

Beberapa proses penyelesaian akhir pada industri gelas adalah cleaning and polishing, cutting, enameling, dan

grading.

Sumber :

Bahankontruksi.blogspot.com pada tanggal 9 Oktober 20015 pukul 16.00