Kekuatan Ikatan

Perekat digunakan untuk mengikat dua bahan untuk menjadi satu kesatuan, dengan demikian maka viscoelastic dissipation (penyebaran ) dari gaya-gaya internal dan eksternal adalah aspek yang sangat penting pada hasil kinerja perekat. Gaya yang harus ditahan oleh ikatan  perekatan sangat tergantung pada jenis produk dan penggunaan produk tersebut. Efek dari kekuatan internal sering diabaikan, tetapi pada kayu dan produk kayu, gaya-gaya internal itu bisa sangat tinggi. Tes yang dianggap paling penting untuk kayu laminasi adalah test ASTM D 2559 dan cyclic delamination test. Banyak adhesives yang memiliki ikatan yang kuat dalam kondisi kering ternyata menunjukkan delaminasi yang signifikan dan tidak lulus tes ini pada kondisi yang berbeda.

Aspek yang menarik dari test D 2559 adalah bahwa tanpa adanya kekuatan eksternal saja, akibat dari pengembangan dan penyusutan kayu sudah cukup bisa menyebabkan kegagalan ikatan. Tes ini dilakukan dengan membuat kayu pada kondisi vakum dan basah, diikuti dengan pengeringan menggunakan oven pada siklus pertama, dan dengan air mendidih pada siklus kedua. Fakta menunjukkan bahwa perubahan dimensi, dan warping dari kayu sudah cukup untuk menyebabkan terjadinya kegagalan ikatan.Hal yang menyulitkan mengenai kekuatan internal ini adalah kenyataan bahwa mereka sangat sulit untuk diukur.Namun demikian simulasi dengan tes seperti halnya  2559 D dapat meningkatkan besarnya pengaruh perubahan, karena perubahan volume yang terlalu cepat dapat  menyebabkan fraktur yang berlebihan dari kayu. Sedangkan pada kondisi penggunaan normal perubahan kelembaban di kayu akan berlangsung secara bertahap, yang memungkinkan relaksasi pada kayu..Gaya-gaya pada bondlines dibagi menjadi tiga mode: I, II, dan III (Lihat Gambar 9.15).
Gaya normal modus I adalah gaya yang tegak lurus terhadap permukaan ikatan di mana ini merupakan bagian perekatan yang paling lemah, karena tingginya konsentrasi tegangan. Di sisi lain, kekuatan untuk menahan geser dari mode II yang merupakan ikatan perekatan yang paling kuat. Dan modus III yang merupakan tes intermediate untuk suatu kekuatan perekat. Ketiga jenis gaya  tersebut merupakan gaya yang paling umum ditemukan pada suatu ikatan dalam produk kayu. Mode I terdapat pada di strandboard dan menahan gaya springback dari penurunan kompresi dari tes ikatan internal. Modus II berlaku pada laminated veneer akibat dari beban dari tekanan eksternal atau dari pengembangan kayu pada kondisi kelembaban tinggi. Modus III terjadi pada di kayu lapis sebagai hasil dari ply construction.

Tes kinerja lem juga tercakup dalam test ASTM dan test standard lainnya. Biasanya, tes yang dilakukan cenderung lebih berat untuk  untuk meningkatkan faktor keselamatan dalam kenyataan riil konstruksi. Aturan pada produk kayu yang paling umum adalah perekatan diusahakan bisa memiliki ikatan permukaan yang tinggi dan memiliki gaya dalam modus geser sebanyak mungkin. Pengetahuan mengenai kekuatan ikatan kayu secara umum telah diperoleh dari specimen kayu laminasi dan kayu lapis. Pendistribusian perekat secara tetesan yang tepat tidak pada permukaan strands dan fibers telah menghasilkan pemahaman bahwa ikatan untuk strandboard dan papan serat merupakan hal yang lebih sulit. Masalah yang berhubungan pada pekerjaan ini adalah bahwa laminasi dan kayu lapis biasanya diuji dalam geser, sementara tes utama untuk papan partikel, strandboard, dan papan serat, bersangkutan dengan internal bond test, modus 1.

GAMBAR 9.14 ASTM D 2559 penyebab kegagalan ikatan, seperti yang ditunjukkan oleh delaminasi akibat dari penyusutan dan pemekaran kayu. Tes ini cukup berat sehingga menyebabkan retak pada kayu, tetapi perekat yang baik akan memberikan kegagalan bondline yang minimal. Perekat yang sama digunakan di kedua spesimen, tapi kayu di sebelah kiri dilapisi dengan hydroxymethylated resorcinol (HMR) ternyata menghasilkan laminasi yang jauh lebih baik daripada kayu tidak di “treatment”.

GAMBAR 9.15 Gaya pada bondlines sering merupakan kombinasi dari tiga modus kekerasan. Mode I adalah gaya tarik dalam mode normal dan biasanya merupakan satu di mana perekat adalah yang paling lemah. Modus II adalah gaya geser yang umum dan biasanya modus di mana perekat adalah yang terkuat. Modus III adalah kekuatan torsi yang paling tidak umum.

Dengan menganggap suatu ikatan perakitan adalah serangkaian link dalam rantai, maka  suatu rantai ikatan akan terus menahan ikatan kecuali ada suatu kekuatan gaya yang lebih kuat  dari kekuatan salah satu link. Dengan demikian, proses untuk meningkatkan perekatan dapat  ditingkatkan dengan memahami apa saja yang menyebabkan link menjadi lemah. Pada kenyatannya kekuatan dari link dapat bervariasi tergantung pada berbagai macam kondisi. Sebagai contoh, jika suatu perekat, misalnya saja jenis uncrosslinked polimer (vinil asetat), menjadi lunak apabila kena panas, maka kemungkinan besar akan terjadi link yang lemah dalam kondisi panas. Banyak perekat memberikan ikatan yang kuat dalam kondisi kering sehingga kayu adalah link lemah. Namun, dalam kondisi basah link yang lemah mungkin terjadi pada interfase karena penurunan kekuatan yang lebih besar terjadi  di link ini daripada di kayu atau perekat. Lem epoxy menunjukkan angka kegagalan yang tinggi ketika kering, tapi prosentase kegagalan menjadi rendah apabila kayu dalam kondisi basah. Data terakhir dari lem epoxy menunjukkan bahwa hubungan yang lemah adalah pada wilayah interfase. Informasi-informasi ini kemudian bisa digunakan menemukan kebutuhan untuk memperkuat perekatan epoxy dan mengurangi konsentrasi tegangan di interfase.

Penggunaan analogi ikatan rantai ini juga akan membantu dalam memahami mengapa ikatan yang kuat tidak dapat dihasilkan oleh jenis-jenis kayu yang padat.Jika kekuatan perekat cukup kuat untuk menahan tekanan sampai 2000 psi dan kekuatan kayu hanya 1000 psi, maka kayu akan lebih dulu pecah. Jika kekuatan kayu meningkat sampai 3000 psi, maka kerusakan tidak akan terjadi di dalam kayu. Ini tidak berarti bahwa kayu yang lebih padat mungkin lebih sulit untuk menghasilkan ikatan yang kuat. Dengan demikian maka data-data mengenai kekuatan kayu perlu dipertimbangkan dalam hubungannya dengan kekuatan pengeleman kayu.

Dengan konsep link rantai untuk mewakili kekuatan ikatan, maka pengetahuan mengenai tempat terjadinya kegagalan terjadi menjadi sangat penting. Kegagalan dalam bulk kayu dan bulk perekat biasanya mudah untuk dilihat dengan menggunakan mata telanjang atau mikroskop. Kegagalan dalam interfase menjadi lebih rumit, terutama untuk kayu. Pada Gambar 9.16, berbagai jenis kegagalan antarmuka diilustrasikan. Memahami mekanisme kegagalan adalah hal yang penting untuk bisa menemukan cara yang lebih baik untuk meningkatkan kekuatan perekatan dan memecahkan masalah yang timbul. Suatu penelitian menunjukkan bahwa Phenol formaldehyde menghasilkan fraktur pada lapisan S2 sementara epoxy menghasilkan kegagalan pada S3 di bawah kulit, menunjukkan bahwa Phenol formaldehyde memberikan penetrasi yang lebih dalam dari dinding sel.

Pada saat ini, kita masih kekurangan pengetahuan untuk memprediksi seberapa baik perekat baru bisa menyatukan potongan-potongan kayu tanpa pengujian pada jenis kayu yang sama dan proses ikatan serupa yang akan digunakan secara komersial. Keterbatasan pengetahuan saat ini membuat kita tidak bisa mengetahui apa saja yang diperlukan tentang interaksi perekat kayu untuk memberikan ikatan yang kuat dan tahan lama. Hal ini menjadi sulit karena kompleksnya sifat kimia dan morfologi dari kayu.

GAMBAR 9.16 Kegagalan di wilayah interfase dari ikatan kayu adalah hal yang komplek. Selain kegagalan antarmuka yang mengarah ke perekat pada satu permukaan kayu di satu sisi dan sisi yang lain, ada sejumlah zona kegagalan lainnya. Perekat di permukaan kayu mungkin tidak kering juga akan menyebabkan kegagalan dalam perekat di permukaan. Perekat mungkin menghasilkan ikatan kuat pada kayu, tetapi kayu itu sendiri dapat dibagi menjadi lapisan-lapisan tipis dalam dinding sel.

Pengujian terhadap ketahanan lem (durability test)

ASTM mendefinisikan daya tahan perekat, adalah kekuatan bersama dari suatu joint terhadap kondisi layanan yang diperlukan" (ASTM International 2000a). Karena produk kayu digunakan untuk jangka waktu yang lama, maka diperlukan accelerated test suatu test simulasi untuk memperkirakan kinerja lem pada jangka panjang. Beberapa penelitian dilakukan dengan menggunakan uji coba lapangan untuk memahami kinerja perekat pada beberapa kondisi yang berbeda. Selain itu, telah ada data berdasarkan pengalaman penggunaan selama bertahun-tahun untuk beberapa jenis perekat telah ada. Beberapa tes telah dikembangkan yang memberikan hasil yang sama pada daya tahan perekat. Faktor kunci yang sering dilupakan adalah bahwa modus kegagalan harus bisa ditemukan sama untuk penggunaan jangka panjang dan hasil uji dari accelerated test. Karena itu validasi terhadap suatu accelerated test adalah hal yang sangat penting.

Masalah yang paling umum dengan daya tahan kayu adalah ketidakmampuan perekat untuk menahan pengembangan dan penyusutan kayu yang diakibatkan dari perubahan kelembaban. Kebanyakan produk kayu mengalami perubahan kelembaban, mereka yang berada di lingkungan yang tidak terkendali bisa jadi mengalami perubahan yang besar. Pengembangan kayu dapat dikenakan pada ikatan ke mode I, II, III atau jenis gaya yang lain tergantung pada design. Pengembangan biasanya telah dianggap merupakan perubahan makroskopik, namun bagaimanapun juga harus dipertimbangkan juga berdasarkan skala mikrometer seluler. Data yang tersedia menunjukkan bahwa pembengkakan sel biasanya melibatkan penebalan dinding sel bukan menyusut dari diameter lumen. Dengan demikian, gaya yang lebih besar bekerja pada pada perekat di tepi dinding sel. Satu studi menunjukkan bahwa perekat phenol-resorcinol-formaldehyde adhesive menghasilkan  lebih banyak ikatan dalam kondisi basah, tapi perubahan itu tidak sebesar perubahan dimensi kayu selama proses pembasahan.

Sebuah pertanyaan kunci adalah apakah perekat yang tahan lama memiliki kepatuhan lebih baik dengan perubahan kelembaban, apakah mereka menstabilkan dinding sel sehingga menghasilkan lebih sedikit pemuaian dan penyusutan seiring dengan perubahan kelembaban, atau apakah mereka lebih baik dalam mendistribusikan tegangan antar muka? Pemahaman yang lebih baik dalam hal ini merupakan salah satu jawaban kunci untuk merancang perekat supaya lebih tahan lama.

Faktor lain yang harus dipertimbangkan adalah bahwa accelerated test melibatkan pembasahan dan pengeringan kayu yang berlangsung cepat. Perubahan yang terjadi  dapat terjadi begitu cepat sehingga struktur kayu tidak memiliki kesempatan untuk relax dan melakukan penyesuaian selama pengujian, dengan demikian tekanan yang dibuat pada saat test mungkin tidak pernah ditemui pada penggunaan normal.

Perekat kayu harus melewati tes ketahanan lainnya, tetapi sebagian besar tidak selalu sulit dilakukan. Tentu saja, perekat yang digunakan dalam aplikasi struktural dan semi-struktural harus menahan pengaliran di bawah beban. Mengingat sifat kaku dari polymer backbone dan crosslinking, masalah ini belum pernah menjadi hal yang signifikan. Perekat kayu juga harus melawan pembusukan dan jamur, dan karena itu suatu aditif anti jamur mungkin bisa ditambahkan.