Colleges

Aplikasi Partikel TiO2 sebagai Self-Cleaning pada Cat Minyak

(Dipresentasikan dalam Pertemuan Ilmiah Iptek Bahan, 3 Oktober 2012 Grha Widya Bhakti PUSPIPTEK Serpong, Banten)

Sungging Haryo W1, Arimaz Hangga, Warin Gusena, Tri Kurniawan, Dyah Sawitri2

Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri

Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya

Email : mr.pascal@yahoo.com1, joe@ep.its.ac.id2

Abstrak

     Dalam karya seni lukisan kanvas, cat minyak merupakan salah satu media yang paling banyak digunakan oleh pelukis. Cat minyak terbuat dari bahan berpigmen yang dicampur dengan suspensi minyak sebagai media pengikat pigmen. Restorasi lukisan dari cat minyak memerlukan metode non-invasive agar tidak merusak lukisan. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh efek fotokatalis dari TiO2 pada cat minyak yang digunakan sebagai self cleaning dengan tambahan PEG sebagai katalis dengan massa yang berbeda-beda : 0 gram, 3 gram, 4.5 gram, 6 gram, 7.5 gram. Sedangkan sampel uji yang diamati diberi pengotor oli bekas. Dari pengujian  mean grayscale pada citra sampel diperoleh hasil bahwa pada satu jam pertama, sampel dengan campuran PEG 3 gram memiliki kemampuan self cleaning yang paling baik dengan selisih rataan warna sebesar 85.69. Sedangkan pada saat tujuh jam setelah pengujian, sampel tanpa campuran PEG menghasilkan efek self cleaning yang paling baik.

Kata kunci : Self Cleaning, Fotokatalis, Cat Minyak, TiO2

Abstract

In art canvas painting, oil painting is one of the most widely used by painters. Oil paint made ​​from pigment mixed with oil as a suspension medium pigment. Restoration of oil painting requires a non-invasive method that won’t damage the painting. This study aimed to determine the effect of TiO2 on the photocatalytic effect of oil paint are used as self-cleaning with addition PEG addition as a catalyst with different masses: 0 grams, 3 grams, 4.5 grams, 6 grams, 7.5 grams. While the test sample impured by oil. From the mean grayscale test, in first hour, sample with 3 gram PEG mixture can clean the sample better than other samples with difference grayscale color mean 85.69. in the other hand, after 7 hours, sample without PEG mixtures produce the best self cleaning process.

 

Keywords : Self Cleaining, Photocatalystic, Oil Painting, TiO2

H

I. Pendahuluan

asil karya seni lukisan dari cat minyak mulai berkembang di Eropa pada abad pertengahan. Cat minyak yang dipakai terbuat dari bahan berpigmen yang dicampur dengan suspensi minyak sebagai media pengikat pigmen tersebut. Lukisan-lukisan terkenal, seperti Monalisa karya Leonardo da Vinci adalah salah satu contoh hasil karya yang terbuat dari cat minyak. Proses pengeringan cat minyak berbeda-beda, tergantung dari jenisnya. Ketika cat minyak yang masih basah terekspos dengan udara luar, minyak tidak mengalami proses penguapan yang cepat seperti halnya air. Hal tersebut  memberikan keuntungan bagi seniman sehingga dapat melukis dengan bebas dan waktu yang panjang karena cat tersebut tidak cepat kering. Namun, di sisi lain sifat cat minyak yang tidak cepat kering mengakibatkan lukisan mudah terkontaminasi oleh kotoran ketika proses pengeringan berlangsung. Permasalahan lainnya, hasil karya seni yang berharga juga rentan terhadap kotoran dan debu yang dibawa oleh udara bebas. Pembersihan cat minyak menggunakan alat seperti sikat dikhawatirkan akan merusak cat minyak pada lukisan. Karena itu, diperlukan metode non-invasive untuk proses tersebut. Salah satunya adalah mencampur dengan material self-cleaning TiO2.

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 [1]. TiO2 sendiri memiliki tiga macam struktur yaitu anatase, rutile, dan brooklite [2]. Struktur anatase paling banyak dipakai sebagai self cleaning karena memiliki sifat fotokatalis yang paling baik. Pada abad 21, aplikasi TiO2 dikembangkan di berbagai selain self-cleaning, misalnya untuk anti bakteri dan anti-fogging yang memanfaatkan reaksi photoinduced decomposition dan photoinduced hidrofilik [3]. Pada beberapa penelitian, performa TiO2 dapat ditingkatkan melalui pencampuran bahan lain [4-6]. Salah satunya adalah Poly Ethylene Glicol (PEG). PEG merupakan rantai karbon dengan bentuk umum poliester garis lurus bercabang yang diakhiri dengan gugus hidroksil [7]. PEG mampu meningkatkan sifat hidrofilik pada TiO2 yang berperan pada proses fotokatalis [8]. Pada penelitian ini, Partikel nano TiO2 dengan diaplikasikan sebagai self cleaning pada cat minyak dengan dan tanpa katalis PEG.

II. Metodologi

A.    Peralatan dan Bahan

Bahan –bahan yang digunakan untuk melaksanakan penelitian antara lain : nanopartikel TiO2 dengan struktur anatase, cat minyak, dan PEG 6000. Objek yang digunakan untuk pengujian self cleaning pada cat minyak adalah kayu plywood dengan ukuran 10 x 10 cm dan tebal 0,5 cm. Bahan lain yang dipakai adalah thinner. Sedangkan peralatan yang dipakai dalam penelitian adalah magnetic stirrer untuk mencampur partikel TiO2 dengan cat minyak dan PEG, gelas ukur, timbangan digital, dan kuas.

B.    Pencampuran TiO2, PEG, dan  Cat Minyak

Komposisi TiO2 pada penelitian ini dibuat tetap, begitu pula dengan komposisi cat minyak dan thinner yang digunakan. Komposisi ketiga bahan tersebut adalah 6 gram untuk TiO2, 6 ml untuk cat minyak, dan 50 gram untuk thinner. Sedangkan komposisi PEG yang dicampur dengan ketiga bahan tersebut dibuat bervariasi mulai dari 3 gram; 4,5 gram; 6 gram; dan 7,5 gram. Tabel 1 menunjukkan perbandingan komposisi TiO2 dan PEG.

Tabel 1.

Komposisi TiO2 dan PEG

Nomor Sampel Massa TiO2 (gram) Massa PEG (gram)
1 6 0
2 6 3
3 6 4,5
4 6 6
5 6 7,5

TiO2 dan PEG dicampur pada saat proses pengadukan thinner dan cat minyak. Pengadukan larutan ini menggunakan magnetic stirer selama 2 jam agar didapatkan komposisi yang homogen. Temperatur yang digunakan pada saat pengadukan adalah 50 ˚C berfungsi agar jika terdapat air dalam larutan tersebut dapat menguap.

C.    Pengujian dengan  Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR)

Pengujian FTIR memanfaatkan spektrum gelombang inframerah untuk menguji sifat absorbsi, scattering, emisi, dan fotokonduktivitas dari larutan cat minyak yang dicampur TiO2 dan PEG. Melalui pengujian FTIR dapat diketahui apakah pencampuran dari keempat sampel uji sudah homogen. Sampel uji yang diambil untuk tiap larutan adalah satu tetes atau kurang selbih sebanyak 2 ml. Gambar 1 menunjukkan contoh hasil pengujian FTIR untuk sampel uji dengan campuran PEG sebanyak 7,5 gram.

Gambar 1 Hasil pengujian FTIR pada PEG 7,5 gram.

Dari gambar 1 dapat diamati bahwa terdapat kecocokan antara sampel dengan senyawa Poly Ethylene (PE) sebesar 66,32 %. Sedangkan kecocokan yang terbesar pada Calcium Carbonate sebesar 70,75 %. Dengan prosentase kecocokan terhadap kedua senyawa tersebut Maka dapat disimpulkan bahwa komposisi TiO2 dan PEG tercampur secara homogen.

 D.    Proses Pengecatan pada plywood

Setelah melakukan pencampuran dan pengujian menggunakan FTIR maka cat minyak tersebut sudah dapat dicat pada plywood. Pemilihan bahan ini dikarenakan bahan yang di cat harus cukup padat untuk uji dispersi. Setelah melakukan pengecatan pada papan triplek ,sampel tersebut dikeringkan selama 1 hari

E.    Pengujian Dispersi TiO2 dengan Atomic Force Microscopy (AFM)

AFM digunakan sebagai media pengujian dispersi karena memiliki resolusi sangat besar sampai dengan skala nanometer. Hal ini sesuai dengan karakteristik TiO2 yang merupakan partikel berukuran nano (nanopartikel) elalui pengujian AFM dapat diketahui distribusi TiO2 pada sampel yang telah dicat. Secara teori, persebaran TiO2 dipengaruhi oleh kandungan PEG dalam larutan tersebut. Semakin merata distribusi TiO2 pada sampel uji, maka proses self-cleaning dapat berlangsung lebih maksimal. Gambar 2 menunjukkan hasil uji dispersi untuk sampel dengan PEG 3 gram.

Gambar 2. Hasil pengujian AFM pada PEG 3 gram.

Berdasarkan gambar 2. terlihat bahwa distribusi warna pada hasil pengujian mempunyai kontur yang hampir sama dalam ukuran 15 mikrometer sehingga  dapat disimpulkan bahwa   TiO2 tersebar secara merata dalam sampel.

  1. F.    Pengujian Self-Cleaning dengan Oli Bekas

Setiap sampel dimasukkan kedalam oli bekas sekitar 3 menit. Setelah sampel direndam dalam oli bekas maka sampel tersebut diamati dalam rentang waktu 2 jam, 12 jam, 24 jam, dan 48 jam. Pengamatan  dalam rentang waktu tertentu tersebut digunakan untuk mengetahui waktu yang dibutuhkan selama proses self cleaning pada sampel tersebut.

  1. G.    Pengujian Image Processing pada sampel

Setelah dilakukan pengujian self-cleaning maka sampel tersebut diamati sesuai waktu yang ditentukan. Setiap sampel diambil gambarnya menggunakan kamera Single Lens Reflection (SLR) Nikon tipe D40X dengan focal length lensa 18-55 cm. Kondisi pencahayaan pada saat pengambilan gambar dibuat sama. Sedangkan parameter setting kamera yang dibuat konstan dengan ISO 800, Shutter speed 200, dan numerical aperture 5,6. Sampel yang diambil gambarnya kemudian diolah menggunakan software Matlab R2009a untuk mengetahui mean dari piksel citra sampel. Preprocessing yang dilakukan sebelum diolah lebih lanjut adalah resizing dan konversi citra RGB menjadi citra grayscale untuk memudahkan proses perhitungan piksel.

Gambar 3 merupakan contoh pengambilan citra sampel uji dengan komposisi PEG 4,5 untuk citra RGB dan citra grayscale. Dengan membandingkan mean citra asal sebelum dicampur dengan bahan pengotor oli dan setelah dicampur oli, maka dapat diketahui kinerja proses self cleaning pada masing-masing sampel berdasarkan selisih mean piksel dari kedua citra tersebut.

Gambar 3. (a) Citra RGB PEG 4,5 gram dan (b) Citra Grayscale PEG 4,5 gr.

III. Hasil dan Pembahasan

Kelima sampel yang digunakan dalam penelitian diuji berdasarkan mean-nya. Setelah sampel diberi pengotor berupa oli, citra sampel diambil setiap satu jam untuk mengetahui proses self-cleaning berlangsung. Sebelum dicari rataan warnanya, dilakukan pra-pemrosesan (pre-processing) dengan cara mengubah resolusi citra menjadi 600×600 piksel. Citra sampel yang di-resize tersebut memiliki 3 komponen warna RGB (Red Green Blue) dengan nilai bervariasi antara 0 sampai dengan 255. 0 merepresentasikan warna yang paling gelap (hitam) dan 255 menunjukkan warna citra yang paling terang (putih). Untuk mendapatkan citra grayscale dari citra RGB sampel, digunakan persamaan berikut :

Dimana N adalah mean citra grayscale, sedangkan R, G, dan B merepresentasikan nilai citra Red, Green, dan Blue. . Tabel 2 menunjukkan mean tiap komponen warna dan mean hasil konversi ke citra grayscale.

Tabel 2.

Hasil pengukuran nilai rataan warna RGB dan grayscale awal

Nomor Sampel Massa PEG (gram) R G B Grayscale
1 0 124.95 154.84 118.66 141.79
2 3 125.73 159.13 131.79 146.08
3 4,5 133.2 164.33 136.2 151.86
4 6 130.78 162.12 133.61 149.54
5 7,5 131.5 162.76 132.67 150.03

Nilai grayscale pada tabel 2 digunakan sebagai pembanding kinerja tiap sampel, dan menjadi nilai awal sebelum sampel dikotori dengan oli. Perubahan warna pada tiap sampel diamati selama tujuh jam, dengan mengambil citra sampel setiap satu jam sekali.

Gambar 4. Hasil pengujian grayscale tiap sampel

Dari gambar  4, dapat dilihat bahwa secara relatif, kelima sampel mengalami kenaikan nilai Grayscale yang mengindikasikan proses self cleaning telah bekerja pada masing-masing sampel. Yang membedakan tiap sampel adalah laju proses fotokatalis selama tujuh jam. Hal ini dapat diamati dari kenaikan grafik tiap sampel pada gambar 4. Sampel dengan campuran PEG 3 gram mengalami kenaikan yang paling signifikan pada satu jam pertama. Hal ini menunjukkan bahwa campuran PEG dalam sampel tersebut mampu mendistribusikan TiO2 dalam campuran sampel paling cepat dibandingkan dengan sampel lain. Sedangkan sampel tanpa campuran PEG memiliki laju kenaikan paling rendah pada satu jam pertama, dikarenakan TiO2 dalam sampel tersebut belum terdistribusi secara merata. Untuk sampel dengan campuran PEG 7.5 gram mengalami kenaikan nilai grayscale yang cukup signifikan pada satu jam pertama, namun masih di bawah sampel dengan kandungan PEG 3 gram. Pada jam-jam berikutnya, tiap sampel cenderung mengalami kenaikan nilai grayscale dengan laju yang berbeda-beda. Namun terdapat penurunan untuk beberapa contoh sampel, misalnya sampel dengan campuran PEG 6 gram pada jam kedua, nilainya turun dari 91.292 menjadi 72.691. Hal ini dikarenakan proses fotokatalis memerlukan waktu yang cukup lama sehingga self cleaning berjalan dengan maksimal, dan efeknya baru dapat diamati dengan jelas dalam hitungan hari. Jika diamati selisih derajat keabuan sampel pada saat pengambilan citra awal dengan derajat keabuan sampel setekah tujuh jam, diperoleh hasil bahwa sampel tanpa campuran PEG memiliki selisih paling besar. Hal ini merepresentasikan kemampuan self-cleaning TiO2 pada sampel tersebut paling optimal dibandingkan dengan sampel lain yang dicampur dengan PEG. Sedangkan selisih yang paling kecil terdapat pada sampel dengan campuran PEG 7.5 gram.

IV. Kesimpulan

Berdasarkan hasil pengambilan data dan analisis hasil pengujian mean grayscale dari tiap sampel dapat disimpulkan bahwa nanopartikel TiO2 dapat diaplikasikan sebagai self cleaning pada cat minyak. Campuran PEG pada partikel TiO2 mampu mempercepat proses fotokatalis pada satu jam pertama, dengan hasil terbaik pada sampel dengan campuran PEG 3 gram. Sedangkan proses self cleaning setelah tujuh jam menunjukkan bahwa sampel tanpa campuran PEG memiliki kemampuan self cleaning yang paling baik, berdasarkan pengujian mean citra grayscale sampel.

III. Referensi

[1]     Basic Principles of Photocatalysis, online, available at http://www.albagaia.com/images/BasicPrinciplesOfPhotocatalysis.pdf

[2]     U. Diebold, Structure and properties of TiO2 surfaces: a brief review, Appl. Phys. A 76, 1–7 (2002)

[3]     Kazuhito Hashimoto, Hiroshi Irie and Akira Fujishima, TiO2 Photocatalysis : A Historical Overview and Future Prospects, AAPPS Bulletin  December 2007, Vol. 17, No. 6.

[4]     K. Guan,  Relationship between Photocatalytic Activity, Hydrophilicity and Self-Cleaning Effect of TiO2/SiO2 Films,  Surf. Coat. Technol. 191 (2005) 155-160

[5]     B. Guo, Z. Liu, L. Hong, H. Jiang, J.Y. Lee, Photocatalytic Effect of the Sol-gel Derived Nanoporous TiO2 Transparent Thin Films,  Thin Solid Films. 479 (2005) 310-315.

[6]     J. Yu, X. Zhao, Q. Zhao, G. Wang, Preparation and Characterization of Super-hidrophylic Porous TiO2 Coating Films,  Mat. Chem. & Phys.   68 (2001) 253-259.

[7]     T. Miki, K. Nishizawa, K. Suzuki, K. Kato, Preparation of  Thick   TiO2 Film with Large Surface Area Using Aqueous Sol with Poly(ethylene glycol), J. Mat. Sci. 39 (2004) 699-701.

[8]     Tristantini, et al. 2011. Modification of TiO2 Nanoparticle with PEG and SiO2 For Anti-fogging and Self-cleaning Application. IJET-IJENS Vol: 11 No: 02 pages : 80-85.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s