BAHAN NON LOGAM

KERAMIK

Keramik sebagai bahan teknik tidak hanya meliputi bahan-bahan yang terbuat dari tanah liat atau sebangsanya. Keramik sebagai bahan teknik terdiri dari berbagai fase yang masing-masing merupakan senyawa dari logam dan non logam. Kebanyakan keramik adalah kristalin sebagaimana halnya logam. Hanya saja ikatan antar atom pada keramik biasanya adalah ikatan kovalen atau ikatan ionik dan karenanya keramik biasanya sangat stabil. Jadi sebenarnya kermaik adalah semua bahan yang bukan logam, bukan plastik (polimer), bukan bahan biologik termasuk misalnya batu, pasir, tanah liat, dll. biasanya keramik terdiri dari berbagai oksida, karbida silikat, dll.

Beberapa keramik yang mempunyai arti penting sebagai bahan teknik antara lain:

1.       Refractory Batu Tahan Api)

Batu tahan api merupakan bahan yang sangat diperlukan bagi industri-industri yang bekerja menggunakan temperatur tinggi. Batu tahan api mempunyai sifat tahan terhadap temperatur tinggi, tetap stabil/ tidak berubah walaupun pada temperatur tinggi, mempunyai konduktivitas panas yang rendah (menghambat perambatan panas), kuat, keras tetapi getas. Dari sifat kimianya batu tahan api dapat dibagi menjadi:

a.       Batu tahan api asam (acid refractories), biasanya terbuat dari quartz, quartzite mengandung bayak silika (SiO₂). Titik lebur batu tahan api jenis ini antara 1690⁰C – 1730⁰C, dan mulai melunak pada 1550⁰C. Digunakan misalnya pada konverter Bassemer dan dapur lain yang menggunakan acid lining.

b.      Batu tahan api basa (basic refractories), banyak mengandung magnesia (MgO). Dibuat dari dolomite dan/atau magnesium. Batu tahan api dolomit dapat tahan sampai 1800 – 1950⁰C, batu tahan api magnesit dapat tahan sampai 2000⁰C.

c.       Batu tahan api netral (neutral refractories) banyak mengandung alumina (Al₂O₃) dan silika (SiO₂) terbuat dari kaolinit, dapat tahan sampai suhu 1600 – 1670⁰C.

Selain itu batu tahan api juga sering dinamakan menurut kandungan senyawa yang paling dominan, misalnya ada batu tahan api silika, alumina, magnesit, chromit, dll.

2.       Gelas (Kaca)

Kaca banyak dipakai karena sifat-sifatnya yang transparan, non toxic, inert (tidak bereaksi dengan berbagai bahan kimia), tidak mengakibatkan kontaminasi dan cukup kuat/keras. Kaca dibuat dari campuran berbagai oksida. Pada umumnya kaca adalah non kristalin/amorph, atom/molekulnya tidak tersusun menurut suatu pola tertentu seperti halnya logam, tetapi berupa suatu network tiga dimensi yang acak. Sebagian dari oksida itu berfungsi sebagai glass former yaitu yang membentuk network dari kaca. Sebagian berfungsi sebagai modifier biasanya akan memperlemah ikatan pada network sehingga menurunkan titik leburnya. Ada juga yang berfungsi sebagai intermediates.

Sebagai glass former biasanya adalah SiO₂, disamping itu ada juga beberapa oksida lain yang dapat dipakai, misalnya P₂O₅, B₂O₃, As₂O₃, Sb₂ dan GeO₂. Sedangkan sebagai intermediates misalnya oksida aluminium (alumina), beryllia, titania, zirconia.

Glass Formers	Intermediates	Modifiers
SiO2	Al2O3	MgO
B2O3	Sb2O3	Li2O
GeO2	ZrO2	BaO
P2O5	TiO2	CaO
V2O5	PbO	SrO
As2O3	BeO	Na2O
	ZnO	K2O

Soda Lime Glass

Kaca yang paling banyak diproduksi, karena harganya murah, tahan terhadap devitrifikasi (terjadinya bagian/partikel kristalin pada kaca yang dapat menyebabkan kaca menjadi gelas) dan relatif tahan air. Mudah di-hotwork, banyak digunakan untuk kaca jendela, botol, boal lampu dan tableware yang tidak perlu tahan terhadap temperatur tinggi dan tahan terhadap bahan-bahan kimia.

Lead Glass (Flint Glass)

Biasanya digunakan untuk high quality tableware, keperluan optik, tabung lampu iklan dan juga untuk pembuatan benda seni. Kaca dengan kandungan timbal yang tinggi (sampai 80%) digunakan untuk kaca optik sangat gelap dan untuk jendela /pelindung terhadap sinar X-Ray. Lead glass mempunyai titik lebur rendah, mudah di-hotwork, tahanan listrik tinggi, dan mempunyai indeks bias tinggi.

Borosilicate Glass (Pyrex)

Sangat stabil terhadap bahan kimia, sangat tahan terhadap thermal shock, mempunyai tahanan listrik tinggi. Borosilicate glass banyak digunakan di industri untuk pipa, glass ukuran, alat laboratorium, isolator listrik dana beberapa keperluan rumah tangga.

High Silica Glass

Sangat tahan terhadap thermal shock, dan temperatur tinggi (sampai 900⁰C). Harganya sangat mahal karena itu hanya digunakan untuk beberapa keperluan khusus.

Sebagian dari intermediate dan modifier tersebut dikatakan juga berfungsi sebagai flux yaitu yang menurunkan temperatur pelunakan kaca sehingga kaca cair masih dapat dikerjakan sampai temperatur yang cukup rendah. Adanya flux mungkin menurunkan daya tahan kaca terhadap bahan kimia, dapat menyebabkan kaca dapat larut. Untuk mengurangi akibat buruk itu ditambahkan oksida yang berfungsi sebagai stabiliser.

Semua campuran oksida itu dipanaskan sampai lebur lalu kaca yang masih kental dibentuk dengan penuangan pada cetakan (moulding) atau dengan peniupan (blowing).

Kaca dapat dibuat menjadi bentuk serat (fibre) dengan berbagai cara, misalnya dengan menarik filamen kaca yang masih kental (continuous filament process) akan didapat suatu bahan yang dikenal dengan nama fibreglass, atau dengan memasukkan kaca yang masih cair ke dalam piringan berpori yang berputar cepat (crown process) akan diperoleh serat gelas yang pendek-pendek, dikenal dengan glass wool.

Fibreglass mempunyai kekuatan yang tinggi sekali, sampai 700Mpa, banyak digunakan sebagai bahan komposit yang dipakai untuk berbagai keperluan. Glass wool sering digunakan sebagai bahan isoltor panas.

3.       Abrasives

Abrasive adalah bahan yang digunakan untuk menghaluskan permukaan bahan lain dengan cara menggosokkan bahan abrasive ke permukaan yang akan dihaluskan sehingga terjadi pengikisan. Bahan abrasives digunakan untuk membuat gerinda, kertas gosok atau serbuk/ pasta polishing.

Bahan abrasives terbuat dari berbagai oksida dan karbida yang sangat keras, seperti alumina, silica, silicon carbide, tungsten carbide, dll. Bahan – bahan ini dibuat menjadi bentuk “pasir” atau serbuk dengan berbagai ukuran, kemudian dengan menggunakan sedikit bahan perekat dibentuk menjadi batu gerinda atau dilapiskan pada kertas menjadi kertas gosok, dicampurkan pada pasta atau dibiarkan berupa serbuk. Bahan-bahan tersebut juga dapat dibentuk dengan cara sintering dibuat menjadi pahat potong, seperti halnya carbide tips.

4.       Cement (Semen)

Semen adalah semacam bahan perekat, berupa serbuk, yang bila dicampurkan dengan air menjadi pasta dan setelah dibiarkan beberapa saat akan menjadi keras. Ada yang untuk menjadi keras ini memerlukan banyak air (hydraulic cement), seperti misalnya Portland cement, dan ada juga yang untuk menjadi keras tanpa memerlukan tambahan air, seperti misalnya kapur bubuk (Ca(OH)₂) dan gips (CaSO₄).

Kapur bubuk dibuat dengan memanggang (calcining)  batu kapur (CaCO₃) pada temperatur sekitar 1000⁰C sehingga berdekomposisi menjadi CaO (gamping). Dengan menyiramkan air pada CaO ini akan diperoleh Ca(OH)₂ berupa serbuk. Pada saat pemakaiannya bubuk kapur ini dicampur dengan pasir dan air menjadi pasta dan pasta ini akan mengeras karena terjadinya reaksi dengan CO₂ dari udara, terbentuk CaCO₃ dan air.

Cement yang banyak dipakai adalah Portland Cement yang banyak digunakan untuk membuat beton dan perekat bahan bangunan. Portland cement dibuat dari batu kapur dan tanah liat yang kemudian dihaluskan lalu dibakar. Pembakaran di dalam kilang putar (rotary kiln) ini menyebabkan bahan-bahan tadi berdifusi dan menjadi clinker yang keluar dari kilang berbentuk bola-bola. Clinker ini dicampur dengan sejumlah gips lalu dihancurkan lagi menjadi serbuk yang halus.

Portland cement terdiri dari berbagai oksida, silikat, aluminat, dll. Semen ini mulai menjadi keras dalam 24 jam pertama, tetapi pengerasan yang sempurna akan terjadi setelah kira-kira 28 hari, tergantung pada banyaknya gips yang dicampurkan. Juga kandungan alumina mempengaruhi kecepatan pengerasan ini, dengan alumina yang makin banyak dan silika yang makin sedikit akan mempercepat pengerasan.

PLASTIK (POLIMER)

Pada dasarnya plastik meliputi sekelompok bahan yang mempunyai molekul besar yang terdiri dari gabungan molekul-molekul yang lebih kecil. Sebagian besar adalah senyawa organik, terdiri dari karbon, hidrogen, oksigen dan nitrogen. Plastik mempunyai beberapa sifat yang khas:

1. Ringan, berat jenis 1,2 – 1,6 (logam paling ringan Mg = 1,75)
2. Penyekat panas dan listrik yang baik
3. Surface finish yang baik dapat diperoleh langsung dari cetakan
4. Dapat diperoleh dalam berbagai warna atau transparan
5. Kekuatan lebih rendah daripada logam, juga impact strengthnya
6. Tidak cocok digunakan pada temperatur yang tinggi
7. Stabilitas kurang baik, terutama pada kondisi basah

Mengingat sifat-sifat tersebut maka plastik sangat cocok untuk digunakan pada barang-barang yang menerima beban rendah/menengah, dengan konduktivitas panas/listrik yang rendah, dengan pilihan warna yang cukup luas serta dapat dibentuk hanya dengan satu proses saja. Karena itu sebagian besar plastik digunakan sebagai kotak/wadah yang harus ringan, berwarna menarik dan mudah diproduksi, seperti misalnya radio/television cabinet dan berbagai peralatan rumah tangga. Juga berbagai bagian dari interior mobil, dll.

Plastik juga banyak digunakan pada alat-alat listrik, serta beberapa bagian dari alat pemanas. Plastik juga banyak digunakan dalam bentuk “foam”. Foam yang lunak dilapis untuk bagian dalam dan dilapis dengan bagian yang agak keras berfungsi sebagai peredam getaran/suara, seperti dipakai pada pesawat terbang, dll. Plastik juga banyak menggantikan logam untuk pembuatan dies untuk beberapa operasi press working dari sheet metals.

Molekul plastik merupakan suatu rangkaian/rantai dari sejumlah besar “mer”, karena itu plastik disebut juga polymer, dan nama dari suatu jenis plastik biasanya disebut dengan menambahkan kata “poly” di depan nama monomernya, misalnya poluethylene, polyninylchloride, polytetrafluoroethylene, dll.

Molekul plastik dapat dianggap mempunyai tulang punggung dari rangkaian atom C dimana pada rangkaian/tulang punggung itu terdapat rusuk-rusuk atau kalung yang berupa atom-atom lain seperti hydrogen, chlor, fluor, dll. Antara molekul tulang punggung dan rusuk terikat dengan ikatan yang kuat, ikatan primer.

Pada beberapa jenis plastik antara beberapa rantai yang saling berdekatan juga terikat dengan ikatan primer yang kuat. Ikatan ini menyebabkan molekul polimer itu tidak mudah terurai karena bahan-bahan kimia maupun karena panas. Hal ini terjadi pada thermosetting plastics, yaitu plastik yang segera mengeras setelah mencapai temperatur pembentukannya, selanjutnya tidak akan menjadi lunak walaupun dipanaskan kembali. Pada jenis lain, thermoplastic plastics, ikatan antara rantai-rantai molekl plastik tidak begitu kuat, yaitu dengan secondary forces (Van der Waals forces) yang akan menjadi lemah dengan kenaikan temperatur dan menjadi lebih kuat bila temperatur turun kembali, karena itu jenis plastik ini akan menjadi lunak bila menerima pemanasan, mudah dibentuk dan akan menjadi keras lagi bila temperatur turun kembali. Karena itu thermoplastik plastik dapat dibentuk berulang kali dengan melakukan pemanasan setiap kali akan membentuknya. Perbedaan ini menyebabkan juga perbedaan pada proses pembentukannya. Thermosetting plastik biasanya lebih keras, lebih kuat dan tidak mudah larut dalam suatu cairan pelarut (solvent).

1.       Phenolic, cukup kuat, keras, tidak transparan, mudah diberi warna. Harganya cukup murah, dapat dibentuk dengan mudah dengan moulding. Termasuk thermosetting plastic.

2.       Melamine, juga termasuk thermosetting plastic, tahan panas, tahan air, tidak bereaksi dengan bahan-bahan kimia, merupakan isolator listrik yang baik. Banyak digunakan untuk tableware, alat listrik, dll.

3.       Epoxy, ulet/tangguh, elastis, tidak mudah bereaksi dengan berbagai bahan kimia, kestabilan dimensi cukup baik, pembuatannya tidak memerlukan temperatur dan tekanan yang tinggi. Banyak digunakan untuk bahan coating dan untuk alat listrik. Karena mudah dicure pada tekanan dan temperatur kamar, plastik ini banyak digunakan untuk jigs, template, forming dies (untuk sheet metal) dan lem/perekat.

4.       Acrylic, thermoplastic plastic, transparan, cukup kuat, tahan impact dan lentur, isolator listrik yang baik, mudah diberi warna, tahan terhadap berbagai bahan kimia. Acrylic secara optik paling transparan dari semua jenis plastik, dikenal dengan nama Lucite dan Plexyglass. Kekurangannya adalah mudah tergores.

5.       Nylon, thermoplastic plastic, tahan abrasi, ulet, kestabilan dimensi baik tetapi harganya relatif cukup mahal. Dapat diperoleh dengan pembentukan oulded ataupun dalam bentuk filamen seperti dipergunakan untuk tekstil, tali, senar, dll. Moulded nylon banyak digunakan untuk bahan bantalan, karena koefisien gesekannya yang sangat rendah.

6.       Polystyrene, thermoplastic plastic, stabilitas dimensi baik, menyerap air hanya sedikit, isolator listrik terbaik, mudah terbakar dan bereaksi dengan asam.

7.       Vynil, dapat dibuat dalam bentuk tipis yang elastis, seperti karet sampai bentuk yang kekar/kaku. Yang ulet/fleksible cukup kuat dan tidak mudah lapuk. Jenis yang kaku/kekar mempunyai stabilitas dimensi baik dan tahan air.

8.       Polyethylene, ulet/tangguh dan tahanan listriknya besar. Banyak digunakan untuk alat dapur yang unbreakable dan isolasi kabel listrik.

9.       Polycarbonate, dikenal karena kekuatan dan ketangguhannya yang sangat tinggi

10.   Silicone, merupakan plastik yang unik karena rusuk dari rantai molekulnya terdiri dari atom silikon dan oksigen berselang-seling, jadi termasuk semi-organik. Dikenal sangat tahan panas, mempunyai sifat dielektrik yang tinggi dan penyerapan kelembaban yang sangat rendah.

11.   Urea formaldehyde, thermosetting plastic yang dapat dibuat dengan warna terang, yang tidak terdapat pada phenolic. Sifatnya sama phenolic.

12.   Fluorocarbon, dikenal inert terhadap berbagai macam bahan kimia, tahan temperatur tinggi dan koefisien gesek yang sangat rendah. Banyak digunakan untuk non-lubricated bearing dan lapisan nonstick (anti lengket) pada alat masak dan pada setrika, dll.

Bahan plastik jarang sekali digunakan tanpa penambahan beberapa bahan lain. Penambahan bahan lain ini dimaksudkan untuk memperbaiki beberapa sifatnya, menurunkan harganya, memperbaiki sifat moldability dan memberi warna. Bahan tambahan ini dapat dikelompokkan menurut fungsinya yaitu sebagai filler, plasticizer, coloring agent atau lubricant.

Filler biasanya ditambahkan untuk memperbaiki kekuatan dan membuat harga produk menjadi lebih murah. Filler biasanya merupakan bagian yang sangat besar dari suatu barang plastik, karena itu filler diambil dari bahan yang lebih murah daripada resin plastiknya dan filler akan sangat berpengaruh terhadap sifat dari barang plastik itu. Filler yang banyak digunakan antara lain:

1.      Wood flour            :  general purpose filler, low cost with fair strength, good moldability.

2.      Cloth fibers           :  improved impact strength, fair moldability

3.      Macerated cloth :  high impact strength, limited moldability

4.      Glass fibers           :  high strength, dimensional stability, translucent

5.      Asbestos fiber     :  heat resistance, dimensional stability

6.      Mica                         :  excellent electrical properties, low moisture absorption

Ada juga beberapa filler lain yang mulai banyak digunakan, terutama untuk memberikan kekuatan yang sangat tinggi bahkan juga pada temperatur tinggi, seperti “whisker” dari beberapa logam dan non logam, misalnya boron, stainless steel, columbium, titanium, tantalium, zirkonium, silicon carbide, dll. Whisker ini diameternya antara 1 – 5 mikron dan panjangnya 30 – 1000 mikron, mempunyai modulus elastisitas sangat tinggi dan kekuatan sampai 3.000.000psi. juga ada yang berbentuk filamen, seperti fibreglass, graphite atau boron yang diameternya beberapa per seribu inch dan panjangnya dapat dipilih sesuai dengan keperluan. Ini akan dapat memberi kekuatan sampai 350.000psi dengan modulus elastisitas 60juta psi.

Plasticizer ditambahkan dalam jumlah yang sangat kecil, dimaksudkan untuk memperbaiki/ mengendalikan flow (aliran) plastik selama proses pencetakan (molding). Banyaknya plasticizer yang diperlukan tergantung pada kerumitan bentuk cetakan dan jumlahnya harus sesedikit mungkin karena akan berpengaruh terhadap stabilitas dari produk.

COMPOSITE

Composite materials dapat didefinisikan sebagai suatu kombinasi dari dua bahan  atau lebih yang sifatnya sangat berbeda dengan sifat masing-masing bahan asalnya. Dengan mengkombinasikan bahan-bahan tertentu maka akan dapat diperoleh suatu bahan lain dengan sifat yang lebih baik dari masing-masing bahan asalnya, karena dari masing-masing bahan diambil sifat baiknya. Kombinasi tersebut harus sedemikian rupa sehingga akan saling menghilangkan sifat buruk dari bahan asalnya yang baik.

Ada beberapa composite materials yang dapat terjadi secara alamiah, misalnya saja kayu yang terdiri dari serat selulose yang berada dalam matriks lignin. Juga pada berbagai paduan logam, seperti lamel-lamel ferrite dan cementit (pearlite), paduan aluminium-tembaga dapat terjadi CuAl₂ yang tersebar dalam matriks alpha. Composite materials dapat merupakan kombinasi dari berbagai bahan, logam dengan logam, logam dengan plastik, logam dengan keramik, keramik dengan plastik. Tujuan pembentukan komposit adalah untuk menghilangkan sifat-sifat buruk dari masing-masing komponen bahan yang berkombinasi sehingga diperoleh bahan lain dengan sifat-sifat yang lebih baik.

Composite material dapat digolongkan menjadi:

1.       Agglomerated Materials

Pada agglomerated materials yang dikombinasikan adalah bahan yang berbentuk butiran dari berbagai ukuran, dengan suatu bahan perekat. Sebagai contoh adalah beton yang terdiri dari besi baja, kerikil, pasir, dan semen. Besi baja mempunyai sifat lunak dan ulet, sehingga mempunyai kemampuan menahan beban tarik dengan baik. Kerikil mempunyai sifat keras, kemampuan menerima beban tekan akan lebih baik bila rongga di antara butiran kerikil diisi pasir. Ini semua diikat menjadi satu oleh perekat/semen, sehingga diperoleh suatu bahan yang keras, padat, tahan kompresi dan tahan terhadap beban tekuk.

Contoh lain adalah lapisan aspal untuk permukaan jalan, batu gerinda, dll.

2.       Laminates

Bahan laminates dimana bahan – bahan saling melapisi. Sebagai contoh adalah kayu lapis. Setiap lapisan pada kayu lapis mempunyai arah serat yang saling tegak lurus dengan lapisan berikutnya, sehingga akan saling memperkuat.

Laminates juga dapat dilakukan pada logam dengan logam, seperti pada alclad, yaitu paduan aluminium (kuat tapi kurang tahan korosi) yang pada permukaanya dilapisi dengan lembaran aluminium murni (lebih tahan korosi) atau baja karbon yang dilapisi baja tahan karat. Juga misalnya corrugated sheet yang dilapisi flat sheet (seperti pada karton pembungkus)

3.       Surface Coated Materials

Pada surface coated material, coating biasanya akan menjadi pelindung bahan yang dilapisi, sedang kekuatan diperoleh dari bahan yang dilapisi. Misalnya seperti pada baja lapis seng, tin plated sheet, chrome plated sheet, dll.

4.       Reinforced Materials

Reinforced material ini merupakan kelompok yang paling penting dan paling banyak digunakan. Pada komposit jenis ini ada sebagian komponen yang tersusun ke arah tertentu dalam matriks dari komponen lain. Dengan demikian akan memperbaiki kekuatan ke arah tertentu tersebut. Sebagai contoh dari kelompok ini adalah beton bertulang (reinforced concrete). Beton tahan terhadap beban tekan tetapi tidak tahan terhadap beban tarik. Untuk menghilangkan keburukan tersebut, pada beton diberi baja tulangan yang akan menahan beban tarik.

Bahkan untuk lebih memperkuat lagi, besi penguatnya diberi tegangan tarik lebih dulu, sebelum adanya beban luar. Ini dinamakan prestressed concrete (beton pratekan). Contoh lain: glase fibre reinforced plastic, asbestos reinforced plastic, dll. Akhir – akhir ini juga banyak dikembangkan berbagai komposit dengan menggunakan berbagai serat (fiber) dan whisker sebagai reinforcing, seperti fiberglass, graphite, boron, kevlar, dll., dengan matriks dari logam, plastik, keramik, dll.