Bahan Baku Keramik

Bahan baku keramik maju (advance ceramic / engineering ceramic) biasanya berupa serbuk yang telah mengalami proses sedemikian rupa sehingga mudah untuk diproses lanjut (ditekan, disintering dan dipoles) Tentunya untuk mendapatkan kualitas keramik yang tinggi memerlukan pemrosesan tertentu tidak hanya bahan baku yang handal.

Serbuk Keramik Silikat

Efek Domino pada Pemrosesan Keramik
Sesuai dengan sifat alami keramik, bahan baku keramik yang digunakan untuk produksi mempunyai banyak kendala yang mempengaruhi pada sifat akhir benda jadi dibandingkan dengan kelompok bahan lain misal logam atau polimer. Hal ini dikarenakan tidak terdapat tahapan penghalusan lanjut untuk keramik, tidak seperti logam (peleburan – pembekuan – deformasi plastik). Pada dasarnya, “apa yang masuk – itulah yang keluar”. Semua ketidak-sempurnaan pada bahan baku diperbanyak kedalam pembesaran ketidak-sempurnaan dalam produk yang disinter. Efek domino ini menekankan ketergantungan dari sifat akhir produk keramik dalam karakteristik semua tahapan pemrosesan, dan secara umum dalam karakteristik bahan baku, secara harfiah bila terdapat kesalahan dalam satu tahap pemrosesan keramik maka akan mempengaruhi secara nyata hasil akhir keramiknya. ;-(

Mineralogi Keramik
Keramik secara tradisional berdasar pada mineral oksida, atau mineral-mineral lain dimana dapat berubah menjadi oksida-oksida luluh, seperti hidroksida, karbonat, sulfida, halida, phospatat dll. Mineral-mineral ini merupakan gabungan dari sebagian besar unsur yang ada dipermukaan bumi ini. Bagaimanapun juga, berkenaan dengan keunggulan oksigen dalam kerak bumi, hampir setengah unsur yang telah dikenali terjadi secara normal sebagai oksida, biasanya oksida kompleks seperti silikat. Struktur silikat meliputi sejumlah besar unsur-unsur dalam tabel periodik. Jadi, kita dapat secara nyata mengatakan bahwa “ separo dari dunia ini adalah keramik…”
Deret unsur-unsur relatif besar dimana sering terdapat dalam keramik meliputi: O, Al, Si, Ca, Mg, Ti, Na, K. Hal ini menarik untuk dicatat, bahwa beberapa keramik penting menunjukkan konsentrasi yang agak tinggi pada air laut. Sungguh, sebagian besar MgO dengan kemurnian tinggi (suatu bahan tahan api yang penting) sekarang ini disediakan dari air laut. Bagaimanapun juga, sebagian besar mineral penting dalam keramik berasal dari transformasi batu beku dari perapian (igneous rock), seperti halnya granit atau basal dimana kristal terbentuk dari magma (siapa tahu lumpur lapindo merupakan bahan baku keramik maju yang tersedia…). Batu-batu ini adalah silikat kompleks, dimana komposisi dapat menggambarkan kandungan dari oksida biner sederhana seperti silika, alumina, alkali dll.
Silika, oksida yang relatif besar di Bumi (62% berat dari kerak kontinental Bumi) adalah dasar dari klasifikasi ini. Batu dengan proporsi SiO2 yang tinggi (dan biasanya mengandung alumina yang tingi – dimana merupakan komponen kedua terbesar di kerak Bumi, mengandung 16% berat) dikenal dengan nama asidik (acidic), dan dengan silika rendah (dan biasanya mengandung magnesia yang tinggi {[3,1% dari kerak bumi] dan/atau kalsia [5,7% dari kerak bumi]): didefinisikan sebagai dasar. Alumina agak tidak umum dalam batuan dasar, dan sebaliknya: magnesia adalah tidak umum dalam batuan asidik. Hal ini sangat menguntungkan untuk produksi bahan tahan api khususnya: kontaminasi silang dari batuan dasar dan asidik akan menyebabkan kehilangan ketahanan api yang signifikan, yaitu secara signifikan menurunkan titik lebur yang mengkontaminasi bahan. Kristalisasi dari batuan beku dari perapian menjadikan formasi dari silikat dan mineral-mineral lain penting dalam pemrosesan keramik. Istimewanya, hal ini dipercaya dimana kerusakan dari beberapa silikat, diikuti dengan sedimentasi, membentuk formasi mineral tanah liat.
Bahan baku dasar untuk keramik tradisional termasuk lempung, silika SiO2, dan Fledspars (K, Na) AlSi3O8, dan beberapa industri kimiawi lain. Tidak ada mineral-mineral yang digunakan dalam pemrosesan tradisional keramik dapat diperlakukan sebagai “komposisi tetap”. Yaitu, mereka tidak mempunyai komposisi yang diberikan oleh formula kimia. Sebagai contoh, kandungan silika pada lepung Kaolin secara umum bervariasi pada 45% berat sampai 50% berat, dan alumina 35 % berat sampai 40% berat. Keseimbangan dipengaruhi oleh komponen yang mudah menguap (air dan organiks), dari 10% berat sampai 15% berat. Jumlah ini dapat dibandingkan dengan formula kimiawi ideal dari mineral-mineral silikat terpilih berikut:
Mineral Formula Kimia Ideal
Kaolinit Al2(Si2O5)(OH)4
Halosit Al2(Si2O5)(OH)4 2H2O
Piropillit Al2(Si2O5)2(OH)2
Monmorilonit (Al1,67 Na0,33 Mg0,33)(Si2O5)2(OH)2
Mika Al2K(Si1.5Al0,5)2 (OH)2
Ilit Al2-xMgxK-1-x-y(Si1,5-yAl0.5+YO5)2(OH)2

Pemrosesan Mineral
Teknik modern dan keramik unggul membutuhkan serbuk kemurnian tinggi dimana akan sangat menguntungkan dan mempunyai karakteristik tertentu (keuntungan dijabarkan dalam seluruh proses penggilingan (milling) dan klasifikasi prosedur serbuk keramik). Salah satu kemungkinan klasifikasi dari bahan baku keramik berhubungan dengan teknik pemrosesan maju/unggul yaitu:
Mineral mentah (crude minerals): tanah liat (gerabah, ubin, bola, bentonit), serpihan, bauksit mentah, kianit mentah.
Mineral Industri: bola lempung dimurnikan, kaolin, bentonit dimurnikan, piropilit, talek, feldspar, nepelin syenit, wolastonit, spodumen, pasir kaca, batu api tembikar (potter’s flint), kianit, bauksit, sirkon, rutil, bijih krom, kaolin kalsinasi, dolomit, dan banyak lagi yang lain
Industri Kimia: alumina kalsinasi (dari proses Bayer), magnesia kalsinasi (dari air laut), alumina fusi, magnesia fusi, silikon karbida (proses Acheson), abu soda, barium karbonat, titania, titaniat kalsinasi, oksida besi, ferit kalsinasi, sirkonia kalsinasi stabil, pigmen sirkonia, pigmen sirkon kalsinasi.
Operasi peremukan dan penggerindaan awal pada deposit mineral ditujukan membebaskan komponen yang tidak dikehendaki (ketidak-murnian, organik) dengan menempatkan dan/atau pemisahan magnetik, dan pengumpulan partikel-halus mineral murni (misal lempung) dengan pengambangan (floating). Secara alami, lempung hasil proses mempunyai variasi yang lebar dalam komposisi dan ukuran partikel, tergantung pada lokasi dan pemrosesan mineral. Sebagai contoh, salah satu pencemar yang paling tidak dikehendaki dalam kaolin adalah oksida besi, dimana akan secara efektif menghitamkan barang yang putih. Kaolin Georgia kualitas tinggi dikenal akan kemurniannya (rendah besi) dan sifat perapian putih bagus. Bola lempung pada umumnya lebih banyak mengandung bahan organik (menunjukkan “hilangnya” permulaan dalam diagram komposisional) dan lebih plastik.

Mineral Keramik dalam Porselin
Suatu contoh yang bagus penggunaan mineral mentah dan industri adalah porselin. Hal ini biasanya mengacu pada apa yang disebut “porselin tiga sumbu (triaxial porcelains), sebagaimana mengandung tiga komponen utama (lempung, feldspar, dan pasir silika) diplot diantara diagram komposional segitiga. Bola lempung biasanya digabungkan dengan kaolin (~50/50 berat) untuk memberikan “substansi lempung” dari badan porselin tiga sumbu. Dua komponen lain dari porselin meliputi feldspar (fluks) dan kuarsa (pengisi). Meskipun komposisi bermacam-macam porselin sangat luas variasinya, petunjuk praktis (rule of thumb) komposisi adalah sekitar 40% berat untuk lampung dan pasir kaca, dan sisanya 20% berat untuk fluks feldspar. (mungkin ini yang dimaksud mas setyo untuk mendapatkan keramik yang handal, semoga berkenan 8-))

Serbuk Keramik Maju
Serbuk Keramik Maju: Proses Bayer untuk alumina
Proses ini berdasarkan pada reaksi dapat balik (reversible) dari aluminium hidroksida dengan sodium hidroksida. Serbuk alumina menunjukkan ~ 10% dari industri pemrosesan aluminium. Bahan baku untuk alumina adalah bauksit, dimana alumina hidrat (Al2O3.nH2O, n = 1, 2, 3) dengan beberapa ketidak-murnian besi dan silikon. Dalam proses pemurnian, bijih bauksit alumina direaksikan untuk menghasilkan suatu bentuk dapat larut dari NaAlO2, ketika suatu oksida tidak-murni, menjadi tidak dapat larut, diendapkan. Larutan uap jenuh dari NaAlO2 ditempatkan dengan letak gibb kristal (n = 3) untuk memulai presipitasi aluminium hidroksida murni, dimana terurai secara berurutan berubah menjadi a-Al2O3 selama kalsinasi ~ 1200 °C.
Hasil kalsinasi hidroksida yang berasal dari proses Bayer adalah sulit, pengumpalan dengan densitas rendah dari alumina. Penguraian yang luas dan penurunan ukuran partikel ke ukuran mikron (penggilingan) diperlukan untuk membuat serbuk ini bermanfaat untuk pemrosesan keramik maju. Sebagai akibatnya alumina dikelompokkan berdasar ukuran partikel dan kandungan ketidak-murnian sodium oksida. Serbuk “reaktif” mempunyai rata-rata ukuran partikel dibawah 0,5 mm dan 0,2 – 0,4 % berat Na2O (kemurnian rendah) atau kurang dari 0,05 % berat Na2O (kemurnian tinggi). Untuk bahan tahan api, tingkat alumina biasanya lebih kasar (beberapa mm atau lebih besar). Kemurnian kimiawi dari serbuk berdampak pada kemampuan disinter dan ketahanan listrik maupun korosi dari alumina pada temperatur tinggi.

Serbuk Keramik Maju: Sirkonia dari Pasir Sirkon
Pasir sirkon (ZrSiO4) adalah suatu bijih sirkonia biasa, ditambang pada skala besar di Brasil dan Australia. Proses produksi Sirkonia keluar dari sirkon mirip dengan proses pada alumina. Hal itu didasarkan pada konversi bahan baku (sirkon) kedalam suatu pendahuluan sirkonia Na2ZrO3 yang dapat larut, dan ZrOCl2, diikuti dengan pirolisis terhadap ZrO2. Sebelum pirolisis, garam dapat larut dari oksida dimana menstabilkan polimorf sirkonia pada temperatur tinggi dapat ditambahkan. Terdapat beberapa jenis garam yaitu Y, Ca, dan Mg. Alternatif lain, pasir sirkon dapat diawali dengan pirolisa ( terurai menjadi sirkonia dan silika) dengan melewatkannya kedalam oven plasma. Sebagai hasilnya sirkonia mentah dipisahkan dari ketidak-murnian menjadi bentuk sodium sirkonat yang dapat larut dan klorida dimana mudah terurai menjadi sirkonia murni

PLZT (Timbel-Lantanum-Zirkonat-Titanat) Pizoelektrik Serbuk Keramik
Proses ini memberikan contoh penggunaan metode ko-presipitasi untuk mendapatkan suatu campuran oksida homogen (atau hidroksida) meskipun sebelum dimulai penyinteran. Dalam bentuk sederhana, ko-presipitasi mengandalkan pelarutan garam (sejenis klorida atau nitrida, Pb, L, Zr, dan Ti) dari komponen oksida dalam air, diikuti dengan perubahan pH yang cepat (misal selama penambahan amoniak) untuk menguraikan hidroksida. Pencucian berulang biasanya diikuti presipitasi dari serbuk keramik dari larutan (Cl-, NO3- dll, harus dihilangkan dari sistem). Kalsinasi, yaitu perlakuan panas untuk menguraikan hidroksida menjadi oksida. Teknik presipitasi secara kimia sering digunakan untuk menghasilkan serbuk keramik kemurnian tinggi dan aktifitas tinggi dengan karakteristik berikut:
- T, p, dan/atau variasi komposisi dapat digunakan untuk mencapai batas kelarutan dari bahan presipitasi, dan diperbolehkan mengontrol larutan-kemurnian-penambahan (doping)-presipitasi
- Pola dari pengintian (nucleation) dan pertumbuhan menentukan bentuk dan komposisi dari partikel yang terurai
- Pemisahan dari proses pengintian dari proses pertumbuhan memungkinkan mengontrol distribusi ukuran partikel
- Ko-presipitasi dari ion-ganda garam (misal PLZT) memungkinkan bahan menjadi homogen pada tahapan awal (temperatur rendah) pemrosesan.
Dalam rangka menghindari pemisahan kembali dari fase-fase yang berhubungan dengan pembersihan pelarut (untuk menjaga homogenitas pada tingkat molekul dari sistem komponen ganda), suatu rute sol-gel diutamakan. Dalam metode sol-gel, kondisi homogen “dibekukan” selama pengeringan berkenaan dengan penurunan penyebaran kinetik pada gel dengan viskositas tinggi.

Hal ini merupakan penyelesaian yang umum dengan cara merubah hidroksida menjadi gel didapatkan dengan perlakuan dari garam dengan amoniak. Perlakuan tersebut belum menjamin homogenitas jika kecepatan pembentukan gel (gelation) tidak sama untuk berbagai komponen dari suatu sistem. Proses pengendapan yang sering dilakukan dicapai melalui proses hidrolisis dari alkosida. Kerugian dari proses keramik menggunakan cairan awal meliputi: penyusutan yang besar (oleh rute sol-gel), bahan baku mahal, dan bahan baku tidak stabil (misal, reaktifitas alkosida terhadap air).

Silikon Nitrida dengan Nitridisasi Silikon/Silika
Nitridisasi serbuk logam silikon (atau reduksi karbotermal silika dalam lingkungan nitrogen) relatif rute yang murah untuk memproduksi silikon nitrat. Serbuk ini, bagaimanapun juga, dapat berisi suatu jumlah besar ketidak-murnian, biasanya oksigen kedalam bentuk silika yang mencakup butir-butir dari silikon nitrat. Reaksi sederhananya sbb:

3Si + 2N2 –> Si3N4
3SiO2 + 6C + 2N2 –> 6CO + Si3N4

Silikon Nitrida dengan Rute Kimiawi
Permasalahan ketidak-murnian dibawa kedalam tahapan produksi serbuk oleh silika baku atau silikon dapat dihindari dengan rute kimiawi, dimana ~ 50% lebih mahal. Bahan awal adalah silikon tetraklorine murni, dimana direaksikan dengan amoniak untuk menghasilkan penguraian silikon di-imid yang mudah:
SiCl4 + 6NH3 Þ Si(NH)2 + 4NH4Cl
Si(NH)2 Þ Si3N4 + 6NH3

Berdasarkan reaksi diatas, amoniak dapat didaur-ulang dalam proses ini. Kalsinasi silikon di-imid menyebabkan sebagian silikon nitrat berkristal.

Silikon Nitrida dengan Proses Acheson (Reduksi Karbotermal Silika)
Proses ini dikembangkan sekitar tahun 1900 sebagai rute harga rendah untu keramik abrasif. Kokas dan pasir silika adalah bahan bakunya. Bunga listrik dinyalakan pada campuran konduktif ini. Proses diletakkan pada reaksi fase gas meliputi gas SiO, sehingga menghasilkan kristal SiC yang kasar dan kemurnian bervariabel, tergantung dari lokasinya dalam zona reaksi. Penghalusan dari kristal SiC ini menjadi serbuk SiC yang dapat disinter masih merupakan suatu proses yang mahal. Petunjuk praktisnya adalah harga kekasaran, ~ mm ukuran pasirmakro (macrogrits) SiC, dimana merupakan hasil langsung dari proses Acheson, adalah 10 kali dari bahan baku (bahan baku $0,2/kg menjadi $2/kg untuk bentuk kristal). Harga abrasif (kertas amplas, batu gerinda) – tingkatan SiC dengan butiran < 100 mikronmeter mencapai 10 kali dari kekasaran pasir makro (kristal kasar $2/kg menjadi $10-20/kg untuk bahan abrasif) dimana harga serbuk yang mampu disinter dari ukuran butiran submikronmeter dapat meningkat sesuai urutan pembesaran lain, mencapai harga $100/kg. Bagaimanapun juga harga produk keramik maju presisi tinggi dari SiC dapat mencapai $1000/kg. Sehingga dapat disimpulkan, semakin halus serbuk keramik akan semakin mahal harganya dan akan lebih memudahkan dalam proses lanjut dari pemrosesan keramik.

About these ads