PENGARUH SUHU TERHADAP KARAKTERISTIK PROTEKSI KOROSI BAHAN POLI(TMSPMA) PADA PERMUKAAN BAJA KARBON

Transkripsi

1 Proseding Seminar Nasional Fisika dan Aplikasinya Sabtu, 19 November 2016 Bale Sawala Kampus Universitas Padjadjaran, Jatinangor PENGARUH SUHU TERHADAP KARAKTERISTIK PROTEKSI KOROSI BAHAN POLI(TMSPMA) PADA PERMUKAAN BAJA KARBON DESY NUR ROCHMAH *, FARIED LATIEF, TUTI SUSILAWATI, NORMAN SYAKIR, FITRILAWATI* Prodi Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Padjadjaran Jl. Raya Bandung-Sumedang Km 21, Jatinangor Abstrak. Dalam upaya untuk memperlambat proses korosi pada bahan baja karbon, dilakukan penelitian pembuatan bahan proteksi korosi menggunakan polimer hibrid poli(3-(trimetoksisilil)propil metakrilat) (poli(tmspma). Bentuk prekursor dari bahan proteksi korosi tersebut dibuat dari monomer 3-(Trimetoksisilil)propil metakrilat (TMSPMA) yang dilarutkan dalam etanol, kemudian dikenakan reaksi sol-gel pada suhu 50 ºC dengan bantuan akuades. Prekursor Poli(TMSPMA) tersebut selanjutnya dilapiskan pada permukaan baja karbon dengan teknik solution casting, kemudian dilanjutkan dengan fotopolimerisasi. Karakterisasi proteksi korosi dari bahan tersebut dilakukan dalam 3,5% NaCl dengan menggunakan Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS). Untuk melihat pengaruh suhu terhadap sifat proteksinya, pengukuran dilakukan pada beberapa variasi suhu, yaitu 25ºC, 45ºC, 60ºC, dan 75ºC. Hasil pengukuran dinyatakan dalam kurva Nyquist dan Bode. Pengaruh suhu terhadap karakteristik proteksi dinyatakan dalam parameter impedansi yang didapat dari hasil fitting kurva Nyquist dengan menggunakan rangkaian ekuivalen yang sesuai. Kata kunci : Polimer hibrid, poli(tmspma), proteksi korosi, sol-gel, EIS Abstract. An effort to reduce a corrosion process on the carbon steel, it has been conducted a research to synthesize a corrosion protection material using a hybrid polymer of poly(3-(trimethoxysilyl) propyl methacrylate) (poly(tmspma)). Form of precursors from corrosion protection material was made from monomerof (3- (Trimethoxysilyl) propyl methacrylate) (TMSPMA) which soluted in ethanol and use sol-gel reaction at temperature of 50ºC with distilled water. Precursors of poly(tmspma) then was coated on carbon steel surface by solution casting technique, followed by fotopolymerization. The characterization of corrosion protection have done using Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS). To see the impact of temperature to corrosion properties, the measurement do in variation temperature, 25ºC, 45ºC, 60ºC, and 75ºC. Result of the measurement is showed in Nyquist dan Bode curves. Impact of temperature to the characterization protection presented in impedance parameters from fitting of Nyquist curve with using equivalent circuit appropriately. Keywords : Hybrid polymer, poly(tmspma), corrosion protection, sol-gel, EIS 1. Pendahuluan Korosi merupakan kerusakan yang terjadi pada material logam akibat berinteraksi dengan lingkungan agresif sehingga mengakibatkan degradasi kekuatan fisik, mekanik, dan tampilan dari logam tersebut. Korosi merupakan salah satu permasalahan yang dihadapi oleh industri, misalnya korosi yang terjadi pada * fitrilawati@phys.unpad.ac.id Kode Artikel: FM-03 ISSN:

2 Desy Nur Rochmah dkk. pipa-pipa penyalur minyak dan gas yang mengakibatkan kerugian proses produksi, baik pada kinerja maupun pada ongkos produksi. Korosi yang disebabkan oleh garam klorida adalah masalah utama pada pertambangan minyak dan gas alam. Proses korosi sangat sulit dihindari, tetapi dapat dikurangi. Laju korosi dapat dikendalikan dengan cara pencegahan. Metode pencegahan korosi dapat berupa pemilihan material yang anti korosi dan pemberian lapisan pelindung (coating). Industri dapat menggunakan baja anti-karat sebagai bahan baku pembuatan pipa agar dapat mengatasi masalah korosi, namun hal ini membutuhkan biaya besar. Tindakan lain yang dapat dilakukan dalam mengurangi efek korosi adalah dengan pelapisan. Proteksi korosi dengan pelapisan merupakan metode proteksi yang telah terbukti dapat mengurangi efek korosi [1]. Pelapisan (coating) pada logam telah digunakan secara luas untuk memberikan perlindungan dan pencegahan korosi pada permukaan logam. Bahan pelapis yang digunakan harus memiliki beberapa sifat, seperti kekuatan mekanik dan hidrofobik [2]. Salah satu jenis bahan yang sedang dikembangkan sebagai bahan pelapis korosi adalah polimer hibrid. Polimer hibrid menggabungkan sifat unggul antara bahan organik dan anorganik. Umumnya, polimer hibrid memiliki sifat adhesi yang sangat baik untuk berbagai logam. Beberapa literatur telah melaporkan penggunaan polimer hibrid organik-anorganik sebagai pelapis untuk melindungi baja dan logam lainnya dari serangan korosi [3]. Pada penelitian ini telah dilakukan penelitian proteksi korosi dari polimer hibrid sebagai bahan coating menggunakan monomer 3-(Trimetoksisilil)propil metakrilat (TMSPMA) dengan menggunakan metode EIS (Electrochemical Impedance Spectroscopy). Pengukuran ketahanan terhadap korosi dilakukan dengan metode EIS dalam larutan 3,5% NaCl pada beberapa variasi suhu, yaitu 25ºC, 45ºC, 60ºC, dan 75ºC. 2. Metode Penelitian a. Sintesis Polimer Hibrid Poli(TMSPMA) Pembuatan prekursor polimer hibrid poli(tmspma) dilakukan dengan menggunakan metode sol gel. Proses tersebut diawali dengan pelarutan monomer TMSPMA dengan pelarut etanol. Kemudian ditambahkan akuades yang berfungsi sebagai agen hidrolisis. Perbandingan volume antara monomer yang digunakan dengan pelarut etanol dan air adalah 1 : 4 : 8 (monomer : etanol : akuades) [5]. Perbandingan ini digunakan karena menghasilkan yield gel yang paling maksimum, yaitu 89,6%. Kemudian campuran tersebut diaduk agar dihasilkan larutan yang homogen. Untuk mempercepat reaksi, ditambahkan katalis HCl 0,1N sebanyak ± 1% dari volume akuades yang digunakan. Setelah itu, campuran tersebut terus diaduk pada suhu 50 ºC hingga terbentuk gel yang bening. Untuk mendapatkan gel yang murni, diperlukan purifikasi. Proses purifikasi bertujuan untuk membuang sisa-sisa zat yang tidak bereaksi, seperti sisa HCl, etanol, dan monomer. Langkah yang dilakukan adalah dengan melarutkan gel 181

3 Pengaruh Suhu terhadap Karakteristik Proteksi Korosi Bahan Poli(TMSPMA)... yang dihasilkan dengan kloroform, kemudian ditambahkan akuades dan diaduk. Selanjutnya, campuran tersebut diendapkan hingga terbentuk larutan dua fasa yang terdiri dari fasa air dan fasa gel. Setelah itu, dilakukan pengecekan ph pada larutan yang berupa fasa air. Jika ph larutan fasa air sudah mendekati ph akuades (6 7), maka larutan gel dianggap sudah murni, dan larutan dipisahkan dari larutan fasa air untuk kembali dikentalkan. Namun jika ph larutan fasa air belum mendekati ph fasa akuades (< ph akuades), maka setelah larutan fasa gel dipisahkan dengan larutan fasa air, ke dalam larutan fasa gel ditambahkan kembali akuades, dan hal ini diulang sampai ph larutan fasa air mendekati ph akuades,. b. Uji EIS Bahan baja karbon yang digunakan adalah baja karbon API 5L X65, yang merupakan baja tipe medium carbon steel API 5L X65. Sampel baja karbon dipotong dan dibersihkan, dilapisi dengan bahan proteksi yang dibuat, lalu dijadikan elektroda kerja dalam proses pengujian. Baja karbon dipotong berbentuk segi empat dengan ukuran 1 cm x 1 cm. Baja karbon tersebut digabungkan dengan holder yang sesuai dengan sel elektrokimia yang digunakan. Salah satu sisi baja disolder dengan kawat tembaga, kemudian dilem dan disatukan menggunakan resin epoksi pada holder yang dibuat yang diperlihatkan pada Gambar 1. Gambar 1. Elektroda kerja baja karbon API 5L X65 Sebelum dilapiskan dengan bahan proteksi, permukaan baja karbon dihaluskan dengan amplas silikon karbida dengan berbagai grade. Amplas yang digunakan adalah amplas kasar, kemudian dilanjutkan dengan amplas yang lebih halus, sehingga diperoleh permukaan baja yang halus dan bersih. Setelah permukaannya halus, baja karbon dibersihkan dengan teepol, dibilas dengan air, kemudian dibilas dengan etanol dan aseton. Sampel kemudian dikeringkan dan disimpan dalam desikator. Bahan pelapis yang digunakan dicampurkan terlebih dahulu dengan inisiator, lalu diteteskan pada sampel baja karbon hingga merata. Sampel yang telah terlapisi bahan coating, kemudian diberi perlakuan pre bake selama 10 menit diatas hot plate agar pelarut menguap. Selanjutnya dilakukan fotopolimerisasi di bawah sinar UV selama 10 menit. Sampel kemudian diberi perlakuan post bake selama 20 menit. Penyiapan sampel diperlihatkan pada Gambar

4 Desy Nur Rochmah dkk. Prekursor poli(tmspma) Dilarutkan dalam etanol Ditambahkan inisiator Baja karbon Dilapiskan pada baja karbon Jejaring organik Film tipis poli(tmspma) - Pre bake - Disinari UV - Post bake Baja karbon yang diproteksi polimer hibrid Gambar 2. Skema penyiapan sampel baja karbon untuk uji korosi Sel elektrokimia terbuat dari gelas kimia dengan volume 250 ml dan 600 ml. Gelas kimia yang berukuran kecil diletakkan di bagian dalam sebagai tempat larutan, sedangkan gelas kimia berukuran besar diletakkan di bagian luar. Ruang antar gelas kimia tersebut digunakan untuk sirkulasi air yang berfungsi sebagai termostat untuk pengaturan suhu. Penutup sel dibuat dari teflon dengan tiga buah lubang, masing-masing untuk elektroda kerja (working electrode) yang merupakan baja karbon API 5L X65, platina sebagai elektroda pembantu (auxiliary electrode), dan kalomel sebagai elektroda pembanding (reference electrode), seperti pada skema dalam Gambar 3. Pada bagian samping gelas dipasang pipa konektor kaca yang berfungsi untuk memasukkan air ke dalam ruang antar gelas dan dihubungkan dengan termostat. Larutan uji yang digunakan adalah larutan elektrolit 3,5% NaCl yang dibuat dengan melarutkan 3,5 gram NaCl ke dalam 100 ml H 2 O (ASTM G 44-75). Sel elektrokimia yang dipergunakan diperlihatkan pada Gambar

5 Pengaruh Suhu terhadap Karakteristik Proteksi Korosi Bahan Poli(TMSPMA)... Counter electrode Reference electrode Larutan elektrolit Gambar 3. Sel elektrokimia yang digunakan untuk pengujian korosi Working electrode Pada bagian samping sel terdapat dua buah pipa untuk meletakkan elektroda kerja dan elektroda bantu yang dipasang berhadapan dengan jarak ±1 cm, sedangkan elektroda pembanding dipasang di bagian atas sel. Ketiga elektroda terhubung pada potensiostat oleh kabel. Sel elektrokimia yang telah dirangkai, diletakkan di atas magnetic stirrer dan dihubungkan ke sebuah waterbath dan sebuah komputer yang sudah dipasang software Gamry Ref Uji korosi dilakukan dengan metode EIS dengan rentang frekuensi dari 0,1 Hertz hingga 1 MHz dan tegangan AC yang digunakan adalah 10 mv. Pengujian dilakukan pada beberapa variasi, yaitu 25ºC, 45ºC, 60ºC, dan 75ºC. 3. Hasil dan Pembahasan Prekursor polimer hibrid TMSPMA yang dibuat berbentuk gel kental yang transparan. Terbentuknya gel yang kental tersebut menunjukkan bahwa bagian anorganik polimer hibrid telah terpolimerisasi. Jumlah prekursor polimer hibrid dapat dinyatakan dalam yield, yaitu perbandingan massa prekursor polimer hibrid dengan massa monomer. Prekursor polimer hibrid TMSPMA yang dibuat memberikan yield sebesar 72,4% dari 3 ml monomer yang disintesis. Hal ini mengindikasikan bahwa sekitar 72,4% monomer TMSPMA telah bereaksi membentuk polimer. Uji korosi dilakukan dengan metode EIS menggunakan frekuensi dengan rentang dari 0,1 Hertz hingga 1 MHz di dalam larutan 3,5% NaCl. Pengujian dilakukan pada beberapa variasi suhu larutan media korosif, yaitu 25ºC, 45ºC, 60ºC, dan 75ºC. Hasil pengukuran dengan metode EIS ditunjukkan dengan terbentuknya kurva Nyquist dan Bode. Kurva Nyquist menampilkan impedansi bagian imajiner dan bagian riil, bagian riil diplot pada sumbu-x dan bagian imajiner diplot pada 184

6 Desy Nur Rochmah dkk. sumbu-y. Kurva Bode terdiri dari kurva Bode dan Bode fase. Kurva Bode menggambarkan impedansi total terhadap frekuensi dan kurva Bode fase yang menggambarkan fasa terhadap frekuensi. Sebelum dilakukan pengukuran laju korosi, terlebih dahulu dilakukan pemantapan interaksi antarmuka baja karbon dengan mengamati open circuit potential (OCP). Ketika elektroda dicelupkan ke dalam larutan akan terjadi interaksi antara permukaan elektroda dan larutan. Interaksi tersebut akan mencapai keadaan mantap (steady state) dalam kurun waktu tertentu dan merupakan daerah potensial baja karbon Untuk mempermudah analisis terhadap data eksperimen yang diperoleh, maka perlu dilakukan fitting pada kurva Nyquist menggunakan rangkaian ekivalen pada fitting modelling yang terdapat pada software Gamry Echem Analyst yang terintegrasi dengan peralatan Gamry Reference Dalam hal ini, rangkaian ekivalen yang digunakan untuk fitting data diperlihatkan dalam Gambar 4. Parameter elektrokimia yang digunakan adalah resistor dan CPE (Constant Phase Element). R1 merepresentasikan tahanan larutan. R2 dan R3 mensimulasikan tahanan polarisasi pada logam. Adapun CPE adalah komponen yang berperan sebagai kapasitor dalam rangkaian ini. Gambar 4. Rangkaian ekivalen Gambar 5. memperlihatkan hasil fitting dari kurva Nyquist. Kurva Nyquist menunjukkan adanya capasitive loop, yaitu adanya transfer muatan. Hanya saja, kurva yang diperoleh tidak sempurna membentuk semi-circle sehingga digunakan komponen CPE. Penggunaan CPE menunjukkan permukaan baja karbon yang dilapisi material proteksi korosi tidak rata sehingga menyebabkan kapasitas double layer muncul sebagai CPE. 185

7 Pengaruh Suhu terhadap Karakteristik Proteksi Korosi Bahan Poli(TMSPMA)... (a) (b) Gambar 5. (a) Hasil fitting kurva Nyquist, (b) zoom out dari kurva Nyquist sampel baja karbon yang dilapisi poli(tmspma) Kurva Bode memperlihatkan pada frekuensi rendah, nilai impedansinya semakin tinggi hal ini menunjukkan kepasifan permukaan baja karbon yang telah dilapisi material proteksi korosi, yakni poli(tmspma), seperti yang dipresentasikan dalam Gambar 6. (a) (b) Gambar 6. (a) Hasil fitting kurva Bode dan (b) Hasil fitting kurva Bode fase dari sampel baja karbon yang dilapisi poli(tmspma) Kurva Nyquist dan kurva Bode yang diperoleh keduanya sama-sama menunjukkan adanya penurunan nilai impedansi baja karbon yang dilapisi polimer hibrid poli(tmspma) dalam larutan 3,5% NaCl seiring dengan bertambahnya suhu larutan NaCl. Hal ini menunjukkan adanya transfer muatan di dalam sistem yang berkaitan dengan perpindahan elektron. Semakin cepat elektron berpindah maka tahanan akan semakin kecil dan laju korosi meningkat. Sesuai dengan data yang tertera pada Tabel 1, diperlihatkan bahwa resistansi baja karbon yang diproteksi poli(tmspma) pada suhu 25 C memiliki nilai yang paling besar dibandingkan dengan resistansi pada baja karbon yang dilapisi material proteksi pada suhu 45 C, 60 C, dan 75 C. Ini menunjukkan bahwa pada suhu yang tinggi mempercepat transfer muatan sehingga memudahkan untuk 186

8 Desy Nur Rochmah dkk. mempercepat korosi baja karbon pertama-tama dengan merusak lapisan pelindung dari polimer hibrid. Tabel 1. Data parameter dari rangkaian ekivalen hasil fitting pengukuran impedansi baja karbon yang dilapisi poli(tmspma) dalam 3,5% NaCl berbagai suhu Parameter Suhu Larutan 3,5% NaCl Elektrokimia T = 25 C T = 45 C T = 60 C T = 75 C OCP (V) -0, , , , R 1 fitting (ohm) 756,7 585,5 307,3 10 R 2 fitting (ohm) ,173 x ,987 x ,4 R 3 fitting (ohm) Yo4 (S*s^a) 7,54 x ,2 x ,086 x ,818 x 10-9 a5 0,9007 0,767 0,984 1 Yo6 (S*s^a) 7,86 x ,748 x ,39 x ,84 x 10-6 a7 0,5002 0,5448 0,5134 1,055 x 10-3 Nilai kapasitansi juga dapat menunjukkan kualitas proteksi suatau bahan. Semakin kecil nilai kapasitansi maka semakin baik proteksi yang diberikan. Dari Tabel 1 terlihat bahwa baja karbon yang dilapisi polimer hibrid dalam larutan NaCl pada suhu 45 C memiliki nilai kapasitansi yang lebih kecil dibandingkan dengan pada suhu 25 C. Ini menunjukkan bahwa adanya perubahan nilai impedansi pada permukaan baja karbon untuk menahan dari media korosif yang mengalami peningkatan suhu. Hal ini dapat dijelaskan pula dari Gambar 4 dan 5 adanya perubahan yang signifikan yakni penurunan nilai impedansi seiring kenaikan suhu larutan. 4. Kesimpulan Berdasarkan peenelitian yang telah dilakukan, terlihat adanya pengaruh suhu terhadap sifat proteksi bahan poli(tmspma) pada permukaan baja karbon dengan metode Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) pada beberapa variasi suhu, yaitu 25ºC, 45ºC, 60ºC, dan 75ºC. Dari hasil fitting yang dilakukan terhadap hasil pengukuran EIS diperoleh keterangan bahwa terdapat penurunan nilai impedansi sering kenaikan suhu yang memperlihatkan bahwa resistansi material proteksi korosi dalam kondisi kritis untuk melindungi baja karbon menurun. Ucapan terima kasih Penelitian ini didanai oleh Hibah Pengembangan Kapasitas Riset Dosen Universitas Padjadjaran No. 1094/ UN6.3.1/PL/

9 Daftar Pustaka Pengaruh Suhu terhadap Karakteristik Proteksi Korosi Bahan Poli(TMSPMA) Zaki Ahmad. Principles of Corrosion Engineering and Corrosion Control. Oxford, UK: Elsevier Linarce House. (2006). 2. T. P. Chou, Chandrasekaran, C., Limmer., S. J.,Seraji, S., Wu, Y, Forbess, M. J., Nguyen, C., & Cao, G. Z. Organic-inorganic Hybrid Coatings for Corrosion Protection. Journal of Non-Crystalline Solids. (2001) 290: Husna Amalya Melati Proteksi Baja Karbon pada Lingkungan Garam dengan Menggunakan Polimer Hibrid Anorganik-Organik. Tesis Magister. UNPAD. (2011). 4. Pina Pitriana. Pembuatan dan Karakterisasi Polimer Hibrid Poli(Trimetoksisilil Propil Metakrilat). Jurnal Material dan Energi Indonesia. Jurusan Fisika FMIPA Universitas Padjadjaran. Vol. 01, No. 03 (2011)