JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5
1
Aplikasi TiO2 Sebagai Self Cleaning pada Cat Tembok dengan Dispersant Polietilen Glikol (PEG) Nining Kusmahetiningsih 1) , Dyah Sawitri 2) Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail:
[email protected] 2) Abstrak— Telah diaplikasikan TiO2 anatase dan rutile dengan komposisi 1%, 1,5%, dan 2% sebagai self cleaning pada cat tembok menggunakan polietilen glikol (PEG) 6000 sebagai dispersant. Struktur TiO2 yang digunakan yaitu anatase yang berfungsi sebagai self cleaning dan rutile yang berfungsi sebagai perlindungan terhadap sinar ultraviolet. Pengujian self cleaning menggunakan 2 macam pengotor yaitu lumpur dan pewarna makanan. Untuk mengetahui distribusi TiO2 pada cat dilakukan pengujian menggunakan Atomic Force Microscopy (AFM). Untuk menghitung luas area pengotor dan distribusi TiO2 digunakan software pengolahan citra. Hasil pengolahan citra menunjukkan TiO2 2% dengan perbandingan anatase : rutile 90:10 memiliki luas area pengotor paling kecil yang berarti memiliki sifat self cleaning terbaik. Berdasarkan hasil pengujian AFM pada komposisi tersebut menunjukkan distribusi TiO2 yang lebih merata dibandingkan dengan sampel yang lain. Kata Kunci — anatase. PEG, rutile, self cleaning, TiO2
I. PENDAHULUAN ENGGUNAAN cat pada umumnya digunakan untuk memberikan keindahan pada cat tembok berupa warna dan kilap. Disamping sebagai penunjang keindahan bangunan, cat juga berfungsi memberikan perlindungan dari pengaruh cuaca luar ataupun debu/kotoran.Tidak bisa dipungkiri untuk kondisi seperti di Indonesia, faktor debu ataupun lumpur sangat dominan. Permukaan film (lapisan cat yang sudah mengering) akan dengan mudah menjadi kotor dan kusam karena debu/kotoran yang menempel sehingga diperlukan cat yang memiliki kemampuan anti kotor agar debu/ kotoran tidak menempel pada dinding. Untuk mengatasi masalah tersebut maka diperlukan cat yang memiliki kemampuan self cleaning. Salah satu teknologi yang sedang dikembangkan untuk aplikasi self cleaning pada cat adalah dengan memanfaatkan fotokatalisis bahan TiO2. Fotokatalisis merupakan proses reaksi kimia yang dibantu oleh energi dari sinar ultraviolet. Efek fotokatalis TiO2 dapat mendekomposisi senyawa organik menjadi CO2 dan H2O, dimana pada penelitian ini efek fotokatalis TiO2 akan digunakan untuk mendekomposisi pengotor yang menempel pada permukaan cat. Penggunaan TiO2 pada cat dapat berfungsi sebagai self cleaning tetapi efeknya adalah resin/binder dari cat akan mudah mengalami kerusakan karena TiO2 merupakan fotokatalis yang menggunakan sinar ultraviolet untuk prosesnya, sehingga resin yang
P
terbuat dari bahan polimer akan mengalami pecah (cracking) karena efek dari sinar UV (Poulsen,2010) sehingga untuk mengurangi hal tersebut diperlukan komposisi massa dan fasa TiO2 yang sesuai. Dari penelitian yang dilakukan oleh (Slamet,2008) polietilen glikol (PEG) telah berhasil digunakan untuk mendistribusikan TiO2 pada aplikasi rekayasa plastik anti kabut dan swa bersih. Pada penelitian ini digunakan PEG 6000 sebagai dispersant TiO2, dikarenakan bahan TiO2 merupakan powder yang partikelnya cenderung lengket satu sama lain atau mengalami penggumpalan secara mikroskopis, oleh karena itu diperlukan dispersant untuk memisahkan partikel-partikel TiO2 agar memiliki jarak yang renggang apabila dicampurkan pada cat. Apabila dispersant telah melapisi partikel TiO2, maka dispersant akan mencegah terjadinya penggumpalan TiO2. Penelitian ini bertujuan untuk mengaplikasikan bahan TiO2 pada cat tembok sehingga dapat dihasilkan cat yang memiliki kemampuan self cleaning. Selanjutnya dilakukan perbandingan sifat self cleaning antara cat tembok yang telah dicampur dengan TiO2 dengan cat tembok tanpa campuran TiO2. II. METODE PENELITIAN A. Bahan Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini antara lain : Nano TiO2 Degussa P25 struktur anatase dan rutile, akuades, polietilen glikol dengan berat molekul 6000, cat paragon warna putih, dan papan asbes sebagai objek untuk pengecatan dengan ukuran 10 x 10 cm . Pada tabel 1 menunjukkan prosentase TiO2 yang digunakan pada penelitian ini. B. Alat Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini terdiri dari peralatan untuk pembuatan sampel dan peralatan untuk karakterisasi. Peralatan yang digunakan pembuatan sampel adalah timbangan digital, gelas kimia, gelas ukur, magnetic stirrer, furnace, kuas, mixer. Peralatan karakterisasi yaitu X-ray Diffraction (XRD) Phillips X’Pert MPD untuk mengetahui struktur TiO2, Fourier Transform Infrared (FTIR) thermo scientific tipe nicolet iS10 untuk mengetahui jenis ikatan kimia yang ada dalam suspensi TiO2/PEG 6000, Atomic Force Microscope (AFM) untuk mengetahui distribusi TiO2 pada lapisan cat yang sudah mengering. Untuk membandingkan sifat self
2 cleaning dan distribusi pengolahan citra
TiO2
digunakan
software
Tabel 1. Prosentase TiO2 Nomor Sampel 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
TiO2 (%)
Anatase : Rutile
1 1 1 1.5 1.5 1.5 2 2 2 Cat biasa
10 : 90 50 : 50 90 : 10 10 : 90 50 : 50 90 : 10 10 : 90 50 : 50 90 : 10 -
54,34; dan 56,64 sehingga dapat dikatakan bahwa telah berhasil dilakukan pembentukan TiO2 yang memiliki fasa rutile. B. Pengujian Self Cleaning Pengujian self cleaning dilakukan dengan menggunakan dua jenis pengotor yaitu lumpur dan pewarna makanan. Sampel yang telah diberi pengotor kemudian dijemur selama 40 jam dengan rentang pengambilan foto setiap 10 jam. Hasil pengujian self cleaning dengan pengotor lumpur ditunjukkan pada gambar 3 sampai dengan gambar 7.
III. HASIL DAN DISKUSI A. Karakterisasi XRD Pada gambar 1 merupakan hasil XRD dari nano-TiO2 Degussa P25. Hasil uji XRD pada Gambar 1 memiliki puncak yang sesuai dengan data standar TiO2 fasa anatase pada 2Θ = 25,26; 37.76; 47,94 ; 53,9 dan 62,64, sehingga dapat diketahui bahwa nano-TiO2 Degussa P25 merupakan fasa anatase.
Gambar 3. Sampel awal sebelum dijemur.
Gambar 4. Sampel setelah penjemuran 10 jam.
Gambar. 1. Hasil uji XRD nano-TiO2 Degussa P25 anatase.
Gambar 5. Sampel setelah penjemuran 20 jam.
Gambar. 2. Hasil uji XRD nano-TiO2 Degussa P25 rutile.
Gambar 2 adalah hasil XRD nano-TiO2 Degussa P25 yang telah dikalsinasi dengan suhu 1000oC selama 2. Dari gambar 2 memiliki puncak yang sesuai dengan data standar TiO2 fasa rutile pada 2Θ = 27,46; 36,10; 44,06;
Gambar 6. Sampel setelah penjemuran 30 jam.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5
Gambar 7. Sampel setelah penjemuran 40 jam.
Dari gambar 3 sampai gambar 7 terlihat bahwa pada sampel 1 semakin lama dilakukan penjemuran maka pengotor yang menempel pada sampel semakin berkurang, hal ini juga terjadi untuk sampel yang lain. Gambar 7 merupakan kondisi ketika sampel telah dijemur selama 40 jam. Dari gambar tersebut terlihat bahwa sampel kesembilan lebih bersih dibandingkan dengan sampel yang lain. Hasil pengujian self cleaning dengan pengotor lumpur ditunjukkan pada gambar 8 sampai dengan gambar 12.
Gambar 8. Sampel awal sebelum dijemur.
Gambar 9. Sampel setelah penjemuran 10 jam.
Gambar 10. Sampel setelah penjemuran 20 jam.
3
Gambar 12. Sampel setelah penjemuran 40 jam.
Pengujian self cleaning dengan pengotor pewarna pada kondisi awal ditunjukkan oleh gambar 8, selanjutnya setelah dilakukan penjemuran selama 10 jam (gambar 9) 20 jam (gambar 11) dan 30 jam (gambar 11) terlihat bahwa terjadi degradasi pengotor pewarna. Pada gambar 12 yaitu kondisi sampel setelah dilakukan penjemuran selama 40 jam memperlihatkan bahwa sampel satu sampai sembilan lebih bersih dibandingkan dengan sampel ke sepuluh. Tabel 2 menunjukkan fungsi pada trendline dan laju degradasi awal degradasi pengotor lumpur. Fungsi trendline dan laju degradasi awal pengotor pewarna ditunjukkan pada tabel 3. Tabel 2. Hasil pengolahan citra pengujian self cleaning dengan pengotor lumpur Laju Nomor Anatase : Fungsi pada degradasi TiO2 (%) Sampel Rutile trendline awal pengotor (cm2/menit) -0.46x 1 1 10 : 90 93.07e 0.0152 2 1 50 : 50 115.86e-0.49x 0.0192 3 1 90 : 10 113.3e-0.56x 0.0188 4 1.5 10 : 90 93.49e-0.37x 0.0152 -0.5x 5 1.5 50 : 50 114.03e 0.0189 6 1.5 90 : 10 142.21e-0.6x 0.0237 7 2 10 : 90 92.92e-0.37x 0.0151 8 2 50 : 50 132.77e-0.57x 0.0221 9 2 90 : 10 212.18e-0.83x 0.0354 10 Cat biasa 116.32e -0.48x 0.0192 Tabel 3. Hasil pengolahan citra pengujian self cleaning dengan pengotor pewarna Laju Nomor Anatase : Fungsi pada degradasi TiO2 (%) Sampel Rutile trendline awal pengotor (cm2/menit) 1 1 10 : 90 78.29e-0.47x 0.0129 2 1 50 : 50 73.08e -0.55x 0.0121 3 1 90 : 10 71.69e-0.64x 0.0119 -0.39x 4 1.5 10 : 90 61.96e 0.0101 5 1.5 50 : 50 76.78e-0.43x 0.0126 6 1.5 90 : 10 104.58e-0.603x 0.0127 7 2 10 : 90 92.92e-0.75x 0.0174 8 2 50 : 50 55.03e-0.76x 0.0092 9 2 90 : 10 53.98e -0.95x 0.009 10 Cat biasa 68.81e-0.29x 0.0108
Berdasarkan tabel 2 dan tabel 3, sampel TiO2 2 % dengan perbandingan anatase : rutile 90:10 memiliki nilai ekponen paling negatif. Dari gambar 7 dan gambar 13 yaitu gambar setelah sampel dijemur selama 40 jam diproses dengan menggunakan software pengolahan citra untuk mengukur Gambar 11. Sampel setelah penjemuran 30 jam.
4 luas sisa pengotor dan prosentase sisa pengotor dari pengotor yang masih ada pada sampel.
(a) (b) Gambar 15. Hasil pengujian AFM TiO2 a)1% dengan perbandingan anatase : rutile 50:50, b) TiO2 2% dengan perbandingan anatase : rutile 90:10
Gambar 13. Grafik nilai luas sisa pengotor dan prosentase sisa pengotor lumpur pada pengujian self cleaning.
Tabel 4 berikut menunjukkan nilai luas partikel TiO2, prosentase partikel TiO2, dan luas rata-rata partikel TiO2. dari hasil pengolahan citra pada gambar pengujian dispersi TiO2 dengan AFM : Tabel 4. Hasil pengolahan citra pengujian self cleaning dengan pengotor pewarna Luas sisa Average Prosentase Nomor TiO2 Anatase : pengotor Size sisa pengotor Sampel (%) Rutile (cm2) (cm2) (cm2) 1 1 10 : 90 15.445 0.065 19.9 2 2 50 : 50 11.656 0.037 14.3
Gambar 14. Grafik nilai luas sisa pengotor dan prosentase sisa pengotor pewarna pada pengujian self cleaning.
Gambar 13 dan 14 memperlihatkan bahwa sampel yang memiliki nilai luas sisa pengotor dan prosentase sisa pengotor paling kecil adalah sampel TiO2 2% dengan anatase : rutile 90:10. C. Pengujian Dispersi TiO2 pada cat dengan Atomic Force Microscope (AFM) Pengujian dispersi TiO2 dilakukan pada sampel TiO2 1% dengan perbandingan anatase : rutile 50:50 dan TiO2 2% dengan perbandingan anatase : rutile 90:10. Untuk mengetahui dispersi TiO2 digunakan pengolahan citra untuk mengukur nilai luas partikel TiO2, prosentase partikel TiO2, dan luas rata-rata partikel TiO2. Pada gambar 15 merupakan gambar hasil pengujian AFM untuk sampel TiO2 1% dengan perbandingan anatase : rutile 50:50 dan TiO2 2% dengan perbandingan anatase : rutile 90:10. Bagian gambar yang memiliki nilai intensitas yang lebih besar (terang) merupakan partikel-partikel TiO2.
D. Diskusi. Pada pengujian self cleaning dengan pengotor lumpur, dari gambar 7 dapat dilihat sampel yang paling bersih adalah sampel ke sembilan yaitu sampel TiO2 2 % dengan perbandingan anatase : rutile 90:10. Berdasarkan hasil pengolahan citra dapat diperoleh fungsi trendline dan nilai laju degradasi awal pengotor lumpur seperti pada tabel 2. Dari gambar 4.15 terlihat bahwa grafik seluruh sampel memiliki fungsi eksponensial negatif (y = Ae-ax), semakin negatif nilai a maka semakin cepat grafik menurun mendekati sumbu x. Pada saat awal (0-10 jam) laju degradasi pengotor besar dan secara bertahap mengalami penurunan. Dari tabel 2, TiO2 2 % dengan perbandingan anatase : rutile 90:10 memiliki nilai a paling negatif yaitu -0.83 dan laju degradasi awal pengotor yang paling besar yaitu 0.0354 cm2/menit, hal ini menunjukkan proses degradasi pengotor pada komposisi tersebut berlangsung lebih baik dan lebih cepat dibandingkan dengan sampel yang lain. Berdasarkan gambar 13 yaitu grafik nilai luas sisa pengotor dan prosentase sisa pengotor dari sampel ke sembilan bernilai paling kecil, hal ini menunjukkan sifat self cleaning-nya semakin baik. Dari gambar 13 dapat diketahui bahwa nilai luas sisa pengotor dan prosentase sisa pengotor semakin kecil seiring bertambahnya nilai struktur anatase yang digunakan untuk setiap prosentase TiO2. Berdasarkan hal tersebut maka dapat dijelaskan bahwa semakin besar jumlah TiO2 dengan struktur anatase yang digunakan maka efek fotokatalis akan menjadi semakin baik sehingga akan menghasilkan sifat self cleaning yang semakin baik.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5 Pengujian self cleaning dengan menggunakan pengotor pewarna makanan menunjukkan hasil yang sama dengan pengujian self cleaning menggunakan pengotor lumpur yaitu sampel yang memiliki sifat self cleaning terbaik adalah sampel TiO2 2 % dengan perbandingan anatase : rutile 90:10. Hal tersebut dapat dilihat pada tabel 3 yang menunjukkan jika sampel ke sembilan memiliki nilai nilai luas sisa pengotor dan prosentase sisa pengotor paling kecil. Dari grafik pada gambar 14 menunjukkan nilai luas sisa pengotor dan prosentase sisa pengotor semakin kecil seiring bertambahnya nilai struktur anatase yang digunakan untuk setiap prosentase TiO2. Laju degradasi pengotor pewarna juga merupakan fungsi eksponensial negative, artinya laju degradasi pengotor pada saat awal penjemuran besar dan secara bertahap mengalami penurunan. Dari tabel 4.7, TiO2 2 % dengan perbandingan anatase : rutile 90:10 memiliki nilai a paling negatif yaitu -0.95, sehingga pada komposisi tersebut memiliki kemampuan degradasi pengotor yang lebih baik dibandingkan dengan sampel yang lain. Hasil pengujian dispersi TiO2 menggunakan Atomic Force Microscope (AFM) ditunjukkan gambar 15. Pada gambar tersebut dapat diketahui bahwa bagian yang memiliki intensitas lebih tingi (berwarna putih) merupakan TiO2 (Hasan, 2008), Oleh karena itu untuk mengetahui nilai dispersi TiO2 maka dilakukan pengolahan citra untuk mengetahui nilai luas partikel TiO2, prosentase partikel TiO2, dan luas rata-rata partikel TiO2. Pada bagian gambar hasil AFM yang intensitasnya lebih tinggi. Pengujian dispersi TiO2 dilakukan pada dua sampel yaitu TiO2 1% dengan perbandingan anatase : rutile 50:50 dan TiO2 2% dengan perbandingan anatase : rutile 90:10. Dari tabel 4 dapat diketahui bahwa sampel TiO2 2% memiliki nilai average size yang lebih kecil daripada TiO2 1%, hal tersebut menunjukkan bahwa dispersi TiO2 pada sampel TiO2 2% dengan perbandingan anatase:rutile 90:10 lebih merata. Sampel TiO2 2% dengan perbandingan anatase : rutile 90:10 memiliki sifat self cleaning yang baik karena dispersi TiO2 pada permukaan film cat lebih merata. Distribusi TiO2 pada permukaan film cat akan mempengaruhi proses fotokatalis yang terjadi, semakin merata dispersi TiO2 maka proses fotokatalis akan menjadi semakin baik.
5 IV. KESIMPULAN Berdasarkan hasil pengambilan data dan analisa hasil yang telah dilakukan dapat diambil kesimpulan ini sebagai berikut : 1. Dalam penelitian ini, TiO2 telah berhasil diaplikasikan pada cat tembok untuk menghasilkan sifat self cleaning, yang ditunjukkan oleh hasil pengolahan citra. 2. Sampel yang memiliki kemampuan self cleaning terbaik adalah sampel TiO2 2% dengan perbandingan anatase : rutile 90 :10 dengan persamaan laju degradasi yaitu 212.18e-0.83X untuk pengotor lumpur dan 53.98e-0.95X untuk pengotor pewarna 3. Cat tembok dengan campuran TiO2 memiliki sifat self cleaning yang lebih baik dibandingkan dengan cat tembok tanpa campuran TiO2. DAFTAR PUSTAKA [1]
[2]
[3]
[4] [5] [6] [7] [8]
[9] [10]
[11] [12]
[13]
[14]
[15]
Aprilita, N.H, Kartini, I, Ratnaningtyas, S.H. 2008. Self-cleaning Kaca Berbasis Lapis Tipis TiO2 dengan Perlakuan Asam dan Asam Palmitat sebagai Model Polutan, Indo. J. Chem., 2008, 8 (2), 200 – 206. Benedix, Roland., et al. 2000, Application of Titanium Dioxide Photocatalysis to Create Self-Cleaning Building Materials, LACER No. 5, 2000. Burgess, K.D. Self Cleaning Titania-Polyurethane Composites. 2007. Faculty of Graduates Studies, The university of Western Ontario, London. Charpentier, Paul A., et al. 2010. Self Cleaning Coating, PCT WO 2010/078649 A2. Diebold, U. 2003. The surface science of titanium dioxide. Surface science report 48: 53-229. Ferreira TA, Rasband W. 2010. Thesoftware pengolahan citra User Guide Version 1.43. Canada: McGill University. Hillebrandt, Poulsen. et al. 2010. Self Cleaning Coating Composition. PCT WO 2010/269997 A1. Macias, L, T. 2003. The Design and Evaluation of A Continuous Photocatalytic Reactor Utilizing Titanium Dioxida in Thin Film of Mesoporous Sililca. A Thesis for the Degree of Master of Science in Chemical Engineering in Mississippi State University. M. M. Hasan, et al. 2008. Effects of Annealing Treatment on Optical Properties of Anatase TiO2 Thin Films.International Journal of Chemical and Biological Engineering 1:2 2008. M. Schiavello. 1997. Heterogeneous Photocatalysis. John Wiley & Sons. Palupi, Endang. 2006. Degradasi Methylene Blue dengan Metode Fotokatalisi dan Fotoelektrokatalisis Menggunakan Film TiO 2. Departemen Fisika, Institut Pertanian Bogor. PENG Bing, HUANG Yi,CHAI Li-yuan, et al. 2007. Influence of polymer dispersants on dispersion stability of nano-TiO2 aqueous suspension and its application in inner wall latex paint. J. Cent. South Univ. Technol. (2007)04−0490−06. Slamet, C.H.D, Alwi, J. Viriya. 2008, Rekayasa plastik berlapis nanokristal TiO2 untuk aplikasi anti kabut dan swa-bersih. Departemen Teknik Kimia, Universitas Indonesia. Tristantini, et al. 2011. Modification of TiO2 Nanoparticle with PEG and SiO2 For Anti-fogging and Self-cleaning Application. IJET-IJENS Vol: 11 No: 02.
