ISSN 1979-0880
Jurnal Nanosains & Nanoteknologi Edisi Khusus, Agustus 2009
Teknik Pemintalan Elektrik untuk Pembuatan Nanoserat: dari Pemodelan hingga Eksperimen Khairurrijala,#, Muhammad M. Munirb,1, Sahrul Saehanaa,2, Ferry Iskandarc, dan Mikrajuddin Abdullaha a Kelompok Keahlian Fisika Material Elektronik, b Kelompok Keahlian Fisika Teoretik Energi Tinggi dan Instrumentasi, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Teknologi Bandung Jalan Ganesa 10, Bandung 40132, Indonesia; c Departemen Teknik Kimia, Universitas Hiroshima, 1-4-1 Kagamiyama, Higashi Hiroshima 739-8527, Jepang # E-mail:
[email protected] Diterima Editor Diputuskan Publikasi
: :
20 Mei 2009 26 Mei 2009
Abstrak Kemajuan mutakhir dalam bidang pemintalan elektrik telah direview sekilas dengan fokus pada riset yang telah dilakukan oleh kelompok kami. Bagian pertama memperkenalkan prinsip dasar pemintalan elektrik. Kemudian, pemodelan dan simulasi proses pemintalan elektrik dijelaskan di bagian kedua. Bagian terakhir, prosedur eksperimental umum untuk menghasilkan nanoserat polimer khususnya nanoserat poly(vinyl pyrrolidone) (PVP) dan nanoserat keramik/komposit seperti nanoserat indium tin oxide (ITO) serta sejumlah masalah teknis yang sering ditemui dalam pemintalan elektrik juga didiskusikan. Kata Kunci: Pemintalan elektrik (electro spinning), nanoserat, poly(vinyl pyrrolidone), indium tin oxide.
1. Pengantar rekayasa jaringan, membran, katalis, konduktor transparan, fotoluminesens, dan lain-lain telah dipublikasikan [5], [7-10], [14-30]. Makalah ini menyajikan secara singkat kemajuan mutakhir dalam bidang ini dengan fokus pada riset yang telah dilakukan oleh kelompok kami. Setelah memperkenalkan prinsip dasar pemintalan elektrik, makalah ini mengupas pemodelan dan simulasi proses pemintalan elektrik serta prosedur eksperimental umum untuk menghasilkan nanoserat polimer dan keramik/komposit. Sejumlah masalah atau kesulitan teknis yang sering ditemui dalam pemintalan elektrik juga akan didiskusikan.
Nanoserat (nanofiber), yang merupakan salah satu bentuk jenis material satu dimensi (1D) di samping nanokawat (nanowire), nanotabung (nanotube), nanosabuk (nanobelt), dan nanospiral, dapat dihasilkan dari beragam prekursor polimer maupun keramik dan memiliki luas permukaan spesifik yang sangat tinggi karena jejari kecilnya. Karakteristik ini disertai fungsionalitas dari beragam polimer dan keramik sendiri mengakibatkan nanoserat dengan beragam sifat dapat digunakan untuk beragam aplikasi maju. Sejumlah besar metoda fisika dan kimia, yang kebanyakan didasarkan pada pendekatan-pendekatan dasar-atas (bottom-up approaches) dan pola (template), telah ditunjukkan berhasil membuat nanostruktur 1D dengan berbagai komposisi dengan mengontrol prosesproses nukleasi dan pertumbuhan [1-3]. Pendekatanpendekatan puncak-bawah (top-down approaches) seperti litografi foton (photolithography), litografi lunak (soft lithography), dan pemintalan elektrik (electrospinning) telah juga digunakan untuk menghasilkan nanostruktur 1D [4-10]. Saat ini, di antara berbagai pendekatan puncak-bawah tersebut, teknik pemintalan elektrik adalah yang paling langsung menghasilkan nanoserat kontinu dalam skala besar, cepat, dan mudah serta jejari nanoserat dapat diatur dari skala nanometer hingga mikrometer. Sesungguhnya teknik pemintalan elektrik telah dipatenkan pada tahun 1934 [11]. Namun demikian, teknik ini belum dikenal dengan baik hingga diperkenalkan pada dekade lalu [12-13]. Beberapa ulasan kritis tentang nanoserat yang dihasilkan dengan teknik pemintalan elektrik dan berbagai aplikasinya dalam
2. Cara Kerja Pemintalan Elektrik Seperti kebanyakan proses pemintalan konvensional yang digunakan di industri serat, pemintalan elektrik juga melibatkan pelepasan jet larutan kental atau lelehan dari sebuah saluran kecil (orifice). Penarikan dan pemadatan jet tersebut membentuk serat tipis dan seragam. Namun demikian, tidak seperti proses-proses pemintalan konvensional yang menggunakan gaya mekanis untuk proses penarikan, proses penarikan pada pemintalan elektrik menggunakan interaksi elektrostatik. Desain generik sebuah sistem pemintalan elektrik, seperti ditunjukkan dalam Gambar 1, terdiri dari 3 komponen utama: (a). Sebuah spinneret, yang biasanya terbuat dari jarum logam hipodermik, (b). Sebuah catu daya tegangan tinggi, dan (c). Sebuah kolektor yang konduktif secara listrik, yang biasanya menggunakan lembaran aluminium. Larutan untuk pemintalan tersebut 1
J. Nano Saintek. Edisi Khusus, Agust. 2009
2
jet
Kolektor
Syringe
Pompa Syringe spinneret
serat
Sumber Tegangan Tinggi
Gambar 1 Skema sistem pemintalan elektrik dengan komponen utama: spinneret untuk menghasilkan jet larutan, sumber tegangan tinggi untuk memberi muatan listrik dan menarik jet tesebut, dan kolektor untuk mengumpulkan serat-serat hasil. Sebuah kuantitas sangat penting dari nanoserat adalah jejarinya. Telah ditunjukkan sebelumnya bahwa jejari nanoserat dipengaruhi oleh tegangan permukaan dan laju aliran larutan [31] serta arus listrik [31], [32]. Oleh karena itu, pengontrolan arus listrik yang mengalir selama proses pemintalan elektrik menjadi hal yang utama.
Syringe
(a)
(g) (f) (e) (c) (b)
(d)
Arus (nA)
Pelat logam
Gambar 2 memberikan skema perangkat keras untuk menjaga arus listrik konstan selama proses pemintalan elektrik. Sistem tersebut membentuk kontrol lup tertutup, yang terdiri dari: pengontrol, aktuator, plant, dan umpan balik. Komputer dengan bertindak sebagai pengontrol. Aksi kontrol yang digunakan adalah proportional-integral-derivative (PID), yang berupa sebuah program yang disimpan di komputer. Sumber tegangan tinggi yang dilengkapi saluran komunikasi RS232 atau USB sebagai aktuator. Dua pelat logam beserta jet dan nanoserat di antar kedua pelat tersebut adalah plant yang hendak dikontrol. Arus yang dibaca oleh ADC yang dilengkapi saluran komunikasi RS-232 atau USB berlaku sebagai umpan balik dalam proses pengontrolan tersebut. Komunikasi antara komputer dan pompa syringe untuk memberikan laju pengeluaran konstan larutan dari syringe. Telah didapatkan bahwa arus listrik yang mengalir dalam plant tersebut stabil. Dengan sistem pengontrolan PID tersebut, arus yang diinginkan dapat dicapai dalam waktu sekitar 2 detik untuk berbagai nilai arus yang diinginkan seperti ditunjukkan dalam Gambar 3. Untuk arus yang diinginkan antara 45 hingga 100 nA, tegangan tinggi yang dicatu ke plant adalah antara 8 hingga 15 kV. Stabilitas arus yang dinginkan sangat tinggi seperti telah dilaporkan sebelumnya [33].
Tegangan (kV)
ditempatkan dalam sebuah syringe plastik, yang dihubungkan ke jarum logam tersebut. Syringe tersebut dihubungkan ke sebuah pompa syringe sehingga laju aliran larutan dapat dijaga untuk mendapatkan mutu serat hasil pemintalan. Dalam beberapa kasus, seperti untuk nanoserat keramik, kondisi lingkungan seperti kelembaban dan temperatur harus juga dijaga sehingga proses pemintalan harus dalam sebuah kotak tertutup. Bentuk dan ragam material kolektor dapat beragam, yang bergantung pada penggunaan akhir serat hasil.
AGND
AIN0
Sumber Teg. Tinggi
AIN7
USB/RS-232
Pompa Syringe
MUX ADC
USB
USB/RS-232
FPGA USB controller & CPU
Gambar 2. Otomasi pengontrolan arus selama proses pemintalan elektrik. Komponen sistem kontrol adalah pengontrol yang dilakukan komputer, aktuator oleh sumber tegangan tinggi, plant berupa dua pelat logam dan jet serta serat di antara keduanya, dan umpan balik yang dilakukan oleh ADC.
Waktu (s) Gambar 3. Arus dan tegangan sebagai fungsi waktu untuk berbagai arus yang diinginkan. Arus yang diinginkan Iref dicapai dalam waktu sekitar 2 detik. (a) Iref = 100 nA, (b) Iref = 45 nA, (c) Iref = 55 nA, (d) Iref = 65 nA, (e) Iref = 75 nA, (f) Iref = 85 nA, dan (g) Iref = 95 nA. Akibat pemberian tegangan tinggi tersebut, larutan yang keluar dari ujung lubang jarum (orifice) membentuk jet larutan dan bermuatan listrik. Jet yang masih bersentuhan dengan lubang ujung jarum berbentuk kerucut dan disebut sebagai jet kerucut (cone jet) atau kerucut Taylor (Taylor cone) dan bagian yang lebih jauh
J. Nano Saintek. Edisi Khusus, Agust. 2009
disebut jet saja seperti dijelaskan oleh Gambar 4.(a) yang diambil dengan menggunakan kamera CCD. Dalam perjalanan di antara kedua pelat logam tersebut, jet larutan mengalami pemadatan karena penguapan dan tiba di kolektor sebagai serat-serat yang bertumpukan. Dengan SEM (scanning electron microscope) serat-serat yang terkumpul di kolektor tersebut diperiksa dan contoh citranya diperlihatkan dalam Gambar 4.(b). Homogenitas jejari nanoserat yang dihasilkan dengan sistem pengontrolan arus di atas sangat tinggi seperti telah dilaporkan baru-baru ini [34].
jarum Jet kerucut
Jet (a)
(b)
2 µm
Gambar 4. (a). Anatomi jet yang keluar dari lubang ujung jarum (orifice). Bagian jet yang paling dekat dengan ujung jarum adalah jet kerucut sesuai dengan bentuknya dan yang lebih jauh dinamakan jet saja. (b). Citra SEM nanoserat hasil yang terkumpul di kolektor. Jejari nanoserat tersebut seragam.
3. Model dan Simulasi Pemintalan Elektrik Salah satu tujuan pemodelan dan simulasi suatu proses adalah untuk membantu eksperimen proses tersebut di laboratorium. Dalam kasus proses pemintalan elektrik, pemodelan dan simulasi dilakukan untuk menentukan pengaruh parameter-parameter terhadap proses tersebut, membantu mengatasi masalah ketidakstabilan pembengkokan jet, dan mencari parameter optimum untuk fabrikasi nanoserat dengan proses tersebut. Seperti penyemprotan elektrik (electrospray), pemintalan elektrik adalah sebuah teknik yang berbasis interaksi elektrostatik. Bila sebuah tegangan tinggi diterapkan ke spinneret tersebut, tetesan kecil (droplet) larutan di lubang ujung jarum (orifice) tersebut menjadi bermuatan listrik sangat tinggi dan mengalami perubahan bentuk menjadi bentuk kerucut karena gaya tolak elektrostatik antara dua muatan permukaan dan gaya tarik elektrostatik dari kolektor. Sekali tegangan tersebut telah melampaui sebuah nilai ambang, gaya-gaya elektrostatik tersebut dapat mengatasi tegangan permukaan tersebut dan mendorong pelepasan sebuah jet larutan dari lubang ujung jarum tersebut. Jet yang diberi muatan tersebut kemudian mengalami sebuah proses pendorongan dan pembengkokan di mana jet larutan tersebut secara terus menerus ditarik menjadi panjang (elongated) dan mulur
3
(stretched) oleh gaya-gaya tolak elektrostatik, yang mengarah ke pembentukan benang (thread) panjang, tipis, dan seragam. Tidak seperti proses-proses pemintalan konvensional, proses penarikan dan penipisan serat di dalam pemintalan elektrik dicapai melalui tolakan-tolakan elektrostatik muatan-muatan pada jet larutan itu sendiri. Karena pelarut tersebut cepat menguap selama proses pemintalan tersebut, jejari benang tersebut berkurang terus menerus, yang mengarah ke pembentukan serat sangat tipis. Akhirnya, serat yang dimuati tersebut dideposisi pada kolektor yang ditanahkan tersebut karena gaya tarik elektrostatik. Bergantung pada sifat-sifat reologis larutan tersebut dan parameter-parameter pemintalan lain, jejari serat hasil dapat diubah dari beberapa puluh nanometer hingga beberapa mikrometer. Tiga parameter yang mempengaruhi morfologi serat hasil, yaitu: kekentalan, tegangan permukaan, dan rapat muatan dari larutan tersebut [8,35]. Gaya tegangan permukaan tersebut selalu cenderung mengubah jet larutan tersebut menjadi satu atau lebih tetesan kecil (droplet) untuk meminimumkan energi permukaannya. Sebaliknya, gaya tolak elektrostatik antara dua muatan permukaan pada jet tersebut cenderung menaikkan luas permukaannya dan karena itu mengarah pembentukan jet tipis bukan bulir-bulir (beads). Gaya viskoelastik juga menahan perubahan bentuk yang cepat. Adalah interaksi ketiga gaya utama ini yang menentukan morfologi akhir dari serat hasil. Intensitas relatif gaya-gaya ini bisa berubah selama proses pemintalan karena pemanjangan jet dan penguapan larutan tersebut. Secara khusus, karena jet tersebut melemah, tegangan permukaan bisa menjadi sangat dominan dari dua gaya lainnya dan mengarah ke pembentukan bulir-bulir. Obyek yang dimodelkan dalam proses pemintalan elektrik adalah jet larutan yang berada setelah kerucut jet seperti ditunjukkan oleh Gambar 4.(a). Secara fisis jet tersebut dibagi menjadi sejumlah besar segmen jet. Setiap segmen jet direpresentasikan oleh (a) sebuah simpul (node) diskret dengan muatan listrik Q dan massa M, (b) sebuah pegas untuk menyatakan sifat elastik larutan, dan (c) sebuah peredam (dashpot) yang menyatakan kekentalan larutan, seperti diilustrasikan pada Gbr. 5. Kedudukan dari setiap simpul dipengaruhi oleh gaya resultan yang bekerja pada simpul tersebut. Beberapa asumsi yang digunakan dalam memodelkan dinamika gerakan jet: a) medan listrik yang digunakan adalah medan listrik searah (DC), b) serat adalah insulator sempurna dengan kerapatan muatan listrik konstan dan terdistribusi di permukaan karena jejari serat sangat kecil, c) jet larutan bersifat viskoelastik dengan modulus elastik, tegangan permukaan, dan viskositas konstan, dan d) penguapan tidak terjadi selama proses perjalanan dari ujung lubang jarum menuju kolektor.
J. Nano Saintek. Edisi Khusus, Agust. 2009
4
Pegas menggambarkan sifat elastisitas larutan
Tegangan permukaan antara simpul i+1 dan i
Simpul i Tegangan permukaan antara simpul i dan i-1 Peredam menggambarkan sifat kekentalan larutan
Gambar 5. Jet dimodelkan sebagai rangkaian segmen jet. Setiap segmen jet terdiri dari sebuah simpul bermassa M dan bermuatan listrik Q serta sebuah pegas beserta peredamnya. Dengan asumsi-asumsi tersebut, maka dinamika segmen jet tersebut dinyatakan oleh seperangkat tiga persamaan yang merepresentasikan model Maxwellian, yaitu peregangan viskoelastik, kekekalan massa dan momentum [36]. Kekekalan viskoelastik
∂σ( s ) 1 ∂λ( s ) G =G − σ( s ) ∂t λ( s ) ∂t µ
(1)
dengan σ adalah tegangan longitudinal (longitudinal stress), G adalah modulus Young, µ adalah kekentalan, λ parameter peregangan (dalam koordinat kurvilinear ξ diberikan oleh λ = dξ/dt, dan s parameter Lagrangian. Kekekalan massa
[
]
D λ( s)πa 2 ( s) = 0 Dt
(2)
dengan D Dt = ∂ ∂t + V.∇ adalah turunan konvektif, V dalah vektor kecepatan, dan a adalah jejari serat. Kekekalan Momentum
ρλ ( s )πa 2 ( s)
DV ( s) Dt s
0
⎛ a ( s, s * ) × C⎜ ⎜ r(s) − r(s * ) ⎝
[
∂ [πa(s)αu(s)] ∂s
(3)
dengan ρ adalah massa jenis (massa per satuan volum) fluida, r adalah vektor koordinat, q adalah muatan per satuan volum, C adalah fungsi cut off daerah yang sangat dekat untuk interaksi Coulomb, a adalah jejari rata-rata, Φ adalah potensial listrik yang diberikan, u adalah vektor satuan sepanjang segmen serat dan α adalah tegangan permukaan (surface tension). Empat suku gaya di sebelah kanan tanda sama dengan dalam Persamaan (3) berasal dari gaya Coulomb, gaya medan listrik, gaya viskoelastik, dan gaya tegangan permukaan, secara berurut. Tabel 1. simulasi.
Parameter-parameter yang digunakan dalam
Parameter Tegangan permukaan (α) Tegangan (V) Viskositas (µ) Modulus elastik Young (G) Jejari ujung jarum (ao) Rapat massa (ρ) Jarak ujung jarum-kolektor Laju aliran Amplitudo gangguan (ε) Panjang simpul awal (lo)
Nilai 7 ×10-2 N/m 5 kV 10 Ns/m2 105 N/m2 1,5 × 10-4 m 2 ×102 kg/m3 2 ×10-1 m 10-8 m3/s 10-10 10-4 m
Seperangkat tiga persamaan di atas diselesaikan dengan menggunakan metoda beda hingga. Pembahasan lebih lengkap penyelesaian tersebut diberikan di tempat lain [37]. Dengan menggunakan parameter-parameter yang diberikan dalam Tabel 1, gerakan jet menuju kolektor untuk berbagai waktu ditunjukkan dalam Gambar 6. Terlihat bahwa jumlah simpul (N) bertambah sejalan dengan waktu dan ketidakstabilan jet berkembang lambat. Dalam waktu t = 0,013660 detik jet mencapai kolektor. Gambar 7 melukiskan gerakan jet untuk ujung jarum hampir 0,1 kali lebih kecil dari yang diberikan dalam Tabel 1 tetapi parameter-parameter lain tetap. Terlihat bahwa ketidakstabilan jet juga meningkat sejalan waktu dan jejari rata-rata nanoserat yang dihasilkan adalah 213 nm dapat dihasilkan. 4. Eksperimen Dengan menggunakan teknik pemintalan elektrik, beragam nanoserat seperti nanoserat polimer, keramik, dan komposit dapat dibuat. Di sini, kami akan membahas eksperimen pembuatan nanoserat polimer, poly(vinyl pyrrolidone) (PVP) khususnya, dan nanoserat keramik seperti oksida transparan dan konduktif (transparent conductive oxide/TCO).
= λ ( s )πa 2 ( s)q 2 ∫ λ ( s * )πa 2 ( s * ) ⎞ r( s) − r( s * ) ⎟ ds ⎟ * 3 ⎠ r(s) − r(s ) ∂ + λ ( s )πa 2 ( s)q∇Φ + πa 2 ( s )σ ( s )u( s ) ∂s
+
]
J. Nano Saintek. Edisi Khusus, Agust. 2009
(a)
(b)
5
c.
stabil yang mempengaruhi kualitas serat yang dihasilkan. Polimer yang digunakan harus mempunyai berat molekul yang sesuai. Pada prinsipnya, semakin besar berat molekul polimer yang digunakan kemungkinan hasil pemintalan elektrik menjadi serat yang sempurna semakin besar. Semakin kecil berat molekul yang digunakan, semakin besar konsentrasi yang diperlukan untuk membuat larutan dengan kekentalan yang sesuai. (a)
(c)
(d)
(b)
Gambar 6. Simulasi gerakan jet pada berbagai waktu. (a) t = 0,004040 detik, (b) t = 0,008220 detik, (c) t = 0,011340 detik, dan (d) t = 0,013660 detik [37]. 4.1 Pembuatan nanoserat PVP Prekursor yang digunakan untuk membuat nanoserat poly(vinyl pyrrolidone) (PVP) adalah polimer poly(vinyl pyrrolidone) (PVP K90), DMF dan etanol. Larutan PVP diperoleh dengan mencampurkan serbuk PVP ke dalam campuran DMF dan etanol dengan perbandingan berat PVP/DMF/etanol = 1,8/4,1/4,1 (18%). Campuran tersebut kemudian diaduk dengan pengaduk magnet sampai larutan tersebut bening dan kental. Beberapa hal yang harus diperhatikan dalam menyiapkan larutan adalah sebagai berikut: a. Larutan yang digunakan harus cukup kental karena jika kurang kental hasil pemintalan elektrik belum tentu menghasilkan serat yang sempurna dan seragam, namun dapat menghasilkan bulir-bulir atau campuran antara bulir-bulir dengan serat. b. Larutan yang digunakan juga tidak boleh terlalu kental karena jika terlalu kental pada saat proses pemintalan elektrik larutan tersebut akan cepat kering dan mengahalangi aliran larutan di dalam ujung lubang jarum sehingga ujung lubang jarum tersebut tersumbat dan membuat kerucut jet tidak
Gambar 7. Hasil simulasi dengan ukuran ujung jarum 10-5 m dan parameter-parameter lain sama dengan yang diberikan dalam Tabel 1. (a) lintasan jet, (b) histogram dan distribusi LogNormal jejari nanoserat yang dihasilkan. Larutan tersebut kemudian dimasukan ke dalam syringe yang ditempatkan secara mendatar di atas pompa syringe. Dalam pembuatan nanoserat PVP ini, laju aliran larutan yang digunakan sebesar 16 µL/min, sedangkan arus antara ujung jarum dengan kolektor dibuat tetap dan stabil. Besar jejari nanoserat dikontrol dengan mengatur arus yang tetap pada kisaran 40–100 nA. Jarak antara ujung jarum dan kolektor dalam eksperimen ini dibuat tetap 14 cm. Salah satu hal yang sangat mempengaruhi hasil nanoserat dengan teknik pemintalan elektrik adalah jarak antara spinneret dengan kolektor. Jika terlalu dekat maka waktu penguapan untuk pembentukan serat padat terlalu singkat sehingga bentuk serat yang dihasilkan tidak sempurna dan tidak seragam. Sebaliknya jika terlalu jauh maka diperlukan sumber tegangan tinggi yang lebih besar. Oleh karena itu perlu dicari jarak optimum antara spinneret dengan kolektor.
J. Nano Saintek. Edisi Khusus, Agust. 2009
6
kerucut jet
Jet (a) jarum
(c)
(b)
500 250 600
800
1000
1200
Fiber Diameter df (nm)
Gambar 9. Citra SEM nanoserat PVP dan distribusi ukurannya yang dibuat dari larutan PVP dengan konsentrasi 18%, laju aliran 16 µL/min, dan arus listrik 75 nA.
1200 1000 800 600 400
Teori
200
Eksperimen
jarum
jarum
750
1400
Ljet
Ljet
Df = 810 σf = 1.04
1000
0 400
Jejari Serat (nm)
Ljet
1250
jarum
jarum
jarum
mengecil dengan kenaikan arus. Hasil eksperimen ini bersesuaian dengan teori yang dikembangkan Fridrikh, dkk. [31].
dN/dlog(df)
Hal lain yang mempengaruhi pembentukan serat adalah kondisi lingkungan (temperatur dan kelembaban). Perbedaan kondisi lingkungan akan menghasilkan bentuk dan ukuran serat yang berbeda. Oleh karena itu untuk menghasilkan nanoserat yang sempurna, seragam dan reproducible, kontrol keadaan lingkungan selama proses pemintalan elektrik sangat penting dilakukan. Dalam pembuatan nanoserat PVP, keadaan lingkungan selama eksperimen dibuat tetap pada temperatur (22±2) ºC dan kelembaban (55±5) %. Karakterisasi dengan SEM bertujuan untuk melihat bentuk dan ukuran serat nano yang dihasilkan. Karakterisasi dilakukan menggunakan field emission SEM (FE-SEM) (misalnya, Hitachi S-5000 FE-SEM) untuk memperoleh citra yang sangat baik. Dalam ketiadaan FE-SEM, SEM biasa bisa juga dicoba untuk menghasilkan citra SEM meskipun kualitasnya kurang begitu baik. Pengubahan arus listrik yang diberikan selama proses pemintalan elektrik akan mengubah panjang kerucut jet seperti diperlihatkan dalam Gambar 8. Dari gambar tersebut didapatkan bahwa panjang kerucut jet berkurang sejalan dengan kenaikan arus. Kerucut jet menghilang bila arus yang diberikan di atas 75 nA.
Ljet
20
40
60
80
100
120
Arus Listrik (nA)
(d)
(e)
(f)
Gambar 8. Panjang kerucut jet Ljet dari larutan PVP dengan konsentrasi 18% dan laju aliran 16 µL/min pada berbagai arus listrik: (a) 45, (b) 55, (c) 65, (d) 75 (e) 85, dan (f) 95 nA. Ljet makin menurun sejalan dengan kenaikan arus listrik dan jet kerucut menghilang untuk arus listrik di atas 75 nA. Citra SEM yang ditampilkan dalam Gambar 9 adalah nanoserat PVP yang dihasilkan dari larutan PVP dengan konsentrasi 18%, laju aliran 16 µL/min, dan arus listrik 75 nA. Distribusi ukurannya pun sangat sempit sehingga dapat dikatakan ukuran nanoserat PVP tersebut dengan keseragaman yang tinggi dan jejari rata-ratanya sekitar 820 nm. Gambar 10 menunjukkan ukuran jejari rata-rata nanoserat PVP yang dihasilkan untuk berbagai nilai arus yang diberikan selama proses pemintalan elektrik. Ari gambar tersebut terlihat bahwa jejari rata-rata nanoserat
Gambar 10. Jejari nanoserat PVP sebagai fungsi arus listrik yang dibuat dari larutan PVP dengan konsentrasi 18% dan laju aliran 16 µL/min. 4.2 Pembuatan nanoserat keramik ITO Salah satu serat keramik adalah oksida yang transparan dan konduktif (transparent conductive oxide/TCO) untuk aplikasi sel surya, sensor, papan tampilan, LCD, dan lain-lain. Di antara beragam TCO yang ada, material indium tin oxide (ITO) adalah yang terkenal. Prekursor yang digunakan untuk membuat nanoserat ITO adalah indium chloride tetrahydrate [InCl3•4H2O, kemurnian > 99.95%], tin chloride pentahydrate [SnCl4•5H2O, kemurnian > 98.0%], poly(vinyl pyrrolidone) (PVP K90), DMF, dan etanol. Larutan A diperoleh dengan mencampurkan indium chloride tetrahydrate dan tin chloride pentahydrate di dalam etanol, dilanjutkan dengan pengadukan menggunakan pengaduk magnetik sampai diperoleh larutan yang bening. Konsentrasi total larutan A dibuat 3 mol/L, dengan perbandingan molar Sn:In sebesar 1:9.
J. Nano Saintek. Edisi Khusus, Agust. 2009
Larutan B diperoleh dengan mencampurkan serbuk PVP ke dalam campuran DMF dan etanol. Perbandingan berat komponen larutan B adalah PVP/DMF/etanol = 1:4:4. Kemudian larutan A dan B dicampur dan diaduk pada temperatur 40 oC sehingga diperoleh larutan yang bening dan kental. Perbandingan berat larutan A dan B adalah 1/6. Dalam pembuatan serat keramik/komposit, biasanya menggunakan prekursor-prekursor garam. Garam-garam tersebut ketika dilarutkan dengan pelarut akan menghasilkan ion-ion dan berinteraksi dengan polimer dan zat-zat larut lainnya. Untuk mendapatkan larutan keramik yang siap dibuat nanoserat menggunakan pemintalan elektrik, komposisi dan jenis dari garam, polimer dan pelarut yang digunakan perlu diperhatikan. Jika hasil larutannya terlalu konduktif dan tegangan permukaannya terlalu besar, sering kali larutan tersebut tidak memungkinkan untuk dipintal elektrik. Hal lain yang harus diindahkan adalah kecepatan penguapan dari larutan ketika dipintal elektrik. Seringkali karena larutannya cepat menguap, ketika dipintal elektrik spinneret kering dan tersumbat. Setelah larutan untuk membuat nanoserat ITO disiapkan, larutan tersebut dimasukan ke dalam syringe dan pompa syringe diatur sehingga menghasilkan laju aliran tetap sebesar 8µL/min. Jarak antara ujung jarum dengan kolektor (ram kawat) dibuat tetap pada jarak 8 cm. Arus diatur sehingga kerucut jet stabil. Setelah nanoserat terkumpul di atas kolektor ram kawat, nanoserat dipindahkan ke atas substrat gelas. Nanoserat dan substrat kemudian dipanaskan pada temperatur antara 400-700 oC untuk menghilangkan komponen organik dan mendapatkan nanoserat ITO yang murni. Diagram cara pembuatan nanoserat keramik ditunjukkan oleh Gambar 11. Selama proses pemintalan elektrik nanoserat keramik, hal yang harus diperhatikan adalah keadaan lingkungan (temperatur dan kelembaban). Karena nanoserat dari prekursor keramik ini sangat peka terhadap uap air, maka kelembaban harus diatur serendah mungkin. Jika tidak, maka morfologi nanoserat akan rusak karena bereaksi dengan uap air.
Gambar 11. Cara pembuatan nanoserat keramik. Nanoserat ITO yang dihasilkan kemudian dikarakaterisasi. Untuk melihat dan mengukur bentuk nanoserat ITO digunakan SEM. Karakterisasi transmission electron microscope (TEM) dan X-ray diffractometer (XRD) digunakan untuk menguji komposisi dan kekristalan keramik yang didapat, secara berurutan. Untuk menguji kualitas nanoserat ITO, pengukuran konduktivitas dan transmitansi dilakukan dengan teknik four-point probe dan spektrofotometer UVVis, secara berurutan.
7
Gambar 12 memperlihatkan bentuk nanoserat ITO sebelum dan sesudah dipanaskan. Dari gambar tersebut ditunjukkan bahwa nanoserat yang dihasilkan sangat seragam dan sempurna. Setelah dipanaskan, ukuran nanoserat mengecil karena dekomposisi komponen organik. Dari pengujian XRD dan TEM diperoleh bahwa nanoserat ITO terdiri dari kristalin tunggal dan komposisi kimianya murni. Pengujian optik dan elektrik menunjukkan nanoserat ITO yang diperoleh adalah konduktor dan transparan pada cahaya tampak dan sangat berpotensi untuk diterapkan pada sel surya, sensor dan penyaring gelombang elektromagnetik. a
50 nm
1 µm
ｂ
50 nm
1 µm
Gambar 12. Citra SEM nanoserat keramik ITO (a) sebelum dan (b) sesudah dipanaskan. 5. Kesimpulan Kami telah menyajikan secara singkat kemajuan mutakhir dalam bidang pemintalan elektrik dengan fokus pada riset yang telah dilakukan oleh kelompok kami. Prinsip dasar pemintalan elektrik telah diperkenalkan. Pemodelan dan simulasi proses pemintalan elektrik telah dijelaskan. Prosedur eksperimental umum untuk menghasilkan nanoserat polimer khususnya nanoserat PVP dan keramik/komposit seperti ITO serta sejumlah masalah teknis yang sering ditemui dalam pemintalan elektrik juga telah didiskusikan Ucapan Terima Kasih Riset ini secara parsial didanai oleh Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi, Departemen Pendidikan Nasional melalui Hibah Fundamental tahun 2009. Dua dari para penulis (Khairurrijal dan M.Abdullah) mengucapkan terima kasih kepada Prof. K. Okuyama yang telah mengundang sebagai Profesor Tamu di Departemen Teknik Kimia, Universitas Hiroshima, Jepang pada tahun 2007 dan 2008.
J. Nano Saintek. Edisi Khusus, Agust. 2009
1
Sedang menempuh program doktor di Departemen Teknik Kimia, Universitas Hiroshima, Jepang. 2 Alamat tetap: Jurusan Pendidikan Fisika, FKIP, Universitas Tadulako, Palu. Referensi [1] M. Law, J. Goldberger, and P. Yang, Annu. Rev. Mater. Res. 34, 83 (2004). [2] Z. L. Wang, Annu. Rev. Phys. Chem. 55, 159 (2004). [3] Y. Xia, P. Yang, Y. Sun, Y. Wu, B. Mayers, B. Gates, Y. Yin, F. Kim, and H. Yan, Adv. Mater. 15, 353 (2003). [4] Y. Yin, B. Gates, and Y. Xia, Adv. Mater. 12, 1426 (2000). [5] W. E. Teo and S. Ramakrishna, Nanotechnology 17, R89 (2006). [6] Y. Sun, D. Y. Khang, F. Hua, K. Hurley, R. G. Nuzzo, and J. A. Rogers, Adv. Funct. Mater. 15, 30 (2005). [7] T. Subbiah, G. S. Bhat, R. W. Tock, S. Pararneswaran, and S. S. Ramkumar, J. Appl. Polym. Sci. 96, 557 (2005). [8] D. Li and Y. Xia, Adv. Mater. 16, 1151 (2004). [9] A. Frenot and I. S. Chronakis, Curr. Opin. Colloid Interf. Sci. 8, 64 (2003). [10] Z.-M. Huang, Y.-Z. Zhang, M. Kotaki, and S. Ramakrishna, Compos. Sci. Technol. 63, 2223 (2003). [11] A. Formhals, US Patent 1975504 (1934). [12] D. H. Reneker dan I. Chun, Nanotechnology 7, 216 (1996). [13] J. Doshi dan D. H. Reneker, J. Electrostat. 35, 151 (1995). [14] A. Greiner and J. H. Wendorff, Angew. Chem. Int. Ed. 46, 5670 (2007). [15] D. Li, J. T. McCann, Y. Xia, and M. Marquez, J. Am. Ceram. Soc. 89, 1861 (2006). [16] J. Kameoka, D. Czaplewski, H. Liu, and HG Craighead, J. Mater. Chem. 14, 1503 (2004). [17] K. Jayaraman, M. Kotaki, Y. Zhang, X. Mo, and S. Ramakrishna, J. Nanosci. Nanotech. 4, 52 (2004). [18] M. Bognitzki, W. Czado, T. Frese, A. Schaper, M. Hellwig, M. Steinhart, A. Greiner, and J. H. Wendorff, Adv. Mater. 13, 70 (2001). [19] A. B. Suryamas, M. M. Munir, F. Iskandar, and K. Okuyama, J. Appl. Phys. 105, 064311 (2009) [20] H. Widiyandari, M. M. Munir, Ferry Iskandar, and Kikuo Okuyama, Mater. Chem. Phys. 116, 169 (2009). [21] M. M. Munir, F. Iskandar, K. M. Yun, K. Okuyama, and M. Abdullah, Nanotechnology 19, 145603 (2008). [22] M. M. Munir, H. Widiyandari, F. Iskandar, and K. Okuyama, Nanotechnology 19, 375601 (2008). [23] R. S. Barhate and S. Ramakrishna, J. Membrane Sci. 296, 1 (2007). [24] P. Gibson, H. Schreuder-Gibson, and C. Pentheny, J. Coated Fabrics 28, 63 (1998). [25] U. Boudriot, R. Dersch, A. Greiner, and J. H. Wendorff, Artif. Organs 30, 785 (2006). [26] D. Liang, B. S. Hsiao, and B. Chu, Adv. Drug
8
Deliver. Rev. 59, 1392 (2007). [27] C. P. Barnes, S. A. Sell, E. D. Boland, D. G. Simpson, and G. L. Bowlin, Adv. Drug Deliver. Rev. 59, 1413 (2007). [28] S. Sell, C. Barnes, M. Smith, M. McClure, P. Madurantakam, J. Grant, M. McManus, and G. Bowlin, Polym. Int. 56, 1349 (2007). [29] J. Lannutti, D. Reneker, T. Ma , D. Tomasko, and D. Farson, Mater. Sci. Eng. C 27, 504 (2007). [30] S. Liao, B. Li, Z. Ma, H. Wei, C. Chan, and S. Ramakrishna, Biomed. Mater. 1, R45 (2006). [31] S.V. Fridrikh, J. H. Yu, M. P. Brenner, and G. C. Rutledge, Phys. Rev. Lett. 90, 144502 (2003). [32] R. Samatham and K. J. Kim, Polym. Eng. Sci. 46, 954 (2006). [33] M. M. Munir, F. Iskandar, Khairurrijal, and K. Okuyama, Rev. Sci. Instrum. 79, 093904 (2008). [34] M. M. Munir, F. Iskandar, Khairurrijal, and K. Okuyama, Rev. Sci. Instrum. 80, 026106 (2009). [35] H. Fong, I. Chun, and D. H. Reneker, Polymer 40, 4585 (1999). [36] T. A. Kowalewsky, S. Blonski, and S. Barral, Bul. Pol. Tech. 53, 385 (2005). [37] S. Saehana, M. Abdullah, dan Khairurrijal, J. Nano Saintek. 2, 74 (2009).
