Dokumen tersebut membahas tentang kinetika kristalisasi bahan, yang meliputi proses nukleasi dan pertumbuhan kristal. Ada beberapa model kinetika kristalisasi seperti model Kissinger dan model Johnson-Mehl-Avrami. Proses kristalisasi dan mikrostruktur bahan dapat dipengaruhi oleh perlakuan panas dan pendinginan. Differential Scanning Calorimetry (DSC) digunakan untuk mempelajari kinetika kristalisasi dan menentukan derajat kristalinitas b

1. Kinetika Kristalisasi
Oleh : ISMAIL
Sifat-sifat beberapa material berhubungan langsung dengan susunan kristalnya. Material padat
dapat dikategorikan berdasarkan pada susunan atom atau ion-ionnya. Material yang mempunyai susunan
atom yang teratur dan berulang secara periodic dalam jarak yang panjang disebut dengan kristal.
Ada tiga fenomena penting yang harus diperhatikan dalam mendesain dan memproses suatu
material yaitu kristalisasi, melting, dan glass transition. Kristalisasi adalah suatu proses pada pendinginan
yang mengarah pada pembentukan fase padat (kristal) yang dihasilkan dari lelehan cairan yang memiliki
struktur molekul yang sangat acak. Pemahaman tentang mekanisme dan kinetika kristalisasi pada material
adalah sangat penting, karena derajat kekristalan mempengaruhi sifat mekanik dan sifat termal pada
bahan-bahan tersebut (Callister, 2007).
Ada beberapa model kinetika kristalisasi yang dikenal dalam bidang material science. Yaitu model
Kissinger, dan model Johnson-Mehl-Avrami (Hsiao dkk, 2002). Model Kissinger menjelaskan kinetika
kristalisasi selama pemanasan secara kontinu. Dengan persamaannya dituliskan sebagai
∅
푇푃
ln (
2) = −
푄퐾
푅 푇푃
+ 퐶
Yang menghubungkan antara log natural laju pemanasan ∅ dan temperature puncak TP dengan energi
aktivasi QK, konstanta gas ideal R, dan TP. Energi aktivasi mengizinkan energi barrier untuk melawan fase
transformasi agar dapat dijelaskan secara kuantitatif. Suhu puncak TP menunjukkan perubahan pada kadar
panas yang disebabkan oleh perubahan sifat termal pada sampel ketika seuatu reaksi terjadi pada DSC.
Pada mulanya Kissinger menetapkan bahwa temperature puncak TP bergantung pada laju pemanasan ∅,
dan variasi Tp dapat digunakan untuk menentukan energi aktivasi QK untuk reaksi orde pertama (Kissinger,
1957).
Model Johnson-Mehl-Avrami (JMA) menggambarkan kinetika kristalisasi selama proses isothermal.
Persamaan laju JMA diperoleh dengan mengasumsikan perlakuan kondisi berikut (Hsiao, dkk. 2002) :
1) Nukleasi dan growth muncul pada temperature konstan, yang disebut dengan kristalisasi
isothermal.
2) Nukleasi berlangsung secara acak disebagian besar sampel, yang diasumsikan untuk menjadi tak
terbatas.
3) Growth berlangsung secara isotropic sehingga kristal menumbuk satu sama lain
Fraksi volum yang ditransformasikan selama kristalisasi dituliskan dengan
1 – X(t) = exp (– kt n)
dimana X(t) adalah perkembangan kristal pada waktu t, k dan n adalah konstanta laju kristalisasi dan
eksponen Avrami. Untuk k dan n bergantung pada mekanisme nukleasi dan growth pada bagian massa
kristal terkecil (Chen & Chang, 2006).
Proses kristalisasi diawali dengan peristiwa nukleasi diikuti dengan pertumbuhan kristal. Nukleasi
dapat terjadi secara spontan atau dapat dirangsang secara artificial. Hal ini tidak selalu mungkin terjadi,
namun, untuk menentukan apakah system telah mangalami nukleasi dengan sendirinya atau apakah telah
mangalami nukleasi di bawah pengaruh stimulasi luar. Nukleasi yang muncul tanpa adanya zat asing di
dalam fase induk disebut dengan nukleasi homogeny atau nukleasi primer, sedangkan apabila nukleasi
muncul karena adanya kontak antara fase induk dengan zat asing disebut nukleasi heterogen atau nukleasi
sekunder. Proses nukleasi akan diikuti dengan pertumbuhan inti kristal hingga mencapai dimensi
makroskopis, peristiwa ini disebut dengan “crystal growth”. Proses pertumbuhan crystalline digambarkan
pada gambar 1. (Celikbilek, Ercin, dan Aydin; 2012)

2. Gambar 1. Tahapan yang menunjukkan pertumbuhan sebuah spherulites pada polyethylene.
(Kroschwitz, 2004)
Pada system yang sangat dingin atau sangat jenuh terkandung fluktuasi local dalam arah dan
kerapatan, yang akan, suatu ketika, menuju ke bentuk kristal. Daerah crystalline ini dikenal sebagai embrio
dan memberikan kesempatan untuk memulai proses transformasi fase. Sebagian besar embrio ini berumur
pendek, tapi ada kemungkinan kecil (tergantung pada pendinginan dan kejenuhan) dari fluktuasi tertentu
mencapai ukuran kritis. Ukuran kritis ini adalah ukuran dimana dia berada dalam kesetimbangan yang tidak
stabil dengan fase sekitarnya, dan ada kemungkinkan besar padanya untuk terus tumbuh hingga ukuran
makroskopis (Kroschwitz, 2004).
Proses pertumbuhan kristal dapat dipengaruhi oleh perlakuan panas (heat treatment). Perlakuan
panas adalah suatu proses yang dapat mengubah sifat material dengan cara mengubah struktur mikro
melalui proses pemanasan yang diikuti dengan pendinginan dengan atau tanpa merubah komposisi
material. Proses perlakuan panas akan menghasilkan sifat-sifat material yang diinginkan pada fasa
tertentu.
Perubahan sifat material akibat proses perlakuan panas mencakup seluruh atau sebagian sifat
material. Perlakuan panas yang diberikan pada material dapat meningkatkan kekerasan dan kekuatan
material. (Korin, Soifer, dan Manov, 1997)
Selain proses perlakuan panas, proses pendinginan juga mampu mempengaruhi nilai mikrostruktur
material. Proses pendinginan dilakukan setelah proses perlakuan panas. Pendingingan dibagi menjadi dua
macam, pendinginan cepat dan pendinginan lambat. Pada umumnya pendinginan cepat bertujuan agar
terbentuk struktur mikro material yang keras dan mudah retak, sedangkan pendinginan lambat bertujuan
untuk mendapatkan material dengan struktur mikro yang lebih stabil dikarenakan perubahan ukuran grain-nya
terjadi secara perlahan, sehingga menghasilkan logam yang lebih lunak dan elastis.

3. Salah satu tehnik yang banyak digunakan untuk mempelajari kinetika kristalisasi adalah dengan
menggunakan DSC (Differential Scanning Calorimetry). Tehnik ini banyak digunakan pula dalam bidang
kimia, biokimia, biologi sel, bioteknologi, farmakologi, dan baru-baru ini adalah dalam bidang nanoscience
(Gill dkk, 2010).
Dengan DSC ini dapat ditentukan hubungan antara kristallin dengan daerah amorf pada suatu
sampel material yang dinyatakan dalam bentuk persentase kristalinitas atau derajad kekristalan, diperoleh
dari puncak eksotermik kristalisasi (Vasconelos dkk, 2010).
Untuk menentukan derajad kekristalan dapat digunakan persamaan
푋퐶 =
Δ퐻푓 − Δ퐻퐶
0
Δ퐻푓
0 adalah entalpi yang dihitung pada keseluruhan bahan
dimana Δ퐻푓 adalah entalpi fusi yang diukur, Δ퐻푓
kristal, dan Δ퐻퐶 adalah entalpi kristalisasi dingin yang didapatkan selama DSC berlangsung. (Arnoult,
Dargent, dan Mano, 2007)
Referensi
1. Callister, William D. 2007. Material Science and Engineering An Introduction 7th edition. John Willey &
Sons. Inc : USA
2. Gill, Pooria; Tohidi Moghadam, Tahereh; Ranjbar, Bijan. 2010. Differential Scanning Calorimetry
Techniques : Aplications in Biology and Nanoscience. Journal of Biomolecular Techniques, Desember
2010, vol. 21(4), hal 167-193
3. A. Hsiao; McHenry M.E; Laughlin D.E; Kramer M.J; Ashe C; Ohkubo T. 2002. The Thermal, Magnetic, and
Structural Characterization of the Crystallization Kinetics of Fe88Zr7B4Cu1, an Amorphous Soft Magnetic
Ribbon. IEEE Transaction on Magnetics, Vol. 38 No. 5, September 2002, hal 3039 – 3044
4. Kissinger, H. 1957. Reaction Kinetics in Differential Thermal Analysis. Analytical Chemistry. Vol. 29, hal
1702 – 1706
5. Chen, Jean-Hong dan Chang, Yu-Lun. 2006. Isothermal Crystallization Kinetics and Morphology
Development of Isotactic Polypropylene Blends with Atactic Polypropylene. Journal of Applied
Polymer Science. Vol. 103, hal 1093 – 1104
6. Kroschwitz, I Jacqueline. 2004. Encyclopedia of Polymer Scince and Technology Vol 9. John Wiley &
Sons, Inc. hal 465 – 497
7. Korin, E; Soifer, L; dan Manov, V. 1997. Effect of Thermal Treatment of the Melt on Crystallization
Kinetics of Al91La5Ni4 Amorphous Ribbon Prepared by Rapid Quenching. Journal of Thermal Analysis
and Calorimetry. Februari 1998 Vol. 51 hal 361 – 368
8. Çelikbilek, Miray; Ersundu, Ali Erçin dan Aydın, Süheyla. 2012. Crystallization Kinetics of Amorphous
Material. Advances in Crystallization Processes. Istanbul Technical University, Turki
9. Vasconelos, Gibran da Cunha; Mazur, Regio Lago; Bothelo, Edson Cocchieri; Rezende, Mirabel Cerquiera;
Costa, Michelle Leali. 2010. Evaluation of Crystallization Kinetics of Poly (Ether-Ketone-Ketone) and
Poly (Ether-Ether-Ketone) by DSC. Journal of Aerospace Technology and Management. Vol. 2 No. 2 hal.
155 – 162. Mei – Agustus, 2010
10.Arnoult, M; Dargent, E; Mano, JF. 2007. Mobile Amorphous Phase Fragility in Semi-crystalline Polymers
: Comparison of PET and PLLA. Journal of Polymer Elsevier Vol. 48 Hal 1012 – 1019