Perekat isocyanate (isocyanate glue)

Beberapa kelas perekat yang digunakan dalam kayu ikatan menggunakan isocyanate. Isocyanate ini banyak digunakan karena reaktivitasnya dengan kelompok yang mengandung hidrogen reaktif, seperti amina dan alkohol pada suhu kamar. Hal ini menghasilkan fleksibilitas yang tinggi pada produk yang dihasilkan karena mereka bisa melakukan self polymeryzation atau bereaksi dengan monomer lainnya. Isocyanate paling sering digunakan untuk menghasilkan polyurethane dengan bereaksi dengan diol cair.

Reaktivitas dari isocyanate selain memberikan keuntungan juga bisa merugikan. Keuntungannya adalah bahwa polimerisasi bisa berlangsung cepat dan biasanya dengan konversi yang tinggi. Sedangkan salah satu kelemahan adalah bahwa isocyanate ini akan bereaksi dengan air yang ada dalam produk kayu. Air ini dapat mengurangi berat molekul efektif dengan mengubah stoikiometri dan dapat bersaing dengan reaksi yang diinginkan  dari perekat dengan kayu, seperti gugus hidroksil dalam pecahan selulosa dan hemiselulosa serta fenol dan gugus hidroksil dalam domain lignin. Kerugian lain adalah mereka dapat bereaksi dengan cepat dengan banyak senyawa dalam tubuh manusia. Reaksi-reaksi ini dalam kondisi fisiologis yang cepat dan tidak reversibel yang berarti bahwa faktor keselamatan merupakan hal yang sangat penting pada penanganan isocyanate. Perhatian yang penting ketika tahap pembuatannya ketika terdapat iscyanate dengan berat molekul yang rendah dan volatil. Keadaan yang bisa berbahaya adalah ketika panas dari pembakaran dapat menyebabkan pembentukan kelompok free isocyanate. Isocyanates yang digunakan dalam ikatan kayu yang tidak begitu berbahaya dibandingkan dengan beberapa isocyanate lain karena mereka umumnya memiliki berat molekul yang lebih tinggi sehingga volatilitas dan jumlah free isocyanate nya relatif terbatas.

Perekat isocyanate kayu yang paling umum adalah self-curing isocyanate, yang bereaksi dengan air dalam kayu untuk memulai proses pengeringan. Ini digunakan dalam produksi komposit dan dalam perekatan produk kayu laminasi. Polymeric diphenylmethane diisocyanate (pMDI) digunakan terutama untuk produksi dari oriented strandboard dan merupakan satu-satunya perekat yang dikenal bisa bekerja dengan baik untuk ikatan dari strawboard (papan jerami). Perekat pMDI dapat digunakan pada face dari OSB, tapi pelepas cetakan diperlukan untuk mengurangi penempelan pada platens. Meskipun harganya lebih tinggi, pMDI telah mengambil pangsa pasar yang jauh lebih tinggi dibandingkan dengan phenol-formaldehye karena pengeringannya yang cepat dan kemampuannya untuk bekerja pada tingkat aplikasi yang lebih lambat.

Perekat kayu lain yang banyak ditemui adalah emulsion-polymer isocyanate, yang merupakan perekat dua komponen. Perekat ini banyak digunakan dalam ikatan strandboard pada produk engineering wood. Produk dari jenis non-waterborne dua komponen isocyanate merupakan produk yang sangat banyak ditemui dalam bahan coating, tetapi tidak banyak digunakan sebagai perekat kayu karena kecepatan reaksinya yang sangat tinggi. Pencampuran diisocyanate dengan diol akan memulai proses curing dengan membentuk polimer linier primer dengan, ikatan crosslinking yang moderat untuk menyediakan produk yang lebih fleksibel.

Perekat hot melt adhesives yang paling umum mengandung gugus isocyanate yang melekat pada backbone polymer. Hot-melt adhesive sangat disukai dalam perakitan produk karena mereka mengembangkan kekuatan ikatan mereka ketika polimer cair mendingin dan berubah menjadi padat. Sayangnya, ikatan yang dihasilkan pada umumnya memiliki ketahanan yang rendah terhadap panas, tekanan jangka panjang (long-term stresses) dan air. Moisture-cured hot-melt isocyanates berperilaku seperti hot melt dengan dengan kekuatan awal yang baik, tetapi juga membentuk ikatan crosslinking untuk menghasilkan ikatan termoseting yang dapat menahan pengaruh panas, beban jangka panjang, dan air. Hal ini sudah banyak digunakan untuk perakitan produk yang banyak melibatkan kayu.

Kelas lain dari perekat isocyanate adalah polyurethane (PU), yang digunakan dalam aplikasi ikatan kayu yang lebih khusus. Keuntungan mereka adalah kemampuan formulasi yang luas, memberikan kemudahan dalam penggunaan berbagai macam bahan baku. Polyurethane telah juga menunjukkan potensi yang baik untuk membentuk ikatan pada kayu basah.

Perekat Polymeric Diphenylmethane Diisocyanate 

Isocyanate adhesives telah menunjukkan meningkatnya penggunaan karena reaktivitas tinggi dan efisiensi dalam ikatan. Polimeric diphenylmethane diisocyanates (pMDI) yang biasa digunakan dalam ikatan kayu dan merupakan campuran dari monomeric diphenylmethane diisocyanate dan methylene-bridged polyaromatic polyisocyanates seperti yang diilustrasikan pada gambar 9.22  Harga yang tinggi dari perekat tersebut diimbangi dengan reaksi yang cepat, efisiensi penggunaan, dan kemampuannya untuk mengatasi kesulitan pada ikatan permukaan.

FIGURE 9.22 Polymeric diphenylmethane diisocyanates merupakan campuran dari  monomeric dan polyfunctional isocyanates.

PMDI membentuk homoploymer, membutuhkan air untuk aktivasi  yang tidak merupakan masalah pada pengeleman kayu tetapi bisa merupakan masalah pada bahan yang lain. Ikatan kimia yang terbentuk meliputi beberapa langkah yaitu:

• Isocyanate bereaksi dengan air membentuk suatu carbamic acid: R-NCO + H2O => R-NHCOOH.

• carbamic acid yang tidak stabil menghasilkan karbon dioksida membentuk amine: R-NHCOOH => R-NH2 + CO2.

• Amine kemudian bereaksi dengan kelompok isocyanate untuk membentuk  urea: R-NH2 + OCN-R => R-NHCONH-R.

• Beberapa molekul urea bereaksi dengan isocyanate untuk membentuk biuret: R-NHCONH-R + R-NHCON(CON –R)-R.

Seperti yang ditunjukkan oleh mekanisme ini, sekali isocyanate bereaksi dengan air maka proses selanjutnya akan berlangsung dengan cepat selama tersedia isocyanate yang cukup untuk bereaksi dengan kelompok dengan hidrogen reaktif lainnya, lihat gambar 9.23.

Gambar 9.23 Isocyanate membutuhkan air untuk memulai proses polimerisasi. Reaksi ini akan membentuk karbon dioksida yang dapat menyebabkan gelembung dalam perekat, tetapi begitu terbentuk amina, maka self-polimerisasi akan berlangsung dengan cepat.

Air yang dibutuhkan tidak merupakan masalah pada kayu dengan kadar air tinggi, tetapi beberapa substrat lainnya perlu dibasahi untuk menghasilkan ikatan yang tepat. Namun, kadar air yang tinggi bisa jadi menghambat pembentukan polimer karena akan menghasilkan kelompok amina yang terlalu banyak, meskipun hal ini belum ditemukan dalam ikatan kayu. Karbon dioksida dari gas bisa menjadi masalah karena menciptakan rongga dalam perekat yang dapat mengurangi kekuatan. Secara umum, reaksi-reaksi ini tidak reversible dalam kondisi normal, yang akan menghasilkan ikatan yang baik pada ikatan kayu. Interaksi pMDI dengan permukaan komposit sangat berbeda dengan perekat kayu lainnya, seperti phenol-formaldehyde. Polaritas rendah dari pMDI dan viskositasnya yang rendah dibandingkan dengan perekat kayu lainnya menyebabkan penetrasi yang sangat cepat ke dalam kayu. Umumnya hal ini dapat mengakibatkan kekuatan bondline yang rendah dan starved bondline, tapi hal ini tidak terjadi pada kayu. Ini mungkin terjadi karena kekuatan yang berasal dari ikatan jembatan yang kuat pada titik di mana kayu tersebut dibawa ke dalam kontak yang erat dengan perekat isocyanate.Beberapa anggapan mengatakan bahwa isocyanate merupakan adhesive yang paling mungkin untuk membentuk ikatan kovalen dengan kayu karena kemudahannya bereaksi dengan gugus hidroksil dari kayu untuk membentuk ikatan uretan. Di sisi lain, yang lain percaya bahwa reaksi cepat dari isosianat dengan air dan jumlah air besar pada permukaan kayu membuat pembentukan urethane menjadi hal yang tidak mungkin. Dalam setiap kasus, urea yang terbentuk harus membentuk ikatan hidrogen yang kuat dengan permukaan kayu yang polar.

Sifat unik dari perekat pMDI memberikan keuntungan. Polimerisasi yang cepat dan kemampuan untuk membentuk ikatan dengan adanya kadar air yang tinggi telah menyebabkan penggunaannya sebagai resin inti untuk OSB. Kadar air yang lebih tinggi dan suhu yang lebih rendah dari bagian inti OSB dapat membuat pengeringan yang cukup untuk phenol formaldehyde, telah menyebabkan peningkatan penggunaan pMDI. Kemampuan untuk membentuk ikatan dengan kayu dengan kadar air yang tinggi juga membuat banyaknya penggunaan pMDI dalam ikatan kayu basah. Polaritas rendah memungkinkan pMDI untuk menemukan celah dalam lapisan lilin dari jerami, menyebabkan penggunaannya dalam strawboard dimana penggunaan resin PF kurang memuaskan.

Tidak seperti perekat kayu banyak yang memberikan ikatan yang lemah untuk substrat selain kayu, ikatan pMDI juga sangat baik untuk bahan lainnya, termasuk pelat logam atau platens press. Dengan demikian, perekat ini cenderung mudah menggantikan PF sebagai lapisan muka OSB. Tingkat bahaya dari isocyanate mungki membatasi penggunaan pMDI karena biaya ekstra untuk mempertahankan operasi yang aman. Namun, masalah keamanan dapat diatasi dan tidak ada bahaya dalam produk (bonded product) yang dihasilkan dari reaksi kelompok isosianat. Perekat pMDI juga dapat dipromosikan sebagai perekat yang bebas formaldehyde