Lem, atau secara teknis disebut perekat adhesif, adalah substansi non-metalik yang mampu mengikat material melalui mekanisme permukaan (adhesi) dan kekuatan internal (kohesi). Dalam sejarah peradaban manusia, perekat telah memainkan peran krusial, mulai dari penggunaan getah alami untuk membuat alat berburu hingga formulasi polimer tingkat tinggi yang menjadi tulang punggung industri dirgantara dan elektronik modern. Kemampuan perekat untuk mendistribusikan tegangan secara merata pada sambungan, seringkali melebihi kekuatan pengikatan mekanis tradisional seperti baut atau paku keling, menjadikannya elemen vital dalam rekayasa material dan desain produk.
Eksplorasi mendalam terhadap dunia perekat memerlukan pemahaman holistik tentang kimia polimer, fisika permukaan, dan teknik aplikasi. Bukan sekadar cairan lengket, setiap jenis lem adalah solusi rekayasa yang dirancang untuk kondisi lingkungan, substrat material, dan beban mekanis tertentu. Dari lem kayu berbasis air yang sederhana hingga lem epoksi dua komponen yang mampu menahan tekanan tinggi, variasi dalam formulasi kimia menghasilkan spektrum properti yang sangat luas, yang secara kolektif menentukan batas-batas desain dan manufaktur global.
Penggunaan perekat bukanlah fenomena modern. Bukti arkeologis menunjukkan bahwa manusia prasejarah telah menggunakan perekat sejak zaman batu. Perekat tertua yang diketahui adalah tar pohon birch, yang digunakan oleh Neanderthal lebih dari 200.000 tahun yang lalu untuk memasang alat batu ke gagangnya. Kemudian, peradaban kuno, seperti Mesir, memanfaatkan perekat alami berbasis hewan dan tanaman. Perekat kolagen (gelatin atau lem hewani) yang terbuat dari kulit, tulang, dan jaringan ikat, menjadi standar utama dalam pertukangan kayu dan pembuatan furnitur selama ribuan tahun.
Selama Abad Pertengahan, lem berbasis kasein (protein susu) dan lem ikan mulai mendominasi. Titik balik utama terjadi pada awal abad ke-20 dengan kemajuan kimia polimer. Penemuan bakelit pada awal 1900-an membuka jalan bagi perekat sintetis. Perang Dunia II mempercepat pengembangan lem epoksi, akrilik, dan fenolik, karena kebutuhan mendesak akan material ringan dan kuat untuk pesawat terbang dan kapal militer. Sejak saat itu, industri perekat telah berkembang pesat, menghasilkan ribuan formulasi spesifik yang disesuaikan untuk setiap tantangan rekayasa.
Agar lem berfungsi, dua fenomena utama harus terjadi: adhesi dan kohesi. Adhesi merujuk pada gaya tarik-menarik antara molekul lem dengan molekul permukaan material yang direkatkan (substrat). Kohesi adalah gaya internal yang mengikat molekul-molekul lem itu sendiri, menentukan kekuatan internal dan ketahanan lem terhadap pemecahan.
Adhesi tidak terjadi hanya karena "lengket," melainkan melibatkan empat mekanisme fisik dan kimia utama yang sering beroperasi secara simultan:
Kohesi memastikan bahwa setelah ikatan adhesi terbentuk, lapisan lem itu sendiri tidak akan robek. Jika sebuah sambungan lem gagal, dan lem terlihat menempel pada salah satu substrat tetapi tidak pada yang lain, itu adalah kegagalan adhesi. Namun, jika lapisan lem terbelah di tengah, meninggalkan residu pada kedua permukaan, itu adalah kegagalan kohesi. Lem dengan kohesi yang rendah rentan terhadap creep (deformasi di bawah tekanan jangka panjang) dan memiliki kekuatan tarik yang buruk. Kekuatan kohesif diatur oleh berat molekul polimer dalam perekat dan sejauh mana rantai polimer tersebut saling mengait (cross-linking) selama proses pengeringan atau pemadatan.
Dunia lem dapat diklasifikasikan berdasarkan sumber bahan baku (alami vs. sintetis) atau berdasarkan mekanisme bagaimana mereka berpindah dari keadaan cair/pasta menjadi padat (mekanisme pengeringan/pemadatan).
Perekat alami berasal dari sumber biologis dan umumnya bersifat biodegradable. Meskipun telah digantikan oleh polimer sintetis dalam banyak aplikasi industri, mereka masih penting di bidang tertentu seperti pengemasan makanan, kerajinan, dan restorasi seni. Contohnya meliputi lem hewani (protein kolagen), kasein (protein susu yang sangat tahan air), pati/dextrin (berasal dari jagung atau kentang, umum pada label kertas dan amplop), serta getah alami seperti lateks dan resin.
Dibuat melalui proses kimiawi, perekat sintetis menawarkan properti yang dapat disesuaikan dan jauh lebih unggul dalam hal ketahanan terhadap suhu, pelarut, dan kekuatan mekanis. Kelompok ini mencakup polimer termoplastik (dapat dilebur kembali, seperti Hot Melt dan PVA) dan polimer termoseting (membentuk struktur silang permanen, seperti Epoksi dan Uretan).
Perekat ini berupa polimer yang terdispersi atau larut dalam pelarut (biasanya air atau pelarut organik). Pengeringan terjadi ketika pelarut menguap, meninggalkan lapisan polimer padat yang lengket.
Perekat ini berubah menjadi padat melalui reaksi kimia (polimerisasi atau cross-linking), seringkali dipicu oleh panas, cahaya UV, atau campuran dua komponen. Mereka tidak memerlukan penguapan, memungkinkan ikatan yang lebih tebal dan lebih kuat.
Lem ini padat pada suhu kamar dan menjadi cair ketika dipanaskan. Pengikatan terjadi sangat cepat saat lem mendingin kembali dan memadat. Umumnya berbasis EVA (Ethylene Vinyl Acetate) atau poliolefin. Keunggulannya adalah kecepatan produksi dan kurangnya pelarut.
Perekat yang tetap lengket (viskoelastis) pada suhu kamar dan hanya memerlukan tekanan ringan untuk membentuk ikatan. Contoh paling umum adalah pita perekat (lakban), stiker label, dan perekat medis. Mereka tidak mengalami perubahan fasa (tidak mengering atau bereaksi), melainkan mengandalkan sifat viskoelastis yang memungkinkan mereka ‘mengalir’ ke permukaan mikro substrat saat ditekan.
Untuk mencapai kekuatan rekayasa yang diperlukan di industri otomotif, konstruksi, atau dirgantara, diperlukan perekat yang diklasifikasikan sebagai 'struktural'. Perekat struktural didefinisikan sebagai perekat yang mampu menahan beban signifikan, bahkan melebihi kekuatan substrat itu sendiri, di bawah berbagai kondisi lingkungan dan mekanis.
Epoksi adalah raja perekat struktural. Terdiri dari resin (yang mengandung kelompok epoksida) dan pengeras (hardener) yang mengandung amina. Ketika dicampur, amina menyebabkan pembukaan cincin epoksida, memulai polimerisasi adisi, dan menciptakan jaringan polimer termoseting yang sangat padat. Keunggulan epoksi terletak pada penyusutan yang sangat rendah selama pengeringan, kekuatan tekan yang tinggi, dan ketahanan yang unggul terhadap suhu dan bahan kimia korosif.
Variasi dan Aplikasi Epoksi:
Dalam rekayasa, pemilihan epoksi sangat bergantung pada rasio pencampuran (seringkali 1:1, 2:1, atau 4:1) dan sifat mekanis yang diperlukan—misalnya, epoksi dengan modifikasi elastomerik menawarkan ketahanan benturan yang lebih baik, meskipun sedikit mengorbankan modulus kekakuan.
Perekat poliuretan dihasilkan dari reaksi antara isosianat dan poliol. Mereka sangat serbaguna, mulai dari formulasi busa hingga perekat cair. PU dikenal karena kekuatan gesernya yang tinggi dikombinasikan dengan fleksibilitas yang sangat baik, yang membuatnya ideal untuk merekatkan bahan yang memiliki koefisien ekspansi termal yang berbeda (misalnya, merekatkan kaca ke logam atau beton).
Aplikasi Spesifik PU: PU sering digunakan sebagai perekat kaca depan otomotif karena kemampuannya menyerap getaran dan tahan terhadap cuaca. Dalam konstruksi, PU satu komponen yang mengeras dengan kelembaban digunakan untuk ikatan struktural kayu, karena kemampuannya berbusa sedikit dan mengisi celah sambil memberikan ikatan tahan air yang unggul.
SAA memiliki keunggulan kecepatan dan persiapan permukaan yang minimal. Mereka seringkali berupa dua komponen, tetapi reaksinya cepat seperti Cyanoacrylate namun dengan kekuatan struktural mirip epoksi. SAA sangat efektif untuk merekatkan plastik teknik (seperti PVC, ABS) dan logam yang tidak disiapkan dengan sempurna, karena dapat menoleransi minyak permukaan ringan. Mereka membentuk ikatan yang sangat tangguh (tahan benturan) karena adanya modifikasi elastomerik pada polimerisasinya.
Mekanisme CA (biasa disebut Super Glue) unik karena ia mengikat melalui polimerisasi anionik yang dipicu oleh air (kelembaban). Kecepatannya (ikatan dalam hitungan detik) adalah aset utamanya, tetapi kekuatan tarik murni CA seringkali kurang dari epoksi, dan ia memiliki ketahanan geser yang buruk serta ketahanan pelarut yang terbatas. CA sangat populer untuk merekatkan plastik, karet, dan perbaikan kecil. Namun, ia tidak cocok untuk ikatan yang menghadapi suhu tinggi atau tekanan kejut.
Pertimbangan CA: Kecepatan penyembuhan CA dapat dikendalikan dengan aktivator kimia untuk mengikat permukaan yang sangat kering atau berpori. Selain itu, formulasi CA yang diperkuat dengan karet menawarkan ketangguhan yang jauh lebih baik, mengatasi kerapuhan intrinsik CA standar.
Lem kontak, biasanya berbasis neoprene, digunakan untuk merekatkan lembaran laminasi plastik (Formica) ke substrat kayu. Tekniknya sangat berbeda: lem dioleskan ke *kedua* permukaan dan dibiarkan kering hingga sentuhan (hingga pelarut menguap). Ketika kedua permukaan yang telah dilapisi lem kering tersebut disatukan, mereka membentuk ikatan instan dan permanen. Kelemahan utamanya adalah tidak adanya kesempatan untuk penataan ulang setelah kontak terjadi.
Meskipun sering dianggap non-struktural, beberapa formulasi Hot Melt Poliolefin (PO) atau Hot Melt Reaktif Uretan (PUR) memiliki kekuatan struktural yang cukup tinggi. Lem Hot Melt berbasis EVA (Ethylene Vinyl Acetate) umum dalam pengemasan dan kerajinan tangan. Keunggulan utamanya adalah kecepatan siklus produksi yang ekstrem—ikatan terjadi hampir seketika saat pendinginan. PUR, sebaliknya, menawarkan ikatan awal yang cepat melalui pendinginan, diikuti oleh ikatan struktural sekunder yang jauh lebih kuat melalui reaksi dengan kelembaban, menggabungkan kecepatan termoplastik dengan kekuatan termoseting.
Secara teknis, silikon lebih sering disebut sealant (perekat pelapis) daripada perekat struktural, meskipun mereka memiliki sifat adhesi yang baik. Mereka mengeras dengan kelembaban (mekanisme asetat atau oksim) dan unggul dalam ketahanan terhadap suhu ekstrem, UV, dan fleksibilitas. Silikon esensial untuk menyegel sambungan yang bergerak, seperti di kamar mandi, jendela, atau sambungan ekspansi, di mana perekat kaku akan retak.
Kegagalan sambungan lem seringkali bukan disebabkan oleh kualitas lem itu sendiri, melainkan oleh pemilihan jenis lem yang salah atau persiapan permukaan yang tidak memadai. Pemilihan lem harus didasarkan pada matriks lima faktor utama.
Sifat kimia dan energi permukaan substrat sangat menentukan. Kayu berpori memerlukan lem yang berbasis air atau pelarut yang dapat meresap. Plastik berenergi permukaan rendah (seperti Polietilena dan Polipropilena) sangat sulit dilem dan memerlukan perlakuan permukaan plasma, korona, atau penggunaan primer khusus, karena lem konvensional tidak akan 'membasahi' permukaannya secara efektif.
Apakah sambungan akan menghadapi beban statis (tarik atau tekan), atau beban dinamis (getaran, kejut, atau kelelahan)? Untuk beban dinamis, lem yang lebih tangguh dan fleksibel (seperti uretan atau akrilik yang dimodifikasi karet) lebih disukai daripada epoksi yang sangat kaku, yang mungkin retak di bawah kejut tiba-tiba.
Suhu operasional, paparan kelembaban, air, sinar UV, dan bahan kimia harus dipertimbangkan. Misalnya, lem PVA standar akan gagal total jika terendam air, sedangkan lem PU dan Epoksi biasanya memiliki ketahanan air yang unggul. Dalam lingkungan outdoor, stabilitas UV (resistensi terhadap degradasi karena sinar matahari) menjadi krusial, di mana silikon dan beberapa akrilik unggul.
Beberapa lem, seperti CA, dirancang untuk celah ikatan yang sangat tipis (di bawah 0.1 mm). Sementara itu, epoksi dan lem pengisi dirancang untuk mengisi celah yang lebih besar. Jika celah terlalu tebal untuk CA, ia akan gagal kohesi karena kurangnya kelembaban untuk proses pengeringan yang seragam. Idealnya, perekat struktural harus digunakan pada ketebalan ikatan yang direkomendasikan pabrik.
Di lini produksi, waktu pengeringan adalah biaya. Di sinilah perekat CA, Hot Melt, atau Akrilik yang mengering dalam hitungan detik atau menit menjadi sangat berharga. Untuk aplikasi yang memungkinkan, meskipun epoksi 24 jam menawarkan kekuatan pamungkas yang lebih baik, kecepatan pengeringan yang lebih lama mungkin tidak praktis.
Persiapan permukaan seringkali menyumbang lebih dari 50% keberhasilan ikatan. Permukaan harus bersih, kering, dan memiliki energi permukaan yang cukup tinggi agar lem dapat membasahinya (wetting) secara efektif.
Minyak, kotoran, debu, dan sidik jari harus dihilangkan. Degreasing sering dilakukan dengan pelarut non-residu seperti isopropil alkohol (IPA) atau aseton. Sisa-sisa pelarut yang tertinggal harus dipastikan menguap sempurna sebelum aplikasi lem.
Untuk logam dan beberapa plastik, abrasi ringan (pengamplasan) menciptakan profil permukaan yang lebih kasar. Ini meningkatkan adhesi mekanis dan juga menghilangkan lapisan oksida yang lemah pada logam (terutama aluminium), sehingga perekat dapat berinteraksi langsung dengan logam yang lebih kuat di bawahnya.
Pada material berenergi permukaan rendah (Plastik PE, PP, PTFE), lem tidak akan menyebar. Primer kimiawi digunakan untuk memodifikasi permukaan, meningkatkan energi permukaannya, dan menciptakan ikatan reaktif yang lebih baik. Aktivator digunakan pada CA untuk mempercepat reaksi atau memungkinkan pengikatan pada substrat asam atau tidak aktif.
Memahami bagaimana dan mengapa lem gagal sangat penting untuk kontrol kualitas dan desain struktural. Terdapat tiga mode kegagalan utama:
Perekat terlepas sepenuhnya dari salah satu substrat, meninggalkan permukaan yang bersih. Ini adalah indikasi bahwa ada masalah pada antarmuka, seringkali karena persiapan permukaan yang buruk (kontaminasi minyak, kelembaban, atau energi permukaan yang terlalu rendah).
Retak terjadi di dalam lapisan perekat itu sendiri. Ini menunjukkan bahwa kekuatan internal (kohesi) perekat lebih lemah daripada ikatan adhesi dengan substrat. Kegagalan kohesi bisa disebabkan oleh pengeringan yang tidak tepat, rasio pencampuran yang salah (pada lem dua bagian), atau penggunaan lem yang terlalu tebal.
Ini adalah hasil yang diinginkan dalam pengujian perekat struktural. Perekat dan sambungan tetap utuh, tetapi material yang direkatkan (substrat) yang robek atau patah. Ini membuktikan bahwa kekuatan lem melebihi kekuatan material dasar.
Perekat diuji di bawah kondisi terkontrol menggunakan standar internasional (misalnya ASTM dan ISO) untuk menentukan parameter kinerjanya:
Hasil pengujian ini membantu insinyur memprediksi umur layanan suatu sambungan dan memastikan kepatuhan terhadap standar keamanan, terutama dalam industri yang sensitif seperti kedirgantaraan dan medis.
Aplikasi modern menuntut formulasi lem yang semakin spesifik dan berkinerja tinggi. Berikut adalah beberapa segmen industri yang sangat bergantung pada teknologi perekat canggih:
Dalam upaya mengurangi berat kendaraan untuk efisiensi bahan bakar, perekat struktural telah menggantikan banyak pengencang mekanis tradisional. Mereka memungkinkan ikatan logam yang berbeda (misalnya aluminium dan baja berkekuatan tinggi) tanpa risiko korosi galvanik yang terjadi pada pengelasan. Perekat yang digunakan harus memiliki ketahanan kelelahan yang luar biasa, mampu menyerap energi benturan, dan tahan terhadap siklus termal ekstrem (-40°C hingga 80°C).
Dompet Aplikasi: Perekat struktural epoksi atau akrilik digunakan untuk ikatan bodi mobil dan struktur sasis. Lem uretan digunakan untuk pemasangan kaca depan. Perekat anaerobik digunakan untuk mengunci ulir pada mur dan baut agar tidak lepas akibat getaran mesin, memberikan fungsi penguncian ulir yang superior tanpa perlu pengencang mekanis tambahan.
Elektronik modern (smartphone, chip, sensor) sangat bergantung pada perekat non-konvensional. Perekat harus sangat tipis, tahan panas yang dihasilkan oleh komponen, dan dalam beberapa kasus, harus bersifat konduktif.
Perekat bedah (Cyanoacrylate dan Fibrin Sealants) digunakan sebagai pengganti jahitan untuk menutup luka, mengurangi risiko infeksi dan jaringan parut. Untuk perangkat medis, perekat harus biokompatibel (tidak beracun bagi tubuh) dan mampu menahan sterilisasi berulang (autoklaf atau radiasi gamma).
Industri lem terus berinovasi untuk mengatasi tantangan lingkungan, kebutuhan struktural baru (seperti komposit dan material 3D-printed), dan isu kesehatan. Dua area utama inovasi adalah keberlanjutan dan fungsionalitas cerdas.
Tekanan regulasi dan kesadaran lingkungan mendorong pengembangan perekat yang lebih ramah lingkungan. Ini mencakup transisi dari pelarut organik yang mudah menguap (VOC tinggi) ke formulasi berbasis air yang lebih aman, serta penggunaan bahan baku terbarukan.
Penelitian berfokus pada meniru sistem adhesi alami. Misalnya, perekat yang meniru protein lengket yang digunakan kerang untuk menempel di batu di lingkungan air asin (Mussel-Inspired Adhesives). Perekat jenis ini menunjukkan janji besar untuk aplikasi basah, bahkan bedah, di mana adhesi tradisional gagal.
Tantangan besar dalam daur ulang kemasan adalah lem yang digunakan untuk menggabungkan lapisan material yang berbeda (misalnya plastik dan kertas). Inovasi berfokus pada perekat yang dapat larut atau kehilangan kekuatannya secara selektif ketika terpapar pada panas atau larutan kimia tertentu, memungkinkan pemisahan lapisan material untuk daur ulang yang lebih efisien.
Konsep ini memungkinkan perekat untuk secara otomatis mengisi dan menyembuhkan retakan mikro yang terbentuk akibat tekanan atau kelelahan, memperpanjang masa pakai sambungan struktural tanpa intervensi manusia. Ini sering dicapai dengan menambahkan mikrokapsul yang mengandung agen penyembuh atau monomer yang dilepaskan ketika retakan terjadi.
Terinspirasi oleh kaki tokek (gecko), perekat kering memanfaatkan miliaran struktur nano berbentuk rambut (setae) untuk menciptakan gaya Van der Waals yang kuat tanpa menggunakan cairan lengket. Perekat ini sangat menarik untuk robotika, manipulasi objek di ruang hampa, dan lingkungan yang harus tetap steril dan bebas residu.
Bahkan perekat terbaik pun memerlukan teknik aplikasi yang benar untuk mencapai kekuatan penuhnya. Aspek ini melibatkan kontrol suhu, tekanan, dan waktu.
Tekanan (clamping) selama proses pengeringan adalah kunci untuk memastikan lem membasahi seluruh permukaan dan menghilangkan celah udara. Tekanan harus diterapkan secara merata. Waktu pengeringan (cure time) memiliki dua tahapan: waktu penanganan (handle time), yaitu waktu minimal sebelum bagian dapat dipindahkan; dan waktu pengeringan penuh (full cure time), yang seringkali jauh lebih lama (24 jam hingga 7 hari) di mana lem mencapai kekuatan maksimumnya. Mengaplikasikan beban penuh sebelum waktu pengeringan penuh tercapai hampir selalu menyebabkan kegagalan prematur.
Suhu dan kelembaban lingkungan dapat secara drastis memengaruhi kinerja perekat.
Terkadang, pelepasan sambungan perekat diperlukan. Metode yang digunakan tergantung pada kimia lem:
Pemahaman yang cermat tentang sifat kimia pelarut dan reaksi terhadap suhu adalah wajib untuk pekerjaan perbaikan atau pembongkaran.
Banyak perekat modern mengandung bahan kimia yang bersifat iritan, korosif, atau memiliki kandungan VOC (Volatile Organic Compounds) tinggi. Penggunaan yang aman memerlukan kepatuhan ketat terhadap protokol keselamatan.
Perekat berbasis pelarut (seperti lem kontak atau beberapa akrilik) melepaskan uap pelarut (misalnya, toluena, xilena, atau aseton) yang dapat menyebabkan iritasi mata, pusing, atau kerusakan jangka panjang pada sistem saraf jika terhirup dalam konsentrasi tinggi. Ventilasi yang memadai (local exhaust ventilation) adalah suatu keharusan ketika bekerja dengan perekat jenis ini.
Banyak resin, terutama epoksi yang belum dicampur dan isocyanates dalam PU, adalah sensitizer kulit yang kuat. Paparan berulang dapat menyebabkan dermatitis kontak alergi yang parah. Oleh karena itu, penggunaan sarung tangan kimia (nitril atau butil, bukan lateks standar) dan pelindung mata sangat penting.
CA bereaksi sangat cepat dengan kelembaban pada kulit dan dapat menyebabkan ikatan jari atau mata yang berbahaya. Prosedur penanganan harus mencakup kesadaran bahwa kain atau kapas dapat bertindak sebagai katalis eksotermik (menghasilkan panas tinggi) jika kontak dengan CA, yang berisiko menyebabkan luka bakar termal.
Kesimpulannya, dunia perekat adalah bidang yang kompleks dan terus berkembang, menjembatani ilmu kimia polimer dengan rekayasa material. Setiap tetes lem mengandung solusi yang disesuaikan untuk tantangan desain, dan penguasaan adhesi adalah kunci untuk inovasi di hampir setiap sektor teknologi modern, mulai dari pesawat luar angkasa hingga perangkat medis mikroskopis. Dengan memahami interaksi antara adhesi, kohesi, substrat, dan lingkungan, kita dapat memanfaatkan potensi penuh dari material pengikat yang luar biasa ini.