Wood Handbook: Wood as an Engineering Material/id

Sifat berserat kayu sangat memengaruhi cara penggunaannya. Secara spesifik, kayu sebagian besar terdiri dari sel-sel berongga, memanjang, dan berbentuk gelendong yang tersusun sejajar satu sama lain di sepanjang batang pohon. Ketika kayu dipotong dari pohon, karakteristik sel-sel berserat ini dan susunannya memengaruhi sifat-sifat seperti kekuatan dan penyusutan, serta serat dan pola kayu.

Bab ini memberikan uraian singkat mengenai beberapa elemen struktur anatomi.

Gambar 1 menunjukkan penampang melintang batang pohon ek putih. Label-label tersebut mewakili: A, Lapisan kambium (mikroskopis) berada di dalam kulit kayu bagian dalam dan membentuk sel-sel kayu dan kulit kayu. B, Kulit kayu bagian dalam lembap, lunak, dan mengandung jaringan hidup. Mengangkut makanan yang telah diolah dari daun ke semua bagian pohon yang tumbuh. C, Kulit kayu bagian luar yang mengandung lapisan gabus tersusun dari jaringan mati yang kering. Memberikan perlindungan umum terhadap cedera eksternal. Kulit kayu bagian dalam dan luar dipisahkan oleh kambium kulit kayu. D, Kayu gubal, yang mengandung jaringan hidup dan mati, adalah kayu berwarna terang di bawah kulit kayu. Mengangkut getah dari akar ke daun. E, Kayu teras (tidak aktif) terbentuk melalui perubahan bertahap pada kayu gubal. F, Empulur adalah jaringan lunak tempat pertumbuhan kayu pertama terjadi pada ranting yang baru terbentuk. G, Jari-jari kayu menghubungkan berbagai lapisan dari empulur ke kulit kayu untuk penyimpanan dan transfer makanan.

Penampang melintang pohon menunjukkan ciri-ciri yang jelas berikut ini secara berurutan dari luar ke tengah: (1) Kulit kayu, yang dapat dibagi menjadi bagian luar yang keras dan mati yang ketebalannya sangat bervariasi tergantung spesies dan umur pohon, dan bagian dalam yang tipis dan hidup; (2) kayu, yang pada pohon komersial dari sebagian besar spesies dibedakan dengan jelas menjadi kayu gubal dan kayu teras; (3) empulur, yang ditunjukkan oleh inti kecil di tengah, seringkali berwarna lebih gelap, yang mewakili pertumbuhan primer yang terbentuk ketika batang atau cabang berkayu memanjang.

Sebagian besar cabang berasal dari empulur, dan pangkalnya menyatu dengan kayu batang selama masih hidup. Pangkal cabang yang hidup ini membentuk simpul yang menyatu. Setelah cabang mati, pangkalnya terus dikelilingi oleh kayu batang yang tumbuh. Bagian cabang mati yang tertutup tersebut membentuk simpul yang longgar atau terbungkus. Setelah cabang mati rontok, tunggul yang mati menjadi ditumbuhi kayu dan, selanjutnya, terbentuk kayu yang bersih. Pada pohon, bagian yang mengandung simpul yang menyatu membentuk silinder, memanjang sepanjang pohon; bagian yang mengandung simpul longgar membentuk silinder berongga, memanjang dari tanah hingga pangkal tajuk hijau. Kayu bersih membentuk silinder luar yang menutupi ujung cabang yang ditumbuhi kayu. Pada pohon yang tumbuh kembali, zona bersih dan bahkan zona simpul longgar mungkin tidak ada.

Di antara kulit kayu dan kayu terdapat lapisan sel hidup berdinding tipis yang disebut kambium, yang tidak terlihat tanpa mikroskop, di mana sebagian besar pertumbuhan ketebalan kulit kayu dan kayu terjadi melalui pembelahan sel. Tidak ada pertumbuhan diameter atau panjang yang terjadi pada kayu yang sudah terbentuk; pertumbuhan baru murni merupakan penambahan sel-sel baru, bukan perkembangan lebih lanjut dari sel-sel lama. Sel-sel kayu baru terbentuk di bagian dalam dan sel-sel kulit kayu baru di bagian luar kambium. Seiring bertambahnya diameter batang kayu, kulit kayu terdorong ke luar, dan lapisan kulit kayu terluar menjadi meregang, retak, dan bergelombang dalam pola yang seringkali menjadi ciri khas suatu spesies. Kambium kulit kayu terbentuk dari sel-sel hidup dan jaringan ini memisahkan kulit kayu terluar dari kulit kayu bagian dalam.

Pada sebagian besar spesies di iklim sedang, terdapat perbedaan yang cukup besar antara kayu yang terbentuk di awal dan di akhir musim pertumbuhan sehingga menghasilkan lingkaran pertumbuhan tahunan yang jelas. Usia pohon pada tunggul atau usia pada penampang melintang batang dapat ditentukan dengan menghitung lingkaran-lingkaran ini (gambar 2-2). Jika pertumbuhan diameter pohon terganggu oleh kekeringan atau penggundulan daun oleh serangga, lebih dari satu lingkaran dapat terbentuk pada musim yang sama. Dalam hal ini, lingkaran bagian dalam biasanya tidak memiliki batas yang jelas dan disebut lingkaran semu. Pohon yang hanya memiliki tajuk yang sangat kecil atau yang secara tidak sengaja kehilangan sebagian besar dedaunannya mungkin hanya membentuk lapisan pertumbuhan yang tidak lengkap, kadang-kadang disebut lingkaran terputus-putus, sampai tajuknya pulih.

Lingkaran pertumbuhan paling mudah terlihat pada spesies dengan kontras tajam antara kayu awal dan kayu akhir, seperti kayu keras berpori cincin asli seperti abu dan ek, dan sebagian besar kayu lunak kecuali pinus lunak. Pada beberapa spesies lain, seperti tupelo air, sweetgum, dan maple lunak, diferensiasi pertumbuhan awal dan akhir sedikit, dan lingkaran pertumbuhan tahunan sulit dikenali. Di beberapa daerah tropis, pertumbuhan mungkin hampir terus menerus sepanjang tahun, dan tidak terbentuk lingkaran tahunan yang jelas.

Bagian dalam lingkaran pertumbuhan yang terbentuk pertama kali pada musim pertumbuhan disebut kayu awal atau kayu musim semi, dan bagian luar yang terbentuk kemudian pada musim pertumbuhan disebut kayu akhir atau kayu musim panas. Waktu pembentukan sebenarnya dari kedua bagian lingkaran ini dapat bervariasi tergantung pada kondisi lingkungan dan cuaca. Kayu awal dicirikan oleh sel-sel yang memiliki rongga yang relatif besar dan dinding yang tipis. Sel-sel kayu akhir memiliki rongga yang lebih kecil dan dinding yang lebih tebal. Transisi dari kayu awal ke kayu akhir dapat bertahap atau tiba-tiba, tergantung pada jenis kayu dan kondisi pertumbuhan pada saat terbentuk. Pada beberapa spesies, seperti maple, eucalyptus, dan poplar kuning, terdapat sedikit perbedaan dalam penampilan bagian kayu awal dan kayu akhir dari lingkaran pertumbuhan.

Ketika lingkaran pertumbuhan terlihat jelas, seperti pada sebagian besar kayu lunak dan kayu keras berpori cincin, kayu awal (earlywood) berbeda secara mencolok dari kayu akhir (latewood) dalam sifat fisik. Kayu awal lebih ringan, lebih lunak, dan lebih lemah daripada kayu akhir; penyusutannya lebih sedikit melintang dan lebih besar memanjang searah serat kayu. Karena kepadatan kayu akhir yang lebih besar, proporsi kayu akhir terkadang digunakan untuk menilai kualitas atau kekuatan kayu. Metode ini berguna untuk spesies seperti pinus selatan, cemara Douglas, dan kayu keras berpori cincin - abu, hickory, dan oak.

Kayu gubal terletak di sebelah kambium. Kayu ini hanya mengandung sedikit sel hidup dan berfungsi terutama untuk menyimpan makanan dan mengangkut getah secara mekanis. Ketebalan lapisan kayu gubal dapat bervariasi, begitu pula jumlah cincin pertumbuhan yang terdapat di dalamnya. Ketebalan kayu gubal umumnya berkisar antara 11,5 hingga 2 inci secara radial. Pada spesies tertentu, seperti catalpa dan black locust, kayu gubal mengandung sangat sedikit cincin pertumbuhan dan terkadang tidak melebihi setengah inci ketebalannya. Pohon maple, hickory, ash, beberapa jenis pinus selatan, dan pinus ponderosa mungkin memiliki kayu gubal dengan ketebalan 3 hingga 6 inci atau lebih, terutama pada pohon yang tumbuh kembali. Sebagai aturan, pohon yang tumbuh lebih subur dari suatu spesies memiliki lapisan kayu gubal yang lebih lebar. Banyak pohon yang tumbuh kembali dengan ukuran yang layak jual sebagian besar terdiri dari kayu gubal.

Kayu teras terdiri dari sel-sel tidak aktif yang telah sedikit berubah, baik secara kimia maupun fisik, dari sel-sel cincin kayu gubal bagian dalam. Dalam kondisi ini, sel-sel tersebut berhenti menghantarkan getah.

Rongga sel kayu teras juga dapat mengandung endapan berbagai material yang seringkali memberikan warna yang jauh lebih gelap pada kayu teras. Namun, tidak semua kayu teras berwarna gelap. Spesies yang kayu terasnya tidak terlalu gelap meliputi pohon cemara (kecuali cemara Sitka), hemlock, cemara sejati, cedar Port-Orford, basswood, cottonwood, dan buckeye. Infiltrasi atau material yang mengendap di dalam sel kayu teras biasanya membuat kayu lebih tahan lama ketika digunakan di lingkungan yang terpapar. Kecuali jika diberi perlakuan, semua kayu gubal tidak tahan lama ketika terpapar kondisi yang mendukung pembusukan.

Pada beberapa spesies, seperti pohon abu, hickory, dan beberapa jenis pohon ek, pori-pori tersumbat hingga tingkat tertentu oleh pertumbuhan jaringan baru, yang dikenal sebagai tilosa, sebelum perubahan menjadi kayu teras selesai. Kayu teras yang pori-porinya tersumbat rapat oleh tilosa, seperti pada pohon ek putih, cocok untuk pembuatan tong yang kedap udara.

Kayu teras memiliki kandungan ekstrak yang lebih tinggi daripada kayu gubal, dan karena itu, menunjukkan berat jenis yang lebih tinggi. Untuk sebagian besar spesies, perbedaannya sangat kecil sehingga tidak terlalu penting. Berat dan kekuatan kayu lebih dipengaruhi oleh kondisi pertumbuhan pohon pada saat kayu terbentuk daripada oleh perubahan dari kayu gubal ke kayu teras. Dalam beberapa kasus, seperti pada kayu merah, cedar merah barat, dan akasia hitam, sejumlah besar material yang meresap dapat sedikit meningkatkan berat kayu dan ketahanannya terhadap tekanan.

Sel-sel kayu yang membentuk unsur-unsur struktural kayu memiliki berbagai ukuran dan bentuk serta tumbuh saling berdekatan dengan cukup kuat. Sel-sel kayu kering dapat kosong atau sebagian terisi endapan, seperti getah dan resin, atau dengan tilosa. Sebagian besar sel berbentuk memanjang dan runcing di ujungnya: sel-sel ini biasanya disebut serat atau trakeida. Panjang serat kayu sangat bervariasi di dalam satu pohon dan antar spesies. Serat kayu keras rata-rata memiliki panjang sekitar seperdua puluh lima inci (1 mm); serat kayu lunak (disebut trakeida) berkisar antara seperdelapan hingga sepertiga inci (3 hingga 8 mm).

Selain seratnya, kayu keras memiliki sel-sel berdiameter relatif besar yang dikenal sebagai pembuluh. Pembuluh ini membentuk arteri utama dalam pergerakan getah. Kayu lunak tidak mengandung pembuluh khusus untuk mengangkut getah secara memanjang di dalam pohon; fungsi ini dilakukan oleh trakeida.

Baik kayu keras maupun kayu lunak memiliki sel (biasanya berkelompok membentuk struktur) yang berorientasi horizontal dari empulur menuju kulit kayu. Struktur ini mengalirkan getah secara radial melintasi serat kayu dan disebut jari-jari atau sinar kayu. Jari-jari ini paling mudah terlihat pada permukaan yang dipotong seperempat. Ukurannya sangat bervariasi pada spesies yang berbeda. Pada pohon ek dan sycamore, jari-jari tersebut mencolok dan menambah fitur dekoratif kayu.

Kayu juga memiliki sel-sel lain, yang dikenal sebagai sel parenkim longitudinal, atau aksial, yang berfungsi terutama untuk menyimpan makanan.

Kayu kering sebagian besar terdiri dari zat-zat berikut, yang tercantum dalam urutan menurun berdasarkan jumlah yang ada: Selulosa, lignin, hemiselulosa, zat ekstraktif, dan mineral pembentuk abu.

Selulosa, sebagai komponen utama, terdiri dari sekitar 50 persen zat kayu berdasarkan berat. Selulosa adalah polimer linier dengan berat molekul tinggi yang, setelah degradasi kimia oleh asam mineral, menghasilkan gula sederhana glukosa sebagai satu-satunya produk. Selama pertumbuhan pohon, molekul selulosa linier tersusun menjadi untaian yang sangat teratur yang disebut fibril, yang kemudian tersusun menjadi elemen struktural yang lebih besar yang membentuk dinding sel serat kayu. Hubungan fisik yang erat, dan mungkin sebagian secara kimia, antara selulosa dengan lignin dan hemiselulosa memberikan sifat fisik yang bermanfaat pada kayu. Serat kayu yang telah dihilangkan ligninnya memiliki nilai komersial yang tinggi ketika diolah kembali menjadi kertas. Selain itu, serat kayu tersebut dapat diubah secara kimia untuk membentuk tekstil sintetis, film, pernis, dan bahan peledak.

Lignin terdiri dari 23 hingga 33 persen kayu lunak, tetapi hanya 16 hingga 25 persen kayu keras. Lignin terdapat di dalam kayu sebagian besar sebagai material antarsel. Seperti selulosa, lignin memiliki struktur kimia makromolekul, tetapi jaringan tiga dimensinya jauh lebih kompleks dan belum sepenuhnya dipahami. Sebagai zat kimia, lignin adalah material yang sulit diolah dan tidak larut, kemungkinan terikat setidaknya secara longgar pada selulosa. Untuk memisahkannya dari kayu dalam skala komersial membutuhkan reagen yang kuat, suhu tinggi, dan tekanan tinggi. Kondisi tersebut sangat memodifikasi molekul lignin, menghasilkan campuran kompleks senyawa fenolik dengan berat molekul tinggi.

Bagi industri kertas, lignin sulit dilarutkan dan terkadang menjadi produk sampingan yang merepotkan. Secara teoritis, lignin dapat diubah menjadi berbagai produk kimia, tetapi secara praktis, sebagian besar lignin yang dipisahkan dari kayu selama proses pembuatan pulp dibakar untuk menghasilkan panas dan memulihkan bahan kimia pembuatan pulp. Salah satu penggunaan komersial yang cukup besar untuk lignin adalah dalam formulasi lumpur pengeboran, yang digunakan dalam pengeboran sumur minyak, di mana sifat dispersan dan pengikat logamnya sangat berharga. Lignin juga telah digunakan dalam pencampuran karet dan sebagai agen penambah udara dalam campuran beton. Sejumlah kecil lignin diproses untuk menghasilkan vanilin untuk tujuan penyedap rasa dan untuk menghasilkan pelarut seperti dimetil sulfida dan dimetil sulfoksida.

Hemiselulosa berasosiasi erat dengan selulosa di alam dan, seperti selulosa, merupakan unit polimer yang dibangun dari molekul gula sederhana. Namun, tidak seperti selulosa, hemiselulosa menghasilkan lebih dari satu jenis gula pada pemecahan asam. Selain itu, jumlah relatif gula-gula ini sangat bervariasi tergantung spesiesnya. Kayu keras mengandung rata-rata 20 hingga 30 persen hemiselulosa dengan xilosa sebagai gula utama. Sejumlah kecil arabinosa, manosa, dan asam gula juga terikat pada rantai polimer utama. Kayu lunak mengandung rata-rata 15 hingga 20 persen hemiselulosa, dengan manosa sebagai unit gula utama. Xilosa, arabinosa, dan asam gula kembali hadir dalam kadar yang lebih rendah. Hemiselulosa memainkan peran penting dalam pengikatan serat ke serat dalam proses pembuatan kertas. Komponen gula hemiselulosa berpotensi menarik untuk diubah menjadi produk kimia.

Berbeda dengan komponen utama yang baru saja dibahas, zat ekstraktif bukanlah bagian dari struktur kayu. Namun, zat ekstraktif berkontribusi pada sifat-sifat kayu seperti warna, bau, rasa, ketahanan terhadap pembusukan, kekuatan, kepadatan, higroskopisitas, dan mudah terbakar. Zat ekstraktif meliputi tanin dan polifenol lainnya, zat pewarna, minyak atsiri, lemak, resin, lilin, gom, pati, dan zat perantara metabolisme sederhana. Zat ekstraktif dapat dihilangkan dari kayu dengan ekstraksi menggunakan pelarut netral inert seperti air, alkohol, aseton, benzena, dan eter. Dalam jumlah, zat ekstraktif dapat berkisar antara sekitar 5 hingga 30 persen, tergantung pada faktor-faktor seperti spesies, kondisi pertumbuhan, dan waktu penebangan pohon.

Mineral pembentuk abu terdiri dari 0,1 hingga 3 persen dari substansi kayu, meskipun nilai yang jauh lebih tinggi kadang-kadang dilaporkan. Kalsium, kalium, fosfat, dan silika adalah konstituen umum. Karena distribusi seragam bahan-bahan anorganik ini di seluruh kayu, abu sering mempertahankan pola mikrostruktur kayu.

Sejumlah besar produk non-serat bernilai dolar dihasilkan dari kayu, termasuk hasil laut, produk sampingan pulp, vanilin, etil alkohol, arang, ekstrak, dan produk kulit kayu.

Banyak spesies kayu memiliki sifat fisik, mekanik, atau kimia yang unik. Pemanfaatan yang efisien mengharuskan spesies kayu disesuaikan dengan kebutuhan penggunaan melalui pemahaman sifat-sifatnya. Hal ini memerlukan identifikasi spesies dalam bentuk kayu, terlepas dari kulit kayu, dedaunan, dan karakteristik pohon lainnya. Identifikasi di lapangan seringkali dapat dilakukan berdasarkan karakteristik yang mudah terlihat seperti warna, keberadaan getah, atau pola serat. Terkadang bau, kepadatan, atau kecenderungan retak juga membantu. Jika diperlukan identifikasi yang lebih pasti, investigasi laboratorium terhadap anatomi mikroskopis kayu dapat dilakukan. Deskripsi rinci tentang karakteristik pengidentifikasi diberikan dalam teks seperti "Textbook of Wood Technology" karya Panshin dan de Zeeuw.

Bratt, LC 1965. Tren dalam produksi silvikimia di Amerika Serikat dan luar negeri. Tappi 48(T) : 46A-49A. Asosiasi Teknis Industri Pulp dan Kertas.

Brauns, FE, dan Brauns, DA 1360. Kimia lignin - volume tambahan, 804 hlm. Academic Press.

Browning, BL 1963. Kimia kayu. 689 hlm. Interscience Publishers, NY

Freudenberg, K. 1965. Lignin: Konstitusi dan formatnya dari alkohol p-hidroksi-sinamil. Sci. 148: 595-600.

Hamilton, JK, dan Thompson, NS 1959. Perbandingan karbohidrat kayu keras dan kayu lunak. Tappi 42: 752-760. Asosiasi Teknis Industri Pulp dan Kertas.

Ott, E., Spurlin, HM, dan Grafflin, MW 1954. Selulosa dan turunan selulosa. Volume V. Bagian I, II, dan III (1966) dari Polimer Tinggi. 1601 hlm. Interscience Publishers, NY

Panshin, AJ, dan de Zeeuw, C. 1970. Buku teks teknologi kayu. Volume 1. Edisi ke-3. McGraw-Hill.

Wise, LE, dan Jahn, EC 1952. Kimia kayu. Jilid I dan II, 1259 hlm. Reinhold.

Konten saat ini tersedia di Perpustakaan Digital Hathi Trust dan di sini .

Dikumpulkan oleh: Laboratorium Produk Hutan (AS), 1974, "Buku Pegangan Kayu: Kayu sebagai Bahan Teknik", Laboratorium Produk Hutan, USDA.

Bab 2: Struktur Kayu dari "Buku Pegangan Kayu: Kayu sebagai Material Teknik" diadaptasi oleh Chris Ruest dan Steven Vickers.

Domain Publik.

Buku Sumber AT