HALAMAN JUDUL
PENGUJIAN KESERAGAMAN DAN KEANDALAN
PIEZOELEKTRIK SERAT NANO SEBAGAI ALAT
PEMBANGKIT ENERGI SKALA NANO
SKRIPSI
Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Teknik
Oleh:
SHOLIEHUL HUDA I0408061
JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA
PENGUJIAN KESERAGAMAN DAN KEANDALAN
PIEZOELEKTRIK SERAT NANO SEBAGAI ALAT
PEMBANGKIT ENERGI SKALA NANO
Disusun oleh:
SHOLIEHUL HUDA I0408061
Dosen Pembimbing I
Dr. techn. Suyitno, S.T., M.T. NIP. 197409022001121002
Dosen Pembimbing II
Zainal Arifin, S.T., M.T. NIP. 197303082000031001
Telah dipertahankan di hadapan tim dewan penguji pada hari Senin tanggal 26 Mei 2014
1. Ir. Agustinus Sujono, M.T. NIP. 195110011985031001
2. D. Danardono, S.T., M.T., PhD NIP. 196905141999031001
Mengetahui,
Ketua Jurusan Teknik Mesin
Didik Djoko Susilo, S.T., M.T. NIP. 197203131997021001
Koordinator Tugas Akhir
PENGUJIAN KESERAGAMAN DAN KEANDALAN PIEZOELEKTRIK SERAT NANO
SEBAGAI ALAT PEMBANGKIT ENERGI SKALA NANO
Sholiehul Huda Jurusan Teknik Mesin
Fakultas Teknik, Universitas Sebelas Maret Surakarta, Indonesia
sholiehul.huda@gmail.com
ABSTRAK
Nanogenerator (NG) Zinc oxide berbasis serat nano menjadi suatu pemanen listrik dari energi mekanik yang menjanjikan. Serat dapat disintesa dengan mudah oleh mesin electrospinning. Namun, durabilitas, repeatabilitydan
reproducibility (R&R) adalah faktor utama yang perlu diselidiki untuk meminimalkan kegagalan produk dan untuk menentukan kelayakan produksi massal NG. Seratzinc oxidedihasilkan oleh mesin electrospinning dari larutan
zinc asetate dan polyvinyl alcohol (PVA) pada debit 4 L/menit kemudian disintering pada suhu 550 °C dengan laju pemanasan 240 °C/jam.
Pada pembebanan 0,5 kg, voltase yang dihasilkan antara 203 mV- 220 mV. Pada variasi pembebanan didapat laju kegagalan cepat sebesar 1,08 x 10-4 mV/siklus pada pembebanan 1 kg 1,5 kg dan laju kegagalan lambat pada 0,25 kg 0,75 kg sebesar 0,26 x 10-4mV/siklus. Keandalan tertinggi didapat pada 0,8 kg pada 14.321 siklus. Hasil difraksi sinar-X menunjukkan dengan semakin besar beban yang diterapkan maka diameter kristal akan semakin kecil. Selain itu dengan regangan yang besar maka voltase yang dihasillkan akan semakin besar.
Selanjutnya, setiap 10 NG diuji oleh tiga operator yang terlatih dengan tiga kali pengulangan pada beban 0,5 kg. NG berbasis zinc oxide menghasilkan tegangan output maksimum mulai dari 203 mV hingga 217 mV. Nilai
repeatability dan reprodubility dari NG adalah 26,98% menunjukkan bahwa NG masih dapat diterima untuk diproduksi secara massal. Nilai reprodubility yang relatif rendah ini disebabkan oleh operator, sehingga daftar checklist perlu dibuat lebih mudah dan sederhana untuk semua variabel yang dapat mempengaruhi kualitas serat.
UNIFORMITY AND RELIABILITY TESTING OF NANO FIBERS - BASED PIEZOELECTRIC AS
NANOGENERATORS
Sholiehul Huda Jurusan Teknik Mesin
Fakultas Teknik, Universitas Sebelas Maret Surakarta, Indonesia
sholiehul.huda@gmail.com
ABSTRACT
Zinc oxide fibers-based nanogenerators (NGs) are promising for harvesting electricity from mechanical energy. The fibers can be synthesized easily by electrospinning machine. However, the durability and the repeatability & reproducibility (R&R) are two major factors needed to be investigated to minimize products failure and to determine the feasibility of mass production of NGs. The green fibers of zinc oxide were produced by electrospinning machine of zinc acetate and polyvinyl alcohol (PVA) solution at a flow rate of 4 L/min followed by sintering at a temperature of 550 °C with a heating rate 240 °C/h.
At 0.5 kg load, a voltage was generated between 203 mV-220 mV. The rapid failure rate of 1.08 x 10-4 mV/cycle was occurred at various loadings ranging from 1 - 1.5 kg. Meanwhile, the slow failure rate was 0.26 x 10-4 mV/cycle when NGs was subjected to loads ranging from 0.25 to 0.75 kg. The highest reliability was obtained at 0.8 kg for 14.321 cycles. The greater the applied load, the smaller the crystallite diameter was examined by X-ray diffraction. In addition, the great strain produced the increase of output voltage.
Furthermore, each 10 NGs were tested by three trained operators with three times of repetition at a compresive load of 0.5 kg. The zinc oxide-based NGs revealed the maximum output voltage ranging from 203 mV to 217 mV. The value of repeatability and reproducibility of NGs approximately 26.98% showed that NGs were still acceptable to be mass produced. The relatively low reproducibility was due to the operators, so that the checklist was needed to be made easier and simpler for all the variables affecting to the quality of the fibers.
Keywords: nanogenerator, durability, repeatability, reproducibility, zinc oxide fiber, electrospinning.
KATA PENGANTAR
Syukur alhamdulillah, segala puji hanya kepada Allah SWT. atas segala nikmat cahaya ilmu pengetahuan, kemudahan serta petunjuk yang telah diberikan sehingga dapat terselesaikan dengan baik penulisan tesis dengan Pengujian Keseragaman dan Keandalan Piezoelektrik Serat Nano Sebagai Alat Pembangkit
Energi Skala Nano Skripsi ini disusun sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik di Program Studi Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret Surakarta.
Dengan terselesaikannya laporan ini, penulis menyampaikan ucapan
terima kasih kepada:
1. Bapak Dr. Techn. Suyitno, S.T., M.T., selaku Pembimbing I yang telah memberikan inspirasi dan bimbingan dalam menyelesaikan penulisan tesis ini. 2. Bapak Zainal Arifin S.T., M.T., selaku Pembimbing II yang telah memberikan
inspirasi dan bimbingan dalam menyelesaikan penulisan tesis ini.
3. Seluruh Dosen Teknik Mesin yang telah memberikan ilmu, inspirasi dan
motivasi selama menjalani proses perkuliahan.
4. Keluarga besar yang telah memberikan kasih sayang, nasehat dan doa, semoga Allah memberikan hidayah dan rahmat-Nya.
5.
Rekan-motivasinya selama ini semoga Allah selalu memberikan kesabaran dan kemudahan.
Harapan penulis mudah-mudahan skripsi ini menjadi sumber inspirasi bagi pembaca sebagai tambahan wacana ilmu pengetahuan dan teknologi. Penulis menyadari masih terdapat banyak kekurangan, oleh karena itu kritik dan saran sangat diharapkan untuk kesempurnaan penyusunan sekripsi ini. Semoga skripsi ini dapat menjadi manfaat bagi kita semua.
Surakarta,
Penulis
DAFTAR ISI
BAB I PENDAHULUAN ... 1
1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Rumusan Masalah... 2
1.3 Batasan Masalah ... 2
1.4 Tujuan dan Manfaat ... 2
1.5 Sistematika Penulisan ... 3
BAB II LANDASAN TEORI ... 4
2.1 Tinjauan Pustaka... 4
2.2 Dasar Teori ... 8
BAB III METODOLOGI PENELITIAN... 17
3.1 Tempat Penelitian ... 17
3.2 Prosedur Penelitian ... 17
3.3 Skema Peralatan... 18
3.4 Diagram alir penelitian ... 19
BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN ... 21
4.1 Tegangan Keluaran dari Piezoelektrik... 21
4.2 Keandalan dari Serat Piezoelektrik ZnO ... 22
4.3 Repeatability and Durability (R&R) dari Serat Piezoelektrik ZnO. 27 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN... 31
5.1 Kesimpulan ... 30
5.2 Saran... 30
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Rangkuman nanogenerator piezoelektrik berbasis nanofiber... 5 Tabel 2.2 Pengaruh perubahan parameter proses elektrospinningterhadap
morfologi serat nano yang dihasilkan (Pham, Q.P., et al., 2006) ... 5 Tabel 2.3 Rangkuman prosedur pembuatan nanofiberZnO menggunakan
teknologielectrospinning... 6
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Struktur kristal ZnO (Wang, Z.L., 2004) ...8
Gambar 2.2. Mesin electrospinning (Dong, Z., et al., 2011) ...9
Gambar 2.3. a) Gaya-gaya yang bekerja pada tetesan ujung suntikan; b) Lekukan tidak stabil setelah melewati Taylor cone (Sigmund, W., et al., 2006) ...10
Gambar 2.4. Model pembebanan nanogenerator PZT (Chen, X., et al., 2010)...12
Gambar 2.5 Control chart (Woodall, W.H., et al., 2011)...13
Gambar 2.6 Load amplitudo terhadap logaritma dari jumlah siklus kegagalan kelelahan (N) untuk (a) bahan yang menampilkan batas kelelahan, dan (b) bahan yang tidak menampilkan batas kelelahan (Callister, W.D., 2007)...16
Gambar 3.1. Skema mesin electrospinning...18
Gambar 3.2 Skema akusisi data menggunakan ADAM 4018...19
Gambar 3.3. Diagram alir penelitian...20
Gambar 4.1 Tegangan yang keluar pada saat serat ZnO diberi beban 0,5 kg ...21
Gambar 4.2 Tegangan maksimum rata-rata yang keluar pada saat serat ZnO diberi beban 0,25 sampai 1,5 kg ...22
Gambar 4.3 Tegangan keluaran dengan pembebanan 0,5 kg...23
Gambar 4.4 Laju kegagalan dari serat ZnO ...23
Gambar 4.5 Pola difraksi sinar-X pada serat ZnO setelah diberi pembebanan selama 12.000 siklus ...24
Gambar 4.6 Diameter kristal dan micro strainpada serat ZnO untuk berbagai pembebanan ...25
Gambar 4.7 SEM serat nano ZnO setelah pembebanan 12.000 siklus ...26
Gambar 4.8 Control chart pengaruh operator ...29
