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.

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.