HALAMAN JUDUL - Pengujian Keseragaman Dan Keandalan Piezoelektrik Serat Nano Sebagai Alat Pembangkit Energi Skala Nano

  HALAMAN JUDUL PENGUJIAN KESERAGAMAN DAN KEANDALAN PIEZOELEKTRIK SERAT NANO SEBAGAI ALAT PEMBANGKIT ENERGI SKALA NANO SKRIPSI Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Oleh: SHOLIEHUL HUDA I0408061 JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2014

  

PENGUJIAN KESERAGAMAN DAN KEANDALAN

PIEZOELEKTRIK SERAT NANO SEBAGAI ALAT

PEMBANGKIT ENERGI SKALA NANO Disusun oleh:

  SHOLIEHUL HUDA I0408061 Dosen Pembimbing I Dosen Pembimbing II Dr. techn. Suyitno, S.T., M.T. Zainal Arifin, S.T., M.T.

  NIP. 197409022001121002 NIP. 197303082000031001 Telah dipertahankan di hadapan tim dewan penguji pada hari Senin tanggal 26 Mei 2014 1. Ir. Agustinus Sujono, M.T.

  NIP. 195110011985031001

  2. D. Danardono, S.T., M.T., PhD NIP. 196905141999031001

  Mengetahui, Ketua Jurusan Teknik Mesin Koordinator Tugas Akhir Didik Djoko Susilo, S.T., M.T. Wahyu Purwo Raharjo, S.T., M.T.

  NIP. 197203131997021001 NIP. 197202292000121001

  

PENGUJIAN KESERAGAMAN DAN KEANDALAN

PIEZOELEKTRIK SERAT NANO

SEBAGAI ALAT PEMBANGKIT ENERGI SKALA NANO Sholiehul Huda

  Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik, Universitas Sebelas Maret

  Surakarta, Indonesia sholiehul.huda@gmail.com

  ABSTRAK

  Nanogenerator (NG) Zinc oxide berbasis serat nano menjadi suatu pemanen listrik dari energi mekanik yang menjanjikan. Serat dapat disintesa dengan mudah oleh mesin electrospinning. Namun, durabilitas, repeatability dan

  

reproducibility (R&R) adalah faktor utama yang perlu diselidiki untuk

  meminimalkan kegagalan produk dan untuk menentukan kelayakan produksi massal NG. Serat zinc oxide dihasilkan oleh mesin electrospinning dari larutan

  

zinc asetate dan polyvinyl alcohol (PVA) pada debit 4 L/menit kemudian

disintering pada suhu 550 °C dengan laju pemanasan 240 °C/jam.

  Pada pembebanan 0,5 kg, voltase yang dihasilkan antara 203 mV- 220

• 4

  mV. Pada variasi pembebanan didapat laju kegagalan cepat sebesar 1,08 x 10 mV/siklus pada pembebanan 1 kg 1,5 kg dan laju kegagalan lambat pada 0,25

• 4

  kg 0,75 kg sebesar 0,26 x 10 mV/siklus. Keandalan tertinggi didapat pada 0,8 kg pada 14.321 siklus. Hasil difraksi sinar-X menunjukkan dengan semakin besar beban yang diterapkan maka diameter kristal akan semakin kecil. Selain itu dengan regangan yang besar maka voltase yang dihasillkan akan semakin besar.

  Selanjutnya, setiap 10 NG diuji oleh tiga operator yang terlatih dengan tiga kali pengulangan pada beban 0,5 kg. NG berbasis zinc oxide menghasilkan tegangan output maksimum mulai dari 203 mV hingga 217 mV. Nilai

  

repeatability dan reprodubility dari NG adalah 26,98% menunjukkan bahwa NG

  masih dapat diterima untuk diproduksi secara massal. Nilai reprodubility yang relatif rendah ini disebabkan oleh operator, sehingga daftar checklist perlu dibuat lebih mudah dan sederhana untuk semua variabel yang dapat mempengaruhi kualitas serat.

  Kata kunci: nanogenerator, durability, repeatability, reproducibility, serat zinc oxide , electrospinning.

  

UNIFORMITY AND RELIABILITY TESTING OF

NANO FIBERS - BASED PIEZOELECTRIC AS NANOGENERATORS Sholiehul Huda

  Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik, Universitas Sebelas Maret

  Surakarta, Indonesia sholiehul.huda@gmail.com

  ABSTRACT

  Zinc oxide fibers-based nanogenerators (NGs) are promising for harvesting electricity from mechanical energy. The fibers can be synthesized easily by electrospinning machine. However, the durability and the repeatability & reproducibility (R&R) are two major factors needed to be investigated to minimize products failure and to determine the feasibility of mass production of NGs. The green fibers of zinc oxide were produced by electrospinning machine of zinc acetate and polyvinyl alcohol (PVA) solution at a flow rate of 4 L/min followed by sintering at a temperature of 550 °C with a heating rate 240 °C/h.

  At 0.5 kg load, a voltage was generated between 203 mV-220 mV. The

• 4

  rapid failure rate of 1.08 x 10 mV/cycle was occurred at various loadings

• 4

  ranging from 1 - 1.5 kg. Meanwhile, the slow failure rate was 0.26 x 10 mV/cycle when NGs was subjected to loads ranging from 0.25 to 0.75 kg. The highest reliability was obtained at 0.8 kg for 14.321 cycles. The greater the applied load, the smaller the crystallite diameter was examined by X-ray diffraction. In addition, the great strain produced the increase of output voltage.

  Furthermore, each 10 NGs were tested by three trained operators with three times of repetition at a compresive load of 0.5 kg. The zinc oxide-based NGs revealed the maximum output voltage ranging from 203 mV to 217 mV. The value of repeatability and reproducibility of NGs approximately 26.98% showed that NGs were still acceptable to be mass produced. The relatively low reproducibility was due to the operators, so that the checklist was needed to be made easier and simpler for all the variables affecting to the quality of the fibers. Keywords: nanogenerator, durability, repeatability, reproducibility, zinc oxide fiber, electrospinning.

  Syukur alhamdulillah, segala puji hanya kepada Allah SWT. atas segala nikmat cahaya ilmu pengetahuan, kemudahan serta petunjuk yang telah diberikan sehingga dapat terselesaikan dengan baik penulisan tesis dengan Pengujian

  

Keseragaman dan Keandalan Piezoelektrik Serat Nano Sebagai Alat Pembangkit

Energi Skala Nano Skripsi ini disusun sebagai salah satu syarat untuk

  memperoleh gelar Sarjana Teknik di Program Studi Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret Surakarta.

  Dengan terselesaikannya laporan ini, penulis menyampaikan ucapan terima kasih kepada:

  1. Bapak Dr. Techn. Suyitno, S.T., M.T., selaku Pembimbing I yang telah memberikan inspirasi dan bimbingan dalam menyelesaikan penulisan tesis ini.

  2. Bapak Zainal Arifin S.T., M.T., selaku Pembimbing II yang telah memberikan inspirasi dan bimbingan dalam menyelesaikan penulisan tesis ini.

  3. Seluruh Dosen Teknik Mesin yang telah memberikan ilmu, inspirasi dan motivasi selama menjalani proses perkuliahan.

  4. Keluarga besar yang telah memberikan kasih sayang, nasehat dan doa, semoga Allah memberikan hidayah dan rahmat-Nya.

  5. Rekan- motivasinya selama ini semoga Allah selalu memberikan kesabaran dan kemudahan.

  Harapan penulis mudah-mudahan skripsi ini menjadi sumber inspirasi bagi pembaca sebagai tambahan wacana ilmu pengetahuan dan teknologi. Penulis menyadari masih terdapat banyak kekurangan, oleh karena itu kritik dan saran sangat diharapkan untuk kesempurnaan penyusunan sekripsi ini. Semoga skripsi ini dapat menjadi manfaat bagi kita semua.

  Surakarta, Penulis v

  DAFTAR ISI

  3.1 Tempat Penelitian ............................................................................ 17

  5.1 Kesimpulan ................................................................................................... 30

  BAB V KESIMPULAN DAN SARAN............................................................... 31

  4.3 Repeatability and Durability (R&R) dari Serat Piezoelektrik ZnO. 27

  4.2 Keandalan dari Serat Piezoelektrik ZnO ......................................... 22

  4.1 Tegangan Keluaran dari Piezoelektrik............................................. 21

  BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN ...................................... 21

  3.4 Diagram alir penelitian .................................................................... 19

  3.3 Skema Peralatan............................................................................... 18

  3.2 Prosedur Penelitian .......................................................................... 17

  BAB III METODOLOGI PENELITIAN.............................................................. 17

  HALAMAN JUDUL................................................................................................ I HALAMAN PENGESAHAN.................................................................................II ABSTRAK ............................................................................................................ III ABSTRACT.......................................................................................................... IV KATA PENGANTAR ............................................................................................V DAFTAR ISI......................................................................................................... VI DAFTAR TABEL................................................................................................ VII DAFTAR GAMBAR ..........................................................................................VIII

  2.2 Dasar Teori ........................................................................................ 8

  2.1 Tinjauan Pustaka................................................................................ 4

  BAB II LANDASAN TEORI ............................................................................... 4

  1.5 Sistematika Penulisan ........................................................................ 3

  1.4 Tujuan dan Manfaat ........................................................................... 2

  1.3 Batasan Masalah ................................................................................ 2

  1.2 Rumusan Masalah.............................................................................. 2

  1.1 Latar Belakang ................................................................................... 1

  BAB I PENDAHULUAN .................................................................................... 1

  5.2 Saran.............................................................................................................. 30 vi

  DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Rangkuman nanogenerator piezoelektrik berbasis nanofiber ................ 5Tabel 2.2 Pengaruh perubahan parameter proses elektrospinning terhadap morfologi serat nano yang dihasilkan (Pham, Q.P., et al., 2006) ........... 5Tabel 2.3 Rangkuman prosedur pembuatan nanofiber ZnO menggunakan teknologi electrospinning ....................................................................... 6

  vii

  DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Struktur kristal ZnO (Wang, Z.L., 2004) ............................................8Gambar 2.2. Mesin electrospinning (Dong, Z., et al., 2011) ...................................9Gambar 2.3. a) Gaya-gaya yang bekerja pada tetesan ujung suntikan; b)

  Lekukan tidak stabil setelah melewati Taylor cone (Sigmund, W., et al., 2006) ...............................................................10

Gambar 2.4. Model pembebanan nanogenerator PZT (Chen, X., et al.,

  2010)..................................................................................................12

Gambar 2.5 Control chart (Woodall, W.H., et al., 2011).......................................13Gambar 2.6 Load amplitudo terhadap logaritma dari jumlah siklus kegagalan kelelahan (N) untuk (a) bahan yang menampilkan

  batas kelelahan, dan (b) bahan yang tidak menampilkan batas kelelahan (Callister, W.D., 2007).............................................16

Gambar 3.1. Skema mesin electrospinning............................................................18Gambar 3.2 Skema akusisi data menggunakan ADAM 4018................................19Gambar 3.3. Diagram alir penelitian......................................................................20Gambar 4.1 Tegangan yang keluar pada saat serat ZnO diberi beban 0,5 kg .......................................................................................................21Gambar 4.2 Tegangan maksimum rata-rata yang keluar pada saat serat

  ZnO diberi beban 0,25 sampai 1,5 kg ...............................................22