Kemajuan Penelitian dalam Membran Polivinil Alkohol yang Dimodifikasi

Polivinil alkohol (PVA) adalah bahan membran polimer yang populer dan tahan air. Bahan ini sangat bermanfaat dalam pengemasan makanan, pervaporasi, dan pengolahan air limbah karena stabil secara kimia, tahan asam dan basa, mudah membentuk film, dan aman digunakan. Banyaknya gugus hidroksil yang dimilikinya memberikan sifat tahan air dan anti-fouling yang baik. Namun, gugus-gugus ini juga menyebabkan dua masalah utama: bahan ini tidak terlalu kuat dan tidak tahan air. Ini berarti bahan ini dapat mengembang atau bahkan larut dalam air, sehingga membatasi penggunaannya.

Untuk mengatasi masalah ini, para ilmuwan telah mencoba mengubah membran PVA dengan mencampurnya dengan bahan lain, membentuk nanokomposit, memanaskannya, melakukan ikatan silang kimia, atau menggunakan campuran dari cara-cara ini.

1. Modifikasi Fisik: Meningkatkan Fungsi dan Kekuatan

Metode modifikasi fisik, seperti pencampuran dan nanokomposit, populer karena sederhana dan mudah ditingkatkan untuk produksi industri.

1.1 Modifikasi Pencampuran

Menggabungkan berbagai hal untuk mengubah film PVA melibatkan pencampuran bahan-bahan yang bekerja dengan baik dan tercampur dengan baik dengan PVA untuk membuat film tersebut. Kitosan (CS), misalnya, sering digunakan. Keunggulannya adalah kitosan memberikan film PVA kemampuan membunuh kuman yang baik, sehingga dapat menghentikan atau bahkan membunuh Escherichia coli dan Staphylococcus aureus secara signifikan. Hal ini membantu Film polivinil alkohol (film PVA) dapat digunakan dalam berbagai hal seperti pembalut hemostatik. Namun, penambahan bahan pencampur terkadang dapat melemahkan sifat mekanis asli film PVA, sehingga keseimbangan antara fungsionalitas dan kekuatan mekanis menjadi tantangan utama dalam pendekatan ini.

1.2 Modifikasi Nanokomposit

Modifikasi nanokomposit memanfaatkan efek antarmuka-permukaan yang unik dari pengisi berukuran nano (seperti lembaran nano, batang nano, dan tabung nano) untuk memengaruhi struktur internal film PVA pada tingkat molekuler. Bahkan dengan sedikit pengisi, hal ini dapat meningkatkan kekuatan mekanis dan ketahanan air film PVA secara signifikan, sekaligus meningkatkan konduktivitas listrik, konduktivitas termal, dan sifat antimikrobanya.

• Nanomaterial biopolimer: Penambahan nanoselulosa (CNC/CNF) dan nanolignin (LNA) dapat meningkatkan sifat mekanik film PVA karena sifatnya yang biokompatibel dan memiliki sifat mekanik yang baik. Ikatan hidrogen antarmolekul antara material ini telah terbukti meningkatkan kekuatan tarik dan fleksibilitas film PVA. Nanolignin, khususnya, sangat efektif dalam membuat film PVA lebih kuat dan lebih tahan sobek. Nanolignin juga membuatnya lebih baik dalam menghalangi uap air dan sinar UV, sehingga lebih bermanfaat dalam kemasan makanan.
• Nanomaterial berbasis karbon: Grafena, grafena oksida (GO), dan karbon nanotube (CNT) memiliki kekuatan mekanik yang sangat tinggi serta konduktivitas listrik dan termal yang sangat baik. GO dapat membentuk beberapa ikatan hidrogen dengan PVA, sehingga meningkatkan kekuatan mekanik dan ketahanan air film. Misalnya, penambahan bovine serum albumin ke nanopartikel SiO₂ (membentuk SiO2@BSA) dapat meningkatkan kekuatan tarik dan modulus elastisitas film PVA lebih dari dua kali lipat dibandingkan dengan menggunakan film PVA murni. Nanomaterial berbasis silikon: Nanopartikel silika (SiO2NPs) dan montmorillonit (MMT) dapat secara efektif meningkatkan sifat mekanik dan stabilitas termal film PVA. Misalnya, SiO₂NPs yang dimodifikasi dengan bovine serum albumin (SiO2@BSA) dapat meningkatkan kekuatan tarik dan modulus elastisitas film PVA hingga lebih dari dua kali lipat dibandingkan film murni.
• Nanopartikel logam dan oksida logam: Nanopartikel perak (AgNPs) memberikan konduktivitas listrik dan sifat antibakteri yang sangat baik pada film PVA; nanopartikel titanium dioksida (TiO2NPs) secara signifikan meningkatkan aktivitas fotokatalitik film PVA dengan bereaksi dengan gugus hidroksil pada rantai molekul PVA, menunjukkan potensi besar untuk pengolahan air limbah.

2. Pendekatan Kimia dan Termodinamika: Membangun Struktur yang Stabil

2.1 Modifikasi Ikatan Silang Kimia

Modifikasi ikatan silang kimia memanfaatkan banyak gugus hidroksil pada rantai samping PVA untuk bereaksi dengan pengikat silang (seperti asam dibasik/polibasik atau anhidrida) untuk membentuk jaringan ikatan silang kimia yang stabil (ikatan ester) antar rantai polimer. Metode ini dapat meningkatkan sifat mekanik dan ketahanan air film PVA secara lebih konsisten, sehingga secara signifikan mengurangi kelarutannya dalam air dan pembengkakan akibat air. Misalnya, penggunaan asam glutarat sebagai pengikat silang dapat secara bersamaan meningkatkan kekuatan tarik dan perpanjangan putus film PVA.

2.2 Modifikasi Perlakuan Panas

Perlakuan panas mengontrol pergerakan rantai molekul PVA dengan menyesuaikan suhu dan waktu, mengoptimalkan struktur internal dan meningkatkan kristalinitas.

• Anil: Dilakukan di atas suhu transisi gelas, ia meningkatkan kristalinitas film PVA, sehingga meningkatkan kekuatan mekanis dan ketahanan airnya.
• Siklus beku-cair: Inti kristal terbentuk pada suhu rendah, dan pencairan mendorong pertumbuhan kristal. Mikrokristal yang dihasilkan berfungsi sebagai titik ikatan silang fisik untuk rantai polimer, yang secara signifikan meningkatkan kekuatan mekanis dan ketahanan air film. Setelah beberapa siklus, kekuatan tarik film PVA dapat mencapai 250 MPa.

3. Modifikasi Sinergis: Menuju Masa Depan Berkinerja Tinggi

Metode modifikasi tunggal seringkali gagal sepenuhnya memenuhi persyaratan kinerja film PVA yang kompleks dalam aplikasi praktis. Sulit untuk meningkatkan kekuatan dan ketangguhan secara bersamaan. Oleh karena itu, pendekatan kuncinya adalah menggunakan dua nanofiller atau metode yang bekerja sama dengan baik. Hal ini membantu menciptakan film PVA yang berkinerja baik di semua bidang. Misalnya, menggabungkan ikatan silang kimia dengan nanokomposit saat ini merupakan salah satu strategi yang paling menjanjikan. Penelitian telah menunjukkan bahwa modifikasi sinergis film PVA menggunakan asam suksinat (SuA) sebagai pengikat silang dan nanowhisker selulosa bakteri (BCNW) sebagai pengisi penguat secara signifikan meningkatkan kekuatan tarik dan ketahanan air, sehingga secara efektif menutupi kekurangan metode modifikasi tunggal.

4. Kesimpulan dan Prospek

Kemajuan yang luar biasa telah dicapai dalam modifikasi film polivinil alkohol (PVA). Melalui penerapan gabungan berbagai strategi, termasuk perlakuan fisik, kimia, dan termal, sifat mekanik, ketahanan air, dan multifungsi film PVA telah meningkat pesat. Hal ini secara signifikan mendorong penerapan praktis membran PVA yang dimodifikasi di berbagai bidang seperti pengolahan air, pengemasan makanan, perangkat optoelektronik, dan sel bahan bakar.

Ke depannya, penelitian tentang membran PVA yang dimodifikasi (seperti PVA 728F yang dimodifikasi) akan fokus pada aspek-aspek berikut:

• Modifikasi sinergis: Menjelajahi lebih lanjut efek sinergis optimal dari ikatan silang kimia dan nano komposit untuk mengatasi konflik antara fluks permeasi dan selektivitas bahan membran dan mencapai pengoptimalan sinergis dari berbagai sifat.
• Ekspansi Fungsional: Kami berencana untuk terus mengembangkan film PVA, memberinya fitur-fitur baru seperti penyembuhan diri dan respons cerdas, sehingga dapat digunakan dalam situasi yang lebih rumit.

Dengan memanfaatkan keunggulan alami PVA dan menggunakan proses modifikasi canggih, film polivinil alkohol kemungkinan akan semakin banyak digunakan di bidang bahan polimer berkinerja tinggi.

Situs web: www.elephchem.com

WhatsApp: (+)86 13851435272

Surel: admin@elephchem.com