Prosiding Seminar Nasional Penelitian, Pendidikan & Penerapan MIPA, Hotel Sahid Raya Yogyakarta, 8 Februari 2005

Transkripsi

1 Prosiing Seminar Nasional Penelitian, Peniikan & Penerapan MIPA, Hotel Sahi Raya Yogyakarta, 8 Februari 2005 KAJIAN INDEKS BIAS KACA YANG MENGALAMI PROSES ANNEALING (The Stuy of Refraction Inex of Glass That is Anneale) Oleh: Ei Istiyono FMIPA Universitas Negeri Yogyakarta ABSTRAK Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh temperatur an waktu anil terhaap ineks bias kaca. Di samping itu juga iharapkan iperoleh kaca yang optimal itinjau ari ineks biasnya. Sampel alam penelitian ini aalah kaca soa lime yang ianil paa temperatur anil 300 o C engan waktu anil 30 menit, 60 menit, 90 menit, 120 menit, 150 menit, 180 menit, an 240 menit. Di samping itu juga sampel ianil itahan selama 30 menit paa temperatur 100 o C, 200 o C, 300 o C, 400 o C, 500 o C, an 600 o C. Teknik analisis ata yang igunakan aalah analisis grafik. Hasil yang iperoleh untuk pengaruh temperatur anil terhaap ineks bias kaca paa waktu tetap 30 menit memiliki kecenerungan semakin tinggi temperatur anil, ineks bias kaca semakin meningkat secara linear. Diperoleh pula pengaruh waktu anil terhaap ineks bias kaca paa temperatur tetap 300 o C bahwa semakin tinggi waktu anil, ineks bias kaca cenerung menurun secara kuaratik. Jika ibaningkan engan sebelum annealing, maka ineks bias optimum paa waktu anil 30 menit. Kata kunci: temperatur anil, waktu anil, an ineks bias kaca ABSTRACT The experiment purposes to observe of the influence of temperature an anneal time to the refraction inex of glass. Sample of the experiment is soa lime glass that are anneale on temperature of C, C, C, C, C, an C for 30 minutes. Besies, the glass are anneale on temperature C for 30, 60, 90, 120, , an 240 minutes. The ata is analyse by graph metho. Base on analysing of ata is conclue that there are influence of temperature an anneal time to the refraction inex of glass. Increasing of the anneal temperature causes increasing of the refraction inex of the glass linearly an increasing of the anneal time causes quaratic ecreasing of the refraction inex of the glass. If it is compere initial refraction inex, optimal refraction inex at anneal time is 30 minutes. Key wors: anneal temperature, anneal time, an refraction inex of glass F-31

2 Ei Istiyono Kajian Ineks Bias PENDAHULUAN Latar belakang Masalah Dengan meningkatnya peraaban manusia, maka kebutuhan primer atau kebutuhan sekuner lainnya semakin kompleks. Kebutuhan primer misalnya kebutuhan pangan, sanang, an papan. Kebutuhan sekuner misalnya kebutuhan peralatan sehari-hari. Baik untuk keperluan primer, misalnya pembuatan rumah, khususnya kaca jenela atau kaca pintu, maupun kebutuhan sekuner banyak menggunakan bahan ari kaca. Kaca sebagai suatu bahan tentunya memiliki beberapa sifat mekanik an optik. Sifat-sifat mekanik antara lain: kekerasan an keuletan, seangkan yang termasuk sifat optik aalah kemampuan menyerap, memantulkan atau membiaskan. Dengan asar itu karakteristik optik irepresentasikan oleh ineks bias, koefisien reflektansi an koefisien transmitansi. Dalam penggunaan kaca, sebaiknya isesuaikan engan sifat kaca tersebut agar apat optimal. Penggunaan kaca, misalnya: kaca jenela paa mobil, jenela rumah, pintu kantor, atau yang lain. Bahan kaca yang suah memiliki bentuk biasanya memiliki seperangkat sifat-sifat kekuatan, kekerasan, warna, ineks bias an sebagainya (Van Vlack, 1992 : 5). Pemanfaatan bahan optik untuk keperluan filter frekuensi, kopling arah, an untuk keperluan komersial (misalnya: kaca bangunan, jenela mobil, kaca mata, gelas kimia an lain-lain) terus ikaji an ikembangkan (Ohring, 1992). Menurut asar-asar ilmu bahan bahwa setiap sifat bahan berkaitan erat sekali engan struktur intern bahan itu seniri. Struktur intern (alam) bahan mencakup atomatom an susunannya ia alam suatu struktur mikro (Van Vlack, 1991 : 4). Apabila bahan mengalami perubahan struktur intern, sifat an perilakunya akan berubah. Perubahan tersebut apat terjai akibat aanya penrgaruh ari luar yang ialami bahan. Laku panas yang biasa ilakukan aa tiga macam, yakni: quenching, annealing, an temper. Namun alam penelitian ini laku panas yang ipilih aalah annealing. Annealing aalah laku panas engan cara memanaskan bahan secara menaak itahan paa temperatur tertentu an waktu tertentu kemuian iinginkan secara perlahan-lahan sampai temperatur kamar. Setelah mengalami proses annealing imungkinkan struktur intern kaca soa lime berubah secara permanen, sehingga imungkinkan bahan memiliki karakteristik yang berbea. Karakteristik bahan yang merupakan sifat optis aalah ineks bias. F-32

3 Prosiing Seminar Nasional Penelitian, Peniikan & Penerapan MIPA, Hotel Sahi Raya Yogyakarta, 8 Februari 2005 Oleh karena itu, perlu penelitian pengaruh proses annealing yang meliputi temperatur an waktu anneal terhaap sifat optik kaca soa lime. Sifat optik kaca soa lime akan irepresentasikan oleh ineks biasnya. Perumusan Masalah Berasarkan uraian i atas maka apat irumuskan permasalahan sebagai berikut : 1. Bagaimana pengaruh waktu annealing terhaap ineks bias kaca? 2. Bagaimana pengaruh temperatur annealing terhaap ineks bias kaca? Tujuan Penelitian Berasarkan uraian i atas, maka tujuan penelitian ini sebagai berikut: 1. Untuk mengetahui pengaruh waktu annealing terhaap ineks bias kaca? 2. Untuk mengetahui temperatur annealing terhaap ineks bias kaca? TINJAUAN PUSTAKA Annealing Laku panas yang biasa ilakukan aa tiga macam, yakni: quenching, annealing, an temper. Berikut akan ibahas perlakuan panas yang igunakan alam pelitian ini, yakni annealing. Proses termal sangat berpengaruh paa sifat bahan logam (Van Vlack, 1991 : 210). Salah satu proses termal ini aalah proses pemanasan menaak ilanjutkan engan peninginan pelan-pelan sampai suhu kamar. Proses annealing aalah proses laku panas engan bahan mengalami pemanasan yang menaak isusul engan peninginan secara pelan-pelan pula (Van Vlack, 1991 : 437). Aa ua macam annealing, yakni: annealing isotermal an annealing isokronal. Annealing isotermal jika annealing ilakukan paa suhu yang sama seangkan waktunya berubah-ubah. Annealing isokronal aalah annealing yang ilakukan paa suhu yang berubah-ubah namun waktunya tetap (Ei Istiyono, 2003 ). Paa suhu yang tinggi atom-atom akan bergerak kemuian apat mengatur iri kembali, membentuk kristal-kristal baru yang lebih sempurna. Proses tersebut isebut rekristalisasi (Van Vlack, 1991: 225). Penyusunan kristal-kristal paa posisi baru ini merupakan perubahan struktur intern logam yang akan mengubah sifat-sifat atau karakteristik logam. Penekatan secara kasar menyatakan bahwa suhu rekristalisasi (T R ) beraa i antara 0,3 Tm an 0,6 Tm, engan Tm aalah titik cair alam Kelvin (Van Vlack, 1991 : 228). F-33

4 Ei Istiyono Kajian Ineks Bias Ineks Bias Kaca Soalime Ineks bias suatu meium merupakan angka yang menyatakan perbaningan laju sinar i hampa atau uara engan laju sinar i meium, sehingga secara matemtis inyatakan: v c n = 1 21 = (1) v v 2 Ineks bias meium bergantung paa kerapatan meium tersebut, seangkan nilai kuantitatifnya bergantung paa panjang gelombang sinar yang atang. Bahan kaca sebagain besar teriri ari silikat yang merupakan material amorf engan kerapatan an faktor tumpukan kecil, sehingga masih memiliki banayak ruang kosong i antara atom-atom penyusunnya (Callister, 1991). Silikat ini termasuk ielektrik, namun juga apat mengalami polarisasi elektronik isotropik (Smith, 1990). Ineks bias suatu meium termasuk kaca, itentukan oleh kerapatan material tersebut. Kerapatan material terjkait engan polarisasi P an polarisabilitas partikel γ, yang inyatakan oleh Persamaan (2) (Guenther, 1990) : P = ργe 0 (2) engan ρ kerapatan partikel material an E 0 mean listrik luar yang bekerja paa material. Perlu iketahui bahwa kerapatan an polarisabilitas partikel sangat mempengaruhi ineks bias suatu meium atau matrial. Pengaruh kerapatan an polarisabilitas terhaap ineks bias meium inyatakan engan Persamaan (3) (Guenter, 1990): 2 3ε0( n 1) γ = (3) 2 ρ( n + 2) engan ε0 aalah permitivitas listrik alam hampa. Persamaan (3) i atas biasa inamakan formula Lorenz-Lorentz engan γ isebut refraktivitas atom atau refraktivitas molar. Pengukuran Ineks Bias Kaca Plan Paralel Jika berkas sinar atang paa permukaan kaca plan parelal, maka akan mengalami pembiasan ua kali, yakni paa permukaan pertama antar meium uara-kaca an permukaan keua antara meium kaca-uara. Perjalanan sinar apat inyatakan seperti Gambar 2. Perhatikan Gambar 2, segitiga ABC: F-34

5 Prosiing Seminar Nasional Penelitian, Peniikan & Penerapan MIPA, Hotel Sahi Raya Yogyakarta, 8 Februari 2005 sinα = sin( θ AC BC θb) = AC BC Perhatikan segitiga BCD: CD cosθb = BC CD BC = cosθ b Dari Persamaan (4) an (5), pergeseran sinar aalah: sin( θ t θb) = (6) cosθ b (4) (5) θ C A θ b α t D B Gambar 1. Pergeseran sinar paa kaca plan paralel Dengan memperhatikan ineks bias suatu meium menentukan suut bias (Persamaan 1), maka: θ b sinθ = arcsin (7) n Menurut trigonometri tentang sinus yang argumennya merupakan selisih aalah : sin( θ θ ) = sinθ cosθ cosθ sinθ (8) b b Jika Persamaan (7) an (8) isubstitusikan ke Persamaan (6) iapatkan: sinθ n = sinθ sin arctan cosθ t F-35 b (9)

6 Ei Istiyono Kajian Ineks Bias Jika suut atang, tebal kaca an pergeseran apat terukur, maka engan menggunakan Persamaan (9), ineks bias kaca apat ihitung. Kaca Soalime Kaca ikenal sebagai bahan yang keras tetapi tiak, biasanya jernih an tembus cahaya. Kaca apat ianggap sebagai zat paat amorf, namun sebenarnya cairan lewat ingin engan kekentalan yang sangat tinggi. Bahan ini cukup murah, muah membentuknya, an tahan akan bahan kimia. Kaca tersusun ari tiga komponen, yakni silika, oksia logam alkali, an oksia alkali tanah. Sifat berbagai jenis kaca memiliki kesamaan, yakni keras, kenyal, getas (muah patah), tiak menghantarkan arus listrik, an tahan bahan kimia. Bila ipanaskan kaca berangsur melunak kemuian mencair. Kaca leleh bila iinginkan akan berangsur mengental kemuian mengeras. Kaca tak memiliki titik leleh yang tajam, karena ikatan kimia antar atom berangka an ikatan putus paa suhu an waktu yang berlainan, seperti yang itunjukkan paa gambar (2.3.1). Temperatur penekatan lunak untuk kaca soa lime (termasuk kaca jenela) aalah 700 C (Michael B. Bever, 1986:1951). Gambar. 2.(1) Struktur gelas B 2 O 3. (2) Mekanisme ifusi atom setelah pemanasan Gambar. 2.(1) Struktur gelas B 2 O 3 terapat tata kristalin jangkau penek. Setiap atom boron ikelilingi tiga atom oksigen. (2) Mekanisme ifusi atom setelah pemanasan. Sifat termal kaca, yakni makin renah koefisien muai termalnya, makin mampu kaca itu menghaapi suhu tinggi maupun perubahan suhu secara menaak. Aa kaca yang praktis tak memuai bila ipanasi. Koefisien mulai termal kaca lebih renah aripaa baja. Bila iperlukan penyalutan suatu logam engan kaca, henaknya ipilih kaca yang koefisien muai termal kaca lebih renah ari paa baja. Bila iperlukan penyalutan suatu logam engan kaca, henaknya ipilih kaca yang koefisien muai termal sama engan F-36

7 Prosiing Seminar Nasional Penelitian, Peniikan & Penerapan MIPA, Hotel Sahi Raya Yogyakarta, 8 Februari 2005 koefisien logam tersebut, agar perubahan suhu tiak menimbulkan tegangan paa antarmuka kaca-logam. Daya hantar panas kaca renah, tetapi emisitasnya tinggi (kaca meneruskan raiasi) Kaca jenela, lampu an botol, termasuk kaca Soa lime yang terbuat ari silika (SiO 2 ) 72%, (Na 2 O) 14%, an stabilisator lime (tanah kapur) (CaO) 11%, engan megnesia MgO 2%, an seikit alumina Al 2 O 3 1%. Kaca silika lebur atau kuarsa lebur seniri ari 99,9% silika mempunyai titik leleh o C, koefisien muai renah, tembus raiasi ultranya an inframerah (Hasan Shaily, 1982:1614). METODOLOGI PENELITIAN Alat an Bahan Alat an bahan yang igunakan alam penelitian ini sebagai berikut: a. Alat anneal (Furnice) b. Mistar c. Kaca plan paralel. Set alat untuk mengukur ineks bias: (1) Busur erajat (2) Sumber sinar laser (3) Tempat bahan uji (kaca) (4) Kertas milimeter Desain Alat Ukur Ineks Bias Keterangan: 1. Sumber laser 2. Duukan bena uji 3. Busur erajat 4. Bena uji Gambar 3. Set alat untuk mengukur ineks bias F-37

8 Ei Istiyono Kajian Ineks Bias Teknik Pengumpulan Data Annealing yang ilakukan alam penelitian aa ua macam, yakni annealing isotermal paa temperatur C selama 30, 60, 90, 120, 150, 180, 210, an 240 menit. Annealing isokronal yang ilakukan paa temperatur C, C, C, C, C, an C. Pengujian Ineks Bias Untuk melakukan uji ineks bias ilakukan engan lengkah-langkah sebagai berikut: 1) Menyalakan sinar laser menanai lintasan sinar tersebut setelah keluar ari tempat bahan uji 2) Setelah iperoleh lintasan sinar laser, kemuian mematikan sinar laser. 3) Memasanag kaca plan paralel paa tempat bahan uji alam set alat uji ineks bias 4) Menyalakan sinar laser iarahkan paa permukaan epan kaca an ukur suut atang sinar, usahakan suut atang ) Ukur pergeseran sinar yang masuk kaca engan yang keluar kaca. 6) Ulangi langkah 3) sampai 5) untuk sampel yang waktu an temperatur annealing yang berbea. 7) Ulangi langkah 3) sampai 5) untuk sampel yang waktu an temperatur quenching yang berbea. Teknik Analisis Data atang sinar ( θ Analisis ata paa penelitian ini meliputi: (1) pengukuran: tebal kaca (t), suut ), an pergeseran sinar (); (2) perhitungan: ineks bias kaca (n) engan Persamaan (10); (3) analisis grafik: membaca grafik hubungan antara temperatur annealing engan ineks bias, grafik hubungan antara waktu quenching engan ineks bias, grafik hubungan antara temperatur quenching engan ineks bias, grafik hubungan antara waktu quenching engan ineks bias an (4) analisis numerik: untuk menapatkan hubungan antara temperatur annealing an waktu annealing engan ineks bias serta untuk menapatkan hubungan antara temperatur quenching an waktu quenching engan ineks bias. F-38

9 Prosiing Seminar Nasional Penelitian, Peniikan & Penerapan MIPA, Hotel Sahi Raya Yogyakarta, 8 Februari 2005 HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN Bahan penelitiannya aalah kaca soa lime engan komposisi unsur Silikon Oksia (SiO 2 ) 73%, Boron Oksia (B 2 O 3 ) 1%, Alumina (Al 2 O 3 ) 2%, Kalsium Oksia (CaO) 5%, Magnesium Oksia (MgO) 4%, an Natrium Oksia (Na 2 O) 15%. Masing-masing kaca ikenai proses annealing selama 60 menit, 90 menit, 120 menit, 150 menit, 180 menit, 210 menit, an 240 menit. Temperatur annealing yang ipakai aalah 300 o C, 400 o C, 500 o C, an 600 o C. Hal ini karena kaca soa lime memiliki titik leleh ±700 o C, sehingga ipilih temperatur i bawahnya. Sinar laser yang igunakan engan panjang gelombang aalah 653,72 nm engan suut atang aalah 60 o. Pengaruh Waktu Anil terhaap Ineks Bias Untuk menyeliiki pengaruh waktu anil terhaap ineks bias igunakan temperatur anil 300 C engan waktu anil 30, 60, 90, 120, 150, 180, 210, 240 menit. Sinar laser yang igunakan memiliki panjang gelombang 653,72 nm engan suut atang sinar sebesar 60. Ineks bias kaca sebelum ianil 1,48, hal ini sesuai engan ineks bias kaca kaca silika gabungan 1,458 paa panjang gelombang 589,3 nm an 1,457 paa panjang gelombang 656,3 nm (van Vlack, 1991). Hal ini apat ikatakan relatif menekati kebenaran engan kesesuaian engan teori. Dari Gambar 4 apat iketahui bahwa ineks bias kaca setelah proses anil mengalami kenaikan 13,5 %. Jika iamati selama proses anil, maka semakin tinggi waktu anil semakin renah ineks bianya secara linear. Ineks bias maksimum icapai paa waktu anil 30 menit. Hai ini sesuai engan penapat Eberle (2000), bahwa rentang waktu anil selama 15 menit hingga 60 menit. Proses anil ini apat menghilangkan tegangan sisa paa kaca an untuk menyempurnakan hasil akhir kaca setelah proses pembentukan. Paa fase anil ini harus ijaga besar waktu anilnya agar tiak lebih ari 60 menit, karena bila waktu anil terlalu panjang maka perubahan paa kaca tiak lagi apat ikontrol. Paa saat inilah atom-atom alam kaca saat peninginan apat mengalami efisiensi susunan engan baik. Hal ini imungkinkan karena energi yang imiliki atom untuk melakukan efisiensi susunan atom terlalu besar ari yang ibutuhkan, sehingga saat susunan atom terefisien tercapai, energi alam atom masih tersisa sehingga atom masih terus bergerak an membentuk susunan atom baru engan ruang-ruang berisi gas (bubble) iantaranya, sehingga susunan atom alam kaca setelah proses anil tiak serapat susunan atom paa waktu anil 30 menit. F-39

10 Ei Istiyono Kajian Ineks Bias Kaca sebagai meium tak memiliki titik leleh yang tajam, karena ikatan kimia antar atom berangka an ikatan putus paa suhu yang berlainan. Ikatan kimia antar atom berkaitan engan rapat optis kaca soa lime. Semakin besar rapat optisnya maka ineks biasnya semakin besar (Sulastimi, 1999:21). Demikian halnya ineks bias paa kaca soa lime, semakin lama waktu quenching akan menyebabkan ikatan antar atom alam kaca soa lime putus (rapat optis semakin kecil) sehingga ineks biasnya akan semakin kecil. Titik terbawah untuk grafik pertambahan nilai ineks bias aalah paa waktu anil 240 menit. Paa waktu anil ini, nilai ineks bias kaca menurun sebesar 6,1 % ari nilai ineks bias kaca sebelum mengalami proses anil. Nilai ineks bias kaca ini menunjukkan bahwa susunan atom alam kaca setelah proses anil yang cukup lama mengalami efisiensi atau komposisi gas (bubble) alam kaca semakin besar. Hal ini ikarenakan proses pemanasan yang cukup lama melebihi batas waktu yang ibutuhkan untuk efisiensi susunan atom (15~60 menit), sehingga saat temperatur peninginan kaca sampai paa suhu yang kaca tiak lagi berubah susunan atomnya, susunan atom tersebut seang alam konisi tiak efisien atau susunannya kurang rapat. Teori mengenai efisiensi susunan atom ini iungkapkan oleh Fraser (2000: 13-19). Fraser melakukan penelitian engan kaca yang kanungan lime atau kapurnya iatas 15 % serta tambahan zirconia, zircon an magnesia. Ineks bias Waktu anil (menit) Gambar 4. Grafik hubungan waktu anil engan ineks bias F-40

11 Prosiing Seminar Nasional Penelitian, Peniikan & Penerapan MIPA, Hotel Sahi Raya Yogyakarta, 8 Februari 2005 Pengaruh Temperatur Anil terhaap Ineks Bias Penelitian paa pengaruh temperatur anil terhaap ineks bias sampel ianil paa temperatur 100 o C, 200 o C, 300 o C, 400 o C, 500 o C, an 600 o C yang itahan paa waktu anil 30 menit. Setelah mengalami proses annealing kaca mengalami perubahan ineks bias kaca. Paa suhu anil 100 C ineks bias kaca masih sama engan sebelum proses annealing. Ini berarti bahwa paa suhu 100 C struktur bahan kaca belum mengalami perubahan. Suhu anil mulai 200 C ineks bias kaca mulai naik. Hal ini isebabkan aanya perubahan struktur bahan kaca. Terlihat bahwa untuk setiap kenaikan temperatur annealing maka nilai ineks bias kaca akan mengalami kenaikan. Berasarkan analisis ata, maka tren grafik hubungan antara temperatur annealing engan ineks bias aalah berbaning secara linear. Hal ini menunjukkan bahwa variabel temperatur annealing (T) memberi pengaruh yang signifikan terhaap ineks bias kaca (n) engan pola linear. Secara fisis apat ijelaskan bahwa perubahan temperatur anil menyebabkan kenaikan ineks bias kaca. Ini berarti bahwa kaca yang mempunyai struktur bahan mengalami perubahan paa saat proses pemanasan berlangsung, paa proses peninginan kaca tiak mampu untuk membentuk struktur bahan seperti semula. Hal ini yang menyebabkan ineks bias kaca soalime berubah. Kenaikan nilai ineks bias ini memperlihatkan bahwa proses annealing menyebabkan perubahan struktur bahan paa kaca. Semakin besar temperatur annealing maka semakin besar pula ineks biasnya. Kenaikan ineks bias mencapai 9,5 % sampai temperatur anil 600 o C Ineks bias Temperatur anil ( o C) Gambar 5. Grafik hubungan temperatur anil engan ineks bias F-41

12 Ei Istiyono Kajian Ineks Bias SIMPULAN DAN SARAN Simpulan Berasarkan paa analisis ata serta pembahasan an tentang pengaruh temperatur anil terhaap ineks bias kaca Soalime, iperoleh kesimpulan sebagai berikut: 1. Kenaikan waktu anil menyebabkan terjainya kenaikan ineks bias kaca secara linear 2. Kenaikan temperatur anil menyebabkan terjainya penurunan ineks bias kaca secara kuaratik Saran Untuk mengembangkan pengetahuan tentang sifat optis kaca, perlu ilakukan penelitian tentang pengaruh quenching terhaap ineks bias kaca, koefisen transmitans an reflektans. DAFTAR PUSTAKA Callister, WD,Jr Materials Science an Engineering, secon eition, New York: John Wiley & Sons. Guenter, R.D Moern Optics. New York: John Wiley & Sons. Halliay, D an Resnick, R Fisika Jili 1I (Terjemahan oleh: Pantur Silaban an ErwinSucipto). Jakarta: Penerbit Erlangga. Ohring, M The Materials Science of Thin Films. Lonon: Acaemic Press. Smith, W.F Principles of Materials Sciences an Engineering (secon eition). New York: McGraw-Hill Int. Vlack, V Ilmu an Teknologi Bahan (Trans: Sriati Djuprie). Jakarta: Penerbit Erlangga Ei Istiyono, Kajian Sifat Mekanik Bahan Yang Mengalami Proses Anilisasi (Laporan Penelitian). Yogyakarta: FMIPA UNY. F-42