## FABRIKASI SERAT NANO BERBASIS POLIMER MENGGUNAKAN TEKNOLOGI ELECTROSPINNING
M. Fahrur Rozy H. 1 , Imam Sholahuddin 1
1 Staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Jember Jl. Kalimantan 37 Jember 68121
Email: fahrur.teknik@unej.ac.id

## ABSTRACT
Nano  fibers  can  be  fabricated  using  electrospinning  technology  using  local  components  at  low  cost. Electrospinning  technology  also  has  advantages  to  control  the  morphology,  uniformity,  porosity  and composition  of  nano  fiber  by  pumping  a  solution  of  the  gel  through  the  nozzle  of  a  metal-needle  high voltage  electrified.  Based  on  the  results  of  the  research,  the  general  parameters  required  for  the manufacture of electrospinning machine is a resolution rate of spraying the solution (μℓ / min) and the magnitude of the high voltage power source (kV). A human hair is approximately 60 μm size looks larger than  the  size  of  the  resulting  PVA  fiber  electrospinning  machine.  These  results  were  confirmed  by  the results of fiber characterization using the AFM in the area of fiber 50 μm x 50 μm, fiber size in the range of <1 μm are included in the order of 1000 nm. It can be concluded that the electrospinning machine that has been made in this study has been able to create nanometer-scale fibers.
Keywords: Nano fibers, electrospinning
PENDAHULUAN
Aplikasi dan pengembangan serat nano diperuntukkan  diberbagai  bidang  seperti  energi, nanobio,  lingkungan,  nanomedis,  pertahanan  dan keamanan.  Teknologi  ini  tergolong  relatif  baru  yang dapat  dilihat  dari  publikasi  ilmiah  internasional  yang terus meningkat dari tahun 2000 kurang dari 100 hingga tahun  2007  menjadi  lebih  dari  500  publikasi  dengan prosentase  terbesar  yang  masih  dikuasai  oleh  negara- negara  maju  seperti Amerika  Serikat, Korea dan  China [1] .  Hal  ini  memberikan  kesempatan  bangsa  Indonesia untuk berkompetisi ditingkat  Internasional. Penguasaan teknologi  nano  khususnya  teknologi  elektrospinning akan  menempatkan  Indonesia  sejajar  dengan  negara- negara  maju    dalam  mengembangkan  serat  nano  dan aplikasinya  sesuai  dengan  kebutuhan  bangsa.  Serat nano dapat dipabrikasi menggunakan teknologi electrospinning  dengan  komponen  lokal  berbiaya murah,  memiliki  kelebihan  mampu  mengendalikan morfologi,  keseragaman,  porositas  dan  komposisi  serat dengan cara  memompa larutan gel  melalui nosel jarum logam  yang  dialiri  listrik  tegangan  tinggi.  Kemudian medan  elektrostatis  akan  menarik  tetesan  hingga menjadi  semprotan  yang  stabil  ke  arah  pelat  kolektor dan membentuk serat acak [1]. Pada penelitian ini akan dilakukan  rancang  bangun  mesin electrospinning yang terdiri  dari  mesin  pompa  larutan  terkendali  dan perangkat  elektronik  tegangan  tinggi  elektrostatis  serta uji  coba  menggunakan  beberapa  bahan  dasar  larutan polimer untuk dibentuk menjadi serat nano.
Electrospinning adalah proses pembuatan serat nano melalui penyemprotan larutan polimer yang diberi muatan  listrik.  Proses  electrospinning  pertama  kali dipatenkan  oleh  Formhal  untuk  memproduksi  filamen menggunakan  gaya  elektrostatis.  Kemudian  pada  tahun
1960-an  Taylor  melakukan  penelitian  terhadap semprotan  (jet)  yang  berasal  dari  tetesan  larutan polimer.  Pengerucutan  bentuk  terhadap  tetesan tersebut  kemudian  dikenal  dengan  istilah  “Taylor Cone” [2].
Penarikan  semprotan  dari  ujung  nosel, perpindahan  muatan  dan  medan  listrik  yang  terjadi sangat mempengaruhi selama proses electrospinning. Fluida  yang  dikeluarkan dari ujung nosel  akan  dipercepat  dan  dibentangkan  oleh  gaya elektrostatik. Secara keseluruhan terdapat keseimbangan  gaya  pada  kerucut  diujung  nosel dimana  gravitasi  dan  tegangan  polarisasi  listrik cenderung  berada  disepanjang  tetesan  dari  dalam dan  dibantu  oleh  tegangan  tangensial  listrik dipermukaan. Tingkat kekentalan akan memperlambat pembentukan  kerucut diujung  nosel. Selain  itu,  terdapat  dua  kekuatan  yang  lebih  aktif dipermukaan  tetesan/kerucut  yang  terbentuk  yaitu tegangan permukaan yang mencoba untuk meminimalkan luas permukaan vertikal dan kekuatan  yang  berlawanan  dari  tegangan  normal listrik  yang  akan  mencoba  untuk  memaksimalkan jarak  antara  muatan  listrik  dipermukaan  dengan memperbesar  luas  permukaan.  Ketika  medan  listrik cukup  besar  maka  tetesan  akan  membentuk  kerucut “Taylor cone”.
Setelah    gaya  elektrostatis  dikenakan  pada tegangan  permukaan,  larutan  yang  disemprotkan diujung  nosel  akan  berdiameter  kira-kira  1/100  in, kemudian  akan  meninggalkan  kerucut  mendekati elektroda  kolektor  dan  pada  kondisi  ini  semprotan fiber mulai tidak stabil. Pada daerah ini terdapat tiga kemungkinan ketidakstabilan; pertama, tetesan yang dibentuk  disebut  ketidakstabilan  Rayleigh;  kedua,
pemekaran struktur yang terjadi disebut ketidakstabilan asimetris;  ketiga,  terjadinya  non  asimetris  pada semprotan  fiber  terdapat  pelekukan.  Pada  lekukan terakhir,  ketidakstabilan  yang  terjadi  memiliki  peran terhadap  proses  pengecilan  diameter  fiber  dari  ukuran mikron  hingga  nanometer  [3].  Serat  nano  dihasilkan dari  larutan  yang  dipompa  keluar  dengan  kecepatan tertentu kemudian medan elektrostatis akan menciptakan  kerucut  diujung  nosel,  ujung  kerucut selanjutnya  tertarik  ke  pelat  kolektor  dengan  tiga tahapan  penting  yaitu  pembentukan  kerucut,  penarikan larutan  menjadi  serat,  kemudian  semakin  mendekati kerucut  terjadi  ketidakstabilan  dan  terjadi  spinning hingga mencapai pelat kolektor.

## METODOLOGI PENELITIAN Desain Penelitian
Permasalahan  utama  adalah  pada  akurasi kecepatan  minimum  pompa  0,01  mm/jam  dan kecepatan  aliran  minimum  1  ml/jam  yang  tergantung pada  mekanisme power  screw dan  sistem  transmisi mesin  pompa.  Untuk  mengatasi  permasalahan  ini dilakukan  proses  manufaktur  dengan  meningkatkan kepresisian  komponen  khususnya  pada  poros power screw ,  dudukan  poros  dan  kepresisian  kontak  antar komponen pada saat perakitan. Pada sumber arus listrik tegangan  tinggi,  kendala  utama  yaitu  pada  pembagian tegangan  untuk  mendapatkan  variasi  voltase  (kV)  atau besarnya  medan  elektrostatis  yang  dihasilkan.    Hal  ini dikarenakan radiasi medan listrik yang tinggi menyebabkan rangkaian elektronik pembagi tidak dapat bekerja.  Untuk  menghindari  radiasi  medan  lsitrik dilakukan  isolasi  terhadap  bagian-bagian  komponen rangkaian  elektronik  menggunakan  polymer  yang memiliki kemampuan isolator terhadap tegangan tinggi.
Gambar 1. Desain Penelitian
Aliran  nosel  digerakkan  oleh power  screw menggunakan  FDK  Stepper  Motor  SMB40-96 dengan spesifikasi 24 Volt 96 step / 360 o . Pengaturan kecepatan pergerakan  pompa/aliran  larutan  dikendalikan  oleh mikrokontroler  Atmega  8  serta  driver  elektronika pendukung. Tegangan tinggi ini menggunakan transformator  flyback  TV  21  inch  merek  Polytron  seri FCK-14A006 yang  digunakan  untuk  konversi  energi
sirkuit  elektronik  untuk  menghasilkan  sinyal tegangan tinggi lebih dari hingga 30 kV.
Gambar 2. Rancangan 3D Mesin Electrospinning
Target spesifikasi produk:
1) Pompa suntik terkendali
- Kapasitas: 0  hingga 20 cc
- Resolusi  laju  aliran  penyemprotan  :  1 μL/menit
- Pengendali : Berbasis mikrokontroler atmega8
2) Pembangkit tegangan tinggi elektrostatis - Tegangan tinggi elektrostatis  : 0 hingga 30 kV
- Power AC: 170 hingga 220 volt

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Mesin Electrospinning Perancangan
dan pembuatan mesin electrospinning yang  terdiri  dari  pompa  suntik otomatis  dan  sumber  listrik  tegangan  tinggi  telah berhasil  dibuat  dan  diaplikasikan  terhadap  sampel larutan  polimer  untuk  membuat  serat  berdiameter kecil.  Dengan  melakukan  pengaturan  kecepatan melalui  tombol  pengendali  variasi  kecepatan  dapat dirubah dan ditampilkan langsung oleh layar LCD.
Gambar 3. Mesin Electrospinning
Fungsi  pompa  suntik  yaitu  sebagai  alat penyemprot  larutan  dengan  laju  aliran  yang  dapat dikendalikan  melalui  sistem  kendali  menggunakan mikrokontroler Atmega8 dan dapat diatur menggunakan tombol yang tersedia dengan parameter  pengubahan  yang  dapat  dilihat  di  layar LCD  karakter  2x16.  Memiliki  spesifikasi  untuk berbagai  ukuran  pompa  suntik  ukuran  1  cc  hingga 20 cc. Kemampuan ini didukung oleh motor stepper 96  step/putaran,  mekanisme  ulir  power  screw
dengan  jarak  pitch  1  mm,  dan  rasio  roda  gigi  motor stepper  terhadap  ulir  power  screw  1:15  sehingga mampu  menghasikan  resolusi  laju  penyemprotan larutan hingga  1 µℓ/menit  menggunakan pompa  suntik larutan berukuran 1cc.
Gambar 4. Pompa Suntik Otomatis, tombol pengendali dan layar LCD

## Produk Serat Nano
Pada  percobaan  penelitian  ini,  bahan  serat menggunakan larutan polimer Polivinil Alkohol (PVA) yang dicampur dengan air sulingan (H 2 O) menggunakan perbandingan 1:10 (%wt) yang kemudian dimasukkan  kedalam  pompa  suntik  untuk  dilakukan proses electrospinning .
Gambar 5. Produk serat PVA dengan setali rambut manusia
Proses penyemprotan dilakukan dengan kecepatan 6  µℓ/menit  dan  kutub  positif  tegangan  tinggi dihubungkan ke logam jarum suntik.  Kemudian  medan elektrostatis dari kolektor yang terhubung dengan kutub negatif akan menarik semprotan larutan hingga menjadi serat berukuran kecil.
Gambar 6. Serat PVA hasil Scanning Probe dengan luas 50 µm x 50 µm
Gambar 5. menunjukkan hasil foto makro serat PVA dengan sehelai rambut  manusia terlihat sangat kecil dan  tidak  terlihat  oleh  mata  dengan  jelas.  Oleh karena  itu  untuk  memperjelas  bentuk  morfologi serat  PVA  seperti  pada  gambar  6.  dilakukan karekterisasi  menggunakan scanning  probe/Atomic Force Microscpy (AFM).

## Pembahasan
Parameter  umum  yang  dibutuhkan  untuk pembuatan  mesin electrospinning berdasarkan  hasil penelitian  diatas  yaitu  resolusi  laju  penyemprotan larutan dalam  µℓ/menit dan besarnya sumber listrik tegangan tinggi dalam satuan kiloVolt (kV). Hal ini sesuai  dengan  hasil  kajian  Pham  Q.P.  dkk.  (2006), bahwa  laju  penyemprotan  larutan  (µℓ/menit)  yang semakin  kecil  serta  semakin  besarnya  tegangan tinggi  (kV)  yang  diaplikasikan  akan  memperkecil ukuran  serat.  Seperti  pada  gambar  5.3  dimana ukuran  rambut  manusia  sekitar  60  µm  yang  terlihat lebih  besar  dibandingkan  dengan  ukuran  serat disampingnya.  Diperkuat  dengan  hasil  karakterisasi menggunakan  AFM  pada  luasan  serat  50  µm  x  50 µm,  ukuran  serat  berada  pada  kisaran  <  1  µm  yang termasuk  dalam  orde  1000  nm.  Sehingga  mesin electrospinning yang telah dibuat pada penelitian ini telah mampu membuat serat dalam skala nanometer.

## KESIMPULAN
Berdasarkan  hasil  dan  pembahasan  penelitian ini diatas, dapat disimpulkan sebagai berikut:
1. Parameter umum pembuatan mesin electrospinning yaitu resolusi laju
penyemprotan  larutan  dalam    µℓ/menit  dan besarnya  sumber  listrik  tegangan  tinggi  dalam satuan kiloVolt (kV).
2. Hasil karakterisasi menggunakan AFM pada luasan serat  50  µm  x  50  µm,  ukuran  serat  berada  pada kisaran  <  1  µm  yang  termasuk  dalam  orde  1000 nm.
3. Mesin electrospinning yang  telah  dibuat  pada penelitian  ini  telah  mampu  membuat  serat  dalam skala nanometer.

## SARAN
Pembuatan  mesin electrospinning ini  tidak terlepas  dari  kekurangan  dalam  menghasilkan  produk yang lebih mudah digunakan dan mudah perawatannya. Sehingga  kedepannya  masih  diperlukan  banyak penyempurnaan  dari  sisi  tersebut,  mengingat  masih
sedikit  penggunaan  mesin  ini  di  Indonesia  untuk penelitian  rekayasa  material  berbentuk  serat  yang otomatis  peluang  topik  serat  nano  masih  terbuka lebar untuk peneliti dosen maupun mahasiswa.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] He, J. H., Y. Liu, L. F. Mo, Y. Q. Wan, dan L. Xu.  2008. Electrospun  Nanofibers  and  Their Application
[2]  Lotus  A.  F.,  2008, Synthesis  Ceramic Nanofibers,  Development  of  P-N  Junctions  And Bandgap Engineering by Electrospinning .
[3] Sigmund, W., J. Yuh, H. Park, V. Maneeratana, G. Pyrrgiotakis, A. Daga, dkk. 2006. Processing and  Structure  Relationships  in  Electrospinning of Ceramic Fiber Systems .