Kinerja perekat (wood adhesive performance)
Karena perekat digunakan untuk menahan dua benda
untuk bersama-sama di dalam kondisi penggunaan normal, maka penting untuk dapat
memahami sifat-sifat perekat yang diperlukan untuk melakukan fungsi ini.
Definisi perekat adalah mekanik karena itu, maka diperlukan pemahaman mengenai
kekuatan internal dan eksternal pada ikatan dan distribusi kekuatan-kekuatan di
dalam sistem perakitan. Sifat mekanik perekat ini juga tergantung pada struktur
kimia di dalam perkatan, dengan demikian maka pengetahuan tentang struktur
perekat dalam interfase (ikatan antar muka) akan sangat membantu untuk
memahami kinerja perekat. Ikatan asembling biasanya lebih lemah dalam
peregangan dibandingkan dengan kekuatan menahan geseran atau tekanan. Karena
itu lebih mudah untuk menarik suatu ikatan menjadi terpisah daripada
menggesernya. Untuk memahami kinerja suatu ikatan, maka struktur polimer
perekat kayu dan sifat mekanik polimer juga perlu diperhatikan. Kekuatan yang
besar di sebagian besar perekat tidak selalu menghasilkan perekatan yang lebih
kuat karena bagian yang terlemah mungkin berada di daerah interfase.
Faktor
lain yang perlu diketahui adalah pengetahuan mengenai kekuatan ikatan yang
harus ditahan dalam kondisi penggunaan normal. Efek kekuatan eksternal
pada bondline
dapat dianalisa melalui berbagai tes standar, namun, kekuatan-kekuatan internal
tidak dapat dievaluasi dengan jelas. Ada
tes ketahanan yang secara umum digunakan, namun kekuatan yang ada pada bondline tidak dapat
dipahami dengan baik. Hubungan sifat mekanik yang biasanya diamati pada skala
milimeter, sedangkan untuk struktur kimia maka diperlukan pemeriksaan
dalam skala nano.
Perilaku
di bawah tekanan
Evaluasi dari kekuatan dari sebuah objek terikat bersandar pada pemahaman mengenai energi viscoelastic dissipation energi (untuk saling berikatan) untuk masing-masing komponen (subatrate, perekat, dan interfase antara perekat dan substrate). Sebuah tes dasar, stress-strain curve test akan dapat menunjukkan respon suatu material terhadap suatu gaya (biasanya dalam bentuk tegangan) yang mengenainya. Meskipun perilaku material dapat diukur dalam bentuk tegangan, tekanan, atau geseran, tetapi tegangan adalah hal yang paling sering diukur karena merupakan penyebab dari modus kegagalan perekatan yang paling mungkin terjadi.
Evaluasi dari kekuatan dari sebuah objek terikat bersandar pada pemahaman mengenai energi viscoelastic dissipation energi (untuk saling berikatan) untuk masing-masing komponen (subatrate, perekat, dan interfase antara perekat dan substrate). Sebuah tes dasar, stress-strain curve test akan dapat menunjukkan respon suatu material terhadap suatu gaya (biasanya dalam bentuk tegangan) yang mengenainya. Meskipun perilaku material dapat diukur dalam bentuk tegangan, tekanan, atau geseran, tetapi tegangan adalah hal yang paling sering diukur karena merupakan penyebab dari modus kegagalan perekatan yang paling mungkin terjadi.
Tegangan-regangan
data yang disajikan untuk berbagai bahan dapat dilihat pada gambar 9.12. Sebuah
bahan yang sangat kaku, seperti
non-ductile metal atau kaca yang tidak mempunyai sifat
memanjang (regangan 0%) dikenai gaya sedemikian sehingga gaya yang diterapkan
akan terakumulasi sebagai tekanan sampai melebihi kekuatan yang bisa ditahan
oleh ikatan, seperti ditunjukkan oleh kurva A. Kekakuan atau modulus dari A
didefinisikan sebagai tegangan dibagi dengan regangan pada regangan rendah.
Plastik yang diwakili oleh kurva B atau C di beberapa titik batas elastis (pada
saat deformasi tidak lagi reversibel) melampaui pada beberapa yield point (titik
luluh). Modulus dari B adalah bagian sebelum yield
point. Kekuatan yang digunakan adalah gaya elastis disimpan dalam plastik sebelum yield point, tapi
membentang secara inelastik setelah melampui titik luluh. Kurva B adalah
molekul plastik dengan berat molekul yang rendah, di beberapa titik di bagian
yang datar gaya
yang diterapkan melebihi kekuatan plastik dan sampel akan pecah. Namun untuk C
plastik dengan berat molekul yang lebih tinggi akan memiliki kristalisasi
regangan induksi yang menyebabkan kurva menekuk ke atas lagi. Contoh D
terakhir merupakan karet yang tidak banyak menyimpan energi dalam
bentuk tekanan, tetapi dalam bentuk energi yang memanjang. Dalam hal ini
modulus akan jauh lebih rendah dan menjadi sulit untuk mengukur bagian
liniernya yang pendek. Selain tekanan, ketegangan, dan modulus yang diperoleh
dari tensile test
(tes tarikan) ini, salah satu hal yang penting adalah informasi yang
ditunjukkan oleh area di bawah kurva, yang berkaitan dengan kekerasan.
GAMBAR
9.12
Data umum tegangan-regangan untuk polimer. Polimer yang kaku akan menahan gaya dan tekanan yang mengenainya dan menunjukkan tingginya modulus tegangan (tekanan atau tarikan) sampai bahan patah. Bahan yang keras akan menolak pada awalnya, tapi kemudian mulai mengalir pada titik luluh, sedangkan bahan dengan polimer molekul yang lebih tinggi menunjukkan strain-induced crystallization (kristalisasi dari gaya induksi).
Polimer
yang fleksibel akan menunjukkan sedikit tahanan melawan gaya yang dikenakan
padanya dan memberikan pemanjangan yang lebih besar. Untuk aplikasi ikatan kayu
menggunakan polimer, jenis D tidak dapat diterima karena tidak adanya
cukup kekerasan dalam perekat. Namun, tipe D sangat baik untuk aplikasi
dempul dan sealant
karena bahan ini fleksibel mengingat ekspansi dan kontraksi bahan. Kurva B dan
C memiliki area besar di bawah kurva tegangan-regangan memberikan kekerasan
yang baik, terutama terhadap gaya tekan. Kurva C merupakan plastik yang
digunakan dalam komposit kayu plastik. Beberapa perekat kayu diwakili oleh
kurva B adalah resin polyvinylacetate,
emulsion polymerized
isocyanates, polyurethanes, contact
cement, dan hot-melt
adhesives.
Kurva
A mewakili perekat struktural yang mempunyai low
creep, yaitu sedikit aliran di bawah tekanan. Karakteristik non-flow di bawah
kondisi normal ini berarti bahwa ikatan produk akan memiliki bentuk yang tetap.
Perekat kayu yang termasuk ke dalam kelas ini, adalah urea-formaldehyd, phenol-formaldehyd,
resorcinol-formaldehyd, dan kombinasi dantaranya seperti: melamine urea-formaldehyd
dan phenol-resorcinol
formaldehyde. Termasuk di dalamnya adalah: para diphenil diisocyanate
dan epoxy polimer.
Data
dalam grafik mewakili bahan pada suhu tertentu. Suhu bahan yang meningkat ini
akan melunakkan bahan sehingga polimer kelas A menjadi seperti B. Transisi yang
terjadi dari bahan yang glassy (keras dan rapuh) untuk menjadi lentur
terjadi melewati suhu tertentu yang disebut sebagai glass transition temperature. Namun, ada
batas pelunakan pada perekat untuk dapat dikeraskan karena mereka dapat terus
untuk kering dan menjadi lebih kaku pada suhu tertentu dan mulai terdegradasi
di beberapa titik sehingga mengubah sifat fisik mereka.
Pengetahuan
mengenai struktur kimia dari perekat memungkinkan untuk memprediksi jenis dari
polimer, tetapi tidak bisa digunakan untuk melakukan perhitungan pada bentuk
khusus kurva. Polimer jenis D umumnya adalah jenis organik linier atau
bercabang yang memiliki kristalinitas yang rendah. Juga termasuk didalamnya
adalah sebagian besar dari perekat non-organik dan sealant, perekat silikon
yang adalah poly (dimethylsiloxanes) dan turunannya dan kopolimer. Bahan-bahan
ini akan merembes dalam kondisi di bawah tekanan, kecuali kalau mereka sudah
membentuk ikatan crosslinking. Ikatan crosslinking akan mencegah rantai polimer
untuk mengalir. Karena itu jumlah ikatan crosslinking ynag meningkat, maka
bahan menjadi keras, biasanya menghasilkan penurunan di ujung elongasi (pemanjangan).
Untuk
polimer non-crosslinking,
sifat-sifatnya akan bergantung tidak hanya pada struktur kimia, tetapi juga
pada kondisi yang terjadi pada material yang telah terekspose. Semakin rendah
energi rotasi di sekitar ikatan pada backbone,
maka produk akan menjadi lebih fleksibel dan lebih tahan terhadap tekanan.
Jadi, ikatan Si-0-Si menghasilkan fleksibilitas yang paling tinggi dan
berikutnya adalah jenis D dengan ikatan C-O-C, dan ikatan C-C-C mempunyai
fleksibilitas yang paling rendah.
Penggantian
struktur linier dengan gugus siklik akan meningkatkan kekerasan backbone, dan adanya
cincin aromatik akan meningkatkan kekerasan menjadi lebih tinggi lagi.
Interaksi rantai ikatan, seperti ikatan hidrogen atau ikatan ion di antara
rantai dan pembentukan daerah kristalin yang bertindak sebagai crosslinks
reversibel, juga akan mengubah sifat dari perekatan. Interaksi ini mengurangi
mobilitas rantai, dan dengan demikian meningkatkan kekerasan dan Tg polimer.
Namun, interaksi ini akan melemah oleh panas atau paparan air dan akan
mengurangi kekuatan polimer. Selain itu, asal dari polimer juga akan
mempengaruhi sifat-sifat dari plomer. Plastik umumnya memiliki derajat
kristalinitas yang cukup baik; asosiasi dari molekul-molekul ini akan
menyebabkan penurunan mobilitas dari rantai polimer dibandingkan dengan polimer
yang amorphous (tak
berbentuk).
Kuantitas dan struktur daerah kristalin sangat tergantung pada bagaimana bahan
itu mengeras. Pendinginan yang cepat menciptakan kristal yang lebih sedikit dan
lebih kecil, menghasilkan produk yang lebih lunak dibandingkan dengan
pendinginan lambat. Pada interface,
jenis permukaan yang berhadapan juga akan mempengaruhi kristalisasi polimer.
Struktur
kimia dan jumlah ikatan crosslinking
memainkan peran utama dalam membentuk polimer tipe-A. Backbone biasanya
mengandung gugus aromatik, kadang-kadang gugus siklik, dan sedikit gugus
alifatik, dan polimer cenderung mempunyai iaktan crosslinking yang tinggi. Karena
produk kayu banyak digunakan untuk aplikasi struktural, diperlukan untuk tidak
terjadi pemanjangan ayng signifikan pada kondisi di bawah tekanan yang
diterapkan, dengan kata lain diperlukan modulus yang tinggi. Sayangnya, faktor
yang yang membentuk ke arah modulus yang tinggi, umumnya akan menyebabkan
kerapuhan dalam polimer
Ikatan
crosslinking pada
rantai polimer diperlukan untuk mengkonversi suatu resin termoplastik menjadi
resin yang termoseting. Ikatan dari rantai bersama-sama akan
menghilangkan aliran plastik polimer, untuk menghilangkan perembesan dari
waktu ke waktu. Karet alam memiliki sedikit penggunaan komersial karena melunak
di bawah panas. Setelah banyak penelitian, proses vulkanisasi dikembangkan
karet yang memungkinkan untuk mempertahankan bentuknya. Pada tingkat crosslinking yang
rendah, karet memiliki mobilitas segmental besar, sehingga menghasilkan
produk yang sangat fleksibel. Ketika ikatan crossslinking
dan berat molekul meningkat, segmen memiliki mobilitas yang berkurang, sehingga
membuat produk menjadi lebih keras. Sayangnya pada tingkat ikatan crosslinking yang
tinggi, produk juga cenderung menjadi lebih rapuh.
Gambar
9.13 menunjukkan beberapa kurva tegangan-regangan ideal yang menunjukkan
peningkatan efek polimerisasi dan crosslinking
pada sifat-sifat perekat yang berbeda, dan efek pada kondisi perekat. Untuk
termoplastik, peningkatan berat molekul terutama meningkatkan pemanjangan pada
patahan. Ini berarti pada saat perekat kering, ia mampu menahan kekuatan yang
lebih besar. Konversi dari termoplastik ke termoseting akan meningkatkan
kekerasan dan mengurangi ductility.
Baik pada termoplastik dan termoseting, peningkatan suhu atau kelembaban akan
melunakkan bahan. Jadi, dalam produksi komposit, baik panas dan kelembaban
adalah faktor yang mengurangi kekuatan perekat.
Untuk
beberapa jenis perekat, lebih mudah melakukan pengaturan sifat dengan mengubah
formulasi. Perekat jenis polyurethane
dan polyamide
dapat dibuat dari bentuk yang sangat fleksibel sampai yang sangat keras
tergantung pada formulasinya. Sedangkan perekat jenis phenol-formaldehyde dan methanediphenyl diisocyanate
tidak memiliki fleksibilitas formulasi seperti PU. Untuk beberapa resin,
penggabungan beberapa segmen fleksibel yang lebih lunak dari backbone utama dapat
meningkatkan ketahanan terhadap benturan dan mengurangi kerapuhan polimer.
Namun
para formulator memiliki sejumlah alat untuk membuat vareasi berbagai perilaku
dari tegangan-regangan produk. Ada banyak aditif yang ditambahkan untuk
beberapa tujuan, seperti pengurangan biaya, pengurangan over-penetrasi,
peningkatan ikatan resin, dan peningkatan pembasahan, namun perhatian kita di
sini adalah pada pengaruh mereka pada perilaku tegangan-regangan. Aditif dapat
dibagi ke dalam jenis: pengisi (filler),
extenders, plasticizer,
dan tackifiers
Aditif filler
adalah bahan yang paling banyak digunakan karena akan menurunkan biaya, dan
dengan demikian akan digunakan sebanyak mungkin untuk membuat perekat lebih
ekonomis. Filler
ini akan meningkatkan kekerasan perekat, tetapi biasanya juga mengurangi
elongasi dan meningkatkan viskositas. Extenders
pada jumlah sedikit memiliki dampak kecil pada sifat perekat, tapi pada
jumlah yang tinggi mereka menyebabkan menurunnya elongasi dan viskositas yang
lebih tinggi. Sedangkan plasticizer
akan melunakkan perekat, menghasilkan pengurangan modulus dan Tg, dan perpanjangan
elongasi. Untuk perekatan kayu yang paling dibutuhkan adalah suatu ikatan kaku;
dengan demikian maka plasticizer
jarang digunakan. Tackifiers
sangat mirip dengan plasticizer,
tetapi memberikan hasil yang sangat berbeda dalam meningkatkan suhu transisi
kaca pada saat menurunkan modulus
GAMBAR
9.13 Pengaruh perubahan pada sifat fisik polimer. Untuk termoplastik,
peningkatan berat molekul menyebabkan peningkatan dalam kekerasanu dan ductility, sedangkan
pada termoseting maka kehilangan ductility
akan membuat ikatan menjadi kaku dengan ikatan crosslinking yang lebih tinggi.