1 BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Polyvinyl alcohol (PVA) merupakan salah satu polimer yang banyak digunakan di kalangan industri. Dengan sifatnya yang tidak beracun, mudah larut dalam air, biocompatible dengan bahan lain dan biodegradable membuat PVA memiliki andil penting sehingga diproduksi secara luas (Goodship, 2009). Beberapa aplikasi PVA diantaranya adalah sebagai bahan adesif (perekat), sebagai protective colloid bagi proses emulsi polimerisasi serat, pelapis kertas dan kantung laundry, pestisida, herbisida, serta pupuk. Sebagai bahan yang relatif ramah lingkungan, PVA juga digunakan sebagai bahan tambahan pada pembuatan material bangunan (Thong dkk., 2016). Perkembangan teknologi yang semakin pesat, mendorong perkembangan divais elektronik yang berasal dari bahan organik. Kelebihan bahan organik adalah relatif mudah disintesis. Untuk aplikasi pada divais elektronik, sifat listrik, khususnya konduktivitas memegang peranan penting. Beberapa penelitian terakhir dilakukan untuk meningkatkan konduktivitas PVA sehingga pemanfaatannya dalam divais elektronik semakin berkembang. Untuk meningkatkan konduktivitas PVA, umumnya dilakukan dengan memberikan bahan tambahan (dopan) yang bersifat konduktif ke dalam larutan PVA. Pemberian dopan anorganik tembaga iodida (CuI) mampu membuat larutan PVA mempunyai konduktivitas dalam kategori semikonduktor tipe-p dan mengarah pada aplikasi sebagai elektrolit polimer untuk sel surya (Sheha dkk., 2012). Sementara larutan PVA yang diberi dopan Litium (Li) dan Nikel (Ni) dilaporkan membuat larutan PVA menjadi larutan polimer elektrolit yang bersifat magnet (Aji dan Bijaksana, 2010). Seiring dengan perkembangan teknologi yang mengarah pada dimensi yang kecil maka divais elektronik yang mempunyai ukuran nano menjadi sasaran teknologi nano. Dimensi material yang saat ini diupayakan dalam skala nano, 1
2 diantaranya nanoparticel, nanowire, nanorod dan serat nano. Salah satu keunggulan teknologi nano adalah pada luas permukaan persatuan volumenya yang sangat besar. Upaya lain yang dikembangkan untuk meningkatkan performa lapisan tipis adalah membuatnya dalam bentuk serat nano. Salah satu metode pembuatan serat nano yang cukup banyak digunakan adalah electrospinning (pemintalan elektrik) (Reneker dkk, 2000; Chronakis dkk., 2006; Reneker dkk., 2007; Zhang, 2013). Dengan metode ini, partikel-partikel yang umumnya berbentuk butiran-butiran nano dibuat menjadi serat nano. Dalam hubungannya dengan material dalam bentuk nano, PVA diketahui merupakan salah satu polimer yang relatif mudah dijadikan serat nano. Pembuatan serat nano PVA dengan metode pemintalan elektrik dilakukan oleh Koski dkk., (2004). Dalam penelitiannya, parameter yang perlu diperhatikan adalah berat molekul dan konsentrasi larutan PVA. Parameter lain yang berperan dalam pembuatan serat nano dengan pemintalan elektrik diantaranya terkait konduktivitas dan konstanta dielektrik larutan tersebut (Ramakrishna, 2005). Pada tahun 2005, Zhang, dkk melaporkan bahwa pemberian dopan sodium chloride (NaCl) pada larutan PVA dapat memperkecil diameter rata-rata serat nano dari 214 nm manjadi 159 nm (Zhang dkk., 2005). Dari sudut pandang sifat kelistrikannya, konduktivitas PVA yang dalam keadaan normal mempunyai orde 10-15 S/cm dapat ditingkatkan menjadi 10-6 S/cm dengan memberikan carbon nanotube (CNT) serta manganoksida (MnO2) (Zamri dkk., 2011). Konduktivitas PVA juga dilaporkan meningkat dengan pemberian polimer kondutif poly(3,4-ethylenedioxythiophene): poly(4-styrenesulfonate) (PEDOT:PSS) (Agarwal dkk., 2013; Huang dkk., 2013 dan Chotimah dkk., 2016). Peningkatan konduktivitas material juga dapat dilakukan dengan menambahkan pelarut polar. Dilaporkan bahwa lapisan PEDOT:PSS yang ditambahkan dengan dimetil sulfoksida (DMSO) dengan cara dicelupkan dalam
3 larutan maupun diberikan dalam bentuk uap dapat meningkatkan konduktivitasnya (Yeo, dkk., 2013). PEDOT :PSS juga diketahui mempunyai sifat piezzo elektrik (Lang dkk., 2009; Latessa dkk., 2009; Lipomi dkk., 2012) yang memungkinkan dijadikannya lapisan PEDOT:PSS sebagai sensor regangan. Dengan memanfaatkan fleksibilitas bentuk serat nano, maka aplikasi lapisan tipis serat nano berbasis PVA/PEDOT:PSS diteliti lebih dalam potensinya sebagai sensor regangan.. Berdasarkan uraian tersebut, maka dalam penelitian ini dibuat serat nano konduktif berbasis PVA. Peningkatan konduktivitas listrik serat nano PVA dilakukan dengan pemberian larutan DMSO dan PEDOT:PSS. Larutan DMSO ditambahkan melalui 2 cara, yaitu pemberian larutan DMSO langsung sebelum pemintalan elektrik dan dalam bentuk uap pada lapisan serat nano. Untuk mengetahui morfologi lapisan dilakukan pengamatan dengan scanning electron microscope (SEM). Uji sifat termalnya dilakukan dengan thermogravimetric (TGA) dan differential thermal analysis (DTA). Uji sifat optik dilakukan dengan spektrofotometer UV-Vis dan Fourier Transform Infra Red (FTIR). Uji sifat listriknya dilakukan dengan current-voltage (I-V) meter two-point probe. Uji kinerja sebagai sensor regangan dilakukan dengan mengukur perubahan I-V pada pemberian tegangan bending dan waktu. 1.2 Rumusan Penelitian Beberapa hal yang dianggap sangat penting dan mempengaruhi kinerja divais elektronik adalah konduktivitas materialnya. Sementara, konduktivitas material juga dipengaruhi oleh morfologi dan strukturnya. Dalam penelitian ini akan dilakukan fabrikasi dan karakterisasi lapisan tipis serat nano PVA dan serat nano PVA yang di doping dengan PEDOT:PSS dan DMSO untuk memperoleh gambaran bagaimana konduktivitas listrik lapisan dalam bentuk serat nano. Berdasarkan uraian diatas maka permasalahan yang akan diteliti pada penelitian ini dapat dirumuskan sebagai berikut:
4 1. Bagaimana pengaruh morfologi dan ukuran serat nano terhadap sifat listrik PVA dan PVA/PEDOT:PSS. 2. Bagaimana pengaruh pengaruh pemberian uap DMSO terhadap konduktivitas serat nano PVA dan PVA/PEDOT:PSS 2. Bagaimana pengaruh deformasi mekanik lapisan serat nano PVA/PEDOT:PSS terhadap perubahan resistansinya 1.3 Tujuan Penelitian Penelitian ini secara umum bertujuan untuk : 1. Menentukan pengaruh morfologi dan ukuran nano fiber PVA dan PVA/PEDOT:PSS konduktivitas listriknya 2. Menentukan pengaruh uap DMSO pada konduktivitas serat nano PVA dan PVA/PEDOT:PSS 3. Mengkaji perubahan sifat listrik lapisan PVA/PEDOT:PSS terhadap deformasi mekanik dalam potensinya sebagai sensor regangan. 1.4 Manfaat Penelitian Hasil penelitian ini diharapkan dapat memberi manfaat berupa: 1. Diperolehnya informasi bagaimana sifat fisis serat nano PVA dan campuran PVA/ PEDOT:PSS 2. Diperolehnya informasi tentang potensi serat nano PEDOT:PSS /PVA pada divais elektronik khususnya sebagai sensor regangan 1.5 Unsur Kebaharuan Pada penelitian ini telah dilakukan pembuatan serat nano konduktif berbasis PVA. Dua metode dikembangkan yaitu pertama, pencampuran polimer konduktif dengan PVA dalam satu tahapan proses pemintalan elektrik dan yang kedua penambahan pelarut organik sebagai doping. Kedua metode tersebut digunakan untuk meningkatkan konduktivitas serat nano PVA. Dalam penelitian ini juga
5 diamati adanya perubahan resistansi lapisan ketika mengalami deformasi mekanik yang dalam penelitian ini dalam bentuk tekukan (bending). Para peneliti sebelumnya proses pembuatan campuran PVA/PEDOT:PSS dilakukan dengan memasukkan serbuk PVA dalam larutan PEDOT:PSS secara langsung. Proses ini, membutuhkan jumlah PEDOT:PSS yang relatif banyak dan juga resiko terjadinya gumpalan serta memerlukan waktu yang relatif lama untuk membuat campuran homogen. Pada penelitian ini, pencampuran antara PVA dan PEDOT:PSS dilakukan dalam bentuk larutan dengan rasio volume yang divariasi. 1.6 Sistematika Penulisan Penulisan disertasi ini dibagi menjadi 6 bab yaitu: Pendahuluan, Tinjauan Pustaka, Dasar Teori, Metode Penelitian, Hasil dan Pembahasan, Kesimpulan dan saran, serta Lampiran. BAB I merupakan pendahuluan yang berisikan latar belakang masalah yang menghasilkan batasan masalah. Adanya batasan masalah ditujukan agar penelitian ini sesuai dengan tujuan dan manfaat yang diharapkan. BAB II berisi tentang tinjauan pustaka yang berisikan kajian-kajian yang mendasari kegiatan penelitian yang bersumber dari berbagai publikasi ilmiah dan buku. BAB III berisi dasar teori yang berkaitan dengan karakteristik material penelitian. BAB IV menguraikan metode penelitian yang meliputi alat dan bahan-bahan yang digunakan, metode analisis yang digunakan serta karakterisasi yang dilakukan. BAB V memaparkan hasil penelitian dan pembahasanna. BAB VI memuat kesimpulan dari hasil eksperimen dan saran bagi penelitian selanjutnya.