SINTESXS DAN PENCKJUAN RESIN H G r n RESORSl'NOLFORMALDErnA UNTUK PERIEKAT KGYU LAMINA
PROGRAM PASCASARJANA INSTITW PERTANIAN B O W R BOGOR 2003
ADI SANTOSO. Sintesis dan Pencirian Resin Lignin Rasorsinol Formaldehida untuk Perekat Kayu Lamina. (Di h w a h bimbingan SURDlDlNG RUHENDI sebagai ketua, SUMINAR S. ACHMADI dan YUSUF S U N M I sebagai anggota). Lindi hitam yang dihasilkan oleh pabrik pulp di Indonesia diperkirakan
mencapai lebih dari 2,3 juta tonhhun. Larutan ini sudah sejak lama diupayakan pemanfaatannya sebagai bahan perekat untuk keperluan industri kayu, terutama untuk
jenis perekat kempa dingin (cddswng).
Namun demikian, sampai saat ini belum diperoteh formulasi perekat yang
sesuai dengan kebutuhan industri, khususnya dalam ha1 pot h n y a yang singkat. Dalam penelrban ini dilakukan bebetapa modifikasi pada komposisi bahan perekat, dengan tujuan
mmperokh formula yang bersifht lebih
aplikatif. Lindi hitam diisolasi dengan menggunakan metoda pengendapan
bmlang (represipbsi) untuk memperoleh isolat lignin, Jalu ditetapkan
cirinya. Hasil pencirian dibandingkan dengan lignin impor (tnqulin-AT) yang dikategorikan sebagai lignin standar. Selanjutnya pad*
isolat lignin
ditambahkan resorsinol dan formaldehida dengan lirna kombinasi nisbah
mol resorsinoi, yaitu 0,3; 0,5;0,7;0,9, dan 1,1, semenlara lignin dan formaldehida tetap, masing-masing 1 dan 2 mol.
Kopolimer hasil reaksi tersebut diaplikasikan pada kayu lamina dua lapis berukumn panjang 50 cm, bbar 5 cm, dan tebal 2 cm, setiap bilah kayu dilaburi dengan perekat sebanyak 170 g/m2 permukaan. Selanjutnya
contoh dikempa dengan waMu berbeda, yaitu 8 jam dan 15 jam, pada tekanan t ,O MPa. Daya rekat dan emisi formaldehida pemkat ciiuji dan dievaluasi berdasarkan standar Jepang (JAS). Hssil penelltian menunjukkan bahwa lignin isoiat mengandung 49% siringitlguaiasil, dengan bobot molekut 1046, kadar metoksil 9 0,694,hidroksifenolik 2,1%, a h 16,794, lignin mumi 70,8%,dan suhu transisi pelelehan 138OC. Hasil ini setara dengan lignin impor (Indulin-AT). Setdah direaksikan
dengan resorsinol dan fonnaldehida, diketahui bahwa nisbah mol optimum
L:R:F = 1:0,5:2,dengan pengeras 1,5% dari kadar padat perekat dan masa kempa 15 jam. Perekat ini memifiki pot f i 227 menit, dengan kadar resin 48,95%, forrnaldehida bebas 3,71%, b b o t molekul 1220, bobot jenis 1,16
dan suhu transisi pelelehan 1 W C . Pengujian tehadap kayu lamina menunjukkan bahwa keteguhan rekat produk tersebut 51.82 kglcm2 (uji basah) dan 117,4? kglcm2 (uji kering), dengan emisi formaldehida 0,014 ppm.
Dengan metode ini, perekat lignin yang dibuat dengan menambahkan
resorsinol dan formaldehida (LRF) memiliki ciri kopolimer yang baik dan mememuhi syarat mekanis (keteguhan rekat) dan emisi formaldehida yang
ditentukan dalam standar Jepang.
ABSTRACT
AD1 SANTOSO. Synthesis and Characterization of Lignin Resorcinol Formaldehyde Resin for Laminated Wood Adhesive. (Under supervision of SURDIDING RUHENOl as chairman, SUMINAR S. ACHMADI and YUSUF SUOO HAD1 as members).
Black liquor generated from pulp mills in Indonesia is estimated more
than 2.3 millions tones per year. This Rquid has been explored to be used for wood adhesive, however the resub for industrial application is considered
unsatisfactory due to the fact that the pot life of adhesive is shod relatively. This study examined several modifications on adhesive composition to
achieve applicable formulae for cold setting adhesive. First, the dispersed lignin in the liquor was separated by reprecipitation to prduce isolated lignin, followed by its characterization. The characteristics were compared to an imported lignin (tndulin-AT), which is used as a reference. The lignin was then mixed with resorcinol and formaldehyde at five different resorcinol mole ratios, i.e. 0.3, 0.5, 0.7, 0.9,
and 1.1, while lignin and formaldehyde were fwd at 1 and 2 moles, respectively. The Copolymers from the r ~ c t i o nwere tested on 2 layers laminated wood with dimensions of 50 cm length, 5 cm width and 2 cm thickness. Each m o d stick was spread by glue about 17'0 g/m2 of per face.
Then, the samples wre pressed with two different pressing time, 8 hours and 15 hours, at 1.0 MPa. The mechanical properties and formaldehyde
emission of the adhesive were tested and evaluated based on Japanese (JAS) standard.
The Results indicated that the isolated lignin contained approximately 49% of syringillguaiacyf, with 1046 molecule weight, 10.6% rnethoxyl group,
2.1% phenolic group, 16.7% ash, 70.9% pure lignin, and 138OC temperature of transition phase. The characteristics are similar to IndulimAT that was used as reference. After mbdng with resordnol and formaldehyde
constituents, the r e d showed that the optimum L: R: F mole ratio was 1:0.5:2 and the percentage of para formaldehyde was 1 . 5 O h of solid content. The pot life of adhesive was 227 minutes, with 48.95% resin content, 3.71%
free formaldehyde, 1220 molecule weight, 1-16 specific gravity and 150°C temperature of transition phase. The test on laminated wood indcated that
bonding strength of the product was 51.82 kg(cm2 (wet test) and 117.47 kglcrn2 (dry test), The formaldehyde emission was about 0.014 ppm.
Therefore, the synthesis of isolated lignin with the resorcinol and formaldehyde produced LRF, a unique wood adhesive with good copolymer characteristics and met bonding strength and formaldehyde emission
requirement as stated in Japanese standard.
Saya
menyatakn
dengan sebenamya-benamya
bahwa segala
pemyataan &lam disertasi saya yang berjudul: 'Sintesis dan Pencirian Resin Lignin Resorsinol Formaldehida untuk Perelcat Kayu lamina* merupakan gagasan atau hasir penelin diertasi saya sendin, dengan pembimbingan Komisi Pembimbing, kecuali yang dengan jelas dikrnjukkan rujukannya. Disertasi ini belum pemah diajukan untuk mernperoleh gelar pada program sejenis di perguruan tinggi lain.
Semua data dan informasi yang digunakan telah dinyatakan secara jelas dan dapat diperiksa kebenarannya.
Bogor, 14 Juli 2003 Nama : Adi Santoso
N r p : P1460M11411PK
SINTESIS DAN PENCIRIAN RESIN LIGNIN RESORSINOL FORMALDEHIDA UNTUK PEREKAT KAYU LAMINA
Dirtasi Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Do ktor pada Program Studi llmu Pengetahuan Kehutanan
PROGRAM PASCASARTANA IlYSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2003
: Sintesis dan Pencirian Resin Lignin Resorsinol
Judul Disertasi
Formaldehida untuk Perekat Kayu Lamina
Nama mahasiwa
: Adi Santoso
NIM
: P 14600014 1 IPK Menyetujui 1 . Komisi Pembimbing :
(Prof. Dr. Ir. H. surdding ~uhendi,M.Sc) Ketua
I
(Dr. Ir. Suminar S. Achmadi) Anggota
R
2. Ketua rogram Studi IPK
Tanmal Lulus: 14 Jull2003
(Prof.
I
. Yusuf Sudo Hadi, M.Agrj Anggota
3. DireMur Program Pascasarjana
RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Bogor pada tanggal 5 Juti 1958 sebagai anak tunggal dari pasangan K. Prajitno dan Supiah. Pendidikan sarjana ditempuh
di Program Studi Kimia, Fakultas Matematika dan llmu Pengetahuan Alam Unpad, Bandung, lulus pada tahun 1986. Pada tahun 1991, penulis mendapat tugas belajar dari Departemen Kehutanan pada Progtam Studi t lmu Pengetahuan Kehutanan IPB Bogor dan menamatkannya pada &hun 1994. Kesempatan untuk melanjutkan ke program doMor pada program
studi dan perguruan tinggi yang sama diperoleh pada tahun 2000.
Penulis bekerja sebagai Peneliti di Pusat Penelitian dan Pengembangan Teknologi Hasil Hutan sejak tahun 1M6.Bidang Penelitian yang rnenjadi tangg ung jawa b penulis adalah Pemanfaatan Hasil Hutan.
Selama mengikuti program S3, penulis menjdi anggota Masyarakat Peneliti Kayu Indonesia, Himpunan Polimer Indonesia, Himpunan Mikrobiologi Indonesia, dan Persatuan Sarjana Kehrrtanan Indonesia.
Karya ilmiah berjudul 'Daya Tahan Garis Rekat LRF pada Kayu Lamina Manii terhadap serangan Rayap Kayu Kering" telah disajikan pada
Seminar Nasional V Masyarakat Peneliti k y u Indonesia (MAPEKI) di -or pada bulan Juli 2002. Dua buah artikel telah diterbitkan masing-masing
dengan judul 'Penganrfi Komposisi Perekat Lignin Resorsinol Formaldehida terhadap Emisi Formaldehida dan S h t Fisis-Mekanis Kayu Lamina" pada
Jumal Teknologi Hasil Hutan, 14(2): 7-15, 2001 dan 'Pemanfaatan Lindi Hitam dari lndustri Pulp Kraft untuk Perekat Kayu" pada Buktin Penelitian
dan Pengembivlgan Kehutanm, 3(2): 145-156, 2002. Artikel lain rnasingmasing berjudul 'fsutasi dan Karakterisasi Lignin dari Lindi Hitam untuk Bahan Perekat Kayu Kempa Dingin" akan diterbitkan p d a Majalah IPTEK,
ITS pada tahun 2004, dan Vengaruh Komposisi Resin dan Kadar AdKi dalam Perekat Linin Resorsinol Formaldehida tehadap Keteguhan Rekat
Kayu Lamina Kernpas",akan diterbrtkan pada Buletin Penelilian Hasil Hutan pada tahun 2004. Karya-karya ilmiah tersebut merupakan bagian dari
program S3 penulis.
PRAKATA Penurts memanjatkan segala puji dan syukur ke hadirat Allah SWT dengan selesainya karya ilmiah ini, yang menrpakan salah satu syarat untuk memperoleh gelar Doktor pada Program Studi llmu Pengetahuan Kehutanan, Program Pascasarjana l n t i i Pertanian Bogor.
Karya ilmiah yang berjudul 'Sintesis dan Pancirian Resin Lignin
Resorsinol Fomatdehida untuk Perekat Kayu Lamina" ini dapat diselesaikan berkat hntuan dan sumbangan pemikiran dari berbagai pihak. Unkrk itu penulis menyatakan terima kasih dan penghargaan yang
setinggi-tingginya, khuslanya kepada Prof. Dr. Ir. H. Surdiding Ruhendi,
M.Sc selaku ketua komisi pembimbing, Dr. tr. Suminar S. Achmadi dan Prof.
Dr. Ir.
H. Yusuf Sudo Hadi, M.Agr selaku anggota komisi
pembimbing, Kepala Pusat Penelitian dan Pengembangan Teknologi Hasil
Hutan yang tela h memberrkan kesempatan dan fasilis selama penulk menjahni kuliah
dan peneliian, dan selunrh rekan karyawan dan
karyawati di Pusat Penelitian dan Pangem-bangan Teknologi Hasil Hutan, seda para kerabat penulis atas dorongan moril dan materil yang dberikan.
Penulis berharap, agar semua yang disajikan ini d a p t rnemberikan
dasar bagi penelian lebih lanjut dan bermanfaat bagi perkembangan
keitmuan khususnya di bidang kehutanan. Bogor, Juli 2003 Adi Santoso
DAFTAR 1st
Halaman DAFTAR TABEL ........................................................................................ xiv DAFTAR GAMBAR ..................................................................................... xv
DAFTAR LAMPIRAN ................................ . . .......................................
xvii
I .PENDAHU1UAN ..................................................................................... 1 1.1. Latar Belakang..................................................................................... I
1.2. Tujuan Penelitran ................................................................................. 4
II. TtNJAUAN PUSTAKA .............................................................................. 5 2.1. Lignin ................................................................................................. 5 2.1.1. Lignin dari Lindi Hitam Kraft ......................................................... 5 10 2.A .2. Aplikasi tignin sebagai Perekat Kayu ...........................................
2.1.3. Perekat Kernpa Dingin Lignin Resorsinol Formaldehida ...............11
2.2. Kayu Lamina .......................................1
4
2.3. Deskripi Kayu Kernpas (Koompassia malaceensis Maing. )...............18
2.4. Teknik Pencirian Lignin dan Kopolimernya ....................................... -20 21 2.4.1. Pencirian Unsur dan Gugus Fungsi .............................................. 2.4.2. Penentuan Disttibusi B o k t Molekul ...........................................
22
2.4.3. Pencirian Kekristatan .................................................................... -24
2.4.4. Pencirian Cara Termal ................................... ............................-27 2.4.5. Pencirian Mikroskopis Penetrasi Koplimer LRF pada Kayu Lamina .......................................................................................... -30
III. ISOLASI DAN PENClRlAN LIGN1N DARl LtNDl HlTAM........................31 3.1 . Pendahuluan.......
xii
3.2. Bahan dan Metode .............................................................................. 32 3.2.1. Bahan dan Alat ............................................................................. -32
3.2.2. Metode ............................................................................................ 33
3.3. Hasil dan Pembahasan........................................................................ 39 3.3.1. Ciri tindi Hitam ............................................................................... 39 3.3.2. Ciri Kualitati t i n i n Isobt ...........................................................
40
3.3.3. Ciri Kuantitatif Lignin Isolat............................................................ -43 3.4. Kesimpulan........................................................................................... 51
.
IV SlNTESlS DAN PENClRlAN KOPOLIMER UGNIN RESORSINOL FORMALOEHIDA .......................... . . .........-52 4.1. Pendahuluan........................................................................................ 52
4.2. Bahan dan Metode...........................................................................
53
4.2.1. Bahan dan Alat ....................... ......
.............................................. 53 4.2.2. Metode............................................................................................ 54
4.3. Hasil dan Pernbahasan........................................................................ 57 4.3.1. Ciri Kualitatif Kopolimer Lignin Resorsinol Farmaldehlda.............-57
4.3.2. Optimasi Kualitatif Ciri Komposisi Kopolimer Lignin Resorsinol Formaldehida ....................... . . . .............4 4.3.3. Stfat Fisiskimia Resin Lignin Resorsinol Formatdehida................ 70
4.4. Kesirnpulan........................................................................................-74
.
V PENGARUH KOMPOSiSI DAN KADAR ADITIF DAIAM PEREKAT 11GNIN RESORSINOL FORMALDEHIDA TERHAOAP KUALITAS KAYU LAMINA KEMPAS ....................................................................... 75
5.1. Pendahuluan ........................................................................................ 75
5.2. 8ahan dan Mebde ............................................................................... 77
77 5.2.1 . Bahan dan Alat ............................................................................... 5.2.2. Metode............................................................................................ 78
5.3. Hasil dan Pembahasan .................................................................... -84 5.3.1. Optimasi Komposisi Resin dan Penggunaan Aditif ....................... 84 5.3.2. Kinerja Perekat Lignin Resominot Formaldehida ............................................................................. 94
.
VI PEMBAHASAN UMUM .................................. . . ............................. 108 6 .1. Ciri Lig nin tsolat sebagai Bahan Baku Perekat Kayu .......................108
6.2. Pencirian Kopolimer Lignin Resorsinol Fomatdehida......................109 6.3. Ciri Komposisi Aplikatif Perekat Lignin Resorsinol
Formaldehida ................................................................................. 111
6.4. Kinerja Perekat Linin Resorsinol Formaldehida ............................. 113
.
116 VII KESIMPULAN DAN SARAN ................................................................ 7.1. Kesimpulan ...................................................................................... 116
7.2. Saran ................................................................................................ 117 DAFTAR PUSTAKA.................................................................................. ,118
OAFTAR TABEL Ta be1
Halaman
3. I.Pita serapan spektrometer infmmerah lignin isolat dad iindi hitam (cm-1)....................................................................... ..40 3.2. Ciri kuantitatif lignin isolat.................................................................. 44
4. f . Komposisi resin lignin resorsinol formawehida (LRF), dalam mo1...55
4.2. Pita serapan spektrorneter inframerah reaktan, kopdlimer LRF, dan perekat PRF (cm-1) .................... . ........................................
-58
4.3. Derajat kekristalan (%) koptimer lignin resorsinol formaldehrda pada berbagai komposisi ............................................................... .66 4.4. Suhu fa- transisi pelelehan (OC)kopolimer lignin resorsinol formaldehida pada krbagai kornpsisi .........................68
4.5. lkhtisar hasil pengujian sifat fisis-kimia resin lignin resarsinol formaldehida....................................................................................... 77 5.1. Komposisi Resin Lignin Resorsinol Formaldehida (LRF) ..................80
5.2. Derajat kekristalan resin LRF pada komposisi optimum dengan berbagai kadar aditif ................................ . .....................86
5.3. Suhu fase transisi pelelehan resin LRF pada komposisi optimum ...88 5.4. Sidik ragam kadar resin padat dan waktu tergetatin LRF..................90 5.5. Sidik ragam kadar formaldehida bebas LRF .....................................93
5.6. Nilai .. ntaan keteguhan geser tekan kayu lamina kempas (kg/crn2), UJI kering............................................................................................ -95 5.7. Nilai rataan keteguhan geser tekan kayu lamina kempas (kg/cmz). uji basah............................................................................................. 97
5.8. Sidik ragam keteguhan geser kernpas (kg/cm2)................................98
5.9-Sidik ragam emisi forrnaldehida (ppm) ..........................................
.lo1
DAFTAR GAMBAR Garnbar
Hafaman
2.1. Stnrkhrr lignin Kraft (8orregarad 2001 )........................................... 6
2.2. Unit fenil propanoid lignin ............................................................... 7 8 2.3. Reaksi lignin dengan alkali {Hon 1998) ..........................................
2.4. Perkiraan reaksi pembentukan lignin formaldehida. pada suhu 80% (Landucci 1981 dsdam Hemingway dan Conner t 988)........................................................................... 9 15 2.5. Tahapan proses pernbuatan kayu lamina .......................................
2.6.StruMur kristal-amorf polimer. (a) mewakili daemh berkristal
dan (b) m ~ k i ldaerah i arnorf (Cowd 1991).................................. 24
2.7. (a) interfemnsi membangun. (b) interferensi merusak (Cowd 1991) .................................................................................... 25 2.8. Skema pemantulan sinar-X oleh bidang netral (Cowd 1991)..........26 2.9. Bagan kristalit (a) tak terarah. (b) terara h
..................................... -27
29 2.10. Cara menaksir plot DTA (Surdia 1994) ......................................... 3.1. Transmitans spektrum inframerah lignin isolat dan indulin-AT .....40 3.2. Difraktogram lignin isolat dan indulin-AT ........................................ 42
3.3. Termogram trrtnsisi fase Iignin isoiat dan indulin-AT .....................43 4.1. Spektrum inframerah lignin reaktan bahan resin LRF ...................59 4.2. Spektrum inframerah kopotimer LRF dan resin PRF.....................59 61 4.3. Difraktogram lignin isolat dan indulin-AT........................................ 61 4.4. Difraktogram paraformatdehida dan resorsinol .............................
4.5. Difrak-bgram kopolimer lignin resorsinol formaldehida ..................62
4.6. Temogmrn lignin. lignin formaldehida. dan lignin resorsinol formaldehida................................................................................... 63 4.7. Spsktnrm inframerah kopolimer lignin resorsinol formaldehida .....65 4.8. Difraktogram kopolimer LRF pada berbagai komposisi .................65 4.9. Termogram kopolimer lignin resorsinol fonnaldehida .................... 89
81 5.1. Contoh uji keteguhan geser tekan .................................................. 5.2. Spemrn inframerah kopolimer lignin resorsinol formaldehida .....85
5.3. Dimktograrn perekat LRF dengan berbagai kadar aditif ................86 5.4. Tennogram perekat LRF dengan berbagai kadar aditif ..................87 89 5.5. Kadar resin padat dalam LRF.........................................................
5.6.WaMu tergelatin LRF..................................................................... -89 5.7.Formaldehida bebas LRF .............................................................. 92 5.8. Hubungan antara kadar aditif dengan formaldehida
bebas.............................................................................................. 93
5.9. Emisi formaldehida kayu lamina. masa kernpa 8 jam ...................100 5.10. Emisi formaldehida kayu lamina. masa kempa 5 jam ................100 5.1 1. Hubungan antara kadar aditif dengan emisi formaldehida kayu lamina. masa kernpa 8 jam .................................................. 103 5.12. Hubungan antara kadar aditif dengan emisi formaldehida 104 kayu lamina, masa kempa 15 jam ................................................
5.13. Penampang linkng kayu lamina kempas (a) Perbesaran 20 X, (b) Perbesaran 50 X ..................................105
DAFTAR LAMPlRAN
Lampiran 1.
Halarnan
Ciri kuantitatif iignin isolat asal lindi hitam ..................................... I25
2. Kadar resin padat lignin resorsinol formaldehida...........................1 3.
Waktu tergelatin resin lignin resorsinol formaldehida pada 25 OC (menit).............. ........ . . . . .. . .....,.....................,, , ,., ,.IZ
5.
Uji beda Waktu Tergeiatin (menit)....................... .. ................ . .......128
6.
Fomaldehlda bebas ( x 10%) resin lignin resorsinol fomaldehida ..................................................., .., ..,...... . ............, ..-129
7.
Uji beda kadar fonnaldehida bebas (%) .................................... ...I30
8.
Keteguhan geser tekan kayu lamina kempas (masa kempa 8 jam)... ... ................................................................131
9.
Vji beda keteguhan geser tekan kayu lamina kernpas (kglcm2), uji kering .................... ... ...... ................ . ... ..... . .. ....................... ... ... .-133
10. Uji M a keteguhan geser tekan kayu lamina kernpas (kglcm2), UJI bsah ........................................................................ 135 a -
11.
Emisi formaMehida (ppm) kayu lamina kempas ......... ... . . ........ ...,137
12.
Uji beda ernisi formaldehida kayu lamina kempas (ppm) . ............138
? 3. Penampang longitudinal (a1 dan a2) dan penampang transversal (bl dan b)garis rekat kopolimer LRF pada kayu lamina kempas .............................................................140
14. Kedalarnan penetrasi dan ketebalan garis rekat kopolimer LRF pada kayu lamina kempas (pm)....... .. ....................................141
