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

harsojougm@ugm.ac.id

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