PENGARUH AKTIVASI MEKANIK TERHADAP PEMBENTUKAN FASA MgTiO 3 DAN MgTi 2 O 5

Transkripsi

1 PENGARUH AKTIVASI MEKANIK TERHADAP PEMBENTUKAN FASA MgTiO 3 DAN MgTi 2 O 5 Puji Astutik 1), Luluk I. Hariyani 2, Malik A. Baqiya 3) Suminar Pratapa 4) Jurusan Fisika FMIPA ITS, Surabaya, Indonesia Jl. Arif Rahman Hakim, Surabaya * puji09@mhs.physics.its.ac.id Telah dilakukan sintesis MgTiO 3 dengan metode solid state reaction. Bahan dasar yang digunakan adalah MgO dan TiO 2 (Merck). MgO mudah bereaksi dengan H 2 O, sehingga dikalsinasi terlebih dahulu pada 600 o C selama setengah jam untuk menghilangkan kandungan H 2 O yang terdapat didalamnya. MgO, TiO 2 dan aquades dicampur pada Planetary Ball Mill Pulverissete 5 (Fritsch) di giling dengan bola alumina (Al 2 O 3 ). Untuk mengetahui pengaruh aktivasi mekanik terhadap pembentukan fasa MgTiO 3 dan MgTi 2 O 5, dilakukan variasi waktu penggilingan, yaitu 10, 14 dan 18 jam dengan kecepatan 50 rpm (MT10, MT14 dan MT18) dan variasi kecepatan penggilingan, yaitu 100 dan 150 rpm pada MT18 (MT dan MT18-150). Sampel hasil aktivasi mekanik dikeringkan pada temperatur 90 o C selama 6 jam kemudian dikalsinasi pada temperatur 1100 o C selama 1 jam. Untuk mengetahui jenis dan komposisi fasa, dilakukan pengujian difraksi sinar-x. Hasil difraksi sinar-x dianalisis dengan metode Rietveld menggunakan Software Rietica. Identifikasi fasa menunjukkan bahwa pada semua sampel terbentuk fasa MgTiO 3,MgTi 2 O 5 dan MgO. Dari perhitungan fraksi berat pada sampel MT10 fasa MgTiO 3 yang terbentuk adalah 83,3%Pada sampel MT14 persentase berat MgTiO 3 meningkat menjadi 85,2%Persentase berat MgTiO 3 terbesar diperoleh pada sampel MT18, yaitu 92,1%Pada sampel MT dan MT menunjukkan persentase berat MgTi 2 O 5 meningkat dari 30,1%pada MT menjadi 75,5% pada MT Persentase berat MgTiO 3 meningkat dengan bertambahnya waktu penggilingan, sedangkan persentase berat MgTi 2 O 5 meningkat dengan meningkatnya kecepatan penggilingan. Hal ini menunjukkan bahwa aktivasi mekanik mempengaruhi pembentukan fasa MgTiO 3 dan fasa MgTi 2 O 5. Kata kunci: Aktivasi Mekanik, Fasa, MgTiO 3, MgTi 2 O 5, Metode Rietveld, Software Rietica. PENDAHULUAN Perkembangan sistem komunikasi dan mobile memerlukan material dielektrik yang dapat digunakan pada frekuensi microwave sebagai resonator, osilator, peralatan GPS (Global Positioning System) dan telepon selular. Salah satu material yang digunakan adalah Magnesium Titanante. Magnesium Titanate memiliki 3 fasa stabil, yaitu MgTiO 3, MgTi 2 O 5 dan Mg 2 TiO 4 [1]. MgTiO 3 memiliki struktur ilmenit, MgTi 2 O 5 memiliki struktur pseudobrookite, sedangkan Mg 2 TiO 4 memiliki struktur kristal inverse spinel. MgTiO 3 adalah salah satu material keramik dielektrik yang banyak dimanfaatkan untuk miniaturisasi sirkuit microwave karena memiliki konstanta dielektrik yang tinggi, nilai koefisien temperatur (τ f ) yang rendah dan nilai faktor quality (Q f ) yang tinggi [1].

2 Pemanfaatan MgTiO 3 dalam berbagai bidang mendorong beberapa peneliti melakukan sintesis MgTiO 3 dengan berbagai metode, diantaranya dengan metode kopresipitasi [2], dengan metode sol-gel [3], metode peroxide route [4], metode solid state reaction [5] dan dengan metode mechano-chemical complexation routes [6]. Dari penelitian-penelitian tentang sintesis MgTiO 3 diketahui bahwa permasalahan utama dalam sintesis MgTiO 3 adalah tingginya temperatur sinter dan munculnya fasa MgTi 2 O 5 pada akhir produk [7]. Sintesis MgTiO 3 dengan metode solid state reaction terjadi pada temperatur yang tinggi sekitar 1400 o C [8]. Beberapa penelitian menunjukkan bahwa aktivasi mekanik dapat mempermudah atau mempercepat reaksi solid-state yang biasanya terjadi pada temperatur tinggi atau tekanan tinggi [9]. Pada penelitian ini sintesis MgTiO 3 dilakukan dengan metode solid state reaction, yaitu MgO dan TiO 2 dengan perhitungan melebihkan stoikiometri MgO untuk menghindari munculnya fasa TiO 2 pada sampel [5]. Sintesis yang dilakukan menggunakan perbandingan mol MgO dan TiO :1 dengan variasi waktu penggilingan 10, 14 dan 18 jam pada planetary ball mill. Dengan memvariasikan waktu serta kecepatan penggilingan diharapkan akan menghasilkan MgTiO 3 murni pada temperatur yang rendah. Data Difraksi dianalisis secara kualitatif maupun kuantitatif menggunakan metode Rietveld dari data difraksi sinar-x. Analisis Rietveld dilakukan menggunakan software non komersial Rietica. METODE EKSPERIMEN Bahan dasar yang digunakan pada penelitian ini adalah MgO dan TiO 2 anatase (99%, Merck). Karena MgO mudah bereaksi dengan H 2 O yang ada di udara, maka sebelum direaksikan dengan TiO 2 terlebih dahulu dikalsinasi pada 600 o C selama 30 menit. MgO hasil kalsinasi dan TiO 2 digiling menggunakan bola Alumina pada Planetary Ball Mill dengan perbandingan masa bola dengan bahan adalah 20:1. Untuk mengetahui pengaruh aktivasi mekanik terhadap pembentukan fasa MgTiO 3 dilakukan dengan cara memvariasikan lamanya penggilingan, yaitu 10,14 dan 18 jam dengan kecepatan putaran 50 rpm (MT10, MT14 dan MT18). Sampel yang telah di giling, dikeringkan pada 90 o C dengan waktu 4 jam selanjutnya di kalsinasi pada temperatur 1100 o C selama 1 jam. Sampel MT18 juga di buat dengan memvariasikan kecepatan penggilingan 100 dan 150 rpm (MT dan MT18-150). Sampel yang telah dikalsinasi, diuji XRD untuk mengetahui struktur kristal dan komposisi fasa dan selanjutnya dianalisis dengan metode Rietveld menggunakan Software Rietica.

3 Cou n t (%) Seminar Nasional Fisika 2011 ISSN HASIL dan PEMBAHASAN Hasil uji Difraksi Sinar-X a. Pola Difraksi sampel MT10, MT14 dan MT Setelah proses kalsinasi, untuk mengetahui jenis fasa yang terdapat dalam sampel setelah proses kalsinasi pada temperatur 1100 o C, dilakukan pengukuran data difraksi sinar-x. Fasa yang terbentuk diidentifikasi dengan menggunakan software X Pert Graphics dan Identify yang telah tersedia (Philips, 2000). Pola difraksi Sinar-X pada sampel MT10, MT14 dan MT18 ditunjukkan pada Gambar M T M T M T The ta (º) Gambar 1 Pola Difraksi Sinar-X Cu-K α ( = Å) Sampel MT10, MT14 dan MT18 Dari gambar pola difraksi diatas diketahui bahwa pada semua sampel hasil aktivasi mekanik (variasi waktu penggilingan), MT10, MT14 dan MT18, jenis fasa yang muncul adalah MgTiO 3 (nomor PDF ), MgTi 2 O 5 (nomor PDF ) dan MgO (nomor PDF ). Fasa MgTiO 3 muncul di sekitar sudut 2 = 19,1º; 21,2º; 24.0º; 32,8º; 35,4º; 40,6º; 49,1º; 53,6º; 62,1ºdan 63,7º. Fasa MgTi 2 O 5 pada sampel MT10, MT14 muncul pada sudut 2 = 17,7º ; 18,2º; 25.4º; 32.5º; 46.1º; 48.6º; 59.7º; 60.3º, dan pada MT18 ada beberapa puncak yang tidak muncul, yaitu pada sudut 2 = 17,7º; 32,5º; 46,1º; 59,7º; 60,3º. Fasa MgO pada sampel MT10 muncul pada sudut 2 = 42.9º dan 62.3º, pada sampel MT14 muncul di sekitar sudut 2 = 62,3º dan pada sampel MT18 di sekitar sudut 2 =36.9º ; 43,0º dan 62,3º. Dari gambar pola difraksi diatas diketahui bahwa fasa MgTiO 3 memiliki intensitas puncak tertinggi dibanding fasa-fasa lainnya. Intensitas fasa MgTiO 3 semakin meningkat dengan meningkatnya waktu penggilingan. Hal ini di tandai dengan semakin tingginya puncak-puncak

4 in te n s ita s (c o u nts /s ) Seminar Nasional Fisika 2011 ISSN MgTiO 3 pada MT14 dan MT18 jika dibandingkan dengan MT10. Sebaliknya, fasa MgTi 2 O 5 semakin berkurang seiring bertambahnya waktu penggilingan yang di tandai dengan intensitas tinggi puncak yang semakin berkurang dan tidak munculnya beberapa puncak fasa MgTi 2 O 5 pada sampel MT18. Perubahan komposisi fasa ini menunjukkan bahwa aktivasi mekanik (lamanya waktu penggilingan) mempengaruhi pembentukan fasa MgTiO 3 dan MgTi 2 O 5 yang secara kuantitatif akan ditunjukkan pada pembahasan berikutnya. b. Pola difraksi sampel MT18, MT dan MT Gambar 2 menunjukkan pola difraksi dari sampel hasil aktivasi mekanik (variasi kecepatan penggilingan), MT18, MT dan MT Dari identifikasi fasa dengan software X Pert Graphics dan Identify yang telah tersedia (Philips, 2000), diketahui bahwa jenis fasa yang terdapat pada sampel MT18, MT dan MT adalah.adalah MgTiO 3, MgTi 2 O 5 dan MgO MT18_ MT18_ M T Th e ta (º) Gambar 2 Pola Difraksi Sinar-X CuK ( = Å) Pada sampel MT18, MT dan MT Pada sampel MT18 Fasa MgTiO 3 muncul di sekitar sudut 2 = 19,1º; 21,2º; 24,0º; 32,8º; 35,4º; 40,6º; 49,1º; 53,6º; 62,1ºdan 63,7º dan mulai berkurang intensitasnya pada MT dan MT yang ditandai dengan berkurangnya tinggi puncak. Sebaliknya, Fasa MgTi 2 O 5 pada sampel MT18 muncul di sekitar sudut 2 = 32,5º; 46,1º dan 48,6º. Intensitas Fasa MgTi 2 O 5 semakin bertambah dengan bertambahnya kecepatan penggilingan yang ditandai dengan tinggi puncak difraksi dan juga dengan munculnya beberapa puncak pada sampel MT dan MT18-

5 150 yang muncul di sekitar sudut 2 = 17,7º ; 18,2º; 25,4º; 59,7º; 60,3º. Perubahan komposisi fasa ini menunjukkan bahwa aktivasi mekanik (kecepatan penggilingan) mempengaruhi pembentukan fasa MgTi 2 O 5 dan MgTiO 3 yang secara kuantitatif akan ditunjukkan pada pembahasan selanjutnya.2. ANALISIS KOMPOSISI FASA DENGAN SOFTWARE RIETICA a. Hasil Keluaran Penghalusan Metode Rietveld dengan Software Rietica Data hasil uji XRD selanjutnya dianalisis dengan metode Rietveld dengan software Rietica untuk mengetahui komposisi fassa yang ada pada sampel [10]. Hasil penghalusan dengan perangkat tersebut dapat dinyatakan acceptable jika nilai-nilai kesesuaian parameter R wp dan R p kurang dari 20% dan nilai GoF (goodness-of-fit) kurang dari 4% [11]. Hasil keluaran Penghalusan metode Rietveld dengan Rietica semua sampel hasil aktivasi mekanik ditunjukkan pada Tabel 1 dan 2. Tabel 1. Hasil keluaran Penghalusan Metode Rietveld dengan Software Rietica pada sampel MT10, MT14 dan MT18 Figures- of Merrit Faktor Skala (10-5 ) Sampel R p R wp R exp GoF MgTiO 3 MgTi 2 O 5 MgO MT10 15,1 22,3 16,3 1,9 12,2 1,9 1,0 MT14 17,7 24,0 16,0 2,2 13,2 1,7 1,0 MT18 18,3 25,1 15,2 2,7 14,1 1,0 1,0 Tabel 2. Tabel 1. Hasil keluaran Penghalusan Metode Rietveld dengan Software Rietica pada sampel MT18, MT dan MT Figures- of Merrit Faktor Skala (10-5 ) Sampel R p R wp R exp GoF MgTiO 3 MgTi 2 O 5 MgO MT18 18,3 25,1 15,2 2,7 14,1 1,0 1,0 MT ,6 27,8 15,4 3,2 8,9 3,1 6,6 MT ,5 28,9 14,6 3,1 8,5 3,2 6.3 b. Komposisi Fasa pada sampel MT10, MT14 dan MT18 Tabel 3 menunjukkan hasil penghalusan komposisi fasa dari sampel aktivasi mekanik (variasi waktu penggilingan), MT10, MT14 dan MT18 yang dianalisis menggunakan software Rietica. Tabel 3. Komposisi fasa pada sampel MT10, MT14 dan MT18 Fraksi Molar(%) Fraksi Berat (%) Sampel MgTiO 3 MgTi 2 O 5 MgO MgTiO 3 MgTi 2 O 5 MgO MT10 89,2 9,5 1,3 83,3 16,3 0,4 MT14 89,7 9,2 1,1 85,2 14,8 0.3 MT18 96,7 1,1 2,2 92,1 3,2 4,7

6 Dari Tabel 3 diketahui bahwa untuk semua sampel hasil aktivasi mekanik (variasi waktu penggilingan) memiliki fasa utama MgTiO 3. Pada sampel MT10, fasa MgTiO 3 yang terbentuk sebesar 83,3%, menjadi 85,2% pada sampel MT14 dan meningkat pada sampel MT18 menjadi 92,1%. Selama proses aktivasi mekanik berlangsung, sampel mengalami deformasi plastis sehingga mempermudah adanya mobilitas atomik. Semakin lama waktu penggilingan, maka semakin sering terjadi tumbukan pada sampel yang mengakibatkan pengurangan aggregate dan juga ukuran butir sehingga terjadi kehomogenan campuran [12] Peningkatan persentase fasa MgTiO 3 menunjukkan bahwa lama waktu penggilingan mempengaruhi pembentukan fasa MgTiO 3. Semakin lama waktu penggilingan, maka semakin banyak fasa MgTiO 3 yang terbentuk. Hal ini senada dengan penelitian yang dilakukan Filifovic [8] yang menghasilkan peningkatan persentase MgTiO 3 dengan penambahan waktu penggilingan dari 5 menjadi 120 menit. Sedangkan penelitian yang dilakukan olehtang [5], memperoleh fasa MgTiO 3 murni dengan lama waktu penggilingan 18 jam kalsinasi 1100 o C selama 3 jam. c. Komposisi Fasa Pada MT18, MT dan MT Tabel 4 menunjukkan hasil penghalusan komposisi fasa dari sampel aktivasi mekanik (variasi kecepatan penggilingan), MT18, MT dan MT yang dianalisis menggunakan software Rietica. Tabel 4. Hasil Penghalusan Komposisi Fasa pada Sampel MT18, MT dan MT dengan metode Rietveld software Rietica. Fraksi Molar(%) Fraksi Berat (%) Sampel MgTiO 3 MgTi 2 O 5 MgO MgTiO 3 MgTi 2 O 5 MgO MT18 96,7 9,5 16,3 92,1 3,1 4,8 MT ,8 19,6 8,6 67,8 30,1 2,1 MT ,7 80,7 9,6 12,9 75,5 11,6 Tabel 4 menunjukkan komposisi fasa untuk semua sampel hasil aktivasi mekanik (variasi kecepatan penggilingan). Hasil penghalusan komposisi menunjukkan fasa yang terdapat pada semua sampel adalah MgTiO 3, MgTi 2 O 5 dan MgO. Pada MT18 persentase fasa MgTi 2 O 5 yang terbentuk sebesar 3,1 % menjadi 30,1% pada MT dan meningkat menjadi 75,5% pada MT Tabel 4 menunjukkan bahwa kecepatan penggilingan mempengaruhi pembentukan fasa MgTi 2 O 5. Semakin tinggi kecepatan penggilingan maka semakin tinggi energi yang diterima oleh

7 serbuk yang mengakibatkan pereduksian ukuran butir. Pereduksian ukuran butir mengakibatkan peningkatan kereaktifan antar permukaan dan mempermudah terbentuknya senyawa MgTiO 3 [12]. Hamada [13] melaporkan bahwa pada kecepatan penggilingan 2000 rpm diperoleh fasa MgTiO 3 murni dengan kalsinasi pada temperatur 1200 o C selama 1 jam. Hasil penelitian tersebut menandakan bahwa dengan kecepatan penggilingan yang tinggi lebih mudah menghasilkan fasa MgTiO 3. Namun pada penelitian yang dilakukan penulis, peningkatan kecepatan penggilingan justru menyebabkan peningkatan pembentukan fasa MgTi 2 O 5. Hal ini disebabkan pada desain penggilingan tertentu menimbulkan adanya batasan terhadap kecepatan yang diperbolehkan. Ketika kecepatan penggilingan meningkat dimungkinkan terjadi penempelan bola alumina pada dinding planetary ball mill dan tidak jatuh ke sampel sehingga tidak terjadi impak yang efektif [14], akibatnya kekuranghomogenan dari campuran dan bertambahnya persentase fasa MgTi 2 O 5 sebagai fasa utama dalam sampel. KESIMPULAN Dari penelitian yang telah dilakukan dapat diketahui bahwa aktivasi mekanik (variasi waktu dan kecepatan penggilingan) mempengaruhi pembentukan fasa MgTiO 3 dan MgTi 2 O 5 dalam sintesis MgTiO 3 dengan metode solid state reaction. Pada sampel aktivasi mekanik (variasi waktu penggilingan), diketahui bahwa lamanya penggilingan mempengaruhi pembentukan fasa MgTiO 3. Semakin lama waktu penggilingan, semakin banyak persentase fasa MgTiO 3 yang terbentuk. Sedangkan pada sampel hasil aktivasi mekanik (variasi kecepatan penggilingan) diketahui bahwa peningkatan kecepatan penggilingan menghasilkan peningkatan fasa MgTi 2 O 5 yang terbentuk. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis berterimakasih kepada Departemen Agama Republik Indonesia yang telah memberikan kesempatan beasiswa studi S2 periode tahun 2009/2010. Penulis juga menyampaikan terimakasih kepada Bapak Malik A. Baqiya atas penelitian PHKI Tema B Tahun Anggaran 2010 dengan Kontrak Kegiatan No /II.38/B/PL/2010. DAFTAR PUSTAKA 1. Huang, C.-L. and M.-H. Weng. "Improved High Q Value Of MgTiO 3 -CaTiO 3 Microwave Dielectric Ceramics at Low Sintering Temperature". Materials Research Bulletin,Vol. 36, No.15 (2001):

8 2. Parthasarathy, G. "Electrical Resistivity of Nano-Crystalline and Natural MgTiO 3 Geikielite At High-Pressures Up To 8 GPa". Materials Letters, Vol 61(2007): Abothu, I.R., A.V. Prasada Rao, and S. Komarneni. "Nanocomposite and Monophasic Synthesis Routes to Magnesium Titanate". Materials Letters", Vol. 38, No. 3 (1999): Pfaff, G., "Peroxide Route for Synthesis of Magnesium Titanate Powders of Various Compositions". Ceramics International, Vol. 20 (1993) : Tang, B., et al., "Preparation of Pure MgTiO 3 Powders and The Effect Of The ZnNb 2 O 6 - Dope onto The Property of MgTiO 3 -Based Ceramics". Journal of Alloys and Compounds. Vol. 492, No. 1-2 (2007): Cho, W.W., K.-i. Kakimoto, and H. Ohsato, "Microwave dielectric properties and lowtemperature sintering of MgTiO 3 -SrTiO 3 ceramics with B 2 O 3 or CuO". Materials Science and Engineering B, Vol. 121(2005): Chaouchi, A., S. d'astorg, and S. Marinel, "Low sintering temperature of (Zn 0.65 Mg 0.35 )TiO 3 -xcatio 3 -Based Dielectric With Controlled Temperature Coefficient". Ceramics International, Vol. 35 No.5 (2009): Filipovic, S., et al. "Influence of Mechanical Activation on Microstructure and Crystal Structure of Sintered MgO-TiO 2 System". Science of Sintering, Vol. 42 (2010): Filipovic, S., "Influence of Mechanical Activation on Structural and Electrical Properties of Sintered MgTiO 3 Ceramics". Science of Sintering, Vol. 41 (2009): Rietveld, H.M., "Line Profiles of Neutron Powder Diffraction Peacks for Structure Refinement". Acta Cryst, Vol 22(1967): Nayiroh, N., "Kekerasan dan Kestabilan termal FGM-Al 2 O 3 /Al 2 TiO 5 -MgAl 2 O 4 hasil sintesis dengan infitrasi berulang", Thesis Jurusan Fisika Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya, (2010) 12. Purwaningsih., H., Widyastuti, and M.R. Mallombasi. "Pengaruh Variasi Waktu Penggilingan terhadap Pembentukan Senyawa Intermetalik Al 3 Ti pada Metal Matrix Composite (MMC) Al/TiO 2 ", Jurnal Laporan Tugas Akhir. (2009): Hamada, K., S.-i. Yamamoto, and M. Senna, "Effects of Milling Raw Materials and Slurry Concentration on The Synthesis of Magnesium Titanate". Advanced Powder Technology, Vol. 11( 2000): Suryanarayana, "Mechanical alloying and Milling", Progress in Material Science. (2001):1-184.

9