## PENGEMBANGAN TEKNOLOGI PLASMA DINGIN UNTUK MODIFIKASI KARAKTERISTIK PERMUKAAN MATERIAL TANPA MENGUBAH SIFAT DASAR MATERIAL

## Tota Pirdo Kasih dan Januar Nasution
Jurusan Teknik Industri, Universitas Bina Nusantara, Jl. KH Syahdan No. 9, Palmerah, Jakarta Barat, Indonesia
Email: tkasih@binus.edu dan januar_nasution3000@yahoo.com

## ABSTRAK
Plasma  dingin  ( Cold/Non  thermal  Plasma )  telah  menjadi  salah  satu  teknologi  baru  yang sangat berkembang saat ini. Hal ini terjadi karena plasma dingin menggunakan prinsip gas reaktif yang memiliki kemampuan untuk memodifikasi sifat permukaan dari material atau produk  tanpa  mengubah  karakteristik  asli  ( bulk  properties )  dari  material  atau  produk tersebut.  Tujuan dari penelitian ini adalah mengembangkan sebuah sistem  plasma dingin yang  beroperasi  pada  tekanan  atmosferik  dan  menginvestigasi  pengaruh  dari  perlakuan plasma  dingin  terhadap  perubahan  karakteristik  permukaan  dari  material  polimer polypropylene (PE) pada  berbagai  kondisi  perubahan waktu.  Plasma sistem  yang berhasil kami kembangkan dengan gas Argon bersifat glow discharge dengan suhu mencapai 33 0 C dapat  beroperasi  pada  tekanan  atmosferik.  Hasil  dari  percobaan  dari  perlakuan  plasma discharge  pada  material  PE  menunjukkan  bahwa  terjadi  perubahan  sifat  permukaan material  dari  hidrofobik  (tidak  suka  air)  menjadi  hidrofilik  (suka  air)  dan  level hidrofiliknya  menjadi  semakin  besar  dengan  semakin  lamanya  waktu  perlakuan  plasma. Konfirmasi akan hal ini ditunjukkan dengan sudut kontak ( contact angle ) dari tetesan air ( water bead ) pada permukaan PE yang semakin kecil.
Kata kunci : plasma dingin, modifikasi permukaan, polypropylene , hidrofilik, hidrofobik

## ABSTRACT
Cold  plasma  (cold  /  non  thermal  plasma)  has  become  one  of  the  most  evolving  new technologies today. this is because cold plasma uses a reactive gas principle that has the ability to modify the surface properties of a material or product without altering the bulk properties  of  the  material  or  product.  the  purpose  of  this  study  was  to  develop  a  cold plasma  system  that  operates  at  atmospheric  pressure  and  investigates  the  effect  of  cold plasma  treatment  on  surface  surface  changes  of  polypropylene  (pe)  polymer  materials under  various  time-change  conditions.  the  system  plasma  that  we  successfully  developed with  argon  gas  is  glow  discharge  with  temperature  reaching  330c  can  operate  at atmospheric  pressure.  the  result  of  experiment  from  plasma  discharge  treatment  on  pe material  showed  that  there  was  a  change  of  material  surface  properties  of  hydrophobic (dislike  water)  to  hydrophilic  (like  water)  and  hydrophilic  level  became  larger  with  the longer treatment time of plasma. confirmation of this is indicated by the contact angle of the water bead on the smaller pe surface.
Keywords: cold plasma, surface modification, polypropylene, hydrophilic, hydrophobic

## PENDAHULUAN
Plasma dapat disebut sebagai elemen fasa keempat di alam setelah fasa padatan, cairan dan fasa  gas.  Berbeda  dengan  fasa  gas  yang  bersifat  normal,  plasma  berisi  gas  dimana komponen nukleus atom (ion) dan elektron telah terpisah karena energi yang diterima dan memiliki  sifat  reaktif.  Plasma  dapat  terbentuk  secara  alamiah  seperti  yang  terjadi  pada matahari  atau  pada  elemen  bintang-bintang  di  angkasa.  Plasma  juga  dapat  terbentuk dengan  cara  memberikan  energi  tinggi  kedalam  medium  gas  yang  membuat  gas  tersebut mengalami  proses  disosiasi  dan  proses  ionisasi.  Tergantung  dari  jumlah  energi  yang ditransfer,  kedua  proses  tersebut  akan  mengakibatkan  transformasi  gas  netral  menjadi partikel-partikel atau ion-ion  yang bermuatan negatif dan positif yang sangat reaktif, baik secara  sebagian  ataupun  bertransformasi  secara  menyeluruh.  Berdasarkan  temperaturnya, plasma  dapat  dikategorikan  menjadi  plasma  bertemperatur  tinggi  (thermal/equilibrium plasma) dan plasma bertemperatur rendah (cold plasma/non-equilibrium).
Hingga  kini,  teknologi  plasma  yang  dipakai  dalam  dunia  industri,  terutama microelectronics ,  adalah  dengan  memanfaatkan  proses  plasma  dingin  yang  dilakukan dengan menghantarkan energi listrik diantara dua elektroda pada tekanan 10 sampai 1000 Pascal  (Pa),  jauh  lebih  rendah  dari  tekanan  atmosferik  yang  101325  Pa.  Plasma  inilah yang  disebut  dengan  plasma  pada  tekanan  rendah  ( low  pressure  plasma )  dan  yang menjadi riset fundamental bagi perkembangan teknologi plasma. Walaupun plasma dingin pada  tekanan  rendah  memiliki  sifat  proses  perlakuan  material  dengan repeatability yang baik,  namun  juga  keterbatasan  sifat  proses  yang  tidak  dapat  kontinyu  dan  sistem  vakum yang  mahal.  Oleh  karena  itu  untuk  menanggulangi  permasalahan  tersebut,  fokus  riset ditujukan  pada  pengembangan  teknik  plasma  dingin  (temperatur  rendah)  yang  dapat dibangkitkan  pada  tekanan  atmosferik  sehingga  mampu  menyediakan  sistem  yang  lebih efektif.
Beberapa grup riset di dunia telah berhasil mengembangkan plasma dingin pada tekanan atmosferik  dengan  beberapa  teknik,  seperti dielectric barrier  discharge (DBD)  [1,2], microwave discharge [4] dan radio frequency glow discharge [5,6]. Namun sangat jarang untuk dapat menemukan referensi pengembangan plasma dingin di Indonesia. Oleh sebab itu  maka  penelitian  tentang  pengembangan  dan  pemanfaatan  plasma  pada  tekanan atmosferik  ini  menjadi  sangat  penting  untuk  dimulai  agar  Indonesia  juga  memiliki fundamental pengetahuan akan teknologi plasma dingin tersebut.
Penelitian  ini  adalah  pengembangan  plasma  dingin  pada  tekanan  atmosferik  dengan menggunakan high  voltage  power  supply (HVPS)  dan  juga membahas  aplikasi  sistem plasma tersebut untuk memodifikasi permukaan dari material film PE. Pengembangan tipe HVPS  ini  memberi  keuntungan  dimana  proses  ionisasi  berlangsung  sebagian  ( non- equilibrium ),  sehingga  plasma  yang  ditimbulkan bertemperatur  relatif  rendah.  Disinilah letak keunikan karakteristik dari plasma dingin yang ingin dikembangkan dalam penelitian ini.
Modifikasi  karakteristik permukaan material dengan teknik plasma meliputi adanya interaksi kuat antara reaktif species, elektron dan ion-ion yang terbentuk di dalam plasma dengan  permukaan  material  tersebut.  Ada  dua  hal  atau  proses  yang  akan  terjadi  karena adanya  interaksi  material  dengan  plasma,  yaitu:  proses  aktivasi  plasma,  dimana  biasanya
plasma  yang  ditimbulkan  tanpa  melibatkan  gas  kerja  yang  dapat  membentuk  polimer seperti  gas  argon,  oksigen,  nitrogen  dan  lain-lain.  Hal  kedua  adalah  proses  polimerisasi plasma,  dimana  perlakuan  plasma  menggunakan  gas  kerja  yang  dapat  mengakibatkan terjadinya  proses  polimerisasi,  seperti  gas Sulfur  Hexafluoride (SF6)  ataupun  gas tetrafluoromethane (CF4).  Hasil  dari  polimerisasi plasma  biasanya  berupa  terbentuknya lapisan  film  tipis  ( thin  solid  film )  pada  permukaan  material.  Kedua  tipikal  proses  plasma yang  disebut  diatas  adalah  proses  yang  melibatkan  plasma  dengan  tujuan  tertentu  untuk untuk  mengubah  sifat  permukaan  material  tanpa  mengubah  karakteristik bulk nya, termasuk sifat mekanik dari material tersebut.
Pada  makalah  ini  pengembangan home-made generator  plasma  dingin  dan  desain sistem  plasma  berbasis  pada  tekanan  atmosferik  akan  dipaparkan.  Beberapa  karakteristik plasma  yang  ditimbulkan  akan  diteliti  dan  yang  terakhir  adalah  pemanfaatan  plasma tersebut dalam memodifikasi permukaan material polimer juga akan dibahas.

## METEDOLOGI PENELITIAN
Pada  penelitian  ini  pengembangan  sistem  plasma  dingin  ini  menggunakan  sumber  daya listrik high voltage berbasis ignition  coil kendaraan  roda  empat dengan  blok  diagram seperti pada Gambar 1 dibawah:
AC input, Bridge Voltage 220V Rectifier Regulator HV Coil Circuit Output ignition timer, 555
Gambar 1. Diagram blok dari high voltage power supply (HVPS)
Gambar  2  menunjukkan  skematik  diagram  dari  plasma  sistem  yang  mampu  beroperasi pada  tekanan  atmosferik.  High  Voltage  Power  Supply  (HVPS)  dikoneksikan  pada  metal elektroda di bagian dalam yang dikelilingi dengan tabung kaca. Sedangkan elektroda pada bagian bawah berupa aluminium belt terhubung pada ground . Gas Argon dialirkan melalui tabung  kaca  dengan  kecepatan  3  liter  per  menit.  Untuk  keperluan  eksplorasi  dari  sistem plasma  ini  dalam  memodifikasi  permukaan,  material  akan  diberi  perlakuan  plasma  dan diletakkan pada sample holder dengan jarak dari plasma discharge sejauh 2 mm. Sample material  yang  dipakai  dalam  eksplorasi pemanfaatan  sistem  plasma  dingin  ini  dalam proses  pengubahan  sifat  permukaan  adalah  material  polimer  polyprophylene  (PE) sheet dengan ketebalan 3 mm.

## Gambar 2. Skematik diagram sistem plasma pada tekanan atmosferik untuk modifikasi permukaan material
Untuk  keperluan  konfirmasi  perubahan  sifat  permukaan  menjadi  hirofilik,  analisa  sudut kontak  ( contact  angle )  akan  digunakan  pada  penelitian  ini.  Setetes water  bead akan dijatuhkan  pada  permukaan  material  sebelum  dan  sesudah  mendapat  perlakuan  plasma. Sudut  kontak  akan  diukur  dari  gambar water bead yang  diambil  dengan  menggunakan digital kamera dari sudut spesifik yang terbentuk.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Sebuah  sistem  plasma  dalam  bentuk torch yang  beroperasi  pada  tekanan  atmosferik berhasil dikembangkan dengan sumber energi listriknya berupa high voltage power supply berbasiskan ignition coil kendaraan roda empat. Dari referensi didapatkan bahwa voltase yang  dapat  dihasilkan  oleh  power  supply  tipe  ini  pada  saat  menghasilkan  plasma discharge  adalah sebesar 18-20kV [6]. Gambar plasma  yang dihasilkan dalam penelitian ini  dapat  dilihat  pada  gambar  3  dengan  jarak torch yang  dapat  mencapai  7  mm.  Plasma yang dihasilkan terlihat seperti seragam ( glow discharge ) dan tidak berbentuk filamentary . Tipe  dari  plasma glow  discharge sangat cocok  untuk  aplikasi  dalam  memodifikasi permukaan material daripada tipe filamentary dengan sifat ketidak seragaman energi yang dihasilkan.  Temperatur  dari  plasma  yang  dihasilkan  mencapai  33 0 C  yang  diukur  hingga waktu  60  detik.  Hal  ini  menunjukkan  bahwa  karakteristik  dari  plasma  yang  dihasilkan adalah  tipe non  thermal  atmospheric pressure  plasma atau  plasma  dingin.  Plasma  ini sangat penting bagi perlakuan material dengan tujuan modifikasi karakteristik permukaan tanpa merusak struktur morfologi atau sifat matriks material, terutama perlakuan terhadap material yang sensitif terhadap panas seperti material polimer.
Plasma: 7 mm
Gambar 3. Gambar dari plasma yang dihasilkan. Plasma memiliki panjang hingga 5 mm dan suhu 33 o C
Pemanfaatan  atau  aplikasi  dari  hasil  plasma  sistem  diatas  dieksplorasikan  untuk memodifikasi karakteristik permukaan dari polyethylene (PE). Material ini dipilih karena memiliki properti yang sangat baik seperti: low cost , low density , high flexibility dan sifat tahan  terhadap  cairan  kimia. Namun  terkadang  penggunaannya  menjadi  terbatas  karena PE juga memiliki sifat permukaan energi yang rendah sehingga bersifat hidrofobik (tidak suka akan air) dan tingkat adhesi yang rendah. Perlakuan dengan teknik plasma terhadap material  PE  ditujukan  untuk  meningkatkan wettability dan  sifat  adhesi  dari  permukaan material  dan  juga  sebagai  pengganti  perlakuan  tradisional  dengan  menggunakan  larutan kimia  yang  sangat  tidak  ramah  lingkungan.  Perubahan  karakteristik  permukaan  material pada  penelitian  ini  dilakukan  dengan  perlakuan  plasma  pada  tekanan  rendah  selama rentang  waktu  10  hingga  60  detik.  Setelah  perlakuan  plasma,  setetes  air  dari  pipet dijatuhkan diatas  permukaan material,  lalu tetesan air tersebut  diobsevasi  untuk  dihitung sudut  kontaknya,  dan  kemudian  dibandingkan  dengan  sifat  tetesan  air  diatas  material original.
(a)
(b)
Gambar 4. Tetesan water bead diatas permukaan PE (a) sebelum dan (b) sesudah 20 detik perlakuan plasma
Gambar  4  menunjukkan  sebuah  penomena  dari  setetes water  bead diatas  permukaan  PE sebelum  (a)  dan  sesudah  (b)  perlakuan  Argon  plasma  pada  tekanan  atmosferik.  Terlihat perbedaan  sudut  kontak  ( contact  angle )  yang  ditunjukkan  oleh water  bead dari  90 0 pada orijinal  PE  menjadi  61.5 0 setelah  diberikan  perlakuan  plasma  selama  20  detik,  sekaligus sebagai konfirmasi peningkatan properti wettability dari permukaan PE.
Gambar 5 menunjukkan grafik perubahan sudut kontak dari PE terhadap perubahan waktu perlakuan argon plasma pada tekanan atmosferik.
Gambar 5. Grafik perubahan sudut kontak water bead pada permukaan PE terhadap waktu perlakuan plasma
Dari gambar tersebut dapat terlihat bahwa dengan perlakuan plasma selama 60 detik dapat menjadikan  perubahan  karakteristik  permukaan  PE  dari  hidrofobik  menjadi  hidrofilik (suka  akan  air)  dengan  adanya  penurunan  sudut  kontak  dari  dari  90 0 pada  PE  menjadi 38.5 0 .  Dari  grafik  diatas  pula  terlihat  bahwa  20  detik  pertama  dari  perlakuan  plasma membawa efek penurunan sudut kontak yang cukup siknifikan, diikuti dengan penurunan sudut  kontak  yang  relatif  stabil  dengan  penambahan  waktu  yang  konstan  dari  perlakuan plasma.
Perubahan sifat  yang terjadi  pada permukaan PE dari hidrofobik  menjadi  hidrofilik  dapat dijelaskan  sebagai  berikut:  plasma  discharge  yang  mengandung  ion-ion  positif,  elektron, radikal  bebas  dan  elemen  reaktif  lainnya  membombardir  permukaan  PE  dengan  masing- masing  energi  yang  dimiliki  oleh  elemen  plasma  tersebut.  Reaksi  yang  terjadi  antara plasma  dan  material  menyebabkan  permukaan  PE  yang  terkena  radiasi  plasma  menjadi reaktif. Interaksi permukaan yang reaktif dengan udara luar/atmosfer menyebabkan reaksi inklusi grup yang mengandung oksigen pada permukaan sehingga tercipta grup fungsional yang bersifat polar seperti: C=O, OH, O-C=O, COOH, peroxide dan lain lain [7,8]. Grup- grup  fungsional  yang  bersifat  polar  inilah  yang  menyebabkan  ikatan  dengan  tetesan  air lebih  kuat,  sehingga  bentuk  tetesan  air  tersebut  menjadi  lebih  lebar  berada  diatas permukaan material tersebut.  Penomena inilah  yang disebut dengan transformasi menjadi hidrofilik.

## KESIMPULAN
Sebuah  sistem  plasma  dingin  berbasiskan ignition coil kendaraan  roda  empat  sebagai sumber high voltage power supply berhasil dikembangkan pada penelitian ini. Plasma yang dihasilkan  dengan  sumber  aliran  3  L/menit  gas  argon  dapat  memiliki  panjang  hingga  5 mm, bersifat glow discharge dan bersuhu seperti suhu pada ambien temperatur, yaitu 33 0 C. Eksplorasi  pemanfaatan  sistem  plasma  dingin  pada  material  PE  menghasilkan  perubahan karakteristik  permukaan  dari  yang  bersifat  hidrofobik  menjadi  bersifat  hidrofilik  hanya dengan  perlakuan  plasma  selama  60  detik.  Dari  penelitian  ini,  plasma  dingin  sangat potensial untuk digunakan pada industri yang berhubungan dengan perubahan karakteristik permukaan  material  untuk  peningkatan wettability ,  khususnya  material  polimer  seperti pada bidang printing , packaging , biomedikasi dan lain sebagainya.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Wang  CQ,  Zhang  GX,  2012,"  Effect  of  Measurement  Elements  on  Discharge Characteristics of Dielectric Barrier Discharge, Physics Procedia, Vol . 32, pp. 664-668.
[2] Kostov KG., dos Santos ALR., Honda RY., Nascente PAP., Kayama ME., Algatti MA., Mota RP., 2013, Treatment  of PET and PU polymers by atmospheric pressure plasma generated in dielectric barrier discharge in air”, Surface and Coatings Technology , Vol. 204, pp. 3064-3068.
[3] Landreau X., Tixier CD., Le Niniven CJC., Lory N., Tristant P., (2011), “Effects of the substrate  temp  erature  on  the  deposition  of  thin  SiO x films  by  atmospheric  pressure microwave plasma torch (TIA)”, Surface and Coatings Technology , Vol. 205, pp. S335- S341.
[4] Shi J., Cai Y., Zhang J., Yang Y., (2009), “Characteristics of pulse-modulated radio- frequency atmospheric pressure glow discharge”, Thin Solid Films , Vol. 518, pp. 962- 966.
[5]Bora  B,  Bhuyan  H.,  Favre  M.,  Wyndham  E.,  Chuaqui  H.,  (2012),  “Diagnostic  of capacitively  coupled  rad  io  frequency  plasma  by  homogeneous  discharge  model”, Physics Letters A , Vol. 376, pp. 1356-1359.
[6] Nayan, N.; Zahariman, M.R. ; Ahmad, M.F.B. ; Ali, R.A.M. ; Sahdan, M.Z. ; Hashim, U.,  2012,  “Development  and  application  of  in-house  high  volta  ge  power  supply  for atmospheric  pressure  plasma  treatment  system”, Proceedings  in  Semiconductor Electronics (ICSE), 2012 10th IEEE Int’l Conference , pp. 631-634.
[7] TP.  Kasih,  S.  Kuroda,  2015,  “Surface  Graft  Polymerization  of  Methyl  Methacrylate onto Plasma Activated Natural Kenaf Fiber”, Australian Journal of Basic and Applied Sciences , Vol. 9., pp. 269-272.
[8] K.  Wang,  J.Li,  S.  Wang,  2012,  “The  surface  modification  of  polyethylene  (PE)  film using  an  air  coplanar  barrier  discharge  at  atmospheric  pressure”  , Proceeding  2nd International  Conference  on  Electronic  and  Mechanical  Engineering  and  Information Technology.