Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi IIISerpong, 20 -21 Oktober 1998 ISSN1410-2897

PEMBUATAN KERAMIK ALPHA-ALUMINADENGAN PROSES SOL-GELS3b

A. Sitompull, S. Pumama I, Sudirman I, Anik Sunami 2I Pusat Penelitian Sains Materi, BATAN

2 Pusat Aplikasi dan lradiasi Radioisotop, BATAN

ABSTRAKPEMBUATAN KERAMIK ALPHA-ALUMINA DENGAN PROSES SOL-GEL. Salah satu proses terbaru untuk

pembuatan bahan keramik oksida logam adalah dengan proses sol-gel. Pada penelitian ini dibuat bahan keramik aluminiumoksida, corundum (a-AlzOJ dengan proses sol-gel menggunakan prekursor aluminium tri-tert butoxide (ATB) dan aluminiumtri-sec butoxide (ASB). Kedua jenis prekursor tersebut dihidrolisa dengan perbandingan 100 mol air untuk setiap mol bahanprekursor. Peptisasi dilakukan dengan memvariasikan jumlah katalis HCI untuk ATB dan HNO] untuk ASB. Gel yang terjadidipanaskan pada beberapa temperatur : 300, 700, 1100, dan 1300.C selama I jam. Hasil proses hidrolisa dan polimerisasi yangdiamati dengan spektroskopi sinar infra merah terlihat dengan adanya ikatan AI-OH pada 1070 cm-1 dan keberadaan puncak-puncak karakteristik rasa y-AIOOH pada : 474, 632, 742, dan 1070 cm-l. Transformasi rasa pada proses pirolisa yang akhirnyamembentuk rasa a-AlIa] ditunjukkan oleh puncak-puncak 844, 642, 586 dan 446 cm-l- Hasil karakterisasi difraksi sinar-xmemperkuat analisis di atas. Gel kering yang terbentuk adalah alumina hidroksida, boehmite (y-AlOOH) yang mengalamitransformasi rasa menjadi y-AIZO]' 8-AIZO] dan akhirnya menjadi a-AlIa] pada temperatur 1300 "C. Struktur mikro aluminahidroksida ditandai dengan kantung-kantung air atau sisa senyawa organik dan menjadi pori-pori yang halus pada rasa a-AlIa].Densitas rasa a-AlIa) tertinggi diperoleh sebesar 3,52 g/cm] untuk perkursor ATB dengan jumlah katalis 0,105 mol HCI, dan3,73 g/cm] untuk prekursor ASB dengan jumlah katalis 0,2 mol HNO]

ABSTRACTSYNTHESIS ALPHA-ALUMINA CERAMIC BY SOL-GEL PROCESS. One of the newest process to synthesis

metal oxide ceramic is the sol-gel process. In this research, aluminum oxide or corundum (a-AlzO3) has been made by sol-gelprocess using aluminum tri-tert butoxide (ATB) and aluminum tri-sec butoxide (ASB) precursors. The two precursors werehydrolyzed with IOO-mole water/mole precursor and peptized with several number variation of catalyst HCI for ATB and HNO3for ASB. The gel formed was pirolized at several temperatures: 300, 700, 1100 and 1300 "C for I hour. Hydrolysis andpolymerization process which are detected by Infrared Spectroscopy showed AI-OH bending at 1070 cm.1 and peaks characteristicofy-AIOOH phase at 474, 632,742, and 1070 cm-1 and also the peaks characteristic of the a-AlzO3 phase at 844, 642, 586 and446 cm-l. The X-ray diffraction data supported above argument, the dried gel is hydroxide alumina phase, boehmite (y-AIOOH)which transformed to y-AlzO3' 9-AlZO3 and a-AlzO3 at 1300 .C. The microstructure of hydroxide alumina consist of water andorganic compound and become fine pores at the a-AlzO3 phase. The highest density of the a-AlzO3 phase is 3.52 g/cm3 for ATBprecursor with 0.105 mole HCI, and 3.73 g/cm3 for ASB precursor with 0.2 mole HNO3.

PENDAHULUAN

Pembuatan bentuk padat bahan kerarnik densitastinggi melalui proses metalurgi serbuk konvensionaladalah sulit. Struktur mikro produk sinter dipengaruhioleh karakteristik serbuk seperti ukuran partikel, distribusiukuran serbuk. bentuk serbuk, luas permukaan daDkeadaan aglomerasi serbuk. Pacta saat serbuk dikompak-si, aglomerat dan/alan agregat serbuk akan menye-babkan ketidak-homogenan pacta struktur mikro bahanyang dikompaksi daD berlanjut sampai bahan tersebutdisinter.

Proses sol-gel adalah salah satu teknik barn untukmembuat bahan keramik logam oksida. Dengan prosessol-gel memungkinkan untuk memanipuiasi s1IUktur mikrodaD sifat-sifat bahan keramik, yakni dengan mengontrolvariabel proses yang ada pacta proses sol-gel. Selain itubahan keramik yang dibuat dengan proses sol-gelmempunyai kemurnian yang tinggi dan suhu sintering

yang relatiflebih rendah. Plastisitas dari gel memberikankeuntungan lain yakni produk dibuat dalam bentuktertentu. Selain menjadi serbuk dapat dibuat bentuk serat,lapisan tipis dan bentuk padat.

Alumina adalah salah satu bahan keramik yangbanyak digunakan sebagai bahan untuk komponen alat,baik di industri maupun di laooratorium penelitian. Bahantersebut mempunyai beberapa sifat yang baik, sepertiketahanan pada temperatur tinggi, ketahanan terhadapbahan kimia lain atau tahan korosi serta bersifat insula-tor. Beberapa penggunaan keramik alumina yaitu : sebagaiinsulator pada subtrat IC, krusibel, konverter katalis dansebagai bahan dasar pembuatan bahan superionik beta-almnina

Menurut Yoldas, untuk membuat bentuk padatalumina melalui proses sol-gel dapat menggunakan alu-minium alkoksida sebagai prekursornya. Ada 4 tahap

Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi IIISerpong, 20 -21 Oktober 1998 ISSN 1410-2897

dalam proses sol-gel tersebut yaitu : 1). Hidrolisisalkoksida alwniniwn. 2). Peptisasi hidroksida menjadi sot.3). Pembentukan gel, dan 4). Pirolisis gel menjadi alu-mina [1). Variabel proses pada tahap-tahap tersebutadalah perbandingan molar air dengan alkoksida logam,jenis daD jumlah katalis, pH, daD temperatur sintesis.Katalis asam akan mempercepat laju reaksi hidrolisissedang katalis basa akan mempercepat reaksi pol ikon-densasi dan keduanya memperluas daerah kelarutan [2).Pada penelitian ini akan dilakukan pembuatan bahankeramik alpha-alumina (corundum) dengan proses sol-gel menggunakan prekursor aluminium alkoksida.

manual. Morfolo-gi sampel diamati dengan ScanningElectron Microscope (SEM).

BASIL DAN PEMBABASAN

Tabell menunjukkan lJaSil pengukurnn pH datIwaktu pembentukan gel daTi masing-masing ballaD

prekursor yang digunakan. Pengamatan dan pengukuranwaktu gelasi dilakukan dengan cara menghitung waktudari keadaan larutan sol yang enter sampai menjadi kentalsaat menjadi gel. Pada prekursor Am, waktu pembentu-kan gel tidak dipengaruhi oleh kenaikan jumlah katalis.Sebaliknya untuk prekursor ASH, kecepatan gelasi

Tabe! Hasil pengukuranpH dan waktu gelasi

Prekursor ATB Prekursor ASB

!lH Waktu gelasi(menit)

pH Waktu gelasi

(menit)MQIHC[ Mol

HNO)8m ('rei Sol {'lei

7

77777

155173130163173173

7777'77

170140190755525

0

~~

~~0.2

0

Q:.Q.?

!!l!:..~~1,1

7

~~

2

7

6

~54

3,5

TATA KERJA

Aluminium alkoksida yang digunakan sebagaiprekursor adalah serbuk aluminum tri-tert butoxide([C2H5CH(C~)OJ)AI) disebut Am dan larutan kentalaluminium tri-sec butoxide ([(C~»)COJ)AI) disebut ASB.Kedua bahan prekursor tersebut dicampur air denganperbandingan moll: 1oO untuk membentuk alkoksidahidroksil, selanjutnya dipeptisasi (}X)lime risasi) pada 90°C dengan katalis HCI untuk Am dan HNO) untuk ASB.Jumlah bahan katalis HCI divari-asikan dari 0; 0,025 ;0,07; 0,105; 0,175 danO,2 mol., dan bahankataiisHNO)divariasikan dari 0; 0,07; 0,2; 0,5; 0,75 dan I, I mol untuksetiap mol bahan prekursornya. Gel yang diperolehselanjutnya dibagi -bagi untuk dipanaskan pada beberapatemperatur: 300, 700, 900, 1100, dan 1300 °C seIarna ljam.

Sampel padat gel kering dan sampel yang telahdipanaskan pada setiap temperatur diukur densitasnyadengan menggunakan piknometer. Identifikasi senyawa-senyawa atau rasa dilakukan dengan menggunakanSpektroskopi Sinar Infrarnerah. Sampel serbuk yangdigunakan sebanyak 0, 1 mg, dan dicarnpur dengan kaliumbromida sebanyak I mg. Kondisi alat : temperatur 20 °C,waktu I menit, kecepatan kertas 40 nnn/menit. Identifikasifasajuga dilakukan denganDifraktometer Sinar-X dengansumber Co, tegangan 30 kV, aruS 30 mA. Sampel yangdigunakan daIam bentuk serbuk. Analisis difraksi sinar-x dilakukan menggunakan metoda Hanawalt secara

semakin besar dengan bertambahnya jumlah bahankatalis. Pada kasus ASB, terjadi proses hidrolisis yangsemakin cepat dengan semakin banyak bahan katalisasam yang dipakai.

Tabel 2 dan Tabel3 serta Gambar 1 dan Gambar 2berikut ini menunjukkan basil pengukuran densitas

sampel yang dipanaskan pada belbagai temperatur untuIcprekursor ATB dan ASB. Pengukuran densitas sampelATB dilakukan pada 3 variasi jumlah katalis, yakni 0;0,105 daD 0,2 mol HCI per mol ATB sedang sampel ASBdengan 6 variasijumlah katalis, yakni 0; 0,07; 0,2; 0,5;0,75;dan 1,1 molHNO) per mol ASB.

Dari kedua gmfik tersebut tampak bahwa jumlahbahan katalis mempengaruhi densitas sampel. Secaraumum semakin tinggi pemanasan semakin besar puladensitasnya. Hal ini disebabkan terjadinya proses

TaIxi 2. IbEitm ~ Am fIdi lx:rl:IIg;Ii ~<D1 jlldah latalis

A. Sitompul dkk. 187

Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi 111Serpong, 20 -21 Oktober 1998 ISSN 1410-1897

Tabel 3. Densitas sarnpel ASH pada berbagai temperatur dan jumlah katalis

Temperatur ("C)0 0.07 0.2 0.5 0,75 1,1

30070090011001300

1,992,711,142,893,31

2,462,571,553.623,69

2,472,792,833,123,73

2,142,362,623.262.57

2,822,912,653,433,42

2,041,972,293,123,57

.-.,...

eu

~'"s"rnI:

~

Garnbar Graflk densitas sampel ATB pada variaSi temperatur danjumlahkatalis (-+-: 0 ;-8-: 0,105 ;-,6.-: 0,2 mol/mol ATB)

Gambar 2. Graflk densitas sampel ASB pada variasi temperatur clanjumlah katalis (-+~: 0; _:0,07; -.6.-: 0,2 ;-0-:0,5; -X-:O, 75; ~: I, I rnoVrnol ASB)

g/cm3. Bila dibandingkan dengan data literatur [3],densitas alpha-alumina adalah sebesar 3,98 g/cm3,dengan demikian densitas alpha-alumina yang diperolehlebih kecil. Hal ini disebabkan masih banyaknya pori-pori pada rasa alpha-alumina yang terjadi (lihat gambarSEM). Terhadap sampel dengan kedua jenis katalis ini,selanjutnya dilakukan pengamatan daD identifikasi rasadengan difraksi sinar-x daD spektroskopi sinal inframeral1.

penguapan air dan adanya sisa senyawa organik sertatransfonnasi rasa dan proses sintering yang menyebab-kan pori-pori semakin mengecil.

Dari semua sampel densitas tertinggi dicapai padatemperatur 1300 °C dimana pada temperatur tersebutterbentuk rasa alpha-alumina. Kondisi optimal yangdiperoleh adalah pacta densitas tertinggi dengan lajukenaikan densitas yang stabil. Hal ini ditunjukkan sampeldenganjumlah katalis 0,105 mol HCI untuk prekursorATB dengan densitas sebesar 3,52 g/cm3, dan pacta 0,2mol HNO3 untuk prekursor ASB dengan densitas 3,73

Identifikasi rasa dilakukan dengan difraksisinar-x pada sampel yang dipanaskan pada berbagai

Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi IIISerpong. 20 -2l Oktober 1998 ISSN 1410-2897

..D-\I:!.>-...c...c

40 50 60 70 80 9029 angle Ideg)

100zo 30

Gambar 3. Pola difraksi sinar-x sampel ASH dan ATB (swnber Co)

Tabel4. Hasil analisis difraksi sinar-x

temperatur untuk mengamati perubahan atau transfor-masi rasa yang teljadi. Gambar 3 OOalah pola difraksi sinar-x dari sampel ASB daD ATB yang dipanaskan padatemperatur 90, 300,700, 1100 dan 1300 °C. Hasil analisispola difraksi sinar-x tersebut ditampilkan pada Tabel4.

Dari basil analisis tersebut tampak bahwa antarasampel dengan prekursor ATB daD prekursor ASBmenunjukkan basil transformasi rasa yang sarna. Gelkering yang dibuat pada temperatur 90 °C, pada awalnya

merupakan senyawa alumina hidroksida y-AlOOH atauboehmite. Fasa ini masih terdapat sampai temperatur300 °C. Kemudian sampai pemanasan 700 °C, alumina

hidroksida berubah menjadi rasa alumina, y-Al2O) dan

juga sudah terbentuk rasa 8-Al20). Selanjutnya sampaipemanasan 1100 °C, rasa utarna yang terbentuk adalah

a-Al2O) Damon masih terdapat rasa 8-Al2O) daD rasa y-Al2O1. Pada temperatur 1300 °C, rasa yang terjadi

seluruhnya adalah rasa a-AI20).Menumt D. E. Clark [1], gel kering yang terbentuk

merupakan rasa O-AIOOH atau diaspore, berubah

menjadi rasa y-Al2O) antara temperatur 90 -475 .C, lalu

sebagian menjadi rasa 8-Al20) antara 900 dan 1100 .C

dan sepenuhnyamenjadifasaa-Al2O)antara 1100 -1300.C. Sedangkan menurut C. J. Brinker [4] gel yang

terbentuk adalah boehmite, y-AlOOH yang menjadi y-

Al2O) pada300 "Clalu8-Al2o) pada 1100 .Cdanakhirnya

menjadi rasa a-AI2O) pada T;?: 1200 .C. Kelihatannyaada perbedaan, namun perbedaan ini hanya pada tahapproses pemanasan pada temperatur rendah yangkemungkinan diakibatkan oleh lamanya pamanasan danpenyerapan uap air setelah pemanasan yang berakibatpada peroedaan kadar kandungan air pada sampel. Padapenelitian yang dilakukan D .E. Clark [1 } ~ pemanasan

189A. Sitompul dkk.

Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi IIISerpong, 20 -21 Oktoher 1998 ISSN 1410-2897

Gambar 4. Spektrum infra merah sampel A TB

Gambar 5. Gambar morfologi sampel A TB pada beberapa temperatur

hanya 20 menit sedangkan pada penelitian ini pemanas-an dilakukan selama 60 meDii. Semua penelitian tersebut

jelas menunjukkan pemben tukan rasa a-AI2O] terjadipada temperatur sekitar 1300°C.

Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi IIISerpong, 20- 21 Oktober 1998 ISSN 1410-2897

KESIMPULAN

Pembuatan bahan keramik alpha-alwnina denganproses sol-gel dari dua bahan prekursor : aluminium tri-tert butoxide dan aluminium tri-sec butoxide menunjukkanbasil yang sarna. Bahan keramik alplm-alumina terbentukpada temperatur 1300 °C dengan pori-pori yang halosdaD merata. Densitas rasa alpha-alumina diperolehsebesar 3,52 gicm3 untuk prekursor ATB dan 3,73 gicm3untuk prekursor ASB, masing-rnasing dengan jumlah

katalisO,105 mo1HCldanO,2 moIHNO,.

UCAPAN TERJMA KASm

Penelitian ini adalah bagian dari usu1an penelitiantahun 1997/1998 di Pusat Penelitian Sains Materi,BAT AN. Kami mengucapkan terima kasih kepada Dr.Wuryanto selaku Kepala Pusat yang banyak memberi-kan saran-saran daD motivasi yang konstruktif. Kamijuga mengucapkan terima kasih kepada Budi U.F. danTitin Sutedja, mahasiswa Universitas Jayabaya yangmembantu penelitian ini. Demikianjuga kepada rekan-rekan di Bidang Metalurgi dan Bahan Industri dan BalaiTekno Kimia yang banyak memberikan waktunya untukdiskusi mengenai proses sol-gel.

DAFfAR PUS TAKA

Pengamatan dengan spektroskopi sinar inframerah hanya dilakukan pacta sampel ATB saja, yaituA1B90, AlB700, danAlBI300. Spektnun inframerahnyaditampilkan pacta Gambar 4. Analisis spektrum dilakukandengan menggunakan data literatur [1,5.6J. Pita ataupuncak yang menunjukkan terjadinya proses hidrolisisyakni adanya penyerapan air tampak pacta 1697 cm-1 daD3648 cm-l. Puncak 1697 cm.1 adalah H-O-H bendingvibration daD puncak 3648 cm-1 disebabkan O-Hstretching vibration yang menunjukkan struktur danmolekul air. Intensitas puncak-puncak ini berkurangselama pengeringan atau pemanasan karena terjadinyapelepasan molekul air. Bila sampai temperatur 700 °C(ATB700) masih terdapat puncak tersebut, hat itudisebabkan adanya penyerapan uap air dari udarn setelahproses pemanasan. Pacta sampel ATB1300 atau sampelyang telah dipanaskan sampai temperatur 1300 °C daD

telah terbentuk rasa a-Al2O), puncak-puncak tersebuttidakadalagi. Puncak-puncak474.632, 742, dan 1070cm-I adalah puncak karak-teristik dari gel kering rasa alumina

hidroksida yang mernpakan basil proses polimerisasi.Puncak 1070 cm-1 disebabkan oleh AI-OH bendingvibration daD menunjukkan keberadaan air pacta gel ataurasa alumina hidroksida. Puncak ini tetap stabil sampaipemanasan 700 °C yang dari difraksi sinar-x menunjukkan

kebe-radaan rasa alumina, y-Al20). Dari umtan Gambar4 di alas, tampak bahwa puncak majemuk yang tajampacta ATB90 dan ATB700 menjadi puncak tunggal yanglebar pacta ATB 1300. Hal ini menunjukkan adanya prosespembahan dan pembentukan rasa barn. Akhirnya pactaAlB 1300 terlJentuk puncak-puncak karakteristik dari rasa

a-Al2o) yakni pacta 844, 642,586 dan 446cm-l.Gambar 5 adalah morfologi permukaan sampel

ATB yang diambil dengan Scanning ElectronMicroscope. Pacta sampel gel kering (ATB90) terlihatsuatu bentuk yang berwarna putih, diperkirakan tempatterebut mempakan kantung-kantung air dan sisa senyawaorganik. Untuk sampel yang dikeringkan pada temperatur300 °C (ATB300), bentuknya sedemikian mpa sehinggapacta bagian pinggirnya saja yang berwarna putih dan dibagian dalam tampak kekosongan seperti rongga-rongga

(crater).Gambar tersebut mendukung adanya proses

penguapan air dan sisa senyawa organik. Sampai pactapemanasan 700 °C (ATB700), bentuk tersebut semakin

kecil. Akhirnya pacta sampel ATB 1300 atau pacta rasa a-Al2O) kandungan airnya sudah tidak ada, yang tertinggaladalah pori-pori kecil berwarna hitam yang merata. Pori-pori ini semula adalah kantung-kantung air daD mengecilakibat terjadinya proses sintering saat pemanasan pacta

temperatur tinggi.

[1]. CLARKD.E.andLANNU1TI,J.J.,"PhaseTnmsformations in Sol-Gel Derived Aluminas", Ultrastructure Processing of Ceramics, Glasses andComposites, edited by Hench L. L., Ulrich D. R.,John Willey and Sons, 1984.

[2]. PRASSAS M. andHENCHLL., "Physical ChemicalFactors in Sol-Gel Processing", UltrastructureProcessing of Ceramics, Glasses and Composites",edited by Hench L. L., Ulrich D. R., John Willey andSons, 1984.

[3]. Encyclopedia of Physical Science and Technology,2nd editiOn, vol.2, Academic Press, Inc., 1992.

[4]. BRINKER C. J. and SCHERER G. W., "Sol-GelScience, The Physics and Chemistry of Sol-GelProcessing", Academic Press, Inc.,1990.

[5]. SORRELL T. N., "Interpreting Spectra of OrganicMolecules", University Science Books, 1988.

[6]. SILVERSTEIN, BASSLER and MORRll..L, "Spedrometric Identification of Organic Com pounds", 4d1edition, John Willey & Sons, 1981.

A. ,\'itompul dkk. 191