## CAKRAM
Jurnal Teknik Mesin:
DETEKSI PROSES KOROSI PADA BAJA DENGAN MENGGUNAKAN LAPISAN AKRILIK

## TERMODIFIKASI PHENOLPHTHALEIN

## Gadang Priyotomo
1 Program Studi Teknik Mesin, Universitas Pamulang, Jl. Surya Kencana No.1, Tangerang Selatan,Banten,  Indonesia
E-mail : dosen01588@unpam.ac.id
Masuk : 2 Juni 2020
Direvisi :  24 Agustus 2020           Disetujui : 24 September 2020
Abstrak :  Masalah  korosi  merupakan  salah  satu  pertimbangan  biaya  pemeliharaan  dalam  proses  produksi  industri minyak  dan  gas  bumi,  petrokimia  dan  geothermal.  Salah  satu  metode  mitigasi  korosi  adalah  proses  pelapisan polimer atau cat. Walaupun struktur di lapis oleh cat, proses korosi terjadi karena preparasi  permukaan yang tidak benar.  Proses  deteksi  dini  korosi  dibawah  lapisan  cat  bisa  salah  satu  kandidat  untuk  mengurangi  kerusakan  lebih lanjut.  Material  senyawa  cerdik  adalah  phenolphthalein  (PP)  diperlukan  sebagai  indikator  terjadinya  korosi. Konsentrasi senyawa PP divariasikan dengan sebesar  0,01% ; 0,1 % dan 1% yang diimbuhkan ke lapisan berbasis akrilik.  Pengujian  perfoma  lapisan  cat  melalui  pengujian  kabut  garam  (ASTM  B117-97)  selama  240  jam.  Metode visualisasi secara makro dilakukan untuk melihat kerusakan cat. Perfoma senyawa PP pada cat dengan konsentrasi 0,01%  dan  1%  memberikan  indikasi  bercak  warna  jingga  di  waktu  ekspos  24  jam.  Reaksi  oksidasi  dan  reduksi (elektrokimia) berlangsung  pada daerah antar muka lapisan cat dan substrak baja melalui visualisasi warna jingga.
Kata kunci: Korosi, Baja, Uji kabut garam, Ion hidroksil, Akrilik
Abstract: Corrosion problem is  one of maintenance cost consideration in various production process of oil and gas, petrochemical  and  geothermal.  One  of  corrosion  mitigation  method  is  polymer  or  coating.  Even  though  the structure is coat by paint, corrosion process still  carry on due improper surface preparation. The process of early detection of corrosion underneath paint layer could be as could as candidate of method for reducing the severity of corrosion.  Phenolphthalein  (PP)  as  candidate  of  smart  material  is  necessary  to  be  proposed  as  an  indicator material. PP compound in various concentration of 0.01%, 0.1% and 1% was added in acrylic base coat. The test of coating  performance  utilized  salt  fog  test  according  to  ASTM  B117-97  with  exposure  time  up  to  240  hours.  The observation of surface coating surface was used macro visual. On the basis of results, it shows that PP performance in  the  concentration  of  0.01%  and  1%  turn  to  violet  spot  at  24  hours  of  exposure.  Electrochemical  reaction  took place at interface between acrylic layer and metal base in which marked in violet color.
Keywords: Corrosion, Steel, Salt fog test, Hydroxyl ion, acrylic

## PENDAHULUAN
Korosi  adalah  reaksi  penurunan  kualitas  material  logam  yang  terjadi  oleh  reaksi  sinergi  antara  logam  dan  lingkungan sekitarnya. Jenis kegagalan ini merupakan masalah yang umumnya sebagai pertimbangan biaya pemeliharaan proses produksi di industri antara lain minyak dan gas bumi, kimia, minuman dan makanan, manufaktur, geothermal dan lain-lain. Penurunan kuantitas dan kualitas produksi, biaya pemeliharaan yang tinggi dan tingkat keselamatan karyawan dapat terjadi jika kita tidak mempertimbangkan potensi korosi. Kerusakan akibat proses korosi juga menyebabkan dampak buruk aspek ekonomi secara makro  antara  lain  kerusakan  di  pembangkit  tenaga  listrik  uap,  gas  dan  panas  bumi.  Pengendalian  korosi  diperlukan  untuk meminimal kerusakan antara lain melalui seleksi material [1], proteksi katodik [2], pelapisan [3], dan inhibitor [4,5].
Lebih  jauh  lagi,  peran  material  bersifat  cerdik  (smart  material)  di  perlukan  untuk  mendeteksi  kemampuan material untuk mendeteksi secara kimia, fisik dan mekanik secara visual dan terekam secara awal [6].  Tanda-tanda indentifikasi  dapat  terdeteksi  melalui  perubahan  sifat  dan  struktur  setelah  terjadi  proses  terhadap  lingkungan. Deteksi dini khususnya kegagalan akibat korosi sangat penting di dunia industri dan transportasi  untuk mengurangi kerusakan  lebih  lanjut.  Oleh  karena  itu,  metode  pengembangan  pendeteksian  awal  akibat  keberadaan  proses elektrokimia  atau  korosi  telah  dilakukan  secara  intensif  [7,8,9,10].  Namun  penelitian  teknologi  indentifikasi  awal korosi masih belum ada di Indonesia khususnya lapisan organik.
Reaksi korosi material merupakan reaksi elektrokimia dimana reaksi sinergis terjadi antara oksidasi (anoda) dan reduksi (katoda). Dua reaksi yang saling bersinergis ini dalam sel elektrokimia dapat diindentifikasi melalui fungsi dari  senyawa  material  cerdik.    Reaksi  pada  daerah  katodik  merupakan  reaksi  reduksi  oksigen  (O 2 )  dan  air  (H 2 O) dimana  akan  menghasilkan  produk  ion  hidroksil  (OH - ).  Reaksi  ini  hanya  bisa  berlangsung  jika  lingkungan  netral atau cenderung basa. Reaksi elektrokimia di daerah katodik terlihat pada reaksi dibawah ini :
O 2 + 2H 2 O + 4e - → 4OH - (1)
Korosi pada lapisan cat yang diaplikasikan pada material baja terjadi karena unsur persiapan permukaan substrak baja  yang  tidak  bersih  dan  lembab  saat  proses  pengecatan.  Sehingga  batas  antara  lapisan  cat  dan  baja  mengalami reaksi  elektrokimia  lokal  sehingga  terjadi  korosi.  Reaksi  reduksi  dapat  menyebabkan  peningkatan  nilai  pH  secara lokal karena keberadaan ion hidroksil (OH - ) berlimpah dibandingkan reaksi anodik [11], sehingga senyawa material cerdik  dalam lapisan cat berkerja saat peningkatan nilai pH di daerah katodik. Penelitian ini menggunakan lapisan cat  organic  berbahan  dasar  akrilik  sebagai binder .  Cat  berbasis  akrilik  merupakan  cat  kering  cepat  dimana pengikatnya  merupakan  senyawa  polimer  gugus  akrilik  [12].  Umumnya,  cat  berbasis  akrilik  ini  dapat  larut  dalam media air (water borne acrylic) namun cat ini bersifat tahan air saat kering di udara terbuka.
Polimer akrilat adalah grup polimer dimana sifat fisiknya jernih, elastic dan daya lekat yang kuat.  Polimer akrilat  (poliakrilat)  adalah  kumpulan  banyak  monomer  akrilat.    Monomer-monomer  ini  adalah  turunan  dari  asam akrilik  metil–methakrilat  bersama  gugus  satu  vinil  hidrogen  dan  hidrogen  asam  karbosilik  yang  keduanya  ditukar oleh grup gugus metil. Gugus  akrilonitril pada grup asam karbosilik ditukar oleh grup nitril terlihat pada Gambar 1.
Gambar 1. Polimerasi metil metaakrilat menjadi poly(metil metaakrilat)
Pelapisan  akrilik  dengan  tambahan  zat  aditif  material  cerdik  berupa  phenolphthalein  (PP)  sebagai  indikator warna saat terjadi peningkatan pH. Namun, penelitian ini belum ada investigasi lebih dalam khususnya senyawa PP pada  cat  berbasis  akrilik.  Oleh  karena  itu,  tujuan  penelitian  ini  adalah  (1)  untuk  mengetahui  kinerja  material  PP sebagai  indikator  yang  diterapkan  lapisan  akrilik  di  lingkungan  atmosfer  garam  dan  menjelaskan  mekanisme material cerdik imbuhan PP di lapisan akrilik.
Jurnal Teknik Mesin: CAKRAM 2020 Gadang Priyotomo, Deteksi Proses Korosi Pada Baja Dengan Menggunakan Lapisan Akrilik Termodifikasi Phenolphthalein

## METODOLOGI

## 2.1 Persiapan  logam substrak
Sampel  substrak  yang  akan  dilapis  cat  akrilik  adalah  baja  karbon  berbentuk  pelat.    Pelat  baja  karbon  tersebut dipotong dengan ukuran 750 mm x 150 mm x 2 mm. Permukaan substrak logam tersebut dibersihkan dari karat dan pengotor  lainnya  secara  mekanik  dengan  menggunakan  pasir  material  silika  berukuran  mesh  -60  +80  melalui  alat sand blasting hingga permukaan benda uji bebas karat dan bersih yang terlihat pada Gambar 1. Setelah itu, sampel pelat dibersihkan dengan larutan aseton di dalam mesin ultrasonic cleaner untuk membersihkan lemak dan debu .
Gambar 1. Mesin sand blasting

## 2.2  Proses pelapisan cat
Proses  pencampuran  bahan  aditif    phenolphthalein  (PP)  dengan  water-borne  acrylic  dilakukan  dengan menvariasikan    konsentrasi  senyawa  PP  sekitar  0,01  %,  0.1%  dan  1  %.  Proses  pelapisan  melalui  campuran  PP menggunakan metode brushing dengan  kuas dimana harus dilapis secara merata dan perlahan,  kemudian dibiarkan mengering  di  udara  terbuka  hingga  24  jam  yang  terlihat  pada  Gambar  2.  Suhu  ruangan  saat  pengeringan dipertahankan 30 o C. Semua sampel uji yang terlapis cat disimpan di desikator vakum.  Setelah itu, Pada Gambar 3 sampel  uji  dimasukan  ke  dalam  ruang    kabut  garam  berstandar  ASTM  B117-97.  Standar  tersebut  menjelaskan bahwa konsentrasi garam sodium klorida (NaCl) berkisar 3,5% ; pH antara 6,5 – 7,2 pH dan temperatur 35 0 C [13]. Posisi penempatan pelat sampel adalah bersudut 45 o C. Interval waktu  uji kabut garam adalah 2, 24, 48 dan 240 jam. Setelah  uji,  spesimen  cat  dikeluarkan,  dibersihkan  dengan  air  distilasi  dari  garam-garam  yang  melekat  serta dikeringkan.  Ketebalan  lapisan  cat  akrilik  diukur  dengan  menggunakan  alat  uji  ketebalan  ELCOMETER  456. Pengamatan dalam kegiatan riset ini dilakukan secara visual sebelum dan sesudah ekspos dengan menggunakan foto secara makro di laboratorium.
Jurnal Teknik Mesin: CAKRAM 2020 Gadang Priyotomo, Deteksi Proses Korosi Pada Baja Dengan Menggunakan Lapisan Akrilik Termodifikasi Phenolphthalein
Gambar 2. Sampel uji cat akrilik bening sebelum uji kabut garam
Gambar 3. Alat pengujian kabut garam dengan standar ASTM B117-97

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Tabel 1 memperlihatkan hasil uji kabut garam sampel cat dengan variasi indikator senyawa PP pada interval 2, 4, 24,  48  dan  240  jam  dimana  sampel  cat  tanpa  senyawa  indikator  sebagai  referensi.  Unjuk  kerja  senyawa  PP  tidak terlihat pada ekspos 2 jam pada seluruh variasi konsentrasi indicator dimana warna jingga terlihat pada konsentrasi 0.1%  dan  1%  PP  pada  ekspos  4,24,48  dan  240  jam.  Penambahan  0.01%  PP  pada  lapisan  cat  akrilik  tidak memberikan  indikasi  warna  jingga  diseluruh  interval  ekspos.    Lebih  jauh  lagi,  perambatan  tingkat  korosi  semakin besar  seiring  peningkatan  waktu  ekspos  uji.  Berdasarkan  hasil,  sensitivitas  deteksi  dapat  terlihat  pada  cat  akrilik dengan imbuhan konsentrasi senyawa cerdik PP berkisar 0.1% pada  waktu ekspos 24 jam. Disisi lain, pada rentang ekspos  seluruh  rentang  waktu  uji,  tidak  ada  proses  pelepuhan  (blistering) yang  terjadi  pada  lapisan  cat  akrilik.  Ini disebabkan proses pelapisan cat akrilik dijaga agar suhu ruang diatas 3 o C suhu embun (dew temperature) sehingga tidak ada kondensasi (pengembunan) di permukaan substrak.
Gambar 4. Foto visual spesimen baja yang dilapis cat akrilik berbagai konsentrasi PP dengan waktu uji 24 jam
Gambar 5. Foto visual spesimen baja yang dilapis cat akrilik berbagai konsentrasi PP dengan waktu uji 48 jam
Gambar 6. Foto visual spesimen baja yang dilapis cat akrilik berbagai konsentrasi PP dengan waktu uji 240 jam
Lebih  jauh  lagi,  Pada  Gambar  4,  5  dan  6  memperlihat  urutan  penambahan  konsentrasi  aditif  senyawa  PP  ke dalam cat akrilik, dimana indikator warna bekerja efektif pada konsentrasi 0.1% PP. Setelah indikator warna muncul, karat  akan  nampak  selanjutnya.    Fenomena  ini  memberikan  informasi  bahwa  senyawa  PP  cukup  efektif  sebagai penanda  sebelum  proses  korosi  lebih  lanjut  terlihat  secara  visual.  Perambatan  karat  berwarna  merah  menandakan bahwa proses korosi  telah masuk ke logam dasar baja.  Keberadaan garam sodium klorida (NaCl) sebagai inisiator pemercepat  terjadinya  korosi  telah  meningkatkan  laju  korosi  hingga  24  jam,  dimana  peran  ion  klorida  (Cl - ) memecah lapisan pasif baja  [14,15]. Lapisan akrilik bening yang terlapis pada substrak baja umumnya mengalami kerusakan  korosi  filiform  (filiform  corrosion),  dimana  umumnya  terjadi  di  daerah  antara  lapisan  dan  substrak logam[17]. Kerusakan jenis korosi ini terjadi pada ketebalan maksimum lapisan hingga 1000 μ m. Pada penelitian ini, ketebalan maksimum lapisan akriklik bening di bawah 80 μ m [18].
Tabel  1.  Uji  kabut  garam  pada  sampel  uji  cat,  waktu  ekspos  hingga  240  jam  dengan  variasi  konsentrasi indikator PP
Konsentrasi PP (%) Tebal lapisan (μm) Waktu uji ( jam) 2 4 24 Pelepuhan  Indikasi Pelepuhan  Indikasi Pelepuhan  Indikasi 0 60.6  tidak ada
tidak ada
tidak ada tidak ada tidak ada tidak ada 0.01 63.6  tidak ada tidak ada tidak ada tidak ada tidak ada tidak ada 0.1 71.6  tidak ada tidak ada tidak ada tidak ada tidak ada ada 1 51.8  tidak ada tidak ada tidak ada tidak ada tidak ada ada Konsentrasi PP (%) Tebal lapisan (μm) Waktu uji ( jam) 48 72 240 Pelepuhan Indikasi Pelepuhan Indikasi Pelepuhan Indikasi 0 60.6  tidak ada tidak ada tidak ada Karat tidak ada Karat 0.01 63.6  tidak ada warna jingga  tidak ada warna jingga  tidak ada warna jingga 0.1 71.6  tidak ada warna jingga  tidak ada warna jingga  tidak ada warna jingga 1 51.8  tidak ada
warna jingga  tidak ada
warna jingga  tidak ada
warna jingga

## 3.1. Mekanisme kinerja senyawa phenolphthalein
Penampakan visual warna jingga dengan indikator PP menandakan adanya reaksi elektrokimia sedang bekerja secara  simultan  di  antara  lapisan  akrilik  dan  substrak  baja  [17].  Elektrokimia  merupakan  proses  menghasilkan elektron  dan  arus  listrik  ,dimana  merupakan  reaksi  sinergis  antara  anodik  dan  katodik  [18].    Gambar  7 memperlihatkan  skema  sel  elektrokimia  di  bawah  lapisan  akrilik.    Lapisan  akrilik  merupakan  lapisan  dengan kelebihan daya kilap yang bagus, ketahanan warna yang baik (tidak mudah pudar), anti ultra violet dan cukup tahan terhadap  asam  dan  alkali.  Namun,  fenomena  retak  lapisan  juga  terjadi  saat  pengaplikasian.    Retak  lapisan  akrilik yang menembus hingga logam dasar dapat terjadi dan diperparah dengan kondisi lingkungan garam sodium klorida (NaCl) dan berkelembaban diatas 80%[16].
Keberadaan  retakan  pada  lapisan  memberikan  kesempatan  oksigen  (O 2 )  masuk  ke  dalam  logam  dasar  dan mulai mengalami reaksi katodik dengan mengubah O 2 dan air (H 2 O) menjadi ion OH - dimana elektronnya disuplai dari reaksi anodik. Reaksi anodik terjadi dengan mengkonversi logam Fe menjadi ion Fe dengan melepas elektron. Kombinasi  sinergis  lingkungan  yang  lembab  dan  keberadaan  oksigen  meningkatkan  kegagalan  korosi  seiring dengan peningkatan waktu ekspos uji. Kegagalan korosi ini diperparah dengan ion klorida melalui senyawa garam saat masuk ke dalam ruang kabut garam.

## Gambar 7. Skema sel elektrokimia di bawah lapisan akrilik
Daerah katodik menghasilkan ion hidroksil (OH - ) yang berlimpah dengan ditandai peningkatan nilai pH pada daerah  secara  lokal  [19].    Senyawa  phenolphthalein  bekerja  efektif  pada  nilai  pH  10  ditandai  warna  jingga  [20]. Penelitian ini memperlihatkan bahwa  warna jingga muncul di lapisan akrilik pada waktu ekspos 24 jam kemudian menghilang seiring terbentunya deposit karat  pada waktu ekspos 240 jam.  Ini dimungkinkan bahwa pembentukan ion  OH - terjadi  pada  waktu  ekspos  24  jam  kemudian  ion  tersebut  berikatan  dengan  ion  Fe  menjadi  senyawa  besi hidroksida  (warna  merah).  Besi  hidroksida  mempunyai  nilai  pH  7  dimana  ini  menyebabkan  warna  jingga menghilang seiring meningkatan waktu ekspos.

## KESIMPULAN
Penambahan konsentrasi senyawa phenolphthalein (PP) 0.1% dan 1% di sistem cat berbasis akrilik sangat efektif mendeteksi kegagalan korosi di bawah lapisan pada waktu ekspos 24 jam, dimana konsentrasi PP 0.01% tidak terlihat. Reaksi reduksi pada daerah  katodik  menghasilkan  ion  hidroksil  (OH - )  ditandai  nilai  pH  tinggi  menciptakan  sensitivitas  senyawa  indikator  PP dengan  menampakan  visual  warna  jingga.  Peningkatan  waktu  ekspos  uji  kabut  garam  meningkatkan  kerentanan  korosi terhadap lapisan akrilik.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]. Gadang Priyotomo, Siska Prifiharni, Lutviasari Nuraini, Sundjono, Ibrahim Purawiardi. "Korosi Baja di uara Baru Jakarta dan Indramayu dengan Simulasi Pasang Surut Uji Wet-Dry." Jurnal Kelautan 12 (1) (2019): 23-35.
[2]. Sundjono, Gadang Priyotomo and Lutviasari Nuraini. “The Selection of Magnesium alloys as Sacrificial Anode for the Cathodic Protection of Underground Steel Structure.” international journal of engineering trends and technology 51 (2017): 78-82.
[3]. F. O. Kolawole, S. K. Kolawole, J. O. Agunsoye, J. A. Adebisi, S. A. Bello, S. B. Hassan, "Mitigation of Corrosion Problems  in  API  5L  Steel  Pipeline  –  A  Review",  Journal  of  Materials  and  Environmental  Sciences,  Vol  9 (8),(2018): 2397-2410.
[4]. Yulinda Lestari, Gadang Priyotomo,2018, "Corrosion resistance of API 5L grade B steel with taro leaf (Colocasia esculenta) addition as corrosion inhibitor in HCl 0.1 M", AIP Conference Proceedings 1964, 020031.
[5]. Gadang  Priyotomo,  Siska  Prifiharni,  Lutviasari  Nuraini,  Yanyan  Dwiyanti,  Rabin  Ardiansyah,  “A  Study  on Dimocarpus longan Peel as Corrosion Inhibitor on Steel in Artificial Brine Solutions”, Research & Development in Material Science, Vol 6(2) (2018): 555-558.
[6]. Nazeer, Ahmed Abdel, and Metwally Madkour. “Potential Use of Smart Coatings for Corrosion Protection of Metals and Alloys: A Review.” Journal of Molecular Liquids, Vol 253 (2018) : 11-22. 2018.
[7]. Calle, Luz M., Paul E. Hintze, Wenyan Li, and Jerry W. Buhrow. 2010. “Smart Coatings for Autonomous Corrosion Detection and Control.” In AIAA SPACE Conference and Exposition 2010.
[8]. Augustyniak,  Anita,  John  Tsavalas,  and  Weihua  Ming.  2009.  “Early  Detection  of  Steel  Corrosion  Via ‘turn-On’ fluorescence in Smart Epoxy Coatings.” ACS Applied Materials and Interfaces 1 (11): 2618– 23.
[9]. He, Zhen, Yuelong Huang, Aswin K. Manohar, and Florian Mansfeld. “Effect of Electrolyte pH on the Rate of the Anodic and Cathodic Reactions in an Air-Cathode Microbial Fuel Cell.” Bioelectrochemistry 74, no. 1 (2008): 78– 82.
[10]. Galvão,  T.  L.P.,  N.  Scharnagl,  I.  Sousa,  F.  Maia,  M.  Wilhelm,  J.  R.B.  Gomes,  J.  Opršal,  et  al.  2018. “Nanostructured Corrosion Sensing Coatings for Aeronautical Applications.” In NACE - International Corrosion Conference Series. Vol. 2018-April.
[11]. ASTM Handbook, (2007), Standard Practice for Operating Salt Spray (Fog) Apparatus; ASTM B117-07, ASTM Metal Test Methods and Analytical Procedures Section 3, p 1-10.
[12]. Priyotomo, Gadang, Lutviasari Nuraini, Siska Prifiharni, and S Sundjono. “Corrosion Behavior of Mild Steel in Seawater  from  Karangsong  &  Eretan  of  West  Java  Region,  Indonesia.”  Jurnal  Kelautan:  Indonesian  Journal  of Marine Science and Technology 11, no. 2 (2018): 184. https://doi.org/10.21107/jk.v11i2.4335.
[13]. Priyotomo, Gadang, Siska Prifiharni, Lutviasari Nuraini, S Sundjono, and Ibrahim Purawiardi. “KOROSI BAJA DI MUARA BARU JAKARTA DAN INDRAMAYU DENGAN SIMULASI PASANG SURUT UJI WET-DRY.” Jurnal  Kelautan:  Indonesian  Journal  of  Marine  Science  and  Technology  12,  no.  1  (2019):  23. https://doi.org/10.21107/jk.v12i1.4800.
[14]. Popov,  Branko  N.  “Chapter  01:  Evaluation  of  Corrosion.”  Corrosion  Engineering,  2015,  1–28. https://doi.org/10.1016/b978-0-444-62722-3.00001-x.
[15]. Buchheit, Rudolph G. “Corrosion Resistant Coatings and Paints.” In Handbook of Environmental Degradation Of Materials: Third Edition, 449–68, 2018. https://doi.org/10.1016/B978-0-323-52472-8.00022-8.
[16]. Priyotomo, Gadang, Lutviasari Nuraini, Siska Prifiharni, and S Sundjono. “Corrosion Behavior of Mild Steel in Seawater from Karangsong & Eretan of West Java  Region, Indonesia.” Jurnal Kelautan: Indonesian Journal  of Marine Science and Technology 11, no. 2 (2018): 184. https://doi.org/10.21107/jk.v11i2.4335.
[17]. “ External  Corrosion  of  Oil  and  Natural  Gas  Pipelines.”  In  Corrosion:  Environments  and  Industries,  1015–25, 2018. https://doi.org/10.31399/asm.hb.v13c.a0004213.
[18]. Petruševski, Vladimir M., and Keti Risteska. “Behaviour of Phenolphthalein in Strongly Basic Media.” Chemistry 16, no. 4 (2007): 259–65.