MAKALAH ILMU BAHAN REKAYASA

MATERIAL UTAMA PENYUSUN KERAMIK

Diusulkan oleh:

Arfieno Jefry Krisnanda 21030113120037

Anggita Widiasari 21030113120045

Annisa Tiara Safitra 21030113140170

Efraim Ade Novian Ginting 21030113120046

Indriana Rizky R 21030113140168

JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS DIPONEGORO

SEMARANG

2014

PENDAHULUAN

Keramik pada awalnya berasal dari bahasa Yunani keramikos yang artinya

suatu bentuk dari tanah liat yang telah mengalami proses pembakaran. Kamus dan

ensiklopedia tahun 1950-an mendefinisikan keramik sebagai suatu hasil seni dan

teknologi untuk menghasilkan barang dari tanah liat yang dibakar,

seperti gerabah, genteng, porselin, dan sebagainya. Tetapi saat ini tidak semua

keramik berasal dari tanah liat. Definisi pengertian keramik terbaru mencakup

semua bahan bukan logam dan anorganik yang berbentuk padat. (Yusuf, 1998:2).

Umumnya senyawa keramik lebih stabil dalam lingkungan termal dan kimia

dibandingkan elemennya. Bahan baku keramik yang umum dipakai adalah felspard,

ball clay, kwarsa, kaolin, dan air. Sifat keramik sangat ditentukan oleh struktur

kristal, komposisi kimia dan mineral bawaannya. Oleh karena itu sifat keramik juga

tergantung pada lingkungan geologi dimana bahan diperoleh. Secara umum

strukturnya sangat rumit dengan sedikit elektron-elektron bebas.

Kurangnya beberapa elektron bebas keramik membuat sebagian besar

bahan keramik secara kelistrikan bukan merupakan konduktor dan juga menjadi

konduktor panas yang jelek. Di samping itu keramik mempunyai sifat rapuh, keras,

dan kaku. Keramik secara umum mempunyai kekuatan tekan lebih baik dibanding

kekuatan tariknya.

POKOK BAHASAN

1. Material Utama Penyusun Keramik

Bahan baku keramik berupa oksida-oksida mineral yang terdapat di alam

berupa batuan maupun pelapukan dari batuan. Jenis oksida tersebut adalah : SiO2,

Al2O3, Fe2O3, CaO, MgO, K2O dan Na2O. Dari unsur-unsur tersebut dapat dilihat

terdapat paduan dua unsur yaitu logam dan non logam, sehingga dapat dikatakan

keramik adalah bahan padat anorganik yang merupakan paduan dari unsur logam

dan non logam. Oksida-oksida ini banyak terdapat pada tanah liat (lempung), yang

terdapat dalam bentuk batuan adalah feldspar, kwarsa dan batu kapur. Komposisi

keramik pada umumnya terdiri dari 3 : tanah Liat (clay), pasir kuarsa (flint) dan

feldspar.

a. Tanah Liat (Clay)

Tanah liat merupakan jenis tanah hasil penguraian batuan alam terutama

batuan feldspar yang mengandung alumina silikat hidrat. Jenis tanah ini bersifat

plastis bila basah dan akan mengeras/membatu bila dipanasi pada suhu tinggi.

Lempung terdiri dari butiran-butiran halus yang mengandung bermacam-

macam mineral sehingga pada umumnya lempung tidak mempunyai susunan

kimia tertentu

Jenis-jenis tanah liat menurut susunan mineralnya :

Lempung kaolinit

Susunan kimianya adalah Al2O3.2SiO2.2H2O disebut juga mineral

kaolin. Lempung ini berwarna putih bila kadar besinya rendah.

Monmorilonit

Berwarna kelabu sampai hijau, bila basah bersifat sangat plastis dan

mudah mengembang, bila kering keras dan mudah hancur. Karena

sifatnya yang mudah mengembang, serta sifat susut kering yang tinggi

maka lempung jenis ini, dalam bidang keramik jarang dipakai.

Lempung Illit

Lempung ini mengandung illit yaitu sejenis kristal hidromika yang

mempunyai sifat susut muainya rendah.

Lempung klorit

Bentuk kristalnya monokolin, warna khas hijau dan berkilap kaca

hingga pudar seperti tanah. Bersifat susut bakar rendah sehingga baik

untuk bahan keramik.

Jenis lempung dari terbentuknya :

Lempung Primer

Lempung primer disebut lempung residu, merupakan lempung yang

terdapat di sekitar batuan induknya yang lapuk. Lempung ini tidak

tercampur dengan bahan lain. Sebagai contoh misalnya, lapuknya

fledspar akan membentuk kaolin yang bercampur silika. Lempung

kaolin ini bersifat baik sebagai keramik putih.

Lempung endapan ataupun lempung sekunder.

Lempung ini berasal dari lempung lapukan batuan induk, kemudian

terbawa arus air, angin atau es sehingga jauh dari batuan asalnya

kemudian mengendap di suatu tempat. Jenis lempung ini antara lain :

lempung alluvial (lempung yg mengendap sepanjang aliran sungai, rawa

atau cekungan di darat), lempung estuarin ( lempung yang mengendap

di muara sungai), lempung lakustrin (lempung danau atau rawa),

lempung marine ( lempung yang mengendap di laut ), lempung glacial

(lempung yang terbawa angin atau aliran es).

b. Pasir Kuarsa (Flint)

Pasir kuarsa adalah bahan galian yang terdiri atas kristal-kristal silika

(SiO2) dan mengandung senyawa pengotor yang terbawa selama proses

pengendapan. Pasir kuarsa juga dikenal dengan nama pasir putih merupakan

hasil pelapukan batuan yang mengandung mineral utama, seperti kuarsa dan

feldspar. Hasil pelapukan kemudian tercuci dan terbawa oleh air atau angin

yang terendapkan di tepi-tepi sungai, danau atau laut. Pasir kuarsa mempunyai

komposisi gabungan dari SiO2, Fe2O3, Al2O3, TiO2, CaO, MgO, dan K2O,

berwarna putih bening atau warna lain bergantung pada senyawa pengotornya,

kekerasan 7 (skala Mohs), berat jenis 2,65, titik lebur 1715oC, bentuk kristal

hexagonal, panas sfesifik 0,185, dan konduktivitas panas 12 – 100oC. Dalam

kegiatan industri, penggunaan pasir kuarsa sudah berkembang meluas, baik

langsung sebagai bahan baku utama maupun bahan ikutan. Sebagai bahan baku

utama, misalnya digunakan dalam industri gelas kaca, semen, tegel, mosaik

keramik, bahan baku fero silikon, silikon carbide bahan abrasit (ampelas dan

sand blasting). Sedangkan sebagai bahan ikutan, misal dalam industri cor,

industri perminyakan dan pertambangan, bata tahan api (refraktori), dan lain

sebagainya.

c. Feldspar

Kelompok mineral tektosilikat pembentuk batu yang membentuk 60%

kerak Bumi. Feldspar mengkristal dari magma pada batuan beku intrusif dan

ekstrusif dalam bentuk lapisan, dan juga ada dalam berbagai jenis batuan

metamorf. Batu yang hampir seluruhnya terbentuk dari feldspar plagioklas

kalsium dikenal sebagai anortosit. Feldspar juga ditemukan di berbagai jenis

batuan sedimen. Ada tiga jenis feldspar yang umum, yaitu potas (K2O.

Al2O3.SiO2), soda (NaO. Al2O3.6SiO2), dan gamping (CaO. Al2O3.6SiO2), yang

kesemuanya dipakai dalam produk keramik.

2. Sifat-sifat dari Material Utama Penyusun Keramik

Sifat-sifat material dicapai melalui proses Perlakuan Panas (Heat

Treatment) pada temperatur tinggi yang disebut Firing. Struktur kristal keramik

lebih komplek dari logam, karena ikatan atomnya seluruh atau sebagian adalah

ionik maka struktur kristal keramik dianggap tersusun dari ion-ion yang bermuatan

yaitu kation dan anion

Keramik memiliki karakteristik yang memungkinkannya digunakan untuk

berbagai aplikasi termasuk :

Kapasitas panas yang baik dan konduktivitas panas yang rendah.

Tahan korosi.

Sifat listriknya dapat insulator, semikonduktor, konduktor bahkan

superkonduktor.

Sifatnya dapat magnetik dan non-magnetik.

Keras dan kuat, namun rapuh.

Sifat termal penting bahan keramik adalah kapasitas panas, koefisien

ekspansi termal, dan konduktivitas termal. Kapasitas panas bahan adalah

kemampuan bahan untuk mengabsorbsi panas dari lingkungan. Panas yang diserap

disimpan oleh padatan antara lain dalam bentuk vibrasi (getaran) atom/ion

penyusun padatan tersebut.

Keramik biasanya material yang kuat, dan keras dan juga tahan korosi.

Sifat-sifat ini bersama dengan kerapatan yang rendah dan juga titik lelehnya yang

tinggi, membuat keramik merupakan material struktural yang menarik.

Keterbatasan utama keramik adalah kerapuhannya, yakni kecenderungan untuk

patah tiba-tiba dengan deformasi plastik yang sedikit. Sehingga untuk mendapatkan

sifat-sifat tersebut dibutuhkanlah material-material utama yang menunjang sifat

tersebut, seperti tanah liat, kwarsa, dan feldspar. Material utama tersebut tersusun

dari unsur-unsur yang terdapat paduan dua unsur yaitu logam dan non logam,

seperti SiO2, Al2O3, CaO, MgO, Na2O dst.

a. SiO2

Silikon Dioksida (SiO2) memiliki struktur network tiga dimensi

yang terjadi bila setiap atom oksigen pada sudut-sudut tetrahedron

berbagi dengan tetrahedron yang berdekatan. Sehingga material secara

elektrik netral dan semua atom mempunyai struktur elektronik yang

stabil dengan rasio Si : O = 1 : 2. Bila tetrahedron ini tersusun teratur

terbentuklah struktur kristal dengan tiga bentuk polimorf dari silika

yaitu : Quartz, Cristobalite dan Tridamite. Jika unit dasarnya SiO4 dan

berbentuk padatan (bukan kristal) dengan atom acak disebut juga Fused

Silica/Vitreous Silica. Quartz terutama banyak digunakan sebagai filter

material karena murah, relatif keras, tidak reaktif dan hanya sedikit

perubahan pada Perlakuan Panas. Silikon dioksida tidak mempunyai

sifat basa – tidak mengandung ion oksida dan tidak bereaksi dengan

asam. Sebaliknya, silikon dioksida merupakan asam yang sangat lemah,

bereaksi dengan basa kuat. Reaksi dengan air, silikon dioksida tidak

bereaksi dengan air, karena sulit memecah struktur kovalen yang besar.

Dalam pasir silika terdapat tiga bentuk kristalin silika utama

meliputi kuarsa, tridimit dan kirbolite, sangat stabil dan tidak mengalami

perubahan meskipun berada dalam temperatur yang berbeda-beda.

Disamping itu, ketiganya yakni kuarsa, tridimit dan kribolite memiliki

sub bagian. Misalnya, para ahli geologi (geologist) membedakan yang

merupakan bentuk kristalin silika antara kuarsa alpha dan beta. Ketika

berada pada temperatur rendah kuarsa alpha terpukul pada tekanan

atmosfir, ini memberikan pengaruh pada kuarsa beta

sehingga kuarsa beta mengalami perubahan pada 5730C. Sedangkan jika

memperhatikan perubahan pada bentuk kristalin tridimite, ia akan

terbentuk pada temperatur suhu 870oC. Berbeda halnya dengan bentuk

kristalin krisbolite yang akan terbentuk pada suhu 1470oC. Perlu

diketahui, titik peleburan pada silika adalah 1610oC, hal ini menunjukan

titik peleburan silika yang lebih tinggi dari pada titik peleburan

baja/besi, tembaga dan alumunium. Namun, hal ini adalah satu alasan

mengapa perbedaan temperatur digunakan untuk menghasilkan cetakan

dan bagian inti untuk produksi metal atau logam.

Kuarsa biasanya memiliki warna bervariasi atau putih tetapi secara

teratur dan terstruktur memiliki warna yang murni seperti besi dan dapat

pula warna lainnya. Kuarsa dapat menjadi transparan bahkan tembus

cahaya, oleh karena itu , penggunaan kwarsa adalah pada pembuatan

gelas karena sifatnya yang memiliki warna mengkilap seperti

kaca. Kuarsa merupakan mineral keras yang menjadikan kekuatan pada

ikatan antara atom-atom sehingga menghasilkan goresan

kaca/gelas. Kuarsa atau Silika pun relatif lambat dalam upaya

mencairkan asam. Ini semua merupakan kualitas yang mengejutkan

dalam berbagai macam penggunaan perindustrian.

Tergantung pada bagaiamana silika disimpan kemudian dibentuk,

butiran kuarsa dapat menjadi tajam dan kaku, agak-kaku, agak-bundar

ataupun bundar. Aplikasi pengecoran dan penyaringan menuntut

butiran kwarsa yang agak bundar atau butiran bundar sekalipun agar

mendapatkan performansi terbaik dalam pengaplikasian filtrasi

menggunakan pasir silika (kwarsa).

b. Al2O3

Aluminium oksida adalah sebuah senyawa kimia dari aluminium

dan oksigen, dengan rumus kimia Al2O3. Nama mineralnya adalah

alumina, dan dalam bidang pertambangan, keramik dan teknik material

senyawa ini lebih banyak disebut dengan nama alumina.

Sifat-sifat Aluminium oksida adalah insulator (penghambat) panas

dan listrik yang baik. Umumnya Al2O3 terdapat dalam bentuk kristalin

yang disebut corundum atau α-aluminum oksida. Al2O3 dipakai sebagai

bahan abrasif dan sebagai komponen dalam alat pemotong, karena sifat

kekerasannya.

Aluminium oksida berperan penting dalam ketahanan logam

aluminium terhadap perkaratan dengan udara. Logam aluminium

sebenarnya amat mudah bereaksi dengan oksigen di udara. Aluminium

bereaksi dengan oksigen membentuk aluminium oksida, yang terbentuk

sebagai lapisan tipis yang dengan cepat menutupi permukaan

aluminium. Lapisan ini melindungi logam aluminium dari oksidasi lebih

lanjut. Ketebalan lapisan ini dapat ditingkatkan melalui proses

anodisasi. Beberapa alloy (paduan logam), seperti perunggu aluminium,

memanfaatkan sifat ini dengan menambahkan aluminium pada alloy

untuk meningkatkan ketahanan terhadap korosi.

Al2O3 yang dihasilkan melalui anodisasi bersifat amorf, namun

beberapa proses oksidasi seperti plasma electrolytic oxydation

menghasilkan sebagian besar Al2O3 dalam bentuk kristalin, yang

meningkatkan kekerasannya.

3. Peranan Material- Material Utama Penyusun Keramik

a. Tanah Liat (clay)

Tanah liat merupakan salah satu bahan dasar pembuatan keramik

yang mengandung hidrated aluminum silica (Al2O3.SiO.H2O). Tanah liat

mempunyai sifat-sifat yang khas yaitu bila dalam keadaan basah akan

mempunyai sifat plastis tetapi apabila dalam keadaan kering akan menjadi

keras , sedangkan apbila dibakar akan menjadi padat dan kuat.Tujuan

digunakannya tanah liat antara lain mempermudah proses pembentukan

keramik, mempunyai sifat plastis mudah dibentuk, mempunyai daya ikat

bahan baku tidak plastis saat dalam kondisi basah.

Jenis tanah liat yang lain adalah Kaolin. Kaolin berasal dari bahasa

Cina yaitu Kaoling atau disebut juga China Clay. Kaolin adalah tanah liat

yang mengandung mineral kaolinit (Al2Si2O5.(OH)4 sebagai bagian yang

terbesar dan masuk jenis tanah liat primer yang digunakan sebagai salah

satu bahan utama penyusun keramik putih. Sifat dan keadaan bahan:

berbutir kasar, rapuh dan tidak plastis jika di bandingkan dengan lempung

sedimenter, karena itu sulit di bentuk,serta daya hantar lislrik yang rendah.

Penyusutan dan kekuatan keringnya pun lebih rendah dan sangat tahan

api.Peranan kaolin sebagai pelapis (coater) serta pengisi (filter).

b. Kwarsa (flint)

Kwarsa merupakan bentuk lain dari batuan silica .(SiO2) Tujuan pemakaian

kwarsa ini ialah:

1.Mengurangi susut kering, jadi mengurangi retak-retak dalam pengeringan.

2.Mengurangi susut waktu dibakar dan mempertinggi kualitas.

3.Merupakan rangka selama pembakaran.

c. Feldspar

Feldspar komposisi dasarnya adalah K2O. Al2O3.6SiO2 Bahan ini

merupakan suatu kelompok mineral yang berasal dari batuan karang, Pada

saat keramik dibakar feldspar meleleh dan membentuk lelehan gelas yang

menyebabkan partikel-partikel clay bersatu bersama, di dalam gelas ini

memberikan kekuatan dan kekerasan pada bodi keramik. Bahan ini sangat

berguna karena banyak mengandung soda dan potash dan tidak larut dalam

air. Feldspar mengandung semua bahan-bahan penting untuk membentuk

glasir, Sebagai bahan pelebur, Felspard merupakan bahan yang tidak plastis,

sehingga dapat mengurangi susut kering dan kekuatan kering. Tujuan untuk

memperhalus permukaan keramik, melindungi, dekorasi, dan memperindah

dengan variasi warna. Penglasiran dapat dilakukan dengan beberapa cara

spt : kuas, sikat, celup dan semprot.

4. Mekanisme Proses Pembuatan Keramik

Semua produk keramik dibuat dengan mencampurkan berbagai kuantitas

bahan baku, membentuknya lalu memanaskan sampai suhu pembakaran. Suhu ini

mungkin hanya 7000C untuk beberapa glasir luar, tetapi banyak pula vitrifikasi

yang dilakukan pada suhu 20000C. Pada suhu vitrifikasi terjadi sejumlah reaksi,

yang merupakan dasar kimia bagi konversi kimia:

1. Dehidrasi atau “ penguapan air kimia” pada suhu 150-6500C

2. Kalsinasi, misal CaCO3 pada suhu 600-9000C.

3. Oksidasi besi fero dan bahan organic pada suhu 350-9000C.

4. Pembentukan silica pada suhu 9000C lebih.

Tahapan proses dalam membuat keramik saling berkaitan antara satu

dengan lainnya. Proses awal yang dikerjakan dengan baik, akan menghasilkan

produk yang baik juga. Demikian sebaliknya, kesalahan di tahapan awal proses

akan mengasilkan produk yang kurang baik juga.

Cara-cara pembentukan (forming) berdasarkan kadar air antara lain:

1. Kadar air 6-7 %

Dibentuk dengan dipres terhadap puder adonan dan dibuat dengan cara

spray drying atau penggilingan adonan.

2. Kadar air 20-25%

Dibenruk dengan jiggering (pengecoran) terhadap lumpur adonan.

Misalnya pada pembuatan piring dan mangkuk.

3. Kadar air 40-60%

Pembuatan dengan cara casting (peuangan) terhadap lumpur adonan.

Cetakan terbuat dari gips.

Ada beberapan cara atau teknik pembuatan keramik, yaitu :

a. Teknik coil (lilit pilin)

b. Teknik tatap batu/pijat jari

c. Teknik slab (lempengan)

Cara pembentukan dengan tangan langsung seperti coil, lempengan atau

pijat jari merupakan teknik pembentukan keramik tradisional yang bebas untuk

membuat bentuk-bentuk yang diinginkan. Bentuknya tidak selalu simetris.

Teknik ini sering dipakai oleh seniman atau para penggemar keramik.

d. Teknik putar

Teknik pembentukan dengan alat putar dapat menghasilkan banyak bentuk

yang simetris (bulat, silindris) dan bervariasi. Cara pembentukan dengan teknik

putar ini sering dipakai oleh para pengrajin di sentra-sentara keramik. Pengrajin

keramik tradisional biasanya menggunakan alat putar tangan (hand wheel) atau

alat putar kaki (kick wheel). Para pengrajin bekerja di atas alat putar dan

menghasilkan bentukbentuk yang sama seperti gentong, guci dan lain-lain.

e. Teknik cetak

Teknik pembentukan dengan cetak dapat memproduksi barang dengan

jumlah yang banyak dalam waktu relatif singkat dengan bentuk dan ukuran

yang sama pula. Bahan cetakan yang biasa dipakai adalah berupa gips, seperti

untuk cetakan berongga, cetakan padat, cetakan jigger maupun cetakan untuk

dekorasi tempel.

Cara ini digunakan pada pabrik-pabrik keramik dengan produksi massal,

seperti alat alat rumah tangga piring, cangkir, mangkok gelas dan lain-lain.

Disamping cara-cara pembentukan diatas, para pengrajin keramik tradisonal

dapat membentuk keramik dengan teknik cetak pres, seperti yang dilakukan

pengrajin genteng, tegel dinding maupun hiasan dinding dengan berbagai motif

seperti binatang atau tumbuh-tumbuhan.

PENUTUP

Keramik pada zaman sekarang telah berkembang pesat, bahan ini telah

digunakan untuk berbagai keperluan. Dengan pemrosesan dan teknik yang

bermacam-macam sesuai dengan kebutuhan. Pada umunya keramik tersusun oleh

3 material penyusun utama, yaitu tanah liat, pasir kuarsa, dan feldspar. Dan keramik

memiliki karakteristik yang memungkinkannya digunakan untuk berbagai aplikasi

termasuk:

Kapasitas panas yang baik dan konduktivitas panas yang rendah.

Tahan korosi.

Sifat listriknya dapat insulator, semikonduktor, konduktor bahkan

superkonduktor.

Sifatnya dapat magnetik dan non-magnetik.

Keras dan kuat, namun rapuh.