Pengaruh Variasi Polivinilpirolidon (PVP) Terhadap Pembentukan Serat Nano Titanium Dioksida (TiO 2 ) Menggunakan Metode Electrospinning
Vega Rahmawati Ar a , Posman Manurung b , Junaidi c dan Pulung Karo-Karo
Jurusan Fisika, Universitas Lampung, Bandar Lampung, Indonesia, 35141
Article Information Abstract Article history: Received January 28 th , 2021
Received in revised form February 5 th , 2021 Accepted February 28 th ,
2021
Keywords:
Electrospinning, Nanofibers, PVP, TiO 2 , Viscosity
Research  on  the  formation  of  TiO2  nanofiber  has  been  carried  out  with  PVP variations of 1.1; 1,2; 1.3; 1.4 and 1.5 grams using electrospinning. This study aims to determine the effect of PVP variation on the viscosity and  morphology of TiO2 nanofibers and to determine the crystal structure of the fibers. Synthesis of TiO2 was carried out using the sol-gel method. TTIP is used as a precursor, ethanol as a solvent, acetic acid as a catalyst and PVP as a fiber-forming polymer. The results of the viscosity measurement show that the amount of PVP used in the sample is directly proportional to the level of solution viscosity. Based on the results of SEM characterization,  it  showed  relatively  uniform  nanofiber  morphology  with  fiber diameter ranging from 94 nm - 735 µm. The results of TEM characterization showed that the size of TiO2 nanofiber particles ranged from 7-15 nm. The results of XRD analysis showed that the crystal structures formed at a calcination temperature of 450 oC were the anatase and rutile phases.
Informasi Artikel Abstrak Proses artikel: Diterima 28 Januari 2021
Diterima dan direvisi dari 5 Februari 2021 Accepted 28 Februari 2021

## Kata kunci:
Electrospinning, PVP, Serat nano, TiO 2 , Viskositas.
Telah dilakukan pembentukan serat nano TiO 2 dengan variasi PVP sebesar 1,1; 1,2; 1,3; 1,4 dan 1,5 gram menggunakan electrospinning. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh variasi PVP terhadap viskositas dan morfologi serat nano  TiO 2 serta  struktur  kristal  pada  serat  nano  TiO 2 .  Sintesis  TiO 2 dilakukan menggunakan metodel sol-gel. TTIP digunakan sebagai prekursor, etanol sebagai pelarut, asam asetat sebagai katalis dan PVP sebagai polimer pembentuk serat. Hasil  pengukuran  viskositas  menunjukkan  bahwa  jumlah  PVP  yang  digunakan pada sampel berbanding lurus dengan tingkat kekentalan larutan. Berdasarkan hasil karakterisasi SEM memperlihatkan morfologi serat nano yang relatif seragam dengan ukuran diameter serat berkisar antara 94 nm – 735 µm. Hasil karakterisasi TEM  menunjukkan  ukuran  partikel  serat  nano  TiO 2 berkisar  7-15  nm.  Hasil analisis XRD menunjukkan struktur  kristal yang terbentuk pada suhu kalsinasi 450 o C yaitu fasa anatase dan rutil.

## 1. Pendahuluan
Beberapa  abad  terakhir,  ketertarikan  dunia  penelitian  terhadap  material  nano  sangat  meningkat  pesat. Material  nano  menjadi  titik  temu  dalam  bidang  nanosains  dan  nanoteknologi.  Bidang  ini  mampu  menghasilkan suatu potensi untuk merevolusi dalam pembuatan material dan produk-produk lainnya. Material nano didefinisikan sebagai suatu bahan yang paling sedikit satu dimensinya lebih kecil dari 100 nm. Bila dibandingkan dengan material berukuran makro, tentu saja material nano dapat menghasilkan material baru yang memiliki sifat dan karakteristik yang  lebih  maju.  Berdasarkan  penelitian  terdahulu,  sifat-sifat  yang  dihasilkan  material  nano  diantaranya sensitivitas terhadap suhu cukup tinggi, luas permukaan besar serta ketahanan regangan yang tinggi (Yang & Tighe, 2013). Sehingga, hal tersebut tentu dapat membuka ilmu pengetahuan yang lebih luas bagi para peneliti.
Diantara berbagai jenis material nano yang ada, serat nano menjadi salah satu yang paling banyak menarik minat  dunia  riset  untuk  terus  dikembangkan.  Serat  didefinisikan  sebagai  suatu  material  yang  berbentuk  halus (benda  dengan  ukuran  yang  sangat  kecil)  dan  memiliki  perbandingan  panjang  dan  diameter  yang  sangat  besar. Potensi besar yang dihasilkan oleh serat nano dapat dilihat dari sifat dan karakteristiknya seperti porositasnya yang dapat  disesuaikan,  luas  permukaan  yang  besar,  permeabilitas  tinggi,  serta  resistansi  yang  rendah  terhadap
-------------------------------------- * Corresponding author.
E-mail addres: (a)vgarar3@gmail.com;  (b)reip56@gmail.com; (c)junaidi1982@gmail.com

## JOURNAL OF ENERGY, MATERIAL, AND INSTRUMENTATION TECHNOLOGY
Journal Webpage https://jemit.fmipa.unila.ac.id/
Journal of Energy, Material, and Instrumentation Technology, Vol. 2 No. 1, 2021
perpindahan massa (Tang dkk., 2016). Selain itu, serat nano berpotensi besar untuk diapikasikan dalam berbagai bidang lebih luas seperti bidang industri, elektronik, kesehatan dan lain sebagainya.
Dalam beberapa tahun terakhir, serat nano TiO 2 menjadi fokus utama dalam berbagai penelitian karena TiO 2 bersifat tidak beracun sehingga sangat aman untuk diaplikasikan dalam kehidupan sehari-hari. TiO 2 telah banyak dipelajari  karena  sifat  umumnya  yang  menarik  dalam berbagai  aplikasi  seperti  sensor,  sel  surya,  katalisis  serta fotokatalisis (Haider dkk., 2019). Metode yang dapat dilakukan untuk sintesis TiO 2 yaitu kopresipitasi (Parida & Naik, 2009), sonokimia serta hidrotermal (Camposeco dkk., 2014). Namun, diantara beberapa metode tersebut hanya ada  satu  metode  yang  paling  mudah  dan  mampu  menghasilkan  TiO 2 dengan  luas  permukaan  yang  tinggi  yaitu metode sol-gel (Nateq & Richardo, 2019). Selain karena mudah, keunggulan metode sol-gel lainnya adalah ramah lingkungan, proses sintesisnya sederhana serta biaya yang dibutuhkan relatif sedikit.
Saat  ini,  teknik electrospinning paling  banyak  digunaakn  untuk  produksi  serat  nano  karena  tekniknya sederhana  dan  efektif  dalam  pembuatan  serat  berbahan  dasar  polimer. Electrospinning merupakan  teknik  yang serbaguna serta mampu menghasilkan serat nano dengan diameter mulai dari 50 hingga 500 nm (Chronakis, 2005). Meskipun electrospinning termasuk  teknik  yang  sederhana,  ada  beberapa  parameter  penting  yang  perlu diperhatikan karena sangat mempengaruhi kualitas dari serat nano yang dihasilkan. Beberapa parameter tersebut diantaranya jarak antara pompa semprot dengan kolektor, diameter jarum, tegangan tinggi, laju aliran, kelembaban serta temperatur lingkungan (Krisnandika., 2017). Namun, parameter yang berpengaruh besar adalah konsentrasi larutan polimer. Apabila kekentalan larutan sangat rendah akan terbentuk kumpulan tetesan larutan pada serat sedangkan  bila  kekentalan  sangat  tinggi  akan  menghasilkan  serat  dengan  diameter  yang  besar.  Sehingga, diperlukan konsentrasi larutan yang sesuai untuk menghasilkan serat nano yang halus.
Berdasarkan beberapa penjelasan diatas, maka penelitian ini ditujukan untuk mengetahui pengaruh variasi polimer  dan  viskositas  larutan  terhadap  pembentukan  serat  nano  TiO 2 menggunakan  metode electrospinning . Pengukuran viskositas menggunakan Viscometer Ostwald dengan nilai pembanding dari metanol. Karakterisasi yang dilakukan yaitu Scanning Electron Miscroscopy (SEM) untuk mengetahui morfologi serat nano TiO 2 . Selanjutnya, untuk  meyakinkan  bahwa  pada  serat  nano  terdapat  TiO 2 maka  dilakukan  analisis X-Ray  Diffraction (XRD). Kemudian, dilakukan karakterisasi Transmission Electron Microscopy (TEM) untuk mengetahui ukuran partikel dari serat nano TiO 2 .

## 2. Metode Penelitian
Bahan-bahan yang digunakan pada penelitian ini antara lain Titanium Tetraisopropoksida (TTIP) ( Mw = 284,22 g/mol,  97%  Sigma-Aldrich)  yang  berperan  sebagai  prekursor,  etanol  ( Mw =  46.07  g/mol,  99.5%,  Sigma-Aldrich) sebagai  pelarut,  asam  asetat  ( Mw =  60,05  g/mol,  100%  Merck)  sebagai  dan  polivinilpirolidon  (PVP,  K90,  RRC). Sintesis TiO 2 dilakukan dengan metode sol-gel. Pengukuran kekentalan larutan serat nano TiO 2 dengan Viscometer Ostwald dan  pengukuran  massa  jenis  dengan  piknometer  menggunakan  nilai  pembanding  dari  metanol. Pembentukan serat nano TiO 2 menggunakan alat electrospinning , selanjutnya hasil serat nano TiO 2 yang dikalsinasi pada suhu 450 o C selama 3 jam dikarakterisasi menggunakan TEM dan XRD. Sedangkan, serat nano yang tidak dikalsinasi langsung dikarakterisasi menggunakan SEM.

## 2.1 Preparasi Sampel
Larutan polimer disiapkan melalui pencampuran serbuk PVP dengan variasi sebanyak 1,1; 1,2; 1,3; 1,4 dan 1,5 gram ke dalam etanol 8 mL, diaduk dengan magnetic stirrer selama 1 jam pada suhu ruang.  Selama proses pengadukan sampel ditutup dengan plastik wrap agar terhindar dari zat-zat lain yang tidak diperlukan. Selanjutnya, sintesis TiO 2 dengan metode sol-gel disiapkan melalui pencampuran TTIP 2,5 mL, etanol 3 mL dan asam asetat 3 mL dengan pengadukan selama 5 menit pada suhu ruang. Larutan serat nano TiO 2 disiapkan dari larutan polimer yang dimasukkan ke dalam larutan TiO 2 dan diaduk selama 1 jam. Kemudian dilakukan pengukuran kekentalan larutan (viskositas) serat nano TiO 2 menggunakan Viscometer Ostwald dan piknometer dengan nilai metanol sebagai pembanding.
Proses  pengukuran  viskositas  dilakukan  denga  memasukkan  larutan  serat  nano  TiO 2 ke  dalam viscometer hingga mencapai setengah tabung bola yang besar. Lalu, pada tabung bola yang kecil disedot menggunakan bulp hingga larutan naik melebihi garis paling atas. Saat bulp dilepas, dihitung waktu larutan turun mulai dari garis pertama hingga melewati garis kedua. Untuk mengetahui massa jenis larutan maka ditimbang massa piknometer kosong dan massa piknometer + larutan serat nano. Kemudian, perhitungan viskositas sampel diperoleh dengan Persamaan 2.1.
η = η o t. ρ t o . ρ o (2.1)
Dengan 𝜂 merupakan  tingkat  kekentalan  sampel, 𝜂 𝑜 merupakan  kekentalan  metanol, 𝑡 merupakan  waktu aliran sampel, 𝜌 merupakan massa jenis sampel, 𝑡 𝑜 merupakan waktu aliran metanol, 𝜌 𝑜 merupakan massa jenis metanol.

## 2.2 Pembuatan Serat Nano TiO 2
Pembentukan  serat  nano  TiO 2 menggunakan  alat electrospinning dengan  tegangan  tinggi  yang  digunakan sebesar 20 kV dan arus listrik searah (DC). Jarak pompa  semprot ke kolektor yaitu 13 cm dan laju alir larutan sebesar  1,5  mL/jam.  Proses electrospinning disiapkan  dengan  melapisi  kolektor  dengan  alumunium  foil  dan ditempelkan  substrat  berupa kaca  preparat.  Selanjutnya,  larutan serat  nano  TiO 2 dimasukkan  ke  dalam pompa semprot, lalu diletakkan ke dalam rangkaian electrospinning dan dihubungkan dengan kabel positif dari tegangan tinggi. Saat power supply dinyalakan maka tetesan setengah bola pada ujung pompa semprot akan meregang dan
Ar VR, Manurung P, Junaidi dan Karo PK, 2021, Pengaruh Variasi Polivinilpiroidon (PVP) Terhadap Pembentukan Serat  Nano  Titanium  Dioksida  (TiO 2 )  Menggunakan  Metode Electrospinning , Journal  of  Energy,  Material,  and Instrumentation Technology , Vol. 2 No. 1, 2021
berbentuk seperti kerucut ( Taylor  cone ), selanjutnya ditarik menuju  ke kolektor. Selama proses ini berlangsung, pelarut menguap dan serat nano akan terbentuk pada substrat.

## 2.3 Karakterisasi
Karakterisasi  yang  dilakukan  pada  penelitian  ini  antara  lain Scanning  Electron  Microscopy (SEM)  untuk mengetahui morfologi serat nano TiO 2 , X-Ray Diffraction (XRD) untuk meyakinkan bahwa pada serat nano terdapat TiO 2 sekaligus untuk mengetahui struktur kristal yang terbentuk pada serat dan Transmission Electron Microscopy (TEM) untuk mengetahui ukuran partikel dari serat nano.

## 3. Hasil Dan Pembahasan

## 3.1 Hasil Pengukuran Viskositas
Pengukuran viskositas dilakukan untuk mengetahui tingkat kekentalan larutan dari kelima variasi sampel. Viskositas larutan dapat dipengaruhi oleh berat molekul dan jumlah polimer yang digunakan.  Hasil pengukuran viskositas yang diperoleh pada penelitian ini seperti ditunjukkan pada Tabel 4.1.
Tabel 1. Hasil pengukuran kekentalan larutan serat nano TiO 2 . Sampel PVP (g) Massa metanol (g/cm 3 ) Massa sampel (g/cm 3 ) Waktu alir metanol (s) Waktu alir sampel (s) Kekentalan metanol (cP) Kekentalan sampel (cP) A 1,1 0,7918 0,9217 20,14 2954,66 0,59 100,75 B 1,2 0,7918 0,9255 20,14 4821,57 0,59 165,09 C 1,3 0,7918 0,9289 20,14 6568,69 0,59 225,71 D 1,4 0,7918 0,9372 20,14 10991,42 0,59 381,12 E 1,5 0,7918 0,9343 20,14 13808,31 0,59 477,31
Hasil pengukuran  viskositas  berbanding  lurus  dengan  konsentrasi polimer  yang  digunakan  dalam  larutan. Tingkat kekentalan paling tinggi terjadi pada sampel E dikarenakan larutan polimer pada sampel E menggunakan PVP  paling  banyak,  sehingga  dihasilkan  gel  yang  cukup  kental.  Jumlah  polimer  yang  digunakan  pada  larutan pemintalan sangat berpengaruh terhadap kekentalan larutan.

## 3.2 Hasil Karakterisasi SEM
Karakterisasi SEM bertujuan untuk mengetahui morfologi yang dihasilkan dari serat nano TiO 2 . Sampel yang dikarakterisasi yaitu sampel B, C dan D. Analisis SEM dilakukan menggunakan perangkat lunak ImageJ dengan pengambilan  50  data  diameter  dari  sebaran  serat  yang  diplot.  Pada  umumnya,  ukuran  diameter  serat  nano dipengaruhi oleh parameter electrospinning serta konsentrasi larutan yang digunakan. Hasil analisis SEM disajikan pada Gambar 1 .
D C B
Ar dkk, 2021/ J. Energy Mater. Instrum. Technol. Vol. 2 No. 1, 2021
Gambar 1. Morfologi serat nano TiO 2 (b) sampel B (c) sampel C dan (d) sampel D.
Hasil analisis SEM menunjukkan bahwa serat nano telah berhasil terbentuk melalui proses electrospinning . Berdasarkan Gambar  1 ,  serat  nano  TiO 2 telah  tersebar secara  merata  dan  ukuran  serat yang  dihasilkan  cukup seragam.  Namun,  pada  sampel  C  serat  diplot  pada  bagian  yang  tidak  tebal.  Sehingga,  menyebabkan  serat  yang teramati tidak tersebar secara merata. Dari hasil pengukuran diameter yang teramati dari sampe B, C dan D berada pada kisaran 94 nm  hingga 735 µm. Rata-rata ukuran diameter yang diperoleh pada sampel B sebesar 312 ± 2,34 nm, sampel C sebesar 328 ± 3,08 nm dan sampel D sebesar 340 ± 2,49 nm. Peningkatan jumlah PVP dalam larutan pemintalan menyebabkan ukuran diameter serat yang dihasilkan menjadi lebih besar.

## 3.3 Hasil Karakterisasi XRD
Karakterisasi  XRD  dilakukan  untuk  mengidentifikasi  struktur  kristal  serat  nano  TiO 2 .  Analisis  kualitatif dilakukan  dengan  menggunakan  metode  pencocokan  data  ( search  and  match )  bertujuan  untuk  mengamati kehadiran fasa kristal. Sampel yang dianalisis dengan XRD yaitu sampel B dikarenakan dari hasil analisis SEM sampel B memiliki rata-rata diameter terkecil. Hasil analisis kualitatif disajikan dalam bentuk difraktogram seperti ditunjukkan pada Gambar 2 .
Gambar 2. Difraktogram sampel B (Legenda: a = anatase, r = rutil) λ = 1,540598 Å.
Puncak-puncak kristal yang terbentuk dari serat nano TiO 2 adalah fasa anatase dan rutil. Dari kedua fasa tersebut, yang muncul lebih dominan adalah fasa rutil. Dua puncak tertinggi yang teridentifikasi yaitu fasa anatase (COD 96-900-9087) pada sudut difraksi 25,34 o dan fasa rutil (COD 96-900-1682) pada sudut difraksi 27,4 o . Hasil ini sesuai dengan penelitian sebelumnya yang meyatakan bahwa fasa anatase terbentuk pada sudut difraksi 25,3 o (Manurung dkk., 2020) dan fasa rutil pada sudut difraksi 27,4 o (Someswararao dkk., 2021). Setelah  dilakukan  anailisis  kualitatif,  selanjutnya  dilakukan  analisis  kuantitatif  menggunakan  metode Rietveld untuk  mengetahui  masing-masing  persentase  berat  fasa . Hasil  analisis  kuantitatif  menunjukkan persentase berat fasa anatase sebesar 61,46 %  dan fasa rutil 38,54 %. Data yang diperoleh dari metode Rietveld selanjutnya  digunakan  untuk  menentukan  ukuran  partikel  dengan  mencari  nilai  FWHM  ( Full  Width  Half Maximum ) dari puncak tertinggi pada sudut 2𝜃 ( ° ) .  Hasil perhitungan partikel seperti disajikan pada Tabel 2 .
Tabel 2. Hasil perhitungan ukuran partikel. Fasa K λ ( nm) FWHM ( ° ) FWHM (rad) 2 θ ( ° ) D (nm) Anatase Rutil 0,94 0,94 0,15406 0,15406 0,2676 0,1840 0,0046 0,0032 25,34 27,48 31,78 46,42

## 3.4 Hasil Karakterisasi TEM
Karakterisasi  TEM  bertujuan  untuk  mengetahui  ukuran  partikel  dari  serat  nano  TiO 2 .  Sampel  yang dikarakterisasi yaitu sampel B. Analisis TEM dilakukan menggunakan perangkat lunak ImageJ. Hasil karakterisasi sampel dapat diamati pada Gambar 3 .
Ar VR, Manurung P, Junaidi dan Karo PK, 2021, Pengaruh Variasi Polivinilpiroidon (PVP) Terhadap Pembentukan Serat  Nano  Titanium  Dioksida  (TiO 2 )  Menggunakan  Metode Electrospinning , Journal  of  Energy,  Material,  and Instrumentation Technology , Vol. 2 No. 1, 2021
Gambar 3. Hasil analisis TEM sampel B.
Berdasarkan hasil analisis TEM diperoleh ukuran partikel dari serat nano TiO 2 berada pada kisaran 20 nm. Dari Gambar  3 dapat  diamati  bahwa  terdapat nanograins pada  serat  nano  TiO 2 .  Kemunculan nanograins bisa disebabkan oleh adanya peningkatan suhu pada proses kalsinasi. Berbagai ukuran nanograins diperoleh dengan mengubah  durasi  perlakuan  panas.  Ukuran nanograins sangat  mempengaruhi  kinerja  dari  serat  nano  yang dihasilkan.  Serat  nano  yang  terdiri  dari nanograins yang  lebih  kecil  menunjukkan  sifat  yang  lebih  unggul dibandingkan dengan serat nano yang lebih besar (Katoch dkk., 2015).

## 4. Kesimpulan
Berdasarkan hasil penelitian dan analisis yang telah dilakukan, maka dapat disimpulkan bahwa konsentrasi PVP dalam larutan serat nano TiO 2 sangat berpengaruh terhadap viskositas dan morfologi serat. Hasil analisis SEM menunjukkan ukuran diameter berada pada kisaran 94 nm hingga 735 µm. Untuk meyakinkan bahwa pada serat nano  terdapat  TiO 2 selanjutnya  dikonfirmasi  oleh  hasil  XRD  yang  menunjukkan  bahwa  struktur  kristal  yang terbentuk pada serat nano yaitu fasa anatase dan rutil. Kemudian, dari hasil analisis TEM diketahui ukuran partikel berkisar 20 nm dan telah muncul nanograins pada serat nano TiO 2 .

## 5. Daftar Pustaka
Camposeco, R., Castillo, S., Centeno, I. M., Navarrete, J., & Gómez, R. (2014). Effect of The Ti/Na Molar Ratio on The Acidity  and  The  Structure  of  TiO 2 Nanostructures:  Nanotubes,  Nanofibers  and  Nanowires. Materials Characterization , 90, 113-120.
Chronakis, I. S. (2005). Novel nanocomposites and nanoceramics based on polymer nanofbers using electrospinning process — a review. Journal of Materials Processing Technology , 167(2-3), 283 – 293.
Haider, A. J., Jameel, Z. N., Al-Hussaini, I. H. M. (2019). Review on: Titanium Dioxide Applications. Energy Procedia, 157, 17-29.
Katoch, A., Choi, S. W., Kim, J. H., Lee, J. H., Lee, J. S., & Kim, S. S. (2015). Importance of The Nanograin Size on the H 2 S-Sensing Properties of ZnO – CuO Composite Nanofibers. Sensors and Actuators B: Chemical , 214, 111- 116.
Krisnandika, V. E. (2017). Produksi Nanofiber dan Aplikasinya dalam Pengolahan Air . Bandung: Bandung Institute of Technology.
Manurung, P., Situmeang, R., Sinuhaji, P., & Sembiring, S. (2020). Effect of Sulfur Doped Nanotitania for Degradation of Remazol Yellow and Phenol. Asian Journal of Chemistry , 32(12), 3019-3023.
Nateq, M. H., & Riccardo, C. (2019). Sol-Gel Synthesis of TiO2 Nanocrystalline Particles with Enhanced Surface Area Through The Reverse Micelle Approach. Advances in Materials Science and Engineering , 2019, 1-14.
Parida,  K.  M.,  &  Naik,  B.  (2009).  Synthesis  of  Mesoporous  TiO2  Spheres  by  Template  Free  Homogeneous Coprecipitation Method and Their Photocatalytic Activity under Visible Light Illumination. Journal of Colloid and Interface Science , 333, 269 – 276.
Someswararao, M. V., Dubey, R. S., & Subbarao, P. S. V. (2021). Electrospun Composite Nanofibers Prepared by Varying Concentrations of TiO 2 /ZnO Solutions for Photocatalytic Applications. Journal of Photochemistry and Photobiology , 6, 1-7.
Ar dkk, 2021/ J. Energy Mater. Instrum. Technol. Vol. 2 No. 1, 2021
Tang, Z. S., Bolong, N., Saad, I., Ramli, R., & Lim, F. T. Y. (2016). Effect of Polyvinylpyrrolidone and Fabrication Parameters on Electrospun Titanium Oxide Nanofibers Diameter. Jurnal Teknologi , 78(12), 19-24.
Yang, G., Zifeng, Y., & Tiancun, X. (2012). Low-Temperature Solvothermal Synthesis of Visible-Light-Responsive S- Doped TiO 2 Nanocrystal. Journal of Applied Surface Science , 258(8), 4016-4022.