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.