FULL-Studi Pembuatan PVA Nano Fiber Dengan Electrospinning PDF [PDF]

Citation preview

Harsojo / Studi Pembuatan PVA Nano Fiber dengan Electrospinning



16



Studi Pembuatan PVA Nano Fiber dengan Electrospinning Harsojo1,2, Kuwat Triyana1,2, Harini2 1



Jurusan Fisika FMIPA Universiyas Gadjah Mada Laboratorium Penelitian dan Pengujian Terpadu Universitas Gadjah Mada, Jl. Kaliurang km 4, Yogyakarta 55281 [email protected]



2



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



FC − Fγ + FH = 0 .



(1)



Gambar 1. Proses pembuatan nano fiber secara elektrospinning.



Huruf F adalah menunjukkan gaya sedangkan indeks C, FC adalah gaya Coulumb yang timbul karena adanya



medan listrik, Fγ adalah gaya karena tegangan muka yang timbul karena adanya muatan pada polimer, FH adalah gaya hidrodinamik yang timbul karena adanya



Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVII HFI Jateng & DIY, Solo, 23 Maret 2013 ISSN : 0853-0823



Harsojo / Studi Pembuatan PVA Nano Fiber dengan Electrospinning



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 d πR 2 v = 0 , (2) dz R adalah diameter lubang, v laju jet. Selama gerakan jet, arus listriknya juga tetap, maka d (3) 2πRσv + πR 2 J s = 0 , dz Dengan σ rapat muatan luas, J s rapat arus dipermukaan bola. Selanjutnya selama gerakan jet juga terjadi hukum kekekalan momentum  d  dR   πR 2 ρv 2 − πR 2 ρg =  2πR(Tt e − Tn e )    dz  dz   



(



(



(



) (



)



)



)



d γ   dR   2πR + πR 2 (− P + Tzz ) +  2πR    (4) dz R  dz   Suku yang pertama di ruas kiri adalah efek tegangan



(



)



permukaan listrik permukaan tangensial Tt e dan normal



Tn e sedangkan suku ke dua adalah tegangan permukaan jet. Medan listrik selama proses jet dapat dinyatakan dalam bentuk [8] L  β d 2 (ER 2 )  1  d (σR)  E ∞ = E z − ln ) − (5)  ε  dz  R 0  2 dz 2 0  Dengan E ∞ adalah medan eksternal dan E z 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]



Tprr + λ ( vT ' prr + v' T prr ) + α



λ Tprr 2 = −ηv' η



Tpzz + λ ( vT ' pzz + v' Tpzz ) + α



λ T pzz 2 = 2ηv' η



Dengan Tpzz ' adalah stress pda sumbu z dan Tprr ' adalah stress pada sumbu radial, λ alaah waktu relaksasi dan α adalah mobilitas polimer. Dengan persamaan (2)



17



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



Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVII HFI Jateng & DIY, Solo, 23 Maret 2013 ISSN : 0853-0823



Harsojo / Studi Pembuatan PVA Nano Fiber dengan Electrospinning



18



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.



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.



(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 4. Serat fiber PVA yang dihasilkan oleh elektrospinning dengan tegangan 5 kV dan jarak 40 mm.



Gambar 3. Gambar serat yang dihasilkan oleh elektrospinning.



Untuk mengetahui tegangan minimum yang dapat menghasilkan serat PVA, maka alat disetup pada



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.



Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVII HFI Jateng & DIY, Solo, 23 Maret 2013 ISSN : 0853-0823



Harsojo / Studi Pembuatan PVA Nano Fiber dengan Electrospinning



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.



19



[6]



[7]



PUSTAKA [1]



[2]



[3]



[4]



[5]



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) 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. 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. Syed Abdul Moiz1, Ahmed Muhammad Nahhas1, HanDon 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. Lijun Yang, Wallace Woon-Fong Leung, Improvement of Dye Sensitized Solar Cells With Nanofiber-Based Anode,



[8]



ASME 2011 International Mechanical Engineering Congress and Exposition (IMECE2011) , November 11– 17, 2011 , Denver, Colorado, USA. 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). 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 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



Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVII HFI Jateng & DIY, Solo, 23 Maret 2013 ISSN : 0853-0823