Rekayasa Bahan: Piezoelektrik dan Piezoelektrik PVDF (Polyvinylidene Flouride)

Piezoelektrik adalah tumpukan muatan dalam materi padat (kristal atau keramik) tertentu dalam menanggapi regangan mekanik yang dikenakan. Kata piezoelektrik berasal dari bahasa yunani piezo atau piezein yang berarti memeras atau tekan, dan elektrik yang berarti listrik atau electron. Kata yang piezoelektrik berarti listrik yang dihasilkan dari tekanan. Sumber muatan listrik piezoelektrik merupakan akibat dari efek piezoelektrik.

Gambar 1. Piezoelektrik

Tekanan yang mengenai piezoelektrik kemudian menimbulkan medan listrik. Pada saat medan listrik melewati material, molekul yang terpolarisasi akan menyesuaikan dengan medan listrik, dihasilkan dipol yang terinduksi dengan molekul atau struktur kristal materi. Penyesuaian molekul akan mengakibatkan material berubah dimensi. Fenomena tersebut dikenal dengan electrostriction (efek piezoelektrik). Piezoelektrisitas juga dipengaruhi oleh arah dan dimensi, seperti yang ditunjukan oleh gambar 2 berikut.

Gambar 2. Pengaruh Arah dan Dimensi Piezoelektrik

Bahan piezoelektrik dapat terbentuk secara alami (tersedia di alam) atau buatan manusia. Bahan piezoelektrik alami diantaranya adalah kuarsa (SiO₂), berlinite (AlPO4), gula tebu, garam Rochelle, dan enamel. Sedangkan bahan piezoelektrik buatan diantaranya adalah gallium ortofosfat (GaPO4) dan langasite (La3Ga5SiO14).

 Gambar 3. Efek Piezoelektrik Pada Kristal Kuarsa

A. Bahan Piezoelektrik dan PVDF

Bahan piezoelektrik dapat mengubah deformasi mekanik menjadi potensial listrik dan sebaliknya. Timbulnya potensial listrik ini diakibatkan terjadinya pengkutuban muatan bahan piezoelektrik ketika dikenai tekanan hingga terdeformasi. Penggunaan bahan piezoelektrik sebagai komponen yang dapat mengubah getaran ultrasonik ke atau dari getaran listrik semakin berperan dalam perkembangan industry mekatronika, optik, dan telekomunikasi. Dari berbagai bahan polimer piezoelektrik, PolyVinylidene Flouride atau PVDF merupakan bahan yang banyak menarik perhatian untuk dikaji karena konstanta piezoelektrik dan elastisitasnya tinggi. Keunggulan lain dari bahan tersebut adalah tahan terhadap kejutan mekanik karena kelenturannya, sehingga mudah dibuat dalam berbagai bentuk dan ukuran, ringan karena berat jenisnya rendah dan mempunyai impedansi akustik yang rendah.

Gambar PVDF Piezoelektrik

B. Sifat PVDF

Polyvinylidene Fluoride (PVDF) adalah fluoropolimer termolastik dan non reaktif. PVDF digunakan untuk aplikasi polimer yang membutuhkan kemurnian tinggi, kekuatan, dan ketahanan terhadap asam, basa, dan panas, serta melepaskan asap yang rendah ketika pembakaran. Dibandingkan dengan fluoropolimer lain, PVDF lebih mudah meleleh karena melting pointnya relatif rendah, yaitu 177°C. Selain itu, PVDF mempunyai densitas rendah sebesar 1,78 dan juga lebih murah.

Berikut adalah sifat bahan PVDF sebagai bahan piezoelektrik film:

C. Struktur PVDF

PVDF adalah polimer kristalin (CH₂ – CF₂)_n dan mempunyai 3 bentuk fasa kristal, yaitu fasa α, fasa β, dan fasa γ. Efek piezoelektrisitas PVDF berkaitan erat dengan bentuk fasa kristal tersebut. Kenaikan konstanta piezoelektrik sebanding dengan kenaikan kandungan fasa β dalam bahan karena fasa ini mempunya polarisasi spontan yang cukup besar dalam unit selnya. Pembentukan fasa kristal bergantung pada kondisi kristalisasinya dan terjadi transformasi fasa bolak-balik diantara bentuk-bentuk fasa tersebut.

Gambar Struktur Kristal PVDF I: fasa β, II: fasa α, III: fasa γ

Gambar I, II, dan III menunjukkan struktur kristal dan susunan molekul PVDF. Bentuk I (fasa β) mempunyai rantai molekul yang tersusun sepanjang sumbu b dari tipe planar-zigzag. Tipe ini memiliki sedikit defleksi akibat interaksi sterik antara atom-atom fluor yang tidak terikat dalam monomer-monomer yang terdekat. Bentuk kristalnya ortorombik. Densitas kristalnya 1,973 gram/cc dengan titik leleh berkisar dari 191-212˚C. bentuk II (fasa α) memiliki bentuk kristal monoklinik dengan sudut β = 90˚. Rantai molekul dari fasa α mempunyai hubungan simetri invers satu dengan lainnya, sehingga mengakibatkan momen dipol listrik dari seluruh kristal saling meniadakan. Densitas kristalnya adalah 1,925 gram/cc dengan titik leleh berkisar dari 170-190˚C. Bentuk III (fasa γ) mempunyai bentuk kristal monoklinik dengan tipe planar zigzag. Densitas kristalnya 1, 945 gam/cc dengan titik leleh 197˚C.

C. Proses Pembuatan

PVDF dapat disintesis dari gas monomer vinylidene fluoride melalui suatu radikal bebas proses polimerisasi, yang dilanjutkan dengan proses melt casting.

Film PVDF dibuat dengan menggunakan penekan panas pada 180˚C dan 225˚C. waktu pengepresan 15 menit. Penarikan film dilakukan dengan alat tensile tester. Temperatur penarikan 80˚C dan draw ratio sekitar 5 kali panjang semula. Annealing dilakukan pada 140˚C. penyearahan momen dipol listrik dilakukan dengan memanaskan film pada minyak silikon pada 120˚C. Selanjutnya medan listrik dc (1,5 kV) dinyalakan, 5 menit kemudian temperaturnya diturunkan sampai temperatur kamar, lalu medan listriknya dimatikan.