Makalah Kaca Kelompok 4.docx

A. Pengertian Kaca Kaca atau gelas adalah salah satu alat rumah tangga yang bahan utama penyusunnya adalah SiO2 dengan suhu pelelehan 2000oC. Kaca atau gelas ialah produk yang amorf dan bening dengan kekerasan dan elastisitas yang cukup, tetapi sangat rapuh. Kaca atau gelas secara fisika merupakan zat cair yang sangat dingin, disebut demikian karena struktur partikel-partikel penyusunnya yang saling berjauhan seperti dalam zat cair namun berwujud padat. Hal tersebut disebabkan proses pendinginan (cooling) yang sangat cepat, sehingga partikel-partikel silika belum terbentuk secara teratur. Dari segi kimia, kaca atau gelas adalah gabungan dari berbagai oksida anorganik yang tidak mudah menguap , yang dihasilkan dari dekomposisi dan peleburan senyawa alkali dan alkali tanah, pasir serta berbagai penyusun lainnya. Kaca atau gelas biasanya dicampur dengan bahan lain untuk mengubah cirinya. Bahan-bahan yang biasa ditambahkan kedalam pembuatan kaca atau gelas yaitu : 1. Timah hitam yang menyebabkan kaca atau gelas menjadi lebih berkilauan, hal ini karena adanya peningkatan index pantulannya, 2. Boron ditambahkan untuk mengubah ciri termal dan elektriknya, seperti Pyrex. 3. Barium untuk meningkatkan indeks pantulannya, 4. Serium ditambahkan untuk kaca atau gelas yang menyerap tenaga infra. 5. Logam oksida ditambahkan untuk memberikan warna pada kaca atau gelas. Peningkatan soda atau potash dapat menurunkan titik lebur, 6. Mangan ditambahkan untuk menghilangkan warna yang tidak dikehendaki. 7. Oksida logam peralihan seperti oksida mangan menghasilkan warna ungu, oksida kuprum dan kromium memberikan warna hijau, dan oksida kobalt memberikan warna biru. B. Sifat-sifat Kaca atau Gelas 1. Gelas merupakan bahan yang dapat ditembus oleh cahaya tampak dan sinar infra merah, tetapi tidak oleh sinar ultraviolet. 2. Padatan amorf (short range order). 3. Berwujud padat tapi susunan atom-atomnya seperti pada zat cair. 4. Tidak memiliki titik lebur yang pasti (ada range tertentu) 5. Mempunyai viskositas cukup tinggi (lebih besar dari 1012 Pa.s) 6. Transparan, tahan terhadap serangan kimia, kecuali hidrogen fluorida. Karena itulah kaca banyak dipakai untuk peralatan laboratorium. 7. Efektif sebagai isolator. 8. Mampu menahan vakum tetapi rapuh terhadap benturan C. Reaksi Pembentukan Kaca atau Gelas Secara Umum

Na2CO3 + aSiO2 → Na2O.aSiO2 + CO2 CaCO3 + bSiO2 → CaO.bSiO2 + CO2 Na2SO4 + cSiO2 + C → Na2O.cSiO2 + SO + SO + CO D. Jenis - Jenis dari Gelas dan Kaca Secara umum, Gelas dan Kaca dikelompokkan menjadi beberapa golongan : 1. 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. 2. Alkali silikat Alkali silikat adalah satu-satunya kaca dua komponen yang secara komersial, penting. Untuk membuatnya, pasir dan soda dilebur bersama-sama, dan hasilnya disebut Natrium silikat. Larutan silikat soda juga dikenal sebagai kaca larut air (water soluble glass) banyak dipakai sebagai adhesif dalam pembuatan kotakkotak karton gelombang serta memberi sifat tahan api. 3. Kaca soda gamping Kaca soda digunakan untuk membuat segala macam bejana, kaca lembaran, jendela mobil dan barang pecah belah. 4. Kaca timbal Dengan menggunakan oksida timbal sebagai pengganti kalsium dalam campuran kaca cair dihasilkan 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. 5. 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. Perabot laboratorium yang dibuat dari kaca ini dikenal dengan nama dagang pyrex. Kaca borosilikat juga digunakan sebagai isolator tegangan tinggi, pipa lensa teleskop seperti misalnya lensa 500 cm di Mt. Palomer (AS).

6. Kaca khusus Kaca khusu banyak dibuat utnuk kaca berwarna , bersalut, opal, translusen, kaca keselamatan,fitokrom, kaca optik dan kaca keramik. Komposisinya berbeda-beda tergantung pada produk akhir yang diinginkan 7. 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. E. Proses Pembuatan Kaca: A. Proses Persiapan Bahan Baku Pada dasarnya, bahan baku pembuatan kaca atau gelas terdiri atas 3 jenis bahan yaitu 1. Bahan pembentuk gelas a. Pasir kuarsa/silika dengan kemurnian SiO2 99.1 – 99.7% Silikon (IV) oksida ialah molekul kovalen raksasa. Silikon (IV) oksida mempunyai titik lebur yang sangat tinggi, yaitu 1710 C. Dalam silicon (IV) oksida, setiap atom silikon diikat secara kovalen kepada 4 atom oksigen dalam bentuk tetrahedron dengan sudut antara ikatan 109.5o . Unit itu diulangi secara tidak terhingga dengan setiap atom oksigen terikat kepada 2 atom silikon untuk membentuk molekul kovalen raksasa seperti struktur berlian. b. Sodium karbonat/soda abu (Na2CO3) c. Asam borat/borax d. Phosfor pentaoksida e. Dolomit (CaCO3.MgCO3) Dolomit merupakan variasi batu gamping yang mengandung < 50% karbonat. Secara sekunder dolomit terjadi karena proses dolomitisasi yaitu proses perubahan mineral kalsit menjadi dolomit, selain itu dapat juga terbentuk karena diendapkan secara tersendiri sebagai endapan evaporit. Dolomit primer berbentuk urat, yang terbentuk bersama-sama dalam bijih. Dolomit mempunyai struktur kristal rhombohedral yang mempunyai komposisi kimia CaMg(CaCO3)2 dan berkomposisi MgFe(CaCO3)2. Umumnya dolomit berwarna putih keabu-abuan atau kebiru-biruan, kekerasan 3,5 – 4, berifat pejal, berat jenis 2,8 – 2,9, berbutir halus-kasar, mudah menyerap air, mudah dihancurkan. f. Feldspar, dengan rumus molekul R2O.Al2O3.6SiO2. Feldspar adalah nama kelompok mineral yang terdiri atas potasium, sodium dan kalsium alumino silikat. Pada umumnya kelompok ini terbentuk oleh proses pneumatolitis dan hidrotermal yang membentuk urat pegmatit. Felspar mempunyai nilai kekerasan 6 – 6,5 skala Mosh, berat jenis 2,4 – 2,8, warna dari putih keabuabuan, merah jambu, coklat, kuning dan hijau. Felspar adalah mineral alumina anhidrat silikat yang berasosiasi dengan unsur Kalium (K), Natrium (Na) dan Calsium (Ca) dalam perbandingan yang beragam. Mutu felspar ditentukan oleh

kandungan oksida kimia K2O dan Na2O yang relatif tinggi diatas 6%, oksida Fe2O3 dan TiO2 . g. Cullet, merupakan pecahan-pecahan kaca atau kaca yang berasal dari produk tak lolos quality control. Cullet berfungsi untuk menurunkan temperatur leleh dari bahan baku. Cullet yang diumpankan sebanyak 25% dari total bahan baku. 2. Bahan stabilizer Bahan stabilizer merupakan bahan yang mampu menurunkan kelarutan di dalam air, tahan terhadap serangan bahan kimia lain termasuk materi-materi lain yang terdapat di atmosfer. Contoh bahan stabiliser yang biasa dipakai di industri gelas adalah : a. Kalsium Karbonat atau Limestone, membuat produk akhir menjadi tidak larut di dalam air. b. Barium Karbonat, meningkatkan berat spesifik dan indeks bias. c. Timbal Oksida, membuat produk menjadi transparan, mengkilat, dan memiliki indeks bias yang tinggi. d. Seng Oksida, membuat gelas tahan terhadap panas yang mendadak, memperbaiki sifat-sifat fisik dan mekanik, dan meningkatkan indeks bias. e. Aluminium oksida, berfungsi untuk meningkatkan viskositas gelas, kekuatan fisik dan ketahanan terhadap bahan kimia. 3. Komponen sekunder a. Refining agent, menghilangkan gelembung-gelembung gas pada saat pelelehan bahan baku. Bahan yang biasa digunakan sebagai refining agent pada industri gelas adalah sodium nitrat dan sodium sulfat atau arsen oksida (As2O3). b. Penghilang warna (decolorant), menghilangkan warna yang biasanya diakibatkan oleh kehadiran senyawa besi oksida yang masuk bersama bahan baku. Bahan penghilang warna yang digunakan adalah mangan dioksida (MnO2), logam selenium (Se), atau nikel oksida (NiO). c. Pewarna (colorant), digunakan untuk membuat gelas khusus sesuai dengan warna yang dikehendaki. d. Opacifiers. Bahan yang digunakan sebagai opacifier adalah fluorite (CaF2), kriolit (Na3AlF6), sodium fluorosilika (Na2SiF6), timah phospat, seng phospat (Zn3(PO4)2), dan kalsium phospat (Ca3(PO4)2). Opacifiers adalah zat yang ditambahkan untuk membuat kaca atau gelas bersifat buram atau tidak dapat ditembus gelombang elektromagnetik, walaupun kacaatau gelas tersebut transparan.

Komposisi kimia glass kaca secara umum yaitu :

B. Proses Pembuatan 1. Persiapan bahan baku (batching) Pada tahap ini dilakukan penggilingan, pengayakan bahan baku serta pemisahan dari pengotor-pengotornya. Serbuk bahan baku ditimbang sesuai komposisi, termasuk bahan-bahan aditif lain yang diperlukan seperti zat pewarna atau zat-zat yang sesuai dengan produk kaca yang dikendaki. Pengadukan campuran bahan baku dalam suatu mixer hal ini dilakukan agar campuran menjadi homogen sebelum dicairkan. 2. Pencairan (melting/fusing) Bahan baku yang sudah homogen, diayak dahulu sebelum dimasukkan ke dalam tungku (furnace) bersuhu sekitar 1500oC sehingga campuran akan mencair. Selama proses pencairan, masing-masing bahan baku akan saling berinteraksi membentuk reaksi-reaksi kimia berikut : 1. Reaksi-reaksi penguraian Na2SO3 Na2O + SO2 CaCO3 CaO + CO2 Na2SO4 Na2O + SO2 2. Reaksi antara SiO2 dengan Na2CO3 pada suhu 630 – 780oC Na2CO3 + aSiO2 Na2O.aSiO2 + CO2 3. Reaksi antara SiO2 dengan CaCO3 pada suhu 600oC CaCO3 + bSiO2 CaO.bSiO2 + CO2 4. Reaksi antara CaCO3 dengan Na2CO3 pada suhu di bawah 600oC CaCO3 + a2CO3 Na2Ca(CO3)2 5. Reaksi antara Na2SO4 dengan SiO2 pada suhu 884oC Na2SO4 + nSiO2 NaO.nSiO2 + SO2 + 0.5O2

6. Reaksi utama aSiO2 + bNa2O + cCaO + dMgO aSiO2.bNa2O.cCaO.dMgO Tipe Glass Melting Furnaces : a. Pot furnaces : Pot keramik kapasitas terbatas, peleburan terjadi akibat pemanasan pada dinding pot. b. Day tanks : Tangki dng kapasitas lebih besar utk produksi batch, peleburan terjadi akibat pembakaran bahan bakar pada charge (batch material awal yg akan dilebur). c. Continuous tank furnaces : Tangki peleburan panjang dimana bahan baku diumpankan di satu sisi tangki & melebur saat bergerak ke sisi lainnya. Glass cair dialirkan utk produksi yg tinggi. d. Electric furnaces : Variasi desain dapur utk rata2 jml produksi dng rentang yg luas Peleburan glass : • Temperatur peleburan : 1500° - 1600° C (2700o- 2900° F) • Siklus peleburan memerlukan 24 – 48 jam utk : - Semua butiran pasir menjadi cair - Cairan glass tersaring - Pendinginan hingga pada temperatur kerja (tergantung kekentalan yang di perlukan untuk pembentukannya) 3. Pembentukan (forming/shaping) Berdasarkan jenis produk terbagi menjadi : • Proses diskrit utk produk per-unit, spt : botol, bola lampu, dll • Proses kontinu utk glass datar/ rata, spt : lembaran/ pelat glass (jendela), tabung (lab dan lampu TL) • Proses pembuatan fiber, spt : utk insulasi, komposit fiberglass, fiber optik: Proses Pembentukan Glass atau Kaca : 1. Proses Produk Per-unit (Shaping of Piece Ware)  Casting : Penuangan cairan glass ke dalam mold dan didinginkan sangat perlahan (seperti lensa astronomi, kaca cermin), unttk finishing produk di lapping dan polishing. Jarang digunakan krn beresiko internal stresses, retak, kental (tidak mudah mengalir pada celah mold yang sempit). Untuk lensa kecil umumnya digunakan proses pressing.

 Spinning : Seperti centrifugal casting pada metal, untuk produk berbentuk kerucut (misalnya : bagian belakang tabung sinar katode TV/ PC, bagian depan monitor dirakit kemudian).

 Pressing : Proses yang digunakan secara luas utk produk massal, seperti : piring, lensa headlight, kaca muka tabung TV/ monitor, dll yang relatif berbentuk datar/ rata (flat)

 Blowing (mis : botol minuman, toples, gelas minum, bola lampu) 1. Metode Press and Blow (untuk produk dengan mulut kontainer besar)

2. Metode Blow and Blow (untuk produk dengan mulut kontainer lebih kecil)

2. Proses Kontinu (Shaping of Flat and Tubular Glass)  Drawing of Flat Glass : - Proses Fourcault, menggunakan dies dari fireclay (disebut debiteuse yg berfungsi sbg pembentuk & pemadat glass). Cooler terletak sedikit di atas debiteus & Glass datar didorong ke atas oleh roller. - Proses Colburn, menggunakan beberapa roller sebagai pembentuk & pengarah ketika glass masih plastis sehinga dapat didinginkan dengan posisi horisontal.

 Rolling of Flat Plate : Glass yang masih plastis dari furnace dialirkan melalui pasangan roller yang berfungsi mengatur ketebalan lembaran glass.

 Float Process :

Glass mengalir langsung dari melting furnace melalui bak cairan timah (molten tin). Cairan glass menyebar mengikuti permukaan cairan timah sehinga menghasilkan ketebalan & kehalusan yang seragam.

 Drawing of Glass Tubes : (proses Danner) Cairan glass mengalir mengelilingi saluran hollow putar mandrel, saat yang sama udara dihembuskan. Selama proses pengerasan, glass tube ditunjang oleh banyak roller hingga glass bisa mencapai panjang 30 m. Contoh produk: glass lab, lampu TL, thermometer.

3. Pembentukan Fiber Glass (Forming of Glass Fibers) Produk fiber glass terbagi menjadi : - Serat glass unttk thermal insulation, acoustical insulation, & saringan udara, bentuk seperti wool yg berserat. - Filamen kontinu (panjang) utk fiber reinforced plastics, benang tekstil, & fiber optik. Metode produksi : - Centrifugal Spraying (utk pembuatan glass wool) : Cairan glass mengalir ke penampang putar dengan banyak celah di sekelilingnya. Gaya sentrifugal menyebabkan glass mengalir melalui lubang untuk menjadi serat massal sbg material isolasi termal & akustik. - Drawing Filament kontinu : Untuk fiber glass kontinu berdiameter kecil (batas ukuran terkecil sekitar 0,0025 mm) diproduksi dengan drawing (menarik) bentangan cairan glass melalui celah/ lubang kecil pada pelat panas yng terbuat dari paduan platinum. Setiap fiber dari celah digabungkan ke spool untuk di lapisi pelumas atau bahan kimia pelindung.

4. Annealing Fungsi tahapan ini adalah untuk mencegah timbulnya tegangan-tegangan antar molekul pada kaca yang tidak merata sehingga dapat menimbulkan kepecahan. Proses ini berlangsung di dalam “annealing lehr”. Annealing berupa pemanasan glass ke temperatur yang diinginkan (sekitar 500 C), didiamkan beberapa saat untuk menghilangkan tegangan dan gradien temperatur, serta secara perlahan didinginkan hingga temperatur ruangan. Lama proses Annealing tergantung ketebalan glass. Dimana produk mengalir perlahan melalui hot chamber di atas konveyor Proses annealing kaca terdiri dari 2 aktivitas, yaitu :  Menahan kaca dengan waktu yang cukup di atas temperatur kritik tertentu untuk menurunkan regangan internal.  mendinginkan kaca sampai temperatur ruang secara perlahan-lahan untuk menahan regangan sampai titik maksimumnya. 5. Tempering (produknya disebut tempered glass) : Berfungsi untuk menghilangkan internal stress. Prosesnya dengan memanaskan glass pada temperatur di atas annealing hingga kondisi plastis, kemudian diikuti quenching permukaan (menggunakan udara bertekanan). Ketika permukaan dingin, mereka akan mengeras pada saat sisi dalam masih plastis. Ketika sisi dalam berangsur dingin maka permukaan luar yg keras tertekan. Shg glass lebih tahan terhadap tegangan tekan (compressive stresses) dari pada tegangan tarik (tensile stresses ). Contoh aplikasi utk jendela gedung tinggi, pintu kaca. Kaca depan mobil menggunakan annealing glass 2 (dua) lembar berpenyekat polimer transparan. 6. Finishing dan pengendalian kualitas (Quality Control) Beberapa proses penyelesaian akhir pada industri gelas adalah cleaning and polishing, cutting, enameling, dan grading. Finishing menggunakan grinding,

polishing (untuk hasil proses drawing, rolling, pressing & rolling), cutting (untuk hasil proses kontinu). Secara umum pembuatan gelas kaca yaitu :

F. Produk glass :  Window glass (misal : kaca jendela)  Containers (misal : botol)  Light Bulb Glass (misal : bola lampu, gelas minum)  Laboratory Glassware (misal : tabung glass, pipet, preparat)  Glass Fibers (misal : plastik fiber gelas, insulation wool, fiber optik)  Optical Glasses (misal : lensa kacamata, kamera, mikroskop)