Kinerja Triboelektrik Nanogenerator (TENG) Gerak Rotari Freestanding dengan Film Nanokomposit Pati Singkong/Polivinil Alkohol (PVA)-TiO2

Ansori, Aris and Prof. Ir. Sudjito Suparman, Ph.D. and Prof. Dr. Eng. Denny Widhiyanuriyawan, ST., MT. and Teguh Dwi Widodo, ST., M.Eng., Ph.D. (2023) Kinerja Triboelektrik Nanogenerator (TENG) Gerak Rotari Freestanding dengan Film Nanokomposit Pati Singkong/Polivinil Alkohol (PVA)-TiO2. Doktor thesis, Universitas Brawijaya.

Abstract

Triboelektrik nanogenerator (TENG) adalah model devais pembangkit listrik skala mikro atau nano yang dapat digunakn untuk memanen energi mekanik skala rendah. TENG dapat diaplikasi untuk perangkat elektronika berdaya mandiri. Prinsip kerja TENG berdasarkan elektrifikasi kontak dan induksi elektrostatis dengan empat mode dasar gerak; mode gerak vertical, mode gerak geser, gerak, mode elektroda tunggal, dan mode triboelectrik berdiri bebas. Namun, hambatan yang mempengaruhi kinerja TENG film gesek padat-padat adalah bahan film gesek saat kelembaban tinggi lingkungan dapat menurunkan daya keluaran TENG. Selain itu, peran film triboelektrik TENG tidak hanya sebagai film gesek tetapi juga berfungsi media penyimpanan dan transfer muatan. Film tribo berbahan organic, seperti; film berbahan pati singkong masih mempunyai kendala, seperti; sifat mekanik, sifat ketahanan air, sifat penyimpan muatan, dan transfer muatan. Sehingga dari sudut material pati singkong diperlukan modifikasi, sehingga dapat meningkatkan kinerja film saat kelembaban tinggi untuk aplikasi TENG film padat-padat untuk lokasi yang kelembaban linkungan ekstrem. Penelitian ini membahas proses pembuatan film nanokomposit berbasis pati singkong dengan penambahan polimer polivinil alkohol (PVA) dan bahan pengisi nanopartikel TiO2, serta aplikasi penggunaan film nanokomposit pada Triboelektrik nanogenerator mode rotary freestanding (RF-TENG). Metode pembuatan film nanokomposit pati singkong/PVA-TiO2 dengan metode solvent casting, (a). pembuatan larutan pati singkong, dengan komposisi pati singkong (4,2 g), dan gliserol (1 g) sebagai plasticizer yang didispersikan dengan akuades (50 mL) dalam gelas borosilikat, (b). Larutan pati singkong, dan gliserol diaduk secara mekanis selama 5 menit sampai larutan benar-benar homogen, (c). Larutan pati singkong dipanaskan pada 150 oC untuk sampai dihasilkan larutan pati bening dengan magnetic stirrer, kecepatan 250 rpm dan dilanjutkan pada suhu 95 oC selama 30 menit, (d). Larutan polivinil alkohol (PVA) dibuat dengan melarutkan PVA dengan air suling dan dipanaskan 150 oC, putaran (250 rpm) sampai larut menjadi homogen dan terbentuk larutan bening, (e). Larutan komposit bening pati singkong/PVA ditambahkan dengan nanopartikel TiO2 dengan rasio berat yang berbeda, yaitu; 0,5%, 1%, 3%, 5%, dan 7%, dipanaskan suhu 95 oC, putaran 400 rpm menggunakan magnetic stirrer selama 30 menit. (f). Larutan pati singkong/PVATiO2 yang dihasilkan dituangkan ke dalam cetakan teflon (radius 50 mm) dengan volume penuangan yang sama untuk setiap sampel untuk menghasilkan ketebalan film yang sama, dan (g). Pengeringan film dilakukan dalam oven udara panas pada suhu 40 oC selama 24 jam. Sampel film nanokomposit pati singkong/PVA-TiO2 dengan variasi berat TiO2 yang berbeda dilakukan pengujian dengan uji spectrophotometry fourier transform infrared (FTIR), scaning elektron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD) untuk mengetahui struktur rantai kimia, morfologi permukaan, dan struktur kristal, Menguji sifat mekanik film terdiri dari tensile strength (Ts), Elongation at the break (Eb), and Modulus Young’s (My) dengan metode standar ASTM D882-10 (ASTM, 2010) menggunakan mesin pengujian tarik dengan kecepatan tarik 0,025 mm/s. Menguji sifat keterbasahan film, ketahanan air, permiabilitas film, dan kinerja film untuk film gesek TENG Rotari Freestanding dengan pasangan film gesek film kapton dan film nanokomposit pati singkong/PVA-TiO2 dengan putaran rotor 200 rpm dan pengujian dilkukan di dalam ruang silinder yang dilengkapi dengan dua inlet dan satu outlet untuk mengkontrol kelembaban ruang silnder 15% dan 95%, tegangan dan arus keluaran TENG diukur menggunakan osiloskop digital (DSOX6004A) dengan resistansi beban 1KΩ. Struktur molekul polimer pati singkong dan PVA kaya gugus hidroksil (getaran peregangan gugus hidroksil –OH) dalam pita transmitansi 3285 cm-1. Interaksi kimia antara molekul polimer CS/PVA yang menyebabkan perubahan karakteristik puncak spektral komposit, gugus hidrokarbon C-OH dianggap berasal dari getaran C-O (1000- 1250 cm-1), dan kelompok –OH. Peningkatan konsentrasi TiO2 (di atas 1% TiO2 wt) menunjukkan sedikit pergeseran posisi puncak (900-1100 cm-1) yang terkait dengan domain kristal TiO2 terhidrasi (1000 cm-1) ke dalam polimer pati singkong/PVA. Sedangkan film pati singkong menunjukkan ikatan hidrogen antarmolekul dan intramolekul yang kuat pada puncak 2θ = 19.69o, dan menunjukkan pati singkong terdispersi dalam PVA pada komposit pati singkong/PVA ditandai perubahan puncak. Dispersi TiO2 di atas 1% wt menghasilkan puncak 2θ = 22.38o, 27.60o, dan 54.43o menunjukkan titanium dioksida tertanam dalam polimer pati singkong/PVA dalam struktur kristalin. Morfologi film nanokomposit pati singkong/PVA memiliki relief permukaan yang heterogen, dan TiO2 terdistribusi merata dalam matriks polimer. Penambahan TiO2 lebih dari 3%wt menunjukkan peningkatan densitas, kekasaran permukaan film, dan peningkatan jalur berliku-liku pada film nanokomposit. Penambahan partikel TiO2 0,5 %wt ke dalam komposit pati singkong/PVA meningkatkan sifat mekanik dengan nilai Tensile Strength dari 14,23 MPa menjadi 19,11 MPa, tetapi menyebabkan penurunan elongation at break. Konsentrasi 1 % wt TiO2 menunjukkan tensile strength optimal 21,20 MPa. Namun, Penambahan diatas 3 % wt TiO2 menunjukkan tensile strength cenderung menurun dan elongation at break cenderung menurun. Kemungkinan penambahan nanopartikel lebih dari 3 wt% menyebabkan partikel TiO2 menggumpal dan menyebar tidak merata. Sedangkan, sifat ketahanan air film nanokomposit pati singkong/PVA-TiO2 meningkat dengan adanya nanofiller TiO2 ditandai meningkatnya sudut kontak permukaan film 79,6° dikarenakan peningkatan kekasaran permukaan film akibat distribusi partikel TiO2. Kinerja film nanokomposit pati singkong/PVA-TiO2 untuk aplikasi film triboelektrik RF-TENG menunjukkan peningkatan tegangan dan arus yang linier dengan capaian optimal pada konsentrasi 3%wt TiO2 dengan nilai 112,5 V dan 10,2 μA dikarenakan nilai konstanta dielektrik naik akibat adanya TiO2 pada campuran polimer pati singkong/PVA. Sementara, kondisi kerja pada kelembaban yang berbeda (15% dan 95%) menunjukkan kenaikan keluaran tegangan dan arus listrik yang mencapai kenaikan 1,6 kali lipat dari ~112,5 V ke ~180 V, dan arus meningkat 1,4 kali lipat dari ~10,2 μA ke ~13,7 μA, peningkatan ini disebabkan oleh pembentukan ikatan hidrogen antara gugus hidroksil dan molekul air pada saat kelembaban tinggi pada permukaan film nanokomposit pati singkong/PVA-TiO2 yang meningkatkan sifat triboelektrifikasi positif film. Power density tertinggi 9,01 W.m-2 penambahan TiO2 3% saat kelembaban RH 15% naik RH 95% power density meningkat 19,9 W.m-2 penambahan 7% TiO2. Efisiensi kerja TENG rotary freestanding dengan putaran konstan 200 rpm dapat mencapai rentang efisiensi 15,83% saat kelembaban rendah RH 15% dan 35% saat terjadi peningkatan kelembaban tinggi RH 95%.

English Abstract

Triboelectric nanogenerator (TENG) is a model of micro or nano-scale power generation device that can be used to harvest low-scale mechanical energy. TENG can be applied to self-powered electronic devices. The working principle of TENG is based on contact electrification and electrostatic induction with four basic modes of motion; vertical mode, sliding lateral mode, single electrode mode, and free-standing triboelectric mode. However, the obstacle that affects the performance of TENG solid-solid friction film is the friction film material when high environmental humidity can reduce the output power of TENG. In addition, the role of triboelectric film TENG is not only as a friction film but also serves as a storage and charge transfer medium. Tribo films made from organic materials, such as; films made from cassava starch still have problems, such as; mechanical properties, water resistance properties, charge storage properties, and charge transfer. So from the cassava starch material point of view, modification is needed to improve the film performance during high humidity for solid-solid film TENG applications for locations with extreme humidity. This research discusses the process of making cassava starch-based nanocomposite films with the addition of polyvinyl alcohol (PVA) polymers and TiO2 nanoparticle fillers, as well as the application of the use of nanocomposite films in Triboelectric nanogenerator freestanding rotary mode (RF-TENG). The method of making cassava starch/PVA-TiO2 nanocomposite film by solvent casting method, (a). making cassava starch solution, with the composition of cassava starch (4.2 g), and glycerol (1 g) as plasticiser dispersed with distilled water (50 mL) in borosilicate glass, (b). The cassava starch and glycerol solution was mechanically stirred for 5 minutes until the solution was completely homogeneous, (c). Cassava starch solution was heated at 150 oC until a clear starch solution was produced with a magnetic stirrer, speed 250 rpm and continued at 95 oC for 30 minutes, (d). Polyvinyl alcohol (PVA) solution was made by dissolving PVA with distilled water and heated at 150 oC, rotation (250 rpm) until it dissolved into a homogeneous and clear solution was formed, (e). Cassava starch/PVA clear composite solution was added with TiO2 nanoparticles with different weight ratios, namely; 0.5%, 1%, 3%, 5%, and 7%, heated at 95 oC, 400 rpm using a magnetic stirrer for 30 minutes. (f). The resulting cassava starch/PVA-TiO2 solution was poured into a Teflon mould (50 mm radius) with the same pouring volume for each sample to produce the same film thickness, and (g). Film drying was carried out in a hot air oven at 40 oC for 24 hours. Samples of cassava starch/PVA-TiO2 nanocomposite films with different TiO2 weight variations were tested with fourier transform infrared spectrophotometry (FTIR), scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD) to determine the chemical chain structure. Testing the mechanical properties of the film consisted of the tensile strength (Ts), Elongation at the break (Eb), and Young's Modulus (My) with the ASTM D882-10 standard method (ASTM, 2010) using a tensile testing machine with a tensile speed of 0.025 mm/s. Testing the film wettability, water resistance, film permeability, and film performance properties for the freestanding rotary TENG friction film with friction film pairs of Kapton film and cassava starch/PVA-TiO2 nanocomposite film with a rotor rotation of 200 rpm and the test was conducted in a cylindrical chamber equipped with two inlets and one outlet to control the humidity of the cylinder chamber 15% and 95%, the output voltage and current of the TENG were measured using a digital oscilloscope (DSOX6004A) with a load resistance of 1KΩ. The molecular structure of cassava starch polymer and PVA is rich in hydroxyl groups (stretching vibration of hydroxyl groups -OH) in the transmittance band 3285 cm- 1. Chemical interactions between CS/PVA polymer molecules that cause changes in the spectral peak characteristics of the composite, C-OH hydrocarbon groups are ascribed to C-O vibrations (1000-1250 cm-1), and -OH groups. Increasing TiO2 concentration (above 1% wt TiO2) showed a slight shift in peak position (900-1100 cm-1) associated with hydrated TiO2 crystalline domains (1000 cm-1) into the cassava starch/PVA polymer. Whereas the PS film showed strong intermolecular and intramolecular hydrogen bonding at 2θ = 19.69o peak, and indicated cassava starch dispersed in PVA in cassava starch/PVA composite marked peak change. TiO2 dispersion above 1% wt produced peaks of 2θ = 22.38o, 27.60o, and 54.43o indicating titanium dioxide embedded in cassava starch/PVA polymer in crystalline structure. The morphology of cassava starch/PVA nanocomposite film has heterogeneous surface relief, and TiO2 is evenly distributed in the polymer matrix. The addition of TiO2 more than 3%wt showed an increase in density, film surface roughness, and an increase in meander paths in the nanocomposite film. The addition of 0.5 wt TiO2 particles into cassava starch/PVA composites improved mechanical properties with tensile strength values from 14.23 MPa to 19.11 MPa, but caused a decrease in elongation at break. The concentration of 1% wt TiO2 showed an optimal tensile strength of 21.20 MPa. However, the addition of above 3% wt TiO2 shows tensile strength trends to decrease and elongation at break trends to decrease. The possibility of adding more than 3 wt% nanoparticles causes TiO2 particles to clump and spread unevenly. Meanwhile, the water resistance properties of cassava starch/PVA-TiO2 nanocomposite film increased with the presence of TiO2 nanofillers marked by an increase in film surface contact angle of 79.6° due to an increase in film surface roughness due to the distribution of TiO2 particles. The performance of cassava starch/PVA-TiO2 nanocomposite film for RF-TENG triboelectric film application showed a linear increase in voltage and current with optimal achievement at 3%wt TiO2 concentration with values of 112.5 V and 10.2 μA due to the increased dielectric constant value due to the presence of TiO2 in the cassava starch/PVA polymer blend. Meanwhile, the working conditions at different humidity (15% and 95%) showed an increase in voltage and current output which reached a 1.6-fold increase from ~112.5 V to ~180 V, and the current increased 1.4-fold from ~10.2 μA to ~13.7 μA, this increase was due to the formation of hydrogen bonds between hydroxyl groups and water molecules during high humidity on the surface of cassava starch/PVATiO2 nanocomposite film which increased the positive triboelectrification properties of the film. The highest power density is 9.01 W.m-2 with the addition of 3% TiO2 with 15% RH humidity. power density increased by 19.9 W.m-2 with the addition of 7% TiO2 at 95% RH. The work efficiency of a freestanding rotary TENG with a constant rotation of 200 rpm can reach an efficiency range of 15.83% when the humidity is low RH 15% and 35% when the humidity is high RH 95%.

Item Type:	Thesis (Doktor)
Identification Number:	062307
Uncontrolled Keywords:	Kinerja, Rotari Freestanding (RF-TENG), film nanokomposit, pati singkong/PVA-TiO2, gaya antarmolekuler, sifat film
Subjects:	600 Technology (Applied sciences) > 620 Engineering and allied operations > 620.5 Nanotechnology
Divisions:	S2/S3 > Doktor Teknik Mesin, Fakultas Teknik
Depositing User:	Unnamed user with username tunjungsari
Date Deposited:	12 Jan 2024 07:40
Last Modified:	12 Jan 2024 07:40
URI:	http://repository.ub.ac.id/id/eprint/209361

Text (DALAM MASA EMBARGO) aris Ansori.pdf Restricted to Registered users only until 31 December 2025. Download (7MB)

Actions (login required)

View Item