MODIFIKASI KIMIA PADA KAYU

Oleh : Greitta Kusuma Dewi

Modifikasi kimia kayu pada dasarnya adalah upaya memodifikasi sifat kayu agar sesuai keinginan dengan menggunakan bahan kimia tertentu yang dapat berikatan dengan komponen kimia kayu. Upaya memodifikasi kayu tersebut dilakukan karena kayu memiliki kelemahan yaitu terpengaruh lingkungan sekitar akibat sifatnya yang hidrofilik, sensitif terhadap radiasi UV (Rowell, 2010), dapat diserang organisme perusak kayu dan lain-lain. Peningkatan sifat tersebut diharapkan dapat memperpanjang umur pakai kayu sesuai dengan tujuan penggunaan tertentu, misalnya kayu yang digunakan untuk kepentingan eksterior perlu dilakukan modifikasi untuk meningkatkan daya tahannya terhadap cuaca dan agen perusak biologi sehingga umur pakainya menjadi lama. Ada berbagai macam bahan kimia dan proses kimia yang digunakan dalam memodifikasi kayu secara kimia misalnya modifikasi benzoylation dengan menggunakan benzoyl chlorite, modifikasi silane dengan menggunakan RSi(OR)₃, modifikasi alkaline menggunakan bahan kimia NaOH, KOH  dan lain-lain, dan modifikasi asetilasi menggunakan acetic anhydride.

            Modifikasi kimia benzoylation merupakan modifikasi kayu menggunakan benzoyl chlorite dengan mekanisme modifikasi sebagai berikut.

Pada prinsipnya, benzoylation ini membuat kayu menjadi lebih reaktif dengan adanya penangkapan gugus benzoyl (C₆H₅C=O) pada kayu sehingga dapat terbentuk ikatan kimia dengan gugus aktif dari matriks (Li et al., 2007). Pada modifikasi kimia dengan benzoyl chlorite, penambahan NaOH dan benzoyl chlorite sebesar 5% pada serbuk kayu dapat meningkatkan sifat mekanika papan komposit plastik (WPC) dengan perekat polypropylene (PP) yang meliputi tensile strength dan flexural strength, namun menurunkan impact strength jika dibandingkan dengan tanpa perlakuan modifikasi. Peningkatan sifat mekanika tersebut terjadi akibat peningkatan sifat adhesi antara serbuk kayu dan matrik plastik setelah direndam dalam larutan benzoyl chlorite selama 15 menit (Farsi, 2010). Penggunaan benzoyl chlorite yang konsentrasinya tinggi (~70%) mampu meningkatkan ketahanan warna kayu dari sinar UV (fotostabilitas) secara efektif melalui mekanisme gugus benzoyl pada serat ter-benzoylation menangkal pembentukan radikal bebas pada kayu saat terdapat sinar UV dengan cara penyerapan atau pengikatan (scavenging) sinar UV tersebut (bukan lignin yang menyerap sinar UV) sehingga tidak terjadi depolimerisasi lignin yang menjadi penyebab pemudaran warna kayu, namun di sisi lain penggunaan konsentrasi tinggi tersebut justru menurunkan kekuatan papan yaitu tensile strength pada keadaan yang tidak dikenai efek weathering. Pada keadaan yang dikenai efek weathering, penggunaan benzoyl chlorite dengan WPG tinggi (~70%) mampu memperkecil penurunan tensile strength papan komposit dibanding tanpa perlakuan benzoylation  (Evans et al., 2002). Selain meningkatkan fotostabilitas papan, penggunaan benzoyl chlorite yang berkonsentrasi tinggi (~40%) juga mampu meningkatkan stabilitas thermal papan komposit (Yuan et al., 2013).

            Pada modifikasi kimia dengan silane, silane yang dihidrolisis menjadi silanol (RSi(OH₃)) mampu memperbaiki sifat fisika dan mekanika papan komposit plastik (WPC) melalui mekanisme sebagai coupling agent. Mekanisme coupling agent terjadi ketika gugus OH pada silanol berikatan dengan gugus OH dari lignoselulosa kayu, kemudian golongan alkana pada silanol (-R) tersebut dapat berikatan dengan matriks plastik polypropylene. Berikut ini mekanismenya.

Dengan adanya modifikasi silane, adhesi yang baik antara serat kayu/veneer kayu (bersifat polar) dengan matriks polypropylene (bersifat non polar) dapat terbentuk. Adhesi yang baik tersebut ditunjukkan pada hasil SEM yang menunjukkan tidak adanya celah antara serat dan matrik, tidak adanya fenomena lubang bekas serat saat serat dikeluarkan (fiber pull out) dan justru meninggalkan lubang irregular saat serat dikeluarkan. Adhesi tersebut terjadi lebih besar pada serat kayu dibanding dengan veneer kayu karena luas bidang serat kayu yang lebih besar. Hal tersebut terbukti dengan serapan C dan O bebas pada analisis XPS spectra pada serat kayu jauh lebih rendah dibanding dengan veneer kayu yang mengindikasikan bahwa jumlah C-O pada lignoselulosa serat kayu lebih banyak berikatan dengan silanol (Fang et al., 2014; Gao et al., 2017). Peningkatan adhesi ini mampu meningkatkan sifat mekanika papan komposit meliputi shear strength dan persen kerusakan kayu, tensile strength, impact strength, dan flexural strength, serta meningkatkan sifat fisika papan komposit melalui penurunan pengembangan dan penyerapan air yang sebagai akibat dari integrasi peningkatan adhesi dan peningkatan sudut kontak. Peningkatan adhesi dengan modifikasi silane dapat ditingkatkan dengan mengkombinasikannya menggunakan metode steam bersuhu dan bertekanan tinggi yang berfungsi lebih mereaktifkan serat kayu dan meningkatkan derajat kristalisasi selulosa. Penambahan steaming bertekanan  0,8 MPa bersuhu 170°C selama 15 menit mampu menurunkan penggunaan silane menjadi 2% untuk memperoleh tensile strength, impact strength, dan flexural strength tertinggi dan nilai tersebut melebihi nilai mekanika dengan tanpa penambahan steaming yang menggunakan silane 5% (Gao et al., 2017). Selain meningkatkan sifat fisika dan mekanika papan komposit, modifikasi kayu menggunakan silane komersial (20% methyl-tripotassiumsilanol  dan 19% bahan aditif KOH, K₂O, K₂CO_3­ dan KCl) dengan konsentrasi 6,5% mampu meningkatkan resistensi kayu terhadap jamur pelapuk kering Serpula lacrymans dan jamur pelapuk cokelat Coniophora puteana secara signifikan, serta efektif melawan jamur permukaan Aspergillus niger dan Penicillium sp pada awal tes dan signifikan hingga hari ke 28 jika menggunakan konsentrasi 100% (Reinprecht et al., 2013).

            Di dalam penggunaannya yang memodifikasi sifat kayu, ada beberapa faktor yang mempengaruhi kualitas kayu atau papan komposit yang dimodifikasi silane, yaitu konsentrasi silane dan jenis silane. Semakin tinggi konsentrasi silane (0-5%) dapat meningkatkan sifat tensile strength, impact strength, dan flexural strength pada WPC (Gao et al., 2017). Jenis silane yang berbeda akan menghasilkan sifat kayu termodifikasi yang berbeda. Misalnya pada penelitian Hochmanska et al. (2014) menunjukkan bahwa proteksi tertinggi pada kayu yang terkena accelerated wathering conditions yang didekati oleh retensi warna dan kilap (gloss) tertinggi serta sudut kontak  diperoleh dari kayu yang diberi perlakuan formula pelarut dengan 5% aminoethylaminopropyltrimethoxysilane (AEAPTMOS) dan emulsi alkyd dengan 5% methyl trimethoxysilane (MTMOS) dibanding dengan emulsi sama dengan 5% glycidoxypropyltrimethoxysilane (GPTMOS).   

             Berbeda dengan modifikasi silane yang peningkatan sifat fisika dan mekanika kayu berdasarkan peningkatan sifat adhesi antara kayu dan matriks plastik melalui perannya sebagai coupling agent, modifikasi kayu dengan menggunakan alkali pada dasarnya meningkatkan sifat fisika dan mekanika papan komposit plastik melalui peningkatan derajat kristalisasi selulosa dan pembuatan topografi permukaan yang tidak rata (memperluas bidang rekat) dengan cara menghilangkan zat impurities yang sebagian komponennya bersifat amorf seperti lignin, hemiselulosa, ekstraktif dan lain sebagainya (Troedec et al., 2008; Esmeraldo, 2006; Gomes et al, 2007; Razera, 2006). Peningkatan derajat kristalisasi selulosa dan topografi permukaan yang kasar mampu meningkatkan sifat mekanika papan meliputi tensile strength, tensile modulus, flexural strength dan flexural modulus, namun adhesi antara matriks plastik dan kayu kurang baik. Terbukti dengan hasil SEM menunjukkan masih adanya fenomena fiber pull out pada papan komposit serat sabut kelapa yang menggunakan perekat HIPS (high impact polystyrene) (Carvalho et al., 2010). Pemberian couple agent misalnya PP-g-MA pada papan komposit plastik dari serat lignoselulosa termodifikasi alkaline dan matriks PP dapat meningkatkan adhesi antara serbuk kayu dan matrik plastik yang yang kurang terjadi ketika serat lignoselulosa hanya dimodifikasi alkaline. Hal tersebut ditunjukkan pada hasil penelitian Farsi (2010) yang menunjukkan bahwa peningkatan sifat mekanika papan komposit plastik signifikan terjadi pada serat lignoselulosa termodifikasi alkaline yang diberi PP-g-MA 3% dibanding serat modifikasi alkaline yang tanpa pemberian PP-g-MA.

            Modifikasi asetilasi kayu merupakan modifikasi kayu yang dilakukan dengan mereaksikan gugus hidroksil (-OH) kayu dengan acetic anhydride (Rowell, 1983). Adapun mekanisme modifikasinya sebagai berikut.

Fiber-OH + CH₃-C(=O)-O-C(=O)-CH₃             Fiber-O-COCH₃ + CH₃COOH

Modifikasi kayu ini memiliki kemampuan menurunkan sifat higroskopisitas kayu dan meningkatkan daya tahan kayu terhadap cuaca melalui penurunan wettabilitas. Penurunan wettabilitas terjadi karena gugus OH terutama pada selulosa amorf dan hemiselulosa kayu yang bersifat hidrofilik diubah menjadi gugus –OCOCH₃ yang lebih hidrofobik (Monghaddam et al., 2015).  

Ada berbagai macam faktor yang mempengaruhi sifat kayu dan papan komposit terasetilasi, salah satunya yaitu jumlah weight percentage gain (WPG). Semakin tinggi WPG pada proses asetilasi membuat penurunan penyerapan air dan pengembangan tebal papan komposit semakin tinggi (Gorbhani dan Bavaneghi, 2016). Dilain sisi, peningkatan WPG dari 0; 8,4 ke 17,3% pada asetilasi membuat sifat mekanika papan partikel poplar (bending strength dan shear strength) menurun pada papan partikel satu lapis maupun 3 lapis (partikel terasetilasi berada di permukaan). Penurunan tersebut lebih signifikan terjadi pada papan partikel yang menggunakan urea formaldehyde (UF) 10% dibanding dengan methylene diphenyl diisocyanate (MDI) 4% sebagai perekat (Abdolzabeh et al., 2011). Hal tersebut menunjukkan adanya pengaruh perbedaan jenis perekat yang menentukan tingkat kecocokan dan kualitas perekatan pada papan  partikel kayu terasetilasi. Berbeda dengan sifat mekanika bending dan shear strength, pada sifat mekanika kekerasan kayu, peningkatan WPG pada Kayu Pinus Corsican dari 0; 5,3; 14,7 dan 22,8% tidak menurunkan kekerasan kayu secara signifikan pada arah radial maupun tangensial (Papadopoulos dan Tountziarakis, 2011). Hal tersebut menunjukkan adanya pengaruh perbedaan jenis kayu yang mempengaruhi ketidakseiringan antara sifat mekanika kayu pada peningkatan WPG asetilasi.

Selain itu, faktor yang mempengaruhi sifat papan hasil asetilasi adalah bentuk dan ukuran komponen kayu. Kayu pejal memiliki tingkat penurunan sifat mekanika yang lebih rendah dibanding dengan produk panel kayu setelah asetilasi. Misalnya pada kayu solid, penurunan modulus patah (MOR) dan modulus elastisitas sebesar 8% dan 6% setelah diasetilasi, sedangkan pada panel kayu setelah asetilasi, penurunan tersebut jauh lebih tinggi (Hon, 1996). Penelitian Papadopoulus (2008) menyebutkan MOR dan MOE kayu pejal beech wood terasetilasi sebesar 104,32 MPa dan 10 GPa, sedangkan dalam bentuk finger joint terasetilasi, MOR dan MOE sebesar 34,52 MPa dan 6,045 GPa. Pada papan flake, penurunan keteguhan rekat internal setelah asetilasi sebesar 36% dan pada propionylated particleboards, penurunan keteguhan rekat internal sebesar 48% (Youngquist et al., 1986; Papadopoulus dan Gkaraveli, 2003).     

Referensi

Abdolzadeh, H., K. Doosthoseini, A.N. Karimi, dan A.K. Enayati. 2011. The effect of acetylated particle distribution and type of resin on physical and mechanical properties of poplar particleboard. Eur. J. Wood Prod. 69: 3–10.

Carvalho, K.C.C., R.  Daniella, Mulinari, H. J.C. Voorwald, dan M.O.H. Cioffi. Chemical modification effect on the mechanical properties of HIPS/ coconut fiber composites. BioResources 5(2): 1143-1155.

Esmeraldo, M. A. 2006. Preparação de novos compósitos suportados em matriz de fibra vegetal/natural.  PhD Thesis. Universidade Federal do Ceará.

Evans, P.D., N.L. Owen, S. Schmid, dan R.D. Webster. 2002. Weathering and photostability of benzoylated wood. Polymer Degradation and Stability 76:  291–303.

Fang, L., L. Chang, W. Guo, Y. Chen, dan Z. Wang. 2014. Influence of silane surface modification of veneer on interfacial adhesion of wood–plastic plywood. Applied Surface Science, 288: 682– 689.

Farsi, M. 2010. Wood–plastic composites: influence of wood flour chemical modification on the mechanical performance. Journal of Reinforced Plastics and Composites 29(24): 3587–3592.

Gao, X., Q. Li, W. Cheng, G. Han, dan L. Xuan. 2017. High temperature and pressurized steaming/silane coupling co-modification for wood fibers and its effect on the properties of wood fiber/HDPE composites. Macromolecular Research 25 (2): 141-150.

Ghorbani, M dan  F. Bavaneghi. 2016. Effect of press cycle time on application behavior of board made from chemically modified particles.Drvna industrija 67 (1) 25-31.

Gomes, A., T. Matsuo, K. Goda, dan J. Ohgi. 2007. Development and effect of alkali treatment on tensile properties of curaua fiber green composites. Composites: Part A 38, 1811-1820.

Hochmańska, P., B. Mazela, dan T. Krystofiak. 2014.  Hydrophobicity and weathering resistance of wood treated with silane-modified protective systems. Drewno 57 (191) : 99-110.

Hon DNS (1996) Chemical modification of lignocellulosic matrials. Marcel Dekker Inc, New York, pp 299–301.

Li, X., L.G. Tabil, dan S. Panigrahi.  2007. Chemical treatments of natural fiber for use in natural fiber-reinforced composites: a review. J Polym Environ 15(1): 25–33.

Moghaddam,M.S., M.E.P. Walinder, P.M. Claesson, dan A. Swerin. 2015. Wettability and swelling of acetylated and furfurylated wood analyzed by multicycle Wilhelmy plate method. Holzforchung DOI 10.1515/hf-2014-0196.

Papadopoulos, A.N. dan A. Gkaraveli. 2003. Dimensional stabilisation of particleboard by chemical modification with propionic anhydride. Holz Roh- Werkst 61:142–144.

Papadopoulos, A.N. dan P. Tountziarakis. 2011. The effect of acetylation on the Janka hardness of pine wood. Eur. J. Wood Prod. 69: 499–500.

Razera, I. A. T. 2006. Fibras lignocelulósicas como agente de reforço de compósitos de matriz fenólica e lignofenólica. PhD Thesis. Universidade de São Paulo.

Reinprecht, L.,  M. Pánek, J. Daňková, T. Murínová, dan P. Mec. 2013. Performance of methyl-tripotassiumsilanol treated wood against swelling in water, decay fungi and moulds. Wood Research 58 (4): 511-520.

Rowell, R. M. 2010. Handbook of Wood Chemistry and Wood Composites, 2nd edition. CRC press.  Boca Raton.

Rowell, R.M. 1983. Chemical modification of wood. For Prod Abstr 6: 366–382.

Troedec, M.L., D. Sedan, C. Peyratout, J.P. Bonnet, A. Smith, R. Guinebretiere, V. Gloaguen, dan P. Krausz. 2008. Influence of various chemical treatments on the composition and structure of hemp fibres. Compos Part A 39(3): 514-522.

Youngquist, J.A., R.M. Rowell, A. Krzysik. 1986.  Mechanical properties and dimensional stability of acetylated aspen flakeboards. Holz Roh- Werkst 44:453–457.

Yuan, T.Q., L.M. Zhang, F. Xu, dan R.C. Sun. 2013. Enhanced photostability and thermal stability of wood by benzoylation in an ionic liquid system. Industrial Crops and Products 45: 36– 43.