## Pengaruh Variasi Temperatur Kalsinasi SiO 2

## terhadap Sifat Kebasahan pada Permukaan Hidrofobik
Roihatur Rohmah, Mochamad Zainuri Jurusan Fisika, Fakultas MIPA, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia
e-mail : zainuri@physics.its.ac.id
Abstrak — Terinspirasi  dengan  biomimetic  dari  daun talas,  permukaan hydrophobic dalam  penelitian  ini  dibuat dengan  modifikasi  kekasaran  dari  SiO 2 (Silika).  TEOS ( Tetraethyl Orthosilicate )  digunakan  sebagai  sumber  silika yang  menghasilkan  prekursor  SiO 2 dengan  kemurnian 98,3±0,020  %.  Prekursor  silika  diperoleh  dari  metode  sol gel  dengan  HCL  0,1  M  sebagai  katalis.  Hasil  sintesis  ini menghasilkan fasa amorf dengan distribusi ukuran partikel 1232  nm.  Prekursor  SiO 2 diberi  perlakuan  panas  dengan variasi temperatur kalsinasi 800 , 1000, 1100, 1150, dan 1200 °C dengan waktu tahan selama 2 jam. Fasa silika hasil dari kalsinasi  yaitu  semua  amorphous  dengan  puncak  berada pada sudut ±21 °2θ. Lapisan hydrophobic diperoleh dengan menggunakan spray gun dengan  fasa  filler  silika  hasil kalsinasi  berupa  fasa  amorf.  Distribusi  ukuran  partikel filler silika hasil kalsinasi temperatur 800, 1000, 1100, 1150, dan  1200  °C  berturut-turut  sebesar  534,9  nm,  538,3  nm, 792,7 nm,  564,3 nm,  dan 680,9 nm.  Sedangkan permukaan dengan  sudut  kontak  air  dengan filler silika  hasil  kalsinasi temperatur  800,  1000,  1100,  1150,  dan  1200  °C  berturut- turut sebesar  96,86°, 90,71°, 80,33°, 92,52°, dan 90,61°.
Kata  Kunci — hydrophobic ,  sudut  kontak  air, Tetraethyl orthosilicate (TEOS).

## I. PENDAHULUAN
iomimetic merupakan prinsip meniru sifat alam [1]. Alam  mempunyai  sifat  yang  unik  dan  konstruksi tersendiri.  Telah  ada  berbagai  material  yang  sifatnya meniru  sifat  alam.  Misalnya,  permukaan  anti  air  yang meniru  prinsip  daun  talas  ketika  terkena  air.  Permukaan daun  talas  merupakan  salah  satu  permukaan  dari  benda yang sifatnya superhidrofobik (anti air). Permukaan yang bersifat  anti  air  dipengaruhi  oleh  dua  faktor  yaitu komposisi  kimia  dari  suatu  permukaan  dan  faktor kekasaran [2]. Komposisi kimia dari permukaan material mempengaruhi sifat superhidrofobik karena sifat air yang tidak simetri atau polar, maka permukaan superhidrofobik  harus  bersifat  nonpolar.  Kesimetrian suatu material dapat diperoleh dari reaksi kimia.
Selain  dari  komposisi  kimia,  faktor  kekasaran  juga berpengaruh  saat  ada  interaksi  antara  air  dengan permukaan yang mengakibatkan adanya gaya aksi-reaksi antar keduanya. Dengan mengunakan prinsip dari hukum kesetimbangan yaitu semakin kasar suatu permukaan/semakin  sedikit  bagian  permukaan  air  yang menyentuh permukaan, maka air semakin setimbang [3]. Dengan  adanya  kesetimbangan  pada  air  inilah  yang menyebabkan  air  tetap  berbentuk  bola  sehingga  tidak akan membasahi permukaan. Pada penelitian sebelumnya telah  dikembangkan  permukaan hydrophobic dari komposit PDMS/SiO 2 yang  dapat  memberikan  hasil
permukaan hydrophobic dengan  sudut  kontak  air mencapai  148,26°  [4].  Dalam  penelitian  tersebut digunakan  media  kaca  sebagai  bahan  yang  dilapisi permukaan hydrophobic. Untuk  memaksimalkan  daya guna  silika  sebagai  material hydrophobic, maka  dalam penelitian  ini  akan  dilakukan  sintesis  dan  karakterisasi permukaan hydrophobic dari  komposit  SiO 2 dengan  cat mobil.
Silika  diperoleh  dari  material  sintetik  yaitu  TEOS ( Tetraethyl Orthosilicate ).  Variasi  dalam  penelitian  ini yaitu  variasi  temperatur  kalsinasi  silika  yang  digunakan sebagai filler dalam  pembuatan  lapisan  hidrofobik.  Dari hasil  variasi  yang  dilakukan  dapat  diketahui  lapisan hidrofobik dengan sudut kontak air yang terbentuk yaitu >90°.  Pengukuran  sudut  kontak  air  ditentukan  dengan mengukur  sudut  antara  permukaan  air  terhadap permukaan lapisan padat yang berinteraksi dengan air .

## II. METODE PENELITIAN

## Bahan
Bahan-bahan  yang  digunakan  dalam  penelitian  ini meliputi Tetraethyl  Orthosilicate (TEOS),  etanol, aquades,  HCl,  cat  mobil  (Merk  Nippe  2000),  PDMS ( Polydimethylsiloxane ), plat alumunium, dan thinner.
1) Prosedur Kerja
 Sintesis Silika
Sumber  silika  yaitu  TEOS  sebanyak  5  ml  dicampur dengan  etanol  5  ml  dan  di  masukkan  ke  dalam  gelas beker  lalu  di stirrer selama  10  menit  dalam  temperatur ruang.  Selanjutnya,  diukur  aquades  sebanyak  10  ml  dan ditetesi  dengan  HCl  0,1  M  sebanyak  3-4  tetes  lalu diaduk. Setelah itu, dituang larutan HCl ke dalam larutan TEOS  lalu  di stirrer selama  5  menit  dalam  temperatur ruang  dengan  kecepatan  konstan.  Selanjutnya,  larutan dipanaskan dalam  temperatur  60  °C  selama  1,5  jam  dan di stirrer dengan  kecepatan  konstan.  Setelah  1,5  jam, larutan didinginkan sampai menjadi gel. Lalu gel tersebut dikeringkan  pada  temperatur  100  °C  sampai  kering. Selanjutnya  sampel  dimortar  hingga  menjadi  serbuk silika  amorf.  Kemudian  serbuk  silika  amorf  dikalsinasi dengan  variasi  temperatur  800,  1000,  1100,  1150,  dan 1200 °C dengan waktu tahan 2 jam.
 Preparasi Lapisan Lapisan hydrophobic dibuat  dengan  dicampurkan  cat mobil  dan thinner dengan  perbandingan  2  ml  :  2  ml diaduk selama 10 menit. Setelah itu, ditambahkan serbuk silika  0,1  gr  dan  di- ultrasonic  cleaner selama  30  menit agar  silika  dapat  terdistribusi  secara  merata  atau homogen  dalam  larutan  cat.  Untuk  mengurangi  energi
B
permukaan  dari  cat  yang  tinggi,  ditambahkan  3  tetes PDMS  dan  di- stirer selama  5  menit.  Selanjutnya, campuran dilapiskan pada plat alumunium 2cm x 2cm x 1mm    dengan  spray  gun  dengan  10  kali  semprotan sampai  semua  permukaan  terlapisi.  Lapisan  dikeringkan dengan temperatur 100°C selama 24 jam.
 Karakterisasi permukaan hidrofobik Sudut  kontak  air  diukur  dengan software  Image  J . Filler silika  untuk  lapisan  hidrofobik  dilakukan pengukuran  distribusi  ukuran  partikel  dengan Particle Size Analyzer (PSA). Untuk mengetahui fasa filler silika dilakukan  pengujian X-Ray  Diffractometer (XRD). Differential  Scanning  Calorimetry-  Thermogravimetric Analysis (DSC-TGA)  untuk  mengetahui  temperatur terjadinya pengurangan massa dan perubahan fasa.

## III. HASIL DAN PEMBAHASAN
Material  dasar  yang  digunakan  dalam  penelitian  ini berupa silika sintetik yaitu TEOS ( Tetraethyl Orthosilicate). Silika  digunakan  sebagai  penunjang  sifat hydrophobic suatu  lapisan.  Metode  sintesis  yang digunakan  yaitu  metode  sol-gel.  Dalam  metode  sol-gel terjadi  proses  hidrolisis  pada  TEOS  yang  terlarut  dalam etanol.  Proses  hidrolilis  menghasilkan  sol.  Proses pembentukan  sol  digunakan  temperatur  60°C  dengan tujuan  untuk  mempercepat  proses  hidrolisis  tanpa menghilangkan  pelarut  (etanol)  di  dalamnya.  Setelah terbentuk  sol,  maka  proses  menuju  bentuk  gel  terjadi pada  proses  kondensasi.  Pembentukan alcogel (gel basah)  diperoleh  dari  proses  pematangan  selama  ±24 jam. Alcogel terdapat jaringan SiO 2 yang dikelilingi oleh pori-pori  yang  berisi  EtOH  (etanol)  dan  H 2 O. Selanjutnya Alcogel dikeringkan  dengan  temperatur 100°C sampai material berubah menjadi seperti pecahan kaca.    Proses  pengeringan  dilakukan  untuk  menguapkan pelarut dan gel yang telah mengalami penambahan cross - linking pada grup –OH dan –OR yang tidak bereaksi  [5]. Pada proses ini akan terjadi pengurangan volum. Xerogel (gel kering) tersebut kemudian dihaluskan dengan mortar untuk mendapatkan xerogel dalam bentuk serbuk.
Variasi  temperatur  kalsinasi  ditentukan  dari  hasil pengujian
DSC-TGA ( Differential
Scanning
Calorimetry-  Thermogravimetric  Analysis) .  Pengujian DSC-TGA  dilakuakan  dengan  pemberian  perlakuan panas  0-1350  °C.  Pada  Gambar  3.1  kurva  berwarna merah  (DSC)  menunjukkan  adanya  reaksi  eksoterm  dan endoterm.  Puncak  endoterm  terjadi  pada  temperatur 100 °C  dengan  ditandai  adanya  lembah  pada  kurva. Sedangkan  pada  temperatur  ±1300  °C  juga  terdapat puncak  endoterm.  Terjadinya  puncak  eksoterm  dan endoterm  pada  hasil  pengujian  karena  ada  proses pelepasan dan penyerapan panas [6].
Akibat  adanya  perubahan  panas  ini  memungkinkan terjadinya proses transformasi fasa.  Selain kurva merah, juga  terdapat  kurva  hitam  yang  menunjukkan  hasil pengujian  TGA.  Hasil  pengujian  ini  menunjukkan adanya  pengurangan  massa  SiO 2 saat  diberi  perlakuan panas.  Pada  temperatur  0-120°C  terjadi  pengurangan massa secara ekstrim yang disebabkan sisa kandungan air pada  sampel  silika  yang  menguap.  Selain  itu, pengurangan  massa  secara  signifikan  pada  temperatur 120-1150°C.  Pengurangan  ini  dapat  terjadi  karena adanya proses pembentukan fasa baru pada silika disertai proses  penguapan.  Proses  penguapan  dikarenakan xerogel silika  yang  telah  menjadi  serbuk  masih mengandung  sisa  grup  –OR  yang  menguap  pada temperatur  500°C  [5].  Pada  temperatur  1150  °C  terjadi penambahan  massa  yang  diikuti  dengan  adanya  aliran panas  menuju  lembah  endoterm  sampai  temperatur ±1300 °C. Pada temperatur tersebut kemungkinan terjadi pembentukan  fasa  kristal  (fasa  kristobalit)  dengan persentase yang cukup tinggi.
Hasil pengujian DSC-TGA ini didapatkan temperatur kalsinasi 800, 1000, 1100, 1150, 1200°C. Karena dengan temperatur  tersebut  mulai  terjadi  pembentukan  fasa kristal  atau  terjadi  transformasi  fasa  kristal  satu  dengan kristal  yang  lainnya.  Semakin  kecil  rentang  temperatur yang digunakan, dapat diketahui pada temperatur tertentu fasa sampel mengalami perubahan. Berdasarkan penelitian  yang  pernah  dilakukan  Martínez  (2006) dengan  menggunakan xerogel silika  dari  material  dasar TEOS,  fasa  kristobalit  terbentuk  pada  temperatur ±1470°C[7].  Karena  fasa  dari  material xerogel silika yang  terbentuk  adalah  amorf,  sehingga  untuk  mengubah fasa  material  menjadi  kristobalit  membutuhkan  energi yang besar.
Gambar 3.2 Pola XRD (a) silika sebelum kalsinasi dan (b) silika setelah kalsinasi
Prekursor  silika  hasil  dari  proses  sol  gel  ini  adalah silika  dengan  fasa  amorf.  Hal  ini  dapat  dibuktikan dengan  melihat  pola  XRD  pada  Gambar  3.2a.  Dengan demikian  dapat  diketahui  bahwa  susunan  atom-atom
dalam  material  silika  masih  acak.  Hasil  silika  kalsinasi juga  dilakukan  pengujian  XRD  Gambar  3.2b  dan diketahui  bahwa  fasa  silika  hasil  kasinasi  juga  berupa amorf.
Tabel 3.1 Distribusi ukuran partikel silika No. Nama Lapisan WCA (°) 1 Tanpa lapisan 67,43 2 Tanpa silika 79,18 3 Silika 800°C 96,86 4 Silika 1000°C 90,71 5 Silika 1100°C 80,33 6 Silika 1150°C 92,52 7 Silika 1200°C 90,61
Hasil  analisa  didapatkan  bahwa  semua  sampel  belum terbentuk  fasa  kristal.  Hal  ini  dikarenakan  kurangnya waktu  tahan  pada  saat  proses  kalsinasi.  Sesuai  dengan yang  dilakukan  oleh  Hill  dan  Roy  (1958)  yang  pernah membuat  prekursor  SiO 2 dari  sumber  silika  gel  dan didapatkan  sampel  berfasa  kristobalit  pada  temperatur ~1100°C  dengan  waktu  tahan  kalsinasi  selama  11  hari [8].  Dalam  penelitian  Martinez  (2006)  sampel  dengan difraksi ±21°2θ menunjukkan struktur amorf seperti fasa low - cristobalite .  Struktur  tersebut  dapat  diindikasikan sama  seperti  fasa  kristal  karena  mengacu  pada  bentuk kristalnya yaitu berbentuk tetragonal [7].
Tabel 3.2 Hasil pengukuran sudut kontak air (WCA)
pada permukaan No. Nama Lapisan WCA (°) 1 Tanpa lapisan 67,43 2 Tanpa silika 79,18 3 Silika 800°C 96,86 4 Silika 1000°C 90,71 5 Silika 1100°C 80,33 6 Silika 1150°C 92,52 7 Silika 1200°C 90,61
Hasil  pengukuran  distribusi  ukuran  partikel  silika dapat  dilihat  pada  Tabel  3.1.  Dari  tabel  tersebut  dapat diketahui  bahwa  dari  temperatur  800°C  sampai  1100°C terjadi  peningkatan  distribusi  ukuran  partikel  untuk temperatur yang semakin tinggi. Namun, pada temperatur 1100°C terjadi anomali yang ditandai dengan peningkatan  distribusi  ukuran  partikel  yang  ekstrim dibandingkan dengan  peningkatan pada temperatur yang lain.
Sifat  hidrofobik  suatu  permukaan  dapat  dilihat  dari parameter  pengujian  sudut  kontak  air.  Hasil  pengukuran WCA  dapat  dilihat  pada  tabel  3.2.  WCA  permukaan tanpa  lapisan  dan  permukaan  lapisan    tanpa  silika membentuk sudut kurang dari 90° yang dianalisis bahwa permukaan plat alumunium dan permukaan lapisan tanpa silika  atau  lapisan  hanya  dari  cat  dan thinner menghasilkan  permukaan  yang  bersifat  hidrofilik (terbasahi).  Sedangkan hasil WCA  lapisan  dengan  silika kalsinasi  memiliki  rata-rata  permukaan  yang  bersifat hidrofobik  (anti  air).  Namun,  untuk  permukaan  silika kalsinasi  temperatur  1100°C  menghasilkan  WCA  <90°. Pada  permukaan  dengan  lapisan  silika  kalsinasi  1100°C yang  besifat  hidrofilik  tersebut  terjadi  karena  ukuran distribusi pertikelnya hampir mendekati 1 µm. Kekasaran permukaan  terbentuk  dari  partikel  silika  yang  menjadi filler dari  lapisan.  Dengan  ukuran  partikel  yang  besar maka  akan  memperkecil  luas  permukaan  spesifik  (luas
permukaan per satuan massa). Kekasaran yang sedikit ini yang  akan  menghasilkan  interaksi  yang  besar  terhadap air.  Sehingga  permukaan  akan  cenderung  terbasahi karena air tidak dalam keadaan setimbang.
Pada  Gambar  4.9  terlihat  morfologi  hasil  pengujian SEM  pada  permukaan  dengan filler silika  kalsinasi 800°C,  dimana  pada  gambar  tersebut  terlihat  kekasaran yang dibentuk oleh silika yang ditunjukkan pada gambar yang berwarna putih. Gambar warna hitam menunjukkan matriks  pada  permukaan.  Dari  gambar  hasil  SEM  dapat dibandingkan antara permukaan dengan filler silika hasil kalsinasi  800°C  dengan filler silika  kalsinasi  1100°C. Pada  Gambar  4.9  kekasaran  lebih  tampak  dibandingan dengan kekasaran pada Gambar 4.10. Hal ini dipengaruhi oleh  ukuran  partikel  pengisi  matriks.  Dimana  ukuran partikel  pada  silika  kalsinasi  1100°C  sebesar  792,7  nm dan silika kalsinasi 800°C sebesar 534,9 nm.
Gambar 3.4 Hasil SEM permukaan silika kalsinasi (a)
800°C dan (b) 1100°C
Adanya  variasi  temperatur  dalam  penelitian  ini  dapat diketahui  pengaruh  distribusi  ukuran  partikel  yang dihasilkan  yaitu  semakin  tinggi  temperatur,  maka semakin  besar  pula  ukuran  partikel.  Ukuran  ditribusi partikel  yang  kecil  akan  memberikan  pengaruh  pada kekasaran  yang  besar.  Sehingga  akan  ada  sedikit interaksi antara padatan dengan cairan dan semakin besar interaksi  antara  cairan  dengan  udara.  Hal  ini  sesuai dengan  model  cassie.  Pada  penelitian  ini  diketahui lapisan  dengan  silika  hasil  kalsinasi  800°C  memiliki sudut kontak air yang paling tinggi yaitu 96,86°.

## IV. KESIMPULAN
Dari analisa yang telah dilakukan diketahui bahwa: 1. Telah  berhasil  dilakukan  sintesis  SiO 2 dari  TEOS dengan metode Sol Gel dan didapatkan serbuk SiO 2 . 2. Lapisan hydrophobic diperoleh dengan menggunakan spray gun dengan:
- Fasa filler silika hasil kalsinasi berupa fasa amorf.
- Distribusi  ukuran  partikel filler silika  hasil kalsinasi  temperatur  800,  1000,  1100,  1150,  dan 1200  °C  berturut-turut  sebesar  534,9  nm,  538,3 nm, 792,7 nm, 564,3 nm, dan 680,9 nm.
- Permukaan  dengan  sudut  kontak  air  dengan filler silika  hasil  kalsinasi  temperatur  800,  1000,  1100, 1150, dan 1200 °C berturut-turut sebesar  96,86°,
90,71°, 80,33°, 92,52°, dan 90,61°.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis R. R. mengucapkan terima kasih kepada dosen pembimbing  Tugas  Akhir  Dr.  M.  Zainuru,  M.  Si  yang telah  banyak  memberikan  pengarahan  dalam  pembuatan artikel  ini  dan    teman  sekelompok  tema  tugas  akhir hidrofobik  yang  telah  meluangkan  waktu  untuk berdiskusi bersama.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] B.  Bhushan  and  Y.  C.  Jung,  “Natural  and biomimetic
artificial
surfaces for superhydrophobicity,  self-cleaning,  low  adhesion, and drag  reduction,” Prog.  Mater.  Sci. ,  vol.  56,  no.
1, pp. 1–108, 2011.
[2] S. L. Sanjay, B. G. Annaso, S. M. Chavan, and S. V. Rajiv,  “Recent  progress  in  preparation  of superhydrophobic  surfaces:  a  review,” J.  Surf.  Eng. Mater. Adv. Technol. , vol. 2012, 2012.
[3] H.  Siregar, Peranan  Fisika  Pada  Disiplin  Ilmu Teknik Kimia . 2009.
[4] R.  Finanti  and  M.  Zainuri,  “Pengaruh  Jenis  Fasa SiO2  (Amorphous,  Quartz,  Cristobalite)  terhadap sifat Hydrophobic pada Media Kaca,” J.  Sains  Dan Seni ITS , 2016.
[5] A.  M.  Buckley  and  M.  Greenblatt,  “The  sol-gel preparation of silica gels,” J.  Chem.  Educ. ,  vol.  71, no. 7, p. 599, 1994.
[6] M. Guglielmi, G. Kickelbick, and A. Martucci, Sol- Gel Nanocomposites . Springer, 2014.
[7] J.  R.  Martínez,  S.  Palomares-Sánchez,  G.  Ortega- Zarzosa,  F.  Ruiz,  and  Y.  Chumakov,  “Rietveld refinement of amorphous SiO2 prepared via sol–gel method,” Mater. Lett. , vol. 60, no. 29–30, pp. 3526– 3529, Dec. 2006.
[8] V. G. Hill and R. Roy, “Silica structure studies: V, the variable inversion in cristobalite,” J. Am. Ceram.
Soc. , vol. 41, no. 12, pp. 532–537, 1958.