studi pembuatan pva nano fiber dengan...
TRANSCRIPT
16
Harsojo / Studi Pembuatan PVA Nano Fiber dengan Electrospinning
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVII HFI Jateng & DIY, Solo, 23 Maret 2013
ISSN : 0853-0823
Studi Pembuatan PVA Nano Fiber dengan Electrospinning
Harsojo
1,2, Kuwat Triyana
1,2, Harini
2
1 Jurusan Fisika FMIPA Universiyas Gadjah Mada 2 Laboratorium Penelitian dan Pengujian Terpadu Universitas Gadjah Mada, Jl. Kaliurang km 4, Yogyakarta 55281
Abstrak – Telah dilakukan studi pembuatan polyvynil alcohol (PVA) nanofiber dengan teknik electrospinning.
Pembuatan dilakukan dengan mencampurkan PVA dengan aquadest pada kadar sampai dengan 10% berat. Tegangan
listrik yang digunakan adalah tegangan listrik DC yang dapat divariasi dari 5 kV sampai 20 kV dengan jarak yang
dapat divariasi. Hasil perolehan fiber diuji dengan mikroskop optik dan scanning electron microscope.Hasil
menunjukkan bahwa fiber yang dibuat dapat digunakan di dalam pembuatan polimer fiber untuk berbagai aplikasi
Kata kunci: nanofiber, eletrospinning, PVA
Abstract – It has been studied the making of nano fiber of polyvinil alcohol (PVA) using electrospinning technique. The
making is used DC voltage ranging from 5 kV up to 20 kV with distance can be varied. The result is tetsted using
optical microscope and scanning electronmicroscope. The resut shows that the such a polymer fiber has potentiality to
be used for many applications
Key words: nanofiber, electroospinning, polyvinil alcohol
I. PENDAHULUAN
Selain material nano, serat nano adalah salah satu
material yang banyak mengundang minat peneliti di
dunia karena memiliki banyak aplikasi, baik untuk
kesehatan [1], komponen elektronik [2,3], maupun untuk
energi [4,5]. Teknik elektrospining adalah teknik lama
yang dewasa ini banyak digunakan untuk memproduksi
serat nano. Salah satu serat nano polimer yang dapat
diencerkan dengan air adalah adalah polimer polyvinyl
alcohol. Bahan ini tidak terlarut dalam pelarut organik,
tetapi larut oleh air. Bahan ini juga relatip tidak toksik,
memiliki sifat isolator, dan memiliki biokompatibilitas
yang baik [6]. Hasil penelitian menunjukkan bahan ini
setelah dibuat fiber secara elektrospinning dan
digabungkan dengan dengan bahan anti bakteri telah
digunakan untuk pelapis serat anti bakteri [7]. Bahan
PVA juga dapat juga dibuat serat nano konsentrik yang
diisi bahan lain. Salah satu hal penting di dalam
pembuatan nano fiber adalah ukuran fiber. Namun
demikian, pembahasan tentang pembuatan nanofiber
PVA yang dibuat secara electrospinning beserta
ukurannya masih sangat terbatas. Pada tulisan ini akan
dikemukakan proses pembuatan nano fiber secara
electrospinning khususnya untuk bahan PVA.
Pembahasan tentang mekanisme terjadinya nano fiber
akan dikemukan pada bab II sedangkan eksperimen dan
hasil pembuatan serat nano PVA serta hasil uji perolehan
dibahas di bab III yang diakhiri dengan kesimpulan pada
bab IV.
II. LANDASAN TEORI Untuk membuat nano fiber secara elektrospinning,
polimer harus diencerkan kemudian di masukkan ke
dalam suatu spineret atau injeksi yang diberi tegangan
listrik dengan suatu target yang berfungsi sebagai
pengumpul serat dan juga grounding. Ilustrasi proses
tersebut disajikan pada Gambar 1. Pada saat bahan
diinjeksikan terjadi persamaan gaya sebagai berikut
0=+− HC FFF γ . (1)
Gambar 1. Proses pembuatan nano fiber secara
elektrospinning.
Huruf F adalah menunjukkan gaya sedangkan indeks C,
CF adalah gaya Coulumb yang timbul karena adanya
medan listrik, γF adalah gaya karena tegangan muka
yang timbul karena adanya muatan pada polimer, HF
adalah gaya hidrodinamik yang timbul karena adanya
Harsojo / Studi Pembuatan PVA Nano Fiber dengan Electrospinning 17
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVII HFI Jateng & DIY, Solo, 23 Maret 2013
ISSN : 0853-0823
tekanan pada polimer. Ketika gaya tersebut nol maka
akan muncul permukaan setengah bola pada lubang
syringe yang akhirnya karena tarikan medan listrik akan
mebentuk kerucut Taylor (gambar sisipan) yang pada
ukuran tertentu akan membuat terjadinya jet polimer
menuju tanah (ground). Pada jarak pendek, d, akan
berbentuk lurus karena efek jet, namun selanjutnya, pada
jarak L, karena selama jet pelarut polimer menguap, serat
menjadi sangat halus. Karena interaksi anatara bagian
serat yang bermuatan dan interaksi dengan udara terjadi
secara rambang maka akan terbentuk fiber polimer yang
tak lurus (nonwoven). Selama gerakan jet berlaku
persamaan kontinuitas massa, yaitu selama gerakan pada
sumbu-z, laju massa tetap
( ) 02 =vR
dz
dπ , (2)
R adalah diameter lubang, v laju jet. Selama gerakan jet,
arus listriknya juga tetap, maka
( ) 02 2 =+ sJRvRdz
dπσπ , (3)
Dengan σ rapat muatan luas, sJ rapat arus dipermukaan
bola. Selanjutnya selama gerakan jet juga terjadi hukum
kekekalan momentum
( ) ( )gRvRdz
dρπρπ 222 − =
−
dz
dRTTR en
et )(2π
Rπ2 + ( )
++−
dz
dRR
RTPR
dz
dzz π
γπ 2)(
2 (4)
Suku yang pertama di ruas kiri adalah efek tegangan
permukaan listrik permukaan tangensial etT dan normal
enT sedangkan suku ke dua adalah tegangan permukaan
jet. Medan listrik selama proses jet dapat dinyatakan
dalam bentuk [8]
−
−=∞
dz
Rd
dz
ERd
R
LEE z
)(1)
)(
2ln
02
22
0
σ
ε
β (5)
Dengan ∞E adalah medan eksternal dan zE adalah medan
listrik pada sumbu-z. Adapun kekentalan polimer yang
digunakan mempengaruhi hasil fiber karena selama
terjadi jet ada perubahan stress polimer pada arah aradial
dan arah aksial yang saling menggandeng sehingga laju
jet arah pada sumbu-z berbeda dengan laju arah radial.
Efek tersebut dinyatakan lewat persamaan [11]
')''(2 vTTvvTT prrprrprrprr η
η
λαλ −=+++
'2)''(2 vTTvvTT pzzpzzpzzpzz η
η
λαλ =+++
Dengan 'pzzT adalah stress pda sumbu z dan 'prrT adalah
stress pada sumbu radial, λ alaah waktu relaksasi dan
α adalah mobilitas polimer. Dengan persamaan (2)
sampai (6) dan dengan syarat batas yang sesuai dapat
dihitung ukuran jari-jari polimer ketika terjadi jet.
Walaupun demikian, di dalam praktek setelah terjadi jet
akan terjadi penguapan air dari poimer dan interaksi antar
polimer sehingga fiber tidak lurus. Ukuran fiber akan
semakin kecil bila jarak ujung syrenge dengan kolektor
serat semakin jauh.
III. EKSPERIMEN Eksperimen dilakukan pada suhu kamar dengan
tegangan listrik divariasi anatar 5 kV sanpai 20 kV.
Bahan PVA memiliki berat molekul 65000 yang
diencerkan dengan air dengan kadar PVA 10% berat.
PVA yang dibuat dimasukkan di dalam aqua bidest yang
dipanasai pada suhu 50oC sambil diaduk selama 5 jam
untuk mendapatkan campuran PVA yang homogen.
Fraksi PVAa ini lebih tinggi dari harga idela sebagaimana
diselidiki oleh [11] tetapi dengan PVA ini dapat diperoleh
kondisi pembuatan serat yang stabil. Lubang syringe
yang digunakan 0.2 mm. Syringe ditekan dengan tekanan
gas nitrogen untuk menggerakkan pendorongnya
sehingga selama percobaan kondisi pembuatan fiber
praktis stabil pada jangkau tegangan DC yang digunakan.
Sistem rangkaian elektrospinning yang dipakai dibuat di
Laboratorium Penelitian dan Pengujian Terpadu (LPPT),
Universitas Gadjah Mada.
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil pemotretan terjadinya serat polimer dapat dilihat
pada gGamb. 2 (a) dan 2(b). Gambar 2(a) menunjukkan
bahwa pada tegangan listrik rendahpun terjadinya jet
hanya pada jarak d (lihat Gamb.1) yang sangat pendek
sehingga Gamb.2(a) praktis hanya menunjukkan serat
PVA setelah terjadinya jet yang ditandai dengan bentuk
yang tidak lurus (non woven). Gamb. 2 (b) menunjukkan
bahwa serat PVA yang terjadi mengarah berbentuk
seperti piramida karena tepat dibahwah jarum diberi
konduktor yang runcing sehingga distribusi serat yang
dihasilkan mengikuti medan listrik yang ditimbulkan.
Hasil perolehan serat dilihat dengan mikroskop optik
disajikan oleh Gamb.3. Dari Gamb.2 tampak bahwa
ukuran serat yang dihasilkan ketika elektrospinning
dipasang pada 10 kV dengan jarak 40 mm lebih besar
dibanding dengan ukuran serat yang dihasilkan pada
jarak 60 mm. Tetapi setup alat pada tegangan 20 kV dan
jarak 40 mm dibandingkan dengan setup alat pada
tegangan yang sama namun jaraknya 60 mm tidak begitu
nyata perbedaan ukuran serat yang dihasilkan. Hal ini
mungkin disebabkan karena kondisi ruangan yang belum
terkondisi dengan kelembaban dan suhu ruangannya.
Walaupun demikian, hal ini masih memerlukan
penyeldikikan lebih lanjut. Hasil ini juga menunjukkan
pada jarak 40 mm sampai 60 mm pada tegangan listrik 20
kV dan 10 kV serat sudah menjadi tak lurus. Hasil lain
menunjukkan bahwa pada jarak tersebut juga tidak
diamaati adanya bendolan (beat) pada serat. Hal ini
menunjukkan bahwa campuran 10 % PVA dan jarak 60
mm cukup baik untuk menghasilkan serat tanpa
18
Harsojo / Studi Pembuatan PVA Nano Fiber dengan Electrospinning
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVII HFI Jateng & DIY, Solo, 23 Maret 2013
ISSN : 0853-0823
bendolan. Hal ini penting karena untuk dapat digunakan
sebagai serat tekstil, untuk kerangka pertumbuhan sel,
atau palikasi yang lain, munculnya bendolan akan
membuat mutu serat menjadi kurang baik.
(a)
(b)
Gambar 2. Proses pembentukan serat pada ujung syrenge (a)
dan (b) pada kolektor berupa lempeng tembaga. Alat pasang
pada tegangan 5 kV, arus 2 mA.
Gambar 3. Gambar serat yang dihasilkan oleh elektrospinning.
Untuk mengetahui tegangan minimum yang dapat
menghasilkan serat PVA, maka alat disetup pada
tegangan yang terkecil yang masih menghasilkan serat.
Hasil eksperimen kami menunjukkan bahwa nilai
tegangan itu adalah 5 kV untuk polimer 10% PVA berat
di dalam aquadest. Pada kondisi itu, ukuran serat yang
dihasilkan paling kecil diperoleh pada jarak 40 mm yang
ditunjukkan oleh Gamb.3. Namun hasil perolehan serat
pada tegangan ini masih disertai bendolan (beat)
sebagaimana dapat dilihat dengan jelas pada Gamb. 2 (b).
Adanya bendolan pada fiber menunjukkan kualitas serat
yang dihasilkan masih belum baik untuk digunakan
sebagai aplikasi serat nano polimer. Hasil uji dengan
dengan Trranmission Electron Microscope yang dipasang
pada tegangan 40 kV ditunjukkan oleh Gamb. 3. Ukuran
serat yang ditunjukkan oleh anak panah bila diambil
dengan TEM pada tegangan 100 kVditunjukkan pada
Gambar 4. Hasil pengujian menunjukkan bahwa serat
PVA dalam ukuran 200 nanometer dapat dibuat dengan
tegangan 5 KV DC dan arus berorde mA.
Gambar 4. Serat fiber PVA yang dihasilkan oleh
elektrospinning dengan tegangan 5 kV dan jarak 40 mm.
Walaupun belum ada banyak pengukuran sifat serat PVA
yang dihasilkan, namun hasil pengamatan kami
menunjukkan bahwa serat PVA yang dihasilkan berorde
ratusan nanometer sampai submikrometer. Studi lanjut
tentang aplikasi serat ini dan serat polimer yang lain
masih dalam proses.
Harsojo / Studi Pembuatan PVA Nano Fiber dengan Electrospinning 19
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVII HFI Jateng & DIY, Solo, 23 Maret 2013
ISSN : 0853-0823
IV. KESIMPULAN Hasil studi pembuatan serat PVA dari campuran
prosentase PVA 10% berat di dalam aquadest yang
diumpankan pada alat elektrospinning menghasilkan serat
PVA tak lurus (non woven) dalam orde ratusan
nanometer sampai submikrometer telah dapat dihasilkan
bila pemasangan alat dilakukan pada tegangan listrik DC
di atas 5 kV. Pada tegangan lebih tinggi dan jarak yang
lebih jauh dapat dihasilkan serat nano yang tidak
mengandung bendolan.
PUSTAKA [1] Jia-Horng Lin, Chao-Tsang Lu, Jin-Jia Hu, Yueh-Sheng
Chen, Chen-Hung Huang, and Ching-Wen Lou, “Property
Evaluation of Bletilla striata/Polyvinyl Alcohol Nano
Fibers and Composite Dressings”, Journ. of Nanomat.,
Vol. 2012, pp 1-7 (2012)
[2] Hui Wu, Dandan Lin, Rui Zhang, and Wei Pan, “ZnO
Nanofiber Field-Effect Transistor Assembled by
Electrospinning”, J. Am. Ceram. Soc., 91 [2] (2008) pp
656–659.
[3] Hui Wu, Liangbing Hu, Michael W. Rowell, Desheng
Kong, Judy J. Cha, James R. McDonough, Jia Zhu, Yuan
Yang, Michael D. McGehee, “Electrospun Metal
Nanofiber Webs as High-Performance Transparent
Electrode”, NanoLetter, 10, (2010) 4242–4248.
[4] Syed Abdul Moiz1, Ahmed Muhammad Nahhas1, Han-
Don Um,Sang-Won Jee, Hyung Koun Cho4, Sang-Woo
Kim and Jung-Ho Lee, A stamped PEDOT:PSS–silicon
nanowire hybrid solar cell, Nanotechnology, 23 (2012)
145401-145408.
[5] Lijun Yang, Wallace Woon-Fong Leung, Improvement of
Dye Sensitized Solar Cells With Nanofiber-Based Anode,
ASME 2011 International Mechanical Engineering
Congress and Exposition (IMECE2011) , November 11–
17, 2011 , Denver, Colorado, USA.
[6] Rose Ann Franco, Young-Ki Min, Hun-Mo Yang, and
Byong-Taek Lee, “On Stabilization of PVPA/PVA
Electrospun Nanofiber Membrane and Its Effect on
Material Properties and Biocompatibility”, Journ. of
Nanomat.,vol. 2012, pp 393042-393051 (2012).
[7] Zhang Liuxue, Wang Xiulian, Liu Peng, Su Zhixing,
“Low temperature deposition of TiO2 thin films on
polyvinyl alcohol fiberswith photocatalytical and
antibacterial activities”, Applied Surface Science, vol.
254, 6, 2008, pp 1771-1774
[8] J.J. Feng, “The stretching of an electrified non-Newtonian
jet: A model for electrospinning,” Physics of Fluids, vol.
14, No. 11, (2002) pp. 3912-3926.
TANYA JAWAB
Heri Sutanto ? Bagaimana/ parameter apa yang perlu diperhatikan
atau control untuk ukuran nano fiber T1O2/ PVA dengan
metode elektrospining?
Harsojo, UGM √ Untuk kontur ukuran nano fiber PVA/ T1O2 untuk
ukuran bisa divariasi jarak dan tegangan, untuk
teksturnya bisa digunakan elektroda hasilnya 2 elektroda
atau 4 elektroda