Teknologi | Juli-September 2019

Impregnasi: Teknologi Menguatkan Kayu

Kayu cepat tumbuh biasanya tak sekuat kayu dari hutan alam. Teknologi kayu memungkinkan untuk menaikkan kualitasnya.

Jamaludin Malik

Peneliti Modifikasi dan Peningkatan Kualitas Kayu pada Pusat Penelitian dan Pengembangan Hasil Hutan, Bogor

KELEMAHAN sifat pada kayu bisa diatasi dengan aplikasi teknologi modifikasi. Tujuan modifikasi untuk menghasilkan peningkatan keawetan atau stabilitas dimensi serta untuk mengurangi penyerapan air karena problem utama pada kayu adalah timbul saat adanya interaksi dengan air atau kelembaban. Istilah 'modifikasi kayu' berlaku untuk proses yang mengubah sifat-sifat material kayu sehingga selama masa pakai produk, tidak ada penurunan sifat kayu8.

Menurut Hill9, penggunaan secara komersial kayu modifikasi baru-baru ini saja meningkat secara signifikan meskipun modifikasi kayu adalah teknologi yang telah dipelajari selama lebih dari enam puluh tahun. Dalam dekade terakhir, dapat dilihat bahwa banyak produk yang terbuat dari kayu modifikasi memasuki pasar dan banyak klaim positif mengemuka mengenai keefektifannya.

Umumnya metode modifikasi memakai perlakuan kimia, termal, permukaan, dan impregnasi yang dikelompokkan menjadi tiga kelompok proses modifikasi kayu dan akhir-akhir ini diterapkan oleh industri kayu dan diperkenalkan ke pasar. Ketiganya adalah: (i) pemrosesan kimia (asetilasi, furfurylation, impregnasi resin, dll.); (ii) pemrosesan termo-hidro (perlakuan termal); dan (iii) pemrosesan termo-hidro-mekanis (densifikasi permukaan)10.

Beberapa metode dapat diterapkan secara bersamaan. Pada metode perlakuan Thermo-Hydro-Mechanical (THM), misalnya, perlakuan densifikasi, pengelasan, pembengkokan dan pembuatan kayu komposit berlangsung dalam satu proses. Tujuan dari keseluruhan perlakuan tersebut adalah untuk mengurangi sifat anisotropis, untuk mengatasi masalah stabilitas dimensi, dan untuk meningkatkan daya tahan kayu terhadap serangan organisme perusak kayu (OPK)11.

TEKNIK ALTERNATIF: IMPREGNASI

Impregnasi didefinisikan sebagai perlakuan terhadap kayu dengan mengisi bahan kayu tersebut dengan bahan lain (impregnan) misalnya resin termosetting yang dapat dimasukkan ke dalam kayu sehingga menembus serat dan kayu menjadi padat tanpa pengempaan untuk menghasilkan perubahan karakteristik yang diinginkan8,12.

Modifikasi kayu dengan teknik impregnasi bertujuan mengisi dinding sel kayu dengan bahan kimia, atau kombinasi bahan kimia, yang kemudian bereaksi sehingga membentuk bahan yang terdeposit dan berikatan di dalam dinding sel8. Sifat-sifat kayu yang diimpregnasi biasanya berbeda dengan kayu aslinya12. Misalnya, metode ini menghasilkan stabilitas dimensi yang sangat tinggi dari kayu yang dimodifikasi.

Efek dari penstabil dimensi dengan teknik impregnasi menggunakan beberapa senyawa fenolik alami sederhana pada kayu Sitka spruce (Picea sitchensis Carr.) dapat meningkatkan Anti Swelling Efficiency (ASE) hingga sekitar 40% dengan penambahan berat 10%13. Terjadi peningkatan stabilitas dimensi kayu pinus kuning (Pinus spp.) yang diimpregnasi dengan menggunakan sejenis minyak nabati dengan konsentrasi penetrasi setidaknya 10%.

Perlakuan ini menunjukkan pengurangan yang signifikan dalam penyerapan air dan pengembangan tangensial ketika terkena kelembaban relatif 90% dan suhu lingkungan 21° C14. Impregnasi juga dapat meningkatkan karakteristik mekanis kayu olahan. Impregnasi kayu pinus berdiameter kecil menggunakan hexanediol dimethacrylate (HDDMA) meningkatkan MOR sebesar 39% dan MOE sebesar 27%15.

Impregnasi juga bisa meningkatkan resistensi terhadap serangan biologis. Modifikasi kayu poplar yang tumbuh cepat dengan teknik impregnasi menggunakan styrene (ST) dan glycidyl methacrylate (GMA) yang diikuti oleh polimerisasi in situ dengan menggunakan perlakuan termal, ketahanan terhadap rayap 5,4 kali lebih besar dari kayu dengan perlakuan ST dibanding dengan tanpa perlakuan, dan 9,3 kali untuk yang diimpregnasi dengan GMA-ST. Terjadi peningkatan ketahanan yang lebih besar terhadap serangan jamur yaitu 2,1 kali lebih besar dari kayu yang diimpregnasi dengan ST dan 3,8 kali lebih tahan serangan jamur dengan perlakuan GMA-ST16.

Meskipun perkembangan teknologi yang menggunakan bahan-bahan lain yang dapat dimasukkan ke dalam kayu sudah sangat maju, modifikasi kayu dengan teknik impregnasi adalah bidang penelitian yang relatif belum banyak dieksplorasi dibandingkan dengan metode modifikasi kayu lainnya.

Metode impregnasi tidak hanya digunakan dalam teknologi kayu, tetapi juga dalam bahan pemrosesan lainnya seperti logam atau polimer. Impregnasi berulang dapat diusulkan untuk diterapkan pada modifikasi kayu. Metode ini biasanya digunakan dalam teknologi pengolahan tekstil, kertas dan logam ketika bahan-bahan impregnan perlu diterapkan dengan jumlah yang lebih banyak17,18.

Ada banyak bahan impregnan, yaitu bahan yang akan diimpregnasikan ke dalam kayu, tersedia dan sudah diaplikasikan. Namun hal yang perlu diperhatikan adalah aspek keamanan terhadap pengguna dan keramahan terhadap lingkungan. Sehingga sangat penting bahwa impregnan harus tidak beracun saat berada di dinding sel dan dalam keadaan apa pun saat lepas dari dinding sel, seperti saat pembuangan dengan pembakaran atau pengomposan, atau pada proses daur ulang8.

Untuk pertimbangan faktor lingkungan inilah akhir-akhir ini riset dan aplikasi impregnan ramah lingkungan makin menjadi perhatian dan pencarian dan rekayasa bahan alami termasuk bahan dari kayu itu sendiri makin banyak dilakukan. Salah satu komponen kimia kayu yang digunakan pada modifikasi dengan teknik impregnasi adalah zat ekstraktif.

Ekstraktif kayu dapat didefinisikan sebagai sejumlah besar senyawa kimia yang dapat diekstraksi dari kayu dengan berbagai pelarut netral atau polar dan non-polar20,21. Beberapa jenis ekstraktif sangat mudah larut dalam air. Ekstraktif secara morfologis berada dalam struktur kayu. Misalnya, asam resin dapat ditemukan dalam saluran resin sedangkan lemak dan lilin ditemukan dalam sel parenkim. Fenol terdapat pada kayu terutama pada batang dan kulit kayu22.

Ekstraktif memiliki fungsi spesifik pada kayu. Ekstraktif di kayu empulur dan kayu dapat memberikan beberapa bentuk perlindungan pohon hidup terhadap agen perusak. Lebih lanjut, dijelaskan bahwa secara alami dalam kayu, polifenol yang secara fakultatif mewarnai inti kayu dan berada pada dinding sel kayu, dapat mengurangi kembang-susut kayu serta meningkatkan daya tahan terhadap serangan organisme23. Namun, keberadaan ekstraktif dapat menyebabkan kerugian pemrosesan kayu. Mereka dapat mempengaruhi proses pembuatan pulp, pengeringan, adhesi, higroskopisitas dan sifat akustik kayu21,24.

Pada saat larut, zat ekstraktif pada umumnya berwarna coklat kemerahan. Jika pelarut menguap, maka zat ekstraktif yang berwarna tersebut tertinggal pada permukaan kayu sehingga menimbulkan perubahan warna pada kayu (discoloration)25. Pada waktu permukaan kayu akan dicat, maka perubahan warna tersebut menjadi masalah.  Peristiwa munculnya zat ekstraktif ke permukaan kayu sehingga timbul bercak-bercak pada kayu saat kayu telah kering diakibatkan oleh peristiwa yang disebut pendarahan pada kayu (bleeding)26.

Jika kayu digunakan dalam ruangan, peristiwa tersebut biasanya akan terjadi manakala kayu berada pada ruang dengan kelembaban di atas 50%. Diskolorasi ekstraktif akan lebih hebat lagi terjadi ketika kayu digunakan sebagai komponen atau perlengkapan outdoor dan terkena air seperti hujan, embun, kabut atau banjir27.

Selama kayu digunakan di luar ruangan, keluarnya zat ekstraktif perlu terus diwaspadai. Dari para pembuat bangunan dan pemilik rumah kayu diperoleh pengalaman bahwa penelitian untuk menahan keluarnya zat ekstraktif disarankan untuk terus dilakukan28. Di samping itu, kehadiran ekstraktif dapat mengganggu dalam pembuatan produk kayu terutama produk rekatan.

Di antara jenis kayu yang mengandung ekstraktif tinggi dan bermasalah terutama ketika akan digunakan di luar ruangan atau lingkungan lembap karena terjadinya bleeding dan diskolorasi ekstraktif adalah kayu merbau (Intsia sp.). Zat ekstraktif pada kayu merbau dengan mudah keluar pada saat kayu terkena air atau lembap. Ekstraktif kayu merbau dapat dengan mudah dilihat pada saat kayu direndam dalam air, beberapa saat setelah kayu direndam maka air akan berwarna coklat kemerahan. Ekstrak kayu merbau dengan mudah diperoleh dari limbah pengolahan kayu tersebut di industri.

Alih-alih terus menganggap ekstraktif Merbau sebagai permasalahan, beberapa peneliti telah melakukan studi tentang pemanfaatan bahan larut air ini dan menunjukkan hasil penting dalam meningkatkan beberapa karakteristik kayu. Namun, penelitian tentang penggunaan ekstraktif untuk meningkatkan sifat kayu tetap menantang.

Tantangannya tidak hanya terkait dengan jenis metode yang harus digunakan dan mana ekstraktif yang harus dipilih untuk perlakuan, tetapi juga mekanisme perlakuan ekstraktif dan efeknya pada kayu yang diberi perlakuan. Secara umum, mekanisme yang tepat tentang bagaimana ekstraktif dapat meningkatkan karakteristik kayu dapat digunakan dengan modifikasi kimia melalui penonaktifan gugus OH melalui asetilasi (penggantian -OH oleh kelompok CH3COO), atau formaldehydation (pengikatan H2CO antara dua hidroksil untuk mendapatkan ikatan kimia yang kuat)11.

Beberapa peneliti menganggap ekstraktif kayu merbau sebagai masalah potensial dalam pengolahan kayu yang perlu diatasi. Mengingat adanya aspek positif dari zat ekstraktif yaitu yang secara umum memiliki fungsi perlindungan terhadap mikroorganisme dan menjaga stabilitas dimensi kayu, maka penulis telah melakukan serangkaian penelitian yang dimulai sejak tahu 2009 dan berasumsi bahwa di balik permasalahannya, ekstraktif merbau merupakan bahan yang bisa memberikan manfaat. Dari hasil penelitian tersebut, beberapa di antaranya telah dipublikasikan dalam beberapa jurnal internasional. Beberapa hasil utamanya dirangkum dalam tulisan ini.

Analisis fito-kimia terhadap ekstrak kayu merbau membuktikan bahwa senyawa flavonoid dan fenolik ditemukan sebagai senyawa utama dari ekstrak kayu tersebut. Analisis menggunakan spektroskopi UV-vis menunjukkan bahwa ekstrak merbau memiliki panjang gelombang (λ) = 279 nm, terdiri dari sistem terkonjugasi atau aromatik, mirip dengan resorsinol standar yang digunakan sebagai referensi, yang memiliki λ = 274 nm.

Pirolisis GCMS menunjukkan bahwa senyawa utama ekstrak merbau adalah resorsinol (C6H6O2, BM 110), yang terdeteksi pada menit ke-15,533, dengan konsentrasi 78,99%. Selanjutnya, analisis dengan spektroskopi FTIR menunjukkan bahwa pita absorpsi mengandung ikatan gugus fungsional OH (3,361 cm-1) dan cincin aromatik (1,619 dan 1510 cm-1). Berdasarkan hasil tersebut dapat dikatakan bahwa ekstrak kayu merbau dapat menjadi bahan yang digunakan untuk aplikasi impregnasi kayu dalam bentuk resin fenolik atau resorsinoilik melalui proses polimerisasi karena sifat fisiko-kimianya yang sangat baik29.

Ekstraktif merbau dapat dipolimerisasi dalam kondisi basa dengan penambahan sejumlah kecil aditif sebagai kopolimer untuk menghasilkan ekstrak merbau terpolimerisasi (PME) yang dapat berlangsung pada suhu kamar. Hasil uji fisika-kimia dan analisis melalui spektroskopi FTIR, sifat termal, dan kristalinitas mengkonfirmasi bahwa senyawa polimer merupakan bahan impregnasi yang menjanjikan untuk peningkatan sifat kayu30.

Hasil positif dalam peningkatan sifat mekanik diperoleh untuk kayu jabon yang diimpregnasi dengan merbau ekstraktif terpolimerisasi (PME) baik Tipe-1 maupun Tipe-2, setelah peningkatan kerapatan. Kekerasan ujung dan kekerasan sisi permukaan kayu Jabon yang dimodifikasi dengan teknik impregnasi menunjukkan nilai yang lebih tinggi masing-masing sebesar 20,04 dan 30,54% dengan impregnan Tipe-1 dan 32,73 dan 39,89 % dengan impregnan Tipe-1. Kekuatan geser meningkat sebesar 41,87 dan 49,58 % pada Tipe-1 dan 74,02 dan 79,10 % pada Tipe-2 untuk masing-masing sisi radial (R) dan tangensial (T). MOE meningkat juga meningkat sebesar 23,52% untuk kayu jabon yang diimpregnasi Tipe-1 dan sebesar 40,12% untuk Tipe-2. Nilai MOR meningkat sebesar 28,50 dan 41,19 % setelah impregnasi dengan impregnan Tipe-1 dan Tipe-2.

Peningkatan sifat mekanik pada kayu Jabon yang diolah setelah perlakuan impregnasi menggunakan ekstraktif merbau terpolimerisasi (PME) dikonfirmasi oleh analisis spektrum FTIR dan kristalinitas (XRD). Peningkatan terjadi karena penetrasi PME ke dalam dinding sel dengan reaksi silang antara kelompok fungsional PME dan bahan dinding sel dan pembentukan kuasi-kristal yang ditunjukkan oleh peningkatan kristalinitas kayu Jabon setelah perlakuan31.

Perubahan pada kayu jabon tidak hanya pada sifat mekanik, akan tetapi juga pada warna kayu. Jabon setelah diimpregnasi dengan ekstrak merbau terpolimerisasi (PME) berubah, bahkan terlihat seperti “kayu baru” karena bahan impregnan diserap dan direkatkan dalam struktur kayu jabon (Gambar 2).

Perubahan warna tersebut terjadi secara permanen. Hasil SEM dari kayu jabon yang diberi perlakuan dan tidak diberi perlakuan menunjukkan perbedaan nyata karena terjadi deposit PME dalam jaringan pembuluh kayu. Jelas, sejumlah tertentu PME terdeposit pada permukaan pembuluh dan mengisi dinding sel. Dengan analisis FTIR, dapat dibuktikan bahwa perlakuan impregnasi dengan menggunakan ekstrak merbau terpolimerisasi tidak hanya mengubah kayu secara visual menjadi warna baru, tetapi juga secara kimia terjadi ikatan oleh gugus fungsi baru.

Tampak visual dari kayu jabon tanpa perlakuan impregnasi (UT), dengan perlakuan impregnasi ekstrak merbau tipe-1 (T1) dan  dengan perlakuan impregnasi ekstrak merbau tipe-2 (T2).

 

PUSTAKA

  1. Hill, C. A. S. (2006). Wood Modification: Chemical, Thermal and Other Processes, West Sussex, John Wiley and Sons, Ltd.
  2. Hill, C. A. S. (2009). “The potential for the use of modified wood products in the built environment”. In Proceedings of the 11th International Conference on Non-conventional Materials and Technologies (NOCMAT 2009) 6-9 September 2009, Bath, UK
  3. Sandberg D, Kutnar A, and Mantanis G (2017). Wood modification technologies - a review. iForest 10: 895-908. – doi: 10.3832/ifor2380-010 [online 2017-12-01]
  4. Navi, P. and Sandberg, D. (2011). Thermo-Hydro-Mechanical Processing Of Wood. EPFL Press.
  5. Rowell, R. M. (1999). Specialty Treatments. In: Wood Handbook—Wood As An Engineering Material. Gen. Tech. Rep. FPL–GTR–113. Madison, WI: U.S. Department Of Agriculture, Forest Service, Forest Products Laboratory. 463 P.
  6. Sakai, K.; Matsunaga, M.; Minato, K. and Nakatsubo, F. (1999). "Effects of impregnation of simple phenolic and natural polycyclic compounds on physical properties of wood". Journal of Wood Science, 45, 227-232.
  7. Robinson, T. J.; Via, B. K.; Fasina, O.; Adhikari, S. and Carter, E. (2011). "Impregnation of bio-oil from small diameter pine into wood for moisture resistance". Bioresources, 6, 4747-4761.
  8. Bergman, R.; Ibach, R. E.; Lapasha, C. and Denig, J. (2009). "Evaluating physical property changes for small-diameter, plantation-grown southern pine after in situ polymerization of an acrylic monomer". Forest Products Journal, 59(10), 64-71.
  9. He, W.; Nakao, T.; Yoshihara, H. and Xue, J. S. (2011). "Treatment of fast-growing poplar with monomers using in situ polymerization. Part II: Static and dynamic mechanical properties; Thermal stability". Forest Products Journal., 61, 121-129.
  10. Scherzer, J and Gruia, A. J. (1996). Hydrocracking Science and Technology, CRC Press.
  11. D. (2013). Engineering Catalysis, Walter De Gruyter.
  12. Sandberg, D., A. Kutnar, and G. Mantanis, (2017). “Wood modification technologies - a review”. Article in iForest - Biogeosciences and Forestry December 2017. DOI: 10.3832/ifor2380-010
  13. Fengel, D. and Wegener, G. (1983). Wood: Chemistry, Ultrastructure, Reactions. Walter De Gruyter.
  14. Umezawa, T. (2001). Chemistry Of Extractives In Hon, D.N.-S And Shiraishi, N. (Eds): Wood And Cellulosic Chemistry, 2nd Ed., Rev. And Expanded. Marcel Dekker, Inc.
  15. Sjöström, E. (1993). Wood Chemistry: Fundamentals And Applications, Access Online Via Elsevier.
  16. Hillis, W. E. (1987). Heartwood And Tree Exudates. Springer-Verlag, Berlin
  17. Hillis, W. E. and Yazaki, Y. (1973). "Polyphenols of intsia heartwoods". Phytochemistry, 12, 2491-2495.
  18. Anonymous (1997). “Staining of finishes from water-soluble wood extractives”. Technical Note. APA The Enginered Wood Association. Website: gp.com/build/DocumentViewer.aspx?repository=bp&elementid=3222,
  19. Donegan, V., J. Fantozzi, C. Jourdain, K. Kersell, A. Migdal, R. Springate and J. Tooley, 2007. “Understanding Extractive Bleeding”. Website http://www.calredwood.org/ref/pdf/extract.pdf.
  20. Anonymous (2006). “Extractive Bleeding: Not a Stain or Paint Failure”. Technical Bulletin#2#71-0002. Website: www.cabotstain.com.
  21. Fantozzi, J., V. Donegan, K. Kersell, C. Jourdain, A. Migdal, R. Springate and J. Tooley, (1994). “Prevention of Extractive Discoloration”. Website http://www.historichomeworks.com/hhw/library/coatings/preventionofextract.html
  22. Malik, J., Santoso, Y. Mulyana and B. Ozarska (2016). Characterization of Merbau Extractives as a Potential Wood-Impregnating Material. BioResources, 11(3), 7737-7753. DOI:10.15376/biores.11.3.7737-7753.
  23. Malik, J., B. Ozarska and A. Santoso. Preparation and Characterisation of Polymerised Merbau Extractives as an Impregnating Material for Wood Properties Enhancement. BioResources (manuscript under review, submitted on 9 April 2018. ID: BioRes 13948).
  24. Malik, J., B. Ozarska and A. Santoso. Mechanical Characteristics of Impregnated Jabon Wood (Anthocephalus cadamba) Using Selected Polymerised Merbau Extractives. Maderas-Ciencia Tecnologia 21(4):2019
  25. Malik, J., B. Ozarska and A. Santoso (2018). Colour Changes and Morphological Performance of Impregnated Jabon Wood Using Polymerised Merbau Extractives. Maderas-Ciencia Tecnologia 20(1), DOI:10.4067/S0718-221X2018005000008.

Daftarkan alamat email anda untuk berlangganan GRATIS artikel terbaru kami

Bagikan

Komentar

Artikel Lain

  • Laporan Utama

    Insaf yang Hampir Terlambat

    Pengelolaan hutan yang mengandalkan sepenuhnya pada komoditas kayu, setelah Indonesia merdeka, menghasilkan deforestasi dan degradasi lahan yang akut dan membuat planet bumi kian memanas. Pertumbuhan penduduk dan tuntutan kebutuhan ekonomi menambah derita hutan tropis Indonesia. Setelah 34 juta hektare tutupan hutan hilang, setelah 49% habitat endemis lenyap, kini ada upaya memulihkan hutan kembali lewat restorasi ekosistem: paradigma yang tak lagi melihat hutan semata tegakan pohon. Restorasi seperti cuci dosa masa lalu, cuci piring kotor sebelum kenyang, insaf yang hampir terlambat. Setelah satu dekade, restorasi masih merangkak dengan pelbagai problem. Aturan-aturan main belum siap, regulasi masih tumpang tindih, organ-organ birokrasi di tingkat tapak belum sepenuhnya berjalan.

  • Laporan Utama

    Usaha Restorasi Belum Stabil Setelah Satu Dekade

    Usaha restorasi ekosistem setelah lebih dari satu dekade.

  • Laporan Utama

    Hablumminalam di Kalimantan

    Untuk bisa menjaga gambut agar menyerap karbon banyak, pertama-tama bekerja sama dengan masyarakat. Sebab ancaman utama gambut adalah kebakaran.

  • Laporan Utama

    Keanekaragaman Hayati di Hutan Restorasi

    Restorasi menjadi usaha memulihkan keanekaragaman hayati kawasan hutan produksi yang rusak. Terbukti secara empirik.

  • Laporan Utama

    Tenggiling di Ekosistem Riau

    Ekosistem Riau memiliki sumber daya mencengangkan. Belum banyak penelitian mengenai keanekaragaman hayati, khususnya di ekosistem hutan gambut ini.

  • Wawancara

    Restorasi Ekosistem adalah Masa Depan Kehutanan

    Wawancara dengan Sekretaris Jenderal Kementerian Lingkungan Hidup dan Kehutanan yang sedang menjabat Pelaksana Tugas Direktur Jenderal Pengelolaan Hutan Produksi Lestari yang mengurus restorasi ekosistem. Menurut dia, restorasi adalah masa depan kehutanan dalam mengelola lingkungan.

  • Laporan Utama

    Inovasi dan Penguatan Kebijakan Restorasi Ekosistem

    Dalam kondisi kapasitas pemerintah pusat dan daerah belum cukup menjalankan pengelolaan hutan secara nasional, pelaku restorasi ekosistem hutan diharapkan bisa mengisi lemahnya kapasitas pengelolaan tersebut.

  • Laporan Utama

    Restorasi Ekosistem Sampai di Mana?

    Kebijakan restorasi saat ini sudah mendekati filosofi dan menjadi pedoman pemerintah dan pemegang izin dalam implementasi di lapangan.

  • Laporan Utama

    Pemulihan Jasa Ekosistem

    Studi di hutan pegunungan Jawa Barat telah menyingkap fakta ilmiah begitu pentingnya ekosistem hutan dalam mempertahankan, meningkatkan dan memulihkan kesehatan manusia.

  • Kolom

    Pegunungan Cycloop Menunggu Restorasi

    Status cagar alam tak membuat Cycloop terlindungi. Perladangan berpindah, pertanian, dan naiknya jumlah penduduk membuat Cycloop menjadi rusak dalam sepuluh tahun terakhir.