Cari artikel

Kamis, 07 Agustus 2014

Pengerasan (setting) dari perekat



Setelah perekat dioleskan ke kayu, maka perekat perlu di kondisikan untuk setting (menjadi keras) sehingga bisa membentuk ikatan yang kuat.  Proses setting adalah mengkonversi perekat menjadi kondisi yang tetap atau keras oleh reaksi kimia atau fisika, seperti kondensasi, polimerisasi, oksidasi, vulkanisasi, gelasi, hidrasi, atau penguapan pelarut. Pelarut di sini merujuk pada pelarut solvent atau air. Pelarut waterbased sering mengandung beberapa pelarut organik juga untuk membantu membasahi permukaan kayu. Untuk beberapa perekat polimer, seperti: polivinil asetat, kasein, blood glue, maka pengerasan lem terjadi karena hilangnya pelarut.  Beberapa pelarut lain, termasuk perekat formaldehida-cured, pengerasan perkat melibatkan dua hal yaitu penguapan air dan polimerisasi untuk membentuk ikatan. Untuk polimer di-isosianat difenilmetan polimer, pengerasan terjadi dengan polimerisasi. Untuk perekat jenis hot melt maka pendinginan merupakan proses pengerasan pada perekat. Dalam perekatan kayu, semua mekanisme yang berlaku, tergantung pada sistem perekat yang sedang digunakan.
Para perekat kayu polimer alami baik hot melt, atau waterbased natural polimer, memiliki beberapa keterbatasan dalam hal percepatan setting, pembentukan ikatan interfase yang kuat, dan ketahanan terhadap lingkungan. Semua perekat berbasis biomassa memiliki resistansi eksterior yang rendah. Penggunaan komposit dan kayu laminasi telah sangat dipermudah dengan pengembangan perekat sintetis dengan ketahanan yang lebih baik. Berbeda dengan polimerisasi dengan crosslinks terbatas dan reversibel, perekat sintetis ini telah membentuk suatu crosslinks kovalen yang kuat untuk memberikan ketahanan yang lebih baik. Selain itu, perekat sintetis umumnya akan mengeras dengan dua hal:  polimerisasi  dan penguapan pelarut, sehingga menghasilkan proses setting lebih cepat.  Beberapa cara setting telah memungkinkan memungkinkan penggunaan polimer dengan viskositas rendah untuk pembasahan yang baik dan polimer dengan berat molekul yang lebih tinggi untuk pengeringan yang lebih cepat. Kombinasi ini memberikan tingkat setting yang cepat sehingga memungkinkan untuk menghasilkan kecepatan produksi yang lebih tinggi.

Penguapan pelarut

Dengan banyaknya penggunaan perekat, maka pelarut adalah masalah karena sifat tidak berpori dari substrat telah menghalangi penghilangan pelarut melalui substrat dengan migrasi ke dalam. Namun, kayu adalah bahan yang cukup efektif untuk memungkinkan pelarut  bermigrasi menjauh dari ikatan, sehingga memungkinkan perekat untuk setting. Tentu saja, sifat ini sangat tergantung pada jenis kayu dan tingkat kelembaban kayu. Hal ini sangat mudah untuk dipahaminbahwa kayu basah akan kurang cepat menyerap kelembaban, sehingga membuat lebih sulit bagi perekat waterbase untuk bermigrasi  ke dalam kayu. Dinamika pergerakan air ini memiliki dampak yang besar pada proses ikatan. Faktor-faktor tersebut akan terkait dengan penetrasi perekat ke dalam kayu, tingkat pengerasan perekat, aliran panas melalui komposit, dan pengeringan prematur pada perekat.
Proses ikatan membutuhkan kayu untuk berada dalam kisaran kelembaban tertentu untuk mendapatkan tingkat yang diterima dalam proses setting. Diharapkan produk yang direkatkan  berada di pada kondisi  kelembaban yang dekat dengan kondisi produk yang normal untuk mengurangi  tarikan internal dan perubahan dimensi.
Penetrasi perekat ke dalam kayu adalah bagian penting dari proses ikatan. Kayu yang basah sulit untuk menghasilkan ikatan yang baik karena sedikitnya volume  perekat yang dapat menembus substrat. (Lihat Gambar 9.11 untuk efek umum dari parameter ikatan pada penetrasi). Pada kondisi ekstrem yang lain, kayu yang terlalu kering juga bisa menimbulkan kesulitan bagi  perekat untuk menembus permukaan kayu karena sangat hidrofobik dan sulit untuk menjadi basah. Kayu dengan kisaran kadar air 4% - 10% biasanya baik untuk penetrasi yang optimal dan kecepatan setting.
Sementara kayu yang basah menghambat aliran perekat ke dalam lumens untuk membentuk ikatan mekanik dan kimia, kayu juga dapat terlalu kering sehingga menghasilkan penyerapan yang buruk dari air dan perekat. Untuk perekat bisa setting, maka pelarut harus bisa mengalir menjauh dari perekat menuju ke dalam dinding sel yang didekatnya dan selanjutnya hilang. Penyerapan air ke dalam dinding sel di dekatnya memungkinkan pembentukan perekatan yang kering dan padat. Meskipun sebagian besar studi tentang penyerapan molekul kecil ke dalam kayu lebih difokuskan pada air, pelarut lain juga mudah akan berpengaruh karena akan diserap (teradsorpsi) oleh kayu.
Bagi banyak perekat, tingkat kekerasan ikatan tergantung pada kadar air. Reaksi yang melibatkan kondensasi, setting yang melepaskan air; kadar air yang tinggi dapat menghambat reaksi pengeringan ikatan. Jumlah air juga mengubah mobilitas rantai polimer selama proses curing, yang dapat mengubah distribusi produk untuk polimer perekat. Di sisi lain, banyak isosianat tergantung pada sejumlah kecil air untuk memulai proses curing.


GAMBAR 9.11 efek umum dari kondisi di penetrasi perekat. 
Suhu tinggi membuat perekat lebih cair sampai terlalu banyak untuk menghasilkan polimerisasi. Pada kadar air kayu yang rendah air diambil dari perekat, sementara pada kadar air kayu tinggi, maka air akan memperlambat penetrasi. Kadar air yang meningkat akan mengakibatkan viskositas perekat yang lebih rendah dan meningkatkan penetrasi. Keduanya meriupakan peningkatan pada tekanan ikatan dan penambahan waktu bagi promosikan penetrasi perekat.

Suatu hal yang sangat penting dalam tingkat setting adalah aliran panas melalui komposit atau laminasi ke permukaan ikatan, terutama karena kayu merupakan isolator yang baik. Dalam komposit, air dalam kayu atau uap air di dekat permukaan akan membantu transfer panas ke dalam core dari komposit. Penggunaan core resin yang kering pada suhu lebih rendah dari resin permukaan  merupakan hal yang  penting bagi proses produksi yang cepat. Pengontrolan terhadap transfer panas dan tingkat kadar air merupakan hal yang penting untuk meningkatkan kecepatan dan reproduksi komposit. Dalam laminasi, penggunaan uap air untuk mentransfer panas tidak terjadi, sehingga mengarah ke siklus pemanasan yang lebih lama lagi. Kemampuan resorsinol-formaldehida dan fenol-resorsinol-formaldehida untuk kering  lebih cepat pada suhu kamar merupakan pilihan yang baik dibandingkan dengan fenol-formaldehida resin meskipun biaya mereka lebih tinggi. Cara lain untuk mempercepat penyembuhan adalah dengan menggunakan metode radiasi, seperti curing dengan frekuensi radio.
Dengan beberapa perekat,  pengeringan prematur dapat menjadi masalah jika open time terlalu lama. Hal ini berkaitan dengan banyaknya pelarut yang hilang sehingga perekat tidak dapat mengalir untuk membasahi permukaan lainnya. Kontrol yang tepat dari tingkat kadar air dan penetrasi menentukan lamanya suatu perakitan terbuka dan tertutup.

Reaksi polimerisasi

Untuk ikatan yang kuat, berat molekul yang tinggi dan polimer crosslinking yang lebih banyak umumnya merupakan hal lebih baik. Dalam banyak kasus, perekat terdiri dari monomer dan atau oligomer, yang merupakan sejumlah kecil monomer terikat bersama-sama. Karena perekat perlu memiliki stabilitas sebelum aplikasi, maka perlu ada beberapa metode untuk aktivasi polimerisasi. Aktivasi ini bisa  mencakup pemanasan, perubahan pH, penggunaan katalis, penambahan komponen kedua, atau radiasi. Kadang-kadang kombinasi metode digunakan untuk akselerasi lebih cepat. Metode percepatan ini terkait erat dengan proses produksi pada pembuatan produk kayu
Panas adalah cara yang paling umum untuk mempercepat reaksi polimerisasi. Kebanyakan proses kimia dikendalikan oleh energi keadaan transisi aktivasi, menggunakan persamaan Arrhenius standar. Salah satu faktor yang khas adalah bahwa kecepatan reaksi yang meningkat sampai 2 x untuk setiap 10°C peningkatan suhu, meskipun hal ini tidak selalu berlaku. Ini berarti bahwa jika reaksi cepat terjadi dan suhu reaksi normal tidak terlalu tinggi, akan ada terjadi reaksi yang terjadi pada suhu kamar sehingga mengurangi life time dari perekat. Karena kayu merupakan isolator yang baik, maka keseragaman pemanasan pada perekat bisa menjadi masalah bagi banyak komposit dan laminasi. Pemanasan yang tidak lengkap memberikan kekuatan ikatan yang buruk sebagai akibat dari tidak sempurnanya pembentukan polimer. Untuk mengatasi masalah maka para produsen perekat ini telah mencoba memformulasi perekat sehingga reaksi polimerisasi terjadi pada saat perekat masih memiliki aliran dan penetrasi yang baik ke dalam kayu. Memiliki resin lebih advanced artinya bahwa reaksi yang lebih sedikit diperlukan untuk menghasilkan kekuatan yang dibutuhkan dari perekat.
Keseimbangan antara resin yang advance untuk kering lebih cepat pada saat masih memiliki sifat ikatan yang baik telah dioptimalkan oleh studi intensif mengenai mekanisme reaksi selama bertahun-tahun untuk memungkinkan tingkat produksi lebih tinggi. Di sisi lain, pemahaman tentang panas dan tingkat kadar air di dalam komposit masih sedang dipelajari untuk memungkinkan perbaikan lebih lanjut di tingkat produksi.
Banyak dari kecepatan polimerisasi perekat sensitif terhadap pH. Hal ini terutama berlaku dari polimer formaldehida, tetapi efeknya bervariasi dengan jenis masing-masing co-reaktan dan langkah-langkah  yang berbeda dalam reaksi. Untuk urea-formaldehida (UF) resin, langkah awal penambahan formaldehida untuk urea adalah katalis basa, sedangkan polimerisasi urea hydroxymethylated adalah katalis asam. Jadi, resin UF disimpan pada pH yang lebih netral untuk stabilitas penyimpanan, tetapi kemudian dipercepat dengan menurunkan pH selama proses ikatan. Untuk fenol-formaldehida (PF) resin, ada efek pH yang berbeda dengan reaksi kondensasi yang lebih cepat pada pH tinggi dan pH yang sangat rendah. Salah satu isu yang menjadi perhatian adalah berapa kadar pH dan kapasitas netralisasi dari kayu yang mempengaruhi kecepatan polimerisasi perekat 'di dekat antarmuka dan dalam kayu. Hal ini menjadi semakin rumit dengan adanya fakta bahwa kayu yang berbeda akan memiliki pH yang berbeda dan kemampuan penyangga yang berbeda pula.
Aspek lain yang mengubah tingkat kecepatan polimerisasi adalah penambahan katalis dan akselerator. Suatu katalis sejati adalah bahan yang tidak dikonsumsi dalam proses, sedangkan akselerator dapat dikonsumsi melalui reaksi. Sejumlah akselerator yang tidak dapat disebut sebagai katalis. Seperti disebutkan dalam paragraf sebelumnya, perubahan pH dapat merupakan katalis bagi polimerisasi. Dalam beberapa kasus, pH tidak berubah secara langsung, tetapi senyawa yang ditambahkan yang dapat menghasilkan asam, seperti klorida amonium sulfat amonium atau akselerator untuk resin UF yang terurai oleh panas yang masing-masing menghasilkan asam klorida atau asam sulfat. Ion logam tertentu juga dikenal sebagai katalis untuk resin fenol-formaldehida. Ester Ortho sering digambarkan sebagai katalis untuk resin PF, tetapi dalam kenyataannya dikonsumsi dalam proses, membuat mereka berfungsi sebagai akselerator. Dalam beberapa kasus, co-reaktan, seperti formalin, telah disebut sebagai akselerator, tetapi dalam penggunaan umumnya mereka juga berfungsi sebagai harderner.
Banyak perekat adalah produk dua komponen. Karena komponen tersebut tidak dicampur bersama-sama sampai sesaat sebelum proses ikatan, maka mereka memiliki pot life yang panjang. Namun, penambahan komponen kedua memungkinkan untuk segera memulai polimerisasi. Karena perekat diterapkan pada suhu kamar dan sebagian besar membutuhkan suhu polimerisasi yang lebih tinggi, maka setting akan lambat sampai komposit atau laminasi dipanaskan mencapai suhu yang diinginkan. Ambien polimerisasi yang terlalu cepat tidak diinginkan karena akan membatasi kemampuan perekat untuk membasahi dan menembus kayu, dan untuk terjadinya transfer ketika permukaan kayu yang saling kontak. Salah satu hal yang penting adalah keseragaman pencampuran dari dua komponen. Kegagalan dalam keseragaman campuran akan membentuk ikatan yang tidak sekuat seperti yang pada rasio optimal karena stoikiometri yang rendah. Semakin baik kompatibilitas produk dan viskositas  yang lebih seragam dari dua komponen, maka akan semakin baik juga keseragaman produk pada pencampuran. Banyak dari peralatan aplikasi sudah dirancang untuk memberikan pencampuran yang baik, tapi ini mungkin tidak berlaku dalam pengujian laboratorium atau dalam pengoperasian di  pabrik. Jenis khusus dari aplikasi dua-komponen, di mana salah satu komponen yang diterapkan ke satu permukaan dan komponen lainnya ke permukaan lainnya telah diperkenalkan dan disebut sebagai perekat bulan madu (honeymoon adhesive). Kedua permukaan perlu untuk dibawa ke dalam suatu kontak yang tepat untuk memungkinkan terjadinya pencampuran dua komponen dan harus memiliki kelarutan timbal balik yang baik supaya sistem ini bekerja dengan baik.
Metode lain aktivasi perekat adalah dengan penggunaan beberapa jenis radiasi. Penggunaan sinar ultraviolet dan radiasi berkas elektron adalah yang paling umum untuk curing pada lapisan lem, tetapi penggunaan cahaya pada  ikatan perekat kayu merupakan hal yang sulit. Namun, beberapa jenis radiasi dapat menembus kayu, termasuk microwave dan frekuensi radio, yang dapat mengaktifkan proses curing dengan cara menimbulkan panas dalam bondline untuk memulai polimerisasi termal.

Solidifikasi dengan cara pendinginan

Meskipun hot melt glue merupakan bagian kecil dari  perekat kayu, namun pemahaman mengenai interaksi polimer cair dengan kayu untuk membentuk ikatan antarmuka yang kuat dan tahan lama adalah penting untuk bidang kayu-plastik komposit. Perekat kayu yang digunakan pada saat peradaban awal adalah hot melt adhesive. Beberapa hot melt adhesive telah digunakan untuk ikatan kayu dan plastik dan digunakan di beberapa perakitan kayu, seperti konstruksi kabinet, edge banding, pembuatan  jendela, dan konstruksi rumah mobil. Karena hot melt adhesive dan plastik yang digunakan untuk komposit polimer, mereka memiliki kemampuan terbatas untuk mengalir maka pemanasan polimer di atas titik pelunakan mereka akan memungkinkan mereka untuk mengalir. Semakin rendah berat molekul polimer dan semakin tinggi suhu, semakin baik aliran. Namun, kedua aspek ini dapat mengurangi kekuatan akhir dan memperpanjang waktu untuk setting. Perumusan pada polimer dan aditif dapat memiliki efek besar pada waktu setting. Bahkan, formulasi sering digunakan untuk mengontrol waktu setting sehingga perekat tidak memadat sebelum dua komponen berada di tempat yang benar atau membutuhkan waktu yang lama sampai waktu clamping yang panjang diperlukan.
Tidak seperti perekat lainnya, viskositas yang tinggi pada perekat hot melt akan membatasi kemampuan mereka untuk menembus ke lumen kayu dan pengaliran di permukaan kayu. Begitu perekat mendingin, viskositasnya akan naik dengan cepat untuk kemudian membatasi pembasahan. Meskipun pembasahan kayu adalah terbatas, masih ada dilaporkan adanya maliran ke lumen. Pemahaman mengenai interaksi kayu dan polimer cair sangat penting untuk membuat perbaikan pada ikatan plastik komposit  dengan kayu
Beberapa perekat hot melt yang lebih baru merupakan jenis reaktif untuk memungkinkan pembasahan yang lebih baik dan kekuatan yang lebih besar. Biasanya, hot melt adhesive perlu berat molekul tinggi untuk kekuatannya, tetapi jika perekat cured setelah aplikasi, maka kekuatan awal tidak merupakan isu kritis. Curing pada perekat juga membuat perekat menjadi termoset untuk mengurangi resiko pelunakan kembali dari perekat atau timbulnya aliran (creep) pada perekat yang sudah keras. Beberapa dari produk ini adalah isosianat sehingga mereka akan curing dengan bereaksi dengan air yang tersedia di dalam kayu. Dengan demikian, kombinasi dari mode ini akan memberikan keuntungan dengan menjadi  perekat dengan modus pengaturan tunggal.