60
Pembuatan Fiber Dengan Menggunakan Teknik Ekstrusi Rotasi
Ade Yeti Nuryantini, Adi Bagus Suryamas, Mikrajuddin Abdullah, dan Khairurrijal(a) Kelompok Keahlian Fisika Material Elektronik,
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, ITB Jalan Ganeca 10 Bandung 40132
(a)
E-mail: krijal@fi.itb.ac.id Diterima Editor : 23 Maret 2009 Diputuskan Publikasi : 1 April 2009
Abstrak
Pembuatan fiber (serat) telah berhasil dilakukan dengan menggunakan teknik ekstrusi rotasi (rotation spinning). Fiber yang dihasilkan masih dalam ukuran mikron dan banyak mengandung butiran-butiran (beads). Ukuran serta bentuk fiber masih bervariasi. Fiber dibuat dengan menggunakan prekursor PET (polyethylene terephthalate) serta campuran prekursor PEG (polyethylene glikol) dan PET (polyethylene terephthalate). Teknik ekstrusi rotasi melibatkan gaya sentripetal pada proses pembuatan fiber. Teknik ekstrusi rotasi ini dilakukan dengan cara memutar lelehan polimer dengan kecepatan sudut tertentu dan melewatkannya pada sebuah filter (spinneret), hingga lelehan polimer berubah fasa menjadi padatan dan membentuk fiber (serat). Hasil ini menunjukkan harapan untuk produksi masal serat dalam ukuran nano dengan cara yang mudah dan biaya yang murah.
Kata Kunci: fiber, PEG, PET, ekstrusi rotasi (rotation spinning), nanofiber, spinneret
1. Pendahuluan
Telah lama para ahli berhasil membuat fiber (serat) dengan menggunakan berbagai metoda, baik metoda konvensional maupun metoda modern. Metoda konvensional telah menghasilkan serat yang berukuran kira-kira 2 mm. Metoda mekanik konvensional tersebut tidak dapat menghasilkan serat yang ukurannya lebih kecil dari 2 mm [1]. Dalam dasawarsa terakhir telah muncul teknologi nano yang merupakan metoda modern. Teknologi nano telah menghasilkan produk yang berukuran kurang dari 100 nm. Sekarang ini, teknologi nano berkembang dengan cepat. Teknologi nano mempelajari dan mengembangkan material pada level nano. Diharapkan, penemuan baru pada level nano ini dapat diaplikasikan pada berbagai macam bidang, sehingga dapat dirasakan manfaatnya oleh umat manusia. Teknologi ini bahkan sudah berpengaruh kuat pada disiplin ilmu lain, seperti: elektronik, sains material, dan teknik polimer [1-8].
Hingga saat ini, pembuatan struktur nano satu dimensi, seperti: nanofiber, nanorod, nanobelt, dan nanotube dengan menggunakan berbagai macam material dan berbagai macam teknik sudah banyak dilakukan oleh para peneliti. Hasil penelitiannya menunjuk-kan karakteristik unik yang berbeda-beda dengan keunggulan masing-masing [1-6]. Dalam kehidupan sehari-hari, telah banyak ditemukan penggunaan fiber pada berbagai bidang, misalnya: bidang kesehatan, tekstil, dan industri lain. Pada bidang kesehatan, fiber digunakan sebagai jaringan (tissue), penutup luka, material implant, komponen organ buatan, dan lain-lain. Pada bidang tekstil, fiber digunakan sebagai bahan pembuat baju, jas hujan, sepatu olah raga, alat-alat panjat tebing, dan
lain-lain. Pada bidang industri lain, fiber digunakan sebagai filter, saringan bahan bakar, dan lain-lain [1-8].
Pembuatan fiber dapat dilakukan dengan berbagai cara, di antaranya melt spinning, dry spinning, wet spinning dan electrospinning. Proses pembuatan fiber dengan metoda spinning merupakan bagian yang penting dalam bidang industri polimer sintetis [7]. Banyak jenis fiber sintetis, seperti: nylon, polyester, olefin, sulfar, dan lain-lain yang dibuat dengan menggunakan metoda spinning khususnya dengan menggunakan teknik melt spinning. Pada proses melt spinning padatan polimer dilelehkan terlebih dahulu. Polimer yang dilelehkan dilewatkan pada sebuah filter yang dinamakan spinneret, kemudian lelehan polimer mengalami perubahan fasa menjadi padatan kembali dan membentuk fiber.
Pada paper ini akan diperkenalkan teknik baru pembuatan fiber (serat) yang diberi nama teknik ekstrusi rotasi (rotation spinning). Ekstrusi berasal dari Bahasa Inggris “extrusion” yang berarti tekanan atau tarikan. Kata ekstrusi ini kemudian diartikan sebagai proses membuat benang dengan cara menarik atau menekan cairan material melalui alat cetakan baik berupa jarum atau filter. Kata rotasi diartikan berputar.
Teknik ekstrusi rotasi merupakan teknik yang diadaptasi dari teknik melt spinning. Teknik ekstrusi rotasi berbeda dari teknik yang lain. Teknik ekstrusi rotasi melibatkan gaya sentripetal pada proses pembuatannya. Pembuatan fiber dengan teknik ekstrusi rotasi dapat dilakukan dengan cara yang sederhana dan biaya yang murah. Teknik ekstrusi rotasi ini dilakukan dengan cara memutar lelehan polimer dengan kecepatan sudut tertentu dan melewatkannya pada sebuah filter, hingga lelehan
polimer berubah fasa menjadi padatan dan membentuk fiber.
Fiber dibuat dengan menggunakan prekursor PET (polyethylene terephthalate) serta campuran prekursor PEG (polyethylene glikol) dan PET (polyethylene terephthalate). Keberhasilan ini mengarah kepada harapan untuk menghasilkan fiber yang berukuran nano dengan cara yang mudah dan biaya yang murah
2. Eksperimen 2.1 Alat
Alat yang digunakan untuk membuat fiber dengan teknik ekstrusi rotasi (rotation spinning) tampak pada Gambar 1. Ia terdiri dari sebuah wadah besar bulat statik untuk menampung fiber yang dihasilkan. Di bagian tengah wadah statik tersebut terdapat wadah kecil yang dapat berputar dan dilengkapi filter (spinneret). Pada wadah kecil tersebut terdapat rongga untuk memasukkan cairan prekursor. Wadah kecil dapat berputar secara manual menggunakan tuas. Cairan polimer akan berputar seiring dengan perputaran wadah kecil ini, kemudian terlempar keluar melalui filter.
Gambar 1. Alat pembuat fiber dengan teknik ekstrusi rotasi.
2.2 Bahan
Bahan atau material yang digunakan pada pembuatan fiber dengan teknik ekstrusi rotasi (rotation spinning) adalah prekursor PET (polyethylene terephthalate) serta campuran PEG (polyethylene glikol) dengan berat molekul 20.000 dan PET (polyethylene terephthalate).
2.3 Cara Kerja
Pembuatan fiber dengan teknik ekstrusi rotasi (rotation spinning) adalah sebagai berikut. 1) Campuran PEG (polyethylene glikol) BM 20.000 dan PET (polyethylene terephthalate) padat dipanaskan di dalam tungku pemanas pada temperatur 350 oC dan 400 oC, sedangkan PET (polyethylene terephthalate) dipanaskan pada temperatur 400 oC seperti diperlihatkan dalam Gambar 2. 2) Prekursor cair tersebut selanjutnya
dituangkan ke dalam rongga pada wadah kecil, seperti ditunjukkan pada Gambar 3. 3) Wadah kecil berisi prekursor diputar dengan kecepatan sudut tertentu. Akibatnya, cairan di dalam rongga keluar melalui filter dan mengalami pendinginan, sehingga membentuk fiber yang terkumpul di wadah besar, seperti yang tampak pada Gambar 4
Gambar 2. Proses pemanasan prekursor padat hingga menjadi cairan.
Gambar 3. Proses penuangan prekursor cair.
3. Hasil dan Diskusi
Gambar 5-7 menunjukkan citra SEM dari fiber yang diperoleh dari prekursor PET (polyethylene terephthalate) serta campuran PEG (polyethylene glikol) dengan BM 20.000 dan PET (polyethylene terephthalate) secara berurut. Diameter fiber yang dihasilkan masih dalam ukuran mikron dengan ukuran dan bentuk yang bervariasi. Tampak pada gambar yang ditandai dengan panah bahwa pada fiber tersebut terdapat butiran-butiran (beads) dengan ukuran yang bervariasi. Bentuk fiber yang dihasilkannyapun masih beragam, seperti tampak pada Gambar 5 (g) fiber berbentuk berlubang (hollow), pada Gambar 6 (c) fiber berbentuk bercabang, pada Gambar 7 (d) fiber berbentuk pita, bahkan pada Gambar 5 (f), dan Gambar 7 (b), (g), (h) fiber masih berbentuk bongkahan prekursor dengan ukuran yang bervariasi pula.
Gambar 5 Citra SEM dari fiber yang diperoleh dari precursor PEG + PET
pada suhu 350 oC
Gambar 6 Citra SEM dari fiber yang diperoleh dari precursor PEG + PET
pada suhu 400 oC
Pada pembuatan fiber dengan teknik ekstrusi rotasi, polimer yang berfasa cair, dibentangkan dengan cara dilemparkan karena gerakan melingkar seiring dengan berputarnya wadah kecil. Pembentangan polimer terjadi karena polimer terdiri dari rantai molekul yang panjang dengan mengulang setiap unit yang disebut monomer yang terikat secara kovalen satu sama lain. Pembuatan fiber dengan teknik ekstrusi rotasi dipengaruhi oleh beberapa parameter, yaitu: tegangan permukaan, viskositas, kecepatan sudut, evaporasi dan ukuran lubang filter [2, 8].
3.1 Tegangan Permukaan
Pembentukan fiber dengan teknik ekstrusi perlu memperhatikan sifat tegangan permukaan dari larutan. Tegangan permukaan memberikan kontribusi dalam pembentukan butiran pada fiber yang dihasilkan. Seperti kita ketahui, ketika ada setetes air jatuh di udara, tetesan
biasanya berbentuk bola. Fenomena ini disebabkan oleh sifat permukaan cairan, yang lebih dikenal dengan tegangan permukaan.
Gambar 7 Citra SEM dari fiber yang diperoleh dari precursor PET pada suhu 400 oC
Kita dapat melihat bagaimana tegangan permukaan muncul dengan memperhatikan proses dari sudut pandang molekular. Molekul-molekul zat cair memberikan gaya tarik satu sama lain. Molekul di dalam zat air berada dalam kesetimbangan karena gaya-gaya molekul lain yang bekerja ke semua arah. Molekul di permukaan normalnya juga dalam kesetimbangan (zat cair tersebut diam), walaupun gaya pada molekul di permukaan dapat diberikan hanya oleh molekul-molekul di bawahnya atau
di sampingnya. Dengan demikian, ada gaya tarik total ke bawah, yang cenderung menekan lapisan permukaan sedikit, tetapi hanya sampai batas dimana gaya ke bawah ini diimbangi oleh gaya ke atas yang disebabkan oleh kontak yang dekat atau tumbukkan dengan molekul-molekul di bawahnya. Penekanan ini menunjukkan bahwa zat cair meminimalkan luas permukaan. Itulah sebabnya mengapa air cenderung membentuk tetesan berbentuk bola, karena sebuah bola merepresentasikan luas permukaan minimum untuk volume tertentu [9]. Peristiwa tetesan air yang berbentuk bola tampak pada Gambar 8.
Gambar 8. Gaya antara molekul cairan dan molekul udara Untuk sistem cairan murni (pure liquid system), tegangan permukaan dipengaruhi oleh temperatur. Tegangan permukaan cairan berkurang seiring penambahan temperatur. Dari sudut pandang molekular, pada temperatur yang tinggi, molekul cairan memperoleh lebih banyak energi dan mulai bergerak lebih cepat pada ruangan. Akibatnya, molekul yang bergerak cepat tidak terikat secara bersama-sama sekuat molekul yang dingin. Dengan mengurangi ikatan antara molekul, tegangan permukaan menurun [2].
Gambar 9. a) Keadaan molekul yang diharapkan setelah proses pembentangan. b) Keadaan molekul yang berkerumun di bawah pengaruh tegangan permukaan
Pada teknik ekstrusi rotasi (rotation spinning), pada saat larutan terlempar, gaya sentripetal diharapkan
akan mempengaruhi peristiwa tegangan permukaan. Tegangan permukaan memiliki pengaruh terhadap pengurangan luas permukaan per unit massa cairan. Jika larutan memiliki konsentrasi molekul yang tinggi, maka ada kecenderungan molekul akan berkerumun dan membentuk permukaan bola. Ketika larutan polimer ditarik di bawah pengaruh gaya sentripetal, molekul larutan akan terbentang, dan mengurangi molekul untuk berkerumun bersama di bawah pengaruh tegangan permukaan. Peristiwa ini tampak pada Gambar 9.
3.2 Viskositas
Viskositas merupakan besaran yang mengukur kekentalan fluida. Koefisien viskositas fluida η didefinisikan sebagai perbandingan tegangan luncur, F/A, dengan cepat perubahan regangan luncur v/l, yaitu
l v A F / / = η (1)
Viskositas larutan mempengaruhi pada pembuatan fiber dan mempengaruhi pada morfologi fiber yang dihasilkan. Pada umumnya, viskositas larutan berkaitan dengan belitan rantai molekul. Pada viskositas yang rendah, belitan rantai molekul juga rendah. Pembentukan fiber dengan polimer yang memililki viskositas larutan terlalu rendah, tidak akan terjadi. Yang terbentuk adalah partikel-partikel larutan bukan menjadi benang.
Viskositas cairan berkaitan erat dengan perpanjangan belitan rantai molekul. Ketika viskositas cairan rendah, fiber tidak terbentuk, yang terbentuk malahan butiran-butiran (beads). Hal ini terjadi karena pada viskositas yang rendah, umumnya belitan ikatan polimer juga rendah. Faktor yang mempengaruhi viskositas adalah berat molekul dan konsentrasi cairan [2].
Berat molekul polimer menggambarkan panjang rantai polimer. Semakin tinggi berat molekul polimer semakin tinggi pula viskositasnya. Cara lain untuk meningkatkan viskositas adalah dengan meningkatkan konsentrasi cairan polimer. Seperti berat molekul, penambahan konsentrasi cairan polimer akan menyebabkan meningkatnya viskositas. Konsentrasi larutan mempengaruhi pada morfologi fiber yang dihasilkan. Semakin rendah konsentrasi larutan, semakin kecil diameter fiber yang dihasilkan [6].
Untuk menghasilkan fiber yang halus tanpa butiran-butiran diperlukan cairan polimer dengan viskositas yang pas. Pada viskositas yang terlalu rendah, umumnya akan terbentuk butiran-butiran. Ketika viskositasnya dinaikkan akan ada perubahan bentuk fiber menjadi lebih halus. Namun demikian, viskositas yang terlalu tinggi juga akan menyebabkan cairan polimer sulit untuk keluar dari filter [2].
3.3 Evaporasi (Penguapan) Larutan
Proses evaporasi (penguapan) memegang peranan dalam mekanisme pembentukan fiber pada teknik ekstrusi rotasi (rotation spinning). Ketika lelehan polimer terlempar dari wadah kecil, peristiwa penguapan terjadi
sampai fiber terbentuk pada wadah besar statik. Jika laju evaporasi terlalu kecil, maka fiber tidak akan terbentuk, yang terbentuk adalah tetesan cairan polimer.
Bentuk yang ditemukan pada hasil eksperimen dengan menggunakan teknik ekstrusi rotasi adalah bentuk pita, bercabang, dan berlubang (hollow). Bentuk fiber dapat terbentuk ketika terjadi pengurangan larutan cairan pada peristiwa evaporasi dan seiring itu viskositas larutan semakin meningkat.
Laju evaporasi dipengaruhi oleh beberapa faktor, diantaranya adalah tekanan uap, titik didih, entalpi, laju suplai panas, interaksi antara molekul pelarut dan molekul yang dilarutkan, tegangan permukaan cairan, pergerakan udara di atas permukaan larutan [2].
Tekanan uap larutan bergantung pada berat molekul, suhu, pemanasan, yang dinyatakan dalam persamaan Clausius-Clapeyron 2 ) (ln RT M dT p d Λ = (2)
Tekanan uap juga dinyatakan dalam persamaan Antonie,
C T B A P + − = log (3) 3.4 Gaya Sentripetal
Gerak melingkar adalah gerakan suatu benda pada lintasan yang berbentuk lingkaran. Pembuatan fiber dengan teknik ekstrusi rotasi (rotation spinning) dilakukan dengan cara memutar larutan polimer pada lintasan yang berbentuk melingkar. Pada gerak melingkar bila sebuah benda bergerak dengan kelajuan konstan, benda dipercepat karena kecepatannya berubah arah. Percepatan ini dinamakan percepatan sentripetal yaitu percepatan yang tegak lurus dengan arah vektor kecepatan menuju pusat lingkaran. Dengan besarnya percepatan sentriptal sebagai berikut r r v a 2 2
ω
= = (4)dengan a adalah besarnya percepatan sentripetal, v adalah kelajuan linier, r adalah jari-jari lintasan, dan ω adalah kecepatan sudut.
Kecepatan sudut merupakan hasil bagi sudut pusat yang ditempuh benda dengan selang waktu tempuhnya. Kecepatan sudut dinyatakan oleh persamaan ω = 2π/T, dengan T adalah periode.
Gaya yang bekerja pada benda yang mengakibatkan benda tersebut bergerak melingkar adalah gaya sentripetal. Arah gaya sentripetal selalu menuju ke pusat lingkaran dan besarnya gaya sentripetal adalah F =
mv2/r.
Gaya sentripetal pada teknik ekstrusi rotasi (rotation spinning) mempengaruhi pada pembentukan fiber. Gaya ini memiliki peran dalam menarik lelehan polimer agar terbentang menjadi fiber. Gaya sentripetal muncul ketika lelehan polimer diputar (rotation) dengan
kecepatan sudut tertentu. Semakin besar kecepatan sudut, semakin besar pula gaya sentripetal yang terjadi. Perlu diperhatikan, bahwa gaya sentripetal yang terlalu besar akan menyebabkan fiber terputus. Sementara ketidakstabilan antara gaya tarik dalam hal ini gaya sentripetal dengan tegangan permukaan akan membentuk fiber yang bercabang.
4. Kesimpulan
Telah berhasil dibuat fiber dari prekursor PET (polyethylene terephthalate) serta campuran PEG (polyethylene glikol) dan PET (polyethylene terephthalate), dengan menggunakkan teknik ekstrusi rotasi (rotation spinning). Fiber yang dihasilkan masih banyak mengandung butiran-butiran (beads) dengan ukuran dan bentuk fiber yang masih belum seragam. Diperlukan usaha lain untuk mengoptimasi fiber yang dihasilkan dengan teknik ekstrusi rotasi (rotation spinning) ini, karena keberhasilannya diharapkan dapat menghasilkan nanofiber dengan biaya murah.
Referensi
[1] B. P. Sautter, Continuous Polymer Nanofibers Using electrospinning, Departement of Mechanical Engineering Univerity of Illinois Chicago (2005). [2] S. Ramakrishna, K. Fujihara, W.E. Teo, T.C. Lim,
dan Z. Ma, An Introduction to Electrospinning and Nanofibers, Singapore: World Scientific (2005). [3] M. M. Munir, F. Iskandar, Khairurrijal, K. Okuyama,
Rev.Sci. Instrum. 79, 093904 (2008).
[4] C. Tekmen, A. Suslu, dan U. Cocen, Mat. Lett. 62 (2008).
[5] J. Bai, Q.Yang, M. Li, C. Zhang, dan L.Yiaoxian, Mat. Process. Tech. 208 (2008).
[6] J. Watthanaarun, Effect of Synthesis Parameters and Secondary Metal Doping on Physical and Chemical Properties of the Electrospun Titanium (IV) Oxide Nanofibers, Faculty of Engineering Chulalongkorn University (2004).
[7] S. S. N. Perera, Appl. Math. Sci. 3, 177 (2009). [8] M.M. Munir, F. Iskandar, Khairurrijal, and K.
Okuyama, Rev. Sci. Instrum. 80, 026106 (2009). [9] D.C. Giancoli, Fisika, Jarakta: Erlangga, Jakarta
