Riyanto, Agus (2026) Sifat Optik dan Mekanik Komposit PVA Berpengisi Silika dan Karbon Aktif dari Sekam Padi. Doctoral thesis, Institut Teknologi Sepuluh Nopember.
![[thumbnail of 7001222002-Doctoral.pdf]](http://repository.its.ac.id/style/images/fileicons/text.png) |
Text
7001222002-Doctoral.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only Download (5MB) | Request a copy |
Abstract
Polivinil alkohol (PVA) merupakan material yang potensial untuk diaplikasikan sebagai lapisan fotoaktif dalam perangkat fotodiode atau fotodetektor, namun masih terkendala oleh performa optik dan mekaniknya. Oleh sebab itu, penelitian ini diarahkan untuk meningkatkan kinerjanya melalui pendispersian partikel polimorf silika (xerogel, amorf, dan kristalin) atau karbon aktif (C) dari sekam padi. Komposit PVA/silika disintesis menggunakan metode casting dengan perbandingan massa PVA terhadap partikel silika sebesar 9:1. Dengan metode yang sama, komposit PVA/C dibuat dengan variasi fraksi massa pengisi mulai dari 0,5% hingga 5%. Tujuan penelitian ini ialah untuk menelaah karakteristik struktur dan sifat optik partikel polimorf silika, serta untuk menganalisis pengaruh polimorf silika dan fraksi massa karbon aktif terhadap sifat mekanik dan optik kedua jenis komposit dengan memperhatikan aspek strukturnya. Silika xerogel dan silika amorf memiliki fase amorf, gugus silanol, morfologi yang tak beraturan, luas permukaan spesifik yang tinggi, serta kaya akan cacat struktural. Sementara silika kristalin didominasi oleh fase kristobalit dengan sedikit fase tridimit dan memiliki struktur yang lebih padat dengan cacat struktural yang minim. Cacat struktural ini berfungsi sebagai pusat pembentukan eksiton. Oleh sebab itu, silika xerogel memiliki emisi yang paling kuat karena kaya akan cacat struktural, diikuti oleh silika amorf dan silika kristalin. Silika xerogel menghasilkan emisi dengan intensitas paling tinggi, dengan pusat emisi terletak pada wilayah biru dan waktu hidup reratanya ialah 392,37 ns. Silika amorf memiliki pusat emisi pada wilayah yang sama dengan silika xerogel, tetapi dengan waktu hidup rerata yang lebih pendek, yaitu 4,08 ns. Sementara itu, silika kristalin memiliki pusat emisi pada wilayah hijau dengan waktu hidup rerata terpendek sebesar 1,24 ns. Pendispersian partikel polimorf silika ke dalam PVA menciptakan ikatan fisis sehingga meningkatkan kekakuan matriks. Perubahan kekakuan matriks dan ketersediaan cacat struktural pada polimorf silika secara konstruktif meningkatkan eksitasi pada komposit PVA/silika. Komposit PVA yang diisi oleh partikel silika xerogel menghasilkan puncak eksitasi tertinggi pada transisi dengan jenis π→π^*, yaitu mencapai 7,86 kali dibandingkan dengan PVA tanpa pengisi, sedangkan komposit PVA dengan pengisi silika amorf dan kristalin masing-masing hanya mengalami peningkatan sebesar 1,72 dan 1,01 kali. Peningkatan ini berkorelasi positif dengan kenaikan spektrum emisi, namun waktu hidup emisi reratanya menjadi lebih singkat dibandingkan dengan PVA tanpa pengisi. Karakteristik ini mengungkap bahwa PVA yang diisi oleh partikel silika xerogel memiliki potensi yang lebih baik untuk aplikasi fotoaktif, meski penguatan sifat mekaniknya (modulus simpan) lebih rendah dibandingkan dengan komposit yang lain. Pendispersian partikel karbon aktif ke dalam PVA juga meningkatkan kekakuan matriks dan berdampak pada meningkatnya modulus simpan komposit PVA/C, terutama di daerah transisi gelas. Meningkatnya kekakuan matriks disertai dengan keberadaan pusat pembentuk eksiton berupa gugus C=O pada karbon aktif menghasilkan peningkatan eksitasi pada jenis transisi n→π^* yang berbanding lurus dengan fraksi massa karbon aktif. Penguatan paling optimum ditemukan pada komposit PVA dengan pengisi partikel karbon aktif sebanyak 5%, yang mencapai 35,15 kali dibandingkan dengan PVA tanpa pengisi. Peningkatan eksitasi ini diikuti oleh kenaikan intensitas emisi, namun menurunkan waktu hidup emisi reratanya. Dengan demikian, komposit PVA dengan pengisi partikel karbon aktif sebanyak 5% memiliki potensi yang lebih baik untuk lapisan fotoaktif dibandingkan dengan komposit dengan komposisi yang lain karena menampilkan penguatan yang paling signifikan pada transisi elektronik sekaligus pada sifat mekaniknya.
============================================================
============================================================
======
Polyvinyl alcohol (PVA) is a promising material for application as a photoactive layer in photodiode or photodetector devices; however, its optical and mechanical performance remains limited. Therefore, this study was directed toward improving its performance by incorporating polymorphic silica particles (xerogel, amorphous, and crystalline) or activated carbon (C) derived from rice husk. PVA/silica composites were synthesized using a casting method with a PVA-to-silica particle mass ratio of 9:1. Using the same method, PVA/C composites were prepared with filler mass fractions ranging from 0.5% to 5%. This study aims to investigate the structural characteristics and optical properties of silica polymorph particles, and to analyze the influence of silica polymorph type and activated carbon mass fraction on the mechanical and optical properties of both composite types, with particular emphasis on their structural aspects. Xerogel silica and amorphous silica possess amorphous phases, silanol groups, irregular morphologies, high specific surface areas, and are rich in structural defects. In contrast, crystalline silica is dominated by the cristobalite phase with a minor tridymite phase, and exhibits a denser structure with minimal structural defects. These structural defects act as centers for exciton formation. Accordingly, xerogel silica exhibits the strongest emission because it contains the highest density of structural defects, followed by amorphous silica and crystalline silica. Xerogel silica exhibits the highest emission intensity, with a blue emission peak and an average lifetime of 392.37 ns. Amorphous silica has an emission center in the same region as xerogel silica, but with a shorter average lifetime of 4.08 ns. Meanwhile, crystalline silica shows an emission center in the green region with the shortest average lifetime, 1.24 ns. The incorporation of polymorphic silica particles into PVA results in physical interactions that increase the matrix's stiffness. Changes in matrix stiffness and the availability of structural defects in the silica polymorphs constructively enhance the excitation of the PVA/silica composites. PVA composite filled with xerogel silica particles exhibits the highest excitation peak for this type of π→π^*transition, reaching 7.86 times that of unfilled PVA, whereas PVA composites filled with amorphous and crystalline silica show increases of only 1.72 and 1.01 times, respectively. This enhancement is positively correlated with the increase in the emission spectrum, although the average emission lifetime becomes shorter than that of unfilled PVA. These characteristics indicate that PVA filled with xerogel silica particles has greater potential for photoactive applications, even though its mechanical reinforcement (storage modulus) is lower than that of the other composites. The dispersion of activated carbon particles into PVA also increases the matrix stiffness and the storage modulus of PVA/C composites, particularly in the glass transition region. The increased matrix stiffness, together with the presence of exciton-forming centers in the form of C=O groups on activated carbon, enhances the excitation of this type of n→π^* transition in direct proportion to the activated carbon mass fraction. The optimum reinforcement was observed for the PVA composite containing 5% activated carbon particles, which reached 35.15 times that of the unfilled PVA. This increase in excitation is accompanied by higher emission intensity, but a shorter average emission lifetime. Thus, the PVA composite containing 5% activated carbon particles shows greater potential as a photoactive layer than composites with other compositions, as it exhibits the greatest enhancement in both electronic transitions and mechanical properties.
| Item Type: | Thesis (Doctoral) |
|---|---|
| Uncontrolled Keywords: | PVA, silika, karbon aktif, sifat optik, sifat mekanik. PVA, silica, activated carbon, optical properties, mechanical properties. |
| Subjects: | Q Science Q Science > QC Physics Q Science > QC Physics > QC100 Crystals. Q Science > QC Physics > QC173.4.C63 Composite materials Q Science > QC Physics > QC451 Spectroscopy Q Science > QC Physics > QC475 Photoluminescence Q Science > QC Physics > QC585.75.S55 Silica Q Science > QC Physics > QC 611.97.T46 Temperature effects. Including transition temperature |
| Divisions: | Faculty of Science and Data Analytics (SCIENTICS) > Physics > 45001-(S3) PhD Thesis |
| Depositing User: | Agus Riyanto |
| Date Deposited: | 28 Jul 2026 03:47 |
| Last Modified: | 28 Jul 2026 03:47 |
| URI: | http://repository.its.ac.id/id/eprint/138332 |
Actions (login required)
 |
View Item |