Festék tudástár

A fa szerkezete, felépítése és kémiai összetétele

A fa természetes eredetű, élő, szerves anyag, amelyet különféle megmunkálási módokkal alakítanak építőanyaggá. Tulajdonságai jelentős mértékben függnek a kitermelés földrajzi helyétől és módjától, valamint a tárolás és a feldolgozás körülményeitől.

Három részből áll

Az élő fa három jól elkülöníthető részből áll: gyökérzetből, törzsből és ágakból. A gyökérzet rögzíti a fát a talajhoz, segítségével szívja fel a nedvességet és a tápanyagokat.

Törzs

A fatörzs a fa több évig élő, általában évről évre vastagodó, föld feletti része, amely az ágas, leveles lombkoronát tartja. A fatörzs szövetei szállítják a tápanyagot a gyökérzet és a lombkorona között. A törzs a fa legjobban hasznosítható része. Vizsgálatához három metszetet készítünk. A hossztengelyre merőleges metszetet keresztmetszetnek vagy bütüs metszetnek nevezzük. A hosszirányú metszetet vagy a bélen keresztül (sugárirány), vagy azzal párhuzamosan vesszük fel (húrirány).

Fa törzsének a felépítése

A keresztmetszet közepén található a bél. A szemmel általában jól látható bélsugarak jellemzik az adott fafajt. A kereszt-metszetet szemmel megvizsgálva edényeket, gyantajáratokat és bélfoltot is találunk.

Fa bélsugarai

Az edények egyesével, párosával és sugarat alkotva helyezkednek el. A sugár-, illetve húrmetszeten a közepes méretű edények már finom karcolásként vagy egyre mélyebb árokként figyelhetők meg. A gyantajáratokban a sejtek életfolyamatai során keletkezett, vízben oldhatatlan, alaktalan váladék van. Néhány fafajtára jellemző, hogy a bél körüli évgyűrűkben a fa színétől eltérő, kisebb folt vagy sáv alakul ki. Ez a bélfolt.

Jó tudni! A fa lombozatának levelei segítségével megy végbe a fotoszintézis, amely során szervetlenből szerves anyag keletkezik.

A fa tulajdonságai

A fa fejlődése során először a bél fejlődik ki. Körülötte helyezkedik el az életműködésben részt nem vevő geszt vagy színfa. A színfát körülvevő 10-15 évgyűrűt szijácsnak nevezik. A színfa és a szijács csak mikroszkóppal különböztethető meg. A szijácsot vékony kambiumréteg veszi körül. A kambium után a háncs és a fa kérge következik.

Az elemek százalékos megoszlása a különböző fafajoknál közelítőleg azonos: szén 50,0%; oxigén 43,0%; hidrogén 6,1%; nitrogén 0,2%; egyéb ásványi alkotók 0,7%. Az elemek atomjainak különféle kapcsolódása hozza létre a fát alkotó vegyületeket, amelyeket 3 csoportba sorolhatunk: poliszacharidok, lignin és kísérő anyagok.

A poliszacharidok egyszerű cukorból és azok származékaiból álló, óriásmolekulájú szénhidrátok. A legfontosabb poliszacharid a cellulóz és a keményítő. A fát alkotó sejtek fala cellulózból épül fel. A cellulózrost legkisebb alkotóeleme a szőlőcukor-molekula, amelyet a növény nedvének a klorofillja (a növény zöld színanyaga) a napfény és a talajvíz közre-működésével a levegő szén-dioxidjából állít elő. Mennyisége 70-78%, így a fa legfontosabb alkotórésze. A keményítő tartalék tápanyag, amely főképpen a lombos fákban fordul elő.

Jó tudni! Az elfásodott sejtfal legfontosabb alkotórésze a lignin. A cellulózmolekulákat körülvéve merevít, nagy szilárdságot kölcsönöz a rostoknak, így fontos szerepe van a fák szilárdságában. Mennyisége lombos fákban 18 – 30%, tűlevelűekben 25-34%.

A felsorolt alkotórészeken kívül a fa más anyagokat is tartalmaz

Ezek mennyisége kicsi, de meghatározzák a fa színét, illatát, ellenálló képességét. Az olajok és zsírok a lombos fáknál, a gyanták pedig a fenyőféléknél képződnek. A gyanták mennyisége fajonként változó. A természetes gyantát a lakkgyártás, a papírgyártás, az elektromos szigetelőipar, az olaj- és szappangyártás használja fel. A csersav majdnem minden fában megtalálható, előfordul a kéregben, a gesztben és a fiatal évgyűrűkben is. A tölgy- és a gesztenyefa nagyobb mennyiségű csersavat tartalmaz, amely hosszú élettartamot biztosít nekik. A fában található szervetlen anyagok adják a fa hamuját.

A fa tulajdonságai

A fa tulajdonságait vegyi összetétele határozza meg. A magas lignintartalmú fák nagy szilárdságúak, így a gesztesedéssel a fa egyre szilárdabb lesz, vagyis az idősebb fák szilárdabbak. A lignintartalom a rugalmasság szempontjából viszont kedvezőtlen, ezért a fiatal fák rugalmasabbak. A fa lignintartalmának változása egyenlőtlen alakváltozások okozója lehet. A csersav és a gyantatartalom tartóssá teszi a fát. A szervetlen anyagok mennyiségi előfordulásának nincs szerepe a fa tartóssága szempontjából.

A fa fizikai tulajdonságának nevezzük azokat a tulajdonságokat, amelyek a fa kémiai össze-tételének megváltoztatása nélkül megfigyelhetők.

Ilyen tulajdonságok: a külső megjelenési forma, a fa testsűrűsége és sűrűsége, nedvesség-tartalma, zsugorodása és dagadása, hőtani tulajdonságai, elektromos tulajdonsága, hangtani tulajdonsága és tartóssága.

A faanyag külső megjelenése

A fa külső megjelenési formájára jellemző a szín, a fény, a rajzolat és a szag. Ezeket az érzékszerveinkkel a különböző irányú metszeteken figyelhetjük meg.

A faanyagok színskálája igen változatos, a fafajta függvényében a legfinomabb színárnyalatok megtalálhatók. A faanyagok jellemző színüket a sejtekben lerakódó színezőanyagtól kapják. A termőhelyi körülmények, talajviszonyok is befolyásolják a faanyag színét. Az egyes fafajiaknak sajátos fényük van. Ennek oka, hogy a sugárirányú metszeten a bélsugarak visszaverik a fényt. A legtöbb fafaj felülete azonban matt. A fa fényét legnagyobb mértékben a vágás iránya befolyásolja.

A fa felületén megfigyelhető rajzolatok a vágás irányának jellemzői, de a fa szöveti szerkezetének összetettségétől függően is változhatnak. Az évgyűrűk a bütün koncentrikus körívek, a sugármetszeten párhuzamos csíkok és vonalak, a húrmetszeten pedig parabolikus formák. A rajzolatot az évgyűrűszélesség, a bélsugarak iránya és az edények mérete befolyásolja. A faanyag szaga a benne levő gyantától és illóolajoktól függ. A frissen vágott fa illata mindig intenzívebb, mint a már kiszárítotté. Fontos, hogy a beteg faanyag szaga megváltozik.

A fa testsűrűsége

A fa testsűrűségének és sűrűségének vizsgálatánál megállapíthatjuk, hogy a fa felépítése miatt nem tekinthető olyan tömör anyagnak, mint pl. a vas vagy a műanyagok. Ezért lényeges különbség áll fenn a testsűrűség és sűrűség között. A testsűrűségben a fa anyagának tömege mellett a sejtüregekben lévő nedvesség tömege is benne van, így a testsűrűséggel kapcsolatos értékeket a nedvességtartalom függvényében lehet csak értékelni és összehasonlítani. Eszerint megkülönböztetünk abszolút száraz, légszáraz és nedves sűrűséget. A nagyobb nedvességtartalomhoz nagyobb sűrűségi értékek tartoznak.

A sűrűség függ a termelőhelyi körülményektől, valamint a mintadarab törzsben elfoglalt helyétől is. A keresztmetszet belső részeinek sűrűsége mindig nagyobb, mint a külső. A törzs hossza mentén is változik a sűrűség, a gyökérfőnél mindig nagyobb. Az évgyűrűszerkezet is befolyásolja a sűrűséget. Tűlevelűeknél minél szélesebb az évgyűrű, annál kisebb a faanyag sűrűsége, míg lombhullatóknál minél szélesebb az évgyűrű, annál nagyobb.

A testsűrűséget megkapjuk, ha a mintadarab kilogrammban kifejezett tömegét elosztjuk annak m3-ben kifejezett térfogatával.

A következő csoportokat különböztethetjük meg:

  • Nagy sűrűségű fafajok (ρ > 700 kg/m3).
  • Közepes sűrűségű fafajok (ρ = 550-700 kg/m3).
  • Alacsony sűrűségű fafajok (ρ < 550 kg/m3).

Ahol a ρ (ró)  a sűrűséget jelöli.

A fa nedvességtartalma

A fa nedvszívó anyag, így mindig tartalmaz valamennyi vizet. Gyakorlati szempontból, a fa felépítését tekintve két fontos alkotórészt különböztetünk meg. A fa vázát és a fa nedvét, vagyis víztartalmát. A fa vázán a sejtek, illetve a sejtfalak összességét értjük abszolút száraz állapotban. Az élő fa súlyának csak 45-55%-át képezi a szárazanyag, a többi részét víz tölti ki. A víz előfordulhat szabad víz formájában a sejtek üregeiben és mint kötött víz, a sejtfal szerkezetén belül.

A fa nedvességtartalmát a fa környezete, a levegő hőmérséklete és nedvességtartalma befolyásolja. Például, ha a levegő relatív páratartalma növekszik, úgy a faanyag nedvessége is gyarapodik; vagy fordítva, ha a levegő relatív páratartalma csökken, akkor a faanyag nedvessége is alacsonyabbá válik. Ha állandó páratartalom mellett a levegő hőmérséklete nő, akkor a faanyag nedvessége csökkeni fog, és ha a hőmérséklet csökken, úgy a fanedvesség növekszik. Tehát a fa nedvességtartalma minden esetben igyekszik egyensúlyba kerülni a környező levegő állapotával. Egy bizonyos idő eltelte után egyensúly áll be a környezet és a faanyag nedvessége között. Ezt az állapotot egyensúlyi fanedvességnek nevezzük.

A fa nedvességtartalmát (w) tekintve a következő csoportosítást végezhetjük el:

  • Abszolút száraz állapot. Csak mesterséges szárítással lehet elérni, ilyenkor a fában sem kötött, sem szabad víz nincsen, w = 0%.
  • Túlszárított állapot. Egyes gyártástechnológiákhoz tartozik, w = 0,1-6,0%.
  • Szobaszáraz állapot. A zárt, télen fűtött térben lévő fatermékek egyensúlyi nedvességtartalma, w = 6,1-12,0%.
  • Légszáraz állapot. Eléréséhez a fát huzamosabb ideig fedett helyen, szabad levegőn kell tárolni, w = 12,1-18,0%.
  • Félszáraz állapot. Ez az állapot áll be a faanyag természetes száradása során, ha nem érintkezik vízzel, és a levegő relatív páratartalma magas, w = 18,1-29,9%).
  • Rosttelítettségi határ. Fontos érték, mert innen kezdődik a faanyag zsugorodása, vagy eddig tart a dagadása, w = 30,0%.
  • Félnedves állapot. Átmeneti állapot, a kidöntött rönk a száradás során áthalad ezen a nedvességhatáron, w = 30,1-50,0%.
  • Élőnedves állapot. Az egészséges élő fák nedvessége, w > 50,0%.
  • Vízzel telített állapot. A faanyag nedvességtartalma maximális, az összes ürege telített. Értéke a fafajtól, annak tömörségétől és sűrűségétől függ, w > 90,0%.

Zsugorodás és dagadás

A nedvességtartalom változása miatt a fa száradásnál összezsugorodik, nedvességfelvételkor megdagad. A méretváltozás az eltérő irányokban különböző: rostirányban a legkisebb, húrirányban a legnagyobb. A méretváltozást a faanyag sűrűsége, az évgyűrűk felépítése és a különböző fahibák befolyásolják. A nedvességváltozás során bekövetkező alakváltozásokat vetemedésnek nevezzük.

Vetemedések
Vetemedések

A leggyakoribb vetemedési mód a teknősödés, mely a húrmetszésű (fekvő évgyűrűs) szelvényáruk jellegzetessége. Ilyenkor a fűrészáru lapja úgy görbül, mintha az évgyűrűit ki akarná „egyenesíteni”. Ennek magyarázata az, hogy a szelvényáru bélhez közelebb eső lapja kisebb mértékben zsugorodik, mint a béltől távolabb eső lapja. A jobban zsugorodó lap maga felé görbíti a fűrészáru ellentétes lapját.

Tipp: a teknősödés úgy előzhető meg, hogy a fűrészárut szakszerűen máglyázzuk, illetve a vetemedésre fokozottan hajlamos fafajokat óvatos, lassú menetrendekkel szárítjuk.

A vágás módjától függően a rönkből más évgyűrűszerkezetű szelvényáru is kifűrészelhető. Például a sugármetszésű (álló évgyűrűs) fűrészáru nem teknősödik, mivel mindkét lapja egyformán sugármetszetű, így egyenlő mértékben zsugorodik.

Alakváltozások fa törzsében

Léteznek köztes esetek is, amikor a fűrészáru kisebb vagy nagyobb mértékben teknősödni fog, szintén az évgyűrűk íveivel ellentétes irányban. A nedvességváltozás okozta vetemedések sorába tartozik a görbülés is. Ilyenkor a fűrészáru a száliránya mentén, hosszában görbül. Ez lehet egyszeres vagy többszörös görbület, de mindkét esetben nagymértékben korlátozódnak a felhasználási lehetőségek. A szálirányú görbülés okai elsősorban fahibákra vezethetők vissza. A vetemedések legsúlyosabb esete a kajszulás, melyet szintén szöveti hibák okoznak. Ilyenkor a fűrészáru úgy változtatja az alakját, hogy megcsavarodik, térgörbévé válik. Az ilyen faanyag mechanikai megmunkálásra alkalmatlan.

Repedések, elváltozások

A vetemedés mellett a faanyag gyakran megrepedezik. A repedéseket szintén a faanyagban keletkező zsugorodási feszültség és dagadási nyomás okozza, valamint a belső és a külső farészek egyenlőtlen száradása is közrejátszik a kialakulásukban. Ilyen repedések létrejöhetnek az élő fában és a kidöntött faanyagban is. A rönkök vagy a fűrészáru további feldolgozása során a vetemedések és repedezések egyaránt anyagveszteséget okoznak, csökkentik a kihozatali. Az élő és kitermelt fa hibájának nevezzük azokat az elváltozásokat, amelyek a felhasználhatóság szempontjából csökkentik a fa értékét. Az élőfa sokféle hatásnak van kitéve. A különböző károsítok okozta hibákat csoportosítva részletezzük.

A törzs alaki hibái

A fatörzs átmérőjének lentről felfelé való fokozatos csökkenését sudarlósságnak nevezzük. A sudarlósság az élő fa növekedésének természetes következménye. Akkor számít hibának, ha az 1 hosszméterre eső törzsátmérő csökkenése meghaladja a 1,5 cm-t. Erőteljes sudarlósság esetén nagyobb az anyagveszteség, és a feldolgozáskor átvágott rostok csökkentik a szilárdságot.

A terpeszesség a törzs tőszakaszának nagymértékű sudarlóssága, mely méterenként meghaladja a 20 cm-t. A feldolgozás során nagymértékű anyagveszteséget okoz, és a rostokat is átvágják. A tőszakasz tartalmazza a törzs legértékesebb faanyagát, ezért igen hátrányos hibának számít.

Bordás növés esetén a fatörzs hosszirányával párhuzamosan kiálló bordák, köztük bemélyedések alakulnak ki, és az évgyűrűk eltérnek a szabályos formától. A villás növés az az alaki hiba, amikor a fatörzs két vagy több vezérágra oszlik. A bél már a törzs elágazása alatt két vagy többfelé válik, és a különálló bélszövetek körül önálló évgyűrűk alakulnak ki. A villás növésű fák nem alkalmasak fűrész vagy furnéripari feldolgozásra.

Görbeség

A fatörzs függőleges irányú egyenes növekedéstől való eltérése a görbeség. A normálistól eltérő görbültséget a hó és a szél nyomása okozhatja. A felhasználás szempontjából azért káros, mert a görbe faanyag nem építhető be szerkezeti elemként, illetve a görbeség miatt elmetszett rostok csökkentik a fa szilárdságát.

Szövetszerkezeti hibák

Csavarodott növés esetén a rostirány nem pár-huzamos a fa hossztengelyével. A hullámos növés a fa felületén jelentkezik, következményeként a fa keresztmetszete változó. Az ilyen fa felhasználás szempontjából értéktelen.

Jó tudni! Fodrosságnál a fa rostjai nem egyenes vonalvezetésűek, hanem hullámosan görbülnek. A fodros faanyag megmunkálása nehéz, de esztétikai értéke jelentős.

Külpontosság esetén a bél nem a fa keresztmetszetének mértani középpontjában helyezkedik el. Az ilyen fa általában valamelyik oldalról terhelést kap. Az évgyűrűk változó szélessége miatt ezeket a fákat nehéz megmunkálni, és a száradásuk során egyenlőtlen zsugorodásra hajlamosak.

Az élő fát hosszan tartó, egyirányú terhelés (pl. szél) esetén hajlító igénybevétel éri, és megdőlhet, meggörbülhet. Az igénybevétel hatására a fatest terhelés felőli oldalán húzott fa, az ellentétes oldalon nyomott fa alakul ki.

A fa ágainak növekedése a bélből indul ki, és ez a feldolgozás során göcs formájában jelentkezik. A göcsösség kedvezőtlen fahiba, mert jelentős évgyűrűtorzulásokat eredményez. A göcs színe és alakja miatt elkülönül a környező fától. Gyantatáska a gyantajáratokkal rendelkező tűlevelűek szerkezetében fordulhat elő. A gyantatáskák nehezítik a megmunkálást, csökkentik a szilárdságot, a rugalmasságot.

Az élő fa repedései

Az élő fa repedései mindig száliránnyal párhuzamosan alakulnak ki. Lehetnek palástrepedések (pl. fagyrepedések), ilyenkor a nyílás a fatest külső oldalára és a kéregre is kiterjed. A bütürepedések (pl. gyűrűs repedés, bélrepedés) a fatest belseje felé haladnak, és csak kidöntés után válnak láthatóvá. A repedések mindig a kevésbé szilárd szövetek környezetében alakulnak ki.