Makalah Pengertian dan Aplikasi Kaca

BAB I

PENDAHULUAN

A. Latar Belakang

Seiring dengan bertambahnya kebutuhan manusia, banyak juga ilmuan yang mencari hal-hal yang dapat bermanfaat bagi kehidupan manusia, salah satunya adalah adanya ilmu sains kaca. Sains kaca merupakan salah satu bidang ilmu pada fisika. Kaca adalah salah satu produk industri kimia yang paling akrab dengan kehidupan kita sehari-hari. Namun tidak banyak yang kita ketahui mengenai kaca tersebut.

Dipandang dari segi fisika kaca merupakan zat cair yang sangat dingin. Disebut demikian karena struktur partikel-partikel penyusunnya yang saling berjauhan seperti dalam zat cair namun dia sendiri berwujud padat. Ini terjadi akibat proses pendinginan (cooling) yang sangat cepat, sehingga partikel-partikel silika tidak sempat menyusun diri secara teratur.

Dari segi kimia, kaca 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 memiliki sifat-sifat yang khas dibanding dengan golongan keramik lainnya. Kekhasan sifat-sifat kaca ini terutama dipengaruhi oleh keunikan silika (SiO2) dan proses pembentukannya.

BAB II

PEMBAHASAN

1.1  Pengertian Kaca

Kaca merupakan materi bening dan transparan (tembus pandang) yang biasanya di hasilkan dari campuran silikon atau bahan silikon dioksida(SiO₂), yang secara kimia sama dengan kuarsa (bahasa Inggris: kwarts). Biasanya dibuat dari pasir. Suhu lelehnya adalah 2000 Derajat Celcius.Jenis kaca yang paling umum di kenal dan yang telah digunakan sejak berabad-abad silam sebagai jendela dan gelas minum adalah kaca soda kapur, yang terbuat dari 75% silica (SiO2) ditambah Na2O, CaO, dan sedikit aditif lain.

Di dalam ilmu pengetahuan, istilah kaca didefinisikan dalam arti yang luas, kaca dapat dibuat dari paduan bahan yang berbeda: paduan logam, ion-ion yang di cairkan, molekul cair, dan polimer. Untuk banyak aplikasi seperti; botol, kaca mata, gelas dll.Kaca memainkan peran penting dalam ilmu pengetahuan dan industri. Karena struktur kimianya, fisik, dan khususnya sifat optik kaca cocok untuk aplikasi optik dan bahan Optoelektronik, peralatan laboratorium, isolator termal, bahan penguat, dan seni kaca (seni, kaca studio).

Kaca adalah salah satu produk industri kimia yang paling akrab dengan kehidupan kita sehari-hari. Tetapi seberapa banyakkah yang kita ketahui tentang senyawa unik ini? Inilah beberapa fakta tentang kaca.Dipandang dari segi fisika kaca merupakan zat cair yang sangat dingin. Disebut demikian karena struktur partikel-partikel penyusunnya yang saling berjauhan seperti dalam zat cair namun dia sendiri berwujud padat. Ini terjadi akibat proses pendinginan (cooling) yang sangat cepat, sehingga partikel-partikel silika tidak “sempat” menyusun diri secara teratur.

Dari segi kimia, kaca 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 memiliki sifat-sifat yang khas dibanding dengan golongan keramik lainnya. Kekhasan sifat-sifat kaca ini terutama dipengaruhi oleh keunikan silika (SiO₂) dan proses pembentukannya.

1.2 Sejarah Perkembangan Kaca

Kaca pertama kali ditemukan secara tidak sengaja di daerah Syria pada 5000 SM, dengan melelehnya batuan yang digunakan untauk memasak dan kemudian mengeras menjadi opaque (tidak trnsparan).Sekitar 3500 SM, bahan dasar kaca mulai digunakan sebagai bahan yang memberi efek kilau pada vas dan pot. Para pedagang yang mengetahui ini mulai menyebarkan informasi ini sepanjang perjalanan mereka.

Pada 1600 SM mulai dibuat vas yang terbuat dari kaca. Juga ditemukan bukti-bukti pembuatan kaca di daereah Yunani dan Cina. Pada tahun 1500 SM, pengrajin Mesir menmukan caara untuk membuat pot kaca dengan cetakan. Terbukti dengan ditemukannya 3 buah vas dengan ukiran nama Pharoh Thoutmosis III (1504-1450SM), yang membawa pengrajin kaca dari misi militernya di Cina.

Sampai abad 9 SM kerajinan kaca mulai berkembang didaerah Mesopotamia dan sampai ke Italia. Cara pembuatan kaca yang tertulis pertama dibuat pada tahun 650 SM dengan ukiran diatas lempengan batu yang tersimpan di perpustakaan raja Assyria Ashurbanipal (669-626 SM).Antara 27 SM samapi 14 SM, ditemukan caara baru dalam mengolah kaca yaitu disebut glassblowing.

Alat yang digunakan berupa pipa logam sempit sebagai alat untuk meniup. Lalu bangsa Roma mulai menggunakan alat cetakan untuk membuat kaca. Pada tahun 100 M, bansa Roma menjadi yang pertama menggunakan kaca dalam arsitektur, dengan ditemukannya clear glass yang digunakan pada bangunan-bangunan penting dan vila-vila mewah. Sekitar tahun 1000 M, bangsa Eropa yang mulai kesulitan mencari bahan dasar kaca mulai memakai bahan dasar lain, yaitu potash.

Pada abad 11, Jerman menciptakan metode membuat kaca lembaran .(glass sheet). Pada abad 13, bangsa Venezia mulai memproduksi kaca dalam bentuk lembaran. Pada akhir abad19, mulai berdiri bangunan yang menggunakan kaca sebagai bungkus luar bangunan dan menjadi hal yang sangat baru karena pada zaman itu bangunan masih menggunakan batu bata untuk dindingnya.                                                         

  

1.3      Macam-macam Kaca

Secara umum, kaca komersial dapat 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 yang mengandung dua komponen yang di publikasikan secara komersial. Pada proses pembuatannya pasir dan soda dilebur bersama-sama, dan hasilnya disebut Natrium silikat. Larutan silikat soda juga dikenal sebagai kaca larut air (water soluble glass) dan banyak dipakai sebagai adhesif dalam pembuatan kotak-kotak karton gelombang yang memiliki sifat tahan api.

3. Kaca soda gamping

Kaca soda gamping (soda-lime glass) merupakan 95 persen dari semua kaca yang dihasilkan. Kaca ini 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, didapatlah 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. Kaca borosilikat juga digunakan sebagai isolator tegangan tinggi, dan digunakan juga untuk lensa teleskop seperti misalnya lensa 500 cm di Mt. Palomer (AS).

6. Kaca khusus

Kaca berwarna , bersalut, opal, translusen, kaca keselamatan, fitokrom, kaca optik dan kaca keramik semuanya termasuk kaca khusus. 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.

Selain itu, ada juga kaca silika yang digunakan di dalam keteknikan yang  mempunyai berbagai substansi yang ditambahkan ke SiO2, sehingga membuatnya lebih mudah direkayasa, tetapi titik fusinya menjadi lebih rendah. Kaca-silika di dalam keteknikan diklasifikasikan menjadi tiga kelompok, yaitu :

 1. Kaca alkali tanpa oksida berat. Kaca ini mempunyai titik lebur yang agak rendah. Pemakaiannya antara lain untuk botol   dan kacajendela.

2. Kaca alkali yang mengandung oksida berat. Kaca ini mempunyai sifat kelistrikan yang tinggi dibandingkan dengan kaca alkali kelompok 1. Kaca flint ditambah dengan PbO atau kaca crown ditambah dengan BaO digunakan sebagai kaca optik. Kaca khusus untuk bahan dielektrik kapasitor adalah kaca flint yang disebut minos. Di antara kaca-kaca crown terdapat jenis yang disebut pireks. Pireks mempunyai koefisien thermal 33. 10-7 per oC dan mampu menahan perubahan suhu yang mendadak.

3. Kaca non alkali.Penggunaan kaca ini adalah sebagai kaca optik dan bahan isolasi listrik. Beberapa jenis kaca dari kelompok ini mempunyai titik pelunakan yang sangat tinggi.

1.4 Sifat-Sifat Kaca

1. Massa jenis kaca berkisar antara 2 hingga 8,1 g/cm3.

2. Kekuatan tekannya 6000 hingga 21000 kg/cm2.     

3. Kekuatan tariknya 1 hingga 300 kg/cm2. Karena kekuatan tariknya relatif kecil, maka kaca   adalah bahan yang regas. Walaupun      kaca adalah substansi berongga, tetapi tidak mempunyai titik leleh yang tegas, karena pelelehannya adalah perlahan-lahan ketika suhu pemanasan dinaikkan.

4. Titik pelembekan kaca berkisar antara 500 hingga 1700° C. Makin sedikit kandungan SiO2 makin rendah titik pelembekan kaca. Demikian pula halnya dengan muai panjang (α), makin banyak kadar SiO2 yang dikandungnya akan makin kecil α nya.

5. Muai panjang untuk kaca berkisar antara 5,5. 10-7 hingga 150. 10-7 per derajat celcius. Nilai dari angka muai panjang adalah sangat penting bagi suatu kaca dalam hubungannya dengan kemampuan kaca menahan perubahan suhu. Piranti dari kaca yang dipanaskan atau didinginkan secara tiba-tiba akan meregang. Hal ini disebabkan distribusi suhu yang tidak merata pada lapisan luarnya dan keadaan tersebut menyebabkan piranti retak.  

Jika kekuatan tarik piranti kaca lebih rendah dari kekuatan tekannya, maka pendinginan yang mendadak pada permukaannya akan lebih memungkinkan terjadinya keretakan dibandingakan dengan pemanasan yang tiba-tiba. Kaca silika jenis Red-Hot akan lebih aman dalam hal pendinginan atau pemanasan tiba-tiba karena kaca jenis ini mempunyai α yang sangat rendah. Piranti kaca yang dindingnya tipis, ketahanannya terhadap perubahan panas mendadak lebih baik dibandingkan dengan piranti kaca yang dindingnya tebal. Hal ini karena dipengaruhi faktor kerataan pemuaian permukaan kaca bagian luar dan dalam dinding piranti adalah tidak sama.

Kaca yang digunakan untuk suatu perangkat dan pada perangkat tersebut terdapat juga logam, misalnya : lampu pijar dan tabung sinar katode, maka nilai α nya harus disesuaikan, yaitu harus rendah karena selalu bekerja pada suhu yang cukup tinggi. Dengan demikian, maka tidak terjadi keretakan di bagian kacanya pada waktu perangkat tersebut digunakan.

Kemampuan larut kaca terhadap bahan lain akan bertambah sesuai dengan kenaikkan suhunya. Kaca yang mempunyai kekuatan hidrolik rendah ketahanan permukaannya pada media yang lembab adalah kecil. Kaca silika mempunyai ketahanan hidrolik paling tinggi. Kekuatan hidrolik akan sangat berkurang jika kaca diberi alkali. Pada kenyataannya, kaca silika adalah tidak peka terhadap asam kecuali asam fluorida. Pada pabrikasi kaca, asam fluorida digunakan untuk membuat kaca embun.

Pada umumnya kaca tidak stabil terhadap pengaruh alkali. Sifat-sifat elektris dari kaca dipengaruhi oleh komposisi dari kaca itu sendiri. Kaca yang digunakan untuk teknik listrik pada suhu normal diperlukan syarat-syarat antara lain : resitifitas berkisar antara 108 hingga 1017 Ω-cm, permitivitas relatif єr berkisar antara 3,8 hingga 16,2, kerugian sudut dielektriknya 0,003 hingga 0,01, tegangan break-down 25 hingga 50 kV/mm.Kaca silika mempunyai sifat kelistrikan yang paling baik. Pada suhu kamar, besarnya resitivitas adalah 107 Ω-cm, єr 3,8 dan sudut dielektriknya pada 1 MHZ adalah 0,0003. Jika kaca silika ditambahkan natrium atau kalium, maka resitivitasnya akan turun, sudut dielektriknya naik sedikit.

Sering kali oksida logam alkali ditambahkan pada pembuatan kaca dengan maksud agar sifat-sifat kaca menjadi lebih baik. Oksida-oksida tersebut dimasukkan ke dalam kaca sebagai pemurnian bahan-bahan mentah. Keberadaan natrium dalam kaca adalah lebih tidak menguntungkan dari kalium. Karena ion Na adalah sangat kecil ukurannya dan sangat mudah bergerak di dalam medan listrik. Itulah sebabnya mengapa Na dapat menambah konduktifitas kaca. Kaca yang mengandung oksida-oksida dua logam alkali yang berbeda dimungkinkan mempunyai sifat isolasi yang lebih tinggi dibandingkan jika kuantitas oksidanya hanya mengandung 1 bagian dari kuantitas oksida dua logam (efek netralisasi atau polialkalin). Kemampuan isolasi kaca juga dapat lebih baik jika ditambah PbO atau BaO.

Adapun beberapa sifat-sifat lain dari kaca secara umum. Sifat-sifat tersebut  adalah:

Ø  Padatan amorf (short range order).

Ø  Berwujud padat tapi susunan atom-atomnya seperti pada zat cair.

Ø  Tidak memiliki titik lebur yang pasti (ada range tertentu)

Ø  Mempunyai viskositas cukup tinggi (lebih besar dari 10¹² Pa.s)

Ø  Transparan, tahan terhadap serangan kimia, kecuali hidrogen fluorida. Karena itulah kaca banyak dipakai untuk peralatan laboratorium.

Ø  Efektif sebagai isolator.

Ø  Mampu menahan vakum tetapi rapuh terhadap benturan.

Reaksi yang terjadi dalam pembuatan kaca secara ringkas adalah sebagai berikut:
Na₂CO₃ + aSiO₂ ? Na₂O.aSiO₂ + CO₂

CaCO₃ + bSiO₂ ? CaO.bSiO₂ + CO₂

Na₂SO₄ + cSiO₂ + C ? Na₂O.cSiO₂ + SO₂ + SO₂ + CO

Walaupun saat ini terdapat ribuan macam formulasi kaca yang dikembangkan dalam 30 tahun terakhir ini namun gamping, silika dan soda masih merupakan bahan baku dari 90 persen kaca yang diproduksi di dunia.

1.5 Aplikasi Kaca

Pemakaian kaca antara lain :

1. Pembuatan bola lampu, tabung elektronik, penyangga filament. Titik pelunakan kaca ini tidak terlalu tinggi, muai panjangnya hendaknya dibuat mendekati muai panjang logam maupun paduannya yang disangga. Logam yang dimaksud adalah wolfram, molibdenum.

2. Untuk bahan dielektrik pada kapasitor. Minos adalah salah satu jenis kaca permeabilitas relatif tinggi yaitu 7,5, sudut kerugian dielektrik (tan δ) kecil pada frekuensi 1MHz, suhu 20oC, tan δ = 0.0009 pada frekuensi 1MHz, suhu 200oC, tan δ = 0,0012. Kaca minos mempunyai α = 8,2 . 107 per oC. massa jenis 3,6 g/cm3.

3. Untuk membuat berbagai isolator. Misalnya isolator penyangga, isolator antena, isolator len, dan isolator bushing. Untuk penggunaan ini, selain sifat kelistrikan yang baik juga dituntut mempunyai kekuatan mekanis yang tinggi, tahan terhadap perubahan suhu yang mendadak, dan tahan terhadap pengaruh kimia. Jenis kaca yang digunakan untuk keperluan ini antara lain kaca silika, pireks kalium-natrium.

 4. Pelapisan logam. Salah satu jenis kaca adalah enamel (bukan enamel vernis). Enamel dalam hal ini dapat digunakan untuk pelapisan logam atau benda lain sejenisnya, misalnya dudukan lampu, reflektor, barang-barang dekoratif yang tujuannya untuk mendapatkan permukaan yang lebih bagus. Enamel juga dapat digunakan sebagai isolasi listrik, yaitu untuk melapisi resistor tabung (kawat yang dililitkan pada tabung tersebut adalah resistor, antara lain : nikrom, konstantan).  

Dalam hal ini, enamel dileburkan dan kemudian tabung keramik yang sudah dililiti kawat tersebut dicelupkan sehingga sela-sela di antara lilitan diisi enamel. Tujuannya di samping untuk mengisolasi lilitan, juga melindungi lilitan terhadap uap, debu, dan oksidasi udara pada suhu kerja yang tinggi. Enamel dipabrikasi dengan meleburkan komponen-komponennya yang halus, kemudian dituangkan sedikit demi sedikit dalam keadaan meleleh ke dalam air yang dingin hingga membentuk seperti bola, selanjutnya dihaluskan menjadi bubuk.

 Pemakaian enamel untuk pelapisan dapat dilakukan dengan cara kering maupun basah. Pada pelapisan kering, perangkat yang akan dilapisi dipanasi hingga suhu tertentu kemudian dimasukkan ke dalam bubuk enamel. Dengan demikian maka bubuk di sekelilingnya akan meleleh dan melapisi perangkat tersebut. Proses ini diulang berkali-kali hingga diperoleh ketebalan lapisan yang diinginkan. Pada pelapisan basah, mula-mula enamel diaduk dengan air sehingga menjadi bubur enamel yang digunakan untuk melapisi perangkat yang dimaksud. Selanjutnya perangkat yang sudah dilapis tersebut dikeringkan, lalu dipanaskan dengan oven sehingga enamel meleleh dan dengan demikian melapisi perangkat.

Untuk keperluan pelapisan ini, koefisien muai panjang enamel harus diusahakan sama dengan muai panjang perangkat yang dilapisi. Komponen elamen untuk pelapisan resistor tabung (kaca boron-timah hitam dengan mangan peroksida) adalah sangat sederhana yaitu : 27% PbO, 70% H3BO3 dan 3% MnO2. Titik lebur enamel ± 600oC. Enamel akan hilang warnanya dan sebagian akan melarut jika direndam dalam air dalam waktu yang lama. Untuk menambah ketahanan enamel terhadap air dan panas biasanya ditambahkan pasir kuarsa. Sedangkan untuk menambahkan kemampuan lekatnya, enamel yang digunakan untuk melapisi baja atau besi tulang, ditambah Ni dan Co.

5. Fiber Optic (Serat optik) adalah saluran transmisi yang terbuat dari kaca atau plastik yang digunakan untuk mentransmisikan sinyal cahaya dari suatu tempat ke tempat lain. Cahaya yang ada di dalam serat optik sulit keluar karena indeks bias dari kaca lebih besar daripada indeks bias dari udara. Sumber cahaya yang digunakan adalah laser karena laser mempunyai spektrum yang sangat sempit. Serat optik terdiri dari 2 bagian, yaitu cladding dan core. Cladding adalah selubung dari core. Cladding mempunyai indek bias lebih rendah dari pada core akan memantulkan kembali cahaya yang mengarah keluar dari core kembali kedalam core lagi.

Gambar 2.1 Bagian – Bagian Serat Optik

Berdasarkan sifat karakteristiknya maka jenis serat optik secara garis besar dapat dibagi menjadi 2 yaitu :

                                                                                   

1.      Multimodestep index. Pada jenis serat optik ini penjalaran cahaya dari satu ujung ke ujung lainnya terjadi dengan melalui beberapa lintasan cahaya, karena itu disebut multimode. Diameter inti (core) sesuai dengan rekomendasi dari CCITT G.651 sebesar 50 m m dan dilapisi oleh jaket selubung (cladding) dengan diameter 125 mm. Pada jenis multimode step index ini, diameter core lebih besar dari diameter cladding. Berikut ini adalah gambar yang menunjukkan pemanduan cahaya pada fiber optik:

2.2Multimodestep index

2. Multimode Graded Index

Pada jenis serat optik multimode graded index ini. Core terdiri dari sejumlah lapisan gelas yang memiliki indeks bias yang berbeda, indeks bias tertinggi terdapat pada pusat core dan berangsur-angsur turun sampai ke batas core-cladding. Akibatnya dispersi waktu berbagai mode cahaya yang merambat berkurang sehingga cahaya akan tiba pada waktu yang bersamaaan. Berikut adalah gambar perambatan gelombang dalam multimode graded index.

Gambar 2.3Fiber Optik Multimode Graded Index

3. Single Mode

Serat optik single mode/monomode mempunyai diameter inti (core) yang sangat kecil 3 – 10 m m, sehingga hanya satu berkas cahaya saja yang dapat melaluinya. Oleh karena hanya satu berkas cahaya maka tidak ada pengaruh index bias terhadap perjalanan cahaya atau pengaruh perbedaan waktu sampainya cahaya dari ujung satu sampai ke ujung yang lainnya (tidak terjadi dispersi). Dengan demikian serat optik singlemode sering dipergunakan pada sistem transmisi serat

optik jarak jauh atau luar kota (long haul transmission system). Sedangkan graded index dipergunakan untuk jaringan telekomunikasi lokal (local network).

Gambar 2.3 Single Mode