Pendahuluan
Perlakuan oksidasi partikel kayu dengan menggunakan hidrogen peroksida dan fero sulfat akan menghasilkan hidroksil radikal yang dapat mensubtitusi gugus-gugus tertentu dari komponen kimia kayu, misalnya melalui hidroksilasi maupun demetoksilasi, sehingga pada saat dikempa panas mampu membentuk ikatan tanpa kehadiran perekat. Akan tetapi sebenarnya radikal yang dihasilkan dalam proses oksidasi tidak stabil. Pantze (2006) menyatakan bahwa hanya 10% radikal yang dapat bertahan pada suhu ruangan pada kayu beech yang telah diradiasi. Meskipun demikian, dalam penelitian terdahulu dengan menggunakan partikel yang dioksidasi selama 90-120 menit dalam pembuatan papan partikel menunjukkan bahwa papan yang dibuat memiliki sifat fisik dan mekanis yang cukup baik, khususnya dalam hal stabilitas dimensi dan modulus elastisitas.
Sebagaimana telah diuraikan pada metode penelitian di Bab III dan IV, bahwa proses oksidasi ini merupakan proses antara setelah penyiapan bahan dan sebelum proses kempa panas. Apabila dibandingkan dengan proses pembuatan papan partikel yang menggunakan perekat, maka proses oksidasi ini menggantikan tahapan aplikasi perekat. Masalah waktu oksidasi menjadi penting karena dalam aplikasi pada skala industri, apabila batas toleransi waktu oksidasi terlalu ketat maka dapat menyulitkan tahapan selanjutnya dalam pembuatan papan partikel. Sebagai contoh, apabila waktu oksidasi optimal hanya sekitar 10 menit dan setelahnya menyebabkan penurunan sifat fisik dan mekanis papan partikel, maka akan terlalu sedikit waktu yang tersedia apabila sewaktu-waktu diperlukan penyesuaian-penyesuaian dalam operasi produksi. Sebaliknya, apabila waktu oksidasi terlalu panjang, misalnya di atas 60 menit, maka tentu saja berpotensi menurunkan produktivitas secara keseluruhan. Oleh karena itu, penelitian ini dilakukan dengan tujuan untuk menginvestigasi korelasi waktu oksidasi dengan sifat fisik dan mekanis papan partikel yang dihasilkannya.
87 Bahan dan Metode
Persiapan Bahan
Bahan yang digunakan sama dengan bahan yang digunakan pada penelitian sebelumnya (Bab IV), yaitu bambu andong dan kayu sengon. Bambu dikonversi menjadi chip dengan menggunakan parang kemudian dikeringudarakan, sementara kayu sengon dalam kondisi kering udara dikonversi menjadi partikel berbentuk serutan (shaving) dengan menggunakan mesin serut. Chip dan serutan tersebut dikonversi lebih lanjut menjadi partikel lalu disaring. Partikel yang digunakan adalah partikel yang lolos saringan 10 mesh dan tertahan di saringan 20 mesh.
Suhu Oksidasi
Reaksi eksotermik yang terjadi selama proses oksidasi diukur dengan menggunakan thermocouple yang dihubungkan dengan cynorecorder. Partikel yang telah disiapkan disemprot dengan H2O2 dan FeSO4 dalam blender. Kadar H2O2 yang digunakan sama dengan penelitian sebelumnya yaitu 20% berdasarkan berat kering partikel, sementara kadar FeSO4 adalah 5% berdasarkan berat H2O2. Setelah penyemprotan, partikel teroksidasi ditempatkan pada kotak plastik dan thermocouple segera ditancapkan pada partikel dalam wadah plastik tersebut. Perubahan temperatur dicatat setiap 45 detik secara otomatis dalam cynorecorder. Pengamatan dilakukan selama 25 menit.
Karakteristik Papan Partikel tanpa Perekat
Partikel dari masing-masing jenis kayu dioksidasi menggunakan H2O2
dengan kadar 20% berdasarkan berat kering partikel dan FeSO4 dengan kadar 5% berdasarkan berat H2O2. Partikel teroksidasi kemudian dikondisikan pada waktu yang bervariasi yaitu 15 menit, 30 menit, 45 menit, 60 menit, 75 menit, dan 90 menit. Partikel teroksidasi yang telah dikondisikan pada waktu yang bervariasi tersebut selanjutnya dikempa panas pada suhu 180oC selama 15 menit dengan tekanan 25 kgf cm-2. Ukuran papan partikel yang dibuat adalah 30 x 30 x 0,7 cm dengan kerapatan sasaran 0,75 g cm-3. Papan partikel yang telah dibuat selanjutnya dikondisikan selama 2 minggu sebelum dipotong menjadi contoh uji. Pengujian dilakukan dengan merujuk pada JIS A 5908 2003. Adapun ulangan
88 yang digunakan dalam studi ini adalah 3 kali untuk masing-masing waktu oksidasi.
Analisis Data
Pergerakan suhu oksidasi dianalisis secara deskriptif, sementara pengaruh waktu oksidasi terhadap karakteristik papan partikel dianalisis dengan menggunakan rancangan acak lengkap faktor tunggal. Perlakuan terdiri atas 6 taraf yaitu 15 menit, 30 menit, 45 menit, 60 menit, 75 menit, serta 90 menit. Apabila berdasarkan analisis ragam perlakuan berpengaruh nyata, maka dilanjutkan dengan analisis perbandingan berganda Duncan.
Hasil dan Pembahasan Suhu Oksidasi
Reaksi eksotermik yang terjadi selama proses oksidasi menghasilkan panas yang tinggi. Data peningkatan panas yang terjadi sebagaimana dicatat pada cynorecorder untuk masing-masing jenis bahan baku disajikan pada Gambar 41. Data pada gambar tersebut menunjukkan bahwa peningkatan suhu pada awal proses oksidasi berlangsung cepat. Meskipun demikian, kayu sengon tampak mencapai suhu maksimal yang jauh lebih cepat yaitu hanya dalam 1,5 menit atau 5,5 kali lebih cepat dibandingkan dengan bambu yang mencapai suhu maksimal pada menit ke 8,3. Fakta ini mengindikasikan bahwa subtitusi gugus-gugus tertentu dari komponen kimia kayu, misalnya metoksil dengan gugus radikal sebagaimana dijelaskan oleh Widsten (2002) memiliki kecepatan yang berbeda-beda. Dengan kata lain, reaktivitas bambu berbeda dengan kayu sengon dalam proses oksidasi.
Selain itu, grafik pergerakan suhu oksidasi juga berbeda antara bambu dan sengon. Sebagaimana disajikan pada Gambar 41, setelah mencapai suhu puncak, suhu oksidasi bambu menurun secara perlahan-lahan sementara untuk kayu sengon penurunan suhunya lebih cepat. Hal ini mengindikasikan bahwa proses oksidasi kayu sengon cenderung berlangsung lebih serentak sementara bambu cenderung bertahap sehingga suhu puncak bertahan lebih lama. Fakta ini merupakan pembuktian lain bahwa perbedaan struktur bahan baku berpengaruh terhadap subtitusi komponen kimia bahan baku dengan gugus-gugus radikal.
89 Gambar 41 Perubahan suhu reaksi oksidasi
Suhu puncak yang dicapai paling lama dalam 8,3 menit mengindikasikan bahwa proses oksidasi sebenarnya hanya memerlukan waktu yang singkat (< 10 menit). Namun demikian dalam percobaan laboratorium, proses kempa panas yang diaplikasikan segera setelah suhu puncak terlewati pada kayu sengon menyebabkan ledakan pada mat yang sedang dikempa. Hal ini mengindikasikan bahwa meskipun penurunan suhu pada tahap selanjutnya telah terjadi, namun proses oksidasi sesungguhnya belum berlangsung sempurna. Sebagaimana diketahui bahwa percepatan reaksi kimia dapat dilakukan melalui penambahan katalis atau peningkatan suhu. Dalam kasus penelitian ini, tampaknya peningkatan suhu yang tiba-tiba akibat kempa panas menyebabkan proses oksidasi pada bagian-bagian tertentu pada partikel kayu berlangsung terlalu cepat dan serentak sehingga menyebabkan ledakan. Berdasarkan kenyataan tersebut, maka dalam proses pembuatan papan, waktu oksidasi tersingkat yang digunakan sebelum proses kempa panas adalah 15 menit.
Pengamatan visual selama proses oksidasi menunjukkan bahwa pada kayu sengon, sekitar 1-3 menit setelah penyemprotan dengan hidrogen peroksida dan fero sulfat, uap air terbentuk akibat reaksi eksotermik, sementara pada bambu lebih lama yaitu sampai 5 menit. Proses yang cepat ini merupakan indikasi bahwa sengon memiliki komponen kimia yang lebih reaktif selama proses oksidasi dibandingkan bambu. Akibat reaktivitas tersebut, diduga jumlah komponen kimia
0 20 40 60 80 100 120 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 S u h u R eak si Ok si d asi ( C)
Waktu Oksidasi (Detik) Bambu Sengon
90 yang termodifikasi juga cenderung lebih banyak yang selanjutnya berpengaruh pada hasil akhir produk papan partikel yang dihasilkan.
Sifat Fisik dan Mekanis Papan Partikel
Secara umum, kerapatan papan partikel tidak dipengaruhi oleh lama waktu oksidasi yang digunakan. Hal ini dapat dilihat dari sebaran kerapatan masing-masing papan yang tidak memiliki kecenderungan tertentu yang berhubungan dengan lama waktu oksidasi. Sebagaimana disajikan pada Gambar 42, kerapatan papan berkisar antara 0,68-0,81 g cm-3. Padahal seluruh papan tersebut telah didesain untuk mencapai kerapatan target 0,75 g cm-3. Meskipun demikian, variasi seperti ini umum terjadi dalam pembuatan papan partikel.
Gambar 42 Kerapatan papan partikel dengan berbagai waktu oksidasi
Hasil analisis ragam sebagaimana disajikan pada Lampiran 17 menunjukkan bahwa perlakuan waktu oksidasi berpengaruh nyata terhadap kerapatan papan partikel bambu, akan tetapi tidak berpengaruh nyata terhadap kerapatan papan partikel sengon. Hasil uji lanjut dengan analisis perbandingan berganda Duncan menunjukkan bahwa hanya papan partikel bambu yang mengalami perlakuan oksidasi 75 menit dan 90 menit yang memiliki kerapatan yang berbeda dengan kerapatan papan partikel yang dioksidasi selama 30 menit, sementara ketiga jenis papan lainnya tidak berbeda nyata dengan papan partikel tersebut. Papan partikel yang dioksidasi 15 menit bahkan memiliki kerapatan yang tidak berbeda nyata dengan kelima jenis papan lainnya.
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 15 30 45 60 75 90 Ker ap at an ( g cm -3)
Waktu Oksidasi (menit) Bambu Sengon
abc tn a tn ab tn ab tn c tn bc tn
91 Gambar 43 Kadar air papan partikel dengan berbagai waktu oksidasi
Papan partikel dari kayu sengon memiliki kadar air yang lebih rendah dibandingkan dengan papan partikel dari bambu. Kadar air keseimbangan kedua jenis papan cenderung jauh lebih rendah dibandingkan kadar air bahan solidnya yaitu 11,10% untuk bambu dan 10,09% untuk sengon. Perlakuan pengempaan pada suhu yang tinggi (180°C) selama 15 menit akan menyebabkan pengurangan daerah amorf dalam dinding sel partikel kayu. Suhu 180oC tersebut juga telah melampaui titik transisi gelas lignin (170oC) sehingga terjadi pelunakan yang memungkinkan lignin mengalami pergerakan dengan mudah. Sebagian dari lignin tersebut dapat terekspose ke permukaan partikel sebagaimana teramati secara visual pada papan partikel. Oleh karena lignin merupakan bahan yang bersifat hydrophobic, maka keberadaannya dapat menjadi penghambat penyerapan air selama proses pengkondisian. Hal inilah yang menyebabkan kadar air keseimbangan papan partikel cenderung rendah.
Apabila diamati variasi kadar air pada lama waktu oksidasi yang berbeda-beda, tampak bahwa waktu oksidasi tersebut tidak memiliki korelasi dengan variasi kadar air papan. Hal tersebut juga dapat dilihat pada hasil analisis ragam sebagaimana disajikan pada Lampiran 17 yang menunjukkan bahwa waktu oksidasi tidak berpengaruh nyata terhadap kadar air papan partikel. Fakta tersebut mengindikasikan bahwa pada rentang waktu oksidasi 15-90 menit, tidak ada perbedaan hasil oksidasi yang signifikan yang akan berpengaruh terhadap kadar air keseimbangan papan partikel.
0 2 4 6 8 10 12 14 15 30 45 60 75 90 Kad ar Ai r ( % )
Waktu Oksidasi (menit) Bambu Sengon
tn tn tn tn tn tn tn tn tn tn tn tn
92 Gambar 44 Daya serap air papan partikel dengan berbagai waktu oksidasi
Seperti halnya kadar air, sifat penyerapan air papan partikel sengon juga cenderung lebih rendah dibandingkan dengan papan partikel bambu, sementara ditinjau dari lama waktu oksidasi, tampak bahwa tidak ada perbedaan yang signifikan pada lama waktu oksidasi yang bervariasi. Hal tersebut diperkuat oleh hasil analisis ragam sebagaimana disajikan pada Lampiran 17 yang menunjukkan bahwa waktu oksidasi tidak berpengaruh terhadap daya serap air papan partikel.
Dari data pada Gambar 44, justru tampak bahwa papan sengon memiliki daya serap air yang cenderung lebih rendah dibandingkan dengan papan partikel bambu. Fenomena ini berbeda dengan papan partikel konvensional di mana biasanya bahan baku yang berkerapatan rendah cenderung manghasilkan daya serap air yang tinggi dibandingkan bahan baku berkerapatan tinggi. Hal ini tampaknya berhubungan dengan mekanisme reaksi oksidasi dan proses pengempaan yang cenderung menurunkan sifat hydrophilic papan partikel.
Variasi pengembangan tebal antar jenis papan disajikan pada Gambar 45. Pada gambar tersebut dapat dilihat bahwa papan partikel dari kayu sengon memiliki pengembangan tebal yang jauh lebih rendah atau dengan kata lain memiliki stabilitas dimensi yang lebih tinggi dibandingkan dengan papan partikel bambu. Apabila diamati angka-angka pengembangan tebalnya, maka tampak bahwa papan partikel tanpa perekat dari jenis kayu sengon memiliki stabilitas dimensi yang tinggi karena nilai pengembangan tebalnya di bawah 12% yang merupakan syarat maksimal yang ditetapkan dalam JIS A 5908 2003.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 15 30 45 60 75 90 Day a S er ap Ai r ( % )
Waktu Oksidasi (menit) Bambu Sengon
93 Gambar 45 Pengembangan tebal papan partikel dengan berbagai waktu oksidasi
Fakta bahwa papan partikel tanpa perekat memiliki pengembangan tebal yang rendah merupakan fenomena menarik, karena pengembangan tebal papan partikel merupakan salah satu permasalahan yang sering dijumpai pada produk papan partikel yang menggunakan perekat. Bahkan usaha-usaha untuk mengatasi permasalahan tersebut seperti penambahan parafin atau modifikasi kimia partikel kayu telah dilakukan. Namun demikian, pada produk papan partikel yang dibuat ini, stabilitas dimensi yang tinggi dicapai tanpa adanya usaha tambahan. Tampaknya, perubahan struktur lignin akibat perlakuan oksidasi memiliki peran penting dalam meningkatkan stabilitas dimensi papan
Ditinjau dari pengaruh waktu oksidasi terhadap sifat pengembangan tebal papan, tampak bahwa ternyata lama waktu oksidasi tidak memiliki korelasi langsung dengan sifat pengembangan tebal papan. Hal ini berarti bahwa rentang waktu 15-90 menit dapat digunakan pada proses pembuatan papan partikel tanpa ada kekhawatiran terjadi perbedaan stabilitas dimensi. Hal tersebut diperkuat oleh hasil analisis ragam sebagaimana disajikan pada Lampiran 17 yang menunjukkan bahwa waktu oksidasi tidak berpengaruh nyata terhadap pengembangan tebal papan partikel. 0 5 10 15 20 25 15 30 45 60 75 90 P enge m ba nga n T eba l ( % )
Waktu Oksidasi (menit) Bambu Sengon
tn tn tn tn tn tn tn tn tn tn tn tn
94 Gambar 46 MOR papan partikel dengan berbagai waktu oksidasi
Data pada Gambar 46 dan 47 menunjukkan bahwa hubungan antara lama waktu oksidasi dengan MOR dan MOE papan memiliki korelasi yang sama dengan parameter lainnya, yaitu tidak ada kecenderungan tertentu. Meskipun demikian, berdasarkan hasil analisis ragam sebagaimana disajikan pada Lampiran 17 diketahui bahwa waktu oksidasi berpengaruh nyata terhadap nilai MOR papan partikel bambu sementara pada papan sengon tidak berpengaruh nyata. Adapun hasil analisis ragam MOE menunjukkan bahwa waktu oksidasi tidak berpengaruh nyata. Berdasarkan hasil analisis perbandingan berganda Duncan pada MOR papan bambu, diketahui bahwa papan partikel yang bahan bakunya dioksidasi 15 menit tidak berbeda nyata dengan papan yang dioksidasi 75 menit dan 90 menit. Sementara itu, papan partikel yang bahan bakunya dioksidasi 30 menit tidak berbeda nyata dengan yang dioksidasi 45 menit, dan 60 menit. Dengan tidak adanya kecenderungan tertentu pada MOR dan MOE yang berhubungan dengan waktu oksidasi maka dapat disimpulkan bahwa pengaruh nyata pada nilai MOR merupakan pengaruh acak dari berbagai unsur yang terlibat dalam proses pembuatan papan partikel.
Namun demikian, apabila ditinjau dari jenis bahan baku, maka tampak bahwa papan dari jenis kayu sengon memiliki nilai MOR dan MOE yang jauh lebih tinggi dibandingkan dengan papan partikel bambu. Oleh karena dalam proses pembuatan papan tanpa perekat sepenuhnya mengandalkan interaksi antar komponen kimia dalam partikel, maka dapat disimpulkan bahwa jenis kayu sengon mengalami proses oksidasi yang lebih seimbang. Dalam pengertian
0 20 40 60 80 100 120 140 160 15 30 45 60 75 90 M O R( k g f c m -2)
Waktu Oksidasi (menit) Bambu Sengon
c tn a tn ab tn ab tn bc tn bc tn
95 bahwa, komponen lignin mengalami proses pembentukan radikal yang memadai, sementara di sisi lain komponen selulosa hanya mengalami sedikit gangguan. Hal ini perlu dipertimbangkan mengingat dalam proses oksidasi, meskipun hidroksil radikal yang dibentuk cenderung menyerang lignin (Nguyen 1982) yang kaya elektron, akan tetapi komponen selulosa dan hemiselulosa juga dapat dipengaruhi. Padahal, selulosa merupakan komponen utama yang berperan dalam kekuatan kayu.
Gambar 47 MOE papan partikel dengan berbagai waktu oksidasi
Seperti parameter MOR dan MOE, nilai keteguhan rekat papan sengon juga jauh lebih tinggi dibandingkan dengan papan bambu. Sebagaimana telah dijelaskan sebelumnya, bahwa reaksi oksidasi pada kayu sengon memang berlangsung lebih cepat dibandingkan bambu yang mengindikasikan bahwa sengon lebih reaktif dalam proses oksidasi. Tampaknya reaktifitas ini berkorelasi langsung dengan pembentukan gugus-gugus radikal selama proses oksidasi, sehingga pada saat kempa panas mampu membentuk ikatan yang lebih kuat.
Selanjutnya apabilia ditinjau dari hubungan antara nilai keteguhan rekat dengan lama waktu oksidasi sebagaimana disajikan pada Gambar 48, tampak bahwa kecenderungan nilai-nilai keteguhan rekat papan bambu sama dengan sifat fisik dan mekanis papan lainnya, yaitu tidak ada korelasi dengan waktu oksidasi. Hal ini juga ditunjukkan oleh hasil analisis ragam sebagaimana disajikan pada Lampiran 17 yang menunjukkan bahwa waktu oksidasi tidak berpengaruh nyata terhadap nilai keteguhan rekat papan bambu. Namun demikian, pada papan partikel sengon, hasil analisis ragam menunjukkan bahwa waktu oksidasi
0 10 20 30 40 50 15 30 45 60 75 90 M O E ( x 1000 kgf c m -2)
Waktu Oksidasi (menit) Bambu Sengon
tn tn tn tn tn tn tn tn tn tn tn tn
96 berpengaruh nyata terhadap keteguhan rekat papan. Berdasarkan hasil perbandingan berganda Duncan, diketahui bahwa papan partikel yang dioksidasi 75 menit dan 90 menit yang merupakan keteguhan rekat tertinggi memiliki nilai keteguhan rekat yang berbeda dengan keempat jenis papan lainnya, sementara papan partikel yang dioksidasi selama 15 menit yang merupakan keteguhan rekat terendah juga berbeda nyata dengan kelima jenis papan lainnya.
Gambar 48 Keteguhan rekat papan partikel dengan berbagai waktu oksidasi
Meskipun dalam beberapa parameter, tampak bahwa waktu oksidasi berpengaruh nyata terhadap karakteristik papan partikel, namun secara umum tidak ada kecenderungan tertentu yang berhubungan dengan waktu oksidasi partikel. Dengan kata lain peningkatan atau penurunan waktu oksidasi pada rentang waktu 15-90 menit tidak menyebabkan peningkatan atau penurunan karakteristik papan partikel dengan pola tertentu. Hal tersebut mengindikasikan bahwa gugus-gugus radikal yang dibentuk selama proses oksidasi masih tetap stabil pada rentang waktu tersebut sehingga pada saat dikempa panas mampu menghasilkan papan dengan nilai stabilitas dimensi, MOR, MOE, dan keteguhan rekat yang relatif sama. Konsistensi karakteristik papan partikel pada rentang waktu oksidasi yang cukup luas ini merupakan indikasi yang menarik karena dengan demikian maka dalam operasi produksi akan tersedia cukup waktu apabila sewaktu-sewaktu dibutuhkan penyesuaian-penyesuaian yang menyebabkan terlambatnya proses produksi.
0 1 2 3 4 5 15 30 45 60 75 90 K et eguha n re ka t ( kgf c m -2 )
Waktu Oksidasi (menit) Bambu Sengon
tn a tn b tn b tn b tn c tn c
97 Kesimpulan
Berdasarkan hasil penelitian pada tahapan ini, disimpulkan bahwa suhu puncak proses oksidasi dicapai dalam waktu yang sangat singkat (hanya 1,5 menit untuk sengon dan 8,3 menit untuk bambu) tetapi oksidasi yang sempurna baru selesai dalam jangka waktu yang lebih panjang. Dalam hal pembuatan papan partikel tanpa perekat, oksidasi dengan waktu minimal 15 menit adalah cukup untuk menghasilkan papan partikel dengan karakteristik yang baik. Selanjutnya, berdasarkan hubungan antara waktu oksidasi dengan karakteristik papan partikel tanpa perekat, dapat disimpulkan bahwa tidak ada kecenderungan tertentu pada sifat fisik dan mekanis papan partikel yang dihasilkan dari partikel yang dioksidasi dengan waktu yang bervariasi pada rentang 15-90 menit. Fenomena ini merupakan indikasi yang menarik, karena dengan demikian, apabila teknologi ini dikembangkan dalam skala industri, maka akan lebih fleksibel untuk disesuaikan dengan operasi produksi lainnya, tanpa ada kekhawatiran kualitas produk yang dihasilkan akan menurun. Apabila dibandingkan dengan JIS A 5908 2003, maka tampak bahwa papan partikel tanpa perekat dari kayu sengon memenuhi seluruh parameter yang ditetapkan dalam standar akan tetapi untuk papan partikel tanpa perekat dari bambu belum memenuhi standar.
98