JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-3
1
Pelapisan Baja Dengan Nanosilika Secara Elektroforesis Untuk Perlindungan Terhadap Korosi Rian Intan Saputra, Ririn Kurniasari, Samsudin Affandi dan Heru Setyawan Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail:
[email protected]
Dilakukan pelapisan stainless steel yang mengandung 72,14% Fe dengan menggunakan nanosilika secara elektroforesis. Penelitian ini bertujuan untuk mempelajari kondisi deposisi elektroforesis terhadap pembentukan lapisan silika dan mengevaluasi karakteristik lapisan silika terhadap ketahanan korosi. Sol silika dibuat dengan mengencerkan 129 mL waterglass pada 60oC menjadi 1000 mL sehingga diperoleh sodium silika 3,6% berat. Kemudian ion Na+ pada sodium silika ditukarkan dengan H+ dengan menggunakan resin kation dan diperoleh Silicic acid pH=2-3. Larutan KOH 1% berat dititrasi dengan silicic acid dengan rate konstan 10 mL/menit dan diperoleh sol silika stabil pH=8-9. Proses deposisi elektroforesis dilakukan dengan variasi arus CDC dan PDC. Untuk arus CDC dilakukan variasi voltase, jarak antar elektroda dan waktu elektroforesis. Dan untuk arus PDC, ditetapkan frekuensi dengan variasi amplitudo dan duty pada jarak terbaik. Lapisan silika yang dihasilkan dikarakterisasi dengan menggunakan electrochemical impedance spectroscopy dalam larutan NaCl 2% berat. Hasil karakterisasi dipresentasikan dalam Nyquist plot. Untuk arus CDC, lapisan dengan impedansi paling besar diperoleh pada 0,5 V dengan jarak elektroda 3cm dalam 9 menit. Semakin besar voltase dan semakin lama waktu elektroforesis lapisan yang dihasilkan semakin baik. Untuk arus PDC, lapisan dengan impedansi paling besar diperoleh pada amplitudo 0,4V dengan duty 80% selama 5 menit. Semakin besar amplitudo dan semakin besar duty lapisan yang dihasilkan semakin baik. Kata Kunci— elektroforesis, spectroscopy, Nyquist plot
electtrochemical
impedance
I. PENDAHULUAN
L
Ogam seperti baja sangat mudah terkorosi pada kondisi atmosferik, kondisi garam, kelembaban udara yang tinggi bahkan dalam kondisi pH netral sekalipun. Akibatnya baja mudah rapuh dan menyebabkan kerugian. Beberapa metode telah ditempuh untuk menghambat laju korosi pada baja dengan membuat penghalang antara baja dengan lingkungannya, yakni antara lain dengan dilakukannya pelapisan pada permukaan baja. Terkait dengan larangan penggunaan senyawa kromat untuk pelapisan karena sifatnya yang beracun, maka digunakan silika sebagai bahan alternatif pelapisan. Beberapa sifat dari lapisan silika yang mendukung penggunaannya sebagai bahan alternatif pelapisan adalah daya adhesi yang kuat, properti penahan yang baik sehingga memungkinkan untuk menahan difusi uap air, ion-ion maupun oksigen ke permukaan logam sehingga dapat
melindungi logam dari korosi. Selain itu silika juga memiliki ketahanan terhadap suhu dan zat kimia yang cukup stabil dan tidak beracun[1]. Ada beberapa metode pelapisan yang umum digunakan, yaitu antara lain dip coating, spin coating dan electrophoretic deposition. Dip coating merupakan suatu metode pelapisan yang terdiri atas substrat dimana substrat normalnya ditarik secara vertikal dari larutan dengan kecepatan tertentu. Larutan yang menempel mengalir ke bawah karena adanya gaya gravitasi dan pelarut menguap, serta diiringi dengan reaksi kondensasi, sehingga diperoleh hasil berupa lapisan film padat namun metode ini tidak cocok digunakan untuk pelapisan logam karena dapat menimbulkan korosi pada logam yang akan dilapisi. Spin coating merupakan suatu metode untuk mendeposisikan lapisan tipis dengan cara menyebarkan larutan ke atas substrat terlebih dahulu. Kemudian substrat diputar dengan kecepatan konstan tertentu agar dapat diperoleh endapan lapisan tipis di atas substrat, atau metode percepatan larutan pada substrat yang diputar. Proses spin coating dilakukan dengan melakukan alat coater dengan kecepatan tinggi (rpm) dalam jangka waktu tertentu. Semakin cepat putaran, akan diperoleh lapisan tipis yang semakin homogen dan tipis. Namun, metode ini memerlukan energi yang cukup besar, sehingga dibutuhkan biaya yang lebih mahal di dalam pembuatannya. Electrophoretic deposition (EPD) merupakan metode pelapisan yang menggunakan teknik pemisahan komponen atau molekul bermuatan berdasarkan perbedaan tingkat migrasinya dalam sebuah medan listrik. Beberapa kelebihan metode EPD dibandingkan dua metode di atas adalah biaya yang dibutuhkan lebih murah, lebih ramah lingkungan, rate deposisi lebih cepat. Pulsed DC atau PDC merupakan bentuk gelombang yang dihasilkan dari sebuah pengatur gelombang setengah (halfwave rectifier) atau pengatur gelombang penuh (full-wave rectifier). Pengatur gelombang penuh sendiri lebih dikenal dengan rectified AC. PDC sendiri memiliki karakteristik diantara alternating current (AC) dan direct current (DC). Voltase dari gelombang DC adalah konstan, sedangkan AC merupakan bentuk gelombang yang bervariasi secara kontinyu antara nilai positif dan negatif. Jadi voltase dari gelombang PDC akan bervariasi secara kontinyu seperti AC, tetapi seperti DC tanda voltase akan konstan. Gambar 1 akan menunjukkan
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-3
2
contoh dari gelombang PDC. Pada arus PDC terdapat istilah duty cycle, frequence dan amplitude. Duty cycle adalah rasio perbandingan antara waktu pulse menyala dengan waktu yang dibutuhkan dalam satu siklus. Frekuensi adalah jumlah gelombang per satuan waktu. Dan amplitudo adalah tinggi pulse.
Tinggi pulsed
Current (A)
Pulsed menyala
waterglass (PT. PG Silika Indonesia, Pasuruan) dengan konsentrasi 28% berat sebanyak 129 mL dilarutkan dalam akuades 60oC hingga volume 1000 mL. Kemudian larutan waterglass dicampur dengan resin kation dengan perbandingan volume 1:1 selama 30 menit dan kemudian resin dipisahkan untuk mendapatkan silicic acid (pH=2-3). Silicic acid ditambahkan kedalam 100 mL KOH 1% berat hingga diperoleh sol silika yang stabil (pH=8-9). Untuk pembuatan sol silika digunakan rangkaian alat seperti pada gambar 2. Larutan KOH 1% berat sebanyak 100 mL dimasukkan ke dalam labu leher tiga yang dilengkapi dengan motor pengaduk dan dijaga pada suhu 60oC dengan menggunakan heating mantel. Silicic acid ditambahkan kedalam larutan KOH dengan menggunakan pompa peristaltik pada rate konstan 10 mL/menit [3].
Pulsed mati
Time (s)
Gambar 1. Model dari pulse direct current (PDC) Kesetimbangan dalam sistem elektrokimia bersifat dinamis karena ada ion logam yang tereduksi, ada pula ion logam terionisasi. Agar terjadi reaksi kimia yang efektif, harus ada sumber arus yang terdiri atas beberapa komponen. Pertama, potensial yang diperlukan untuk mengatasi tahanan elektrolitnya (sesuai hukum Ohm). Ada pula potensial luar tambahan yang disebut tegangan lebih, over voltage, polarisasi atau overpotensial.
= E – Eeq
(1)
Dimana E adalah potensial saat arus mengalir, Eeq potensial kesetimbangan dan η adalah overpotensial. Saat arus mengalir, aktivitas pereaksi di sekitar elektroda berubah dan menyebabkan overpotensial konsentrasi. Bila deposisi pada katoda telah berlangsung beberapa saat, ion logam akan berkurang, potensial kesetimbangannya berkurang, tergantung pada konsentrasi ion tepat di dekat elektroda. Overpotensial ini akan hilang secara perlahan dengan adanya pengadukan yang baik. Bagi proses di daerah katodik, overpotensial konsentrasinya bernilai negatif sebaliknya di daerah anoda nilai positif. Kemudian dari harga overpotensial yang didapatkan, selanjutnya dapat dibuat kurva arus-potensial (i-E) untuk mengetahui mekanisme yang mempengaruhi reaksi yang terjadi pada elektrode[2]. II. URAIAN PENELITIAN Prosedur penelitian ini memiliki 4 tahapan, yaitu: 1. Tahap pembuatan sol silika dari waterglass 2. Tahap persiapan logam 3. Tahap pelapisan logam 4. Tahap karakterisasi A. Tahap pembuatan sol silika dari waterglass Untuk membuat larutan sodium silikat 3,6% berat,
Gambar 2 Rangkaian alat pembuatan sol silika B. Tahap persiapan logam Logam yang akan dilapisi di-treatment terlebih dahulu, karena permukaan logam harus bersih saat proses pelapisan. Logam diamplas terlebih dahulu, kemudian dicuci dalam tiga tahap. Pertama, logam yang dilapisi dengan ukuran (30 × 30) mm direndam dalam larutan H2SO4 0,1M selama 10 menit, kemudian direndam dan dibilas dengan akuades selama 5 menit dan terakhir, direndam dan dibilas dengan larutan aseton. C. Tahap Pelapisan Logam Proses pelapisan dilakukan seperti pada gambar 3.3. Pada proses dilakukan variasi sumber arus, yaitu arus kontinu CDC dari power supply dan arus pulse Dcdan function generator. Untuk CDC voltase divariasi pada 0,4 V dan 0,5 V pada jarak 2 cm dan 3 cm dan waktu elektroforesis divariasi dari 5 sampai 9 menit. Untuk PDC frekuensi diatur tetap pada 0,01 Hz sedangkan amplitudo divariasi pada 0,2 V dan 0,4 V dan duty pada 70% dan 80%. D. Tahap karakterisasi Stainless steel yang telah dilapisi diamati morfologinya dengan menggunakan Scanning Electron Microscopic (SEM). Karakteristik perlakuan lapisan dan korosi pada stainless steel dievaluasi dengan menggunakan Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) dengan instrumen Autolab PGSTAT 302 (Metrohm). Proses evaluasi dengan EIS dilakukan dengan
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-3
3
sistem 3 elektroda dalam larutan NaCl 2% berat. Stainless steel yang diuji dipasang sebagai working electrode, Ag/AgCl sebagai reference electrode dan platina sebagai counter electrode. Untuk melihat morfologi lapisan yang dihasilkan pada permukaan logam diamati dengan SEM. III.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Telah diperoleh sol silika yang stabil dari variasi rate penambahan silicic acid 10 mL/menit dan konsentrasi KOH 1% berat dengan diameter partikel sebesar 5,66 nm. Karakteristik lapisan pada stainless steel dianalisan dengan menggunakan electrochemical spectroscopy impedance (EIS) dalam larutan NaCl 2%. Hasil analisa karakteristik lapisan ditampilkan dalam bentuk Nyquist plot sehingga diperoleh harga impedansi untuk masing-masing variasi pelapisan, dengan harga impedansi mutlak |Z| = (Z’)2 + (-Z”)2
(2)
Hasil analisa menunjukkan trend yang sama untuk tiap-tiap variasi pelapisan. Semakin lama waktu pelapisan dan semakin besar voltase yang diberikan semakin baik lapisan yang dihasilkan. Dalam range penelitian ini, untuk variasi CDC dihasilkan lapisan terbaik dengan nilai impedansi paling besar pada waktu pelapisan 9 menit dan pada voltase 0,5 V dengan jarak antar elektroda 3 cm. Jarak antar elektroda akan mempengaruhi besar kecepatan partikel menempel pada elektroda. Pada variasi jarak 3 cm terminal settling velocity partikel silika lebih kecil dibandingkan dengan variasi jarak 2 cm. Semakin besar terminal settling velocity partikel silika memungkinkan terjadinya tumbukan elastis antara permukaan stainless steel dengan partikel silika sehingga probabilitas partikel silika untuk menempel ke permukaan stainless steel menjadi kecil. Untuk menghasilkan lapisan dengan tahanan yang baik, pelapisan juga dilakukan dengan pulse DC dengan frekuensi tetap, amplitudo dan duty tertentu. Besar amplitudo yang digunakan berkaitan dengan standar potensial (E0) stainless steel. Jika amplitudo yang digunakan terlalu besar, stainless steel yang akan dilapisi akan teroksidasi terlebih dahulu. Dengan variasi amplitudo 0,2 V diperoleh hasil lapisan terbaik dengan duty 70%. Sedangkan pada variasi amplitudo 0,4 V diperoleh hasil lapisan terbaik dengan duty 80%. Hasil pelapisan dengan menggunakan PDC dihasilkan lapisan yang lebih baik daripada dengan menggunakan CDC. IV. KESIMPULAN 1. Untuk arus CDC, semakin besar voltase dan semakin lama waktu elektroforesis akan terbentuk lapisan silika dengan tahanan korosi yang baik. Dalam range penelitian ini dengan jarak 3 cm dihasilkan lapisan yang lebih baik daripadadengan jarak 2 cm dan untuk arus PDC, semakin besar amplitudo dan duty, semakin baik lapisan yang dihasilkan. Dengan menggunakan PDC dihasilkan lapisan yang lebih baik dari pada dengan arus CDC.
DAFTAR PUSTAKA [1] [2] [3]
Iler, R.K. 1979. The Chemistry of Silica. John Willey and Sons: Kanada. Bard, Allen J. and Faulkner, L. R. 2001. Electrochemical Methods: Fundamental and Applications, 2nd ed. John Wiley & Sons, Inc. Tsai, Ming-Shyong. Journal of Material Science and Engineering.B106 (2004) 52-55
