Aplikasi lem kayu

Langkah pertama dalam pemakaian lem kayu adalah aplikasi (pengolesan) lem pada permukaan kayu. Aplikasi lem pada permukaan ini bisa dilakukan dengan berbagai macam cara antara lain dengan menggunakan alat semprot, roller, doctor blade (bilah pengoles), curtain coater (alat pembentuk tirai lem) dan teknologi pengolesan yang lain. Setelah aplikasi lem maka langkah berkutnya adalah pembentukan ikatan yang dilakukan dengan pengeringan lem untuk menghasilkan suatu lem yang keras dan mengikat kedua sisi potongan kayu. Proses pengeringan ini harus memberikan waktu yang cukup bagi lem untuk menembus ke dalam kayu membasahi permukaan dan membentuk ikatan yang kuat.

Dalam proses pembentukan ikatan ini maka diperlukan suatu tekanan untuk membawa kedua permukaan kayu menjadi lebih dekat secara bersamaan. Pengeringan lem ini sebagian besar dilakukan dengan cara penguapan dari solvent yang ada pada campuran lem. Beberapa jenis pengeleman yang lain menggunakan pengaturan suhu dan penambahan air untuk membuat perekat lebih encer dan lebih mudah terdeformasi.

Diperlukan kontak tingkat molekul untuk setiap jenis ikatan untuk terbentuk. Karena itu maka lem harus bisa membasahi permukaan dan mengaliri vessel-vessel yang ada pada permukaan kayu. Faktor- faktor yang mengontrol pembasahan permukaan antara lain: energi permukaan antara substrate dan lem, viskositas lem, suhu, tekanan pada permukaan, dll. Kayu memiliki permukaan yang kompleks yang harus dihadapi pada proses penegelaman dibandingkan dengan bahan bahan yang lain. Kayu bersifat sangat anisotropik (tidak seragam) tergantung pada bagaimana dia hidup. Pertumbuhan sel-sel yang memanjang di arah longitudinal, berbeda dengan pertumbuhan yang keluar melingkar dari pusat pohon. Karena itu maka sifat radial kayu berbeda dari sifat tangensial kayu. Kayu juga memiliki sifat-sifat yang bervareasi antara kayu dan gubal dan kayu keras, dan antara kayu tua dan kayu muda. Ketegangan dan tekanan kayu juga sangat dipengaruhi oleh bentuk dan pola dari serat-erat kayu yang semuanya akan mempengaruhi proses pembasahan lem pada permukaan. 

Teori adhesi 

Daya adhesi adalah daya tarik menarik dari bahan-bahan yang berbeda. Daya adhesi pada proses pengeleman sangat tergantung pada interaksi yang terjadi antara permukaan lem dengan permukaan substrat. Daya adhesi ini berbeda dengan kekuatan ikatan pengeleman. Tentu saja interaksi antara lem dan permukaan akan sangat mempengaruhi kekuatan ikatan, jika interaksi antara lem dengan permukaan kayu hanya kecil saja maka kekuatan ikatan juga akan menjadi sangat lemah. Namun, kekuatan ikatan menjadi lebih komplek karena dipengaruhi oleh faktor-faktor lain seperti konsentrasi tegangan, energy dissipation, dan adanya kelemahan di lapisan permukaan seringkali memainkan peran yang lebih penting daripada kekuatan adhesi semata. Aspek adhesi merupakan faktor dominan dalam proses pembentukan ikatan, tetapi mungkin bukan merupakan penyebab dari ikatan lemah yang terjadi dalam proses pengeleman.

Meskipun beberapa teori menekankan aspek adhesi secara mekanis dan lainnya lebih menekankan pada aspek kimia, namun tetap perlu disadari bahwa struktur kimia dan interaksi yang terjadi akan menentukan sifat mekanik dan sifat mekanik menentukan terkonsentrasinya daya pada ikatan kimia yang terjadi secara individual. Dengan demikian, aspek kimia dan aspek mekanis saling terkait dan tidak dapat diperlakukan sebagai proses yang benar-benar terpisah.

Menurut teori ikatan secara mekanis maka lem menghasilkan kekuatan perekatan melalui ikatan yang menjangkau ke dalam pori-pori substrat. Ikatan ini menghasilkan kekuatan yang besar untuk mencegah terjadinya pergeseran antara kedua bagian yang disatukan, tetapi kekuatan untuk mencegah pelepasan hanya kecil saja. Teori mekanikal interlock ini mengabaikan interaksi kimiawi yang terjadi. Pada kenyataannya, ada daya geser yang menahan pelepasan yang menunjukkan adanya interaksi antar permukaan. Untuk menghasilkan suatu interlock (ikatan yang saling berpautan), maka substrat harus cukup dibasahi oleh lem dengan baik sehingga ada ikatan kimia yang terbentuk bersama dengan kekuatan mekanik.

Kemampuan untuk menembus pori-pori menjadi lebih sulit dan kekuatan ikatan mekanik menjadi berkurang pada kayu dengan pori-pori yang kecil. Secara umum ikatan mekanik lebih kuat untuk menahan gaya geser dibandingkan dengan gaya normal. Pada substrat yang terlalu halus maka kekuatan ikatan mekanik menjadi berkurang karena tidak memiliki kekasaran cukup untuk membentuk interlock dari perekatan. Untuk mengatasi problem ini dapat dilakukan suatu proses pengkasaran permukaan substrat dengan pengamplasan pada permukaan jika dianggap terlalu halus.

Jika konsep mengenai tentakel perekat yang menembus ke dalam substrat dipindahkan dari skala makro ke tingkat molekuler, maka konsep ini disebut sebagai teori difusi. Jika terbentuk tentakel substrate yang menembus ke dalam lem maka hal ini disebut sebagai interdifusi. Hal inilah yang menyebabkan terbentuknya rantai ikatan antara substrat dan lem. Ikatan antarmuka yang terjadi akan sangat kuat karena adanya daya yang didistribusikan ke seluruh rantai ikatan. Namun, konsep ini hanya dapat bekerja jika terbentuk suatu tentakel perekat yang masuk ke dalam substrat. Agar hal ini terjadi, maka harus terjadi kompatibilitas yang baik antara perekat dan substrat. Kompatibilitas yang baik akan menghasilkan suatu jaringan yang kuat terbentuk dari kombinasi kimia dan kekuatan mekanik.

Teori-teori lain terutama menekankan pada interaksi kimia daripada aspek yang benar-benar mekanis. Jadi, mereka mengambil penjelasan pada tingkat molekuler, dan memerlukan kontak yang baik antara lem dengan dengan substrat. Kekuatan dari berbagai jenis obligasi diberikan dalam Tabel 9.2, bersama dengan contoh-contoh dari beberapa tipe ikatan di Gambar 9.3.

table 9.2 Beberapa jenis ikatan

Gambar 9.3 Contoh berbagai jenis ikatan.

(a) Ikatan dispersif antara dua rantai hidrokarbon, seperti di polietilen,
(b) ikatan dipole antara dua gugus karbonil, seperti poliester,
(c) Ikatan hidrogen antara segmen selulosa dan polimer fenol-formaldehida,
(d) Ikatan ion antara grup amonium dan kelompok karboksilat.

Perlu untuk dicatat bahwa daya ikatan yang digambarkan disini adalah ikatan dari interaksi tunggal, sedangkan untuk menghasilkan ikatan yang kuat diperlukan banyak interaksi yang terdistribusi secara merata pada seluruh permukaan.

Interaksi paling lemah adalah gaya dispersi London, Gaya ini adalah gaya dispersi yang ada antara setiap molekul dan senyawa ketika mereka berdekatan satu sama lainnya. Gaya dispersi adalah dasar utama dari assosiasi molekul molekul non-polar, seperti polietilen (Gambar 9.3). Meskipun gaya ini lemah, dimana perekat dan adherend terjadi dalam kontak molekul, namun gaya ada yang terjadi diantara semua atom dijumlahkan dapat menghasilkan kekuatan yang cukup besar.

Jenis lain dari kekuatan umumnya terkait dengan kelompok kutub. Yang paling lemah adalah interaksi antara dipole-dipole. Untuk ikatan antar kutub ini, terdapat pemisahan muatan antara atom; proses ini menciptakan sebuah dipole alami yang permanen. Dua dipole (kutub) dapat berinteraksi jika ujung dipole positif dan negatif dipertemukan. Kekuatan ikatan yang terbentuk dari ikatan ini tergantung pada pengaturan yang tepat dari dipole-dipole (kutub-kutub) tersebut, hal ini mudah terjadi untuk molekul-molekul kecil dalam bentuk larutan tetapi menjadi sulit pada 2 rantai molekul karena mereka terkendala pada rotasi dan penyebarannya.

Ikatan yang terkuat dari interaksi sekunder adalah pembentukan ikatan hidrogen. Jenis ikatan ini dikenal sebagai senyawa polar, suatu gugus nitrogen, oksigen dan belerang yang berikatan dengan hidrogen dan karbonil grup. Jenis ikatan ini melibatkan pembagian atom hidrogen antara dua kelompok kutub, yang sangat mungkin terjadi diantara lem kayu dan kayu karena keduanya memiliki banyak kelompok kutub. Hampir semua komponen kayu kaya akan gugus hidroksil dan beberapa diantaranya mengandung asam karboksilat dan gugus ester. Kedua kelompok ini membentuk ikatan hidrogen yang sangat kuat internal yang memberikan kekuatan kayu, tetapi juga memungkinkan untuk terbentuknya suatu ikatan hidrogen eksternal. Semua lem kayu utama memiliki kelompok kutub yang dapat membentuk ikatan hidrogen internal dan eksternal. Lem berbasis bio sangat tergantung pada ikatan hidrogen untuk menghasilkan kekuatan perekat dan kohesif mereka. Sedangkan perekat sintetik tidak terlalu tergantung pada ikatan hidrogen untuk kekuatan kohesif mereka karena mereka telah membentuk internal crosslinking, namun hampir pasti mereka akan menghasilkan suatu ikatan antara hidrogen dengan kayu.

Salah satu kelemahan dari ikatan hidrogen adalah kemampuannya akan terganggu dengan adanya air. Air dapat masuk dalam ikatan antara dua kelompok yang terjadi dan ini akan melemahkan ikatan antar rantai yang terbentuk. Dengan demikian maka daya akan kehilangan sebagian kekuatannya ini pada material yang menyerap air, seperti kayu. Kenyataan ini mungkin merupakan penyebab dari kegagalan terbentuknya ikatan yang baik antara kayu dan perekat. Salah satu aspek yang menarik dari ikatan sekunder (dispersif, dipole, dan ikatan hidrogen) adalah bahwa setelah terjadinya suatu gangguan, mereka bisa tereformasi sementara ikatan kovalen biasanya tidak terreformasi. Reformasi dari ikatan hidrogen telah dikenal untuk waktu yang lama, tapi hasil penelitian terbaru telah menunjukkan bahwa hal itu dapat menjadi bagian penting dari kemampuan kayu untuk menjaga kekuatannya. Peran proses ini memungkinkan perekat untuk menyesuaikan dan mempertahankan kekuatan sebagai perubahan dimensi kayu yang belum dipahami dengan baik, tetapi dapat memainkan faktor penting pada pengeleman kayu.

Ikatan yang kuat dapat dibentuk dari interaksi donor-akseptor. Yang paling umum dari interaksi dengan ikatan kayu dan perekat adalah interaksi asam-basa. Beberapa interaksi asam-basa kation dengan anion mungkin terjadi dalam daya adhesi pada substrat. Kayu berisi beberapa asam karboksilat yang dapat membentuk garam dengan perekat yang mengandung gugus basa, seperti lem jenis amina di melamin-formaldehid, protein, dan amina-cured epoxy.

Umumnya, pada semua jenis bahan interaksi yang paling kuat adalah ketika terbentuk suatu ikatan kovalen antara perekat dan substrat. Namun, untuk adhesi pada pengeleman kayu, teori ini masih menjadi perdebatan, karena kesulitan dalam menentukan keberadaan jenis ikatan mengingat kompleksitas perekat dan kayu dan sulitnya menghasilkan suatu model yang tepat. Kayu memiliki gugus hidroksil dalam tiga komponen utama: selulosa, hemiselulosa, dan lignin dan banyak perekat dapat bereaksi dengan gugus hidroksil. Adalah hal yang logis untuk mengasumsikan bahwa reaksi diantaranya akan sangat mungkin terjadi. Namun, banyak orang yang lain berpendapat bahwa kehadiran sejumlah besar air yang akan mengganggu. Diperlukan suatu metode analisis yang lebih canggih untuk menjawab masalah ini.

Secara umum diasumsikan bahwa interaksi terkuat akan mengontrol adhesi pada substrat. Hal ini mengabaikan fakta bahwa adhesi yang dihasilkan adalah jumlah dari kekuatan masing-masing interaksi dikalikan dengan frekwensinya. Dengan demikian, ikatan kovalen yang hanya jarang terjadi mungkin tidak penting dan dapat diabaikan dalam menentukan kekuatan ikatan. Dan yang lebih umum adalah ikatan hidrogen atau interaksi yang terjadi dari dipol-dipol. Ikatan hidrogen mungkin kurang signifikan dalam kondisi basah dibandingkan ikatan lainnya jika terdapat air yang mengganggu terbentuknya suatu ikatan yang kuat. Hal yang lebih penting adalah untuk selalu berpikir bahwa pembentukan adhesi lebih kuat bukan hanya oleh satu jenis ikatan, tetapi oleh sejumlah besar jenis ikatan yang berbeda. Hal lain yang perlu dipertimbangkan adalah bahwa perekat dapat saja melekat kuat ke permukaan masih bisa tidak berhasil dalam membentuk ikatan yang kuat secara keseluruhan, karena kegagalan dalam interfase antara perekat dan adherend.

Salah satu model adhesi yang umumnya tidak terkait dengan langkah pembentukan ikatan, tetapi perlu dilihat pada rusaknya ikatan, adalah model elektrostatik. Model ini mengasumsikan bahwa adhesi ini disebabkan oleh perekat yang bermuatan positif sementara adherent mempunyai yang muatan berlawanan (atau sebaliknya). Hal ini sepertinya tidak mungkin karena gaya tersebut umumnya ada sebelum pembentukan ikatan, dan karena itu tidak dapat membantu dalam adhesi, namun mereka dapat terjadi selama proses debonding.

Model lain yang telah diterapkan secara terbatas pada kasus-kasus sebagian besar adhesi adalah suatu deep diffusion, yang melibatkan pencampuran polimer antara perekat dan adherend untuk membentuk fase campuran yang tunggal campur. Meskipun sepertinya tidak mungkin suatu kayu akan larut dalam perekat, tetapi sangat mungkin terjadi banyak molekul perekat yang diserap oleh dinding sel kayu. Dan difusi ini dapat membentuk satu dari beberapa jenis ikatan struktur yang lebih kuat. Dalam banyak kasus, kekuatan penetrasi ini bisa sama kuatnya dengan ikatan kovalen. Sebagian besar dari model adhesi ini tidak hanya memainkan 1 peran saja dalam pembentukan ikatan, tetapi juga akan membantu terbentuknya ikatan perakitan. Hal yang sangat penting untuk diingat adalah bahwa, tergantung pada asal kekuatan, tegangan kayu dapat berupa terkonsentrasi pada satu titik pada antarmuka atau tersebar di seluruh ikatan. Jika kekuatan tersebar, maka daya yang dirasakan pada antarmuka mungkin cukup kecil.

Sering ada pertanyaan mengenai model adhesi yang paling tepat. Pertanyaan ini mengasumsikan bahwa hanya ada faktor tunggal yang mendominasi interaksi antara perekat dan substrat. Pada kenyataannya, ada kombinasi beberapa faktor yang memainkan peran dalam hal ini. Secara umum dikatakan bahwa semakin banyak modus adhesi yang ada di interface, maka akan semakin besar kekuatan ikatan.