KARAKTERISASI KRIST ALINIT AS BAHAN KRIST ALIN …digilib.batan.go.id/ppin/katalog/file/1410-7686-1999-II-073.pdf · adalah pasir silikon dan slag tembaga. Pasir silikon digunakan

p~ ~ N~ H~ N~ ~ ~ X Kt 2. 15~ 1410-f6g6

~

KARAKTERISASI KRIST ALINIT AS BAHAN KRIST ALINDENGAN DIFRAKSI SINAR-X

s~Sugondo clan Muchlis Badruzzaman

P2TBDU- BATAN; Kawasan Puspiptek. Serpong-Tangerang

ABSTRAKKARAKTERISASI KRISTALINITAS BAHAN KRISTALIN DILAKUKAN DENGAN DIFRAKSI SINAR.X. Sam pel yang digunakan

adalah pasir silikon dan slag tembaga. Pasir silikon digunakan sebagai bahan ampelas dan slag t'3mbaga diusulkan sebagai pengganti pasirsilikon. Analisis unsur menunjukkan kandungan logam yang dinyatakan sebagai oksida SiO2 23"10, AI203 2,27"10, dan Fe203 63"10. Sedangkandari analisis kristal secara kwalitatif diperoleh SiO2 + FeO + CU20 di dalam pasir silikon dan SiO2 di dalam slag-tembaga. Hasil karakterisasikristalinitas diperoleh bahwa derajat kristalinitas sebesar 4,68"10 dimiliki oleh slag tembaga, sedangkan pasir silikon derajat tersebut sebesar hampir100 "10. Kristalinitas dihitung dengan perbandingan intensitas difraktogram krista! terhadap intensitas total difraktogram pacta sudut Bragg 26antara 20° sampai 38°. Dari derajat kristalinitas tersebut bisa diduga bahwa slag tembaga jauh lebih Iunak jika dibanding dengan pasir silikon.

ABSTRACTTHE CRYSTALLINITY CHARACTERIZATION OF CRYSTALLINE MATERIALS WAS CONDUCTED BY AN X-RAY DIFFRACTION.

The analized samples were silicone sand and copper slag. The silicone sand is used as an abr,lsive and the copper slag was supposed toreplace the silicone sand. Based on the chemical analizes, the copper slag was composed by the oxides of SiO2 23%, AI203 2.27%, and Fe20363%. Meanwhile, from the crystal analyzes it was composed qualytatively by just only Sia2 in the oopper slag. The results of the crystallinitycharacterization was found that the degree of the crystallinity were 4.68% for copper slag and the siliC()ne sand almost 100%. The crystallinity wascomputed by the ratio of the crystal intensity to the total intensity of a diffractogram at Bragg angle range in between 200 and 38°. Based on thedegree of the crystallinity, it was predicted that the copper slag was far softer than the silicone sand

PENDAHULUAN

Kristalinitas bisa ditingkatkan dengan proses ani ling, halini telah dibuktikan pada film tembaga-indium [4].

Mengingat fakta di atas perlu karakterisasibahan kristalin yang kemungkinan mengandung rasaamorf.

Kristalinitas adalah banyaknya kandungankristal di dalam suatu bahan kristalin. Contoh bahantersebut adalah polimer, seramik, dan batuan. sifat fisis,elektris, daD mekanis bahan kristalin berkorelasi dengankristalinitas. Seperti pacta kain berumur 133 tahunterendam dalam laut mempunyai kristalinitas lebihrendah jika dibanding dengan kain barn yang direndamdalam air laut selama tiga bulan [3]. Holtou, J. et. al.,1994 menyatakan adanya korelasi antara komposisipolimer, titik leleh, dan tekanan luluh dengankristalinitas untuk bahan vinilidien fluorida (VOF)polimer[5]. Korelasi kristalinitas dengan sifat luluh jugatelah dipelajari oleh Segue la, R., 1994 [9]. Oi sampingitu juga berkorelasi dengan laju ulur dan suhu prosescetak-tekan kopolimer polietilen dan etilen. Perubahanberat terhadap suhu dikemukakan oleh Alice, Ng.C.,1994 bahwa sampel dengan kristalinitas tinggimengalami perubahan berat cukup berarati dengan suhupacta bahan nilon [1]. Pengkerutan sol-gel titaniaberhenti pacta tingkat kristalinitas tel'tentu [8].

Kristalinitas bisa ditentukan dengan berbagaimetoda antara lain: (I). Difraksi sinar-x (XRD)berdasarkan pola spektrum difraksi kristal daD amorf.(2). Densitas yaitu perbedaan densitas eksperimental daDdensitas teoritis yang kemudian dibandingkan denganstandard. (3). Panas diferensial (DSC) yaitumembandingkan panas peleburan sampel dengan standar.(4). Resonansi magnetik inti (NMR), yaitumembandingkan resonansi sampel dengan standar. (5).Infra merah (IR), yaitu membandingkan pola spektruminfra merah sampel dengan standard.

Dari beberapa metoda tersebut yang dipilih disini adalah difraksi sinar-x sebab mempuyai beberapakeuntungan antara lain: (1). Pola difraksi berdasarkankisi kristal sehingga hasilnya lebih akurat. (2). Preparasicuplikan sederhana. (3). Pengukuran lebih cepat, jika

73~, 2S A~ 1111

~~ ~~~~T~~~-X~ .l;r H~ ~

pengukuran rutin bisa dalam orde menit. (4). Bisaditentukan tanpa stadar.

Atom dalam bahan amorf tidak tersusun secarateratur seperti dalam bahan kristalin. Ketidakteraturansistem atom tersebut menyebabkan difraktogram Ie bar(halo) pada sudut Bragg kecil yaitu antara 5° sampaidengan 40°. Sebaliknya bahan kristalin mempunyaipuncak difraktogram pada sudut Bragg tertentu.

Kristalinitas didetinisikan sebagai fraksi beratkristalin dalalm suatu bahan. Semakin teratur susunanatom dalam bahan, semakin tinggi tingkatkristalinitasnya. Panjang dan sudut ikatan suatu bahanmenghasilkan distribusi densitas yang sebanding denganposisi dan intensitas difraktogram. Dengan demikianjumlah integral puncak dan halo adalah konstan.Selanjutnya kristalinitas dapat dihitung dariperbandingan luas puncak terhadap luas kristal (halo +

puncak).

Kristalinitas = (fraksi luas kristalin)/(fraksi luaskristalin + luas fraksi

3. Berdasarkan Gambar-l.c., denganpengurangan hamburan cacah latarperhitungan kristalinitas sebagai berikut:

metodatrapesium,

Persen Kristalinitas ='IOO{IJ(Ic+KI.)}.

Oari kriteria tersebut di atas maka timbulbeberapa metoda perhitungan kristalinitas. Kelebihandan kekurangan masing-masing metoda tidak diuraikandi sini. Pemilihan metoda tergantung dari difraktogramyang diperoleh dari percobaan dan prasarana yangmungkin bisa dilakukan. Sebagian metoda perhitungantersebut dirangkum oleh (Kaelb1e,E.F., 1967).

Keteranl!an:Ic = intensitas difraksi kristalI. = intensitas harnburan amortK = konstanta dianggap satu

-30:;~~20~

i 10G:

Metoda perhitungan derajat kristalinitasdengan pola difraksi sinar-x

I. Berdasarkan Gambar-l.a., dari difraktogram bisadihitung kristalinitas dengan formula perhitungansebagai berikut:

: Backgraund scattering .., ,.. ..

8 12 " 2:; ~ 28 32 36

X-ray diffraction angle (20)

Gambar-1c: Contoh difraktogram untuk perhitungankristalinitas dari bahan polietilen tereftalat(W. /WI:) = K {I. /(1100 +1200)}

4. Berdasarkan Gambar-l.d., denganperbandingan tinggi puncak maka kristalinitassebagai berikut:

Keterangan:W. = fraksi berat amorf Wb = fraksi berat krista!I. = intensitas amorf Ihkl = intensitas kristalK =Konstanta (I/Ic) pada JCPDS atau dianggap sarna

dengan satu Kristalinitas = I -Tinggi puncak kristal

dibagi tinggi puncak total2. Berdasarkan Gambar-l.b., hamburan amort melebardi bawah puncak kristal, dengan perhitungan sebagaiberikut:

I

.~~OJ

~

.~~..:s

14. I' 18. ZO' 22. 24. 26. 28' ]0'OififactlM o-.lt 1281

Gambar-1a: Contoh difraktogram untuk perhitungankristalinitas dari bahan polipropilen

Gambar-1d: Contoh difrakto~vam untuk perhitungankristalinitas dari bahan rayon

~I 2S A~ 111174

~ ~ K..t ~ ~ T~ ~ ~-X~ k.. H~ g..~.

S2 ds = faktor volume: yang ditentukan oleh 2 sin 8/A, Aadalah panjang gelomtlang dalam A 05. Berdasarkan Gambar-l.e., dengan standar amorf dan

kristal maka cuplikan bisa dibandingkan denganformula sebagai berikut:

i

,

!

Kristalinitas = (Iu -I.) / (Ie -I.)

TATA KERJA1. Preparasi Cuplikan

Sampel diterima berupa granular berukuran < 2rom. Sebagian granular dihaluskan dengan "MirkoMill". Serbuk yamg diperoleh diayak sampai melewatiayakan 325 mesh (45 ~m). Preparasi serbuk ini sesuaidengan ASTM 0934.80. Selanjutnya serbuk dicetaktekan pada tempat cuplikan difraktometer.

KeteranganIu adalah intensitas sarnpelIa adalah intensitas amorfIc adalah intensitas kristal

Amorphoul.tan.ard

I.-I.

.\. 1;::.",1Iir ~)

t,'j ~~ ..""""~ f" -f.\'~i;,,.

Unknown".-

;';:;"CryJtalline.tandard

2. InstrumenInstrumen yang digunakan adalah

Difraktometer sinar-x Schimatzu dengan generatorberkapasitas 1300 W untuk mensuplai power tabungsinar-x bertarget tembaga. Sinar-x yang dihasilkandilewatkan filter melalui slit 1° selanjutnya sinarterdifraksi dilewatkan :;Iit 0.2°. Pulsa yang diperoleh diproses dalam suatu analisator dan akhimya menghasilkandifraktogram berabsis sudut Bragg (28) dan berordinatintersitas (I). Interval sudut Bragg difraktogram antara5° sampai dengan 70°

~..1

X-ray diffraction ang~ (20)

Gambar -1 e: Contoh difraktogram untuk perhitungankristalinitas dari bahan pofietilen tereftalat 3. Scanning Cuplikan

Cuplikan diskaning pada interval sudut Bragg(20) antara 5° (d = 17,673 A O) sampai dengan 20 90° ( d= 1,0902 A O) dengan laju skaning = 0.2 o/detik. Sinar-x

dari target Cu berpanjang gelombang (A.) = 1.5405 AO.

Metoda tersebut masih relevan sampai sekarangwalaupun mengalami perubahan dalam hatkomputerisasi. Seperti yang ditunjukkan olehAndrew,M. W., 1986 dengan formulasi [8] :

Kristalinitas = (Itensitasamort)/Intensitas total

total Intensitas

Sedangkan James,M.R.,dengan fonnula [6] :

1986 menghitung

Kristalinitas = Intensitas kristal/Intensitas total

Jika dinyatakan dengan formula matematis adalahsebagai berikut:

oX)

f S2 I cRds-0

-oX)

fS2/ds0

XCR

HASIL DAN PEMBAHASANPasir silikon

Difraktogram pasir silikon mempunyai 13puncak, Gambar-2 dan Tabel-l, pada interval 28 antara10° sampai dengan 70°. Tiga puncak berintersitasdominan pada 28 = 26.464° ( d = 3.3651 AO); 28 =50.008 ( d = 1.8223 AO); dan 28 = 20,693 ( d = 4.2886

A O). Dari difraktogram SiO2 standar JSPDS ketigapuncak tersebut terletak pada 28 = 20.836° ( d = 4.2535AO); 28 = 26.646° (d = 3.3422 AO); dan 28 = 50.170 (d= 1.8177 A O). Perbedaan posisi sudut Bragg

difraktogram standar dengan sampel dari ketiga puncaktersebut secara berurutan sebagai berikut 0,182°(0.683%); 0.162° (0.323%); 0.143 (0.686%).

Perbedaan tersebut terlihat pada himpitanpuncak difraktogram sampel dengan standar padaGambar-2.b. Walaupun demikian fakta tersebut sudahbisa digunakan untuk memutuskan bahwa di dalam pasirsilikon terdapat mayoritas kristal SiO2 ( d -kwarsa).

Jika dibandingkan dengan puncak difraktogramFeO yang mempunyai t~a posisi puncak utama pada 28=41,9916° (d=2, 15 A O); 28= 40,4630° (d=2,49 A O) dan28= 66,2846° (d= 1 ,52 A O) bisa dikatakan berhimpitan

dengan puncak difraktogram pada 2(;)= 42,314°

Dd."~

KeteranganXCR = fraksi berat kristalinitasICR = intensitas koheren kristalinf = faktor hamburan0 = konstanta disorder Ruland

~, 2S" A~ 1111 75

I

:

~~ ~~~~T~~~-X~ ; H~ g..,l.~.

(d=2,4668 AO); 28 = 42,314° (d=2,1341 AO); dan 28 =

59,779° (d=I,5457 AO) dengan demikian maka sampelmengandung kristal CU20.

SIal! tembal!aTabel 2: Data anal is is spektrum difraksi sinar-

x slag tembaga dengan target Cu. Gambar-3: (a)Spektrum difraksi sinar-x slag-tembaga dengan targetCu. (b). Himpitan puncak spektrum Cu-slag denganstandar SiO2 dan Fe304. (c). Puncak spektrum standarSiO2. (d). Puncak spektrum standar Fe304 (JCPDS 19-

629).

,'oJ..., I I , ! !"I,I-

(a)UnknownProfile

~~4~ ~

..1 1 1 ..'.I I..I: J..

Unkonownpeak linesGambar-2: (a) Difraktogram difraksi sinar-x pasir silikon

dengan target Cu. (b). Hompitan puncak difraktogrampasir silikon dengan puncak difraktogram

standar SiO2. (c) Puncak difraktogramstandar JCPDS SiO2

~~.~c~~,... (b)

Standardpeak lines

Tabel1 Data analisis spektrum difraksi sinar-x Si-SanddenQan tarq~ Cu.

I' ',"I.""r'.""'" ..:. ".I:... '.'J ." '.J"""",!

'I If If ..111"~

L"""":""i'.'\'."."""'."'.~ -..J. (c)I , S,02 peaks

1: A ..77

5 .0490

I J

[_11J_11.1-

(d)FeJO. peaks2: A -38

19 -829Diffr4lction aJI!:1e (29)

Jika dibandingkan dengan puncak standar CU20(cuprite) yang mempunyai tiga puncak utama pada 28 =

40,7906° (d=2,47 AO); 28= 47,0806° (d=2,14 AO); dan28= 66,7236° (d= 1,51 A O) puncak tersebut berhimpitandengan puncak difraktogram pada 28 = 36,389°

76 ~I 2S

.lIi

Gambar-3: (a). Spektrum difraksi sinar-x Cu-slagdengan target Cu. (b) Himpitan puncak spektrum Cu-slagdengan puncak spektrum standar SiO2 dan Fe304 (c).

Puncak difraktogram standar SiO2 dan Fe304.

A~ 1111

~ ~ g..t ~ ~ T~ ~ ~-X~.l H~~~.

Tabel2. Data analisis spektrum difraksi difraksi sinar-xCu-slaa denaan t~raet Cu. Senyawa Kandungan

%Metoda

SiO2Al203Fe203TiO2CaD~K20

Na20MnO2Cr203

CuCdSiNiZn

~

~~~~~

~~~~~

~~-~O,QL

1/1,

-Gravimetrl

AASTitrimetri

SpektrofotometriAASAASAASAASAAS I

AASAASAASAAS

AAS .I

AAS

PeakNn

2edeg

dAo

48

45

49

38

67

69

87

6777

~M

64

64

58

78

50

43.62

42.47

35.90

~34.01

~~32.49

31.32

31.31~

29J"j

27.93

27.08~

-w:ss-

2345678910II

1213141516

n.07~.13 2.51 I

2.50

rr83~~

2.71 ,

2.76

~~

~I 2.99

3.04

~

~!

~ 4.25

Perhitun~an persen kristalinitas

Si-SandDari Gambar 2.a. terlihat bahwa difraktogram

Si-sand tidak terdapat halo (puncak lebar) pada sudutrendah dan juga sudah diterangkan pada paragrafsebelumnya bahwa halo terbentuk dari senyawa amorf.Dengan demikian bahwa Si-sand hampir tidakmengandung senyawa amorf, sedangkan kandungankristal dinyatakan dengan istilah kristalinitas yaituperbandingan antara fraksi berat kristal dengan fraksiberat amorf. Dengan demikian maka kristalinitas Si-sand bisa dikatakan 100%.

Slag TembagaKristalinitas dihitung dari perbandingan luas

puncak kristal terhadap luas puncak total ( Kristal +amorph). Luas tersebut dihitung dengan pendekatan luassegitiga. Pendekatan ini memang menimbulkan koreksiyang besar tetapi pendekatan ini sederhana clan mudahdimengerti. Perlu diketahui bahwa perhitungan tersebutsifatnya relatifbukan absolut..Puncak kristal yaitu puncak pada sudut 20.847°;

26,618°; 33,004°..Hamburan amorph mulai dari sudut 20° sampai

dengan 38°.Metoda perhitungan mengikuti perbandingan luas

puncak kristal terhadap luas puncak total (kristal +

amorph) yaitu metoda III..Perhitungan luas dengan pendekatan segitiga..Keterangan: indek "I"; "2"; "3" adalah puncak

pertama, kedua dan ketiga sedangkan indek "a"adalah pengganti amorph. "t" adalah tinggi segitiga,"L" ialah alas segitiga, clan "A" adalah luas segitiga

atau luas puncak.

Halo difraktogram slag tembaga terletak padainterval 28 antara 20° sampai dengan 38°. Keluarananalisis komputer memberikan puncak difraktogramsebanyak 16 puncak. Tetapi puncak no 6 sampai denganno 14 tidak mempunyai lebar puncak setengahmaksimum (FWHM), seperti terlihat pada Tabel 2Puncak-puncak terse but berada di daerah halo yangmerupakan puncak subkristalit. Pada daerah halo jugaterjadi hamburan dari rasa amorf. Dengan demikianpelebaran puncak pada halo merupakan sumbangan darisubkristalit dan rasa amorf.

Puncak difraktogram SiO2 standar dihimpitkandengan difraktogram sampel. Hasil himpitan terlihat

pada Gambar-3.b. Beberapa puncak sampel berhimpitandengan puncak standar. Ketiga puncak utama standarSiO2 yaitu pada puncak 28 20,838° (d=4,2535 A O);

28=26,646° (d=3,3422 AO) dan 28=50,170° (d=I,8177A O) berhimpitan dengan puncak sampel pada 28=20,693(d=4,2886 AO); 28= 26,464 (d= 3,3651 AO); dan28=50,008 (d= 1,8223 AO). Dari fakta tersebut dapatdiambil kesimpulan bahwa dalam slag tembaga terdapat

kristal SiO2.Puncak difraktogram sampel juga dibandingkan

dengan puncak standar Fe304. Ketiga puncak utama

difraktogram tidak berhimpitan dengan puncakdifraktogram sampel. Maka dari fakta ini bahwa sampeltidak mengandung kristal Fe304.

Dari analisis kimia diperoleh unsur yangdinyatakan sebagian dalam oksida yang mayoritasmengandung senyawa sebagai berikut: SiO2 23%, AI2O32,27%, dan Fe203 63% (Tabel 3)

1. Luas Hamburanta = 20 dan La = 115 maka Aa = 57.5 X 20 = 1150

Tabel3: Data analisis kimia slag-tembaga~, 2S A~ 1111

~~ ~~~T~~~-X~~H~~~.

2. Luas puncak-1tl = 14 dan Ll =4 makaAI =2 x 14 =28

{3].

.Sx 12= 183. Luas puncak-2t2= = 12 dan L2 = 3 maka A2 =

4. Luas puncak-3t3 = 7 dan L3 = 3 maka A3 = 1.5 x 7 = 10.5

ray Diffraction, Advances in X-ray Analysis, Vol29, Plenum Press, New York, 1986, hal 281-290.Foreman,D. W. daD Jones,K.A., X-rayDiffractometric Measurement of MicrocystalliteSize, Unit Cell Dimensions, and Crystallinity:Application to Celluloic Marine Textiles, TextileResearch Journal V63, 8 Agustus 1993, hal 455-464.Guillen,C. daD Herrero,J., Journal ofElectrochemical Soc., Vol 141, I January 1994,hal225 -230.Holtou, J., Bolmer,M. daD Schlinguer, B.,Estimating Pipe Burst Properties of VDF Basedresins, Proceedings of the 52nd Annual TechnicalConference ANTEC 1994 Part3, Soc. of PlasticsEngineers, Brookfield, CT, USA, haI3377-3381.James,M.R. dan Anderson, D.P., Detenninationof Crystallinity in Graphite Fiber-ReinforcedThennoplastic Composites, Advances in X-rayAnalysis, Vol. 29, Plenum Press, New York,1986, haI291-303.Kaelble,E.F., Hanbook of X-ray, Mc Graw Hill,New York, 1967, ha121.5 -21.10.Keddie, J.L., Braun,P. V., daD Giannlis, E.P.,Interrelationship Between Densification,Crystallization, and Chemical Evolution in Sol-Gel Titania Thin Film, Journal of the AmericanCeramic Soc., Vol. 77, 6 June 1994, hal 1592-1596.Seguela,R. daD Dorras, 0., "PhenomenologicalAspects of the Double Yield of Polyethylene andRelated Copolymers Under Tensile Loading",Journal of Materials Science, Vol.29 (20), 15 Oct.1994, hal 5342-5352.

[4].Totalluas puncak kristal = 56.5Totalluas puncak kristal dan amorph = 1206.5

[5].Jadi % kristalinitas slag tembaga = 56.5/1206.5 =

4.68%

Dari perhitungan diperoleh persentasikristalinitas slag tembaga sebesar 4.68%. Sehinggadapat dikatakan bahwa Cu-slag bukan senyawa kristalmelainkan senyawa amorph.

[6].

[7J.

[8]

KESIMPULANI. Si-sand tersusun mayoritas dari SiO2 dan penyusun

minoritas adalah FeO dan CuzO kristal degankristalinitas hampir 100%.

2. Cu-slag hanya mengandung sedikit kristal SiO2 dankemungkinan ada kristal Fe304 dengan kristalinitassebesar 4.68%.

[9]DAFTARPUSTAKA

[1]. Alice,Ng.C. W., Bellinger ,M.A., danMachknight,W.J., Macromolecules, Vol 27 (23),7 Nov. 1994, haI6942-6947.Andrew, M.W. et. al., Computer Capability forthe Determination of Polymer Crystallinity by X-

[2].

~, 2S A~ 1'i'i'i78