Perilaku Korosi dengan Variasi Pelapisan pada

NiTi Wire Orthodontic

Oleh :Fitriyanto Budi

Utomo(2707100022)

Dosen Pembimbing:Yuli Setiyorini, ST.,

M.Phil.

TEKNIK MATERIAL DAN METALURGIFAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBERSURABAYA

Latar BelakangMeskipun telah ditemukan lapisan pelindung

oksida pada permukaan metal, ion metal masih saja bisa terlepas dari logam implant

gigi karena proses korosi. Dibidang kedokteran gigi, paduan NiTi biasa digunakan untuk aplikasi orthodontic wires (kawat gigi)

karena memiliki sifat mekanik yang baik (Huang, 2003).

Ion Ni dapat menyebabkan alergi dan beracun. Ni dapat menghasilkan lebih banyak reaksi

alergi dari pada elemen logam lainnya. Pada penelitian secara In Vivo, paduan NiTi

menunjukkan reaksi cyatotxic (Huang, 2003).

Pada aplikasi medis, ada banyak rekayasa permukaan yang digunakan untuk

mendapatkan lapisan pelindung pada NiTi. Setiap lapisan pelindung yang dihasilkan

tersebut memiliki laju korosi yang berbeda-beda didalam lingkungan oral (mulut) yang

bersifat asam.

Perumusan dan Batasan Masalah

Masalah yang terjadi....1.Bagaimana pengaruh berbagai lingkungan

keasaman yang berbeda-beda, terhadap laju korosi pada NiTi wire?

2.Metode pelapisan manakah yang paling efektif dalam mengendalikan laju korosi pada NiTi wire?

Batasan masalahnya...1. Temperatur dianggap konstan2. Tidak ada pengaruh dari lingkungan sekitar3. Spesimen dianggap homogen4. pH larutan dianggap konstan

Tujuan Penelitian

1.Mengetahui pengaruh lingkungan keasaman yang berbeda-beda terhadap laju korosi pada NiTi wire

2.Mengetahui metode pelapisan yang paling efektif dalam mengendalikan laju korosi pada NiTi wire

Logam Paduan NiTi

Paduan NiTi memiliki kombinasi sifat yang unik yaitu superelasticity dan shape memory alloy (SMA).

Kedua sifat inilah yang menyebabkan paduan NiTi cocok untuk aplikasi dibidang medis (Figueira,

2009).

Namun kadar nikel yang tinggi pada pada NiTi (55%) perlu dipertimbangkan karena dapat berpengaruh terhadap

jaringan tubuh. Kandungan Nikel yang tinggi yang dilepaskan dari material implan dapat menyebabkan alergi

yang berbahaya, keracunan atau bahkan terjadi reaksi yang menyebabkan kanker (carcinogenic) (Trepanier, 2000).

Literatur lain menyebutkan bahwa Ti, komponen penting NiTi wire, tidak bersifat cytotoxic. Namun, peningkatan pelepasan ion Ti menandakan buruknya lapisan pelindung

pada paduan NiTi. Hal ini akan menyebabkan meningkatnya pelepasan ion Ni secara bersamaan. Oleh karena itu, NiTi

orthodontic wires dengan ketahanan korosi yang baik sangatlah penting (Huang, 2003).

Cairan Saliva (Air Ludah)

Komponen saliva terdiri dari:• Komponen anorganik, terdiri dari ion Na+, K+ (konsentrasi tinggi

dalam ludah), fosfat anorganik (90%), Ca2+, Mg2+, Cl-, HCO-

• Komponen organik, komponen ini terdiri dari asam lemak, lipida, glukosa, asam amino, ureum, amoniak, protein yang terdiri dari amilase, protein kaya prolin, musin dan immunoglobin, gustin, laktoferin, laktoperoksida, kalikrein, dan lisosim.

KorosiGeneral Corrosion

Ketika logam terkorosi dengan laju yang sama pada seluruh permukaan, maka logam tersebut telah mengalami general

corrosion atau uniform corrosion (korosi merata). Pada logam implant laju korosi merata harus kurang dari 1 mpy (Hin,

2004).

Adanya ion klorida, dapat menyebabkan laju penguraian pada lapisan pasif yang tidak sempurna dapat meningkat. Hal inilah

yang mengawali terjadinya korosi sumuran. Kemungkinan, korosi sumuran meningkat seiring dengan meningkatnya

konsentrasi ion klorida, temperatur yang tinggi, dan pH yang rendah (Hin, 2004).

Jarak yang sangat sempit, menyebabkan larutan didalam celah tidak dapat bercampur dengan larutan yang berada diluar celah

sehingga terjadilah korosi celah. Korosi celah dapat menurunkan pH karena reaksi yang terjadi menghasilkan ion

H+ dan Cl-. (Hin, 2004).

Pitting corrosion

Crevise Corrosion

Mekanisme Terjadinya KorosiMekanisme Corrosion

Mixed Potential Theory

Ianod = Ikatod = Icorr

Faraday Equation

CR = 3.27 x 10-3 icorrEWΡ

Reaksi Anodik (Oksidasi)Reaksi anodik yang terjadi pada proses korosilogam, yaitu :M → Mn+ + ne

Reaksi Katodik (Reduksi)Beberapa reaksi katodik yang terjadi selama proses korosi logam, yaitu:• Pelepasan gas hydrogen

2H+ + 2e → H2• Reduksi oksigen

O2 + 4H+ + 4e → 2H2OO2 + 2H2O + 4e → 4OH¬

• Reduksi ion logamM3+ + e → M2+

• Pengendapan logam3Na+ + 3e → 3Na

• Reduksi ion hydrogenO2 + 4H+ + 4e → 2H2O

Pasivasi

Reaksi AnodikM Mn+ + ne-

Ketika logam teroksidasi reaksi yang terjadi adalah terbentuknya ion seperti diatas atau terbentuk insoluble compound (Hin, 2004).

nM + mH2O MnOm + 2mH+ +2me-

Hasil yang terbentuk dari reaksi tersebut adalah senyawa MnOm. Pada banyak kasus senyawa tersebut berupa lapisan tipis yang bersifat impermeable pada permukaan logam. Lapisan ini mengisolasi logam dari lingkungan sekitarnya. Lapisan ini mencegah dapat mencegah terjadinya korosi logam (Hin, 2004).

Rekayasa Permukaan NiTi

Elektropolishing menghilangkan slag, goresan, dan menciptakan permukaan yang lebih halus pada paduan NiTi wire (Miao, 2006) dan

terbentuk lapisan TiO2. Dilanjutkan dengan photoelectrocatalytic oksidasi untuk membentuk lapisan titania. Sinar UV dipancarkan untuk

dekomposisi H2O2 menjadi hydroxyl radicals (OH.) (Chu, 2009).

Advanced Oxidation Process (AOP) merupakan salah satu metode coating dengan menggunakan sistem Fe2+/H2O2 atau ultraviolet/

H2O2 photocatalytic system, dimana hidroksil radikal (OH) dihasilkan dari dekomposisi langsung H2O2 dengan ion Fe2+ atau radiasi UV

(Chu, 2009).

Pack Cementite adalah salah satu teknik nitridasi yaitu memasukkan unsur N kedalam permukaan material dengan media zat padat. Contohnya urea yang berfungsi sebagai sumber atom N. Spesimen dibungkus dengan urea serbukkemudian dipanaskan kedalam furnace pada temperatur tertentu dandipanaskan selama waktu tertentu pula.

Biomimetic proses merupakan teknik yang baik untuk menghasilkan lapisan Hydroxyapatite (HA, Ca10(PO4)6(OH)2) pada substrat yang berbeda. Lapisan yang terbentuk bersifat biocompability dari pada

NiTi wire tanpa perlakuan.

Elektropolishing Pretreatment

dan Photo Electrocatalytic

Advanced Oxidation Process

Coating (AOP)

Pack Cementite

(PC)

Biomimetic Process

Metodologi Penelitian

Bahan1. Saliva buatan contained 400 mg/L NaCl, 400 mg/L KCl, 795 mg/L

CaCl2·2H2O, 690 mg/L NaH2PO4·H2O, 300 mg/L KSCN, 5mg/L Na2S·9H2O, and 1000 mg/L urea.

2. Air de-ionisasi3. Kawat tembaga4. Sodium Hidroksida5. NiTi orthodontik wire buatan Jerman yang telah diberi perlakuan rekayasa

permukaan sebelumnya.

Alat1. Potensiostat2. pH meter3. Thermometer 4. Beaker glass5. Gelas ukur 1 L6. Hot Plate7. SEM(Scanning Electron Microscope)8. Alat Ujo ICP (Teledyne Leeman labs)

Metodologi Penelitian

Pengambilan Data

Mulai

Preparasi

Pengujian Korosi

Pengujian ICP

Pengujian SEM

Analisa Data

Kesimpulan

Selesai

Uji Potensiodinamik

Spesimen

PengujianPreparasi sampel

Analisa data dan

pembahasan

HASIL

Uji ICP

Uji SEM

Tujuan dari tes ini adalah untuk mengetahui kadar ion Ni yang dilepaskan selamates potensiodinamik. Pengambilan spesimen dilakukan dua kali yaitu pada menitkelima dan kelima belas. Setelah itu spesimen disimpan didalam botol kecilberukuran 20 ml. Perlakuan yang sama dilakukan pada sepuluh spesimen yanglain. Sampel yang diambil kemudian dianalisa dengan menggunakan ICP(Inductively Coupled Plasma) merk Teledyne Leeman Labs, tipe Prodigy untukmengetahui kandungan ion Ni+ yang terlepas dari spesimen.

SEM dilakukan setelah uji korosi dilakukan. Spesimen dipotong sebesar 5 mm,tanpa dihaluskan. Analisa SEM menggunakan Scanning Electron Microscope(SEM) FEI, Inspect-S50. Spesimen dipreparasi dengan dilapisi emas dan dilakukanpengamatan pada 15-20 kV. Selama pengujian SEM, morfologi permukaan profildiamati untuk memperoleh informasi tentang morfologi produk korosi. Perbesarangambar spesimen berkisar antara 500 kali sampai 1000 kali, 2500 kali dan 5000kali.

Analisa Data dan Pembahasan

Grafik Potensiodinamik pH 3

Grafik Potensiodinamik pH 6,25

Nilai Icorr maupun corrosion rate pada berbagai metode pelapisan

Metode Pelapisan

pH Ecorr(mV)

Icorr(mA/cm2)

CR(mm/Y)

Tanpa Perlakuan

3 -298 2,82x10-5 3,81x10-4

6,25 -310 1,54x10-5 2,14x10-4

AOP 3 -384 3,16x10-5 4,27x10-4

6,25 -378 7,08x10-6 9,57x10-5

EP 3 -519 7,76x10-5 10,5x10-4

6,25 -591 5,38x10-7 5,38x10-6

BP 3 -429 1,41x10-5 1,91x10-4

6,25 -392 5,13x10-5 6,93x10-4

PC 3 -302 6,31x10-5 8,52x10-4

6,25 -571 1,23x10-7 1,66x10-6

Hasil Uji ICPNo. Metode pH t (menit) Kadar (ppm)

1 TanpaPerlakuan

3 5 3,11715 4,007

6,25 5 3,34715 3,43

2 AOP 3 5 2,29315 2,616

6,25 5 1,60515 2,178

3 BP 3 5 2,4915 3,294

6,25 5 2,28515 2,512

4 EP 3 5 2,34515 2,888

6,25 5 1,64615 2,53

5 PC 3 5 2,73115 3,576

6,25 5 2,12615 3,169

Hasil Uji ICPPerbandingan Icorr vs Immersion times pada

pH 3

Perbandingan Icorr vs Immersion times pada

pH 6,25

Hasil Uji SEM

Spesimen Tanpa Perlakuan Spesimen AOP

Tanpa perendaman Perendaman pH 6,25

Perendaman pH 3

Tanpa perendaman Perendaman pH 6,25

Perendaman pH 3

Hasil Uji SEM

Spesimen EP

Tanpa perendaman Perendaman pH 6,25

Perendaman pH 3

Spesimen BP

Tanpa perendaman Perendaman pH 6,25

Perendaman pH 3

Spesimen BP

Tanpa perendaman Perendaman pH 6,25

Perendaman pH 3

Hasil Uji SEM

Kesimpulan

Kesimpulan:1. Terjadi peningkatan laju korosi pada

penurunan pH larutan saliva terhadap materialNiTi wire dengan berbagai metode pelapisan

2. Berdasarkan hasil uji potensiodinamik, metodepelapisan yang terbaik untuk pH 3 adalah BP,sedangkan untuk pH 6,25 adalah PC

3. Berdasarkan hasil uji ICP urutan metodepelapisan yang terbaik baik pH 3 maupun pH6,25 adalah AOP, EP, BP, PC, dan terakhirTanpa Perlakuan (TP)

4. Telah terjadi korosi sumuran

CHU, Cheng-lin, C. Guo, X.B. Sheng, Y.S. Dong, P.H. Lin, K.W.K. Yeung, Paul K. Chu. 2009.“Microstructure, nickel suppression and mechanical characteristics of electropolished andphotoelectrocatalytically oxidized biomedical nickel titanium shape memory alloy”. ActaBiomaterialia 5:2238-2245.

CHU, Cheng-lin, R. Wang, L. Yin, Y. Pu, Y. Dong, C. Guo, X. Sheng, P. Lin, P. Chu. 2009. “Surfacetreatment of NiTi shape memory alloy by modified advanced oxidation process”.Trans.Nonferrous Met. Soc. China 19:574-580.

Fellicia, Dian M.. 2007. Analisis Karakterisasi Lapisan Pasif Korosi Implant Commersial PureTitanium Grade 2 dengan Variasi Kekasaran Permukaan pada Cairan Tubuh Buatan.Surabaya: ITS.

Figuera, N., Silva T.M., Carmezim M.J., fernandes J.C.S. 2008. “Corrosion behaviour of NiTi alloy”.Electrochimica Acta 54 (2009) 921–926.

Helsen, A., H.J. breme. 1998. Metal as biomaterials. Inggris: Jhon and sons Ltd.Hin, Teoh Swe. 2004. Engineering Materials for Biomedical Application. Singapura: Mainland press.Huang, Her-Hsiung, Yu-Hui Chiu, Tzu-Hsin Lee, Shih-Ching Wu, Hui-Wen Yang, Kuo-Hsiung Su, Chii-

Chih Hsu. 2003. “Ion release from NiTi orthodontic wires in artificial saliva with various acidities”.Biomaterials 24:3585–3592.

Lee, Tzu-hin, Chia-ching W., Ta-ko H., Lia-kai C., Ming-yung C., Her-hsiung H. 2009. “Corrosionresistance of titanium containing dental orthodontic wires in flouride-containing artificial saliva”.Journal of Alloys and Compounds 488 (2009) 482–489.

Daftar Pustaka