Nanofiber Dan Aplikasinya

NANOFIBER, ELECTROSPINNING DAN APLIKASINYA

A. PENDAHULUAN

Memasuki abad ke-21 terjadi penemuan penting mengenai sifat-sifat dan

kinerja material pada skala nanometer atau sepersatu miliar meter (10-9 m), yang

ternyata memiliki keunikan dan keunggulan dibandingkan pada skala meter atau

bahkan mikro meter (10-6 m) seperti dikenal selama ini. Teknologi skala nano

disebut nanoteknologi telah mengubah paradigma dan cara pandang terhadap

teknologi karena material didesain dan disusun dalam orde atom peratom atau

molekul-permolekul, sehingga diperoleh suatu bahan yang memiliki sifat istimewa,

jauh mengungguli material yang ada sekarang ini.

Banyak bahan telah diteliti dalam rangka mencari bahan baru yang lebih

unggul bagi kehidupan manusia. Tulisan ini merupakan tinjauan (review) yang

menceritakan tentang nanofiber dan electrospinning, serta sifat-sifat dari produk

yang dihasilkannya. Electrospin adalah alat untuk membuat serat nano yang berasal

dari berbagai bahan organik sebagai polimer alam, polimer buatan, komposit dan

lain-lain. Diameter seratnya dapat dibuat sampai kehalusan serat dua nanometer

atau lebih besar bergantung dengan bahan yang digunakan. Nanofiber dan

electrospinning mempunyai peran yang sangat besar dalam menunjang

nanotechnology dan produknya karena sangat berguna sebagai tekstil pelindung,

ruang angkasa, kedokteran, farmasi, bedah tulang, kedokteran mata, elektronika,

militer, olah raga, otomotf, alat pertanian dan sebagainya. Bahan baru yang

berkualitas serta ramah lingkungan sangat diperlukan untuk memenuhi kebutuhan

kehidupan manusia masa depan.

Nanotechnology merupakan teknologi yang bertujuan mengendalikan molekul

atau atom individu untuk menciptakan bahan dan peralatan yang beribu kali lebih

kecil dibanding kondisi teknologi sebelumnya. Satu nanometer (nm) adalah 10-9

meter, sebagai perbandingan dari jarak karbon C60 adalah sekitar 12-15 nm, dan

DNA double-helix mempunyai diameter sekitar 2 nm. Kita dapat membayangkan

bakteri Mycoplasma, ukuran lebarnya sekitar 200 nm, Mikrokristal antara 2 – 500

nanometer.

[email protected] Hal 1

Hingga saat ini, pembuatan struktur nano satu dimensi, seperti nanofiber,

nanorod, nanobelt dan nanotube dengan menggunakan berbagai jenis material dan

berbagai teknik sudah banyak dilakukan oleh para peneliti. Hasil penelitannya

menunjukkan karakteristik unik yang brebeda-beda dengan keunggulannya.

B. SIFAT NANOFIBER

Saat ini nanofiber adalah salah satu hasil temuan yang tengah mendapat

perhatian khusus karena potensi pemanfaatannya yang begitu luas pada berbagai

bidang. Serat nano atau nanofiber adalah serat yang mempunyai diameter kurang

dari 100 nanometer (1 nm = 10-9 meter). Serat nano mempunyai sifat yang sangat

khas, yaitu sangat kuat, rasio permukaan terhadap volume yang besar, dan porous.

Sifat-sifat tersebut membuat serat nano menjadi bahan yang sangat menjanjikan

untuk dimanfaatkan pada berbagai bidang industri, seperti industri komposit,

otomotif, pulp dan kertas, elektronik, tekstil, optik, pertanian, kosmetik, kesehatan,

kedokteran, olah raga, farmasi, dan lain-lain.

Dalam dunia perdagangan serat nano adalah serat yang lebih kecil dari serat

mikro, yaitu serat yang mempunyai diameter kurang dari 0,5 mikron atau kurang

dari 500 nanometer, sedangkan serat yang telah diproduksi dan diperdagangkan

mempunyai diameter antara 50 sampai 300 nanometer. Serat nano akhir-akhir ini

mulai popular terutama digunakan untuk teknologi nano dan dibuat dalam bentuk

nonwoven (web) sehingga pembuatannya tidak melalui proses penenunan (weaving)

atau perajutan (knitting).

Pengamatan morfologi dan permukaan serat berskala nano diperlukan

ketelitian yang sangat tinggi. Pengamatan morfologi dapat dilakukan menggunakan

AFM (Atomic Force Microscope). Gambar 1 menunjukkan ukuran beberapa

nanofiber yang jauh lebih kecil dibandingkan dengan rambut manusia. Gambar 2

menunjukkan ukuran partikel serbuk sari dibandingkan dengan nanofiber. Modulus

elastis dari polimer nanofiber ukuran 350 nm ditemukan 1,0 ± 0,2 GPa. Kekuatan

serat sangat dipengaruhi oleh ukuran diameter serat, kadar selulosa, dan kadar

lignin. Semakin besar diameter serat, maka semakin rendah nilai kekuatan tarik

(tensile strength) dan modulus elastisitas (modulus of elasticity / MOE), demikian

pula sebaliknya.


Gambar 1. Perbandingan antara rambut manusia dengan jaringan nanofiber

Gambar 2. Serbuk sari dalam spora dengan nanofiber

Konstruksi komposit nanofiber

Nanofiber yang diterapkan adalah material nilon SB ukuran 0,6 ons per meter

persegi (osy) dengan nilon SB 1,0 osy seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.

Gambar 3. Impregnasi nanofiber ke lapisan spunbond

Lalu dua lapisan diatas dilaminasi bersama-sama. Gambar 4 menunjukkan

perbedaan jenis tiga serat komposit nanofiber yang dirancang dengan mengubah

ketebalan dan berat kain.


Gambar 4. Macam-macam pilihan komposit nanofiber

Kinerja dan daya tahan struktur komposit tergantung pada arsitektur kain yang

dihasilkan. Arsitektur kain akhir nanofiber seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5

ada dua jenis dua konstruksinya yaitu:

1. Lapisan nanofiber/SB berada di antara lapisan kulit terluar dan lapisan kain

hasil filtrasi kimia.

2. Lapisan nanofiber/SB berada di atas kain diresapi shell dan mengapung bebas

terhadap lapisan filtrasi kimia.

Gambar 5. Desain nanofiber kain komposit

Polimer komposit nanofiber ini dapat memberikan perlindungan terhadap

tetesan mikro bahan kimia, aerosol biologi, saluran radioaktif, dan lain-lain.

C. PROSES ELECTROSPINNING

Pembuatan nanofiber dapat dilakukan dengan berbagai cara. Pertama, dengan

cara drawing, yaitu teknik pembuatan nanofiber dengan menyentuhkan mikropipet

pada droplet dan menariknya. Kedua, dengan cara template synthesis, yaitu

pembuatan nanofiber dengan menekan larutan polimer pada celah membran yang

kecil untuk menghasilkan nanofiber. Ketiga, dengan cara elektrospinning, yaitu


pembuatan nanofiber dengan memberi muatan pada larutan polimer yang kemudian

dijatuhkan dari pipet di dalam daerah bermuatan listrik tinggi.

Pemintalan elektrik (electrospinning) adalah sebuah metoda untuk membuat

serat (fiber) dengan diameter 10 μm - 10 nm. 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. Teknik pemintalan elektrik adalah proses yang relatif cepat,

sederhana, dan murah dalam menghasilkan nanofiber. Keunggulan lain dari teknik

ini adalah dapat menghasilkan nanofiber yang cukup panjang (kontinu). Namun

saat ini tingkat produksi dari proses ini adalah rendah dan diukur dalam gram per

jam.

(6 a)

Gambar 6. Electrospun (a) dan skema sistem kerja electrospinning (b)

(Sumber : Zubaidi, 2009 )


Alat yang digunakan untuk pemintalan elektrik disebut electrospun. Gambar 6a

menunjukan contoh alat electrospun dan skematis sistem kerja electrospinning 6b.

Electrospun adalah alat yang digunakan untuk membuat serat nano. Dengan alat

tersebut kita dapat membuat serat dengan diameter antara 2 nm sampai 50 nm.

Pemintalan elektrik menggunakan prekusor berupa larutan polimer yang disiapkan

pada tabung semprot (syringe) dengan kecepatan penyemprotan yang dapat diatur

oleh pompa secara konstan (metering pump). Lalu larutan tersebut dilewatkan

melalui sebuah nozzle/ lubang spinnered (Jet) dengan ujung kecil dan ditarik

dengan medan listrik tegangan arus searah (direct current/DC) yang berkekuatan

sekitar 30 kVA seperti ditunjukkan pada Gambar 6b. Larutan pada ujung nozzle

ditarik oleh medan listrik berbentuk droplet/jet karena pengaruh tegangan

permukaan. Jet tersebut bergerak menuju kolektor dan pada bagian ini serat nano

terkumpul. Kolektor tersebut dapat berbentuk bidang datar atau dalam bentuk

silinder yang dapat berputar secara konstan seperti yang ada pada Lab Balai Besar

Tekstil, Bandung.

Jarak antara nosel pemintal dan kolektor umumnya bervariasi dari 15 – 30 cm.

Proses ini dapat dilakukan pada suhu kamar kecuali diperlukan panas untuk

menjaga polimer dalam keadaan cair. Sifat akhir serat tergantung pada jenis

polimer dan kondisi operasi. Kehalusan serat dapat diatur dari diameter sepuluh

sampai seribu nanometer.

Gambar 6 diatas dapat menjelaskan tentang prinsip kerja electrospinning dalam

menghasilkan kain nonwoven yang terdiri dari serat-serat berukuran nano (lebih

kecil dari mikron) dan ditampung pada bidang datar (collector screen). Cara

membuat serat nano ialah: bahan polimer dilarutkan pada pelarut yang sesuai.

Selanjutnya, polimer yang sudah dilarutkan dipintal menggunakan alat electrospun.

Tabel 1 adalah contoh beberapa polimer dan pelarutnya yang dapat digunakan.

Tabel 1. Polimer dan pelarut polimer yang digunakan untuk electrospinning.

No Polimer Pelarut1 Nilon 6, Nilon 66 Asam formiat2 Poliakrilonitril Dimetil formaldehida3 PET Asam trifloro asetat/ Dimetil klorida4 PVA Air


5 Polystiren DMF/ Toluena6 Nilon-6-co-poliamida Asam formiat7 Polibenzimidazol Dimetil asetanda8 Poliramida Asam sulfat9 Poliimida Fenol

D. APLIKASI NANOFIBER

Serat nano (nanofiber) dan electrospinning merupakan material dan teknologi

yang sangat penting untuk menunjang perkembangan nanoteknologi pada berbagai

bidang produk industri, seperti di bidang elektronik, kedokteran, farmasi,

konstruksi, industri makanan, tekstil, keramik dan lain-lain.

Bahan nanofiber memiliki aplikasi seperti dalam bidang kesehatan, filtrasi,

penghalang, tisu, perawatan pribadi, komposit, pakaian, isolasi, dan penyimpanan

energi. Sifat khusus dari nanofiber membuat mereka cocok untuk berbagai macam

aplikasi dalam bidang medis sebagai produk konsumen dan aplikasi industri

teknologi tinggi untuk ruang angkasa, kapasitor, transistor, sistem pengiriman obat,

pemisah baterai, penyimpanan energi, sel bahan bakar, dan teknologi informasi.

Di bawah ini akan dijabarkan beberapa aplikasi nanofiber dalam berbagai

bidang diantaranya tekstil ruang angkasa, nanodefend, kedokteran dan farmasi,

olahraga, pertanian dan filtrasi.

1. Tekstil Ruang Angkasa

Penelitian pakaian ruang angkasa yang didukung oleh National

Aeronautics Space Administration (NASA), Institute for Advanced Concep

diantaranya berupa nano nonwoven sebagai membran hasil teknik

electrospinning. Penelitian pakaian yang menggunakan serat nano dapat

berfungsi sebagai second skin. Lapisan tersebut akan memberikan perlindungan

terhadap berbagai pengaruh di lingkungan planet dan ruang angkasa seperti

lapisan tahan api, tahan kimia, dan pengaruh cuaca lingkungan. Second skin

memanfaatkan muatan listrik untuk meningkatkan daya tahan tubuh dan

memperbaiki stamina. Pelapisan (coating) menggunakan electrospinning juga

dapat digunakan untuk melapisi tekstil pelindung untuk pengiriman barang

ruang angkasa yang memerlukan pelindung kedap udara sehingga terhindar dari

pengaruh lingkungan debu, panas, dingin dan kelembaban.


2. Nanodefend

Nanodefend adalah pakaian keamanan yang ditujukan untuk mencegah

terjadinya serangan mikro organisme maupun bahan berbahaya. Dokter Baker

telah mendirikan nanobio untuk mengembangkan krim yang dapat memasuki

dan membunuh mikroba penginfeksi dan spora jamur dari spora anthrax sampai

virus flu. Dalam bidang militer nanodefend berfungsi sebagai pakaian yang

dapat mendekontaminasi terhadap anthrax, ebola, atau smallpox dan senjata

kimia.

Sebuah perusahaan bioteknologi sedang berusaha mengembangkan

fullerenes atau buckyball, yaitu sebuah benda berstruktur molekul dengan skala

60 atom yang diharapkan dapat mematikan virus HIV maupun kanker. Polimer

nanofiber dari komposit dapat meningkatkan perlindungan terhadap tetesan

bahan kimia, biological aerosol, dan saluran radioaktif. Nanofiber dalam bentuk

web yang mempunyai ukuran tertentu dapat menahan sekaligus mengatur air dan

udara sehingga dapat digunakan sebagai pakaian pelindung panas secara

nyaman. Ukuran pori-pori yang dapat diatur pada waktu pembuatannya akan

menghasilkan sifat permeabilitas yang diinginkan.

3. Kedokteran dan farmasi

Serat nano (nanofiber) dari bahan kolagen, alginate, vibroin dan

sebagainya sangat membantu dalam menciptakan bahan generasi organ manusia,

pencangkokan tulang dan berbagai keperluan farmasi. Selain itu juga

dimanfaatkan sebagai obat dan pengiriman gen, pembuluh darah buatan, organ

buatan, dan masker medis. Misalnya, serat karbon nanotube berongga yang

lebih kecil dari sel-sel darah berpotensi untuk membawa obat menuju sel-sel

darah. Gambar 7 memperlihatkan perbandingan sel darah dengan nanofiber.

Gambar 7. Perbandingan ukuran sel darah manusia dengan nanofiber


Nanofiber dan web bisa digunakan sebagai obat langsung ke jaringan

internal. Bahan anti adhesi yang terbuat dari selulosa sudah tersedia dari

perusahaan Johnson & Johnson dan Genzyme Corporation. Para peneliti telah

memintal serat dari senyawa alami dalam darah. Nanofiber ini dapat digunakan

varietas aplikasi medis seperti perban atau jahitan yang pada akhirnya terserap

dalam tubuh. Nanofiber ini meminimalkan tingkat infeksi, kehilangan darah dan

dapat diserap oleh tubuh.

4. Olahraga

Nanotex sebuah pabrik tekstil di Greensboro, Nort Karolina sedang

mengembangkan pakaian aktif yang dapat menghamburkan dan mengeringkan

keringat. Selain itu juga membuat produk kaos kaki, Tshirt dan pakaian dalam

yang bisa menyerap bau badan.

5. Pertanian

Dalam industri pertanian nanofiber dan teknologi nano akan sangat

bermanfaat untuk melakukan sensor dan pengontrolan pertanian modern seperti

tanaman hidrofonik. Pengontrolan produk, biosecurity, memerlukan peralatan

yang sangat peka. Sangat sering terjadi bahan makanan yang mengandung

bakteri dan virus sering menimbulkan penyakit yang dapat berakibat fatal.

Biosensor akan dapat mendeteksi perubahan sel dan molekul yang dapat

digunakan untuk mengidentifikasi adanya bahan berbahaya mekipun

kandungannya sangat kecil.

6. Filtrasi

Nanofiber memiliki aplikasi signifikan di bidang filtrasi karena daerah

permukaan mereka secara substansial lebih besar dan memiliki pori lebih kecil

dari jaring melt blown (MB). Struktur berpori tinggi dengan luas permukaan

yang tinggi membuat mereka ideal untuk banyak aplikasi filtrasi. Nanofiber

secara ideal cocok untuk menyaring partikel submikron dari udara atau air.

Serat electrospun memiliki diameter tiga kali lebih lebih daripada serat

MB. Hal ini menyebabkan peningkatan di daerah permukaan dan penurunan

volume. Tabel 2 menunjukkan area permukaan serat per massa bahan nanofiber

dibandingkan dengan MB dan serat SB.


Nanofiber yang dikombinasikan dengan produk bukan tenunan lainnya

berpotensi dalam berbagai aplikasi filtrasi seperti filter aerosol, masker, dan

pakaian pelindung. Saat ini, kain militer dalam pengembangan dengan

rancangan sebagai perlindungan kimia dan biologi menggunakan lapisan

laminating nanofiber antara body side layer dan serat karbon.

Tabel 2. Luas permukaan serat per massa bahan serat untuk ukuran serat yang

berbeda

Jenis serat Ukuran serat (µm)Luas permukaan serat per massa dari material

serat (m2/g)

Nanofiber 0.05 80

Spunbond fiber 20 0.2

Melt blown fiber 2.0 2

E-Spin Technologies, Inc telah menghasilkan prototipe web nanofiber

karbon aktif. Jaringan tersebut distabilkan, dikarbonisasi, dan diaktifkan.

Nanofiber yang diaktifkan ini memberikan hasil yang sangat baik untuk aerosol

dan filtrasi kimia.

E. TANTANGAN DALAM NANOFIBER

Proses pembuatan nanofiber cukup mahal dibandingkan dengan serat

konvensional karena tingkat produksi rendah dan biaya teknologi tinggi. Selain itu

electrospinning web memancarkan uap dan solusi sementara adalah dengan

memulihkan atau dibuang secara ramah lingkungan. Ini melibatkan peralatan

tambahan dan biaya. Kehalusan serat dan uap yang menguap juga menimbulkan

keprihatinan atas bahaya kesehatan karena inhalasi serat. Dengan demikian

tantangan yang dihadapi dapat dikelompokkan pada berbagai bidang diantaranya

ekonomi, bahaya kesehatan, pelarut uap dan penanganan pengiriman kemasan.

Karena kualitas yang luar biasa dari bahan nanofiber, sehingga ada upaya

berkelanjutan untuk menangani agar terjadi keseimbangan antara keuntungan dan

biaya produksi.


Nanofiber Dan Aplikasinya

Documents

Transcript of Nanofiber Dan Aplikasinya