Jurnal Nanosains & Nanoteknologi ISSN 1979-0880 Edisi Khusus, Agustus 2009 Simulasi Geometri Nanoserat Hasil Pemintalan Elektrik Sahrul Saehana (a), Mikrajuddin Abdullah, dan Khairurrijal (b) Kelompok Keahlian Fisika Material Elektronik Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, ITB Jalan Ganeca 10 Bandung 40132 (b) E-mail: krijal@fi.itb.ac.id Diterima Editor : 20 Mei 2009 Diputuskan Publikasi : 26 Mei 2009 Abstrak Simulasi untuk memprediksi geometri nanoserat hasil pemintalan elektrik (electrospinning) telah dibuat dengan menggunakan teknik beda hingga. Didapatkan bahwa ketidakstabilan pembengkokan jet berbeda meskipun kuat medan listrik sama. Karena itu, geometri serat hasil berbeda meskipun kuat medan listrik sama karena perbedaan ketidakstabilan jet. Kata Kunci: geometri serat, ketidakstabilan pembengkokan jet, kuat medan listrik, pemintalan elektrik, simulasi. 1. Pendahuluan Geometri serat hasil pemintalan sangat penting untuk diketahui karena terkait dengan aplikasi material tersebut [1]. Pada aplikasi material nanoserat untuk media filter dibutuhkan serat hasil yang memiliki tingkat keteraturan tinggi [1]. Dengan demikian, simulasi prediksi terhadap geometri serat sangat penting untuk dilakukan. Dalam makalah sebelumnya telah diselidiki pengaruh parameter simulasi pemintalan elektrik, seperti: tegangan permukaan, viskositas, modulus elastik, tegangan listrik, dan jarak nozzle-kolektor terhadap ketidakstabilan pembengkokan jet [2]. Hasil simulasi menunjukkan bahwa besarnya tegangan permukaan, tegangan listrik dan modulus elastik berbanding terbalik dengan ketidakstabilan pembengkokan jet, sedangkan viskositas dan jarak nozzle-kolektor sebanding dengan ketidakstabilan pembengkokan jet [2]. Akan tetapi, prediksi terhadap bentuk geometri serat hasil belum dibahas. Adanya informasi dan data tentang bentuk geometri serat hasil dalam proses ini akan sangat membantu proses eksperimen. Model matematis simulasi prediksi bentuk geometri serat hasil pemintalan dalam paper ini mengikuti model Kowalewsky, dkk. [3] karena model ini mendeskripsikan gaya yang terlibat dalam proses pemintalan dengan lebih baik. Selain melakukan simulasi bentuk geometri nanoserat hasil pemintalan elektrik, makalah ini juga membahas pengaruh ketidakstabilan pembengkokan jet terhadap geometri serat. 2. Metode Teoritis Pemintalan elektrik merupakan sebuah teknik pembuatan nanoserat 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 jet karena pengaruh tegangan permukaan. Jet tersebut bergerak menuju kolektor dan pada bagian ini nanoserat hasil terkumpul. Nozzle Ujung nozzle Larutan polimer Sumber tegangan DC Lintasan jet HV Kolektor Area deposisi Gambar 1. Skema proses pemintalan elektrik. Dinamika jet bermuatan listrik diperoleh dari tiga persamaan yaitu peregangan viskoelastik, kekekalan massa dan momentum [3]. Peregangan viskoelastik: 1 λ( G = G σ ( t λ( t µ dengan σ adalah tegangan, G modulus elastik, µ viskositas, λ peregangan, dan s parameter Lagrangian. Kekekalan massa: D Dt 2 [ λ( ( ] = 0 (1) (2) 4
dengan a adalah jejari serat, dan D/Dt adalah turunan material. Kekekalan momentum: 2 Dv λ ( ( ( = Dt s 2 2 2 kλ ( q λ( ( C 0 a( s, * 3 ds 2 2 + λ( ( q Φ + ( ( σ ( u( ) + ( 2 ( αu( ) (3) dengan ρ adalah massa jenis (massa per satuan volum) fluida, r koordinat posisi, v vektor kecepatan, q muatan per satuan volum, k konstanta Coulomb, C fungsi cut off untuk daerah interaksi yang sangat dekat (menuju nol), a 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, gaya oleh medan listrik, gaya viskoelastik, dan gaya tegangan permukaan, secara berurut. Untuk melakukan simulasi, jet dipandang sebagai sejumlah besar segmen dan teknik beda hingga diterapkan pada segmen jet tersebut. Penurunan lebih lengkap dapat dilihat di tempat lain [2]. 3. Hasil Simulasi dan Diskusi Simulasi numerik dengan teknik beda hingga dilakukan menggunakan parameter-parameter yang diberikan dalam Tabel 1. Tabel 1. Parameter yang digunakan dalam simulasi. Parameter Nilai Tegangan permukaan (α) 7 10-2 N/m Tegangan (V) 5 10 3 V Viskositas (µ) 10 N/m 2. s Modulus elastik (G) 10 5 N/m 2 Jejari ujung nozzle (a 0 ) 1,5 10-4 m Rapat massa (ρ) 2 10 2 kg/m 3 Jarak nozzle-kolektor (d) 2 10-1 m Debit aliran (D) 10-8 m 3 /s Amplitudo gangguan (ε) 10-10 Panjang node awal (L 0 ) 10-4 m Lintasan jet yang bergerak menuju kolektor ditunjukkan dalam Gbr 2. Pada awalnya, ketidakstabilan pembengkokan jet pada t untuk N sekitar 11. Sejalan dengan waktu, jumlah node bertambah dan ketidakstabilan pembengkokan jet meningkat seperti ditunjukkan Gbr 2.(b) s.d. 2.(d). Gambar 2. Simulasi gerak jet pada: (a) t untuk N sekitar 11, (b) t untuk N sekitar 22, (c) t untuk N sekitar 30, dan (d) t untuk N sekitar 36. Dalam proses simulasi, jet yang telah mencapai kolektor, akan berubah menjadi serat hasil pemintalan. Geometri serat ini sangat tergantung pada posisi node ketika mencapai kolektor. Di lain pihak, posisi serat berkaitan dengan ketidakstabilan pembengkokan jet. Oleh karena itu, dapat dikatakan bahwa geometri serat dipengaruhi oleh ketidakstabilan pembengkokan jet seperti ditunjukkan Gbr. 3.
Gambar 3. Geometri serat hasil pemintalan selama 0,025 detik: (a) tampak samping dan (b) tampak atas. Hasil simulasi diperoleh dengan menggunakan sumber tegangan listrik 10 kv dan jarak nozzle-kolektor
20 cm dan tegangan listrik 5 kv dan jarak nozzle-kolektor 10 cm. Dengan demikian kedua kondisi tersebut memiliki kuat medan listrik yang sama. Melalui analisis Gbr. 3 diketahui bahwa ketidakstabilan jet pada kondisi kuat medan listrik yang sama adalah berbeda. Pada jarak nozzle-kolektor 20 cm, ketidakstabilan pembengkokan pada jet memiliki waktu yang cukup untuk berkembang. Sedangkan pada jarak nozzle-kolektor 10 cm, ketidakstabilan pembengkokan jet tidak memiliki waktu yang cukup untuk berkembang, walaupun memiliki kuat medan listrik yang sama dengan perlakuan sebelumnya. Hal ini dibuktikan dengan geometri serat hasil pemintalan pada Gbr. 3. Gambar 4. Geometri serat hasil pemintalan selama 0,5 detik. (a) dan (b) tampak atas dan (c) dan (d) tampak samping. Apabila simulasi tersebut dijalankan dalam rentang waktu yang lebih lama yaitu 0,5 detik, geometri serat hasil ditunjukkan pada Gbr. 4. Untuk jarak nozzlekolektor d = 20 cm dan tegangan 10 kv (Gbr. 4.(a)), geometri serat cenderung berbentuk lingkaran. Gambar 4.(b) memperlihatkan bahwa geometri serat cenderung berbentuk lonjong (elip bila jarak nozzle-kolektor d =
10 cm dan tegangan 5 kv. Hasil-hasil tersebut diperoleh karena ketidakstabilan jet pada dua kondisi tersebut berbeda seperti dijeluskan dalam paragraf sebelumnya. 4. Kesimpulan Geometri nanoserat hasil pemintalan elektrik telah berhasil diprediksi melalui simulasi. Didapatkan bahwa geometri serat tersebut dipengaruhi oleh ketidakstabilan pembengkokan jet. Meski pun kuat medan listrik sama, geometri serat hasil berbeda karena perbedaan ketidakstabilan jet. (a) Alamat tetap: Jurusan Pendidikan Fisika, FKIP, Universitas Tadulako, Palu. Referensi [1] S. Ramakrishna, F. Kazutoshi, W. Teo, T. Lim, Z. Ma, An Introduction to Electrospinning and Nanofibers, New York: Wiley (2005). [2] S. Saehana, M. Abdullah, Khairurrijal. J. Nano Saintek. 2, 74 (2009). [3] T. A. Kowalewsky, S. Blonski, S. Barral. Bul. Pol. Tech. 53, 385 (2005).