I. PENDAHULUAN Latar Belakang Papan partikel adalah salah satu jenis produk papan komposit yang dikembangkan untuk meningkatkan efisiensi pemanfaatan bahan baku kayu, serta mengoptimalkan pemanfaatan bahan lignoselulosa lainnya. Namun demikian, ditinjau dari aspek lingkungan, teknologi papan partikel yang digunakan saat ini masih memiliki sejumlah permasalahan, khususnya yang terkait dengan pemakaian perekat. Oleh karena sebagian besar (96,6%) perekat yang digunakan berbasis formaldehida (Li 2002), maka produk papan partikel potensial menimbulkan emisi formaldehida selama penggunaannya. Senyawa formaldehida dapat menyebabkan kanker, menyebabkan iritasi pada mata dan kerongkongan serta gangguan pernapasan (Roffael 1993). Selain itu, perekat-perekat yang populer dewasa ini, seperti urea formaldehida, melamin formaldehida, phenol formaldehida, serta isosianat merupakan perekat yang menggunakan bahan baku senyawa turunan minyak bumi yang tidak terbarukan. Dengan demikian, ditinjau dari aspek bahan baku, perekat-perekat tersebut juga tidak ramah lingkungan. Usaha untuk menemukan produk baru yang lebih ramah lingkungan antara lain dilakukan dengan mengembangkan perekat yang menggunakan bahan baku terbarukan, misalnya lignin. Pemanfaatan lignin sebagai perekat sesungguhnya telah lama dilakukan.
Paten pertama tentang penggunaan lignin dari limbah
industri pulp sebagai perekat bahkan telah ada sejak tahun 1900-an (Nimz 1983). Sayangnya, perekat lignin juga masih perlu dikopolimerisasi dengan senyawa formaldehida (Santoso 2003). Potensi lignin sebagai perekat telah menginspirasi sejumlah peneliti untuk mengembangkan metode yang dapat mengaktifkan lignin dalam kayu secara langsung. Dengan metode ini, maka partikel ataupun serat kayu diharapkan dapat berikatan sendiri tanpa tambahan perekat
(Kharazipour & Hutterman 1998,
Karlsson & Westermark 2002, Widsten et al. 2003, Widsten & Kandelbauer 2008a). Metode-metode yang telah dikembangkan antara lain adalah metode injeksi uap panas, perlakuan enzimatik, serta metode oksidasi permukaan kayu. Metode injeksi uap panas telah dikembangkan secara intensif oleh beberapa 1
peneliti (Kawai et al. 2002; Xu et al. 2003; Widyorini et al. 2005a; Widyorini et al. 2005b; Widyorini et al. 2005c; Xu et al. 2005; Xu et al. 2006). Penelitian yang intensif pada metode ini telah memberikan gambaran yang cukup komprehensif tentang metode pembuatan papan partikel tanpa perekat. Disimpulkan bahwa bahan-bahan bukan kayu yang kaya hemiselulosa lebih sesuai sebagai bahan baku pembuatan papan partikel tanpa perekat. Penelitian dengan menggunakan hidrogen peroksida dan fero sulfat sebagai oksidator tampak tidak seintensif pada metode injeksi uap panas maupun perlakuan enzimatik. Penelitian metode oksidasi menggunakan hidrogen peroksida dan fero sulfat untuk pembuatan papan partikel tanpa perekat dilakukan oleh Karlsson & Kandelbauer (2002). Peneliti tersebut berhasil membuat papan partikel tanpa perekat dengan menggunakan hidrogen peroksida dan katalis untuk mengaktivasi komponen lignin partikel kayu. Sementara itu, penelitian pembuatan papan serat dengan menggunakan oksidator yang sama dilakukan oleh Widsten et al. (2003). Investigasi lebih lanjut untuk memperoleh pemahaman tentang mekanisme ikatan yang terjadi dalam pembuatan papan partikel tanpa perekat telah dilakukan oleh Pantze et al. (2008). Dibandingkan dengan metode injeksi uap panas, pembuatan papan partikel tanpa perekat melalui oksidasi partikel kayu tampak lebih sederhana sehingga peluang aplikasinya pada skala industri akan lebih prospektif. Namun demikian penelitian-penelitian tersebut masih terbatas pada pengungkapan karakteristik papan partikel yang dihasilkan dan mekanisme ikatan yang berperan penting dalam pembuatan papan partikel tersebut. Hasil evaluasi terhadap karakteristik produk yang dihasilkan dari penelitian-penelitian yang dilakukan dengan menggunakan kedua metode di atas juga menunjukkan adanya variasi sifat-sifat produk yang ekstrim ketika diaplikasikan pada jenis bahan baku yang berbedabeda. Fakta ini menimbulkan pertanyaan tentang kesesuaian aplikasi teknologi tersebut pada jenis-jenis bahan baku yang terdapat di daerah tropis, khususnya di Indonesia. Hal ini didasari kenyataan bahwa teknologi tersebut diteliti dengan menggunakan bahan baku yang kebanyakan berasal dari daerah sub tropis. Berdasarkan pertimbangan-pertimbangan tersebut, maka penelitian ini difokuskan untuk mengembangkan proses pembuatan papan partikel tanpa perekat 2
dengan metode oksidasi menggunakan hidrogen peroksida dan fero sulfat. Dalam penelitian ini digunakan bahan baku potensial yang ada di Indonesia. Parameterparameter yang menjadi topik analisis meliputi; (1) pengaruh perlakuan pendahuluan terhadap karakteristik papan partikel serta perubahan komponen kimia yang terjadi pada partikel teroksidasi maupun partikel yang berasal dari produk yang telah dibuat, (2) analisis pengaruh ukuran partikel, (3) analisis pengaruh lama waktu oksidasi, (4) analisis pengaruh kadar oksidator, serta (5) analisis perbandingan karakteristik papan partikel tanpa perekat dengan papan partikel konvensional. Topik-topik tersebut dipilih karena selain belum tersedianya informasi tentang aplikasi teknologi ini dengan menggunakan bahan baku dari daerah tropis, literatur-literatur yang tersedia juga belum melaporkan aspek-aspek yang diteliti tersebut. Topik (1) dimaksudkan untuk mempelajari kemungkinan aplikasi aktivasi partikel melalui proses oksidasi dengan hidrogen peroksida dan fero sulfat berdasarkan metode yang dikembangkan di laboratorium, serta mempelajari perubahan-perubahan kimia yang terjadi. Dengan demikian akan diketahui proses yang terjadi yang menyebabkan partikel dapat berikatan tanpa kehadiran perekat. Topik (2), (3), dan (4) dimaksudkan untuk menemukan faktor-faktor kunci ditinjau dari aspek bahan baku dan perlakuannya yang dapat menghasilkan papan partikel berkualitas tinggi. Adapun topik (5) dimaksudkan untuk mendapatkan gambaran kelebihan dan kelemahan papan partikel tanpa perekat dibandingkan dengan papan partikel konvensional yang menggunakan perekat. Dengan demikian secara keseluruhan, dapat diperoleh informasi yang komprehensif dan mendalam baik ditinjau dari aspek ilmiahnya maupun kualitas produk yang dihasilkan. Perumusan Masalah Salah satu usaha yang dilakukan untuk mengatasi kelemahan papan partikel dalam hal penggunaan perekat yang cenderung tidak ramah lingkungan, adalah dengan mengembangkan teknologi pembuatan papan partikel tanpa perekat . Di antara beberapa metode yang telah dikembangkan, perlakuan oksidasi partikel kayu dengan menggunakan hidrogen peroksida dan fero sulfat tampak sangat
3
menarik ditinjau dari kesederhanaan metodenya dan ketersediaan oksidatornya sendiri yang dapat diperoleh dari berbagai sumber. Penelitian-penelitian yang telah dilakukan mengindikasikan bahwa teknologi tersebut memiliki prospek untuk dikembangkan lebih lanjut. Meskipun demikian, sejumlah permasalahan masih belum terjawab dalam penelitianpenelitian terdahulu yaitu: 1. Bagaimanakah karkateristik papan partikel yang dibuat dari jenis-jenis bahan baku yang secara fundamental berbeda (dari jenis kayu daun lebar, kayu daun jarum, serta bahan lignoselulosa bukan kayu)? 2. Bagaimanakah perubahan komponen kimia yang terjadi pada partikel yang diberi perlakuan oksidasi untuk menghasilkan papan partikel tanpa perekat? 3. Bagaimana korelasi antara ukuran partikel dengan sifat-sifat papan partikel yang dihasilkan? Hal ini didasari oleh pertimbangan bahwa untuk menghasilkan papan partikel dengan sifat mekanis yang tinggi dibutuhkan partikel dengan slenderness ratio yang optimal. Akan tetapi ukuran optimal tersebut belum tentu merupakan ukuran partikel yang ideal bagi assesibiltas bahan oksidator ke komponen kimia kayu. Dengan demikian ukuran optimal harus ditentukan berdasarkan perpaduan antara sifat fisik dan mekanis papan secara keseluruhan dengan efektivitas reaksi oksidasi yang terutama akan ditandai oleh nilai keteguhan rekat papan partikel. 4. Bagaimana korelasi antara waktu oksidasi dengan sifat fisik dan mekanis papan partikel yang dihasilkannya? 5. Berapa kadar oksidator optimal untuk menghasilkan papan partikel tanpa perekat dengan kualitas yang tinggi? 6. Bagaimana perbandingan karakteristik papan partikel tanpa perekat dengan papan partikel konvensional yang dibuat dengan menggunakan perekat? Dengan kata lain, bahwa karakteristik papan partikel tanpa perekat merupakan resultante dari faktor jenis, dimensi, perlakuan bahan baku, dan proses pembuatan papan partikel. Oleh karena itu diperlukan penelitian yang komprehensif dan mendalam untuk menemukan teknologi dan produk papan partikel tanpa perekat yang berkualitas tinggi.
4
Tujuan Penelitian Secara keseluruhan penelitian ini ditujukan untuk menemukan teknik pembuatan papan partikel dari bambu dan kayu sengon tanpa menggunakan perekat melalui perlakuan oksidasi. Berdasarkan tujuan umum penelitian ini, maka secara detail tujuan-tujuan penelitian dapat diuraikan sebagai berikut: 1. menganalisis pengaruh perlakuan bahan baku terhadap sifat-sifat papan partikel dan menganalisis perubahan komponen kimia akibat perlakuan pendahuluan dalam usaha pembuatan papan partikel tanpa perekat; 2. menganalisis pengaruh ukuran partikel terhadap sifat-sifat papan partikel tanpa perekat, serta menentukan ukuran partikel yang optimal yang dapat menghasilkan papan dengan kualitas yang tinggi; 3. menentukan waktu oksidasi optimal serta kadar oksidator optimal; 4. menjelaskan kelebihan dan kelemahan papan partikel tanpa perekat dibandingkan dengan papan partikel yang menggunakan perekat. Manfaat Penelitian Dalam penelitian ini diharapkan dapat ditemukan metode yang tepat serta faktor kunci yang berpengaruh terhadap aplikasi pembuatan papan partikel tanpa perekat. Dengan demikian dari penelitian ini akan dapat diperoleh sejumlah manfaat yaitu: 1.
ditemukannya cara yang tepat dalam pembuatan papan partikel tanpa perekat dengan menggunakan jenis bahan baku potensial yang ada di Indonesia, seperti bambu dan kayu sengon;
2.
metode yang ditemukan dapat dijadikan dasar untuk mengembangkan produksi skala pabrik dalam pembuatan papan partikel sehingga penggunaan perekat yang tidak terbarukan dan berpotensi menimbulkan emisi formaldehida dapat dihindari;
3.
menyediakan informasi-informasi ilmiah yang dapat berkontribusi terhadap pengayaan khasanah ilmu pengetahuan dalam bidang teknologi pengolahan hasil hutan serta upaya pengembangan produk papan partikel yang ramah lingkungan;
5
Hipotesis Berdasarkan uraian pada bagian latar belakang, maka hipotesis yang diajukan dalam penelitian ini adalah : 1. Sifat fisik dan mekanis papan partikel tanpa perekat sangat dipengaruhi oleh jenis bahan baku yang digunakan sebagaimana halnya papan partikel konvensional. Terlebih lagi papan partikel tanpa perekat mengandalkan ikatan kimia antar komponen bahan. Dengan demikian kesesuaian penggunaan setiap jenis bahan baku akan berbeda. 2. Penggunaan kayu berkerapatan rendah yang dewasa ini banyak dikembangkan di Indonesia memerlukan nisbah kempa yang tinggi untuk menghasilkan papan partikel dengan sifat-sifat mekanis yang memadai. Akan tetapi hal tersebut berimplikasi pada penurunan stabilitas dimensi papan. Mengingat papan partikel tanpa perekat dengan metode oksidasi mengandalkan ikatan kimia dari komponen lignin yang ada di dalam partikel kayu, maka pola hubungan stabilitas dimensi produk dengan nisbah kempa akan berbeda dengan pola yang terjadi pada papan partikel konvensional. 3. Untuk menghasilkan papan partikel dengan sifat-sifat mekanis yang tinggi, maka dibutuhkan partikel dengan slenderness ratio (nisbah panjang dengan tebal partikel) yang optimal. Akan tetapi ukuran partikel yang optimal seperti halnya dalam papan partikel konvensional dapat saja menyebabkan penurunan assesibilitas oksidator terhadap komponen kimia partikel sehingga diduga akan menurunkan sifat mekanis papan. Oleh karena itu, terdapat ukuran partikel yang optimal yang dapat menghasilkan papan partikel dengan kualitas yang tinggi. 4. Komponen radikal yang dihasilkan selama proses oksidasi secara teoretis tidak stabil seiring dengan berjalannya waktu, sehingga berpotensi memengaruhi sifat fisik dan mekanis papan partikel yang dihasilkannya. 5. Peningkatan kadar oksidator sampai taraf tertentu akan meningkatkan reaktivitas komponen kimia tertentu yang ditandai dengan perbaikan sifat fisik dan mekanis papan partikel yang dihasilkan. Namun demikian peningkatan kadar oksidator lebih lanjut dapat menyebabkan terganggunya komponen kimia selulosa sehingga dapat menyebabkan penurunan kualitas papan partikel. 6
Novelty Novelty penelitian adalah: ditemukannya metode baru dalam pembuatan papan partikel dari bambu andong dan kayu sengon tanpa menggunakan perekat. Kerangka Pikir Penelitian ini didasari oleh kenyataan adanya paradoks antara penurunan suplai bahan baku kayu di satu sisi dengan peningkatan kebutuhan produk-produk berbasis kayu dan bahan berlignoselulosa pada sisi yang lain. Oleh karena itu salah satu cara yang dapat dilakukan adalah dengan mengembangkan produkproduk papan komposit, di mana papan partikel merupakan salah satu bagiannya. Papan partikel merupakan alternatif yang dapat dikembangkan karena produk ini dapat dibuat dari bahan baku berkualitas rendah, limbah, dan bahan berlignoselulosa bukan kayu. Akan tetapi penggunaan perekat dalam proses pembuatannya menyebabkan produk ini memiliki sejumlah kelemahan, yaitu bahan baku perekat yang digunakan umumnya tidak terbarukan dan dalam pembuatan maupun penggunaannya dapat menimbulkan emisi formaldehida. Salah satu solusi alternatifnya adalah dengan mengembangkan papan partikel tanpa perekat. Pengembangan papan partikel tanpa perekat ini dilakukan dengan cara mengaktifkan komponen kimia partikel yang dapat berperan sebagai perekat secara langsung. Keberhasilan pengembangan produk ini akan ditentukan oleh sejumlah faktor seperti jenis bahan baku, perlakuan pendahuluan, ukuran partikel, kondisi proses, serta kadar oksidator. Secara skematis kerangka pikir penelitian ini disajikan pada Gambar 1.
7
Tantangan dalam Teknologi Pengolahan Hasil Hutan: peningkatan kebutuhan produk kayu/bukan kayu, keterbatasan suplai bahan baku, masalah lingkungan
Solusi Alternatif : optimasi pemanfaatan bahan baku, pengembangan produk dan teknologinya
Bahan baku alternatif: bambu dan kayu sengon yang merupakan kayu berkerapatan rendah dari hutan rakyat
Produk alternatif: Papan partikel (bahan baku fleksibel, ragam penggunaan luas)
Papan partikel konvensional
Memerlukan tambahan perekat dalam pembuatannya
Sebagian besar (96,6%) perekat yang digunakan berbasis formaldehida
Permasalahan : Emisi formaldehida, Bahan baku perekat tidak terbarukan
Pengembangan teknologi pembuatan papan partikel tanpa perekat dengan metode oksidasi
Teknologi dan produk papan partikel tanpa perekat yang ramah lingkungan & berkualitas tinggi Gambar 1. Kerangka pikir penelitian
8
Ruang Lingkup Penelitian Penelitian ini dilakukan dalam beberapa tahapan untuk menghasilkan papan partikel dengan karakteristik yang dapat memenuhi standar produk-produk papan partikel yang menggunakan perekat, serta mengungkap fenomena ikatan yang terjadi. Tahapan-tahapan penelitian tersebut disajikan pada Gambar 2. Pengaruh perlakuan pendahuluan partikel terhadap karakteristik papan tanpa perekat
Sifat fisik dan mekanis papan partikel Perubahan kadar holoselulosa, selulosa, hemiselulosa, lignin, & ekstraktif partikel
Penentuan ukuran partikel optimal
Lolos 20, 10, 5, 2,5 & 1,5 mesh (Klp I) 20/40, 10/20, 5/10 (Klp. II)
Korelasi waktu oksidasi dengan karakteristik papan partikel
Waktu oksidasi (durasi) 15,30,45, 60,75, 90menit
Optimasi kadar hidrogen peroksida, dan fero sulfat
5, 10, 15, 20 % (kadar H2O2) 5 & 7,5 % (kadar FeSO4)
Perbandingan karakteristik papan partikel tanpa perekat dengan papan partikel konvensional
Perekat UF, MF, PF, dan Isosianat
Gambar 2. Skema tahapan kegiatan penelitian a. Pengaruh Perlakuan Pendahuluan Terhadap Karakteristik Papan tanpa Perekat. Tahapan ini disajikan dalam Bab III yang terdiri atas dua bagian yaitu analisis sifat fisik dan mekanis papan partikel dan analisis perubahan kimia partikel akibat perlakuan oksidasi. Pada bagian pertama dibahas sifat fisik dan mekanis papan yang dibuat dari partikel yang diberi beberapa 9
perlakuan, yaitu perlakuan perebusan, perlakuan kombinasi perebusan dan oksidasi, serta perlakuan oksidasi tanpa perebusan. Selain dilakukan analisis terhadap sifat fisik dan mekanis papan partikel dengan menggunakan prosedur pengujian yang ditetapkan dalam JIS A 5908 2003, dilakukan pula analisis dengan menggunakan Fourier Transform Infra Red (FTIR) untuk melihat perubahan-perubahan ikatan yang terjadi, analisis dengan menggunakan Xray difractometer untuk melihat perubahan derajat kristalinitas komponen selulosa serta analisis Pyrolisis Gas Chromatography-Mass Spectrofotometer (Pyr GCMS) untuk melihat perubahan-perubahan komponen kimia penyusun partikel. Dalam bagian kedua dibahas tentang perubahan kelarutan partikel akibat perlakuan oksidasi pada pelarut air dingin, air panas, dan NaOH 1%. Selain itu dibahas pula perubahan kadar holoselulosa, selulosa, hemiselulosa, lignin, serta kadar abu. Tahapan ini merupakan penjelasan dari indikator-indikator yang menunjukkan keberhasilan proses oksidasi dan pengaruhnya terhadap komponen kimia partikel b. Analisis pengaruh ukuran partikel terhadap sifat-sifat
papan partikel.
Dalam tahapan yang disajikan pada Bab IV ini dibahas tentang hubungan antara karakteristik papan partikel ditinjau dari sifat fisik dan mekanisnya dengan ukuran bahan baku yang digunakan. Selain itu, dibahas pula pengaruh keberadaan partikel halus terhadap karakteristik papan partikel. Hasil-hasil penelitian digunakan untuk menjelaskan perbedaan fenomena pengaruh ukuran partikel terhadap karakteristik papan yang dibuat dari jenis bahan baku yang berbeda yaitu bambu dan kayu sengon. c. Analisis hubungan antara waktu oksidasi dengan karakteristik papan partikel. Tahapan yang disajikan pada Bab V ini mendemonstrasikan pergerakan suhu partikel selama proses oksidasi melalui pencatatannya dalam cynorecorder. Digambarkan pula perbedaan kecepatan reaksi oksidasi yang terjadi pada jenis bahan baku yang berbeda yang diindikasikan oleh perbedaan lama waktu yang diperlukan untuk mencapai suhu puncak. Dalam bagian ini juga dijelaskan karakteristik papan yang dibuat dari partikel yang dioksidasi pada waktu yang berbeda-beda dalam rentang waktu 15-90 menit.
10
d. Analisis pengaruh kadar hidrogen peroksida, dan kadar fero sulfat optimal. Tahapan yang sajikan dalam Bab VI ini menjelaskan perbedaan karakteristik papan partikel akibat perbedaan kadar oksidator. Dalam tahapan ini diulas perbedaan respon bahan baku dari jenis yang berbeda terhadap perbedaan kadar oksidator yang digunakan. Dalam tahapan ini juga dibahas penjelasanpenjelasan yang menjadi penyebab perbedaan respon tersebut. e. Perbandingan karakteristik papan partikel tanpa perekat dengan papan partikel yang menggunakan perekat. Dalam tahapan terakhir yang disajikan pada Bab VII ini disajikan data perbandingan sifat fisik dan mekanis papan partikel tanpa perekat dengan papan partikel yang dibuat dengan menggunakan berbagai jenis perekat, serta papan partikel komersial yang dijual di pasaran. Dalam hal ini, telah digunakan empat jenis perekat yaitu urea formaldehida, melamin formaldehida, phenol formaldehida, serta isosianat. Dari data yang diperoleh, dikemukakan hasil-hasil analisis tentang kelebihan dan kelemahan papan partikel tanpa perekat dibandingkan dengan papan partikel yang menggunakan perekat. Selain pengujian dalam kondisi kering, pengujian dalam tahapan ini juga dilakukan dalam kondisi basah dengan merujuk pada standar pengujian tipe “M” dan tipe “P” berdasarkan JIS A 5908 2003.
11
