PROSIDING SEMINAR NASIONAL MAPEKI XII
B-29
Pengaruh Metode Pengempaan dan Ukuran Partikel terhadap Sifat Fisik Mekanik Binderlessboard dari Kenaf Inti (Effect of Pressing Method and Particle Size on Physical-Mechanical Properties of Binderlessboard from Kenaf Core) Oleh: Ragil Widyorini ,
Faculty of Forestry, Gadjah Mada University, Yogyakarta, Indonesia E-mail:
[email protected] ABSTRACT Steam injection pressing time is one important factor on manufacturing of binderlessboard. Delamination occurs when steam pressure inside the board is higher than the internal bonding strength of the board. Boards with high densities have high compaction ratios, therefore making it difficult for the steam inside the board to escape, thereby producing high steam pressure inside the board. In this research, binderlessboard was developed using kenaf core as raw material. The effect of pressing method and particle size of kenaf core particles on the properties of the boards was explored. Pressing methods used in this research were hot pressing, combination between hot pressing and steam injection pressing, and steam injection pressing. Kenaf core particles with different grain size were used in this research. The target 3 density of binderlessboard was set at 0.6 – 0.9 g/cm . Physical and mechanical properties of binderlessboard were measured according to JIS A 5908-1994. The result showed that kenaf core binderlessboard could be produced without any delamination using steam injection 3 pressing at the real density more than 0.6 g/cm . The internal bonding of binderless boards made from coarsely ground particles was lower than that made from finely ground materials. Keywords:
binderlessboard, kenaf core, particle size, pressing method, physical-mechanical properties
PENDAHULUAN Teknologi perekatan dengan tidak menggunakan perekat, yang lebih dikenal dengan teknologi binderless, merupakan teknologi yang prospektif. Hal ini karena bahan baku yang digunakan merupakan bahan lignoselulosa yang bersifat terbaharukan. Selain itu, komposit binderless tidak menggunakan perekat sintetik dalam proses pembuatannya, karena itu diharapkan dapat mengurangi emisi formaldehida yang ditimbulkan. Emisi ini merupakan isu penting yang menarik perhatian dalam industri pengolahan kayu yang menggunakan perekat sintetik berbasis formaldehida. Penelitian mengenai teknologi binderless dimulai sejak pertengahan tahun 1980an oleh Shen (1986). Bahan baku yang digunakan berupa bahan baku kayu (Okamoto et al.1994; Angle et al. 1999) maupun bahan baku non kayu (Okuda dan Sato 2004; Suzuki et al. 1999; Velasques et al. 2003, Widyorini et al. 2005a, 2005b, 2005c; Xu et al. 2003, 2004, 2006). Pada proses perekatan yang terjadi pada komposit binderless, hemiselulosa memgang peranan yang sangat penting (Shen, 1986). Selain hemiselulosa, Widyorini et al. (2005b), membuktikan bahwa lignin dan asam sinamik juga turut berperan dalam pembentukan self-bonding. Komposit binderless dari kenaf core yang dihasilkan mempunyai kekuatan rekat yang tidak jauh berbeda dengan komposit menggunakan perekat sintetik dengan bahan yang sama (Xu et al. 2003). Pembuatan komposit binderless dapat menggunakan metode pengempaan panas (Okuda dan Sato, 2004) dan pengempaan dengan menggunakan injeksi uap (Xu et al. 2003; Widyorini et al 2005a). Selain itu, mekanisme proses yang digunakan oleh beberapa peneliti lain adalah dengan memperlakukan bahan baku dalam proses ledakan uap (steam explosion)
BANDUNG, JAWA BARAT 23-25 JULI 2009
340
B-29
PROSIDING SEMINAR NASIONAL MAPEKI XII
yang diikuti oleh pengempaan panas. Masing-masing metode tersebut mempunyai keunggulan dan kelemahan. Perlakuan dengan menggunakan uap dikenal dapat meningkatkan ketahanan dimensi dibandingkan dengan menggunakan panas. Waktu perlakuan merupakan hal yang penting dalam pengempaan dengan menggunakan injeksi uap. Waktu yang terlalu lama menyebabkan tekanan uap di dalam papan lebih tinggi dibandingkan kekuatan rekat internal papan sehingga menyebabkan delaminasi terjadi. Hal ini terjadi terutama pada papan dengan kerapatan yang cukup tinggi. Pada pembuatan papan partikel tanpa perekat dengan pengempaan menggunakan injeksi uap, tingkat delaminasi secara bervariasi terlihat pada 3 papan dengan kerapatan lebih dari 0,6 g/cm untuk kenaf inti (Xu et al. 2003) dan lebih dari 0,55 3 g/cm untuk ampas tebu bagian dalam (Widyorini et al. 2005c). Kondisi proses yang berlebihan, seperti tekanan uap yang terlalu tinggi dan waktu perlakuan yang terlalu lama (Suzuki et al. 2000) menyebabkan tingkat degradasi komponen kimia yang terlalu tinggi dan dapat merusak selulosa sehingga menyebabkan penurunan sifat mekanik dari papan. Ukuran partikel merupakan salah satu faktor yang berpengaruh terhadap sifat fisik dan mekanik papan partikel. Geometri partikel ini mempengaruhi karakteristik permukaan papan, reaksinya terhadap kelembaban dan sifat-sifat pengerjaanya sepeti pemotongan, pengetaman, dan penghalusan. Penerapan ukuran partikel yang pernah dilakukan sebelumnya oleh Okuda dan Sato (2004) dalam penelitian pembuatan papan tanpa perekat dengan menggunakan bahan kenaf inti dan metode pengempaan panas, dengan ukuran partikel 53 µm dan pencampuran dengan ukuran partikel 3,3 mm. Hasil dari penelitian tersebut menunjukkan bahwa semakin kecil ukuran partikel maka akan semakin besar kekuatan rekat internal. Penelitan Velasquez et al., (2003) dalam pembuatan papan tanpa perekat dari rumput gajah juga menunjukkan perbedaan sifat antara partikel yang digerinder sampai ukuran 4 mm dengan yang tanpa digerinder. Hasil dari penelitian tersebut menunjukkan bahwa proses grinding mempunyai pengaruh positif pada kerapatan dan kekuatan rekat internal. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh metode pengempaan dan ukuran partikel terhadap sifat fisik dan mekanik produk papan tanpa perekat dari bahan kenaf inti. Manfaat yang diperoleh diantaranya memberikan informasi tentang metode pembuatan papan tanpa perekat yang tepat sehingga tidak menimbulkan atau mengurangi adanya delaminasi pada kerapatan papan yang cukup tinggi, serta pengaruh ukuran partikel pada sifat fisik dan mekanik papan tanpa perekat pada berbagai kerapatan. BAHAN DAN METODE PENELITIAN Bahan Bahan penelitian ini adalah partikel kenaf inti, seperti yang digunakan pada penelitian sebelumnya (Widyorini et al. 2005a, 2005b; Xu et al. 2003, 2004). Semua partikel kemudian dikering udarakan sebelum proses pengempaan. Komposisi ukuran partikel kenaf inti yang digunakan dalam penelitian ini dapat dilihat sebagai berikut (Xu et al. 2003): Tabel 1. Komposisi ukuran partikel Ukuran partikel (mm) - 0,25 0,25 – 0,50 0,50 – 1,00 1,00 – 2,00 2,00 -
Persentase berat (%) 6,4 14,4 37,3 37,2 4,7
Metode penelitian Dimensi papan partikel yang akan dibuat adalah 230 x 230 x 7 mm, dengan target 3 kerapatan papan partikel 0,6 – 0,9 g/cm . Pada tahap pertama, papan dibuat dari partikel
BANDUNG, JAWA BARAT 23-25 JULI 2009
341
B-29
PROSIDING SEMINAR NASIONAL MAPEKI XII
3
dengan ukuran acak dengan target kerapatan 0,6 g/cm kemudian dikempa dengan metode pengempaan panas, kombinasi pengempaan dengan injeksi uap air dan panas, serta pengempaan dengan injeksi uap air. Papan ini dibuat dengan menggunakan 3 metode pengempaan yaitu: o a. pengempaan panas pada suhu plat 190 C selama 6 menit, o b. pengempaan dengan disertai injeksi uap pada tekanan 1 MPa (183 C) selama 4 menit, kemudian uap dikeluarkan perlahan-lahan dengan tetap dikempa panas o (suhu plat 190 C ) sampai waktu total pengempaan adalah 6 menit. o c. pengempaan dengan disertai injeksi uap pada tekanan 1 MPa (183 C) selama 6 menit. Tahap kedua bermaksud untuk meneliti pengaruh ukuran partikel. Pada tahap kedua ini, 2 jenis ukuran tersebut yaitu ukuran random/acak (tanpa pemisahan ukuran) dan ukuran lolos saringan 1 mm dan tertahan 0,5 mm, dibuat dengan metode kombinasi pengempaan panas dan disertai 3 injeksi uap (metode b), dengan target kerapatan 0,7 – 0,9 g/cm . Tekanan pengempaan diset pada 6 Mpa, dan masing-masing kondisi proses dibuat 2 ulangan. Produk papan partikel tanpa perekat ini kemudian dikondisikan pada suhu ruangan selama kurang lebih 1 minggu sampai waktu pengujian sifat-sifat fisik dan mekanik berdasarkan standar JIS A 5908 1994. Pengujian meliputi kerapatan, kadar air, pengembangan tebal, penyerapan air, modulus patah, modulus elastisitas, dan kekuatan rekat internal. HASIL DAN PEMBAHASAN Gambar 1 menunjukkan sifat fisik dan mekanik papan partikel tanpa perekat pada 3 berbagai metode pengempaan pada kerapatan terkoreksi 0,6 g/cm . Hasil penelitian menunjukkan bahwa sifat fisik dan mekanik papan tanpa perekat dengan metode pengempaan menggunakan injeksi uap lebih tinggi dibandingkan dengan metode pengempaan panas. Hal ini seperti terlihat pada hasil penelitian oleh Xu et al. (2003) dengan bahan yang sama dan juga terlihat pada hasil penelitian dengan menggunakan ampas tebu (Widyorini et al. 2005c). Perlakuan dengan uap dikenal sebagai metode yang efektif untuk meningkatkan ketahanan dimensional dari komposit berbahan kayu. Pada pembuatan papan dengan perekat, pengempaan dengan injeksi uap tidak hanya memperlakukan kayu saja tetapi juga mempengaruhi curing resin perekat., seperti yang ditunjukkan oleh beberapa peneliti (Okamoto dkk, 1994). Pada pembuatan papan tanpa menggunakan perekat, uap air diproduksi dari kadar air partikel selama proses pengempaan panas. Dengan menginjeksikan uap air, suhu papan ini akan meningkat dengan cepat sehingga komponen kimia yang ada di dalamnya akan terdegradasi, terpolimerisasi dan membentuk ikatan yang stabil dalam waktu yang singkat. Efek ini tidak ditemukan pada proses pengempaan panas, dimana degradasi komponen kimia pada kenaf inti tidak terjadi secara efektif (Widyorini et al. 2005a). Kombinasi metode pengempaan dengan injeksi uap air dan panas menghasilkan sifat fisik dan mekanik yang tidak berbeda nyata dengan metode injeksi uap. Sifat mekanik papan yang dihasilkan dengan metode kombinasi ini dapat melebihi standar yang ditetapkan untuk papan partikel menurut JIS A 5908 tipe 8, dengan modulus patah 10,9 MPa, modulus elastisitas 2,35 GPa serta kekuatan rekat internal 0,33 MPa. Pengembangan tebal papan tanpa perekat ini masih berkisar 49%, oleh karena itu perlu dikembangkan penelitian lebih lanjut untuk meningkatkan kestabilan dimensi dari papan tanpa perekat ini. Hasil penelitian yang dilakukan oleh Xu et al. (2003) menunjukkan bahwa dengan waktu pengempaan menggunakan injeksi uap selama lebih dari 7 menit, sebagian besar papan tanpa perekat dari kenaf inti dengan kerapatan lebih dari 0,6 g/cm3 mengalami delaminasi. Hasil penelitian ini memperlihatkan bahwa papan partikel tanpa perekat dari kenaf inti dengan 3 kerapatan lebih dari 0,6 g/cm dapat diproduksi dengan metode kombinasi pengempaan menggunakan injeksi uap dan panas, tanpa mengalami delaminasi (Gambar 2). Pada metode
BANDUNG, JAWA BARAT 23-25 JULI 2009
342
B-29
PROSIDING SEMINAR NASIONAL MAPEKI XII
Modulus elastisitas (GPa)
ini, uap diinjeksikan selama 4 menit, kemudian dilepas perlahan-lahan selama 2 menit dengan masih dalam proses pengempaan. Pelepasan uap air ini berguna untuk mengeluarkan sisa uap yang masih ada diantara partikel, sehingga dapat mengurangi tekanan uap di dalam mat. Selama proses pengempaan dengan injeksi uap air, tekanan uap yang terjadi di dalam mat lebih besar dibandingkan pada proses pengempaan panas. Hal ini terutama terjadi pada papan dengan kerapatan yang cukup tinggi. Apabila tekanan uap di dalam papan lebih tinggi dibandingkan kekuatan rekat internal papan maka akan menyebabkan terjadi delaminasi. Dengan mengurangi waktu penginjeksian uap air, selain mengurangi tingkat delaminasi pada papan dengan kerapatan yang cukup tinggi juga dapat mengurangi biaya produksi. 14 Modulus patah (MPa)
12 10 8 6 4 2 0
Pengempaan panas
Kombinasi pengempaan panas dan injeksi uap
2 1.5 1 0.5 0
Pengempaan dengan injeksi uap
Pengembangan tebal (%)
Kekuatan rekat internal (MPa)
2.5
Pengempaan Kombinasi Pengempaan panas pengempaan dengan panas dan injeksi uap injeksi uap
0.4
0.3
0.2
0.1
0
Pengempaan panas
3
Kombinasi pengempaan panas dan injeksi uap
Pengempaan dengan injeksi uap
300 250 200 150 100 50 0 Pengempaan Kombinasi Pengempaan panas pengempaan dengan panas dan injeksi uap injeksi uap
Gambar 1. Sifat fisik dan mekanik papan tanpa partikel pada berbagai metode pengempaan. 3 Kerapatan terkoreksi 0,6 g/cm . Modulus patah papan tanpa perekat yang terbuat dari partikel kenaf inti dengan ukuran 3 0,5 – 1 mm lebih tinggi daripada ukuran acak pada target kerapatan 0,7 g/cm , tetapi hal ini berkebalikan pada kerapatan yang lebih tinggi. Kecenderungan yang sama terjadi pada nilai modulus elastisitas papan tersebut. Nilai kekuatan rekat internal papan partikel dengan ukuran partikel 0,5 – 1 mm lebih tinggi dibandingkan dengan nilai kekuatan rekat internal papan partikel dengan ukuran partikel acak. Penelitian ini menunjukkan bahwa semakin kecil ukuran partikel maka akan semakin besar kekuatan rekat internal. Ukuran partikel yang kecil menyebabkan luas permukaan menjadi semakin banyak, sehingga meningkatkan kekuatan rekat antar partikel.
BANDUNG, JAWA BARAT 23-25 JULI 2009
343
B-29
PROSIDING SEMINAR NASIONAL MAPEKI XII
Hasil yang sama juga diperoleh pada penelitian pembuatan papan partikel kenaf inti dengan menggunakan pengempaan panas (Okuda dan Sato, 2004) dan pembuatan papan tanpa perekat dari serat rumput gajah (Velasques et al. 2003) Sifat mekanik papan yang dihasilkan dengan metode kombinasi ini untuk kedua jenis ukuran sangat baik dan dapat melebihi standar yang ditetapkan untuk papan partikel menurut 3 JIS A 5908 tipe 8. Pada target kerapatan 0,9 g/cm , sifat mekanik rata-rata papan tanpa perekat dengan ukuran acak adalah modulus patah 27 MPa, modulus elastisitas 4,6 GPa serta kekuatan rekat internal 0,6 MPa. Sifat rata-rata untuk papan dengan ukuran 0,5 – 1 mm pada target kerapatan yang sama mempunyai nilai modulus patah 25 MPa, modulus elastisitas 4,25 MPa dan kekuatan rekat internal 0,8 MPa. Nilai pengembangan tebal dan penyerapan air papan tanpa perekat dengan ukuran 0,5 - 1 mm lebih baik dibandingkan dengan papan tanpa perekat dengan ukuran random, walaupun 3 dengan perbedaan yang tidak signifikan. Pada target kerapatan 0,9 g/cm , nilai pengembangan tebal dan penyerapan air untuk papan dengan ukuran acak adalah 44% dan 85%, sedangkan nilai untuk papan dengan ukuran 0,5 – 1 mm adalah 35% dan 79%. Hasil ini tidak jauh berbeda dengan penelitian Okuda dan Sato (2004) yang menunjukkan nilai pengembangan tebal 30% dan penyerapan air 80% untuk papan dengan ukuran partikel 53 μm, dengan metode pengempaan panas dan pada kerapatan yang hampir sama. 5
Modulus elasitas (GPa)
Modulus patah (MPa)
30 25
4
20
3
15
2
10
kenaf kenaf1 ( 0.5-1 mm)
5
1
0
0
0,6
0,7 0,8 Kerapatan (g/cm3)
0,9
0,6
0,7
0,8
Kerapatan (g/cm3)
0,9
140
Keteguhan rekat internal (MPa)
Pengembangan tebal (%); Penyerapan air (%)
1,0
120
0,8
100
0,6
80 60
0,4
40
0,2
20
0,0 0,6
0,7
0,8
0,9
Kerapatan (g/cm3)
0 0,6
0,7
0,8
0,9
Kerapatan (g/cm3)
Gambar 2. Sifat fisik dan mekanik papan tanpa partikel dengan ukuran partikel yang berbeda. KESIMPULAN Berdasarkan hasil penelitian dan pembahasan seperti tersebut diatas, maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut: 3 1. Papan partikel tanpa perekat dari kenaf inti dengan kerapatan lebih dari 0,6 g/cm dapat diproduksi tanpa mengalami delaminasi dengan menggunakan metode kombinasi pengempaan dengan injeksi uap dan panas. 2. Sifat fisik dan mekanik papan yang dihasilkan dengan metode kombinasi pengempaan menggunakan injeksi uap dan panas, tidak berbeda secara signifikan dengan sifat fisikmekanik papan dengan metode pengempaan menggunakan injeksi uap.
BANDUNG, JAWA BARAT 23-25 JULI 2009
344
PROSIDING SEMINAR NASIONAL MAPEKI XII
B-29
3. Nilai kekuatan rekat internal papan partikel dengan ukuran partikel 0,5 – 1 mm lebih tinggi dibandingkan dengan nilai kekuatan rekat internal papan partikel dengan ukuran partikel acak.
DAFTAR PUSTAKA Angles, M.N., Reguant, J., Montane, D., Ferrando, F., Farriol, X., Salvado, J.,1999, “Binderless Composites from Pretreated Residual Softwood”, J. Applied of Polymer Science 73:24852491 Okamoto, H., Sano, S., Kawai, S., Okamoto, T. and Sasaki, H., 1994, “Production of Dimensionally Stable Medium Density Fiberboard by Use of High-pressure Steam Pressing”, Mokuzai Gakkaishi (J Jpn Wood Res Soc) 40: 380-389 Okuda, N. and Sato M. 2004, “Manufacture and Mechanical Properties of Binderless Boards from Kenaf Core”, J Wood Sci 50:53-61 Okuda, N. and Sato, M., 2007, “Finely Milled Kenaf Core as a natural Plywood Binder”, Holzforschung 61: 439-444 Shen, K.C., 1986, “Process for Manufacturing Composite Products from Lignocellulosic Materials”, United States Patent: 4627951 Suzuki S, Shintani H, Park SY, Saito K, Laemsak N, Okuma M, Iiyama K (1998) Preparation of Binderless Boards from Steam Exploded Pulps of Oil Palm (Elaeis guneensis Jaxq.) Fronds and structural characteristics of lignin and wall Polysaccharides in Steam Exploded Pulps to be Discussed for Self Bonding, Holzforschung 52: 417-426 Velasquez, J.A., Ferrando, F., Farriol, X. and Salvado, J., 2003, “Binderless Fiberboard from steam exploded Miscanthus sinensis”, Wood Sci Technol 37:269-278 Widyorini, R., Xu, J.Y., Watanabe, T. and Kawai, S., 2005a, “Chemical changes in steampressed kenaf core binderless particleboard”, J Wood Sci 51(1): 26-32 Widyorini, R., Higashihara, T., Xu, J., Watanabe, T. and Kawai, S., 2005b, “Self-bonding Characteristics of Binderless Kenaf Core Composites, Wood Sci Technol 39(8): 651-662 Widyorini, R., Xu, J., Umemura, K. and Kawai, S., 2005c, “Manufacture and Properties of Binderless Particleboard from Bagasse I. Effects of Raw Material Type, Storage Method, and Manufacturing Process. J Wood Sci 51(6): 648-654 Xu, J., Han, G.P., Wong. E.D. and Kawai, S. 2003, “Development of Binderless Particleboard from Kenaf Core Using Steam-injection Pressing”, J. Wood Sci 49(4):327-332 Xu、 J., Sugiwara, R., Widyorini, R., Han, G. and Kawai, S. 2004, “Manufacture and Properties of Low-density Binderless Particleboard from Kenaf Core”, J Wood Sci 50(1):62-68 Xu J, Widyorini R, Kawai S, 2006, “Development of Binderless Fiberboard from Kenaf Core”, J Wood Sci 52(3): 236-243
BANDUNG, JAWA BARAT 23-25 JULI 2009
345
