Optimasi Formula Perekat Poliuretan Non-Isosianat Berbasis Tanin Terglioksalasi untuk Produk Kayu Lapis

Abstract

Proses pembuatan kayu lapis membutuhkan perekat yang berdaya rekat tinggi untuk membuat produk dengan kualitas yang baik. Salah satu perekat yang dapat digunakan yaitu poliuretan dengan kelemahan sifat toksik dan tidak terbarukan sehingga dibutuhkan perekat yang berasal dari bahan organik. Salah satu perekat yang dikembangkan adalah poliuretan non-isosianat berbasis tanin terglioksalasi (Bio-PUNI-TG) yang memiliki kemampuan dalam membentuk ikatan uretan seperti poliuretan. Akan tetapi, Bio-PUNI-TG memiliki karakteristik yang lebih rendah dibanding perekat poliuretan sintesis sehingga dibutuhkan peningkatan lebih lanjut. Peningkatan properti Bio-PUNI-TG dilakukan dengan optimasi formula dengan menggunakan teknik response surface methodology (RSM). Penelitian dilakukan dengan mengekstraksi tanin kulit kayu mangium (KKM) dengan menggunakan metode maserasi air panas yang kemudian disintesis dengan glioksal campuran berperan sebagai substitusi poliol. Tanin-glioksal kemudian disintesis dengan dimetil karbonat (DMC) dan heksametilen tetraamina (HMTA) yang berperan sebagai substitusi isosianat. Perekat disintesis sesuai rancangan RSM kemudian dioptimalkan degan 4 respon berupa kadar padatan, viskositas, kekuatan kohesi, dan mass loss. Hasil optimasi mendapatkan model fitting untuk menentukan formula terbaik yang diaplikasikan ke kayu lapis. Formula terbaik dikarakterisasi meliputi kadar padatan, pH, waktu gelatinasi, reologi, dan hidrolisis. Perekat diaplikasikan sebagai perekat kayu lapis menggunakan kempa panas dengan kombinasi berat labur 200 g m–2 dan 150 g m–2 dan waktu kempa 10 menit dan 15 menit. Kayu lapis kemudian diuji sifat fisis dan mekanisnya. Ekstraksi serbuk KKM berkadar air 10,67% menghasilkan rendemen ekstrak tanin sebesar 21,70% dengan karakteristik kadar padatan 93,20%, pH 4,51, viskositas sebesar 0,05 mPa s, bilangan stiasny 71,80%, dan berwarna coklat kehitaman. Skema RSM menggunakan design expert-13 menghasilkan 11 formula berbeda. Pengujian parameter menghasilkan formula terbaik (FT) dengan 3 nisbah tanin-glioksal-HMTA yaitu FT 1 (1:2:0,55), FT 2 (1:3:0,65), dan FT 3 (1:2:0,62). Perekat memiliki kadar padatan >60% dari ketiga formula, dengan pH netral-basa lemah, nilai mass loss berada 18%-30% dengan pH filtrat netral-basa lemah. Waktu gelatinasi perekat kurang dari 1 menit pada suhu 180 °C. Kayu lapis memiliki kadar air memenuhi standar di bawah 14%, kerapatan tertinggi mencapai 0,37 g cm–3 masuk dalam kategori kayu lapis kelas ringan, pengembangan tebal dan daya serap air di atas 12% dan 60% sehingga masih termasuk kualitas interior meskipun begitu masih terdapat beberapa kombinasi yang masuk dalam kategori semi-eksterior, keteguhan rekat sudah memenuhi standar 0,7 MPa dan bahkan ada yang mencapai 1,06 MPa lebih tinggi dibandingkan penelitian terdahulu dengan kerusakan kayu (wood failure) bervariasi ada yang mencapai 100% dan adhesive failure.

The plywood manufacturing process requires a high-performance adhesive to produce high-quality products. One superior adhesive is polyurethane; however, it presents issues related to toxicity and non-renewability, thereby necessitating the development of adhesives derived from organic materials. One such adhesive that has been developed is glyoxalated tannin-based non-isocyanate polyurethane (Bio-PUNI-TG), which can form urethane bonds similar to those of polyurethane. The enhancement of Bio-PUNI-TG properties was carried out through formulation optimization using the Response Surface Methodology (RSM). The study involved extracting tannins from mangium bark (MB) as a polyol substitute using a hot-water maceration method, followed by synthesis with glyoxal. The tannin-glyoxal was subsequently reacted with dimethyl carbonate (DMC) and hexamethylenetetramine (HMTA), in which DMC and HMTA served as isocyanate substitutes. The adhesive was synthesized according to the RSM experimental design and optimized using four response parameters: solid content, viscosity, cohesive strength, and mass loss. The optimal formulation was characterized by solid content, pH, gelation time, rheological properties, and hydrolysis resistance. The adhesive was applied in plywood production using hot pressing, with glue spread rates of 200 g m–² and 150 g m–² and pressing times of 10 minutes and 15 minutes. Then, plywood panels were subsequently tested for their physical and mechanical properties. Extraction of mangium bark powder with a moisture content of 10.67% yielded a tannin extract yield of 21.70%, with characteristics including 93.20% solid content, pH 4.51, viscosity of 0.05 mPa s, a Stiasny number of 71.80%, and a dark brown to black color. The RSM scheme developed using Design-Expert® version 13 produced 11 formulations, yielding three optimal formulations (OF) with different tannin–glyoxal–HMTA ratios: OF-1 (1:2:0.55), OF-2 (1:3:0.65), and OF-3 (1:2:0.62). The adhesive characteristics showed solid contents above 60% for all three formulations, with pH values in the neutral to slightly alkaline range. The gelation time of the adhesive reach less than 1 minute at 180 °C. The produced plywood exhibited moisture content values below the standard limit of 14%, with the highest density reaching 0.37 g cm–3, classified as lightweight plywood. Thickness swelling and water absorption were above 12% and 60%, respectively, indicating that the plywood was still categorized as interior quality; however, several combinations fell into the semi-exterior category. Bonding strength met the standard requirement of 0.7 MPa, and some samples even reached 1.06 MPa, which is higher than previous studies, with wood failure varying up to 100% and the presence of adhesive failure.