II. TINJAUAN PUSTAKA Medium Density Fiberboard

Transkripsi

1 4 II. TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Medium Density Fiberboard Papan serat berkerapatan sedang (medium density fiberboard/mdf) adalah papan yang terbuat dari serat kayu atau bahan berlignoselulosa lainnya, dijadikan lembaran kemudian dikempa dengan kerapatan lebih dari 0,35 g/cm 3. Bahan pengikat serat dan zat-zat tertentu dapat ditambahkan untuk memperbaiki sifat MDF (Tsoumis 1991 dan JIS, 2003). Saat ini MDF merupakan produk panel yang utama bersama-sama dengan papan partikel. Produksi papan serat anggota ITTO mendekati 3,6 juta m 3 di tahun 2000 dan meningkat menjadi 3,8 juta m 3 pada tahun Indonesia menduduki posisi ketiga sebagai negara penghasil papan serat setelah Brazil dengan produksi 557 ribu m 3 pada tahun Indonesia juga termasuk urutan ketiga dalam hal ekspor papan serat setelah Malaysia dan Thailand dengan jumlah ekspor 285 ribu m 3 (ITTO, 2002) Perekat Pada pembuatan panel kayu (papan partikel, papan serat, oriented strand board dan lainnya) akan sangat dipengaruhi oleh substrat (bahan lignoselulosa), perekat dan teknologi proses. Pada umumnya produk panel-panel kayu termasuk MDF, menggunakan perekat UF. Jenis perekat ini mempunyai beberapa keunggulan diantaranya: harganya murah, mudah mengeras pada suhu kamar, dapat digunakan untuk merekat semua elemen kayu dan sedikit sekali mempengaruhi warna asli bahan yang direkat. Aspek negatifnya adalah ikatan rekatnya tidak tahan terhadap air, suhu dan kelembaban tinggi serta menghasilkan emisi formaldehida. Perekat UF masuk kedalam kelompok amino resin dengan unit monomer diilustraikan pada Gambar 1. Permasalahan emisi ini menjadi perhatian khusus terutama pada saat proses produksi dan penggunaan dalam ruangan tertutup (Marra, 1992 dan Rowell, 2005).

2 5 Gambar 1. Monomer dasar perekat formaldehida Sifat ketahanan terhadap hidrolisis merupakan faktor penentu pada besar kecilnya emisi formaldehida suatu produk. Berdasarkan sifatnya, perekat UF mudah dihidrolisis sehingga menyumbang emisi terbesar dibanding perekat lainnya (Gambar 2). Perekat MUF (melamin-urea formaldehida) lebih stabil karena ikatan C-N yang bersumber dari struktur cincin aromatik melamin dan sedikit menurunkan keasaman (ph) pada garis ikatan akibat perlindungan melamin. Ikatan C-C pada PF (phenol formaldehida) resin sangat stabil terhadap hidrolisa (Dynea. 2005). Perbedaan jenis perekat untuk mencapai standar emisi formaldehida rendah ( 0,3 mg/l) akan berakibat terhadap besarnya biaya, jumlah perekat dan kapasitas produksi (Tabel. 1). mudah disisipi ketahanan terhadap hidrolisis lebih besar dibandingkan UF ikatan C-C lebih stabil Perekat UF Perekat MUF Perekat PF Gambar 2. Jenis perekat formaldehida

3 6 Tabel 1. Perbandingan jenis perekat lain terhadap perekat UF untuk mendapatkan produk panel dengan emisi rendah No. Jenis Perekat Harga perekat Peningkatan penggunaan perekat 1. Aminoplastik 30-70% lebih tinggi Penurunan kapasitas % 10-20% 2. Phenoplastik dua kali lipat + 20% 20-30% 3. Polyphenolik 2-3 kali lipat + 20% 30% 4. PMDI (isosianat) 5-6 kali lipat - > 50% 2.3. Emisi Formaldehida Sifat Formaldehida Formaldehida termasuk bahan kimia penting yang digunakan secara luas. Di dalam rumah, sumber formaldehida paling besar adalah panel kayu berperekat urea formaldehida. Rumus kimia formaldehida adalah CH 2 O dengan nama lain methanal, methylene oxide, oxy methylene, methylaldehide, oxomethane dan formic aldehide. Dalam Chemical Abstract Service(CAS), tercatat dengan nomor register Beberapa sifat formaldehida disajikan pada Tabel 2. Tabel 2. Sifat formaldehida No. Sifat Selang Nilai 1. Berat molekul relatif 30,03 2. Titik mencair ( o C) Titik didih ( o C, pada 101,3 kpa) Tekanan udara (calculated) (Pa, pada 25 o C) Kelarutan air (mg/liter, pada 25 o C) Faktor konversi 1 ppm = 1,2 mg/m 3 Sumber: Liteplo et.al. (2002) Dampak Emisi Formaldehida Formaldehida tidak berwarna, berbau tajam, dapat menyebabkan mata berair, mata dan tenggorokan terasa terbakar, terjadi kesulitan bernafas pada beberapa orang pada konsentrasi cukup tinggi (0,1 ppm). Pada konsentrasi tinggi dapat memicu kambuhnya asma. Formaldehida juga telah menyebabkan kanker pada binatang dan kemungkinan dapat terjadi pada manusia (Hawks and Hansen,

4 7 2002). Selanjutnya WHO dalam Larsen (1999), menjelaskan pengaruh formaldehida terhadap kesehatan manusia (Tabel 3). Tabel 3. Pengaruh jangka pendek formaldehida terhadap kesehatan No. Konsentrasi formaldehida Lama terekspose Pengaruh terhadap kesehatan (mg/m 3 ) 1. 0,1 3,1 Satu hingga beberapa kali Iritasi pada hidung dan tenggorokan 2. 0,6 1,2 Satu hingga beberapa kali Iritasi pada mata 3. 0, jam Berkurangnya cairan pada hidung 4. 2,4 40 menit Sakit kepala 5. 2,5 3,7 - Mata dan hidung terasa terbakar 6. 3,7 Satu hingga beberapa kali Menurunnya fungsi paruparu (pada pekerja berat) ,2 30 menit Gangguan pada mata Gangguan sangat kuat pada mata Radang paru-paru, ancaman kematian Kematian Sumber: WHO dalam Larsen (1999) Emisi Formaldehida pada Panel Kayu Upaya menurunkan emisi formaldehida terus dilakukan, sebagaimana disajikan pada Gambar 3. Namun demikian pada kenyataannya beberapa produk panel kayu masih mengandung emisi diatas 5 ppm. Emisi formaldehida akan terus keluar dari suatu produk dengan besaran yang terus menurun hingga 25% pada tahun kesepuluh. Pada umumnya emisi terbesar terjadi pada produk panel kayu yang baru dibuat. Emisi formaldehida kemudian menurun sepanjang waktu pada tingkatan laju yang terendah (Liteplo et. al., 2002; Hawks dan Hansen, 2002; dan CPSC, 1997).

5 8 Gambar 3. Kandungan emisi formaldehida pada produk panel Penelitian Kim dan Kim (2005), menunjukkan bahwa emisi formaldehida pada MDF dengan menggunakan perekat urea formaldehida sebanyak 14% akan menghasilkan emisi sebesar 7,05 ppm. Furniture, terutama yang terbuat dari papan partikel dan MDF merupakan salah satu penyumbang penting terjadinya polusi atau penurunan kualitas udara. Pada lantai laminasi dan plywood, emisi formaldehida (EF) yang pertama kali dikeluarkan adalah sebesar 1,44 dan 0,63 mg/l, sedangkan pada MDF dan papan partikel masing-masing sebesar 4,73 dan 4,95 mg/l. Setelah 10 hari pemakaian, tingkat EF pada lantai kayu turun dibawah 0,3 ppm dan setelah 28 hari menjadi sekitar 0,03 0,1 mg/l tergantung pada jumlah dan volume furniture serta kondisi ruangan. Pada tingkat ini EF tidak berbahaya bagi manusia. (Yocom dan Charty 1991; CPSC, 1997). Ada beberapa cara untuk mengurangi tingkat volatile organic compounds (VOC) termasuk formaldehida diantaranya dengan merubah formulasi perekat UF (menurunkan mol ratio F/U), melapisi produk panel kayu dengan bahan laminasi, menggunakan perekat campuran UF-MDI, menambahkan melamin pada perekat

6 9 urea formaldehida dan menggunakan arang aktif (CPSC, 1997; Wang dan Lu, 2004; Kim dan Kim, 2005; Pari et.al., 2006b) 2.4. Arang Aktif Arang aktif adalah suatu bahan berkarbon dengan luas permukaan dalam yang sangat tinggi dan mempunyai sifat sebagai penyerap. Dengan sifatnya tersebut arang aktif mempunyai kemampuan tinggi sebagai penyerap bahan kimia dalam fase gas atau cairan tergantung dari ukuran pori. Penyerapan dalam fase gas dipengaruhi oleh struktur mikropori (< 20 A o ) sedangkan fase cair oleh struktur mesopori ( A o ). Ukuran makropori berfungsi sebagai saluran transportasi (Benaddi et.al., 2000; Vigouroux, 2001; Bansode et.al., 2003; Ismadji et.al., 2005; Herzog et.al., 2006). Karbon aktif dengan struktur mesopori dapat digunakan untuk pemurnian air minum, perlakuan limbah cair, penghilangan warna pada makanan dan bahan kimia. Sedangkan pada struktur mikropori digunakan untuk mendaur ulang zat cair, pengendali emisi gas pada minyak gas, saringan pada rokok dan pengendali emisi gas pada industri. Penggunaan karbon sebagai penyerap juga dipengaruhi oleh luas permukaan, penyebaran pori dan sifat kimia permukaan arang aktif (Benaddi et.al., 2000). Daya serap arang aktif terhadap iod memberikan petunjuk terhadap ukuran pori yang lebih kecil dari 15 Å. Daya serap iod telah diterima secara luas sebagai standar AWWA. Pengujian daya serap iod digunakan untuk mengetahui apakah suatu karbon bersifat aktif atau tidak. Kondisi terbaik dinilai berdasarkan besarnya rendemen dan daya serap terhadap iod (Hudaya dan Hartoyo, 1990) Bahan Baku Arang aktif dapat dibuat dari bahan yang mengandung lignoselulosa. Tempurung merupakan bahan baku potensial untuk pembuatan arang aktif seperti tempurung kelapa, kelapa sawit, Brazil nut, pecan nut, almond nut dan biji jarak (Bonelli et.al., 2001; Bansode et.al., 2003; Daud dan Ali, 2004; Sudrajat, 2005; Ismadji et.al., 2005; Guo, 2007). Tempurung kemiri sebagai bahan berlignoselulosa mempunyai prospek baik untuk dijadikan bahan baku arang aktif. Lima propinsi penghasil kemiri

7 10 terbesar pada tahun 2003 menurut Departemen Pertanian (2007) adalah Sulawesi Selatan ( ton), Nangroe Aceh Darussalam ( ton), Sumatera Utara ( ton), Nusa Tenggara Timur ( ton) dan Sumatera Barat (4.293 ton). Bonelli (2001) dan Daud dan Ali (2004), menyatakan bahwa struktur, penyebaran dan ukuran pori arang aktif lebih dipengaruhi oleh sifat dasar bahan baku (lignin, selulosa dan holoselulosa). Jika dibandingkan dengan arang aktif kayu, maka arang aktif tempurung kelapa menunjukkan distribusi pori halus (mikropori) lebih banyak Aktivasi Pada dasarnya ada dua cara membuat arang aktif yaitu melalui aktivasi secara fisik dan kimia. Aktivasi secara fisik dilakukan dalam dua tahap, pertama tahap karbonisasi dan kedua aktivasi. Sedangkan aktivasi secara kimia, bahan diimpregnasi terlebih dahulu dengan bahan pengaktif kemudian dikarbonisasi. Jadi tahap karbonisasi dan aktivasi dilakukan secara berlanjut (Hayashi et.al., 2002). Dimana pada prinsipnya adalah untuk menghilangkan atau mengeluarkan kotoran-kotoran yang terdapat pada permukaan arang berupa senyawa-senyawa hidrokarbon atau tar yang melapisi permukaan. Aktivasi umumnya dilakukan pada suhu diatas 800 o C dengan mengalirkan uap/gas seperti uap air, gas nitrogen, dan gas CO 2. Sebelum diaktivasi, arang dapat direndam dengan menggunakan bahan pengaktif seperti H 3 PO 4, NH 4 HCO 3, KOH, dan NaOH yang berfungsi meningkatkan kualitas arang aktif yang dihasilkan. Bahan kimia pengaktif tersebut berfungsi sebagai dehydrating agents dan oxidants. Pada permukaan arang aktif, mutu yang dihasilkan sangat tergantung dari bahan baku yang digunakan, bahan pengaktif, suhu dan cara pengaktifannya (Hartoyo et.al., 1990; Bonelli, 2001; Bansode, 2003; Sudrajat, 2005; Pari, 2005; Ismadji, 2005; Guo, 2007). Sifat penting lain dari arang aktif adalah jenis gugus fungsi pada permukaannya. Gugus fungsi yang banyak mengandung O (oksigen) dapat memberikan sifat polar dan hidrofilik. Kehadiran oksigen dapat meningkatkan proses oksidasi baik selama pemanasan maupun saat penyimpanan arang aktif (Patrick dalam Vigouroux, 2001).

8 11 Girgis et.al. (2002), mengemukakan bahwa H 3 PO 4 sebagai agen aktivasi akan memberikan hasil terbaik jika dibandingkan dengan ZnCl 2 dan KOH. Penggunaan H 3 PO 4 yang optimal dalam pembuatan arang aktif kulit Acacia mangium dan tempurung kelapa adalah sebesar 10% (Hartoyo dan Pari, 1993; Pari et.al,. 2006a). Hasil analisa infrared arang aktif dengan bahan pengaktif H 3 PO 4 menghasilkan serapan di bilangan gelombang cm -1. Serapan pada cm -1 kemungkinan ditandai dengan hadirnya ikatan hidrogen P=O yang berikatan dengan O-C membentuk P-O-C (aromatik) dan dengan P=OOH. Pada bilangan gelombang cm -1 dianggap berasal dari ikatan ionik P + - O - dalam ester asam phosfat dan ikatan P-O-P (poliphosfat). Selanjutnya pada cm -1 kemungkinan terjadi ikatan P-O-C (alifatik), P-O-C (aromatik), P-O, dan P-OH (Puziy, 2003). Pengaruh utama aktivasi arang dengan steam adalah untuk menciptakan dan memperluas pori arang. Jadi jelas bahwa aktivasi dengan steam tidak hanya memindahkan material yang tidak diorganisir tetapi juga cukup efektif dalam membentuk dan melebarkan mikropori dengan naiknya suhu. Kenaikan suhu dari 750 o C ke 800 o C dapat meningkatkan terbentuknya pori dan pada akhirnya akan meningkatkan volume mikropori arang aktif. Pada batas tertentu peningkatan suhu justru akan menurunkan volume mikroporinya (Bansode, 2003; Ismadji et.al., 2005; Pari, 2006a). Aktivasi pada arang sengon akan menyebabkan perubahan pola struktur arang aktif dari kristalin menjadi lebih amorf. Gambar 4 mengilustrasikan hubungan antara grafit sebagai dua lapisan lembaran karbon yang saling berhimpitan. Garis tebal dan putus-putus menandakan bagian atas dan bawah dari lembaran karbon. Ruang diantara lapisan menunjukkan adanya celah sebagai akibat dari pergeseran kristalit dari bentuk kristalin menjadi amorf. (Tanaka et.al., 1996; Pari, 2004).

9 12 a b Gambar 4. Perubahan struktur arang aktif dari (a) kristalin menjadi (b) amorf Penyerapan Emisi Formaldehida Sifat permukaan arang aktif dapat dibuat sesuai kebutuhan. Menurut Muller dan Gubbins (1998), arang aktif dapat bersifat hidrofobik atau hidrofilik tergantung dari sifat permukaannya. Pada Gambar 5a dan 5b menunjukkan permukaan arang aktif lebih bersifat hidrofobik dan hidrofilik. Penentuan sifat permukaan tersebut dapat dilakukan saat aktivasi. Untuk meningkatkan daya serapnya terhadap formaldehida, salah satu cara yang dapat dilakukan adalah dengan mengoksidasi arang aktif menggunakan udara (Rong et.al., 2002). Arang aktif sebagai penyerap emisi formaldehida diharapkan bersifat hidrofobik, sehingga sedikit meyerap air tetapi dapat mengikat gugus fungsi yang mengandung oksigen. Oksidasi arang aktif menggunakan udara dapat meningkatkan gugus fungsi yang bersifat polar dalam bentuk asam karboksilat. Gugus fungsi tersebut mampu menyerap formaldehida melalui interaksi dipole dan ikatan hidrogen sehingga daya serapnya terhadap formaldehida lebih besar dibandingkan dengan arang aktif tanpa dioksidasi dengan udara (Rong et.al., 2002). a b Gambar 5. Permukaan arang aktif bersifat (a) hidrofobik dan (b) hidrofilik