APLIKASI KACA CERAMIC DALAM KEHIDUPAN SEHARI-HARI

   A.   PENGERTIAN KACA

Kaca merupakan produk anorganik yang dihasilkan melalui proses pencairan bahan yang didinginkan dengan cepat sehingga tidak terbentuk kristal. Kaca terbentuk melalui proses pendinginan dari keadaan cair tanpa mengalami sebarang sifat yang tidak selanjar pada suatu keadaan dengan viskositasnya semakin bertambah. Kaca merupakan suatu bahan yang selalu menunjukkan puncak pendek jika dikenai sinar X (amorphous). Kaca memiliki viskositas 10¹² sampai 10¹⁴ poise.kaca bersifat transparan dan meleleh pada suhu tertentu.

 Kaca memiliki beberapa keunikan, yaitu tidak mempunyai sifat kimia yang aktif, sukar bereaksi dengan bahan lain, tidak karat atau lentur sehingga sesuai untuk tempat bahan kimia seperti asam ataupun alkali. Selain itu, kaca dapat didaur ulangan sehingga tidak menjadi pencemar alam. Bersifat transparan, dapat menerima penyinaran dari berbagai panjang gelombang. Kaca mudah dibentuk melalui melting atau tiup kaca, bersifat kedap udara dan kelembaban, dapat diwarnai, dilabeli dan sebagainya. Selain itu secara makroskopis kaca berwujud padat, sedangkan secara mikroskopis ia memiliki ciri sama seperti dengan fase cair. Namun, sifatnya berbeda dengan zat cair dan dalam beberapa hal berbeda pula dengan zat padat. Pembentukannya agak rumit sehingga memerlukan kontrol suhu yang baik. Selain itu juga memerlukan kontrol perubahan termodinamik yang teliti akibatnya hanya bahan tertentu saja yang dapat membentuk kaca.

   B.     SEJARAH PERKEMBANGAN KACA

Fabrikasi kaca yaitu teknologi pencairan komposisi kaca dan pembentukan model produk. Fabrikasi kaca mulai dipercaya mulai tahun 3000 SM di Mesopotamia (Iraq dan Siria). Namun, dokumen tertulis baru pada tahun 650 SM. Teknologi kaca didokumentasikan oleh Ravenscoft (1673-1676). Penerbitan buku “Optics” oleh Newton (1706) salah satu isinya tentang sifat kaca.

Masalah saat itu adalah tidak adanya cara atau metode analisis komposisi kimia kaca, sehingga komposisi campuran bahan kimia kaca hanya dikira-kira. Pada tahun 1816 Robert Stirling menggunakan funance besar untuk produksi yang kemudian diikuti Siemens Germany. Pada tahun 1787-1826 Joseph Froundhoffer berhasil membuat kaca optik. Pada tahun1847-1860 diadakan riset untuk menciptakan mesin pencetak prodek kaca berongga seperti botol dengan teknik tekan dan tiup. Pada tahun 1871 Stokes berhasil menciptakan kaca titanat, borat, dan fosfat. Tapi komposisinya tidak dijelaskan. Setelah itu pada tahun1881 Abbe dan Schort memulai riset komposisi kaca dengan hasil lensa untuk aplikasi fotografi. Pada tahun 1886 Ashley dari Inggris menciptakan mesin peniup kaca untuk produksi besar-besaran. Pada tahun 1915 University of Sheffeield  membuka jurusan teknologi kaca. Lalu pada tahun 1920 Griffith mengemukakan teori kekuatan dan kerapuhan kaca. Selanjutnya pada tahun 1932, Zachariasen mengemukakan teori rangkain rawak untuk pembentukan kaca oksida. General Electric Company (GEC) memfokuskan riset bidang kaca dan seramik (ceramic).

   C.     KLASIFIKASI KACA

Kaca dapat diklasifikasikan meanjadi beberapa jenis, yaitu

a.         Kaca Oksida

Contoh dari kaca jenis ini adalah LiO₂–Si₂O, Na₂O-Si₂O, K₂O-Si₂O, dan lain lain.

b.      Kaca Alkogenida: (S, Se, Te) + (As, Sb, Ge, dan lain-lain)

Kaca jenis ini mempunyai sifat listrik dan optik yang baik. Namun kaca ini memiliki kelemahan pada kemurnian bahannya, yaitu impuritasnya susah dipisahkan.

c.       Kaca  Halida : Logam Halida (ZrF₄, ZnCl₂, BeF₂, dan lain-lain.

Kaca jenis ini memeiliki sifat optik yang baik, dapat ditembus cahaya sampai panjang gelombang infrared, aplikasinya untuk fiber optik.

d.      Kaca Magnetik : Campuran bahan magnetik (Fe₂O₃, Cr₂O₃)

Kaca jenis ini mudah terpengaruh medan magnet, aplikasinya digunakan untuk menyimpan data.

e.       Kaca Logam : Campuran bahan alloy (Au-Si, Pd-Si, CO-P, Fe-B, dan lain-lain).

Aplikasi kaca ini digunakan sebagai bahan kemagnetan.

f.       Kaca Semikonduktor: Campuran dengan bahan yang bersifat semikonduktor (GeO₂, TeO₂, dan lain-lain.)

Kaca ini akan stabil jika ditambah bahan pembentuk kaca yang lain seperti SiO₂.

                        Selain pengklasifikasian jenis kaca diatas kaca juga dapat diklasifiasikan lagi sebagai kaca komersial, yaitu:

a.       Silika lebur

Silika lebur atau silika vitreo dibuat melalui pirolisis silikon tetraklorida pada suhu tinggi, atau dari peleburan kuarsa atau pasir murni. Kaca ini sering disebut kaca kuarsa (quartz glass). Kaca ini mempunyai ciri-ciri nilai ekspansi rendah dan titik pelunakan tinggi. Karena itu, kaca ini mempunyai ketahanan termal lebih tinggi daripada kaca lain. Kaca ini juga sangat transparan terhadap radiasi ultraviolet. Kaca jenis inilah yang sering digunakan sebagai kuvet untuk spektrometer UV-Visible yang harganya sekitar dua jutaan per kuvet.

b.       Alkali silikat

Alkali silikat adalah satu-satunya kaca yang mengandung dua komponen yang di publikasikan secara komersial. Pada proses pembuatannya pasir dan soda dilebur bersama-sama, dan hasilnya disebut Natrium silikat. Larutan silikat soda juga dikenal sebagai kaca larut air (water soluble glass) dan banyak dipakai sebagai adhesif dalam pembuatan kotak-kotak karton gelombang yang memiliki sifat tahan api.

c.        Kaca soda gamping

Kaca soda gamping (soda-lime glass) merupakan 95 persen dari semua kaca yang dihasilkan. Kaca ini digunakan untuk membuat segala macam bejana, kaca lembaran, jendela mobil dan barang pecah belah.

d.       Kaca timbal

Dengan menggunakan oksida timbal sebagai pengganti kalsium dalam campuran kaca cair, didapatlah kaca timbal (lead glass). Kaca ini sangat penting dalam bidang optik, karena mempunyai indeks refraksi dan dispersi yang tinggi. Kandungan timbalnya bisa mencapai 82% (densitas 8,0, indeks bias 2,2). Kandungan timbal inilah yang memberikan kecemerlangan pada “kaca potong” (cut glass). Kaca ini juga digunakan dalam jumlah besar untuk membuat bola lampu, lampu reklame neon, radiotron, terutama karena kaca ini mempunyai tahanan (resistance) listrik tinggi. Kaca ini juga cocok dipakai sebagai perisai radiasi nuklir.

e.       Kaca borosilikat

Kaca borosilikat biasanya mengandung 10 sampai 20% B₂O₃, 80% sampai 87% silika, dan kurang dari 10% Na₂O. Kaca jenis ini mempunyai koefisien ekspansi termal rendah, lebih tahan terhadap kejutan dan mempunyai stabilitas kimia tinggi, serta tahanan listrik tinggi. Kaca borosilikat juga digunakan sebagai isolator tegangan tinggi, dan digunakan juga untuk lensa teleskop seperti misalnya lensa 500 cm di Mt. Palomer (AS).

f.         Kaca khusus

Kaca berwarna , bersalut, opal, translusen, kaca keselamatan, fitokrom, kaca optik dan kaca keramik semuanya termasuk kaca khusus. Komposisinya berbeda-beda tergantung pada produk akhir yang diinginkan.

g.       Serat kaca (fiber glass)

Serat kaca dibuat dari komposisi kaca khusus, yang tahan terhadap kondisi cuaca. Kaca ini biasanya mempunyai kandungan silika sekitar 55%, dan alkali lebih rendah.

D.    KACA CERAMIC

Keramik pada awalnya berasal dari bahasa Yunani yaitu keramikos yang artinya  suatu bentuk dari tanah liat yang telah mengalami proses pembakaran.  Kamus dan Ensiklopedia tahun 1950-an mendefinisikan keramik sebagai suatu hasil seni dan teknologi untuk menghasilkan barang dari tanah liat yang dibakar seperti gerabah, genteng, porselin, dan sebagainya. Tetapi saat ini tidak semua keramik berasal dari tanah liat. Definisi pengertian keramik terbaru mencangkup semua bahan bukan logaru dan anorganik yang berbentuk padat. engineering ceramic, techical ceramic adalah keramik yang dibuat dengan menggunakan oksida-oksida logam atau logam, seperti oksida logam (Al2O3, ZrO2, MgO, dll).

Penggunaan keramik modern ini dapat sebagai elemen pemanas, semikonduktor, komponen turbin, dan pada bidang medis. Keramik modern mempunyai keunikan atau sifat yang menonjol yang tahan terhadap temperatur tinggi, sifat mekanis yang sangat baik, sifat elektrik yang istimewa, dan tahan terhadap bahan kimiawi.

Sifat yang umum dan mudah dilihat secara fisik pada kebanyakan jenis keramik adalah britle atau rapuh, hal ini dapat kita lihat pada keramik jenis tradisional seperti barang pecah belah, gelas, kendi, gerabah dan sebagainya, walaupun sifat ini tidak berlaku pada jenis keramik tertentu, terutama jenis keramik hasil sintering, dan campuran sintering antara keramik dengan logam. Sifat lainya adalah tahan suhu tinggi, sebagai contoh keramik tradisional yang terdiri dari clay, flint dan feldfar tahan sampai dengan suhu 1200 C, keramik engineering seperti keramik oksida mampu tahan sampai dengan suhu 2000 C. kekuatan tekan tinggi, sifat ini merupakan salah satu faktor yang membuat penelitian tentang keramik terus berkembang.

Berbagai jenis keramik salah satunya adalah keramik baru (New ceramic) yaitu keramik yang secara teknis, diproses untuk keperluan teknologi tinggi seperti peralatan mobil, listrik, konstruksi, komputer, cerobong pesawat, kristal optik, keramik metal, keramik multi lapis, keramik multi fungsi, komposit keramik, silikon, bioceramic, dan keramik magnit. Sifat khas dari material keramik jenis ini disesuaikan dengan keperluan yang bersifat teknis seperti tahan benturan, tahan gesek, tahan panas, tahan karat, tahan suhu kejut seperti isolator, bahan pelapis dan komponen teknis lainnya.

   E.     APLIKASI KACA CERAMIC DALAM KEHIDUPAN SEHARI-HARI

Pesatnya perkembangan teknologi material semikonduktor keramik, menghasilkan berbagai penemuan baru khususnya dalam bidang elektronika. Salah satu teknologi yang berkembang saat ini yaitu pembuatan sensor dari bahan semikonduktor keramik. Aplikasi teknologi semikonduktor keramik dalam kehidupan sehari-hari sangat banyak, contohnya sensor kelembaban, sensor suhu, sensor gas, dan aplikasi lainnya. Pada saat ini di Indonesia alat semacam itu terutama sensor gas didatangkan dari laur negeri oleh karena itu, harganya relatif mahal dan berarti Indonesia kehilangan devisa setiap kali mengimpor produk tersebut.

 Sensor merupakan suatu piranti yang sering digunakan untuk mengukur besaran tertentu. Sensor gas merupakan piranti elektronik yang digunakan untuk mendeteksi gas tertentu. Salah satu prinsip kerjanya yaitu perubahan antara resistansi awal (Ro) dan resistansi gas (Rgas), dimana nilai Rgas dapat lebih kecil atau lebih besar nilainya tergantung dari reaksi yang terjadi antara sensor dengan gas yang ada disekitar sensor.

Pada awalnya sensor gas dikembangkan dari bahan germanium, kemudian seiring dengan perkembangan ilmu pengetahuan mulai sekitar tahun1962 mulai dikembangkan sensor gas dengan menggunakan bahan oksida logam (metal-oxide). Hingga sekarang banyak penelitian-penelitian yang dilakukan untuk membuat sensor gas ini dengan memanfaatkan bahan mineral yang banyak terkandung dialam terlebih di Indonesia.

Dalam hal ini dilakukan studi pembuatan keramik untuk sensor gas dengan menggunakan bahan campuran CuO dan Fe₂O₃ yang membentuk CuFe₂O₄. Selain itu bahan tersebut sangat melimpah di Indonesia diantaranya mineral yarosit (Fe2O3) yang berasal dari Garut yang telah berhasil diolah menjadi oksida logam yang memiliki kemurnian 91,8%. Bahan semikonduktor keramik ini pun berpotensi untuk dijadikan sensor gas berdasarkan sifat semikonduktifnya.

Untuk aplikasi sensor gas, saat ini material semikonduktor keramik pada umumnya diproduksi dalam bentuk film tebal (thick film)dan film tipis (thin film). Salah satu metode yang digunakan dalam pembuatan film tebal ini yaitu metode screen printing. Pembuatan film tebal dengan metode screen printing sangat mudah dilakukan dan efektif serta memungkinkan miniaturisasi. Pembuatan sensor gas dalam bentuk film tipis dapat dilakukan, namun pembuatan sensor gas dalam bentuk film tipis membutuhkan biaya yang relatif mahal dan tidak mungkin dilakukan miniaturisasi. Selain itu, karena sensor gas ini merupakan sensor yang berkaitan dengan reaksi permukaan, besar permukaan yang hasilkan akan bebih besar sensor yang dibuat dalam bentuk film tebal, maka jika sensor tersebut dibuat dalam bentuk film tebal, maka diharap sensor yang dihasilkan memiliki kualitas yang lebih baik.

Sensor gas yang diteliti ini dicoba untuk mendeteksi gas etanol (C2H5OH). Pada dasarnya etanol merupakan senyawa yang tidak begitu berbahaya bahkan dalam konsentrasi yang kecil dapat dikomsumsi dalam bentuk minuman beralkohol, tidak beracun namun dari segi sifat fisis senyawa ini mudah sekali terbakar dan bersifat reaktif.

Kebutuhan akan sensor gas etanol sangatlah diperlukan dalam berbagai industri, baik industri medis, industri otomotif, bahkan industri makanan. Contohnya industri pengepakan makanan, industri medis untuk pembuatan bahan obat yang menggunakan gas etanol, bahkan saat ini beberapa perusahaan otomotif memasang dataktor gas etanol pada kkendaraan yang dibuat untuk alasan keselamatan. Oleh karena itu penelitian ini merupakan studi awal ke arah pembuatan sensor gas etanol yang murah secara swasembada.

   F.      DAFTAR PUSTAKA

http://naidra.student.fkip.uns.ac.id/klasifikasi-material-teknik-baru/ diakses pada 14 Oktober 2012

catatan kuliah sains kaca