TUGAS MATERIAL CERDAS

SELF CLEANING MATERIAL

DISUSUN OLEH:

JORDY ANUGRAH W

2411100040ABDUR ROZAQ

2411100091RYAN RIZKY P

2411100118DIANA MARATUSSALICHAH

2412100016

ACHMAD NIDZAR ALIF

2412100035

ARIF TRI MARDIANTO

2412100061JOSEPH WILANTARA GULO

2412100084DIONISIUS ANDI KRISTANTO

2412100106

DOSEN PEMBIMBING :

DETAK YAN PRATAMA, ST., MSc

PROGRAM STUDI S1 TEKNIK FISIKAJURUSAN TEKNIK FISIKA

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOVEMBER

SURABAYA

2015SELF CLEANING MATERIALI. Pendahuluan

Salah satu sumber self-cleaning permukaan material yaitu dari [1]daun teratai , [2]kaki strider air ,[ 3] dari sayap jangkrik.

Gambar 1. Efek pada Daun Teratai

Self Cleaning dapat dikategorikan menjadi hidrofobik dan hydrophilic, dan kedua jenis ini dapat membersihkan permukaan material dengan perbedaan perilaku terhadap air. Bekas tetesan air dapat membentuk luncuran dan memutar di atas permukaan daun lotus, sehingga dapat membawa kotoran pergi dengan air tersebut, sementara selanjutnya jika menggunakan oksida logam pada air dapat menghilangkan kotoran dari permukaan juga. Di samping adanya efek khususnya, tambahan oksida logam memiliki sifat kimia yang kompleks yang memecah kotoran dengan bantuan cahaya matahari untuk sebuah mekanisme pembersihan, yaitu efek photocatalytic. Jadi awal ditemukannya self cleaning ini terinspirasi oleh fenomena alam, prinsip dasar dari Self cleaning adalah sifat superhydrophobic atau hidrofobic, dan juga efek photocatalysis berdasarkan sifat hydrophilic atau superhydrophilic untuk self-cleaning material.II. Prinsip dasar Self Cleaning

Komposisi kimia dan struktur geometris dari permukaan padat material mengatur wettability (keterbasahan) cairan pada permukaan material. Sudut diukur melalui droplet (tetesan kecil) pada intervensi tiga tahap, yaitu padat, cair dan uap, disebut sebagai sudut kontak air ( WCA ). Sudut kontak dimodelkan menggunakan persamaan Young sebagai berikut :

.(1)

Diamana memprepresentasikan permukaan energy dan SLV merepresentasikan solid, liquid dan vapour phase. Jika besar sudut kontak >90o, pada permukaan padat disebut permukaan hydrophobic dan jika kurang dari 90, maka permukaan disebut hidropilik. Jika sudut kontak mencapai lebih dari 150 maka disebut permukaan ultrahydrophobic/superhydrophobic.

Gambar 2. Dasar Fisika Daun Teratai

Demikian jika sudut kontak mendekati 0o ( air akan benar-benar membasahi permukaan ) , maka permukaan disebut sebagai permukaan superhydrophilic ( Gambar 3.). David Quere , mempelajari perilaku dinamis tetesan pada permukaan ultraphobic. Ketika substrat miring terhadap sudut tertentu dan tetesan air dibuat untuk bergeser pada suatu permukaan miring . maka sudut yang dibentuk di depan tetesan yang bergeser dikenal sebagai advancing angle ( ) dan sudut dibelakang dikenal sebagai receding angle () .

Gambar 3. (a) Schematic diagram indicating hydrophilic, hydrophobic and ultra-hydrophobic surface and (b) schematic representing water contact angle on a slanted surface.

Besarnya nilai sudut kontak air tergantung pada kekasaran permukaan, yang dijelaskan melalui dua model : Cassie - Baxter dan Wenzel ( Gambar 4 . ) .

Gambar 4. Schematic diagram showing the water droplets on a at solid surface, Wenzel model (middle) and Cassie Baxter model (right).

Wenzel mengungkapkan bahwa keadaan cairan akan selalu berhubungan terhadap permukaan microstructured material, di mana perubahan sudut kontak menurut persamaan :

.(2)

Dimana adalah sudut kontak Wenzel dan r adalah factor kekasaran permukaan. Tetesan air (droplet) menembus ke rongga permukaan material , dan mengakibatkan faktor kekasaran permukaan cenderung lebih besar, sehingga mengakibatkan peningkatan dan penurunan sudut kontak hidrofobik dan hidrofilik untuk masing-masing permukaan. The Cassie - Model Baxter menjelaskan keadaan pembasahan yang heterogen di mana air pada permukaan rongga menjebak udara , sehingga cairan dan daerah antarmuka padat memiliki sudut yang minimal dan antara air dan udara memiliki sudut yang maksimal . Hal ini menyebabkan pembentukan tetesan bola dengan hysteresis rendah , dan histeresis bisa dikurangi dengan meningkatkan kekasaran (sudut kontak dibuat lebih tinggi) . Kedua model ini menjelaskan bagaimana meningkatnya kekasaran permukaan material dengan meningkatnya sudut kontak tetesan air tetapi gagal untuk menjelaskan perilaku dinamis bergeraknya tetesan di permukaan material. III. Permukaan Hidrophobic

Berbagai macam aplikasi seperti self cleaning, dan anti - korosi, permukaan hidrofobik cenderung menarik perhatian peneliti. Hidrofobik bergantung terhadap nilai faktor kekasaran. Kekasaran permukaan material sering dikendalikan dengan menggunakan partikel nano, yang dapat disintesis dengan ukuran seragam dan dapat disetel melalui metode Stober. Polimer Flourin memiliki potensi yang cukup untuk membuat bahan hidrofobik dengan sudut kontak statis lebih besar dari 130. Bahan hidrofobik tersebut dapat secara luas dilihat di alam. Misalnya Gambar 5. menggambarkan ultraphobicity dalam dua macam jenis, yaitu menggambarkan struktur kasar daun dalam jangkauan mikro.

Gambar 5. Electron micrographs of ultraphobic leaves, Nelumbo nucifera (with a scale bar of 50m) in left and Hygroryza aristata (with a scalebar of 20 m) in right, highlighting various textures.

IV. Permukaan Hidrophilic

Permukaan hidrofilik yang telah terbukti berguna dalam pemurnian air dan industri cat . Proses membersihkan (selfcleaning) permukaan oleh proses fotokatalisis , yang diikuti dengan pelapis air . Hidrophilic memiliki nilai keterbasahan permukaan yang tinggi , sebagai akibat dari sudut kontak air sekitar 0o.

4.1 Photocatalys

Pilkington adalah perusahaan pertama yang berhasil mengkomersilkan self cleaning material yaitu pada tahun 2001. Produknya adalah sebuah jendela kaca yang mampu membersihkan diri dari kotoran. Sehingga diikuti oleh perusahaan lainnya. Pembuatan jendela ini menggunakan titanium dioksida (TiO2) sebagai pelapis transparan, sehingga dapat membersihkan jendela dengan proses photocatalysis, sebuah proses di mana molekul kotoran organik bisa terurai dengan adanya sinar matahari, dan pelapis dari air yang memiliki permukaan superhydrophilic (contact angle 0o), sehingga membawa pergi molekul kotoran. TiO2 memiliki potensi dalam bidang fotokatalis, dan secara luas kemungkinan akan digunakan karena bersifat non - toksitas , ketersediaan ,efektivitas biaya, stabilitas kimia , dan fisik yang menguntungkan dan sifat kimia . TiO2 banyak digunakan dalam cat dan kosmetik sebagai pigmen dan sebagai makanan aditif. Bahan ini juga digunakan dalam aplikasi anti - polusi dan untuk pemurnian air ( membran dilapisi dengan TiO2 yang membunuh bakteri yang ada dalam air ) . Beberapa bentuk TiO2 yang tersedia, di antaranya fase utama adalah anatase , rutil dan brookite fase. bentuk umum sebagian besar TiO2 adalah fase rutil , yang padat biasaya dimanfaatkan dan digunakan dalam pigmen dari sun-block dan cat. Sedangkan fase anatase jarang digunakan dan memiliki struktur kristal terbuka, yang membuatnya memiliki sifat sangat fotokatalitik.

Gambar 6. Various steps in photocatalysis achieved using the Titanium dioxide coating on the buildings (pre-painted aluminium surfaces).V. Aplikasi Nanopartikel TiO2 dapat di aplikasikan sebagai self cleaning padacat minyak. TiO2 merupakan senyawa semikonduktor yang dapat mengalami reaksi kimia ketika mengalami kontak dengan cahaya matahari. Proses reaksi dengan bantuan cahaya tersebut disebut dengan proses fotokatalis.TiO2 memiliki tiga jenis struktur yaitu anatase,rutile,dan brooklite. Struktur anatase paling banyak dipakai sebagai selfcleaning karena memiliki sifat fotokatalis yang paling baik. Pada beberapa penelitian,kinerjaTiO2 dapat ditingkatkan melalui pencampuran bahan lain. Salah satunya adalah Poly Ethylene Glicol (PEG). PEG merupakan rantai karbon dengan bentuk umum poliester garis lurus bercabang yang diakhiri dengan gugus hidroksil. PEG mampu meningkatkan sifat hidrofilik pada TiO2 yang berperan pada proses fotokatalis.

Mekanisme self cleaning yang terjadi adalah menggabungkan dari dua keadaan yaitu degradasi polutan dan pembentukan hidrofilisitas. Pada saat polutan yang menempel atau melewati permukaan TiO2 terdegradasi, maka polutan akan hancur. Kemudian pada saat air dilewatkan terhadap permukaan TiO2, sifat hidrofilis membuat air mudah menempel pada permukaan dan membawa polutan yang telah hancur.

Efek LotusLotus adalah tanaman yang daunnya mempunyai daya tolak yang tinggi terhadap air dan minyak. Permukaan daunnya mengandung gabungan antaran crystal lilin dengan kekasaran mikro dan nano. Gabungan struktur dan kimia ini menyebabkan permukaan daun lotus mempunyai properti yang unik. Larutan yang sangat lengket maupun yang sangat viskos tetap tidak menempel pada permukaan daun. Nanoteknologi dapat digunakan untuk meniru efek ini sehingga bisa digunakan untuk keperluan teknologi. Anti-GraffitiMasalah utama pada plaster, batu bata dan beton adalah kekuatan penyerapannya yang merupakan media yang sangat bagus untuk graffiti. Metode umum yang digunakan untuk memecahkan masalah ini adalah dengan menggunakan poly-urethane coating yang memberikan perlindungan permanen dan menghentikan cat dari permeasi kedalam beton. Ini dapat mengandung dua komponen yang bereaksi setelah penggunaan langsung pada dinding. Segala macam graffiti yang menempel pada permukaan coating akan dapat dihilangkan dengan mudah. Tetapi masih sedikit tentang nano yang digunakan untuk ini. Anti microbial coatingUntuk melawan bakteri dan microbial lainnya, bahan kimia tertentu biasa digunakan. Ada dua pendekatan yang bisa digunakan untuk sanitasi permukaan yaitu pertama dengan menggunakan aktivitas fotokatalitik titanium oksida atau yang kedua dengan menggunakan toksifitas metal kation tertentu seperti perak. Perak telah lama diketahui sebagai anti microbial dengan cara melepaskan ion perak yang akan diambil oleh mikroba dan memberikan efek toksik. Pendekatan modern yaitu dengan mendispersikan perak pada ultra lembut nanopartikel. Peningkatan yang pesat pada luas permukaan akan menambah kemampuan sanitasi perak. Anti-fingerprintPermukaan metal seperti stainless steel akan mudah ternodai dengan sentuhan dari jari tangan sehingga akan mengurangi tingkat reflektansi material karena adanya lemak dari kulit. Meskipun pengaruh deposisi sidik jari tidak dapat dihindari, tetapi pelapisan dengan anti-fingerprint akan mengurangi tingkat penampakannya dengan mengkamuflasekannya. Refraktive index dari lapisan pelindung akan cocok dengan lemak. Sehingga anti fingerprint coating akan tampak lebih gelap bila tanpa coating. Anti-fogMembawa permukaan dingin ke lingkungan yang hangat akan menyebabkan terjadinya fogging. Pengaruh ini tak dapat dihindari meskipun permukaan telah dipanasi. Ini karena terbentuknya droplet yang sangat kecil pada permukaan cermin yang menyebabkan permukaan cermin menghamburkan cahaya dan bayangan. Suoerhidrophylic coating dapat mencegah terbentuknya droplet pada permukaan. Droplet akan bergabung membentuk lapisan tipis sehingga tidak mempengaruhi tingkat reflektansinya. Coating TiO2 adalah super hydrophilic pada saat terekspos pada cahaya UV yang cukup.DAFTAR PUSTAKA

Ragesh, Prathapan, dkk. 2014. A review on self-cleaning and multifunctional materials . Cite this: J. Mater. Chem. A , 2014, 2, 14773Forbes, Peter.2008. Self-Cleaning Materials: The lotus plants magnificent ability to repel dirt has inspired a range of self-cleaning and antibacterial technologies that may also help control microfluidic lab-on-a-chip devices. ScientificAmerican Inc.