BAB 11KIMIA PELAPUKAN DAN PERLINDUNGAN

William C. Feist & David N.S. Hon

Kayu yang berada di ruangan terbuka mengalami fotodegradasi dan degradasi fotooksidatif pada proses pelapukan secara alami. Sinar ultra violet berinteraksi dengan lignin sehingga menimbulkan diskolorasi dan deteriorasi. Deteriorasi kayu dalam proses pelapukan alami melibatkan serangkaian reaksi radikal bebas yang sangat kompleks. Cahaya tidak dapat menembus kayu lebih dari 200 μm, sehingga reaksi degradasi hanya terjadi di permukaan. Radikal bebas terbentuk di alam kayu oleh sinar yang secara cepat berinteraksi dengan oksigen sehingga menghasilkan peroksida air yang mudah terdekomposisi menghasilkan kelompok kromoporik. Pengaruh pelapukan pada ruangan terbuka terhadap sifat kayu dan benda berbahan dasar kayu dibahas secara rinci di dalam bab ini. Di samping itu dijelaskan pula perubahan-perubahan makroskopis, mikroskopis, kimia, dan fisik. Diberikan pula ulasan tentang mekanisme pelapukan dan metode perlindungan permukaan kayu yang dibiarkan terbuka.

Kayu secara alami merupakan bahan yang tahan lama yang telah dikenal selama berabad-abad di seluruh dunia karena fungsinya yang bermacam-macam dan sifat struktur serta bahan bangunan yang menarik. Namun demikian, seperti bahan-bahan biologi lainnya, kayu sangat rentan terhadap degradasi lingkungan. Jika kayu dibiarkan berada di ruangan terbuka, maka sebuah kombinasi yang kompleks dari faktor-faktor kimia, mekanik, dan energi cahaya berperan dalam apa yang disebut dengan pelapukan (1). Pelapukan di sini tidak sama dengan dekomposisi yang disebabkan oleh kegiatan organisme (cendawan) pada kondisi air dan gas yang berlebih dalam jangka waktu yang lama (2). Pada kondisi yang sesuai untuk terjadinya dekomposisi, kayu dapat mengalami deteriorasi dengan cepat dan hasilnya sangat berbeda dengan apa yang terlihat pada pelapukan di ruangan terbuka secara alami.

Degradasi kayu oleh berbagai agen biologi dan fisik memodifikasi beberapa komponen organiknya. Komponen organik di dalam kayu terutama adalah polisakarida dan polifenolik: sellulosa, hemisellulosa, dan lignin. Selain itu juga terdapat extractive dalam jumlah yang relatif sedikit dan konsentrasinya dapat menentukan warna, bau, dan sifat non mekanik lainnya dari sebuah spesies kayu. Stalker (3) membagi agen lingkungan yang menyebabkan degradasi kayu ke dalam beberapa kategori. Bentuk fisik energi digunakan untuk menggambarkan seluruh faktor selain cendawan, serangga, atau hewan. Pentingnya berbagai agen perusak fisik pada kayu dapat ditunjukkan dengan membandingkan dua keadaan, yaitu di dalam dan di luar struktur kayu (Tabel 1). Resiko yang paling serius bagi kayu dalam

ruangan tertutup adalah kebakaran. Sedangkan faktor yang paling penting di ruangan terbuka adalah pelapukan.

Bab ini memperbaharui dan merangkum berbagai pustaka yang telah ada tentang pelapukan dan perlindungan kayu, dan menekankan penelitian terbaru di bidang ini.

Tabel 1. Dampak relatif dari berbagai bentuk energi pada kayu

Latar Belakang

Marah adalah sebuah daerah gurun pasir di sekitar Laut Merah di semenanjung Sinai. Air gurun tersebut rasanya pahit karena tingkat basa yang tinggi. Pelapukan kayu di gurun pasir oleh matahari menyebabkan gugus alkohol dari sellulosa dan hemisellulosa teroksidasi menjadi gugus karboksil. Dengan memasukkan kayu yang terlapuk ke dalam air basa, maka terjadi reaksi asam–basa sehingga tingkat kebasaan air turun. Oleh karena itu air tersebut menjadi manis.

Sebagai tambahan dari peristiwa ini, manusia tertarik dengan pengaruh degradasi oleh lingkungan terhadap kayu sejak pertama kali menggunakan bahan tersebut. Namun, tidak demikian sampai pada tahun 1827 ketika fenomena kimia dari pelapukan kayu dilaporkan oleh Berzelius (4), diikuti oleh Wiesner (5) pada tahun 1846, dan Scharmm tahun 1906. Namun demikian, penelitian secara sistematis tentang reaksi pelapukan di dalam kayu belum dimulai hingga tahun 1950-an (1).

Aspek Umum dari Pelapukan Kayu

Pada pelapukan kayu lunak di ruangan terbuka, permukaan menjadi kasar dengan meningkatnya butiran, kayu menjadi retak, dan retakan tersebut berkembang menjadi retakan besar; butiran terlepas, dan papan melengkung dan bengkok dan terlepas dari ikatannya. Permukaan yang kasar berubah warna, bercampur dengan kotoran dan lumut, dan menjadi suram kayu tersebut kehilangan ikatan permukaannya dan menjadi rapuh sehingga menimbulkan serpihan-serpihan. Seluruh dampak ini, disebabkan oleh kombinasi cahaya, air, dan panas dapat dirangkum dalam satu kata: pelapukan.

Dampak perusakan dari pelapukan kayu diduga disebabkan suatu reaksi yang kompleks yang dipengaruhi oleh berbagai faktor. Faktor pelapukan yang berperan pada perubahan yang terjadi di permukaan kayu adalah radiasi sinar matahari (ultra violet, sinar tampak, dan infra merah), air (embun, hujan, salju, dan kelembaban), suhu, dan oksigen. Dari berbagai faktor ini, energi foton dari radiasi sinar matahari merupakan komponen lingkungan di ruangan terbuka yang paling merusak dan menyebabkan berbagai perubahan kimia pada permukaan kayu. Selanjutnya, faktor pelapukan lainnya muncul dengan adanya bahan pencemar pada atmosfer seperti sulfur dioksida, nitrogen dioksida, dan ozon dengan ada atau tidaknya sinar ultra violet.Struktur anatomi kayu dan kerentanannya terhadap pelapukan. Dinding sel kayu memiliki lapisan ganda. Mereka terdiri dari lamella tengah, dinding utama (P), dan lapisan dinding sekunder bagian luar (S1), tengah (S2), dan dalam (S3). Lapisan-lapisan ini berbeda satu sama lain menurut struktur, orientasi dan jumlah fibril pada serat, demikian juga dengan komposisi kimianya. Distribusi dari unsur-unsur kimia

di dalam dinding sel pada permukaan memiliki pengaruh yang kuat terhadap stabilitas pelapukan kayu. Unsur kimia pada dinding sel digambarkan dalam Gambar 1. Sellulosa, sebuah polimer kristal linier dari (1,4)-β-D-glucopyranose, merupakan komponen utama dinding sel (~45% dari total berat kering), dan sebagian besar terletak pada dinding sekunder. Hemisellulosa (~20%) adalah karbohidrat polimer amorf yang memiliki sedikit struktur bercabang. Lignin, sebuah jaringan polyphenol tiga dimensi (~20—30%) tersebar di seluruh dinding sel tetapi sebagian besar terkonsentrasi di daerah lamella tengah. Bahan-bahan polimer ini sangat beragam dalam kerentanannya terhadap pelapukan. Keragaman stabilitas tersebut terutama disebabkan oleh perbedaan struktur kimia, khususnya pada gugus fungsional kromoforik. Ion logam dan kontaminan lainnya juga dapat mendorong deteriorasi oleh cahaya (1, 7, 8).

Faktor Pelapukan. AIR. Salah satu penyebab utama pelapukan adalah seringnya singgungan permukaan kayu dengan kandungan air yang berubah dengan cepat (1). Turunnya hujan atau embun pada kayu yang tidak terlindungi secara cepat diserap oleh gaya kapiler pada lapisan permukaan kayu, diikuti dengan penjerapan di dalam dinding sel kayu. Uap air diambil secara langsung melalui adsorpsi pada kondisi kelembaban relatif yang tinggi; sehingga kayu mengembang. Tekanan (stress) terjadi di dalam kayu dengan pengembangan dan pengerutan yang disebabkan oleh gradien air antara permukaan dan bagian dalam. Stress tersebut lebih besar pada gradien air yang lebih mendadak dan biasanya paling besar di sekitar permukaan kayu. Stress yang tidak seimbang dapat menyebabkan lengkungan dan retakan permukaan (9–16).

Gambar 1. Komponen kimia pada dinding sel kayu

CAHAYA. Degradasi fotokimia kayu yang disebabkan oleh sinar matahari berlangsung dengan sangat cepat pada permukaan kayu yang terbuka (1, 8, 17). Permulaan perubahan warna kayu yang terkena sinar matahari adalah menguning atau coklat yang akhirnya menjadi kelabu. Perubahan warna ini dapat dihubungkan dengan dekomposisi lignin pada permukaan sel kayu dan hanya terjadi pada permukaan (17—20). Perubahan ini hanya terjadi pada kedalaman 0,05—2,5 mm (lihat bagian yang bertajuk “Penetrasi Sinar dan Deteriorasi Permukaan Kayu”) dan disebabkan oleh sinar matahari, khususnya sinar ultra violet, yang menyebabkan fotodegradasi. Fotodegradasi oleh sinar ultra violet menyebabkan perubahan komposisi kimia, khususnya lignin, dan selanjutnya perubahan warna (7, 8, 21—26).

Dua unsur yang paling penting dari pelapukan, yaitu sinar matahari dan air, cenderung terjadi pada waktu yang berbeda. Kayu dapat tersinari setelah dibasahi oleh air hujan atau ketika kadar air permukaan tinggi setelah semalaman terkena embun atau kelembaban yang tinggi. Oleh karena itu, waktu pembasahan sangat penting dalam hubungannya dengan kondisi iklim terhadap degradasi bagian luar. Kombinasi dari berbagai unsur tersebut dapat menghasilkan jalur degradasi yang berbeda, dengan penyinaran yang mempercepat pengaruh air atau sebaliknya.

FAKTOR LAIN. Panas bukan merupakan faktor yang penting seperti sinar matahari dan air, tetapi dengan meningkatnya suhu, maka tingkat reaksi fotokimia dan

oksidatif juga meningkat (1). Cahaya tampak juga berperan dalam penguraian kayu selama pelapukan (27, 28). Hilangnya kekuatan berhubungan dengan depolimerisasi lignin dan unsur dinding sel yang disebabkan oleh cahaya dan juga berhubungan dengan penguraian struktur mikro kayu berikutnya. Faktor penting dalam pelapukan kayu pada musim panas adalah intensitas radiasi matahari, dan pada musim dingin, tingginya kandungan SO2 di udara sekitar merupakan faktor pelapukan utama (central Europe exposure) (29).

Pembekuan dan pencairan air yang terserap juga dapat berperan terhadap retakan kayu. Abrasi atau tindakan mekanik, seperti angin, pasir, dan kotoran, dapat menjadi sebuah faktor penting terhadap tingkat degradasi permukaan dan hilangnya kayu. Partikel kecil seperti pasir dapat mengisi retakan permukaan dan melalui pengembangan dan pengempisan, dapat memperlemah serat yang bersentuhan dengan partikel tersebut. Partikel padat yang dikombinasikan dengan angin dapat memiliki dampak sandblasting (1, 8).

Penetrasi Sinar dan Deteriorasi Permukaan Kayu. Meskipun pelapukan bahan kayu bergantung pada banyak faktor lingkungan, terdapat banyak bukti bahwa hanya spektrum elektromagnetik yang relatif sempit saja yaitu bagian ultra violet dari sinar matahari, yang menjadi penyebab utama degradasi fotooksidatif kayu.

Aturan fotokimia pertama [prinsip-prinsip Grotthus–Drapper (30)] menyatakan bahwa sebelum terjadi reaksi fotokimia, pertama-tama komponen sistem harus menyerap cahaya. Aturan fotokimia yang kedua [Prinsip Stalk–Einstein (31)] menyatakan bahwa sebuah molekul hanya dapat menyerap satu quantum radiasi. Energi yang terserap menyebabkan pelepasan ikatan molekul penyusun kayu. Proses homolitik ini menghasilkan radikal bebas sebagai produk primer reaksi fotokimia. Reaksi ini dengan atau tanpa adanya oksigen dan air, dapat menyebabkan depolimerisasi dan membentuk kelompok kromoforik seperti karbonil, karboksil, quinon, peroksida, peroksida air, dan ikatan ganda terkonjugasi.

Karena cahaya harus diserap dahulu sebelum terjadi reaksi fotokimia, maka konsentrasi, lokasi, dan karakter kromofor sangat penting dalam penentuan tingkat fotooksidasi kayu. Pada dasarnya, kayu adalah bahan yang mampu menyerap sinar dengan sangat baik. Meskipun sellulosa tidak demikian, namun mampu menyerap sinar di bawah 200 nm dengan indikasi penyerapan di antara 200 dan 300 nm, dan ujung dari penyerapan hingga 400 nm (32, 33). Karena memiliki struktur yang serupa, maka karakteristik penyerapan sinar ultra violet hemisellulosa sama seperti sellulosa. Lignin dan polifenol sangat kuat menyerap sinar di bawah 200 nm, dan memiliki puncak pada 280 nm dengan penyerapan yang semakin menurun mendekati kisaran sinar tampak (33). Extractive biasanya memiliki kemampuan menyerap sinar antara 300 dan 400 nm (33, 34). Sehingga, kebanyakan komponen kayu mampu untuk menyerap sinar tampak dan ultra violet dengan tingkat yang cukup untuk memungkinkan terjadinya reaksi fotokimia yang menyebabkan pemudaran warna dan degradasi.

Karena lebarnya kisaran kelompok kromoforik yang berhubungan dengan komponen permukaannya, kayu tidak dapat dengan mudah ditembus oleh sinar. Pada dasarnya, pemudaran warna kayu oleh cahaya hanya terjadi pada permukaan. Sinar hanya mampu mempengaruhi lapisan permukaan pinus ponderosa dan kayu merah yang berwarna coklat gelap sampai ketebalan kayu 0,5—2,5 mm (1, 17, 35). Dengan berlangsungnya pelapukan, sebagian besar kayu berubah warna menjadi kelabu, tetapi hanya sampai ketebalan sekitar 0,10—0,25 mm. Cahaya tampak (400—750 nm) dapat menembus kayu hingga ketebalan 2540 m (35). Lapisan permukaan kayu yang berwarna kelabu dilaporkan memiliki ketebalan 125 m; di bawah lapisan kelabu adalah lapisan coklat dari ketebalan 508—2540 m. Perubahan warna ini merupakan hasil dari reaksi fotokimia yang selalu melibatkan radikal bebas.

Telah dilaporkan penggunaan teknik transmisi sinar ultra violet untuk mengukur penetrasi sinar melalui permukaan radial dan tangensial dari berbagai kayu yang berbeda sebagai fungsi dari ketebalan (36). Teknik electron spin resonance (ESR) digunakan untuk memonitor radikal bebas yang dihasilkan pada berbagai lapisan kayu yang berbeda. Diketahui bahwa sinar ultra violet tidak dapat menembus lebih dari 75 m; sebaliknya cahaya tampak mampu menembus sampai kedalaman 200 m dari permukaan kayu. Cahaya tampak dengan panjang gelombang 400—700 nm tidak cukup untuk memutuskan ikatan kimia penyusun kayu (36) karena energinya kurang dari 70 kkal/mol (33, 37). Warna coklat yang terbentuk pada kedalaman 508—2540 m sebenarnya tidak disebabkan oleh cahaya, seperti yang dinyatakan oleh Browne dan Simonsen (35). Mereka menduga bahwa senyawa aromatik komponen kayu pada permukaan kayu pertama-tama menyerap sinar ultra violet, sebuah proses transfer energi dari molekul ke molekul menyebarkan kelebihan energi.

Proses transfer energi yang terjadi di antara kelompok yang tereksitasi secara elektronik pada lapisan luar permukaan kayu dan kelompok lainnya di bawah permukaan kayu berperan dalam diskolorasi yang terjadi di bawah permukaan kayu, yang secara praktis tidak menyerap sinar ultra violet. Selanjutnya, radikal bebas yang ditimbulkan oleh cahaya memiliki energi tinggi dan cenderung mengalami reaksi berrantai untuk menstabilkan radikal induk. Sehingga, radikal bebas yang terbentuk dengan cara ini dapat bergerak lebih dalam pada kayu untuk menyebabkan reaksi diskolorasi.

Perubahan sifat selama pelapukan

Perubahan Kimia. Sekitar satu abad yang lalu, Wiesner (5) melaporkan bahwa zat di dalam sel kayu hilang karena pelapukan dan menyimpulkan bahwa lapisan kelabu terdiri dari “sel yang, tercuci oleh hujan, telah kehilangan seluruh atau sebagian besar produk infiltrasi mereka sehingga membran yang tersisa hampir atau hanya terdiri dari sellulosa murni.” Hasil pengamatan yang serupa dilaporkan oleh peneliti lainnya (6, 38, 39).

Telah dilaporkan adanya peningkatan kandungan sellulosa pada permukaan kayu yang terlapuk (40, 19). Data analitik tentang kayu pinus putih yang telah dilapukkan di ruangan terbuka selama 20 tahun menunjukkan bahwa pelapukan tersebut

menyebabkan degradasi dan melarutkan lignin. Sellulosa tampaknya hanya sedikit terpengaruh, kecuali untuk lapisan permukaan kayu bagian luar. Hasil yang sama diperoleh dengan berbagai jenis kayu yang dibuat pagar selama 30 tahun. Lapisan kelabu bagian atas memiliki kandungan lignin yang sangat rendah. lapisan coklat di bawah lapisan kelabu memiliki kandungan lignin bervariasi sekitar 40—60% dari kandungan lignin yang secara normal terdapat dalam kayu segar. Lapisan kayu bagian dalam hanya beberapa milimeter di bawah permukaan kelabu memiliki komposisi yang sama dengan kayu normal, kayu yang tidak terlapuk. Analisis gula kayu dari hidrolisis ekstrak air dari kayu yang terlapuk menunjukkan bahwa xylan dan araban terlarut lebih cepat dari pada glukosan. Glukosa tidak banyak terdapat dalam ekstrak air yang terhidrolisis selama analisis, meskipun unit glukosa sangat banyak terdapat pada polisakarida kayu normal.

Proses degradasi yang disebabkan sinar ultra violet dimulai dengan pembentukan radikal bebas dan kemungkinan dimulai dengan oksidasi fenolik hidroksil (7, 8, 19, 24, 41). Proses degradasi ini menghasilkan penurunan kandungan metoksil dan lignin dan peningkatan derajat keasaman dan konsentrasi karboksil pada kayu (lihat juga pustaka 24 dan 25). Perubahan fotokimia ini lebih banyak dipengaruhi oleh kadar air dari pada panas (41). Hasil dekomposisi dari kayu yang terlapuk, di samping gas dan air, terutama adalah asam organik, vanillin, syringaldehyde, dan senyawa dengan berat molekul yang lebih tinggi, yang seluruhnya dapat tercuci (19, 41). Perubahan kimia yang menyertai radiasi sinar pada kayu juga telah dilaporkan oleh beberapa penulis (19, 21–23, 25, 26, 42–45).

Kesimpulan kami adalah penyerapan sinar ultra violet oleh lignin pada permukaan kayu menyebabkan degradasi lignin. Sebagian besar hasil degradasi lignin tercuci oleh air hujan. Serat yang memiliki kandungan sellulosa tinggi dan berwarna keputihan hingga kelabu tetap berada pada permukaan kayu dan tahan terhadap degradasi sinar ultra violet.

Percobaan infra merah menunjukkan bahwa selama radiasi sinar ultra violet pada kayu, penyerapan oleh gugus karbonil pada 1720 cm–1 dan 1735 cm–1 meningkat, sementara penyerapan untuk lignin pada 1265 cm–1 dan 1510 cm–1 secara bertahap menurun (Gambar 2). Peningkatan gugus karbonil merupakan hasil dari oksidasi sellulosa dan lignin. Penurunan jumlah lignin disebabkan oleh degradasi lignin oleh cahaya.

Gambar 2. Perubahan spektra infra merah pada kayu yang disinari dengan sinar ultra violet

Tabel II. Absorbance infra merah dari kayu yang disinari dengan sinar ultra violet

Ukuran yang sesuai untuk perubahan gugus karbonil dan lignin diberikan dengan rasio absorbance infra merah dari gugus karbonil dan lignin terhadap penyerapan band pada 895 cm–1—sebuah penyerapan yang disebabkan oleh adanya hidrogen pada C-1, yang secara normal tidak berubah selama fotoradiasi. Hasilnya ditunjukkan dalam Tabel II. Perubahan kandungan lignin juga dapat ditentukan berdasarkan

kurva kaliberasi lignin vs. penyerapan pada 1510 cm–1. Hasil dari perubahan kandungan lignin pada permukaan kayu yang mengalami fotoradiasi tersebut ditunjukkan dalam Tabel III. Hasil ini menunjukkan bahwa terbentuk gugus karbonil, sementara kandungan lignin menurun, pada permukaan kayu yang terbuka. Selanjutnya, permukaan kayu yang mengalami pencucian menunjukkan adanya peningkatan konsentrasi produk oksidasi yang terlarut dalam air, yang dapat dideteksi menggunakan spektroskopi ultra violet (Gambar 3).

Kayu yang berada di ruangan terbuka sepenuhnya kehilangan penyerapannya pada 1265 cm–1 dan 1510 cm–1, karena terjadinya pencucian lignin yang terdegradasi, setelah 30 hari mengalami pelapukan di ruangan terbuka (Gambar 4). Penyerapan gugus karbonil pada 1720 cm-1 dan 1735 cm–1 juga menurun. Pengamatan ini menunjukkan bahwa penyusun kimia yang teroksidasi pada permukaan kayu, khususnya komponen lignin, tercuci dari permukaan kayu oleh air. Sebuah penelitian tentang kurva perbedaan ionisasi lignin pada kondisi basa menunjukkan bahwa fraksi terlarut dalam air dari kayu yang terlapuk menunjukkan karakteristik penyerapan fenolik. Percobaan menggunakan spektroskop elektron untuk analisis kimia (ESCA=electron spectroscopy for chemical analysis) menunjukkan bahwa permukaan yang teroksidasi memiliki kandungan oksigen lebih tinggi dari pada kandungan karbon, sehingga menunjukkan bahwa permukaan kayu yang terlapuk kaya akan sellulosa dengan gugus karbonil, sementara lignin terdegradasi dan tercuci oleh air (46).

Tabel III. Perubahan Absorbance infra merah dan kandungan lignin dari kayu yang disinari dengan ultra violet

Gambar 3. Spektra penyerapan sinar ultra violet pada fraksi kayu terlarut dari kayu yang disinari dengan ultra violet

Gambar 4. Perubahan spectra infra merah dari kayu yang berada di ruangan terbuka

Perubahan warna. Warna kayu yang berada di ruangan terbuka berubah secara cepat. Pada umumnya, seluruh kayu berubah kuning hingga coklat yang disebabkan oleh penghancuran kimia lignin dan extractive kayu (1, 5, 7, 17, 47a). Perubahan warna ini terjadi hanya beberapa bulan penyinaran matahari, dan iklim panas (Gambar 5). Kayu yang kaya akan extractive akan memutih sebelum terlihat menjadi coklat.

Jika kayu dibiarkan di ruangan terbuka atau disinari dengan ultra violet dalam jangka waktu yang relatif pendek, maka akan segera terlihat terjadi perubahan kecerahan dan warna. Penurunan kecerahan dan warna selama 480 hari pelapukan di ruangan terbuka ditunjukkan masing-masing dalam Gambar 6 dan 7. Perubahan warna, E, didasarkan pada unit CIELAB (47b). Beberapa spesies kayu, seperti kayu merah, pinus kuning, dan Douglas-fir, kehilangan kecerahannya secara nyata pada bulan pertama. Namun spesies kayu ini akan kembali menjadi cerah setelah 180 hari berada di ruangan terbuka. Setelah periode pelapukan ini, tingkat kecerahan akan turun kembali. Redcedar bagian barat kembali cerah pada 180 hari pertama berada di ruangan terbuka, diikuti dengan penurunan kecerahan setelah 180 hari.

Di samping perubahan kecerahan, seluruh spesies kayu yang berada di ruangan terbuka mengalami perubahan warna dari kuning pucat menjadi coklat dan kelabu setelah 180 hari. Seperti yang terlihat pada Gambar 7, diskolorasi secara nyata terjadi antara 90 dan 120 hari.

Gambar 5. Rendering warna dengan Artist, perubahan dan perubahan permukaan kayu selama proses pelapukan di ruangan terbuka dari kayu lunak.

Gambar 6. Penurunan kecerahan kayu yang terlapuk di ruangan terbuka. Keterangan: , western red cedar; , redwood; , pinus kuning; dan , Douglas-fir.

Gambar 7. Perubahan warna kayu yang mengalami pelapukan ruangan terbuka. Keterangan: , pinus kuning; , redwood; , Douglas-fir; dan , western red cedar.

Perubahan warna kayu menunjukkan terjadinya perubahan kimia di dalam kayu selama pelapukan. Hanya bagian di sekitar Hanya bagian di sekitar permukaan kayu yang terbuka saja yang terpengaruh (lihat bagian bertajuk “Penetrasi cahaya dan deteriorasi permukaan kayu”). Air hujan mencuci hasil dekomposisi berwarna coklat tersebut, sehingga lapisan perak kelabu terdiri dari susunan serat yang tidak teratur terbentuk pada lapisan berwarna coklat (lihat Bab 5, Gambar 18). Lapisan kelabu tersusun atas bagian sellulosa kayu yang tahan pencucian. Warna permukaan ini terlihat berubah menjadi kelabu jika kayu dibiarkan terkena terik matahari dengan curah hujan rendah. Namun, biasanya didominasi oleh mekanisme perubahan warna kelabu lainnya yaitu aktivitas cendawan, khususnya jika kelembabannya tinggi.

Diskolorasi (perubahan warna kelabu) pada kayu dengan kelembaban tinggi pada umumnya disebabkan oleh pertumbuhan cendawan di permukaan kayu (1, 41, 48–52). Spesies cendawan yang sering kali ditemukan adalah Aureobasidium pullulans (Pullularia pullulans), di mana pada kondisi yang sesuai tidak hanya tumbuh pada permukaan kayu, tetapi juga pada lapisan selimut dan berbagai bahan organik dan anorganik. Pada umumnya cendawan ini dianggap sebagai pembusuk (53). Persyaratan ekologi dari cendawan ini dan cendawan lainnya bersifat umum, kondisi yang paling penting untuk pertumbuhannya adalah ketersediaan air. Sebaliknya cendawan relatif tahan dan mampu beradaptasi.

A. pullulans dapat tumbuh pada kayu jadi sama baiknya seperti pada permukaan kayu lunak atau keras yang belum jadi atau tidak diberi perlakuan (11). Diskolorasi kayu oleh lumut lebih umum dari pada yang selama ini diyakini. Infeksi cendawan merupakan hasil dari pembasahan permukaan kayu oleh air. Dua puluh spesies kayu lunak dan keras Eropa dan non-Eropa dengan berbagai tingkat kepadatan dan kekuatan mekanik dibiarkan mengalami pelapukan ruangan terbuka di Swiss menghadap ke selatan dengan kemiringan 45o (41). Meskipun perilaku di antara berbagai spesies pada awalnya berbeda nyata, namun secara bertahap berubah, dan terjadi deteriorasi fotokimia dan mekanik begitu juga dengan intensitas serangan

cendawan biru. Setelah satu tahun pelapukan, seluruh permukaan kayu memiliki kenampakan kelabu yang seragam.

Perubahan fisik. Pelapukan permukaan kayu oleh kombinasi cahaya dan air menyebabkan perubahan warna permukaan menjadi gelap dan menghasilkan pembentukan retakan makroskopis hingga mikroskopis interselluler dan intrasellluler. Ikatan dinding sel di sekitar permukaan kayu lenyap. Jika proses pelapukan berlanjut, air hujan mencuci bagian yang terdegradasi dan terjadi erosi lebih lanjut (Gambar 8). Karena perbedaan type jaringan kayu pada permukaan, maka terdapat perbedaan intensitas retakan dan erosi, dan permukaan kayu menjadi semakin tidak rata. Erosi pada kayu keras berlangsung lebih lambat dari pada kayu lunak.

Gambar 8. Permukaan kayu lunak yang terlapuk setelah 15 tahun (di Madison, Wisconsin).

Browne (54) melaporkan bahwa proses pelapukan berlangsung sangat lambat yaitu “hanya mencapai ketebalan ¼ inci (6,4 mm) dalam satu abad”. Namun, nilai 1 mm/abad telah dilaporkan untuk kayu di iklim bagian utara dan 13 mm/abad untuk redcedar bagian barat (51). Nilai ini didasarkan pada data pelapukan ruangan terbuka selama 8 tahun dengan sudut 90o menghadap ke selatan (55). Data erosi yang diperoleh dari pelapukan kayu merah, Douglas-fir, Engelmann spruce, dan pinus ponderosa digunakan untuk menduga pelapukan ruangan terbuka. Data ini menunjukkan bahwa spesies ini akan tererosi sekitar 6 mm/100 tahun (nilai yang serupa dengan yang disebutkan oleh Browne) (54). Borgin (56) melaporkan erosi dinding pelindung pada tong kayu di Norwegia dan menduga bahwa pelindung setebal 10 mm telah berkurang 50% setelah beberapa ratus tahun pelapukan. Jemison (57), menemukan bahwa pasak pinus ponderosa berdiameter 5 mm kehilangan 7,8% beratnya setelah 10 tahun terkena sinar matahari; pasak dengan diameter 13 mm kehilangan berat 16,4%. Kehilangan berat hingga 10% (58) ditemukan setelah sampel heartwood redcedar barat, kayu merah, iroko, dan teak dilapukkan selama 3 tahun. Profil permukaan diketahui secara tidak nyata mempengaruhi erosi kayu (59).

Tingkat erosi kayu yang berada di ruangan terbuka juga dapat diduga dari data yang diperoleh dari pelapukan terkendali dari beberapa kayu (Tabel IV) (55). Spesimen diberikan penyinaran xenon dengan kerapatan tinggi pada ruangan pelapukan. Penyinaran dilakukan dalam siklus 20 jam yang dilanjutkan dengan 4 jam penyemprotan dengan air destilata. Pengukuran erosi dilakukan menggunakan mikroskop (1, 55). Hasilnya menunjukkan bahwa kayu keras yang padat tererosi pada tingkat yang sama dengan yang terlihat pada latewood spesies kayu lunak (diduga pada 3 mm/abad dibandingkan dengan 6 mm/abad untuk earlywood kayu lunak). Secara umum, semakin tinggi tingkat kepadatan, semakin rendah tingkat erosinya. Kayu dengan tingkat kepadatan lebih rendah, seperti basswood, memiliki tingkat erosi yang lebih tinggi daripada kayu oak, tetapi lebih rendah dibandingkan dengan earlywood kayu lunak.

Tabel 4.Erosi pada permukaan kayu setelah pelapukan yang dipercepat

Perubahan Mikroskopis. Perubahan mikroskopis menyertai perubahan fisik kayu selama pelapukan. Tanda deteriorasi yang pertama kali muncul pada permukaan kayu lunak adalah membesarnya celah lubang pada dinding radial dari trakheid earlywood (60—62). Selanjutnya, retakan kecil ini membesar karena adanya kontraksi dinding sel. Selama pelapukan, dampak pencucian dan plastisisasi air mendorong perbesaran retakan. Perubahan tersebut lebih cepat lagi terjadi pada kayu merah dari pada Douglas-fir.

Mikroskop elektron digunakan untuk mempelajari perusakan struktur kayu yang disebabkan oleh pelapukan (56, 63–65). Dilakukan pengamatan terhadap permukaan kayu tua, baik yang diproteksi maupun dibiarkan terlapuk. Penelitian ini menunjukkan deteriorasi lambat dan kerusakan tetap pada lamella tengah, berbagai lapisan dinding sel, dan kekuatan kohesif jaringan kayu. Serat tunggal lebih stabil dan tahan lama. Bagian yang paling stabil dari serat kayu adalah mikrofibril. Berbagai lapisan dinding sel mengalami kerusakan karena kehilangan struktur kohesif di antara mikrofibril dan kehilangan adesi antara lapisan. Seluruh rongga membesar sehingga menyebabkan deteriorasi struktur serat. Proses pelapukan hanya terbatas pada sebuah lapisan permukaan tipis 2—3 mm. Pada kayu sangat tua yang diproteksi hanya sedikit terjadi kerusakan dari elemen tertentu pada level ultrastruktural, dan sampel tersebut tetap memiliki sifat dan kenampakan makroskopis normal (65). Selama kekuatan elemen utama (mikrofibril) tetap padu, sifat utama kayu tidak mengalami perubahan yang mencolok.

Beberapa publikasi menunjukkan pengamatan yang saling berhubungan tentang perubahan mikroskopis pada pelapukan buatan (radiasi ultra violet) permukaan kayu (45, 60, 62). Perubahan permukaan kayu setelah mengalami pelapukan buatan yang dipercepat terlihat sangat mirip dengan yang ditemukan pada pelapukan ruangan terbuka secara alami (9). Perubahan ini meliputi pembentukan retakan membujur antara dinding elemen yang berdekatan yang terlihat terjadi pada atau di dekat lamella tengah, retakan membujur pada dinding elemen, dan retakan diagonal melalui rongga yang kemungkinan diikuti dengan sudut fibril dari permukaan S2.

Pola kerusakan sel permukaan kayu dan sel yang berdekatan dengan permukaan kayu diteliti pada sapwood pinus radiata yang diletakkan di ruangan terbuka untuk pelapukan selama 4 ½ tahun (66, 67). Pola kerusakan dicirikan dengan terjadinya deteriorasi dua kali lipat; permulaan kehilangan sifat pewarnaan histokimia dari lignin yang diikuti dengan meningkatnya penipisan dinding sel. Penipisan dinding trakheid terjadi secara sentrifugal, dinding sekunder bagian dalam terlihat lebih dulu menghilang.

Deteriorasi permukaan kayu setelah mendapatkan sinar ultra violet buatan terlihat setelah penyinaran kayu selama 500 jam (68). Dampak fotodegradatif terhadap permukaan secara melintang, radial, tangensial dari specimen pinus kuning dijelaskan dalam bagian berikutnya.

IRISAN MELINTANG. Irisan melintang dari pinus kuning secara normal agak sederhana dan homogen. Sistem sumbunya pada dasarnya tersusun atas trakheid

kayu dengan sel parenkim yang relatif sedikit. Sebuah mikrograf SEM dari irisan melintang permukaan pinus sebelum mengalami pelapukan terlihat dalam Gambar 9.

Irisan melintang kayu disinari dengan ultra violet selama 500 jam. Deteriorasi permukaan kayu segera terlihat dari mikrograf SEM (Gambar 10). Dinding sel pada zone lamella tengah terpisah. Dalam kondisi yang lebih ekstrim, dinding sekunder hampir terpecah. Kasarnya permukaan dapat diamati secara visual. Deteriorasi permukaan terbentuk lebih lanjut jika specimen tersebut disinari sampai 1000 jam (Gambar 11). Rongga bertepi pada dinding trakheid rusak total. Warna kayu berubah dari kuning pucat menjadi coklat terang dan kemudian menjadi coklat gelap masing-masing setelah 500 dan 1000 jam penyinaran ultra violet.

Gambar 9. Irisan melintang pinus kuning (700 )Gambar 10. Irisan melintang pinus kuning yang disinari dengan ultra violet selama

500 jam (700 ).Gambar 11. Irisan melintang pinus kuning yang disinari dengan ultra violet selama

1000 jam (700 ).IRISAN RADIAL. Rongga bertepi pada pinus kuning dapat diamati pada dinding radial baik pada earlywood maupun latewood. Pada umumnya, rongga bertepi yang terletak pada earlywood lebih besar dan lebih banyak daripada latewood. Mikrograf SEM untuk rongga semi bertepi dan rongga bertepi pada dinding radial sebelum mendapatkan penyinaran ultra violet ditunjukkan dalam Gambar 12 dan 13.

Perubahan yang pertama kali terlihat dalam struktur anatomi dari irisan radial pinus kuning yang mendapatkan penyinaran terjadi pada rongga (pit). Setelah 500 jam penyinaran ultra violet, rongga semi bertepi mengalami kerusakan. Rongga bertepi juga berinteraksi dengan sinar, namun lebih kecil (Gambar 14). Rongga bertepi masih tetap bertahan. Retakan dan pembentukan ruang kosong kadang-kadang dapat terlihat dari specimen yang disinari. Namun, setelah 1000 jam penyinaran, terlihat deteriorasi berat pada rongga bertepi. Mikrograf SEM tersebut (Gambar 15) menunjukkan bahwa lubang pada rongga bertepi membesar hingga batas chamber. Kubah pit (rongga) mengalami kerusakan total. Lebih ekstrim, deteriorasi juga menyebar pada permukaan radial dari dinding trakheid. Degradasi seluruh dinding sel kemungkinan terjadi pada masa penyinaran yang lebih lama. Menghilangnya rongga bertepi juga dapat terlihat pada kayu merah yang disinari ultra violet (60, 62).

Gambar 12. Struktur pit setengah bertepi pinus kuning pada irisan radial (700 )Gambar 13. Struktur pit bertepi dari pinus kuning pada irisan radial (700 )Gambar 14. Deteriorasi pit setengah bertepi dan dinding sel pinus kuning pada

irisan radial setelah penyinaran ultra violet selama 500 jam (700 ).Gambar 15. Deterirasi pit bertepi dan dinding sel pinus kuning pada irisan radial

setelah penyinaran ultra violet selama 1000 jam (700 )IRISAN TANGENSIAL. Rongga bertepi jarang sekali dijumpai pada permukaan tangensial. Studi SEM menunjukkan bahwa retakan kecil secara diagonal melalui rongga bertepi dalam dinding trakheid merupakan perubahan anatomi yang paling nyata pada irisan tangensial dengan penyinaran ultra violet. Retakan sempit secara diagonal terhadap sumbu dinding sel, sehingga menunjukkan bahwa retakan kecil

tersebut terjadi pada sudut fibril dari lapisan S2 dinding sel (Gambar 16 dan 17). Pengamatan yang serupa juga telah dilaporkan (60). Kenampakan yang umum retakan kecil diagonal selama penyinaran ultra violet diduga disebabkan oleh konsentrasi lokal dari tensile stress pada sisi sebelah kanan terhadap arah fibril dari lapisan S2. Retakan diagonal yang lebih besar lagi dapat dilihat pada irisan tangensial dari dinding trakheid latewood (Gambar 17).

Gambar 16. Microcheck dinding sel pinus kuning pada irisan tangensial (earlywood) setelah penyinaran ultra violet selama 500 jam (700 )

Gambar 17. Microcheck dinding sel pinus kuning pada irisan tangensial (latewood) setelah penyinaran ultra violet selama 500jam (700 )

Gambar 18. Pandangan irisan melintang kayu lapis mengilustrasikan dampak pelapukan pada permukaan lapisan dengan pola grain tertentu.

Pelapukan material berbahan dasar kayu

Proses pelapukan telah dijelaskan lebih lanjut untuk kayu utuh. Pengenalan variabel lainnya, yaitu adesif, dalam pelapukan material berbahan dasar kayu seperti kayu lapis, dan papan partikel memberikan komplikasi tambahan. Zat kayu masih terdapat di dalam elemen produk ini dan mengalami deteriorasi dengan cara yang serupa dengan kayu utuh. Ikatan kayu–adhesive merupakan unsur baru dalam pelapukan (1, 69, 70).

Kayu lapis. Pelapukan kayu lapis berhubungan secara langsung dengan kualitas lapisan yang terbuka dan bahan pengikat yang digunakan. Karena terdapat kecenderungan terjadinya retakan, sebagian besar kayu lapis eksterior dilapisi dengan vernis atau bahan pelapis permukaan. Kayu lapis tersebut mengalami pelapukan yang serupa dengan kayu utuh (1, 2, 71).

Pengembangan dan pengkerutan yang disebabkan oleh pembasahan dan pengeringan secara berkala memainkan peranan penting dalam pelapukan dengan pembentukan retakan dengan luas permukaan yang lebih besar pada pelapukan. Pada kayu lapis, retakan dapat menunjukkan glueline pada pelapukan, khususnya jika diperbesar oleh proses pelapukan (72).

Kayu lapis banyak mengalami perubahan yang dapat dilihat selama proses pelapukan. Perubahan ini dapat dijelaskan sesuai dengan urutan berikut (72):

(1) Pertama-tama terbentuk retakan besar yang biasanya berasal dari retakan kecil. Retakan ini melebar hingga mencapai batasnya.

(2) Retakan kecil terbentuk di permukaan selama tahap permulaan pelapukan.(3) Retakan kecil tersebut semakin dalam, lebar, dan semakin bertambah banyak

hingga sepenuhnya memisahkan sel individu dan bundel sel.(4) Partikel kayu yang terdegradasi yaitu, sel, bundel sel, dan material

terdegradasi, hilang melalui pencucian , volatilisasi, dan tindakan mekanik; permukaan kayu menjadi kasar dan berlubang dengan kenampakan yang berlubang-lubang.

(5) Bagian dengan kerapatan yang lebih rendah (earlywood) biasanya tererosi lebih cepat daripada bagian berkerapatan tinggi (latewood), sehingga memberikan kenampakan grain yang meningkat yang menjadi semakin jelas seiring berlangsungnya pelapukan (serupa dengan kayu utuh).

Karena earlywood dari spesies kayu lunak biasanya mengalami pelapukan dengan lebih cepat dari pada latewood dari spesies yang sama, maka pola grain dari permukaan lapisan menjadi sangat penting dalam penentuan tingkat pelapukan pada glueline. Gambar 18 mengilustrasikan irisan melintang dari pelapukan kayu lapis pada tahapan yang menunjukkan, earlywood yang mudah terlapuk pada permukaan lapisan telah tererosi meninggalkan lapisan latewood yang lebih padat. Diberikan empat pola grain yang mengilustrasikan dampaknya terhadap tingkat erosi. Tampaknya, glueline akan terlihat lebih cepat jika permukaan lapisan diambil dari pohon cepat tumbuh (Gambar 18C) atau jika mereka memiliki pola vertical-grain (Gambar 18D). Jika kondisi ini terjadi, pelapukan dapat berlangsung secara langsung pada glueline melalui sebuah jalur earlywood yang mudah terlapuk. Semakin tipis lapisan permukaan, semakin tinggi kemungkinan terjadinya situasi yang digambarkan dalam Gambar 18C.

Latewood juga tererosi melalui pelapukan. Tingkat erosinya lambat untuk sebagian besar spesies kayu lunak (Tabel IV). Namun, pada akhirnya lapisan permukaan kayu lapis yang tidak dilindungi akan tererosi, dengan tanpa menghiraukan pola grain spesies kayu.

Panel Produk yang Disusun Ulang. Sama seperti kayu lapis, tingkat keawetan dari panel produk seperti hardboard dan papan partikel (waferboard, flakeboard, chipboard, oriented strand board) terhadap pelapukan ruangan terbuka sangat bergantung pada spesies kayu dan jumlah serta karakteristik resin (pengikat, adhesive) yang digunakan dalam pembuatan papan (1, 73). Hardboard pada umumnya tidak pernah terbuka secara langsung terhadap pelapukan. Namun, sangatlah tidak umum bagi papan partikel untuk penggunaan di ruangan terbuka di mana lapisan luarnya mengalami pelapukan yang sangat besar dibandingkan dengan lapisan dalam. Sepanjang lapisan penutup bagian luarnya tetap menyatu, lapisan dalam tetap terlindungi dari unsur-unsur pelapukan. Jika lapisan luar dari papan yang terbuka mengalami deteriorasi dan terlepas, maka pengkerutan dan pengembangan lapisan bagian dalam akan dihasilkan dari perubahan kandungan air. Deteriorasi lapisan dalam yang dipercepat pada umumnya menghasilkan kehilangan kohesi, dan kerusakan papan pada pembebanan mekanik (1). Hanya dengan satu atau dua tahun pelapukan dapat menyebabkan kehilangan kekuatan dan peningkatan pengembangan secara nyata (74). Deteriorasi papan partikel selama pelapukan di ruangan terbuka terjadi karena kombinasi dampak dari umpan balik kompresi, deteriorasi resin, dan perbedaan pengkerutan dari partikel papan yang berdekatan selama terjadi perubahan kadar air. Resin fenolik sepertinya memberikan penampilan yang terbaik. Penelitian tambahan telah dilaporkan tentang dampak pelapukan ruangan terbuka secara alami dan pelapukan buatan terhadap keawetan dan kekuatan papan partikel dan material yang bersangkutan (1).

Pelapukan kayu yang dimodifikasi secara kimia

Modifikasi kimia kayu dapat memainkan peranan penting dalam pengendalian proses pelapukan alami. Beberapa penelitian tentang dampak modifikasi kimia kayu terhadap tingkat pelapukan dan penjelasan dari mekanisme degradasi ultra violet terhadap kayu yang telah dimodifikasi telah dilakukan (75, 76). Dilakukan perbandingan antara modifikasi kimia terhadap dinding sel kayu dengan butyl isocyanate atau butylene oxide, modifikasi pengisian lumen dengan metyl methacrylate, dan kombinasi modifikasi dinding sel dan modifikasi pengisian lumen dengan pinus selatan yang tidak dimodifikasi. Perubahan fisik, mikroskopis, dan kimia yang terjadi pada permukaan kayu setelah penyinaran ultra violet dalam lingkungan pelapukan yang dipercepat, dievaluasi untuk earlywood dan latewood. Dalam penelitian ini disertakan penyinaran ultra violet maupun kombinasi sinar ultra violet dan air.

Earlywood dan latewood pinus yang dimodifikasi secara kimia dengan butyl isocynate atau butylenes oxide tidak tahan terhadap dampak degradasi oleh sinar ultra violet. Terjadi deteriorasi permukaan, perubahan warna, dan sedikit kehilangan berat selama berlangsungnya pelapukan yang dipercepat (sinar ultra violet dan semprotan air). Pelapukan yang dipercepat menghasilkan sedikit erosi permukaan hingga air mencuci elemen kayu yang terdegradasi. Degradasi dan kehilangan latewood selama pelapukan yang dipercepat jauh lebih sedikit dibandingkan dengan earlywood. Hal ini dicirikan pula pada kayu yang tidak dimodifikasi. Erosi latewood lebih besar untuk kayu yang dimodifikasi dengan butylene oxide dibandingkan dengan modifikasi lainnya. Kehilangan berat meningkat secara nyata ketika produk degradasi lignin tercuci oleh air, dan modifikasi kimia tidak menurunkan kehilangan berat ini. Peningkatan stabilitas dimensional kayu dan penahanan gugus fenolic hydroxyl lignin tampaknya tidak cukup untuk menghentikan dampak degradasi sinar ultra violet yang ekstrim dalam proses pelapukan. Penyerap ultra violet atau panel yang terikat secara kimia mungkin diperlukan untuk melindungi permukaan kayu yang terbuka.

Modifikasi pengisian lumen dengan polimer methyl methacrylate mengurangi perluasan erosi. Tingkat erosi earlywood dan latewood dan kehilangan zat kayu selama pelapukan yang dipercepat menurun secara nyata jika dibandingkan dengan kayu yang dimodifikasi secara kimia maupun yang tidak dimodifikasi. Pada penyinaran ultra violet, meskipun dengan penyemprotan air, namun tingkat degradasi minimal. Polimer methyl methacrylate, polimer in situ dalam struktur kayu, dapat menurunkan penyerapan air dan menghambat pencucian produk degradasi kayu. Polimer tersebut merupakan material yang menyerupai perekat yang menahan serat kayu permukaan pada tempatnya meskipun perekat alami (lignin asli) pada permukaan kayu telah terdegradasi karena radiasi sinar ultra violet. Karena polimer methacrylate menahan serat yang kaya akan sellulosa pada permukaan kayu, maka serat tersebut dapat berfungsi untuk melindungi zat kayu di bawahnya.

Meskipun modifikasi kimia dengan butyl isocyanate atau butylene oxide tidak berhasil mengendalikan degradasi kayu karena radiasi sinar ultra violet, namun

kombinasi modifikasi kimia ini dengan modifikasi pengisian lumen dengan methyl methacrylate menghasilkan modifikasi kayu yang memiliki ketahanan yang bagus terhadap pelapukan yang dipercepat. Kombinasi pengisian lumen polimer dan perlakuan modifikasi dinding sel secara kimia memberikan stabilisasi dimensional yang secara nyata meningkatkan tingkat pelapukan. Kehilangan berat untuk kombinasi perlakuan secara kimia ini sekurangnya 50% lebih kecil dibandingkan dengan specimen yang dimodifikasi secara kimia, dan erosi kayu dan tingkat erosinya sangat rendah.

Aspek Kimia Reaksi Pelapukan

Sinar matahari, khususnya sinar ultra violet, merupakan faktor utama dari reaksi pelapukan. Dampak langsung dari interaksi kayu dengan sinar tersebut adalah terbentuknya radikal bebas pada permukaan yang terbuka (7, 19). Dengan berakhirnya dan distabilkannya radikal bebas yang bersifat labil, maka terbentuk gugus khromoforik dan auxochromic dan terjadi diskolorasi dan deteriorasi.

Kayu tidak mengandung radikal bebas intrinsik (77). Namun, kayu merupakan bahan penyerap cahaya yang bagus. Bahan ini segera berinteraksi dengan radiasi elektromagnetik dengan panjang gelombang sama dengan atau lebih pendek dari cahaya tampak dan terbentuklah berbagai type radikal bebas. Radikal bebas ini dapat dideteksi dengan spektroskop electron spin resonance (ESR) (77b). Sinyal ESR dari radikal bebas yang berasal dari kayu yang disinari dengan berbagai sumber cahaya yang berbeda, yaitu, cahaya fluorescent, sinar matahari, dan sinar ultra violet ditunjukkan dalam Gambar 19. Semakin pendek panjang gelombang dan semakin besar energi cahaya dari sinar ultra violet maka semakin banyak menghasilkan konsentrasi radikal bebas pada permukaan kayu. Nilai ini diikuti oleh sinar matahari dan cahaya fluorescent jika kayu disinari pada kondisi yang sama. Dengan mengabaikan sumber cahaya, radikal bebas yang terbentuk secara cepat berinteraksi dengan molekul oksigen untuk membentuk peroksida air yang sensitif terhadap panas dan cahaya melalui intermediate radikal peroksida air. Hal ini memiliki dampak yang buruk terhadap stabilitas kayu dalam menahan pelapukan (78). Peroksida air tidak murni yang terbentuk pada permukaan kayu dapat ditentukan dengan teknik spektrofotometri menggunakan metode iodometri dan triphenylphosphine (79, 80).

Gambar 19. Sinyal ESR radikal bebas kayu yang berasal dari kayu yang telah disinari dengan berbagai sumber cahaya pada 77 K selama 60 menit. Keterangan: a, sinar fluorescence; b, sinar matahari; dan c, sinar ultra violet

Reaksi radikal bebas dalam sellulosa dan hemisellulosa. Sensitifitas sellulosa terhadap cahaya telah dikenal selama hampir satu abad. Pada tahun 1883, Witz menunjukkan bahwa fotodegradasi sellulosa berlangsung secara kimiawi (81). Intermediate radikal bebas dihasilkan dalam sellulosa selama reaksi fotodegradasi, dan sebagian besar telah teridentifikasi (7). Tingkat fotodegradasi sellulosa dan hemisellulosa sangat tergantung pada intensitas dan distribusi energi cahaya. Pembentukan radikal bebas merupakan tanda dari permulaan degradasi polimer.

Sellulosa murni di dalam vakuola tidak dipengaruhi oleh radiasi cahaya dengan panjang gelombang lebih dari 340 nm, dan degradasi sellulosa oleh cahaya terbatas pada spektrum elektromagnetik yang sempit. Namun, dengan adanya udara (terutama oksigen), degradasi sellulosa dapat terjadi secara lambat ketika disinari cahaya dengan panjang gelombang lebih dari 340 nm. Jika sellulosa terkena sinar matahari, ikatan glycosidic terputus sehingga menyebabkan kehilangan kekuatan dan derajat polimerisasi. Pembentukan radikal bebas yang disebabkan oleh terputusnya rantai pada posisi C-1 dan C-4 dapat dideteksi menggunakan spektrofotometri ESR. Diskolorasi dan pembentukan peroksida air pada permukaan yang terbuka dapat dilihat dengan mudah.

Ketika sellulosa disinari dengan panjang gelombang lebih dari 280 nm, di samping pemutusan rantai, juga terjadi dehidrogenasi terutama pada posisi C-1 dan C-5. Dehidroksimetilasi yang disebabkan oleh pemutusan rantai sisi C-5 dan C-6 dari sellulosa dapat diamati ketika sellulosa disinari dengan panjang gelombang lebih dari 254 nm (82). Pembentukan radikal karbon , radikal alkoxy, radikal formyl, dan atom hidrogen pada sellulosa yang disinari dengan berbagai sumber cahaya yang berbeda dapat dideteksi menggunakan ESR. Tingkat degradasi dengan sumber cahaya yang berbeda dapat dievaluasi dengan perubahan viskositas, kehilangan derajat polimerisasi, dan kehilangan berat.

Pada umumnya, radikal alkoxy yang terbentuk pada sellulosa bersifat stabil jika dibandingkan dengan radikal karbon. Radikal karbon segera mengalami reaksi sekunder. Radikal karbon di dalam vakuola memiliki affinitas untuk rekombinasi dan pelepasan hidrogen sehingga menjadi lebih stabil dengan adanya oksigen, dan secara cepat berubah bentuk menjadi radikal peroksida air untuk menyusun peroksida air. Reaksi oksigenasi yang cepat ini lebih dipercepat lagi dengan adanya oksigen tereksitasi (83).

Meskipun sellulosa tidak sensitif terhadap sinar ultra violet dengan panjang gelombang lebih dari 340 nm, namun dengan adanya ion logam, khususnya ion besi, pewarna, dan bahan sensitif lainnya, dapat meningkatkan pembentukan radikal bebas meskipun sellulosa disinari dengan panjang gelombang lebih dari 340 nm (84). Selain panjang gelombang, faktor lainnya yang memiliki dampak nyata terhadap pembentukan radikal bebas dan tingkat degradasi adalah oksigen dan bahan sensitif, kelembaban dan tingkat kebasahan (85), dan morfologi (86a).

Reaksi Radikal Bebas pada Lignin. Model lignin konvensional memberikan gambaran yang luas dari gugus reaktif yang terdapat dalam lignin asli yang menjadikannya sebagai penyerap cahaya yang sangat bagus. Lignin memiliki puncak penyerapan pada 280 nm dengan ujungnya yang mencapai 400 nm lebih (Gambar 20). Gugus reaktif yang terdapat di dalam lignin terdiri dari eter dengan berbagai type, gugus hidroksil primer dan sekunder, gugus karbonil, dan gugus karboksil. Di samping itu juga terdapat sejumlah posisi aromatik dan fenolik lokasi teraktifasi yang mampu berinteraksi dengan cahaya untuk memulai reaksi berrantai radikal bebas. Karena rumitnya struktur lignin, maka sangat sulit untuk melakukan identifikasi lokasi radikal bebas yang terbentuk. Namun, dengan pemilihan model senyawa

secara hati-hati, dimungkinkan untuk melakukan penelitian rinci dari radikal bebas yang dipengaruhi oleh cahaya (7).

Gambar 20. Kurva penyerapan ultra violet untuk lignin

Beberapa fakta tentang reaksi fotokimia yang telah diperoleh dirangkum dalam uraian sebagai berikut:

(1) Lignin dengan mudah terdegradasi oleh cahaya dengan panjang gelombang lebih pendek dari 350 nm. Terlihat jelas terjadi pembentukan warna dari gugus kromoforik.

(2) Lignin tidak terdegradasi oleh cahaya yang lebih panjang dari 350 nm, namun terjadi pemudaran atau pemucatan lignin oleh cahaya yang dapat dilihat jika disinari dengan panjang gelombang lebih dari 400 nm.

(3) Terjadi penurunan kandungan methoxy lignin.

(4) Radikal phenoxy dihasilkan dengan cepat dari gugus hidroksi fenolik.

(5) Ikatan karbon–karbon yang berdekatan dengan gugus -carbonyl mengalami fotodissosiasi melalui reaksi Norrish Type I (86b).

(6) Reaksi Norrish Type I tidak berlangsung secara efisien pada senyawa tersebut dengan ikatan eter yang berdekatan dengan gugus -carbonyl. Fotodissosiasi terjadi pada ikatan eter.

(7) Senyawa dengan gugus benzoyl alcohol tidak peka terhadap fotodissosiasi kecuali jika terdapat fotosensitizer.

(8) Gugus -carbonyl berfungsi sebagai fotosensitizer dalam fotodegradasi lignin (7).

Karena adanya gugus hidroksi fenolik dan ikatan eter di dalam lignin, maka radikal phenoxy merupakan intermediate utama yang terbentuk dalam fotoradiasi lignin. Meskipun radikal phenoxy adalah intermediate yang agak stabil, tetapi radikal ini dapat tereksitasi oleh cahaya, atau berreaksi dengan oksigen sehingga menyebabkan demethylasi unit guaiacyl lignin untuk menghasilkan struktur o-quinonoid. Leary menduga bahwa o-qionone merupakan hasil akhir dari reaksi tersebut (87). Oleh karena itu, quinonoid yang terbentuk di dalam lignin sepertinya merupakan gugus kromoforik utama yang memberikan sumbangan terhadap diskolorasi lignin dan material kayu.

Karakteristik dan Reaksi Radikal Bebas dalam Kayu yang Terlapuk. Kayu, komponen serat kayu, dan lignin terisolasi mengandung radikal bebas yang dapat dideteksi menggunakan spektroskopi ESR (88, 89). Kayu hijau yang tidak disinari dengan kadar air 69% (di dalam ruangan hampa dan gelap) tidak memiliki kandungan radikal bebas. Radikal bebas dalam jumlah kecil kemungkinan dihasilkan dengan adanya oksigen, dan kebanyakan radikal bebas ini terbentuk di dalam kayu selama preparasi mekanik seperti halnya pada kayu yang mendapatkan radiasi elektromagnetik. Studi ESR menunjukkan bahwa kayu dengan cepat berreaksi

dengan sinar matahari, cahaya fluorescent, dan sinar ultra violet buatan untuk menghasilkan radikal bebas, baik dengan adanya udara maupun hampa (Gambar 21 dan 22). Radikal bebas yang lebih banyak terbentuk dalam ruang hampa daripada udara untuk seluruh sumber cahaya pada 77K. oksigen merupakan unsur obligator untuk mengaktifkan permukaan kayu untuk meningkatkan pembentukan radikal bebas ketika digunakan cahaya fluorescent pada suhu tetap. Pada seluruh sistem, radikal bebas yang terbentuk dalam ruang hampa memiliki masa tinggal yang lebih lama dibandingkan dengan radikal bebas yang terbentuk dengan adanya udara. Penambahan oksigen pada kayu yang diperlakukan dalam ruang hampa meningkatkan pembentukan radikal bebas; radikal peroxy segera terbentuk pada permukaan kayu. Radikal peroxy juga segera berreaksi untuk melengkapi valensinya yang kosong, yang dapat dilakukan dengan melepaskan sebuah proton dari molekul yang berdekatan untuk membentuk peroksida air. Peroksida air relatif tidak stabil terhadap panas dan cahaya, dan biasanya berubah bentuk menjadi gugus kromoforik baru, seperti gugus karbonil atau karboksil.

Gambar 21. Intensitas sinyal ESR (dicatat pada 77 K) dari kayu sebagai sebuah fungsi waktu penyinaran dan waktu penyimpanan pada temperatur tetap. Keterangan: 1, vac, kontrol; 2, vac, lampu fluorescent; 3, udara, kontrol; 4, udara, lampu fluorescent; 5, vac, sinar matahari; dan 6, udara, sinar matahari

Gambar 22. Intensitas sinyal ESR (dicatat pada 77 K) dari kayu sebagai fungsi dari waktu penyinaran ultra violet dan waktu penyimpanan pada temperatur tetap. Keterangan: 1, vac, UV, 77 K; 2, udara, UV, 77 K; 3, udara, UV, suhu ruang; dan 4, vac, UV, suhu ruang.

Dampak Air dan Kelembaban terhadap pembentukan dan Stabilitas Radikal Bebas. Air merupakan sebuah unsur penting dalam tingkat pelapukan kayu. Karena air merupakan cairan polar maka akan segera menembus dan mengembangkan dinding sel kayu. Molekul air dapat berinteraksi dengan radikal bebas yang dibentuk oleh cahaya. Untuk mempelajari pengaruh air pada reaktifitas radikal bebas, maka dipersiapkan beberapa kayu dengan kadar air yang berbeda dan disinari dengan cahaya fluorescent. Beberapa tingkat intensitas ESR, yang secara langsung bersesuaian dengan konsentrasi radikal bebas dapat diperoleh dari kayu tersebut. Intensitas ESR (baik dalam ruang hampa maupun udara) pada awalnya meningkat dengan meningkatnya kadar air dari 0—3,2%, dan mencapai puncak pada 6,3%. Pada kadar air 15,9%, terjadi penurunan intensitas secara nyata. Pada kadar air 31,4%, hanya sedikit sinyal yang dapat terdeteksi (Gambar 23). Dari sudut pandang stereotopokimia, peranan utama air adalah untuk membantu penetrasi cahaya ke dalam daerah yang dapat dijangkau dan untuk membuka daerah yang tidak terjangkau untuk penetrasi cahaya. Sehingga, lebih banyak radikal bebas yang terbentuk dalam daerah ini. Kelebihan molekul air kemungkinan menjebak radikal bebas untuk membentuk kompleks radikal bebas kayu–air.

Gambar 23. Perbandingan intensitas sinyal ESR (dilaksanakan di ruang hampa udara) radikal bebas dalam earlywood dengan kadar air yang berbeda.

Keterangan: SYP, southern yellow pine; WRC, western red cedar; DF, Douglas-fir; dan RW, redwood.

Partisipasi Singlet Oksigen dalam Proses Pelapukan. Di samping sinar matahari dan air, molekul oksigen merupakan salah satu elemen yang selalu ada di alam. Molekul oksigen ini memainkan peranan penting dalam berbagai proses fotofisika dan fotokimia. Kami telah menjelaskan bahwa oksigen merupakan unsur penting untuk mendorong pembentukan radikal bebas, dan kemungkinan bahwa peroksida tidak murni terbentuk karena interaksi radikal bebas dan molekul oksigen. Namun, tingkat oksidasi dari sebagian besar polimer biasanya sangat kecil tanpa adanya radiasi pada suhu yang sesuai. Percepatan tingkat reaksi dengan energi elektromagnetik kemungkinan disebabkan oleh pembentukan spesies oksigen yang tereksitasi. Bukti nyata yang ada menunjukkan bahwa reaksi fotooksidasi melibatkan oksigen singlet (1g dan 1g +) sebagai intermediate.

Kayu merupakan campuran polimer yang mengandung sellulosa, hemisellulosa, lignin, dan extractive. Komponen kayu ini mengandung unit kimia internal seperti karbonil, karboksil, aldehid, hidroksil fenolik, dan ikatan ganda tidak jenuh, dan unit eksternal seperti lilin, lemak, dan ion logam. Penyerapan energi cahaya oleh komponen-komponen ini dapat membawa mereka dalam kondisi triplet yang tereksitasi yang mentrasfer energi molekul oksigen triplet untuk membentuk oksigen singlet. Partisipasi oksigen singlet dalam fotooksidasi kayu terbukti dengan menggunakan generator oksigen singlet dan quencher oksigen singlet selama penyinaran. Studi iodometri menunjukkan bahwa peroksida air terbentuk dalam fotoradiasi kayu dengan adanya oksigen. Tingkat pembentukan peroksida air pada permukaan kayu meningkat jika ditambahkan larutan metilene blue dan rose bengal pada kayu sebelum penyinaran (Gambar 24). Radikal peroksida yang terlibat dalam interim dapat dideteksi menggunakan spektrofotometer ESR, yaitu, sebuah sinyal singlet asimetri yang terdeteksi dari radikal peroksida dengan rata-rata nilai-g 2,021 (g = 2,034; g|| = 2,007). Sebaliknya, jika digunakan quencher singlet seperti triethylamine dan 1,4-diazabicyclo[2.2.2]octane (DABCO) dengan kondisi percobaan yang sama, maka kandungan peroksida air menurun, meskipun terdapat rose bengal (gambar 25). Bukti ini mendukung teori bahwa oksigen singlet terbentuk selama fotoradiasi dan berinteraksi secara cepat dengan radikal bebas kayu untuk membentuk peroksida air. Karena ketidakstabilannya terhadap panas dan cahaya, peroksida air tersebut terurai secara cepat pada kondisi yang sesuai untuk menghasilkan gugus kromoforik, seperti gugus karbonil dan karboksil. Kelompok ini berperan dalam diskolorasi permukaan kayu.

Ringkasan dari Aspek Kimia Pelapukan. Deteriorasi material kayu pada pelapukan melibatkan reaksi yang kompleks. Penetrasi sinar ultra violet ke dalam kayu tidak lebih dalam dari 75 m. Namun, reaksi permukaan kayu yang disebabkan atau dipercepat oleh cahaya dapat diamati dengan diskolorasi, kehilangan kecerahan, dan perubahan tekstur permukaan setelah penyinaran ultra violet atau penyinaran matahari dalam waktu yang lama.

Spesies radikal bebas terbentuk pada kayu oleh cahaya. Radikal ini secara cepat berinteraksi dengan oksigen untuk membentuk peroksida air tidak murni yang mudah terurai sehingga menghasilkan gugus kromoforik seperti karbonil dan karboksil. Penggunaan generator oksigen singlet, seperti rose Bengal dan metilene blue, begitu juga dengan quencher oksigen singlet seperti 1,4-diazabicyclo[2.2.2]octane dan triethylamine, menunjukkan partisipasi oksigen singlet sebagai intermediate yang effektif dalam reaksi fotooksidasi pada permukaan kayu. Keberadaan air pada kayu juga mempengaruhi tingkat pembentukan radikal bebas. Jika kadar air kayu meningkat dari 0—6,3%, maka terbentuk lebih banyak radikal bebas; di luar tahapan ini, tingkat penguraian radikal meningkat. Studi infra merah menunjukkan bahwa gugus karbonil terbentuk di dalam sellulosa dan lignin. Fraksi terlarut dalam air dari kayu yang terdegradasi menunjukkan karakteristik penyerapan fenolik yang disebabkan oleh kehilangan lignin. Studi ESCA menunjukkan bahwa permukaan kayu yang teroksidasi memiliki kadar oksigen yang lebih tinggi dari pada permukaan kayu yang tidak terbuka. Sebuah bagan mekanisme umum, yang mampu untuk memperhitungkan pelapukan, atau fotooksidasi yang lebih umum, dari permukaan kayu, diilustrasikan dalam Gambar 26. Reaksi berrantai radikal bebas dengan adanya oksigen dan cahaya menyebabkan diskolorasi dan deteriorasi permukaan kayu.

Gambar 26. Mekanisme fotodegradasi kayu

Perlindungan Terhadap Pelapukan

Cat atau pelapis kayu lainnya pada kayu (vernis) yang digunakan dalam ruangan dapat melindungi dan bertahan hingga beberapa dasawarsa tanpa pengecatan ulang. Pelapisan dalam ruangan relatif tidak mempengaruhi sifat kayu. Namun, ketahanan pelapisan (cat) pada kayu yang diletakkan di luar ruangan terhadap proses pelapukan alami pertama-tama tergantung pada kayu itu sendiri. Sifat kayu yang penting dalam pelapisan adalah kadar air; kerapatan dan tekstur; kadar resin dan minyak; lebar dan arah lingkaran pertumbuhan; dan cacat seperti simpul, kayu reaksi, dan kayu yang terinfeksi cendawan. Faktor lainnya yang berpengaruh adalah sifat dan kualitas pelapis yang digunakan, teknik aplikasi, pra-perlakuan, waktu antara pelapisan ulang, luas permukaan yang dilindungi dari pelapukan, dan kondisi iklim dan cuaca lokal.

Fungsi utama dari pelapisan kayu adalah untuk melindungi permukaan kayu dari unsur pelapukan alami (sinar matahari dan air) dan membantu mempertahankan kenampakannya. Jika kenampakan bukan menjadi masalah, kayu dapat dibiarkan tidak dilapisi untuk terlapuk secara alami, dan kayu tersebut akan mempertahankan strukturnya dalam jangka waktu yang lama (1, 2, 54). Berbagai pelapis yang berbeda memberikan tingkat perlindungan yang berbeda terhadap pelapukan (96, 97).

Perlakuan permukaan memberikan perlindungan terhadap cahaya dan air dan akan dipengaruhi oleh ketahanan agen pengikat pada pelapis (minyak kering, resin sintetis, lateks, dsb.) terhadap cuaca. Agen pengikat ini mendapatkan fotodegradasi dengan berbagai tingkatan yang berbeda. Mekanisme kerusakan cat dan pelapis lainnya telah dijelaskan (93, 100) dan tidak akan dibahas lebih lanjut. Kayu yang berada di

ruangan terbuka terlindungi dari dampak pelapukan dengan berbagai pelapis, kegiatan konstruksi, dan faktor rancangan (2, 11, 96, 97, 101, 102).

Dua type dasar pelapis (atau perlakuan) digunakan untuk melindungi permukaan kayu selama pelapukan ruangan terbuka; yaitu pelapis yang membentuk sebuah film, lapisan, atau mantel pada permukaan kayu, dan pelapis yang menembus permukaan kayu sehingga tidak meninggalkan lapisan atau mantel yang berbeda. Material yang membentuk film meliputi cat dengan seluruh bentuknya, vernis, lacquer, dan juga penutup yang terikat pada permukaan kayu. Pelapis type penetrasi meliputi preservative, water repellent, pigmen pewarna semitransparan, dan perlakuan kimia.

Pelapis yang membentuk film. CAT. Dari semua pelapis, cat paling bagus melindungi kayu dari erosi oleh pelapukan dan menawarkan banyak pilihan warna. Sebuah cat film tidak berpori dapat menghambat penetrasi air, sehingga mengurangi masalah diskolorasi cat oleh ekstraktif kayu, pengelupasan dan retakan cat, dan perubahan bentuk kayu (98, 99). Pigmen yang tepat secara effektif dapat menurunkan fotodegradasi permukaan kayu. Namun, cat, bukan merupakan preservative (bahan pengawet); bahan ini tidak mampu menghambat pembusukan jika kondisinya sesuai untuk pertumbuhan cendawan. Ketahanan pelapisan cat terhadap kayu eksterior dipengaruhi oleh beberapa variabel pada permukaan kayu, air, dan jenis cat.

Cat pada umumnya dikelompokkan ke dalam cat berbasis minyak atau sistem solvent, dan lateks atau sistem pendukung air (waterborne) (93, 103). Cat yang berbasis minyak (atau alkyd) pada dasarnya merupakan suspensi dari pigmen anorganik dalam sebuah medium oleoresin yang mengikat partikel pigmen dan merupakan agen pengikat pada permukaan kayu. Cat lateks merupakan suspensi pigmen anorganik dan berbagai resin lateks di dalam air. Resin lateks acrylic merupakan bahan yang tahan lama, dan multiguna untuk pelapisan kayu dan material yang berhubungan dengan kayu.

VERNIS. Kenampakan alami kayu dapat diperoleh dengan menggunakan vernis atau lacquer yang jernih. Perlakuan lainnya mengubah warna atau menutupi seluruh kayu. Sayangnya, vernis jernih yang digunakan pada kayu yang terkena sinar matahari dan hujan memerlukan pemeliharaan rutin untuk mempertahankan kenampakannya secara memuaskan. Ketahanan vernis pada kayu terbuka sangat terbatas dan diperlukan lapisan tambahan untuk mendapatkan kenampakan yang memuaskan. Pemeliharaan permukaan vernis harus segera dilaksanakan begitu muncul tanda-tanda kerusakan. Kemungkinan selama satu tahun pada tingkat penyinaran tinggi. Lacquer dan shellac biasanya tidak sesuai sebagai vernis kayu eksterior karena film mereka yang agak rapuh dan memiliki sensitifitas terhadap air dan mudah retak atau pecah.

Penambahan bahan penyerap sinar ultra violet yang tidak berwarna pada pelapis hanya sedikit membantu mempertahankan warna alami dan struktur permukaan kayu asli (1, 18, 104—108). Pigmen buram yang terdapat di dalam cat dan pewarna pada umumnya memberikan perlindungan yang paling effektif dan tahan lama terhadap cahaya (1, 42, 109—111). Meskipun menggunakan vernis resin sintetis yang relatif

lebih tahan lama dan jelas, namun kualitas ketahanan terhadap pelapukan pada sistem kayu—vernis masih sangat terbatas karena sinar ultra violet mampu menembus film vernis transparan dan secara bertahap terjadi degradasi kayu di bawahnya (21, 112, 113). Cepat atau lambat, vernis tersebut mulai mengelupas dan pecah, dengan membawa serat kayu yang telah terdegradasi secara fotokimia (51, 60, 114).

Telah dilakukan penelitian untuk menduga tingkat keawetan pelapis bening pada kayu dari sifat dasar (115, 116) dan diberikan ulasan tentang hubungan antara komposisi, penyerapan air, permeabilitas uap air, tensile strength, dan pemuaian. Regresi tunggal dan berganda digunakan untuk menentukan hubungan nyata dari sifat yang berbeda dalam penentuan tingkat keawetan jika dibiarkan di ruangan terbuka. Keawetan fenolik dan alkyd bening dapat diduga dari sifat penyerapan air dan permeabilitas. Tensile strength dan sifat mekanik kurang begitu penting.

Pelapis dengan penetrasi. WATER REPELLENT. Sebagian besar kerusakan yang terjadi pada pengerjaan kayu eksterior (pengelupasan cat, deformasi, penguraian, kebocoran, dsb.) merupakan akibat langsung dari perubahan kadar air di dalam kayu dan ketidakstabilan dimensional (1, 11, 117—123). Hal ini dibahas secara rinci pada bagian dampak air. Biasanya air masuk ke dalam kayu melalui rongga atau retakan yang terbuka, permukaan ujung grain yang tidak tertutup, dan pengelupasan pada perlakuan permukaan. Meskipun dampak negatif tersebut dapat di tahan, atau setidaknya dikurangi, melalui rancangan yang sesuai atau pemilihan material yang tepat, namun masih sangat sulit untuk menghentikan munculnya pengelupasan atau retakan di mana kayu dibiarkan terbuka dalam waktu yang lama. Bahkan kualitas pelapisan sering kali kehilangan kualitas perlindungannya karena tidak dapat mentolerir stress dan strain dari pengkerutan dan pengembangan, khususnya di sekitar sambungan. Cepat atau lambat pelapisan tersebut akan terlepas.

Karena masalah-masalah ini, kayu yang diletakkan di ruangan terbuka harus diberikan perlakuan perlindungan yang bersifat kedap air dan tahan air terhadap pembusukan cendawan. Perlakuan tersebut dapat digunakan sebagai pelapis itu sendiri atau sebelum dilakukan pelapisan akhir. Material yang dibentuk untuk tujuan tersebut dikenal dengan water repellent preservative (WRP). Pada umumnya, material ini terdiri dari resin (10—20%), solvent, lilin (bahan kedap air), dan preservative [biasanya pentachlorophenol, tetapi yang lainnya seperti bis(tri-n-butyltin) oxide, cooper naphthenate, zinc naphthenate, dan cooper 8-quinolinolate juga dapat digunakan] (1, 11, 118—120).

Banyak informasi yang telah dikumpulkan tentang efektifitas WRP dalam melindungi kayu eksterior (1, 117—119, 121, 122, 124—129). Perlakuan tersebut dapat diterapkan dengan peresapan vakum, pencelupan (banyak digunakan), dengan sikat, atau melalui penyemprotan. Perlakuan ini mampu meningkatkan mutu dari berbagai pelapisan yang digunakan setelahnya dan sangat meningkatkan keawetan kayu. Bahkan papan chip atau papan partikel, yang sangat peka terhadap air, dapat terlindungi dengan lebih effektif terhadap pelapukan ruangan terbuka dengan menggunakan pra perlakuan WRP yang dilanjutkan dengan pelapisan yang tahan diffusi (126, 130—133).

Perlakuan WRP memberikan kemampuan pada kayu untuk menahan air, sehingga menghambat air yang dibutuhkan oleh cendawan dan lumut untuk kehidupannya. Permukaan kayu yang terbebas dari cendawan tetap menunjukkan kenampakan alaminya yang menarik. WRP menurunkan kerusakan kayu akibat air dan membantu melindungi cat yang digunakan dari panas terik, pengelupasan, dan pecah-pecah, yang sering kali terjadi jika banyak air yang memasuki kayu.

WRP biasanya mengandung fungisida sebagai bahan pengawet yang mampu mematikan jamur permukaan yang tumbuh pada kayu. Pada berbagai medium dengan tingkat bahaya pembusukan yang rendah, bahan pengawet tidak dibutuhkan bagi keberhasilan karakteristik kedap air (122). Oleh karena itu, pembatasan air dari kayu merupakan hal yang sangat penting dalam peningkatan keawetan kayu (117).

BAHAN PEWARNA. Jika pigmen ditambahkan pada bahan kedap air atau larutan WRP atau serupa dengan penetrasi pelapis kayu transparan, maka campuran tersebut dikelompokkan sebagai pigmented penetrating stain (1, 2, 124, 134). Penambahan pigmen memberikan warna dan sangat meningkatkan keawetan pelapis tersebut karena sinar ultra violet dapat ditahan. Bahan pewarna semitransparan ini memungkinkan terlihatnya urat kayu; bahan ini menembus kayu hingga beberapa derajat tanpa membentuk pemutusan, lapisan yang bersinambungan. Sehingga, tidak akan melepuh atau mengelupas meskipun banyak air yang memasuki kayu. Keawetan beberapa sistem pewarna merupakan fungsi dari kadar pigmen, resin, preservative, penahan air, dan kualitas bahan yang digunakan pada permukaan kayu. Kenampakannya selama berada di ruangan terbuka telah banyak menarik perhatian (1, 69, 71, 124, 134—137).

Penetrasi pewarna cocok digunakan baik pada permukaan halus maupun kasar; namun, kenampakannya meningkat tajam jika diterapkan pada kayu gergajian, terlapuk dan bertekstur kasar (1, 69, 99, 124, 134, 138) karena lebih banyak bahan yang dapat digunakan pada permukaan tersebut. Bahan ini khususnya effektif pada lumber dan kayu lapis yang tidak mampu mengikat cat dengan baik, seperti permukaan dengan grain rata dan terlapuk, atau spesies padat. Penetrasi pewarna dapat digunakan secara effektif pada pelapis permukaan eksterior seperti siding, trim, deck terbuka, dan pagar. Pewarna dapat dipersiapkan dari sistem resin berbasis solvent maupun dari sistem lateks; namun, sistem lateks tidak mampu menembus permukaan kayu. Pelapis komersial yang dikenal dengan heavy-bodied, solid-color, atau pewarna buram juga tersedia, namun produk ini pada dasarnya serupa dengan cat karena karakteristiknya yang membentuk film. Pewarna tersebut menunjukkan tingkat keberhasilan yang tinggi jika diterapkan pada produk panel dan permukaan bertekstur seperti hardboard. Bahan ini dapat berbasis minyak atau berbasis lateks (lihat juga “Pelapis Kayu Alami”).

PRESERVATIVE. Meskipun secara umum tidak dikelompokkan sebagai pelapis kayu, namun preservative pada kayu memberikan perlindungan terhadap pelapukan dan pembusukan, dan banyak sekali kayu yang diberi perlakuan dengan preservative dibiarkan tanpa diberi tambahan pelapis. Terdapat tiga type preservative utama: (1) preservative minyak (misalnya, coal-tar creosote), (2) larutan solvent organik

(misalnya, pentachlorophenol), dan (3) garam waterborne (misalnya, chromated cooper arsenate) (2). Preservative ini dapat diterapkan dengan berbagai cara, tetapi perlakuan dengan tekanan memberikan perlindungan terbesar terhadap pembusukan. Kadar preservative yang lebih tinggi dari kayu yang diberi perlakuan tekanan biasanya memberikan ketahanan yang lebih besar terhadap pelapukan dan meningkatkan keawetan permukaan. Preservative yang mengandung chromium juga melindungi terhadap degradasi sinar ultra violet (1, 138, 139).

PERLAKUAN PERMUKAAN. Bahan kimia anorganik tertentu (khususnya senyawa chromium hexavalent), jika diterapkan sebagai larutan air pada permukaan kayu, akan memberikan keuntungan sebagai berikut (70, 135, 139—141): (1) menghambat degradasi permukaan kayu oleh radiasi sinar ultra violet; (2) meningkatkan keawetan pelapis polimer transparan; (3) meningkatkan keawetan cat dan pewarna; (4) meningkatkan stabilitas dimensional permukaan kayu; (6) berfungsi tanpa perlakuan tambahan sebagai pelapis alami kayu; dan (7) mengatur extractive terlarut dalam air pada kayu seperti kayu merah dan cedar, dengan cara meminimalkan pewarnaan dari cat lateks yang digunakan.

Perlakuan yang paling berhasil adalah yang menggunakan bahan kimia yang mengandung chromium trioxide (chromic acid, chromic anhydride), cooper chromate (campuran garam tembaga terlarut dan khromat terlarut), atau larutan ammoniacal. Hasil yang memuaskan diperoleh dengan menggunakan senyawa yang mengandung seng (142). Sell et al. (143) menjelaskan perlakuan permukaan dengan garam chromium – tembaga – boron. Uji pelapukan lapang, uji pencucian, dan mikroanalisis electron–probe menunjukkan bahwa perlakuan ini tahan terhadap pencucian dan pelapukan.

Telah dilaporkan tingkat keawetan pelapisan dari kayu pinus dengan perlakuan organolead yang dibiarkan berada di ruangan terbuka (144). Terlihat adanya peningkatan keawetan secara nyata pada cat vinyl–acrylic lateks dan alkyd pada kayu. Peningkatan keawetan tampaknya tidak dipengaruhi oleh type atau konsentrasi senyawa organolead.

Peranan chromium dalam perlakuan kayu telah dijelaskan secara rinci (145—148). Telah dilakukan penelitian terhadap tingkat ketahanan kayu terhadap air, hubungan silang lignin, kinetika reaksi, dan perilaku kinetic kayu.

Williams dan Feist (149) menjelaskan penggunaan teknik elektron ESCA untuk mengevaluasi permukaan kayu dan sellulosa yang telah dimodifikasi dengan perlakuan larutan chromium trioxide. Data ESCA menunjukkan setidaknya 80% reduksi Cr(IV) menjadi Cr(III) pada seluruh substrat. Percobaan pencucian menunjukkan reduksi ini pada kompleks chromium yang sangat tidak terlarut dalam air baik pada kayu maupun kertas saring (sellulosa). Hasil oksidasi yang serupa terlihat pada kayu dan kertas saring. Percobaan ini menunjukkan bahwa interaksi chromium—sellulosa dan chromium—lignin terlibat di dalam mekanisme stabilisasi chromium(IV) permukaan pada permukaan kayu.

Jika kayu diberi perlakuan dengan larutan chromic acid 0,1%, maka akan diperoleh dampak perlindungan pada permukaan transversal setelah 500 jam penyinaran ultra violet (Gambar 27) (68). Meskipun terlihat adanya microditch longitudinal pada zone lamella tengah dari kayu yang diberi perlakuan chromic acid, namun sangat kecil terjadi deteriorasi dinding sel, dan microditch tersebut lebih sempit dibandingkan dengan kayu yang tidak diberi perlakuan. Tingkat perlindungan secara langsung proporsional terhadap konsentrasi chromic acid yang digunakan dalam perlakuan. Jika kayu diberi perlakuan dengan larutan chromic acid 5 dan 10%, sebagian besar dinding sel dapat terlindungi dengan baik (Gambar 28 dan 29). Dinding sel terlihat sangat tahan terhadap fotodeteriorasi; hanya sedikit rongga yang timbul pada sudut sel setelah penyinaran selama 1000 jam. Untuk sebagian besar daerah, daerah lamella tengah tetap terjaga.

Gambar 27. Irisan melintang pinus kuning dengan perlakuan 0,1 % larutan chromic acid setelah penyinaran ultra violet selama 500 jam (700 ).

Gambar 28. Irisan melintang pinus kuning dengan perlakuan 5 % larutan chromic acid setelah penyinaran ultra violet selama 500 jam (700 ).

Gambar 29. Irisan melintang pinus kuning dengan perlakuan 10 % larutan chromic acid setelah penyinaran ultra violet selama 500 jam (700 ).

Gambar 30. Microchek dinding sel pinus kuning dengan perlakuan 10 % larutan chromic acid setelah penyinaran ultra violet selama 1000 jam (700 ).

Secara normal, ferric chloride adalah agen oksidatif yang sangat kuat untuk tekstil sellulosa (150); namun, dampak perlindungan terhadap cahaya dapat terlihat pada kayu yang diberi perlakuan dengan larutan ferric chloride serupa dengan perlakuan chromic acid. Dampak perlindungan terhadap cahaya dari ferric chloride juga terlihat pada serat pulp thermomekanik (151).

Dampak perlindungan dari perlakuan chromic acid dan ferric chloride terhadap degradasi permukaan juga terlihat pada permukaan radial. Terlihat adanya pengawetan pit sederhana maupun bertepi pada kayu yang diberi perlakuan dengan garam anorganik ini. Pada perlakuan chromic acid dengan konsentrasi 10%, struktur pit mampu mempertahankan sebagian besar bentuk aslinya setelah penyinaran ultra violet selama 1000 jam. Terlihat munculnya microcheck diagonal melintasi pit bertepi dalam dinding radial tracheid (Gambar 30).

Permukaan tangensial kayu yang diberi maupun tidak diberi perlakuan lebih tahan terhadap fotodegradasi. Sangat sedikit microcheck yang terlihat

Pelapis Kayu Alami

Beberapa pelapis kayu yang sering kali digunakan disebut dengan pelapis kayu untuk kayu. Setiap sistem pelapisan menawarkan berbagai keuntungan dan kerugian. Sistem ini dapat dikelompokkan sebagai pelapis yang membentuk film atau penetrasi. Pelapis dengan penetrasi dapat dibagi lagi menjadi pelapis transparan, semitransparan, dan garam dalam air seperti yang telah dijelaskan sebelumnya. Pelapis alami yang paling sederhana, yang disediakan oleh alam, adalah proses pelapukan.

Pembentuk film. Vernis merupakan bahan pembentuk film transparan utama yang digunakan untuk pelapis kayu secara alami, dan sangat meningkatkan kecantikan alami kayu. Varnish akan kehilangan ketahanan eksteriornya jika tidak dilindungi dari sinar matahari secara langsung. Pelapisan vernis pada kayu yang diletakkan di ruangan terbuka tanpa perlindungan biasanya akan memerlukan pelapisan ulang setiap 1—2 tahun.

Penetrasi. Pelapis dengan penetrasi merupakan klasifikasi kedua dari pelapis kayu alami. Pelapis ini tidak membentuk film pada permukaan kayu.

TRANSPARAN. Water-repellent Preservative (WRP) merupakan sistem pelapis alami dengan penetrasi transparan yang sangat penting. Perlakuan permukaan kayu dengan WRP akan melindungi kayu yang berada di ruangan terbuka dengan sedikit perubahan dalam penampilannya. Pada kebanyakan spesies kayu dapat diperoleh warna keemasan yang jernih. Perlakuan ini mengurangi pengelupasan dan retakan, mencegah penodaan air pada batas dan ujung sisi kayu, dan membantu mengendalikan pertumbuhan jamur. Aplikasi pertama dengan WRP dapat melindungi permukaan kayu yang terbuka hanya selama 1—2 tahun, tetapi pengulangan berikutnya dapat bertahan sampai 2—4 tahun karena papan yang terlapuk menyerap pelapis lebih banyak.

SEMITRANSPARAN. Pewarna semitransaparan berbasis minyak ini merupakan pelapis kayu alami (penetrasi) yang kedua. Pelapis warna ini memberikan penampilan yang kurang alami karena mengandung pigmen yang sebagian menyembunyikan grain dan warna kayu aslinya. Bahan ini jauh lebih tahan lama daripada vernis atau WRP, dan memberikan lebih banyak perlindungan terhadap pelapukan. Dengan sistem pewarna ini, pelapukan diperlambat dengan menghambat pergantian pembasahan dan pengeringan kayu dan dengan adanya pigmen pada permukaan kayu mampu meminimalkan dampak degradasi sinar matahari. Jumlah pigmen pada pewarna semitransparan sangat bervariasi, dan memiliki tingkat perlindungan yang berbeda terhadap sinar matahari, dan diperoleh penutupan penampilan asli permukaan kayu.

Pewarna lateks juga dideskripsikan sebagai semitransparan. Pelapis berpigmen ini pada umumnya tidak melakukan penetrasi dan mempertahankan tekstur permukaan kayu tetapi sering kali merusak warna kayu yang alami.

GARAM DALAM AIR. Garam anorganik yang terlarut dalam air merupakan kelompok khusus dari pelapis dengan penetrasi. Perlakuan permukaan ini menghasilkan pelapisan yang serupa dengan pelapis semitransparan karena mengubah warna kayu dan meninggalkan deposit permukaan dari material yang sama dengan pigmen yang ditemukan dalam pewarna semitransparan.

Pewarna buram. Pewarna buram adalah kelompok lain dari pelapis yang kadang-kadang secara tidak tepat dideskripsikan sebagai pelapis kayu alami. Pelapis ini memiliki kandungan pigmen yang tinggi dan sepenuhnya menutupi warna dan sosok kayu. Tekstur permukaan tetap terpelihara dan pelapisan ini menghasilkan penampilan yang datar. Bahan ini sangat melindungi kayu terhadap degradasi sinar

ultra violet, tetapi lebih cenderung menyerupai cat karena tidak menembus permukaan kayu.

Perlindungan Material Berbahan Dasar Kayu

Produk panel berbahan dasar kayu untuk aplikasi eksterior sering kali memerlukan pelapis khusus dan pengerjaan yang khusus pula (1, 69, 71, 74, 96). Sering kali diperlukan pra-perlakuan dan perlakuan tambahan.

Perlindungan panel produk eksterior (khususnya papan partikel) dengan pelapisan permukaan, perlakuan dan penutupan, dan kenampakan pelapukan berikutnya, telah banyak mendapatkan perhatian khusus (1, 11, 74, 133, 153—155, 157—159). Papan yang dicat atau ditutup jauh lebih tahan lama dibandingkan dengan papan tanpa perlakuan. Penambahan lilin sebagai penahan air memberikan penampilan papan yang lebih bagus, tetapi tidak melindungi terhadap uap air (1, 11, 74).

Percobaan pelapukan ruangan terbuka dengan perlakuan permukaan yang berbeda menunjukkan bahwa persyaratan yang paling penting untuk perlindungan jangka panjang adalah kualitas pelapis dan perlindungan tepi papan terhadap air (1, 11). Ukuran konstruksi komplementer diperlukan untuk penampilan yang baik, dan pada umumnya, penahanan air dan penyegelan permukaan kayu sangat penting. Di atas nilai minimum, gradien diffusi uap air dari pelapisan hanya berada pada tingkat kepentingan yang kedua. Kondisi visual papan dan ketebalan pengembangan merupakan kriteria terbaik untuk mengevaluasi dampak perlindungan perlakuan permukaan. Stabilitas permukaan merupakan salah satu dari kriteria yang paling penting dalam pemeliharaan pelapisan dan mempertahankan perlindungan dan penampilan yang memuaskan.

Penelitian tentang pelapisan eksterior pada kayu lapis dan panel komposit kayu lapis meliputi formulasi pelapisan dan pengujian yang dipercepat (1, 69, 71, 136, 158—162).

Interaksi Kayu—Pelapisan

Banyak penelitian yang memberikan kontribusi terhadap pemahaman menyeluruh tentang interaksi kayu—pelapisan (1, 13—15, 19, 60, 106). Beberapa penelitian menggunakan adhesive yang memiliki interaksi yang serupa dengan pelapisan. Schneider (163) mengulas berbagai penelitian awal (sebelum tahun 1970) yang berhubungan dengan interaksi kayu—pelapisan. Dia menyimpulkan bahwa meskipun terdapat beberapa bukti nyata tentang karakteristik interaksi kayu-pelapisan, namun banyak yang masih merupakan spekulasi dan teori yang belum dicoba. Penelitian selanjutnya oleh Schneider (1964—1968) menggunakan mikroskop elektron, mikroskop fluorescence, teknik kromatografi pyrolysis gas-liquid yang sesuai dengan penetrasi pelapisan dalam kayu.

Mikroskop elektron dan teknik analisis penyebaran energi sinar X digunakan untuk menguji distribusi dan lokasi dari komponen bahan pengawet berbasis air yang digunakan pada kayu. Selanjutnya, terlihat adanya penetrasi anion tertentu ke dalam

dinding sel dengan kation yang tersisa dalam lumen sel; pigmen besi oksida sepenuhnya mengendap pada permukaan kayu.

Rangkuman dan Pertimbangan Masa Depan

Semua material kayu sensitif terhadap pelapukan ruangan terbuka. Kayu yang berada di ruangan terbuka tanpa diberikan perlindungan akan mengalami; fotodegradasi oleh sinar ultra violet; pencucian, hidrolisis, dan pengembangan oleh air; dan diskolorasi serta degradasi oleh mikroorganisme pengurai. Permukaan kayu tanpa pelapisan yang mendapatkan pelapukan mengalami perubahan warna, diperkasar lagi oleh fotosegradasi dan peretakan permukaan, dan kemudian tererosi. Meskipun perubahan fisik demikian juga dengan perubahan kimia yang terjadi disebabkan oleh pelapukan, namun perubahan ini hanya mempengaruhi permukaan kayu yang terbuka.

Sinar ultra violet tidak mampu menembus kayu lebih dalam dari 75 m, dan cahaya tampak tidak lebih dari 200 m. Terjadi kehilangan kecerahan dan warna secara cepat jika kayu disinari dengan ultra violet atau sinar matahari di ruangan terbuka. Penelitian SEM menunjukkan bahwa sebagian besar dinding sel pada permukaan melintang yang terbuka terpisah pada daerah lamella tengah. Pit bertepi dan setengah bertepi pada permukaan radial yang terbuka sangat terdegradasi oleh sinar ultra violet.

Radikal bebas terbentuk pada permukaan kayu selama penyinaran. Tingkat pembentukan radikal bebas semakin tinggi jika kadar air meningkat dari 0 menjadi 6,3%. Penelitian dengan electron spin resonance (resonansi putaran elektron) dan ultra violet tentang perilaku radikal bebas yang terbentuk dan interaksinya dengan molekul oksigen untuk membentuk peroksida air menunjukkan bahwa radikal bebas oksigen singlet memainkan peranan penting dalam reaksi diskolorasi dan deteriorasi permukaan kayu.

Kayu yang mengalami pelapukan dapat dilindungi dengan cat, pewarna, dan material yang serupa. Cat memberikan lebih banyak perlindungan permukaan kayu yang terbuka karena cat pada umumnya tahan terhadap dampak degradatif dari sinar ultra violet dan melindungi kayu pada berbagai tingkatan terhadap air. Penampilan cat sangat bervariasi pada berbagai kayu yang berbeda. Pewarna berpigmen juga memberikan pelapisan yang tahan lama untuk kayu yang diletakkan di ruangan terbuka. Pra-perlakuan seperti WRP atau bahan kimia anorganik tertentu (senyawa chromium) dapat meningkatkan penampilan pelapisan secara nyata jika diaplikasikan pada kayu yang sudah diberi perlakuan.

Beberapa aspek pelapukan kayu tidak sepenuhnya dipahami. Sebuah pemahaman yang menyeluruh tentang mekanisme yang terlibat dalam pelapukan ruangan terbuka akan memungkinkan pengembangan pelapisan dan pra-perlakuan baru yang akan sangat meningkatkan keawetan. Pertukaran substrat kayu dengan spesies yang sebelumnya belum digunakan dan kombinasi adhesive—kayu yang baru menunjukkan peningkatan frekuensi, memberikan tantangan yang menarik terhadap pelapis kayu modern. Diperlukan sebuah penelitian rinci dari berbagai interaksi yang

mempengaruhi penampilan material yang berasal dari kayu untuk memberikan perlindungan yang sesuai bagi produk ini jika digunakan di ruangan terbuka.

Teknik dan peralatan terbaru untuk penelitian permukaan kayu seperti Fourier transform IR spectroscopy, spektroskop elektron untuk analisis kimia, dan elektron spin resonance spectroscopy, dapat memberikan sebuah pendekatan yang tepat terhadap proses pelapukan baik pada substrat kayu berpelapis maupun tidak berpelapis. Penggunaan teknik ini akan memberikan kajian yang mendalam dari interaksi perlakuan permukaan kayu dan nilai dari interaksi ini terhadap penampilan akhir.

Pemahaman tentang peranan modifikasi kimia pada kayu dan permukaan kayu dalam pengendalian proses pelapukan ruangan terbuka sangat penting untuk penggunaan kayu di ruangan terbuka pada masa yang akan datang. Peranan modifikasi akan semakin besar seiring dengan meningkatnya permintaan produk berbahan dasar kayu yang terbaru. Masa depan dari modifikasi tersebut tergantung pada peningkatan mutu produk akhir. Bahan kimia yang terikat secara permanen yang memberikan stabilisasi ultra violet, pengendalian warna, ketahanan air, dan stabilitas dimensional dapat meningkatkan penampilan di ruangan terbuka secara nyata.