PVA Dengan Metode Electrospinning PDF [PDF]

Citation preview

62



M. Muhaimin / Fabrikasi Nanofiber Komposit Nanoselulosa/PVA dengan Metode Electrospinning



Fabrikasi Nanofiber Komposit Nanoselulosa/PVA dengan Metode Electrospinning Muhammad Muhaimin1*, Wijayanti Dwi Astuti1, Harini Sosiati 2 and Kuwat Triyana1, 2 1



Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta 55281, Indonesia Grup Riset Nanomaterial, Laboratorium Penelitian dan Pengujian Terpadu (LPPT), Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta 55281, Indonesia. * Email: [email protected]



2



Abstrak – Fabrikasi nanofiber komposit nanoselulosa dan polyvinyl alcohol (PVA) telah dilakukan dengan metode electrospinning. Pada penelitian ini, nanoselulosa berbentuk nanowishkers yang diperoleh dari ekstraksi serat alam melalui proses hidrolisa. Selulosa nanowishkers yang dihasilkan selanjutnya didispersikan melalui proses ultrasonic pada suhu 30°C dengan variasi waktu 10 menit dan 30 menit (selanjutnya masing-masing disebut UC-10 dan UC-30). Fabrikasi nanofiber komposit nanoselulosa/PVA dilakukan dengan menggunakan dua variasi larutan yaitu larutan dengan konsentrasi nanoselulosa. Nanofiber komposit pertama dibuat dengan konsentrasi 3% nanoselulosa UC-10/PVA (menghasilkan nanofiber komposit “A”) dan nanofiber komposit kedua dibuat dengan 5% nanoselulosa UC-30/PVA (menghasilkan nanofiber komposit “B”). Proses electrospinning dilakukan pada tegangan 15 kV, jarak antara ujung jarum dan pelat kolektor (TCD) 13 cm dan diameter jarum syringe 0,5 mm. Morfologi nanoselulosa dan nanofiber komposit nanoselulosa/PVA diamati menggunakan scanning electron microscopy (SEM), sedangkan kandungan selulosa dianalisis puncak serapannya menggunakan Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy. Hasilnya menunjukkan bahwa komposit nanofiber “A” memiliki morfologi nanofiber yang tidak seragam dengan diameter antara 100 nm – 500 nm dan terjadi aglomerasi di sepanjang nanofiber, sedangkan komposit nanofiber “B” memiliki morfologi nanofiber yang relatif seragam dengan diameter antara 100 nm – 200 nm dan terbentuk nanofiber yang halus. Nanofiber komposit nanoselulosa yang dihasilkan dari penelitian ini diharapkan dapat dimanfaatkan untuk berbagai aplikasi. Kata kunci: serat alam, nanoselulosa, nanofiber, komposit, electrospinning Abstract – A composite nanofiber of nanocellulose/polyvinyl alcohol (PVA) has been fabricated by electrospinning technique. In this study, the nanocellulose was in the form of nanowishkers obtained from the extraction of natural fibers through a hydrolysis process. The produced cellulose nanowishkers were subsequently dispersed through ultrasonic process at a temperature of 30 °C and for 10 minutes (hereinafter called as UC-10) and 30 minutes (hereinafter called as UC-30). Furthermore, the fabrication of the composite nanofiber nanocellulose/PVA was performed using two variations of the solution based on nanosellulose concentration. The first composite nanofiber was made with a concentration of 3% nanoselulosa UC-10/PVA (composite nanofiber “A”) and the second one was made with 5% nanoselulosa UC30/PVA (composite nanofiber “B”). Electrospinning process was carried out at 15 kV and the distance between the needle tip and the collector plates (TCD) was set to be 13 cm, while the diameter of syringe needle was 0.5 mm. The morphology of cellulose nanowhiskers and composite nanocellulose/PVA nanofiber were observed using scanning electron microscopy (SEM). The absorption peaks related to cellulose were identified by Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy . The results showed that composite nanofiber "A" has a non-uniform nanofiber morphology with diameter between 100 nm - 500 nm and agglomeration occurred along the nanofiber, whereas composite nanofiber "B" has a relatively uniform morphology nanofiber with diameter between 100 nm - 200 nm with smooth nanofiber surface. The produced composite nanofibers from this research can be utilized for various applications in the future. Keywords: natural fibers, nanocellulose, nanofiber, composites, electrospinning



I. PENDAHULUAN Pengembangan komposit saat ini mengarah pada bahan-bahan yang memiliki keunggulan sifat seperti mudah diperoleh, mudah diproses, ringan, kuat, memiliki sifat mekanik yang baik dan dapat terurai secara alami. Sifat-sifat tersebut dapat diperoleh pada komposit yang berasal dari selulosa alam. Struktur selulosa alam pada umumnya disusun sebagai mikrofibril yang terhubung secara teratur membentuk serat selulosa dan memiliki kelebihan pada beberapa sifat mekanik yang kompleks [1]. Secara umum komposit tersusun atas komponen matriks (bahan pengikat) dan komponen fillers (bahan



pengisi) [2]. Serat nanoselulosa digunakan sebagai fillers untuk meningkatkan sifat mekanik komposit. Pembuatan nanofiber komposit nanoselulosa diproduksi dalam bentuk membran untuk berbagai aplikasi. Sehingga perlu dilakukan perlakuan khusus untuk mereduksi ukuran selulosa (diameter dan panjang) sebagai fillers hingga skala nanometer. Mereduksi ukuran selulosa hingga skala nanometer dapat mempermudah penyatuan fillers dengan matriks sehingga meningkatkan sifat mekanik komposit dan sifat-sifat struktur komposit [3,4]. Untuk mendapatkan nanoselulosa dapat dilakukan dengan berbagai perlakuan kimia, seperti proses hidrolisa menggunakan larutan H2SO4 [5]. Sementara itu, untuk



Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVIII HFI Jateng & DIY, Yogyakarta, 26 April 2014 ISSN: 0853-0823



M. Muhaimin / Fabrikasi Nanofiber Komposit Nanoselulosa/PVA dengan Metode Electrospinning



memperkecil diameter komposit nanofiber dapat menggunakan metode electrospinning [6-8]. Electrospinning merupakan metode yang relatif mudah, sederhana, dan efektif untuk membentuk nanofiber. Penelitian pembuatan serat polimer berskala nano (polymer nanofibers) dengan metode electrospinning sudah banyak dilaporkan [9-12]. Akan tetapi, penelitian terkait pembuatan serat nanoselulosa dengan metode electrospinning masih relatif sedikit yang dilaporkan. Hal ini dikarenakan tidak mudahnya dalam pembuatan larutan polimer selulosa alam yang dapat menghasilkan produk serat nanoselulosa yang baik, yaitu (1) diameter serat konsisten dan terkontrol, (2) tidak ada cacat pada permukaan serat (defect-free fibers), dan (3) serat tunggal yang kontinu (tidak teraglomerasi). Dalam penelitian ini, ada dua tahap eksperimen yang dilakukan. Tahap pertama adalah fabrikasi serat selulosa nanowhiskers untuk memudahkan pembuatan larutan umpan electrospinning. Selulosa nanowhiskers dibuat melalui perlakuan hidrolisa asam (H2SO4). Tahap kedua adalah fabrikasi nanofiber komposit nanoselulosa dari nanowishkers yang dihasilkan. Dalam hal ini, selulosa nanowhisker digunakan sebagai fillers pada matriks PVA (polyvinyl alcohol). II. LANDASAN TEORI Pada prinsipnya, electrospinning memanfaatkan gaya elektrostatik yang muncul dari partikel bermuatan akibat adanya tegangan tinggi antara ujung tip (jarum tabung syring /spinneret) dengan kolektor fiber. Bagian utama alat electrospinning tersusun atas sumber tegangan tinggi DC, tabung siring (spinneret), jarum berdiameter kecil dan plat kolektor dari bahan logam. Elektroda positif dihubungkan pada ujung jarum sehingga larutan bermuatan positif dan elektroda negatif dihubungkan pada plat kolektor sebagai tempat terkumpulnya fiber. Salah satu susunan alat electrospinning sederhana ditunjukkan pada Gambar 1.



63



adalah proses penguapan pelarut dan pembekuan fiber (jet solidification). Beberapa parameter yang mempengaruhi morfologi dan keseragaman ukuran fiber yang dihasilkan pada proses electrospinning diklasifikasikan ke dalam dua kategori [15] yaitu: (1) sifat larutan polimer yang digunakan (berat molekul, konsentrasi larutan, viskositas, konduktivitas, konstanta dielektrik, dan tegangan permukaan), dan (2) parameter electrospinning, meliputi besar medan listrik, besar beda potensial, laju aliran larutan, dan jarak ujung tip ke kolektor (TCD = tip to colector distance). III. EKSPERIMEN A. Pembuatan nanowishkers selulosa Pada dasarnya, mikroselulosa dan nanoselulosa tidak terbentuk (terpisah) dalam suatu larutan (Gambar 2a). Selulosa hasil hidrolisa H2SO4 di-centrifuge untuk memisahkan mikroselulosa dan nanoselulosa dengan sisa pelarutnya. Proses centrifuge dilakukan dengan kecepatan putar 7.000 rpm selama 5 menit. Selulosa yang terpisah dengan pelarutnya kemudian diambil dan selanjutnya dibilas menggunakan aquades. Proses centrifuge dilakukan sebanyak 5 kali untuk menetralkan keasaman larutan (pH) selulosa. Pada proses ini dihasilkan selulosa dalam bentuk wishkers berukuran mikro dan nano. Bagian mikroselulosa akan mengendap di dasar wadah, sedangkan bagian nanoselulosa tidak mengendap seperti pada Gambar 2b. Pemisahan mikroselulosa dan nanoselulosa dilakukan dengan menggunakan pipet. Selulosa nanowishkers yang dihasilkan selanjutnya didispersikan melalui proses ultrasonic pada suhu 30°C dan variasi waktu 10 menit dan 30 menit (selanjutnya masing-masing disebut UC-10 dan UC-30). Kedua sampel selulosa nanowishkers tersebut selanjutnya digunakan sebagai fillers pada matriks PVA.



(b) (a)



Gambar 2. Larutan selulosa, (a) hasil hidrolisa, (b) hasil centrifuge. Gambar 1. Skema Alat Electrospinning [13].



Secara umum proses electrospinning terbagi menjadi tiga tahap yang diperkenalkan sebagai jet modeling [13]. Tahap pertama adalah proses inisiasi, yaitu terbentuknya tetesan larutan pada ujung jarum hingga larutan mulai terpancar menuju kolektor. Tahap kedua adalah proses penipisan (thining) diameter fiber. Semakin jauh jarak ujung tip dengan kolektor, akan mengkibatkan penurunan ukuran diameter fiber [14]. Sementara itu, tahap ketiga



B. Proses electrospinning larutan PVA Larutan PVA konsentrasi 10 % dibuat dengan melarutkan PVA padat ke dalam aquades dan dipanaskan pada suhu 90oC selama 1 jam disertai pengadukan menggunakan magnetic stirrer. Proses electrospinning dilakukan terhadap larutan PVA pada tegangan 15 kV dengan menggunakan jarum syring berukuran 0,5 mm. Jarak antara ujung jarum dengan kolektor (TCD) pada saat proses electrospinning adalah 13 cm. Alat electrospinning yang digunakan adalah bukan



Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVIII HFI Jateng & DIY, Yogyakarta, 26 April 2014 ISSN: 0853-0823



64



M. Muhaimin / Fabrikasi Nanofiber Komposit Nanoselulosa/PVA dengan Metode Electrospinning



electrospinning komersial, namun hasil rekayasa LPPT UGM. C. Fabrikasi nanofiber komposit nanoselulosa/PVA Untuk fabrikasi nanofiber komposit nanoselulosa/PVA, larutan untuk umpan electrospinning disiapkan dari 1 gram PVA yang dimasukkan ke dalam 9 mL larutan selulosa (UC-10 dan UC-30) dan dipanaskan pada suhu 90oC selama 1 jam disertai pengadukan menggunakan magnetic stirrer. Larutan umpan electrospinning selanjutnya di-electrospinning pada tegangan yang diterapkan, ukuran jarum syring, dan TCD pada jarak 13 cm. Proses ini menghasilkan 2 macam nanofiber komposit “A” dan “B”. Nanofiber komposit “A” dibuat dengan konsentrasi 3% nanoselulosa UC-10/PVA dan komposit nanofiber “B” dibuat dengan 5% nanoselulosa UC-30/PVA. Fourier transform infrared (FTIR, Shimadzu) spectroscopy digunakan untuk mengklarifikasi puncakpuncak serapan yang terkait dengan puncak serapan dari selulosa. Sedangkan morfologi dan distribusi ukuran nanoselulosa dan nanofiber komposit nanoselulosa/PVA diamati menggunakan SEM (JSM-6510LA) yang ada di LPPT UGM. IV. HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil pengujian FTIR pada selulosa murni dan selulosa hasil hidrolisa disajikan pada Gambar 3. Puncak-puncak serapan (%T rendah) selulosa hasil hidrolisa yaitu ikatan –CH2 pada 903 cm–1, ikatan C–H pada 2924 cm–1, ikatan C–O pada 1065 cm–1, 1327 cm–1 dan 1242 cm–1, dan ikatan –OH pada 3441 cm–1. Puncak-puncak serapan di atas menunjukkan adanya ikatan kimia yang teridentifikasi sebagai ikatan kimia penyusun selulosa. Pada Gambar 3 teramati bahwa puncak-puncak serapan hasil hidrolisa sama dengan puncak-puncak serapan pada selulosa murni. Hasil ini menunjukkan bahwa hidrolisa pada selulosa tidak merusak ikatan kimia penyusun selulosa yakni ikatan –CH2, ikatan C–O, ikatan C–H, dan ikatan –OH [16].



dan tidak terdispersi secara merata. Ukuran nanoselulosa tidak dapat diamati dengan jelas karena masih terjadi aglomerasi antar nanoselulosa. Pada Gambar 4b dapat diamati nanoselulosa wishkers yang lebih homogen dari pada Gambar 4a dan terdispersi secara sempurna sehingga ukuran nanoselulosa dapat diidentifikasi dengan jelas, panjang rata-rata ≤ 500 nm dan diameter rata-rata ≤ 50 nm. Nanoselulosa UC-10 dan UC-30 selanjutnya digunakan sebagai fillers pada matriks PVA melalui proses electrospinning.



(b) (a)



Gambar 4. Pengamatan SEM nanoselulosa hasil hidrolisa dengan perbedaan waktu perlakuan ultrasonic; (a) nanoselulosa UC-10, (b) nanoselulosa UC-30.



Pada Gambar 5 terlihat bahwa fiber PVA yang dihasilkan memiliki permukaan yang rata sepanjang fiber, terbentuk serat tunggal yang kontinu (tidak teraglomerasi), dan tidak ada cacat pada permukaan serat. Tetapi, diameter fiber yang terbentuk kurang homogen. Ukuran diameter fiber berkisar antara 100 nm - 150 nm.



Gambar 5. Nanofiber PVA hasil electrospinning pada tegangan 3 kV, diameter jarum 0,5 mm, dan TCD 13 cm.



Gambar 3.



Uji FTIR selulosa murni dan selulosa hasil hidrolisa.



Morfologi selulosa hasil hidrolisa UC-10 dan UC-30 masing-masing ditunjukkan pada Gambar 4a dan 4b. Pada Gambar 4a terlihat bahwa selulosa hasil hidrolisaUC10 berupa nanoselulosa wishkers yang tidak homogen



Hasil pengamatan SEM nanofiber komposit “A” dapat diamati pada Gambar 6a. Terlihat bahwa nanofiber yang dihasilkan memiliki permukaan yang tidak rata, terjadi aglomerasi di sepanjang fiber, dan terdapat cacat pada permukaan fiber sehingga fiber tampak tidak homogen. Hal ini kemungkinan karena nanoselulosa UC-10 yang digunakan sebagai fillers tidak terdispersi secara homogen ke dalam larutan spinning sehingga nanofiber yang dihasilkan kurang baik. Diameter nanofiber yang dihasilkan berkisar antara 100 nm – 500 nm.



Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVIII HFI Jateng & DIY, Yogyakarta, 26 April 2014 ISSN: 0853-0823



M. Muhaimin / Fabrikasi Nanofiber Komposit Nanoselulosa/PVA dengan Metode Electrospinning



Pada Gambar 6b tampak bahwa nanofiber komposit “B” cenderung lebih homogen daripada nanofiber komposit “A”. Hal ini dapat dilihat dari permukaan fiber yang cenderung rata, tidak terdapat cacat pada permukaan fiber dan tidak terjadi aglomerasi di sepanjang fiber. Hasil tersebut menunjukkan bahwa nanoselulosa UC-30 yang digunakan sebagai fillers pada komposit cenderung lebih baik daripada nanoselulosa UC-10.



(a)



(b)



Gambar



6. Nanofiber komposit nanoselulosa/PVA electrospinning (a) 3 % nanoselulosa UC-10 (b) 5 % nanoselulosa UC-30.



V. KESIMPULAN Spektroskopi FTIR dan SEM dapat digunakan sebagai instrumen analisis untuk mengklarifikasi kandungan selulosa dan mengamati morfologi selulosa hasil hidrolisa dan nanofiber komposit nanoselulosa yang dihasilkan melalui metode electrospinning. Fabrikasi komposit nanofiber dapat dihasilkan dengan menggunakan nanoselulosa UC-30 sebagai fillers pada matriks PVA (dengan konsentrasi 5% nanoselulosa/PVA) sehingga diperoleh nanofiber berupa membran dengan karakteristik yang cukup baik. UCAPAN TERIMA KASIH Penelitian ini didanai oleh Penelitian Unggulan Perguruan Tinggi Penelitian Kerjasama Institusi Tahun Anggaran 2013 Universitas Gadjah Mada. PUSTAKA [1] L. Heux,, E. Dinand, and M. R. Vignon, Structural aspects in ultrathin cellulose microfibrils followed by C-13 CPMAS NMR. Carbohydrate Polymers, vol. 40(2), 1999, pp. 115–124. [2] D. H. L. Chung, Composite Materials, Science and Applications 2, Springer, London, 2010. [3] M. M. Bergshoef and G. J. Vansco, Transparent nanocomposites with ultrathin, electrospun Nylon-4,6 fiber reinforcement, Adv Mater, vol. 11 (16), 1999, pp. 1362-1365. [4] J. Jamaludin, Effecs of fiber size modification on the mechanical properties of kenaf fiber reinforced polyester composite, Thesis, Universiti Teknikal Malaysia Melaka, Malaysia, 2008.



65



[5] H. Kargarzadeh, I. Ahmad, I. Abdullah, A. Dufresne, S. Yasmine, M. Rasha, Effects of hydrolysis conditions on the morphology, crystallinity, and thermal stability of cellulose nanocrystals extracted from kenaf bast fibers, Cellulose, vol. 19, 2012, pp. 855–866. [6] Z. M. Huang, Y. Z. Zhang, M. Kotaki, and S. Ramakrishna, A Review on polymer nanofibers by electrospinning and their applications in nanocomposite, Composites Science and Technology, vol. 63, 2003, pp. 2223-2253. [7] A. Frenot and I. S. Chronakis, Polymer nanofibers assembled by electrospinning, Current opinion in Colloid and Interface Science, vol. 8, 2003, pp. 64-75. [8] M.M.R.Chowdhury, Electro spinning Process Nano Fiber and Their Application, 2009, website: http://www.cottonbangladesh.com/ElectroSpinning.html, diakses tanggal 3 Desember 2013. [9] C. Shin and G. G. Chase, Nanofibers from recycle waste expanded polystyrene using natural solvent, Polymer Bulletin, vol. 55, 2005, pp. 209–215. [10] D. Li, A. Babel, S. A. Jenekhe, Y. Xia, Nanofibers of conjugated polymers prepared by electrospinning with a two capillary spinneret, Adv. Mater, vol. 16, 2004, pp. 2062-2066. [11] M. Roso, S. Sundarrajan, D. Pliszka, S. Ramakrishna, M. Modesti, Multifunctional membranes based on spinning technologies: The synergy of nanofibers and nanoparticles, Nanotechnology, vol. 19, 2008, 285707. [12] S. Ramakrishna, R. Jose, P.S. Archana, A.S. Nair, R. Balamurugan, J. Venugopal, W. E. Teo, Science and engineering of electrospun nanofibers for advances in clean energy, water filtration and regenerative medicine, J. Mater. Sci, vol. 45, 2010, pp. 6283–6312. [13] A. Akrem, Nanofibrous Nanocomposites via Electrospining, Thesis, Bilkent University, Turki, 2011. [14] W. V. Voigt, Water stable antimicrobial active nanofibres generated by electrospinning from aqueous spinning solutions, Dessertation, RWTH Aachen University, Munich, 2009. [15] C. J. Thompson, G. G. Chase, A.L. Yarin, D. H. Renek er, Effects of parameters on nanofiber diameter determined from electrospinning model, Polymer, vol. 48, 2007, pp. 6913-6922. [16] J. Shi, S. Q. Shi, H. M. Barnes, C. U. Pittman, A chemical process for preparing cellulosic fibers hierarchically from kenaf bast fibers, Bioresources, vol. 6 (1), 2011, pp. 879890.



TANYA JAWAB Rosita, UGM ? a) Apa pelarut yang digunakan? b) Dalam proses sintesisnya, perlukah Pva dan Sukrosa di ultrasonik? Mu’minul Muhaimin, UGM @ a) H2SO4. b) Yang diultrasonik hanya nanoselulosa untuk mendispersikan nanoselulosa.



Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVIII HFI Jateng & DIY, Yogyakarta, 26 April 2014 ISSN: 0853-0823