184 ISSN 0216 - 3128 Parikill, dkk

PENDAHULUAN

Clay biasa dipergllnakan llntukmcmproduksi bahan-bahan struktur di atas dikenalsebagai clay non-refraktoriI2J. Bahan ini berpasir

Clay atau sering disebut tanah liat/lempungmerupakan salah satu komponen dasarkeramik tradisional[l], yang ditambang dari lokasikeberadaannya. Clay adalah mineral hidrataluminium silikat, AI2Si205(OH)4; di alamditemukan berwarna hitam, merah dan coklat(krem), berstruktur menyerupai piringan ceperdengan ukuran butiran sangat halus. Strukturpiringan ini mampu memberikan sifat plastis saatdibentuk dalam keadaan basah, dan sangat kuatketika sudah kering dan setelah dibakar, sepertikebanyakan produk keramik tradisional; batubata,genteng, poselin dan barang-barang sanitari.

KARAKTERISASI SIFAT TERMAL, STRUKTUR KRISTALDAN WARNA PROD UK BAKAR CLAY-SINDANGLAUT

Pari kin, M. Dani, A.H. Ismoyo, A. FisH dan S. SugiyantoroPuslitbang IPTEK Bahan BATAN, Serpong

ABSTRAK

KARAKTERISASI SlFAT TERMAL, STRUKTUR KRISTAL DAN WARNA PRODUK BAKAR CLAY­SINDANGLAUT. Dalam makalah ini dilaporkan hasil identifikasi awal pengaruh temperatur pembakaranterhadap produk clay-Sindanglaut. Penelilian ini sebagai studi awal dalam usaha inovatif pembuatan produkclay berestetika wama alami. Penumbuhan wama tanpa menggunakan bahan additif colorant lain dengantujuan dapat menekan biaya produksi semaksimal mungkin. Bahan clay mumi diramu sederhana dengancampI/ran air secukupn)"a. Cuplikan dicetak berbentuk lempengan kecil dan dikeringkan dalam temperatllr

nwng kurang lebih 2-3 hari. Clay dibakar dengan laju standar 14 'C/menit selama 12 jam dalam furnacepada temperatur 700 "C-II 00 "C. Karakterisasi awal dilakukan via sifat termal (STA), struktur kristal (XRD)dan wama bakar disesuaikan degradasi wama cat di pasaran. Hasil studi menunjukkan bahwa se/ainimpuritas (CaC03, FeJ03 and SiO~, clay-Sindanglaut mengandung mineral clay: kaolillit, illit danmontmorillonit, sedang dari produk bakar memperlihatkan degradasi warn a produk clay berubah dari coklattua hingga merah bata dan coklat-hilam keperakan. Disimpulkan bahwa temperatur pembakaran dapatmenumbuhkan wama yang berlainan pada produk clay-Sindanglaut.

Kata Kllllci: clay, sifat termal, struktur kristal, temperatur bakar dan wama alami.

ABSTRACT

CHARACTERIZATION OF THERMAL PROPERTIES, CRYSTAL STRUCTURE AND COLOUR OF CLA Y­

SINDANGLA UT FIRING PRODUCTS. In this paper, we report on the preliminary research work to developan illllOvative process by which aesthetically natural co lOllred clays could be manufactured. The objective isto bring out the natural colours of the clay products without the aid of any additive colorant agents, thusminimizing production costs. Pure natural clay material was prepared by mixing clay with a sufficientamount of water, and then moulded into the bulk forms. The samples were dried in air at room temperaturefor a period of 2-3 days. The clays were, then, fired for 12 hours in an automated standard fumace at aheating rate of 14 'C/minutes at between 700 "C and 1100 "C. The characterization was conducted via thermal(heat flow) and physical (structure and colour) properties. The' results show that besides of impurities(CaC03, FeJO.l and SiO~, the Sindangla/lf clay consists of kaolinite. illite and montmorillonite (clayminerals), and the colour degradation of firing products occurred from dark brown 10 red brown and silverblack-brown. As a conclusion, the variations in the firing temperature can affect the colour changes of theSindanglaut-clay products.

Keywords: clay, thermal properties, crystal structure,firing temperature, natural colour.

dan mengandung sejumlah pengubah (fluxes);

seperti oksida logarn dan lain-lain. Meskipun tidakada spesifikasi khusus dalam pernbuatan bahanpenyusun clay, sifat-sifat produk yang inginditampilkan, dapat direkayasa dari pengaturanpencampuran dan temperatur pembakaran padaproses pembuatannya.

Sifat bahan clay selain plastis, susut keringdan susut bakar, kandungan garam terlarut, juga takkalah penting; pertumbuhan warna mclalui variasikomposisi (oksida logam). Pewarnaan produk clayini dapat juga dilakukan melaJui perbedaantemperatur bakar. Selama proses pembakaranwarna clay dapat berdegradasi sesuai penerapantemperatur pada proses pembakaran produk.

Dalam makalah ini dipaparkan identifikasiawal clay-Sindanglaut dan scjauh mana temperaturpembakaran mcmpengaruhi penumbuhan warna

Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi NuklirP3TM-BATAN Yogyakarta, 8 Juli 2003

Parikill, dkk ISSN 0216 - 3128 /85

p~da p~oduk ~/ay dari daerah Sindanglaut Cirebon. I Tabell. Penanda~n cuplikan.Pengambilan cuplikan c1ay-Sindanglaut dimak­sudkan untuk memberi sedikit kontribusi informasi

ilmiah pada industi gerabah tradisional yangbanyak tersebar di daerah tersebut.

TATA KERJA

Bahall dall Alat

Bahan-bahan yang diperlukan: clay (tanahliat sawah) dan air secukupnya; sedang alat yangdigunakan adalah: wadah plastik, pengaduk, kuas,cetakan •bulk', scraft, dan kain lap. Karakterisasidilakukan dengan alat: furnace, Perangkat STA(Simultan Thermal Analyzer) dan difraktometersinar-X dengan target Cu.

Metode

Bahan clay untuk penelitian diperoleh daridaerah Sindanglaut Cirebon. Clay ini memilikiwarna hitam. Pembuatan cuplikan diawali dengan

. proses pengeringan hingga cukup untuk ditumbukkasar, kemudian dicampur dengan air secukupnyadan diaduk sampai berkondisi 'gel', seperti adonanbubur clay berkekentalan tertentu. Pengambilanadonan hanya bagian atas agar endapanbatuan/pasir tidak ikut tercetak. Adonan dituangkankedalam cetakan 'bulk' dan dirapihkan dengankuas, 'scraft'dan kain lap. Cuplikan diberi tandaberupa kode tertentu dan dikeringkan dalamatmosfer ruangan selama 2-3 hari. Setelah itucuplikan dibakar dalam furnace selama 12 jampada temperatur 700°C-I 100°C dengan lajupemanasan standar 14°C/menit. Tabel Imemberikan susunan penandaan dan keterangancuplikan. Karakterisasi dilakukan dengan STA(sifat termal) dan XRD (struktur kristal danimpuritas) sedang warna cuplikan setelah dibakardisesuaikan dengan warna cat di pasaran. Adapunaliran proses mekanisme penelitian tersusun dalamGambar I.

'eftCaM,Uraft 4atl

'lI: ••t~4u"a ••

Gambar 1. Mekanisme proses

Cuplikan Keterangan

CLPTOOClay murni tak dibakar/unfired

CLPT70

Clay murni dibakar 700°CCLPT80

Clay murni dibakar 800°CCLPT90

Clay murni dibakar 900°C

CLPTl 0

Clay murni dibakar 1000°C

CLPTll

Clay murni dibakar 11OO°C

HASIL DAN PEMBAHASAN

Dari penelitian yang telah dilakukan, clay. daerah Sindanglaut masuk dalam kategori

bentonit[2J, yang merupakan dekomposisi abuvulkanik. /Dalam betonit ini terdapat banyakmineral lkaolinit salah satu dari tiga mineral(kaolinite,illite dan montmorillonite) yang banyakdikandung batuan.

Analisis awal clay ini dengan STA(Simultan Thermal Analyzer)-SETARAM denganjangkauan temperatur dari 50°C hingga 800°Cmemperlihatkan karakteristik (heat-flow) clay inimirip mineral kaolinit[3] pada temperatur di atas300°C, namun dibawah temperatur tersebutkelakuan termal memiliki persamaan denganmineral montmorillonit[3J. Perbandingan kurva inidapat dilihat dalam Gambar 2. Gambar 2a-2cmemperlihatkan berturut-turut sifat termal unfired­clay Sindanglaut dan clay yang dibakar pada 700°Cdan lOOO°C hasil karakterisasi dengan STA.Sedang Gambar 2d merupakan referensi mineralclay s(andar berdasarkan literatur [3].

Gambar 2b dan 2c memperlihatkan polaSTA yang mirip. terjadi puncak endotermik disekitar suhu 135°C, 310°C, 410°C, 470°C, 665°C

dan 830°e. Clay yang dibakar pad a 700°C danlOOO°C memperlihatkan puncak endotermikpertama di angka 135°C, akibat adanya pelepasanair serapan. Peruntuhan ikatan antar senyawa dalam

bahan baru dimulai di temperatur 310°C denganterjadinya transisi gelas. Pada temperatur 410°Cdan 470°C proses dehidroksilasi dan dekomposisisenyawa berlangsung simultan dari peruntuhanikatan-ikatan kristal yang ada. Logam aluminiumbaru melepaskan oksigen yang diikatnya disekitarsuhu 665°C dan mencair pada suhu sekitar 720°e.Hal yang masih dalam dugaan adalah puncak kecileksotermik di temperatur 830°e. Kemungkinanyang dapat diungkapkan adalah terjadi prosesrekristalisasi kembali dari unsur-unsur yang adadalam bahan.

Pada gambar 2a dan 2d terse butdiperlihatkan sedikit perbedaan dalam ketinggiandan posisi puncak endotermik pertama yangmerupakan proses pcnguapan kadar air scrapan

Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi NuklirP3TM-BATAN Yogyakarta, 8 Juli 2003

186 ISSN 0216 - 3128 Parikill, dkk

pacta permukaan clay. Proses ini merupakanpembebasan air yang terikat secara fisika padapermukaan struktur lembaran clay, Pada kaolinstandar terjadi di temperatur sekitar 100°C danmontmorillonit standar pada temperatur 160°C,sedang pada unfired-clay Sindanglaut di sekitartemperatur 170°C. Puncak clay terlihat lebih tinggidari kaolin karena clay tidak murni; ada impuritasberupa zat organik yang terlarut dalam bahan.

Kaolinite and Montmorillonite standard

10

>'00

-10 tW'•... 2003004000

'E- -20:t0 -30u::iii

-40C1I J: -50 I V d

-60

Temperature (DC)

I ',',."'"

Unfire dot b y

TGA

STA

TGA

STA

TGA

a

b

c

.•.~

Gambar 2. Karakteristik termed clay dan standardIe} kaohnit dan montmorillonit;

Vnfired-clay . (b) clay dibakar 700 "C,

(e) clay dibakar 1000 "C. (f) Standardkaohnit dan montmorillonit.

Puncak endotermik kedua pada Gambar 2amerupakan akibat kehilangan air kombinasi olehadanya dehidrasi gugus hidroksil (-OH) yangterikat pada lembaran silikat dan degradasi(peruntuhan) clay terjadi di temperatur sekitar600°C baik pada kaolin standar dan unfired-claySindanglaut. Informasi ini cocok dengan yangdilaporkan Canizares et.al.[4] terhadap sifat termo­gravimetri batuan bentonit ' debu vulkanik.Perubahan massa terjadi pad a temperatur antara2soC-lS0°C akibat penguapan air terserap secarafisika dipermukaan lembaran clay, dan antaraSOO°C-900°C akibat dehidroksilasi dan

dekomposisi dari struktur clay. Puncak eksotermiksebagai informasi rekristalisasi atau dekomposisiclay tidak terdeteksi karena keterbatasan jangkauanpengukuran alat.

Gambar 2a-2c juga menyajikan data analisaternlal gravimetri, dimana informasi kehilanganmassa akibat terjadi proses perubahan fasadiberikan. Gambar 2b-2c memperlihatkan polayang hampir sarna, yakni tidak terjadi kehilanganmass a (grafik cenderung konstan), hanya padaGambar 2b dan 2c terdapat sedikit gangguan sistempengukuran pada termal gravimetri. Kondisimenarik diberikan pad a Gambar 2a, dimana dibawah temperatur 300°C, saat awal penguapan airserapan terjadi di puncak endotermik pertama.Sistem tidak mengalami perubahan fasa, namunterjadi laju kehilangan massa sebesar 0,0226mg/OC dari reaksi: (Al~03.2SiO~.2H~0).I/H~O -7Al~03.2SiO~.2H~0 + I/H~O. Pada tcmpcratur300°C::;T::;SOO°C, sistem mengalami perubahanfasa dari padat ke fasa cair dengan prosespeleburan, kondisi ini tidak disertai kehilanganmassa dengan garis mendatar. Puncak endoternlikkedua dimana pelepasan gugus hidroksi] (_OH)14Jdari scnyawa clay (hidrat aluminium silikat) mulai

Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi NuklirP3TM-BATAN Yogyakarta. 8 Juli 2003

Parikill, dkk ISSN 0216 - 3128 /87

10 20 30 40 50 60 70 80

Two Theta (de g.)

10 20 30 40 50 60 70 80

2Theta (deg.)

Gambar 3. Difraktogram clay-Sindanglaw; (a).SebelulIl dibakar (b). Dibakar1000 'C.

Perubahan warna tersebut terjadi dari prosesoksidasjPJ oksida logam (oksidan) yang berlainan.Dengan memanipulasi keadaan oksidasi (bilanganoksidasi), oksidan CaO dan sedikit FeOz dapatmemodifikasi warna produk clay dari hitamalamiah hingga coklat kemerahan dan coklatkekuningan. Pemanipulasian bilangan oksidasi inidilakukan dengan pengaturan temperatur bakarselama proses pembakaran berlangsung, dimanaterjadi pelepasan sebagian atau semua oksigen yangmampu mentransmisikanlmemantulkan cahayapewarna. Sebagaimana Fel03, degradasi warnacoklat akibat tidak secara spontan seluruhnyateroksidasi, melainkan sebagian demi sebagian daritemperatur bakar 700°C. FeO yang memberikanwarna coklat tua hitam, hingga oksigen terbakarhabis mejadi Jogam Fe yang memberikan warn ahitam keperakan pad a 1100°C. Pada Gambar 4aoksidan yang ada hanya sedikit yang teroksidasiditunjukkan perubahan warna dari hitam menjadicoklat tlla, sedang 4b sebagian oksidan mulaiteroksidasi yang menyebabkan warna coklat

berlangsung. Proses ini terjadi pada temperatur500°Cg::;;700°C, dimana sistem kehilangan massascbesar 0,0125 mg/oC dari reaksi:Alz03.2SiOz.2HzO -7 Alz03.2SiOz + 2HzO. Diatas

temperatur 700°C sistem mengalami degradasi(fasa cair menjadi uap) dan proses rekristalisasiAlz03 dan SiOl'

Pada Gambar 3 diperlihatkan pola difraksisinar-X clay-Sindanglaut menggunakan target Cu .Scanning dilakukan dari sudut 28=5° hingga28=75° dengan langkah 28=0,05°dan kecepatan 20detik. Gambar 3a merupakan difraktogram claysebelum dibakar dan Gambar 3b adalah pola claysetelah dibakar 1000°C. Beberapa puncakdifraksi[5] teridentifikasi sebagai milik mineralkaolinit (Alz03.2SiOz.2HzO), yakni; (I ;3;0),(0;0;3), (1;1;4) dan (0;6;2), mineral illit28=27 ,65°(1 ;0;5) dan montmorillonit:28=19,75°(0;2;0), 28=54,80°(1 ;4;5) dan28=61,80°(0;0; 10). Dalam pola masih ditemuipengotor (impurity) seperti: CaC03 di sudut28=20,80° (1; I ;0) dan 28=54,80° (2;2;0), SiOlpada sudut 28=26,55° (1 ;0; 1), 28=42,35° (2;0;0)dan 28=50,10° (1; 1;2), serta FeZ03 pada sudut28=39,85° (0;0;6) dan 28=71,30° (1 ;0; 10).

Efek fenomena Illl ditunjukkan padaGambar 3b, dimana puncak-puncak baru munculsebagai hasil proses dekomposisi senyawa seperti:CaC03 dimana produk hasil bakar senyawa iniadalah oksida CaO dan COz pada pembakaran diatas 900°C, dan FeZ03 yang terurai menjadi Fe,FeO dan Oz pada temperatur di atas 1000°C.Kandungan pengotor/impuritas dalam clay, seperti:CaC03 berasal dari batuan dolomit dan pupukorganik tanaman karena diambil dari tanahpersawahan setempat. Sedang Fel03 merupakanbijih pasir besi dan tertangkap ketika dicampur airdan diaduk dengan magnetik stirer. Adanyapengotor ini berpengaruh terhadap ketinggian danpergeseran posisi puncak endotermik pertama,seperti terlihat pada Gambar 2a.

Pada Gambar 4 diperlihatkan foto cuplikanhasil pembakaran pada temperatur 700°C-II 00°c.Cuplikan produk bakar ini memperlihatkanperubahan (degradasi) warna coklat yangdisesuaikan dengan warna standar cat di pasaran.Perubahan terjadi dari temperatur bakar (TB)700°C yang memberikan warna coklat tua darilllljired-clay yang berwarna hitam, TB==800°C;900°C; 1000°C dan 1100°C berturut-turutmemperlihatkan warna coklat muda, coklat merah,coklat kuning dan coklat-hitam perak. Variabellengkap temperatur, waktu dan warna prod uk bakarselama proses pembakaran berlangsung disusunpada Tabel 2.

600

500

.... ~ 400.!., 300Eg 200u 100

00

700

600

.•.. ~ 500~60 400Cg 300u 2001000

0

"j...ou•u

K:kaolinite

I :ilIite

M: montmorilbnite

_~~_~i2!_

~ (a)j"

:x: ••

....w:. ;:i ,.. ~; ;;j ~ ""'~~•'=' u

I-ClaYJOOO I

(b)

Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi NuklirP3TM-BATAN Yogyakarta, 8 Juli 2003

/88 ISSN 0216 - 3128 Pariki/l, dkk

terang/muda. Pada Gambar 4c pengendapankandungan FeZ03 menyebabkan dasar clay yangterbakar berwarna kemerahan ketika temperaturbakar dinaikan menjadi 900°C.

Tabcl 2. Temperatllr, waktll dan warna prodllkbakar clay-Sindanglallt.

CuplikanTcmpcraturWaktu\Varna

bakar (TB)(Jam)

(cC)CLPTOO

Tidak-Hitam

dibakar/l/IiflredCLPT70

70012Coklat tua

CLPT80

80012Coklat muda

CLPT90

90012Coklat merah

CLPT95

100012Coklat kuning

CLPTII

110012Coklat-Hitam

pcrak

dahulu di temperatur 600°C selama 1 jamkemudian dibakar langsung ke 1000°C. SedangGambar 4e adalah produk clay yang dibakar padatemperatur 1100°C yang memberikan warna coklathitam keperakan, dimana oksidan besi (Fe) yangmulai terbakar terlihat menyelimuti permukaanproduk bakar clay-Sindanglaut.

KESIMPULANDari hasil pengamatan disimpulkan bahwa:

• Sifat termal clay-Sindanglaut memperlihatkantiga puncak dominan dari proses penguapan airserapan (endotern1ik), dehidroksilasi dandekomposisi (endotermik) dan rekristalisasi(eksotermik).

• Clay-Sindanglaut merupakan campuran darimineral kaolinit, montmorillonit dan illitdengan pengotor/impuritas CaC03, Fe~03,Ah03 dan SiO~.

• Temperatur pembakaran dapat menumbuhkanwarn a yang berlainan pad a produk bakar c1ay­

Sindanglaut.

UCAPAN TERIMAKASIH

•:,i!.\" , ,," (

"'<~'.' > '""' '

.~ ."'>01 , '

" '" " '. ;',,: ~

Coklat tua Coklat muda Coklat merah

Dengan tulus hati penulis inginmengucapkan terima kasih yang sebesar­besarnya kepada; Dr. Azis Khan Yahya, Drs.Nurdin Effendi, M.T., Heri E. Jodi,M.Eng.,Mohammad Ihsan SSi, Dra. Evy Hertinvyana,Dr. Setyo Purwanto, Dra. Saryati dan KepalaP3IB-BA TAN; Bapak Drs. Gunanjar, SUserta semua pihak yang langsung/tak langsungterkait.

PUST AKA

Coklat kuning Coklat·Hitam perak Coklat kuning

Gambar 4. Produk bakar clay-Sindanglaut; (a)TB=700'C, (b) TB=800'C, (c)TB=900'C. (d) TB=/OOO'C, (e)

TB=/IOO'C dan (f) TB=IOOO'C dan

T';>I,<'r;>lg=600'C,

Pada temperatur 1000°C, oksidan CaOmemanipulasi produk bakar clay menjadi coklatkekuningan, dimana proses dekomposisi CaC03(terdeteksi dalam pola XRD) menjadi CaO dan gasCO~ berlangsung diatas tcmpcratur 900°C. PadaGambaI' 4d dan 4 f merupakan produk hasilpcmbakaran pada temperatur ini. Perbedaankcduanya hanya pada proses sintering yangdilakukan, sehingga mampu mencegah shockthermal berlebih dan keretakan produk bakar.GambaI' 4f merupakan produk bakar disinter lebih

/. Colling, David A., and Thomas Vasitos,"Industrial Materials: Polymer Ceramics andComposites", Vol. 2, Prentice Hall, Inc. USA,(1995).

2. FisH, A., "Pembllatan dan KarakterisasiKata/is Oksida Mangan dengan PendukungBentonit Berpilar Alumina lIntuk Oksida GasCO", Tesis S-2, FMIPA-UI, Jakarta, (2002).

3. S.Prokopovich (conducted), "Technology ofBrickmaking", Departemen of CeramicEngineering, The University of New SouthWales, (1993).

4. Caiiizarcs P., l.R Holum, M.R. Sun Kou, C.J,3.Molina, "Synthesis and CharaClerization ofPILCs with Single and mixed Oxide Pillarsprepared from Two different Bentonite, (1999).

5. A Comparative Study", Micropor. Mesopor.Mater,29,267-281. 5].Nkoma .I.S., G. Ekosse,

Prosiding Pertemuan dan Presentasilimiah Penelitlan Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi NuklirP3TM-BATAN Yogyakarta, 8 Juli 2003

Parikill, dkk ISSN 0216 - 3128 /89.~- --------------- -- ------ ---

"X-ray DifFaction Study of Layered Silicates: kapur, sulfur dan lain-lain agarKaolinite, Illite and montmorri/onite ", memberikan tampi/an menarik denganInternational Report, The Abdussalam memvariasi komposisi substratnya.International Center for Theoretical Physics, 1­17, (1998).

TANYAJAWAB

Alwar

Saran dan diskusi ~ pembuatan genteng/batubata yang bisa menahanl mengisolasi suhudidalam ruangan dari perubahan panas dandingin di luar ruangan.

Heny Suseno

Clay yang anda buat untuk maksud apa ?

Parikin

Kami melakukan studi 1111 untuk

mengidentifikasi awal slfat clay dariSindanglaut Cirebon. Di daerah tersebutbanyak terdapat industri batubatatradisionar

Sifat clay ini kami karakterisasi sebagaibahan matriks komposit materialbangunan, yang dipadu dengan batu

Pari kin

Memang lebih lanjut kami akanmengamati konduktivitas panas produkbakar ini sebagai kelengkapankarakterisasi bahan produkDisamping itu kami juga melakllkanpembuawn bahan kOl1lposit materialbanglUlwl, dengan meml'ariasikankOl1lposisi reinforce/ sub.l'trat lain .I'eperri.­batu kapur. batu sulfur dan lain-/ailLSifat mekanik produk bakarjuga diamari-

Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi NuklirP3TM-BATAN Yogyakarta. 8 Juli 2003