Jurnal Nanosains & Nanoteknologi ISSN 1979-0880 Vol. 2 No.2, Juli 2009

74

Simulasi Fabrikasi Serat Nano (Nanofiber) dengan Metoda Pemintalan Elektrik (Electrospinning): Pengaruh Jarak Nozzle-Kolektor

Sahrul Saehana, 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 : 19 Maret 2009 Diputuskan Publikasi : 27 April 2009

Abstrak

Simulasi fabrikasi serat nano (nanofiber) dengan metoda pemintalan elektrik (electrospinning) telah dibuat dengan menyelesaikan tiga persamaan dinamika jet menggunakan teknik beda hingga (finite difference). Telah diselidiki pengaruh parameter jarak nozzle-kolektor terhadap ketidakstabilan pembengkokan jet dan jejari serat hasil. Didapatkan bahwa jarak nozzle-kolektor tersebut berpengaruh terhadap ketidakstabilan pembengkokan jet. Pada jarak yang cukup pendek, sekitar 7 cm, ketidakstabilan pembengkokan berkurang di lain pihak ketidakstabilan pembengkokan cukup dominan terjadi pada jarak 20 cm. Didapatkan juga bahwa jarak nozzle-kolektor berpengaruh terhadap jejari rata-rata serat hasil. Jejari tersebut berbanding terbalik dengan jarak nozzle-kolektor.

Kata Kunci: beda hingga (finite difference), jarak nozzle-kolektor, ketidakstabilan pembengkokan jet, pemintalan elektrik (electrospinning), serat (fiber), simulasi

1. Pendahuluan

Pemintalan elektrik (electrospinning) adalah sebuah metoda untuk membuat serat (fiber) dengan diameter dari 10 µm-10 nm [1]. Serat nano (nanofiber) hasil pemintalan elektrik memiliki karakteristik yang menarik dan unik, seperti: luas permukaan yang lebih besar dari volume, memiliki sifat kimiawi, konduktivitas, dan sifat optik tertentu [2]. Teknik pemintalan elektrik adalah proses yang relatif cepat, sederhana dan murah dalam menghasilkan nanofiber [1]. Keunggulan lain dari teknik ini adalah dapat menghasilkan nanofiber yang cukup panjang (kontinu) [3,4].

Pemodelan dan simulasi pemintalan elektrik sangat membantu proses eksperimen di laboratorium. Beberapa kontribusi penting terhadap proses eksperimen tersebut, di antaranya adalah: menentukan pengaruh parameter terhadap proses pemintalan elektrik, membantu mengatasi masalah ketidakstabilan pembengkokan jet, dan mencari parameter optimum untuk fabrikasi dengan proses pemintalan elektrik.

Saat ini terdapat dua model matematis proses pemintalan elektrik yang telah dikembangkan oleh para ilmuwan, yaitu: model Reneker, dkk. [5] dan model Kowalewsky, dkk. [2]. Kedua model ini dikembangkan dengan pendekatan yang berbeda. Dibandingkan model Reneker, dkk., model Kowalewsky, dkk. mendeskripsikan gaya-gaya yang bekerja pada jet dengan lebih baik melalui pendekatan fungsi cut off pada interaksi Coulomb dan penggunaan perumusan tegangan permukaan dalam bentuk tiga dimensi. Berdasarkan model tersebut, Kowalewsky, dkk. telah menyelidiki pengaruh parameter tegangan permukaan, viskositas, tegangan listrik dan modulus elastik terhadap ketidakstabilan pembengkokan

jet. Akan tetapi, Kowalewsky, dkk. belum menyelidiki pengaruh dua parameter lain, yaitu: jarak nozzle-kolektor terhadap ketidakstabilan pembengkokan jet dan jejari serat hasil. Adanya informasi dan data tentang pengaruh parameter ini akan sangat membantu penyusunan setup eksperimen.

Dalam paper ini, proses fabrikasi serat nano dengan metoda pemintalan elektrik disimulasikan serta pengaruh perubahan jarak nozzle-kolektor terhadap ketidakstabilan pembengkokan jet dan jejari serat yang dihasilkan dibahas. 2. Metode Teoretis

Pemintalan elektrik merupakan sebuah teknik pembuatan serat nano dengan prekursor berupa larutan polimer yang dilewatkan melalui sebuah nozzle dengan ujung kecil dan ditarik dengan medan listrik seperti ditunjukkan dalam Gbr. 1. Larutan yang keluar dari ujung nozzle dan ditarik medan listrik tersebut berbentuk droplet/jet karena pengaruh tegangan permukaan. Jet tersebut bergerak menuju kolektor dan pada bagian ini serat nano terkumpul. 2.1 Model fisis pemintalan elektrik

Pemodelan proses pemintalan elektrik dimulai ketika larutan polimer keluar dari ujung nozzle (jet). Jet tersebut direpresentasikan sebagai rangkaian node diskret yang disusun secara seri, seperti yang diperlihatkan dalam Gbr. 2. Setiap node memiliki muatan listrik Q dan massa M. Posisi dari setiap node dipengaruhi oleh resultan gaya yang bekerja pada node tersebut.

J. Nano Saintek. Vol. 2 No. 2, Jul. 2009

75

Gambar 1. Skema proses pemintalan elektrik.

Gambar 2. Diskretisasi jet menurut Kowalewsky, dkk.

2.2 Persamaan Diferensial

Persamaan gerak jet dapat diperoleh dengan menganalisis resultan gaya dan kekekalan momentum. Dalam model ini digunakan asumsi sebagai berikut [2]. a) Medan listrik DC dianggap axial dan uniform. b) Serat adalah insulator sempurna dengan kerapatan

muatan listrik konstan dan terdistribusi di permukaan. c) Material serat nano yang dihasilkan bersifat

viscoelastic dan memiliki modulus elastik, tegangan permukaan dan viskositas konstan.

d) Tidak terjadi evaporasi selama proses. Dinamika jet diperoleh dari tiga persamaan yaitu

peregangan viscoelastic, kekekalan massa dan momentum pada segmen jet bermuatan listrik [2]: a) Kekekalan viscoelastic

dσ(s)dt

= G 1λ(s)

∂λ(s)∂t

− Gμ

σ(s) (1)

dengan σ adalah tegangan, G modulus elastik, µ viskositas, λ peregangan, dan s parameter Lagrangian.

b) Kekekalan massa

DDt

[λ(s) π a2(s)] = 0 (2)

dengan a jejari serat. Kekekalan momentum

ρλ(s)πa2(s)DvDt

(s) = k λ(s)πa2 q2

× �λ(s∗)s

0

πa2 (s∗) × C ×�a�(s, s∗)

|r(s) − r(s∗)|�

× r(s) − r(s∗)

|r(s) − r(s∗)|3 ds∗ + λ(s) πa2(s)q∇Φ +

+ ∂∂s

[πa2(s)σ(s)u(s)] + ∂∂s

[πa(s)α u(s)] (3)

Gambar 3. (a) Diskretisasi jet, (b) Gaya yang bekerja pada node i. dengan ρ adalah massa jenis fluida, r koordinat posisi, v vektor kecepatan, q muatan per satuan volum, k konstanta Coulomb, C fungsi cut off, r jejari rata-rata, Φ potensial listrik, u vektor satuan sepanjang segment serat dan α tegangan permukaan. Terdapat empat suku gaya di sebelah kanan tanda sama dengan dalam persamaan (3). Suku pertama hingga keempat berasal dari gaya Coulomb,

Tegangan antaranode i dan i+1

Elemen pegasmenggambarkanelastisitas

Elemen dashpotmenggambarkanviskositas

i

i-1

σi,i+1

σi,i-1

i+1

Tegangan antaranode i dan i-1

J. Nano Saintek. Vol. 2 No. 2, Jul. 2009

76

gaya o leh m edan l istrik, gaya v iscoelastic, d an g aya tegangan permukaan, secara berurut. 2.3 Diskretisasi

Diskretisasi di lakukan dengan m embagi je t menjadi sejumlah node d iskret untuk m empermudah dalam p embuatan s imulasi. D iskretisasi j et d an i lustrasi dari gaya y ang be kerja pa da s ebuah node di perlihatkan pada Gbr. 3. Penyelesaian persamaan dinamika jet dengan teknik beda hingga

Untuk mendapatkan pe rsamaan percepatan j et maka s uku-suku gaya pa da p ersamaan (3) di tuliskan dalam bentuk be da hi ngga. Gaya Coulomb pa da no de i oleh node j, dengan j ≠ i, diberikan oleh:

FC i = k Qi2 �C�

a�i,j

�ri − rj��

ri − rj

�ri − rj�3

j≠i

(4)

Node yang t elah m encapai di k olektor dianggap netral sehingga t idak t erlibat dalam i nteraksi C oulomb. F ungsi cut of f C dalam p ersamaan ( 4) di gunakan unt uk membatasi besar jarak interaksi minimum antara dua buah node. Hal i ni d isebabkan karena jarak i nteraksi y ang sangat kecil (∆L → 0) dapat menyebabkan gaya Coulomb yang sangat besar (FC → ∞). Fungsi cut off ini diberikan oleh persamaan

𝐶𝐶 ��̂�𝑑� = 2𝜋𝜋

�̂�𝑑

𝜋𝜋 �1 + 14 �̂�𝑑2

𝐸𝐸

⎝

⎛ 1

�1 + 14 �̂�𝑑2

⎠

⎞

(5) dengan �̂�𝑑 = 𝐿𝐿/𝑎𝑎, da n E integral e liptik k omplit b entuk kedua.

Jejari rata-rata 𝑎𝑎�𝑖𝑖𝑖𝑖 dalam Persamaan (4) diberikan oleh

𝑎𝑎�𝑖𝑖 ,𝑖𝑖 = �12�𝑎𝑎𝑖𝑖 ,𝑖𝑖+1 + 𝑎𝑎𝑖𝑖−1,𝑖𝑖 � 𝑖𝑖𝑖𝑖𝑗𝑗𝑎𝑎 𝑖𝑖 < 𝑖𝑖

12�𝑎𝑎𝑖𝑖 ,𝑖𝑖+1 + 𝑎𝑎𝑖𝑖−1,𝑖𝑖� 𝑖𝑖𝑖𝑖𝑗𝑗𝑎𝑎 𝑖𝑖 > 𝑖𝑖

�

(6) dengan subskrip tunggal i dan j menyatakan node,

sedangkan subskrip berpasangan i, i + 1 menyatakan node yang berurutan. Ilustrasi dari persamaan (6) diperlihatkan Gbr. 4.

Notasi 𝑎𝑎�𝑖𝑖 ,𝑖𝑖+1 pada G br. 4 menyatakan r ata-rata jejari node 𝑎𝑎𝑖𝑖 dan 𝑎𝑎𝑖𝑖+1 . D emikian halnya u ntuk 𝑎𝑎�𝑖𝑖−1,𝑖𝑖 , 𝑎𝑎�𝑖𝑖 ,𝑖𝑖+1 dan 𝑎𝑎�𝑖𝑖−1,𝑖𝑖 . A ngka satu s ampai dengan empat menyatakan u rutan node, di mana penomoran di berikan berdasarkan urutan node keluar dari ujung nozzle.

Gambar 4. Penentuan 𝑎𝑎�𝑖𝑖 ,𝑖𝑖 .

Gaya oleh medan listrik pada node i diberikan

oleh:

FE i = Qi Vd

(7) dengan V adalah t egangan listrik d an d jarak nozzle-kolektor. Gaya ini hanya berpengaruh terhadap kecepatan node pada sumbu z seperti ditunjukkan dalam Gbr. 3.(b).

Gaya v iscoelastic yang b ekerja p ada node i karena node j, de ngan j = i-1 da n i+1, s eperti diilustrasikan dalam Gbr. 5 diberikan oleh

𝐹𝐹𝑣𝑣𝑖𝑖 ,𝑖𝑖 = 𝜋𝜋 𝑎𝑎𝑖𝑖 ,𝑖𝑖2 𝜎𝜎𝑖𝑖 ,𝑖𝑖 𝑟𝑟𝑖𝑖− 𝑟𝑟𝑖𝑖�𝑟𝑟𝑖𝑖− 𝑟𝑟𝑖𝑖�

, (8)

dengan tegangan (σ) diberikan oleh

𝑑𝑑𝜎𝜎𝑖𝑖,𝑖𝑖𝑑𝑑𝑑𝑑

= 𝐺𝐺 �𝑟𝑟𝑖𝑖−𝑟𝑟𝑖𝑖 � (𝑣𝑣𝑖𝑖−𝑣𝑣𝑖𝑖)(𝑟𝑟𝑖𝑖−𝑟𝑟𝑖𝑖)2 − 𝐺𝐺

𝜇𝜇 𝜎𝜎𝑖𝑖 ,𝑖𝑖 (9)

Gambar 5. Gaya viscoelastic yang bekerja pada node i.

Gaya t egangan p ermukaan pada node i karena node j, dengan j = i-1 dan i +1, diberikan oleh

𝐹𝐹𝑆𝑆𝑆𝑆 𝑖𝑖 ,𝑖𝑖 = 𝜋𝜋 𝑎𝑎𝑖𝑖 ,𝑖𝑖 𝛼𝛼 𝑟𝑟𝑖𝑖−𝑟𝑟𝑖𝑖�𝑟𝑟𝑖𝑖−𝑟𝑟𝑖𝑖�

(10)

i+1

i

i-1 ai-1

ai

ai+1

FV i,i+1 FV i,i-1

ai,j

j

i-1

i

j+1

1

2

3

4

Untuk i > j

ai-1,i

aj,j+1

ai,j

i

j-1

j

j+1

1

2

3

4

Untuk i < j

aj-1,j

ai,j+1

J. Nano Saintek. Vol. 2 No. 2, Jul. 2009

77

Secara l engkap be ntuk beda hingga da ri p ersamaan ( 3) adalah sebagai berikut:

𝑎𝑎𝑐𝑐 𝑖𝑖 ,𝑛𝑛 =dtMi

(k Q2 �C x�a�i,j

�ri − rj��

j≠i

ri − rj

�ri − rj�3

– Qi Vd

ri+1 − ri|ri+1 − ri|

+ π ai,i+12 x

σi,i+1 − π ai−1,i2 σi−1,i x

ri − ri−1

|ri − ri−1| + π ai,i+1 α x

ri+1 − ri|ri+1 − ri|

– πai,i−1αri − ri−1

|ri − ri−1|)

(11) Percepatan node ke-i dapat dituliskan

𝑎𝑎𝑐𝑐 𝑖𝑖 ,𝑛𝑛+1(𝑑𝑑) = 𝑎𝑎𝑐𝑐 𝑖𝑖 ,𝑛𝑛−1 + 𝑎𝑎𝑐𝑐 𝑖𝑖 ,𝑛𝑛 ∆𝑑𝑑

(12)

dengan ac i adalah percepatan node ke-i, n adalah indeks waktu dan ∆𝑑𝑑 selang waktu.

Pada Persamaan (4), (7) dan (11) terdapat variabel muatan dan massa node diberikan oleh 𝑄𝑄𝑖𝑖 = 𝑞𝑞 𝜋𝜋 𝑎𝑎0

2 𝐿𝐿 (13)

𝑀𝑀𝑖𝑖 = 𝜌𝜌 𝜋𝜋 𝑎𝑎02 𝐿𝐿 (14)

dengan 𝐿𝐿 adalah jarak dua node.

Simulasi ini dibuat dengan menggunakan Matlab 7.0 dengan pertimbangan memiliki kelengkapan tools dan user friendly.

Proses Simulasi

Gambar 6 m emperlihatkan proses aw al s imulasi. Node pertama keluar dari ujung nozzle dengan kecepatan:

𝑣𝑣0 = − 𝐷𝐷𝜋𝜋𝑎𝑎0

2 �̂�𝑧 (15)

dengan 𝐷𝐷 adalah d ebit aliran, 𝑟𝑟𝑑𝑑𝑖𝑖𝑡𝑡 posisi uju ng nozzle ditetapkan sebagai t itik 0 , 𝑟𝑟0 koordinat node pertama dan 𝐿𝐿0 panjang awal node. Node selanjutnya akan keluar dari ujung nozzle apabila �𝑟𝑟0 − 𝑟𝑟𝑑𝑑𝑖𝑖𝑡𝑡 � lebih dari 𝐿𝐿0.

Gangguan acak diberikan terhadap node pertama pada bidang (x,y):

𝑥𝑥0 = 𝑥𝑥𝑑𝑑𝑖𝑖𝑡𝑡 + 𝜀𝜀 sin𝜑𝜑 𝑦𝑦0 = 𝑦𝑦𝑑𝑑𝑖𝑖𝑡𝑡 + 𝜀𝜀 cos𝜑𝜑

(16)

dengan ϕ adalah f asa aca k dan ε amplitudo ga ngguan. Gangguan awal diberikan untuk memulai ketidakstabilan pembengkokan jet seperti diperlihatkan Gbr. 6.

Gambar 6. Proses simulasi: (a) Node pertama keluar dari ujung nozzle dengan s udut f asa ϕ, (b) Node pertama berada pada koordinat r0 serta panjang l0 dari ujung nozzle, dan (c) Node kedua keluar dari ujung nozzle dengan sudut fasa ϕ1, selanjutnya node ai dan ai+1 mulai berinteraksi.

Proses a wal simulasi diperlihatkan ol eh G br. 6.

Node pertama keluar dari ujung nozzle dengan sudut fasa ϕ dan kecepatan v0 (Gbr. 6.(a)). Node ini bergerak sampai pada p osisi r0, k etika �𝑟𝑟0 − 𝑟𝑟𝑑𝑑𝑖𝑖𝑡𝑡 � > 𝐿𝐿0 maka node berikutnya akan ke luar da ri ujung nozzle (Gbr. 6.(b)). Node kedua keluar dari ujung nozzle dengan sudut fasa ϕ1 dan kecepatan v0 (Gbr. 6.(c)). Selanjutnya, Gambar 6 .(c) memperlihatkan adanya interaksi antara node pertama dan kedua. Percepatan node ai diberikan oleh persamaan (12).

Dalam s imulasi i ni, d iasumsikan p ula b ahwa besarnya j ejari awal node (a0) sama dengan j ejari uj ung nozzle. Dengan menerapkan syarat batas bahwa kecepatan node pada u jung nozzle dan ke tika m encapai k olektor sama dengan nol, serta percepatan node berubah beraturan sesuai persamaan (12) maka posisi rangkaian node setiap saat dapat diketahui.

3. Hasil Simulasi dan Diskusi Simulasi num erik dengan t eknik be da hingga

untuk m enyelesaikan persamaan ( 4), (7)-(16) menggunakan parameter-parameter yang diberikan dalam Tabel 1.

Tabel 1. Parameter yang digunakan dalam simulasi Parameter Nilai

Tegangan permukaan (α) 7 x 10-2 N/m Tegangan (V) 5 x 103 V Viskositas (µ) 10 N/m2 . s Modulus elastik (G) 105 N/m2

Jejari ujung nozzle (a0) 1,5 10-4 m Rapat massa (ρ) 2 x 102 Kg/m3 Jarak nozzle-kolektor (d) 2 x 10-1 m Debit aliran (D) 10-8 m3/s Amplitudo gangguan (ε) 10-10 Panjang node awal (L0) 10-4 m

rtip

r l ϕ

Nozzle

Larutan

(a)

rtip

r0

l0 ϕ

(b) (c)

rtip

ϕ1

ai

ai+1 ri+1-ri

l0

J. Nano Saintek. Vol. 2 No. 2, Jul. 2009

78

Gambar 7. Simulasi gerak jet pada: (a) t=0,004040 s, (b) t=0,008220 s, (c) t=0,011340 s, dan (d) t=0,013660 s.

Lintasan jet yang be rgerak menuju kol ektor

ditunjukkan dalam Gbr. 7. Pada awalnya, ketidakstabilan pembengkokan lintasan jet yang terdiri dari 11 buah node masih kecil k etika t= 0,004040 s. S ejalan de ngan w aktu, jumlah node bertambah dan k etidakstabilan pembengkokan jet meningkat s eperti di tunjukkan Gbr. 7.(b) s.d. 7.(e). Tampak pada Gbr. 7.(e), jet telah berada di kolektor saat t=0,01366 s.

Hasil s imulasi p ada G br. 7 m enunjukkan ba hwa masalah ke tidakstabilan pembengkokan c ukup d ominan dialami oleh jet yang bergerak dalam medan listrik. Gaya interaksi C oulomb ( gaya t olak) a ntara node yang s atu dengan y ang l ain a dalah penyebab ha l t ersebut, seperti yang di jelaskan ol eh Reneker, dkk. [ 5] s ebagai ketidakstabilan E arnshaw. Fenomena i ni d iilustrasikan dalam Gbr. 8.

Gambar 8. Ketidakstabilan Earnshaw.

Tiga b uah m uatan y ang s ama ( Q) t erletak p ada

garis lurus A, B dan C seperti pada Gbr. 8. Muatan pada titik B mengalami g angguan sebesar δ dan berpindah ke titik B’ s ehingga ditolak o leh dua m uatan l ain k e a rah yang b erlawanan. Gaya resultan y ang dialami o leh muatan t ersebut s ebesar FR, dengan FR = 2FC cos θ dan FC = kQ2/L2. Rumusan n ilai FR tersebut m enjelaskan adanya hubungan kebalikan antara gaya Coulomb sebagai penyebab ketidakstabilan pe mbengkokan jet dan j arak antar node (L). Jarak antar node yang kecil akan menghasilkan ga ya tolak yang be sar. Demikian p ula sebaliknya, jarak a ntar node yang be sar a kan menghasilkan gaya tolak yang lemah. Adanya fungsi cut

off pada persamaan ( 4) s angat membantu d alam p roses komputasi n umerik, k hususnya ja rak antar node yang sangat kecil (∆L→0) [2].

Seperti d ijelaskan s ebelumnya b ahwa d alam proses pemintalan el ektrik t erjadi k ompetisi an tara gaya Coulomb, ga ya t egangan permukaan, ga ya viscoelastic dan gaya ol eh m edan l istrik. R eneker, d kk. [ 5] mengungkapkan ba hwa ga ya tegangan pe rmukaan da n gaya viscoelastic cenderung m elawan gaya C oulomb (gaya t olak). Hal i ni di perkuat oleh K owalewsky, dkk. [2] y ang m engemukakan bahwa t egangan permukaan, tegangan l istrik, viskositas da n m odulus e lastik berpengaruh terhadap ketidakstabilan pembengkokan jet.

Untuk menyelidiki bagaimana parameter s imulasi, seperti: t egangan permukaan, t egangan l istrik, viskositas dan modulus elastik, dan ja rak nozzle-kolektor berpengaruh t erhadap ketidakstabilan l intasan jet, m aka simulasi d ijalankan s ebanyak t iga kali dalam s elang waktu yang s ama, d engan n ilai p arameter yang berbeda. Pengaruh m asing-masing p arameter t ersebut diselidiki secara t erpisah agar d iperoleh i nformasi y ang ak urat. Sebagai c ontoh, untuk m engetahui bagaimana pe ngaruh parameter t egangan permukaan ( α), simulasi d ijalankan dalam s elang waktu 0,025 s s ebanyak t iga ka li dengan nilai α yang berbeda, y aitu 0, 07 N/m, 0, 035 N/m, da n 0,14 N/m, s edangkan ni lai parameter lain dipertahankan sesuai T abel 1. H al y ang s ama, juga d ilakukan pada parameter lain, secara berurut.

3.1 Pengaruh Tegangan permukaan

Tegangan pe rmukaan m emiliki pe ranan y ang penting dalam proses pemintalan elektrik. Di awal proses pemintalan e lektrik, gaya t egangan pe rmukaan bahkan telah be rinteraksi dengan gaya l istrik pa da u jung nozzle sehingga m enimbulkan bentuk ge ometris yang di kenal sebagai T aylor Cone [3]. K etika l arutan p olimer ( jet) bergerak m enuju kolektor, ga ya t egangan permukaan memperlihatkan pe ranan y ang l ebih signifikan l agi [ 2]. Hasil s imulasi selama 0,025 s pada Gbr. 9 menunjukkan bahwa p arameter i ni be rpengaruh t erhadap ketidakstabilan lintasan jet.

Gambar 9 . Hasil s imulasi de ngan t egangan pe rmukaan: (a) 0,07 N/m, (b) 0,035 N/m, (c) 0,14 N/m.

Gambar 9.(a) diperoleh dengan menggunakan nilai

tegangan permukaan 0,07 N/m, sedangkan Gbr. 9.(b) dan 9.(c) diperoleh dengan menggunakan nilai 0,035 N/m dan

A

C

B li

B’

FC

FC

FR

L

L

Jet axis

θ

J. Nano Saintek. Vol. 2 No. 2, Jul. 2009

79

0,14 N/m. P ada G br. 9 t erjadi k ompetisi a ntara g aya Coulomb dengan gaya tegangan pe rmukaan, ga ya viscoelastic, dan gaya oleh medan listrik. Pada saat gaya Coulomb l ebih d ominan ketidakstabilan p embengkokan jet meningkat seperti pada Gbr. 9.(b). Sedangkan apabila gaya-gaya lain, seperti gaya tegangan permukaan, mampu mengimbangi ga ya C oulomb maka ketidakstabilan pembengkokan jet berkurang, seperti pada Gbr. 9.(a) dan 9.(c). Dengan membandingkan Gbr. 9.(a), 9.(b) dan 9.(c) diketahui bahwa tegangan permukaan mempengaruhi ketidakstabilan pembengkokan jet. Kowalewsky, dkk. [2] juga melaporkan hasil yang sama dengan yang diperoleh pada Gbr. 9.

Ungkapan m atematis d alam persamaan ( 10) da n (11) l ebih m emperkuat kesimpulan ba hwa t egangan permukaan berpengaruh t erhadap ke tidakstabilan pembengkokan jet. P ersamaan ( 10) m emperlihatkan hubungan kesebandingan antara tegangan permukaan dan gaya tegangan pe rmukaan. S edangkan be sarnya percepatan node sebanding de ngan r esultan ga ya yang bekerja pada node ditunjukkan oleh persamaan (11). 3.2 Pengaruh Tegangan listrik

Tegangan listrik menyebabkan perpindahan massa dan m uatan polimer ( jet) menuju k olektor d alam pr oses pemintalan elektrik. Perubahan lintasan jet selama 0,025 s dengan tegangan listrik berbeda terlihat pada Gbr. 10. Gbr. 10.(a) di peroleh de ngan m enggunakan t egangan l istrik sebesar 5 kV, s edangkan besarnya t egangan l istrik pa da Gbr. 10.(b) dan 10.(c) adalah 2,5 kV dan 10 kV.

Gambar 10. Hasil simulasi dengan tegangan listrik: (a) 5 kV, (b) 2,5 kV, (c) 10 kV.

Dengan membandingkan G br. 10.(a), 1 0.(b) d an 10.(c) da pat disimpulkan ba hwa ke tidakstabilan pembengkokan jet akan m eningkat ji ka t egangan l istrik diturunkan. Sedangkan ketidakstabilan pembengkokan jet akan be rkurang a pabila t egangan l istrik ditingkatkan. Hasil ya ng s ama ju ga diungkapkan oleh K owalewsky, dkk. [2].

Pengaruh ga ya ol eh m edan l istrik t erhadap percepatan jet pada a rah s umbu z t elah dijelaskan pada Gbr. 3.(b) da n persamaan ( 7). T egangan lis trik ya ng tinggi menyebabkan jet akan l ebih l ebih ce pat mencapai kolektor s ebelum ke tidakstabilan pembengkokan jet berkembang. H al ini be rkaitan langsung de ngan waktu

yang d ibutuhkan jet untuk mencapai k olektor ( waktu deposisi).

3.3 Pengaruh Viskositas

Parameter fluida yang paling berpengaruh terhadap proses p emintalan elektrik adalah g aya viscoelastic [2]. Hubungan a ntara viskositas de ngan ga ya viscoelastic dijelaskan p ada persamaan ( 8) dan (9). D ari p ersamaan tersebut t erlihat j elas bahwa n ilai v iskositas y ang t inggi akan menurunkan b esar g aya viscoelastic yang s elalu melawan ketidakstabilan pembengkokan jet.

Gambar 11 memperlihatkan pe ngurangan ketidakstabilan pe mbengkokan be rbanding lurus de ngan pengurangan nila i viskositas. Bahkan p ada Gbr. 11.(c), dihasilkan l intasan jet yang lurus. Kowalewsky, dkk. [2] dan Reneker, dkk. [6] melaporkan hal yang sama dengan hasil ini.

Gambar 11 Hasil simulasi dengan viskositas: (a)10 N/m2 . s, (b) 5 N/m2 . s, (c) 1 N/m2 . s. 3.4 Pengaruh Modulus Elastik

Modulus elastik menyatakan pe rbandingan peregangan pa da seluruh s egmen jet dengan be sarnya tegangan yang dialami oleh jet tersebut. Oleh karena itu, parameter i ni m emiliki pe ngaruh y ang c ukup s ignifikan terhadap proses pemintalan elektrik.

Berdasarkan persamaan ( 8) da n (9), modulus elastik berbanding lurus de ngan ga ya viscoelastic. Pengaruh g aya viscoelastic terhadap k etidakstabilan pembengkokan jet terlihat pada Gbr. 12. Gambar 12 Hasil simulasi dengan modulus elastik: (a) 1 x 105 N/m, (b) 0,5 x 105 N/m, (c) 1,5 x105 N/m.

Dengan membandingkan G br. 12.(a), 1 2.(b), d an 12.(c) dapat di kemukakan kesimpulan ba hwa ni lai

J. Nano Saintek. Vol.2 No. 2, Jul. 2009

80

modulus elastik berbanding terbalik dengan ketidakstabilan pe mbengkokan jet. H al s erupa juga diungkapkan oleh Kowalewsky, dkk. [2].

Selain pengaruh parameter di atas, dalam paper ini juga diselidiki p engaruh p arameter l ain, y aitu: j arak nozzle-kolektor t erhadap ketidakstabilan p embengkokan jet dan r ata-rata jejari serat ha sil. P enyelidikan de ngan simulasi di lakukan pada jarak 7cm - 20cm karena dalam interval tersebut dapat memberikan hasil yang diharapkan [1,3]. 3.5 Pengaruh Jarak Nozzle-Kolektor Ketidakstabilan Pembengkokan Jet

Gambar 13 menunjukkan ke tidakstabilan pembengkokan jet pada t = 0,025 s dengan jarak nozzle-kolektor be rvariasi ( 7cm - 20cm). P ada ja rak y ang pendek ( 7cm - 10cm), ku at m edan lis trik c ukup besar untuk m engatasi ga ya C oulomb da n ketidakstabilan pembengkokan jet memiliki jarak dan waktu yang singkat untuk m eningkat. Hal i ni m enyebabkan l intasan jet cenderung l urus. S edangkan pada jarak y ang l ebih panjang ( 12,5cm - 20cm), k uat medan l istrik berkurang dengan pe ningkatan ja rak dan jet memiliki w aktu d an jarak yang cukup untuk mengalami pembengkokan.

Gambar 1 3 Hasil s imulasi da lam s elang w aktu 0,025 sekon dengan jarak nozzle-kolektor: (a) 7 cm, (b) 10 cm, (c) 12,5 cm, (d) 15 cm, (e) 17,5 cm, (f) 20 cm.

Dari persamaan (7) diketahui b ahwa j arak a ntara nozzle-kolektor berbanding t erbalik dengan ga ya l istrik. Oleh karena i tu, pa da t egangan l istrik yang s ama, ja rak antara nozzle-kolektor ya ng kecil m enghasilkan m edan listrik lebih besar. Hal ini menyebabkan jet telah sampai di k olektor s ebelum ketidakstabilan be rkembang/ meningkat. Ha l y ang s ama d ikemukakan oleh Thomson [1]. Jejari Serat

Simulasi perubahan j ejari s erat dalam proses pemintalan e lektrik s elama 0 ,025 s de ngan ja rak nozzle-

kolektor 2 0 c m da n 1 5 c m ditunjukkan G br. 14 dan 15 . Kecenderungan perubahan jejari serat ke arah yang lebih kecil tampak pada Gbr. 14. Walaupun perubahan tersebut tidak s epenuhnya l inier, a kan t etapi kecenderungan pengurangan nilai j ejari t ersebut c ukup j elas t erlihat. Variasi n ilai jejari ini d isebabkan oleh f luktuasi b esar resultan gaya pada setiap node.

Gambar 14 Perubahan jejari serat terhadap waktu selama 0,025 s dengan jarak nozzle-kolektor 20 cm.

Gambar 15 memperlihatkan perubahan jejari serat

selama 0, 025 s de ngan jarak nozzle-kolektor 7 c m. Fluktuasi jejari s erat t ampak lebih dominan m uncul dibandingkan Gbr. 14. Hal ini disebabkan karena adanya perbedaan besar gaya listrik.

Gambar 15 Perubahan jejari serat terhadap waktu selama 0,025 s dengan jarak nozzle-kolektor 7 cm. Perbandingan Jejari Serat dengan Jarak Nozzle-Kolektor Berbeda

Untuk mengetahui pengaruh ja rak nozzle-kolektor terhadap jejari serat, dilakukan simulasi sebanyak 40 kali dalam selang w aktu 0, 05 sekon u ntuk tiap ja rak yang berbeda. Hasil simulasi dapat dilihat pada Gbr. 16.

Data d istribusi jejari s erat pada G br. 16 menjelaskan bahwa peningkatan j ejari s erat s ebanding dengan pe nurunan ja rak nozzle-kolektor. Hal i ni d apat dilihat dari nilai rata-rata jejari serat untuk masing-masing jarak. Rata-rata jejari serat pada jarak 20 cm, 15 cm dan 17 cm adalah 16,76 µm, 17,30 µm, dan 18,83 µm, secara berurut.

Data y ang l ebih a kurat t entang hubungan ja rak nozzle-kolektor da n r ata-rata j ejari s erat melalui p roses pemintalan e lektrik diperoleh melalui s imulasi s ebanyak

0.005.00

10.0015.0020.0025.0030.00

1.56

1.60

1.64

1.71

1.79

1.85

1.94

2.01

2.10

2.21

2.30

2.40

2.48

Jeja

ri S

erat

(mik

ron)

Waktu (x 10-2 sekon)

05

1015202530

0.43

0.95

1.21

1.33 1.

41.

471.

54 1.6

1.66

1.73

1.81

2.08

2.14

2.22

2.29

2.36

2.44 2.

5Jeja

ri S

erat

(mik

ron)

Waktu (x 10-2 sekon)

J. Nano Saintek. Vol. 2 No. 2, Jul. 2009

81

14 kali untuk jarak berbeda, masing-masing dalam selang waktu 0,05 s. Hasil simulasi tersebut disajikan Gbr. 17.

Gambar 1 6 Distribusi jejari s erat dan h asil f itting LogNormal untuk jarak nozzle-kolektor: (a) 20 cm, (b) 15 cm dan (c) 7 cm.

Gambar 1 7 Hubungan a ntara r ata-rata j ejari serat h asil dengan jarak nozzle-kolektor

Hubungan y ang c ukup s ignifikan a ntara peningkatan jarak nozzle-kolektor dan penurunan rata-rata jejari s erat hasil d apat dilihat p ada G br. 17. Kuatnya korelasi a ntar d ua variabel di a tas t ampak pada kemiringan garis r egresi s ebesar 0 ,890 dan b esarnya

koefisien k orelasi 0 ,792, s ehingga pe nurunan jejari s erat hasil dapat dikatakan linier walaupun fluktuasi nilai jejari serat terjadi.

Data hasil s imulasi p ada G br. 16 da n 17 memberikan informasi ba hwa p roses pemintalan e lektrik dapat m enghasilkan r ata-rata j ejari s erat minimum p ada jarak nozzle-kolektor 20 c m. De ngan m embandingkan nilai jejari serat awal (a0) pada Tabel 1 dan rata-rata jejari serat hasil pada Gbr. 17 diketahui bahwa reduksi ukuran jejari s erat y ang dihasilkan pr oses pemintalan e lektrik sekitar 1 0-1m-10-2m. Unt uk memperoleh s erat be rukuran nanometer di butuhkan kombinasi pa rameter e ksperimen, yaitu p emilihan j arak nozzle-kolektor dan j ejari uj ung nozzle yang tepat.

Gambar 1 8 mengindikasikan adanya peningkatan ketidakstabilan jet sejalan w aktu. D ari h asil simulasi dengan je jari uj ung nozzle 1 x 10 -5 m da n ja rak nozzle-kolektor 20 cm, rata-rata serat nano sebesar 214 nm dapat dihasilkan.

Gambar 18 Hasil simulasi dengan ukuran ujung nozzle 1 ×10-5 m dan jarak nozzle-kolektor 20 cm: (a) lintasan jet, (b) hasil f iting L ogNormal j ejari serat n ano y ang dihasilkan oleh proses (a).

4. Kesimpulan Simulasi p roses p emintalan e lektrik t elah berhasil

dibuat. P engaruh j arak nozzle-kolektor t erhadap ketidakstabilan pe mbengkokan l intasan jet dan r ata-rata jejari s erat t elah d iselidiki. Diketahui bahwa p ada j arak 7cm-10cm, ketidakstabilan pembengkokan jet berkurang, sedangkan pa da jarak 1 2,5cm - 20cm, k etidakstabilan pembengkokan jet bertambah. Selama proses pemintalan elektrik, r ata-rata j ejari serat m engalami f luktuasi disebabkan adanya persaingan antara gaya Coulomb, gaya tegangan pe rmukaan, gaya viscoelastic dan ga ya oleh medan l istrik. Ra ta-rata jejari s erat m inimum d iperoleh pada j arak nozzle-kolektor 20 c m s edangkan r ata-rata jejari maksimum diperoleh pa da ja rak nozzle-kolektor 7 cm. R eduksi u kuran s erat melalui p roses p emintalan elektrik b erorde 1 0-1m-10-2m. P roses pemintalan el ektrik menggunakan je jari uj ung nozzle 1 × 10-5 m d an j arak nozzle-kolektor 20 cm dapat menghasilkan rata-rata jejari serat nano 214 nm.

y = -0.890x + 20.17R² = 0.792

15.00

16.00

17.00

18.00

19.00

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Rata

-rat

a Je

jari

Ser

at

(mik

ron)

Jarak Nozzle-Kolektor (cm)

J. Nano Saintek. Vol. 2 No. 2, Jul. 2009

82

Referensi [1] C. Thompson. Thesis Master, Akron Univ. (2007). [2] T. A . Kowalewsky, S . B lonski, S . Barral. Bul. Pol.

Tech. 53 385 (2005). [3] S. R amakrishna, F . Kazutoshi, W. T eo, T . Lim, Z .

Ma, An Introduction to Electrospinning and Nanofibers, New York: Wiley (2005).

[4] A. L. Andrady, Science and Technology of Polymer Nanofibers, New York: Wiley (2008).

[5] D. H . Reneker, A. L . Ya rin, H. Fong, S . Koombhongse. J. Appl. Phys. 87, 4531 (2000)

[6] D. H. R eneker, A . L . Yarin, E . Z ussman, H . X u. Advances in Applied Mechanics, Electrospinning of Nanofibers from Polymer Solutions and Melts, Amsterdam: Elsevier (2008).