## Pengaruh Waktu Tahan Proses Kalsinasi Prekursor Silika sebagai Material Pelapis Hidrofobik
Dwi Ratna Setya Pambudi, 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 —  Sintesis  prekursor  SiO 2 telah  dilakukan dengan  menggunakan  metode  sol-gel.  Bahan  dasar  yang digunakan pada penelitian ini adalah Tetraethyl orthosilicate (TEOS). Prekursor silika yang dihasilkan dari metode sol-gel memiliki  distribusi  ukuran  partikel  1232nm dengan  kemurnian  98,3±0,02%.  Struktur  yang  terbentuk adalah amorf. Prekursor silika dikalsinasi pada temperatur 1000 0 C  dengan  variasi  waktu  tahan  2,  4,  6,  dan  8  jam. Serbuk  silika  yang  telah  dicampur  dengan  cat  dilapiskan pada  permukaan  plat  alumunium.  Serbuk  silika  hasil kalsinasi  dikarakterisasi  dengan  menggunakan X-Ray Difractometer (XRD),  dan  morfologi  permukaan  lapisan diamati dengan menggunakan Scanning Electron Miscroscope (SEM).  Pada  penelitian  ini,  struktur  yang terbentuk  dari  serbuk  silika  hasil  kalsinasi  adalah  amorf. Sudut kontak diukur dengan menggunakan software image J .  Hasil  analisa  menunjukkan  bahwa  sudut  kontak  yang terbentuk untuk kalsinasi prekursor silika pada temperatur 1000 0 C  dengan  waktu  tahan  2,  4,  6,  dan  8  jam  berturut- turut adalah 90,71 0 ; 82,75 0 ; 91,10 0 ; dan 91,99 0 .
Kata Kunci — amorf, kalsinasi, silika, waktu tahan.

## I. PENDAHULUAN
ebutuhan masyarakat terhadap material yang besifat anti  air  semakin  meningkat  dikarenakan  adanya potensi yang bagus dalam pengaplikasiannya. Salah satu contohnya  yaitu  pelapisan  pada  badan  mobil  sebagai material  anti  air.  Teknologi  anti  air  ini  diadopsi  dari kemampuan  daun  talas  dalam  menolak  air.  Daun  talas memiliki struktur permukaan yang unik sehingga mampu menahan  air  yang jatuh  pada  permukaannya.  Butiran air yang  berbentuk  bulat  dan  mampu  menggelinding  diatas daun  talas  dapat  mengangkat  partikel  kotor  yang menempel  sehingga  disebut  dengan self-cleaning (mampu  membersihkan  dirinya  sendiri).  Kemampuan daun  talas  yang  dapat  menolak  air  tersebut  disebut dengan  hidrofobik . Ada  dua  aspek  yang  berkaitan  erat dengan  sifat  hidrofobik suatu  permukaan  yaitu  geometri permukaan  dan  komposisi  kimia  permukaan.  Geometri permukaan  berkaitan  dengan  kekasaran  dimana  semakin kasar  permukaan  maka  sifat  hidrofobik-nya  semakin baik.  Sedangkan  komposisi  kimia  permukaan  berkaitan dengan sifat molekul-molekul penyusun permukaan. Jika molekul-molekul penyusun permukaan cenderung bersifat  polar,  maka  hal  ini  dapat  menyebabkan terjadinya  tarik-menarik  antara  molekul  permukaan  dan molekul-molekul H 2 O yang juga bersifat polar, sehingga sifat  hidrofobik-nya  buruk.  Permukaan  hidrofobik mampu  diamati  melalui  sudut  kontak  yang  terbentuk.
Semakin  besar  sudut  kontaknya,  maka  kemampuan permukaan menahan air akan semakin meningkat. Untuk membuat permukaan yang bersifat hidrofobik maka perlu dilakukan  modifikasi  permukaan  berdasarkan  kekasaran dan  komposisi  kimia  permukaan.  Salah  satu  caranya yaitu  dengan  menambahkan  silika  pada  cat  yang digunakan untuk melapisi permukaan.
Pemanfaatan silika sebagai campuran untuk pembentukan  lapisan  hidrofobik didasarkan  pada karakteristik material tersebut yang cukup baik dalam hal stabilitas  hidrofobik . Dalam  penelitian  ini  silika didapatkan  dari  hasil  sintesis Tetraethyl  orthosilicate (TEOS)  dengan  menggunakan  metode  sol-gel.  TEOS merupakan  prekursor  dalam  pembuatan  nanopartikel silika.  Salah  satu  metode  yang  cukup  terkenal  untuk membuat  nanopartikel  silika  adalah  dengan  metode Stӧber  dimana  menggunakan  campuran  alkohol  atau  air untuk  mengontrol  hidrolisis  dan  kondensasi  dari  TEOS. Katalis yang biasa digunakan untuk proses hidrolisis dan kondensasi dari TEOS adalah amonia. Teknik ini terbukti memiliki  kontrol  yang  relatif  baik  atas  ukuran  partikel dan distribusi ukuran untuk kadar padat yang rendah [1]. Struktur  TEOS  ditampilkan  pada  Gambar  2.3.  Dalam penyusunan  nanopartikel  silika,  kecepatan  dan  tingkat reaksi  hidrolisis  TEOS  dipengaruhi  oleh  kondisi  reaksi seperti ukuran partikel silika dan banyaknya penambahan nanopartikel  pada  reaksi,  sehingga  diperlukan  adanya penambahan surfaktan kationik [3].
Gambar 1 Struktur TEOS [2]
Silika  gel  adalah  bahan  yang  paling  sering  disintesis melalui hidrolisis monomer. Prekursor alkoxide menggunakan  mineral  asam  (seperti  HCl)  atau  basa (seperti  NH 3 )  sebagai  katalis.  Pada  tingkat  gugus fungsional,  tiga  reaksi  yang  secara  umum  digunakan untuk  menggambarkan  proses  sol-gel  adalah  sebagai berikut :
Hidrolisis ≡Si-OR+H 2 O ↔ ≡Si-OH + ROH (1)
K
Kondensasi Alkohol ≡Si-OR+HO-Si ↔ ≡Si-O-Si≡ + ROH (2) Kondensasi Air ≡Si-OH+HO-Si≡ ↔ ≡Si-O-Si≡ + H 2 O (3)
Dimana R adalah grup alkyl, C x H 2x+1 . Reaksi hidrolisis (pada  persamaan  1)  menggantikan  grup alkoxide (OR) dengan grup hydroxyl (OH) [4].
Studi  tentang  sifat  kebasahan  biasanya  melibatkan pengukuran  terhadap  sudut  kontak  sebagai  data  primer, yang  menunjukkan  tingkat  pembasahan  ketika  terjadi interaksi  antara  permukaan  padat  dengan  zat  cair.  Sudut kontak  yang  kecil  (<90°)  mempunyai  sifat  kebasahan yang  tinggi,  sedangkan  sudut  kontak  yang  besar  (>90°) mempunyai sifat kebasahan yang rendah [1]

## II. METODOLOGI PENELITIAN
Bahan  yang  digunakan  dalam  penelitian  ini  adalah Tetraethylorthosilicate (TEOS), HCl 0.1M, ethanol 98%, aquades,  cat  mobil  Nippe  2000, thinner A  special, Polydimethilsiloxane (PDMS), dan plat alumunium.

## Preparasi Prekursor Silika
Sintesis  silika  menggunakan  metode  sol-gel  diawali dengan  mencampurkan  5ml  TEOS  dan  5ml  etanol kedalam  gelas  beker,  yang  kemudian  disebut  larutan TEOS.  Larutan  TEOS  diaduk  dengan  menggunakan magnetic  stirrer .  HCl  0,1M  dicampurkan  sebanyak  3 tetes  kedalam  10ml  aquades,  yang  selanjutnya  disebut larutan  HCl.  Larutan  HCl  kemudian  dicampurkan kedalam larutan TEOS dan diaduk dengan menggunakan magnetic  stirrer, yang  dilanjutkan  dengan  pemanasan pada  temperatur  60 0 C  selama  1,5jam  dengan  kondisi tetap diaduk. Larutan didiamkan selama 24jam pada suhu ruang.  Setelah  terbentuk  lapisan  gel,  selanjutnya dilakukan  pemanasan  pada  temperatur  100 0 C.  Prekursor silika  yang  masih  berbentuk  kristal  digerus  dengan menggunakan mortar terlebih dahulu untuk mendapatkan serbuk  silika.  Selanjutnya  dilakukan  kalsinasi pada suhu 1000 0 C dengan variasi waktu tahan 2, 4, 6, dan 8 jam.

## Preparasi Lapisan Hidrofobik
Penambahan silika ke dalam cat dilakukan dengan 0,1 gram  silika  dicampur  pada  2ml  cat,  2ml thinner ,  dan  3 tetes PDMS, kemudian diaduk menggunakan stirrer agar homogen.  Cat  yang  sudah  dicampur  dengan  silika dilapiskan  pada  plat  alumunium  dengan  menggunakan spray  gun yang  kemudian  dilakukan  pengeringan  dan pengukuran sudut kontak dengan menggunakan kamera.

## Karakterisasi Bahan Uji
Pada  penelitian  ini,  sampel  dikarakterisasi  dengan X- Ray  Flourosence (XRF)  untuk  mengetahui  konsentrasi unsur  yang    ada  dalam  bahan, Particle  Size  Analyzer (PSA)  untuk  mengetahui  ukuran  partikel, Differential Scanning  Calorimetry / Thermogravimetry  ( DSC/TGA) untuk  mengetahui  temperatur  terjadinya  pengurangan massa dan perubahan fasa , X-Ray Diffractometer (XRD) untuk  mengetahui  fasa  yang  terbentuk, Scanning Electron Microscopy (SEM) untuk mengetahui morfologi permukaan,  ,  dan Image  J  software untuk  menganalisa sudut kontak (WCA) yang terbentuk.

## III. HASIL DAN PEMBAHASAN

## Hasil Sintesis Silika
Prekursor  silika  diperoleh  dari  TEOS  ( Tetraethyl Orthosilicate ) dengan menggunakan langkah seperti pada metodologi.  Bahan  diuji  dengan  menggunakan X-Ray Fluorescene (XRF)  untuk  dapat  mengetahui  komposisi kimia  beserta  konsentrasi  unsur-unsur  yang  terkandung. Hasil  uji  kandungan  unsur  prekursor  silika  dapat  dilihat pada  Tabel  4.1  dimana  terdapat  Si  sebagai  komponen utama  dengan  kandungan  sebesar  98,3%  dan  beberapa unsur  pengotor  yang  terdiri  dari  Kalsium,  Besi,  Nikel, dan  Tembaga  dimana  total  konsentrasinya  kurang  dari 2%.  Hal  ini  menandakan  bahwa  prekursor  silika  yang dihasilkan  dari  proses  sol-gel  memiliki  tingkat kemurnian yang tinggi.
Tabel 1. Kandungan unsur prekursor silika Unsur Konstentrasi Si 98,3% Ca 1,1% Fe 0,19% Ni 0,22% Cu 0,14% Hasil Pengujian DSC-TGA Pengujian DSC-TGA
diperlukan untuk mengidentifikasi  perilaku  fasa  yang  terbentuk  akibat perlakuan  panas  sehingga  dapat  mengetahui  ketepatan perlakuan pemanasan untuk dapat membentuk fasa yang diinginkan.  Hasil  pengujian  DSC-TGA  prekursor  silika dengan  menggunakan  metode  sol-gel  dapat  dilihat  pada Gambar 2 dan Gambar 3.
Gambar 2 kurva TGA prekursor silica
Gambar 3 Kurva DSC prekursor silika Gambar  2  merupakan  kurva  TGA  yang  memberikan informasi tentang pengurangan massa ( weight loss ) pada sampel  terhadap  perubahan  temperatur  yang  diberikan pada  rentang  0 0 -1300 0 C.  Berdasarkan  kurva  tersebut dapat  diketahui  bahwa  terjadi  pengurangan  massa sebesar  20,17%  pada  temperatur  0,90 0 -169 0 C  dengan kecepatan  pengurangan  massa  berdasarkan  temperatur sebesar 16,24mgs 0 C -1 . Pengurangan massa ini diindikasikan  terjadi penguapan  molekul air yang secara
alami  terserap  serbuk  prekursor  silika.  Pada  temperatur diatas 169 0 C terjadi kestabilan pada kurva TGA. Hal ini menandakan  tidak  terjadi  pengurangan  massa  secara signifikan.
Untuk  dapat  mengetahui  analisis  termal  pada prekursor silika maka diperlukan kurva DSC seperti yang dapat  dilihat  pada  Gambar  3.  Kurva  DSC  merupakan kurva  berwarna  merah  yang  memberikan  informasi mengenai  peristiwa  termal  seperti  dekomposisi  atau perubahan  struktur  kristal  yang  berkaitan  dengan kenaikan  temperatur.  Pada  kurva  DSC  tersebut  terjadi perubahan  namun  tidak  terlalu  signifikan.  Pada temperatur  900 0 -1100 0 C  terjadi  penurunan  yang  cukup stabil,  maka  dipilih  temperatur  1000 0 C  untuk  mengkaji peristiwa  termal  yang  terjadi  pada  prekursor  silika. Kalsinasi  pada  temperatur  1000 0 C  dilakukan  dengan variasi  waktu  penahanan  (waktu  tahan)  selama  2,  4,  6, dan 8jam untuk dapat mengetahui pengaruh waktu tahan terhadap sudut kebasahan.

## Hasil Pola Difraksi Sinar-X
Pengujian  dilakukan  menggunakan  sinar-x  (target  Cu, dari K-α) dengan sudut panjang 2θ yaitu antara 15°-50°. Punuk  yang  muncul  berbentuk  landai  dan  melebar  yang menandakan  struktur  yang  terbentuk  adalah  amorf. Punuk  terbentuk  pada  posisi  2theta  disekitar  15 0 -30 0 dimana  punuk  tertinggi  berada  pada  2theta  pada  23,3 0 . Gambar  4  menunjukkan  hasil  pola  difraksi  prekursor silika hasil sol-gel yang berstruktur amorf.
Setelah dikalsinasi hasil pola difraksi ditunjukkan pada Gambar  5.  Dari  keempat  pola  yang  didapatkan  tidak ditemukan  puncak  yang  menandakan  adanya  fasa  yang terbentuk  sehingga bisa  disimpulkan  bahwa  silika  hasil sol-gel  dengan  perlakuan  kalsinasi  pada  temperatur 1000 0 C  dengan  variasi  waktu  tahan 2,  4,  6,  dan  8  jam memiliki struktur amorf. Stuktur amorf dapat dilihat dari bentuk punuk yang lebar dan melandai. Punuk terbentuk pada  posisi  2θ  disekitar  15 0 -30 0 dimana  punuk  tertinggi berada  pada  2θ  disekitar  21,5 0 -22,19 0 .  Puncak  kristal tetap tidak muncul meskipun sudah dilakukan penambahan waktu penahanan hingga 8 jam.
Gambar 4 Pola difraksi sinar X prekursor silika hasil
sol-gel
Gambar 5 Pola difraksi sinar X serbuk silika dengan kalsinasi temperatur 1000ºc selama 2, 4, 6, dan 8 jam

## Hasil Uji Particle Size Analyzer (PSA)
Serbuk  silika  yang  telah  dikalsinasi  kemudian dilakukan  uji  (PSA)  untuk  dapat  mengetahui  ukuran partikel  yang  selanjutnya  dilakukan  analisis  hubungan antara  waktu  tahan dengan  ukuran  partikel.  Kalsinasi dilakukan  pada  temperatur  1000 0 C  dengan  waktu  tahan 2,  4,  6,  dan  8jam.  Ukuran  partikel  ketika  silika dikalsinasi  dengan  waktu  tahan  2  jam  adalah  sebesar 538,3nm.  Ketika  waktu  tahan dinaikkan  menjadi  4  jam terjadi  peningkatan  ukuran  partikel  menjadi  642,5nm. Hal  ini  disebabkan  ketika  proses  kalsinasi  terjadi penguapan  molekul  air  yang  akan  meninggalkan  ruang kosong yang kemudian menyebabkan partikel cenderung beraglomerasi. Saat waktu tahan mencapai 6jam, ukuran partikel  mengalami  perubahan  menjadi  617,3nm,  dan ketika  waktu  tahan  8jam,  ukuran  partikel  silika  adalah sebesar 601,4nm.
Tabel 2. Hubungan waktu tahan dengan ukuran partikel
No. Waktu Tahan (Jam) Ukuran Partikel (nm) 1. 2 538,3 2. 4 642,5 3. 6 617,3 4. 8 601,4

## Analisis Sudut Kontak
Plat  alumunium  setelah  dilapisi  cat  tanpa  silika menghasilkan  sudut  kontak  sebesar  79,18 0 .  Hal  ini menunjukkan  bahwa  plat  alumunium  masih  bersifat hidrofilik, yaitu belum memiliki kemampuan menolak air dengan  baik.  Untuk  dapat  meningkatkan  kemampuan menolak  air,  maka  ditambahkan  silika  pada  cat. Pelapisan  permukaan  dengan  menggunakan  silika berhubungan dengan kekasaran dimana tingkat kekasaran bertambah karena adanya silika yang menyebar. Tingkat kekasaran  tersebut  dapat  mempengaruhi  kemampuan permukaan  dalam  menolak  air  menjadi  semakin  baik. Sehingga  air  yang  diteteskan  pada  substrat  yang  telah dilapisi silika dapat membentuk sudut kontak yang lebih besar.  Pelapisan  pada  substrat  menggunakan  bahan utama  berupa  silika  yang  telah  dikalsinasi  pada temperatur  1000 0 C  dengan  variasi  waktu  tahan  2,  4,  6, dan 8 jam.
Gambar 6 Sudut kontak antara tetesan air dengan lapisan permukaan dengan penambahan silika
Tabel 3. Hubungan waktu tahan dengan sudut kontak No. Waktu Tahan (Jam) Sudut Kontak ( 0 ) 1. 2 90,71 2. 4 82,75 3. 6 91,10 4. 8 91,99
Hasil  pengukuran  sudut  kontak  pada  lapisan permukaan  dengan  penambahan  silika  ditampilkan  pada Gambar 6. Pemberian variasi  waktu tahan 2, 4, 6, dan 8 jam  pada  temperatur  kalsinasi  1000 0 C  memperlihatkan adanya  perubahan  besar  sudut  kontak  yang  terbentuk. Saat  waktu  tahan  2  jam,  sudut  kontak  yang  terbentuk adalah  sebesar  90,71 0 .  Hal  ini  menunjukkan  bahwa lapisan  permukaan  sudah  dapat  dikatakan  hidrofobik, dikarenakan besarnya sudut kontak sudah lebih dari 90 0 . Namun  ketika  waktu  tahan  4  jam,  terjadi  penurunan sudut  kontak  sebesar  7,96 0 ,  yaitu  82,75 0 .  Lapisan permukaan  tersebut  belum  dapat  dikatakan  hidrofobik karena  sudut  kontaknya  kurang  dari  90 0 .  Terjadinya penurunan  sudut  kontak  tersebut  dapat  diakibatkan  oleh beberapa  faktor,  salah  satunya  adalah  partikel  silika ketika waktu tahan 4 jam berukuran besar yaitu 642,5nm dimana terjadi kenaikan ukuran partikel dari waktu tahan 2  jam  yaitu  538,3nm.  Ketika  ukuran  silika  semakin bertambah  besar,  maka  kontak  antara  air  dengan permukaan  semakin  besar  yang  mengakibatkan  sudut kontak  yang  terbentuk  semakin  kecil.  Hal  ini dikarenakan interaksi antara permukaan dengan air dapat meningkatkan  kebasahan.  Ketika  waktu  tahan dinaikkan menjadi  6  jam,  terjadi  peningkatan  sudut  kontak  yang cukup signifikan mencapai 8,35 0 , yaitu sebesar 91,1 0 . Hal ini  sesuai  dengan  terjadinya  penurunan  ukuran  partikel ketika  waktu  tahan 6  jam  mencapai  25,2nm,  yaitu sebesar  617,3nm.  Penurunan  ukuran  partikel  silika  ini menyebabkan  kontak  air  dengan  udara  menjadi  semakin besar.  Hal  ini  disebabkan  udara  yang  terjebak  ditengah- tengah  kekasaran  tersebut  semakin  banyak.  Ketika kontak  air  dengan  udara  semakin  besar,  maka  tegangan permukaan  antara  air  dengan  udara  semakin  besar sehingga  menyebabkan  air  cenderung  berbentuk  bulat yang menjadikan sudut kontak semakin besar. Sedangkan lapisan permukaan yang diberikan perlakuan waktu tahan 8 jam pada prekursor

## Hasil Uji Scanning Electron Microscopy (SEM)
Sudut  kontak  terkecil  terbentuk  ketika  waktu  tahan 4 jam  dan  sudut  kontak  terbesar  terbentuk  ketika  waktu tahan 8  jam.  Untuk  dapat  mengetahui  perbedaan morfologi  pada  kedua  permukaan  tersebut,  maka dilakukan  uji  SEM  dan  hasilnya  seperti  pada  Gambar  7 dan Gambar 8.
Gambar 7 Morfologi permukaan substrat yang telah dilapisi silika dengan waktu tahan 4 jam
Gambar 8 Morfologi permukaan substrat yang telah dilapisi silika dengan waktu tahan 8 jam
Berdasarkan  citra  SEM  seperti  yang  terlihat  pada Gambar 7 dan Gambar 8 terdapat perbedaan yang cukup signifikan.  Partikel  pada  Gambar  7  mengalami aglomerasi  sehingga  mempunyai  ukuran  partikel  yang cukup  besar.  Sedangkan  pada  Gambar  8  partikel  silika yang  tersebar  mempunyai  ukuran  yang  kecil.  Hal  ini berpengaruh pada  tingkat kekasaran dan  sifat hidrofobik permukaan.  Kekasaran  yang  tinggi  menyebabkan  sudut kontak semakin besar, sedangkan kekasaran yang rendah menyebabkan sudut kontak semakin kecil.

## IV. KESIMPULAN
Berdasarkan  hasil  penelitian  yang  telah  dilakukan, maka dapat diperoleh kesimpulan sebagai berikut: 1. Karakterisasi  silika  hasil  sintesis  dengan  metode  sol- gel  yaitu  mempunyai  tingkat  kemurnian  sebesar 98,3%,  serta  perlakuan  kalsinasi  dengan  temperatur 1000 0 C menghasilkan silika dengan struktur amorf. 2. Sudut kontak yang terbentuk untuk kalsinasi prekursor silika  pada  temperatur  1000 0 C  dengan  waktu  tahan  2, 4,  6,  dan  8  jam  berturut-turut  adalah  90,71 0 ;  82,75 0 ; 91,10 0 ; dan 91,99 0 .

## UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis  mengucapkan  terima  kasih  kepada  Bapak Zainuri  atas  bimbingannya  yang  diberikan  selama penulis menyelesaikan penelitian. Penulis juga menyampaikan terima kasih kepada kepala  laboratorium fisika  bahan  jurusan  Fisika  FMIPA  ITS  yang  telah memberikan kesempatan kepada penulis untuk menyelesaikan penelitian ini

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Arjasa, O.P., Raharjo,  J., 2012.  FACILE ONE POT SYNTHESIS  OF  HIGHLY  MONODISPERSE SILICA  NANOPARTICLES  IN  WATER  BASED MEDIUM. J. Sains Materi Indones. 14.
[2] Xiao,  Bo,  Y.  Zhang,  X.  Zhang,  H.  Lv,  L.  Yan,  B. Jiang.  2011.  Focus  On  Moisture-resistance  And Hydrophobicity  of  SiO2  Antireflective  Film  34 Improved by Poly(isopropylene oxide) Glycerolether. Journal  of  Sciene  Technology Vol 60:11-16.
[3] Singh,  L.P.,  Bhattacharyya,  S.K.,  Mishra,  G., Ahalawat,  S.,  2011.  Functional  role  of  cationic surfactant  to  control  the  nano  size  of  silica  powder. Appl.  Nanosci.  1,  117–122.  doi:10.1007/s13204- 011-0016-1.
[4] Brinker, C.J., Scherer, G.W., 1990. Sol-gel Science: The  Physics  and  Chemistry  of  Sol-gel  Processing. Gulf Professional Publishing.