2.2.2.3 víz szorpció és permeabilitás
a fa higroszkópos anyag; képes adszorbeálni és / vagy deszorb vizet a környező környezetből, hajlamos elérni az egyensúlyi állapotot, amikor a légköri relatív páratartalom (RH) stabil. Ezért a fa nedvességtartalma (MC) a fa szövetében jelen lévő víz relatív tartalma, amely természetes állapotból (élő fában) származik, vagy olyan légköri vagy kizsákmányolási tényezők hatásának eredménye, amelyek hosszabb ideig befolyásolják az anyagot. Az egyensúlyi nedvességtartalom és az Rh közötti kapcsolatot állandó hőmérsékleten szorpciós izotermának nevezzük. A szorpciós izoterma az anyag egyik jellemzője, de a vizsgált minta hőmérséklete és korábbi szorpciós története befolyásolja. Instabil környezeti RH körülmények között a fa nedvessége folyamatosan változik ,és az egyensúly ritkán érhető el (Popescu and Hill, 2013; Engelund et al., 2013).
egy élő fában a nedvességtartalom értéke fafajonként, a fán belül, például a sziffa és a szívfa között, évszakok között, és esetleg a napszakban is változik. A puhafák esetében a szívfa nedvességtartalma jellemzően lényegesen alacsonyabb, mint a szifánál (Pallardy and Kozlowski, 2008; Engelund et al., 2013). Ez nem mindig áll fenn a keményfa esetében, amelyeknél a szívfa és a sziffa nedvességtartalma a fajoktól függ, és az évszaktól is függhet (Pallardy and Kozlowski, 2008; Engelund et al., 2013).
megemlítették, hogy a fa víz három különböző állapotban lehet jelen (szabad víz, fagyasztó kötött víz és nem fagyasztó kötött víz; Nakamura et al., 1981; Berthold et al., 1996). A szabad vizet a sejt lumenekben lévő kapilláris víznek tekintik, míg a kötött víz kölcsönhatásba lép a többé-kevésbé hidrofil fa polimerekkel. Feltételezték, hogy a fagyasztással kötött víz mérsékelten kötődik a sejtfalhoz, míg a nem fagyasztással erősen kötött víz.
tekintettel arra, hogy a fa polimerek hidroxilcsoportjai a fő szorpciós helyek, alacsony nedvességtartalom mellett, javasolt, hogy a vízmolekulák egyszerre két szomszédos hidroxilcsoporthoz kötődjenek (Joly et al., 1996) az egyrétegű vagy erősen kötött víz kialakítása a sejtfalon belüli poláris csoportokhoz. Ez legfeljebb ~ 4% nedvességtartalom mellett történik. Ezenkívül a polimolekuláris adszorpció ~ 4% – tól 12% – ig terjedő nedvességtartalom tartományban zajlik, többrétegű vagy gyengén kötött vizet képezve a szubsztrátumhoz vagy a nagyobb vízcsoportokban. A kapilláris szorpció jelensége magában foglalja a fa nedvességtartalmát 12% – tól ~ 30% – ig (sejtfal telítettségi pont). A nedvességtelítettségi pontot a fa akkor éri el, ha elég hosszú ideig tartja a maximális RH százalékos környezetben, és a fafajtól független mennyiség.
a nedvességtartalom mérése információt nyújt a fa nedvesedésének aktuális állapotáról az adott környezeti feltételek mellett (Lásd az ábrát. 2.5).
ábra. 2.5. Szorpciós izoterma ábrázoljuk függvényében minta relatív páratartalom Nyír (Betula sp.) fa.
a nedvességtartalmat általában a fa tömegének százalékában fejezzük ki. Ezért ugyanazon nedvességtartalom mellett a fában lévő víz tömege eltérő érték az egyes fafajok esetében. A nagyobb sűrűségű fa több vizet tartalmaz, mint az alacsonyabb sűrűségű fa, azonos nedvességtartalom mellett.
a víz adszorpcióját és deszorpcióját a fa lineáris méreteinek változásai kísérik (duzzanat és zsugorodás). A fa anizotróp anatómiája miatt nedvességtartalmához kapcsolódó deformációi különböznek a hosszanti, radiális és tangenciális irányokban. A legnagyobb méretváltozás az éves növekedési gyűrűk irányában történik (tangenciálisan), kevésbé keresztben a gyűrűkhöz, alig a szár irányába. Ezenkívül a különböző fafajok eltérően duzzadnak (Rowell, 2005; Hohne and Tauer, 2016).
a fa abszorpciója a vízbe (vagy más folyadékba) merített fa abszorpciós képessége. Az abszorpciót három paraméter határozza meg: az abszorpció sebessége, a maximális vízkapacitás és a telítettség mértéke (együttható). Számértékeik a fafajtól (sűrűségétől és porozitásától), a törzszónától (száfrány vagy szívfa), a fa szövet kezdeti nedvességtartalmától, a folyadék típusától, a minta méretétől és a fa anatómiai irányától függenek.
a Faáteresztő képesség az anyag nedvesedésre való érzékenysége és annak képessége, hogy a folyadék áthaladjon rajta. Ez a tulajdonság fontos többek között az impregnálási folyamatokban (a fa megőrzésében) és az építőiparban. A permeációra való hajlamot meghatározó fő tényezők közé tartozik a fa anatómiája, a törzs keresztmetszeti zónája (sapwood, heartwood), az anatómiai irány és a folyadék nyomása.
a víz behatolása, amikor a fa nedvességnek van kitéve, és a kibocsátás sebessége, amikor a fa megszárad, jelentős hatással van a teljesítmény és a várható élettartam meghatározására. Mivel a vízáteresztő képesség az egyik kulcsfontosságú tényező, amely befolyásolja a fa alkatrész teljesítményét, mivel szabályozza a gombás bomlás lehetőségét, a víz számára kevésbé áteresztő fafajok várhatóan jobban teljesítenek, mint az áteresztő Fajok azokban a használati osztályokban, ahol a fa szakaszos nedvesítésnek van kitéve. A nedvesség ideje szintén kulcsfontosságú tényező a gombák fejlődésében, és a környezeti paraméterek befolyásolják, beleértve a tervezést, az épületfizikát, az expozíciót és a karbantartást, amelyek figyelemre méltó hatással vannak a teljesítményre, és Európa-szerte nagyon eltérőek (Kutnik et al., 2014).
a fa termikus tulajdonságai jellemzik a fa viselkedését hőterhelés alatt, amikor a hőmérséklet emelkedik vagy csökken. A hőmérséklet fontos paraméter, amely befolyásolja a különböző technológiai folyamatokat és a fa sajátos tulajdonságait. A szerkezeti anyagok számos hőtulajdonsága közül a következők a legfontosabbak a faipari ágazatban, a fajlagos hő, a hővezető képesség és a hőtágulás (Czajkowski et al., 2016).
Az anyag fajlagos hője (fajlagos hőkapacitása) az anyag tömegegységenkénti hőmennyisége, amely szükséges ahhoz, hogy az anyag hőmérsékletét 1 Celsius C-Mal megemelje, és az anyagot a hő felhalmozódási képessége alapján jellemzi. Úgy gondolják, hogy a fa fajlagos hője magas; ezért ugyanolyan mennyiségű hővel a hőmérséklete lassabban emelkedik, mint a fém vagy üveg hőmérséklete. A fa fajlagos hője befolyásolja szigetelő tulajdonságait és hőkapacitását (Czajkowski et al., 2016; Glass and Zelinka, 2010).
egy adott anyag specifikus hővezető képessége az a képesség, hogy a hőt magasabb hőmérsékletű helyekről alacsonyabb hőmérsékletű helyekre vezesse azáltal, hogy a sugárzó energia áramlását a szomszédos molekulákba továbbítja. Ezt az anyagtulajdonságot a hővezetési együttható numerikus értéke írja le, minél nagyobb az értéke, annál több hőt vezet az anyag. A fa hővezető képessége növekszik a nedvességtartalom és a sűrűség növekedésével. Ez függ a fa hőmérsékletétől és a hőáram áramlásának irányától a gabona irányához viszonyítva. A gabona mentén mérve a fa hővezetési együtthatója kétszer olyan magas, mint a gabona keresztirányú irányában, azaz 0,35, illetve 0,15 W/mK (Czajkowski et al., 2016; Glass és Zelinka, 2010).
a termikus diffúzió annak mértéke, hogy egy anyag milyen gyorsan képes elnyelni a környezetéből származó hőt. A hővezető képességnek a sűrűség és a hőkapacitás szorzatához viszonyított aránya. A fa alacsony hővezető képessége és mérsékelt sűrűsége és hőkapacitása miatt a fa termikus diffúziója sokkal alacsonyabb, mint más szerkezeti anyagoké, például fém, tégla és kő (Glass and Zelinka, 2010).
a fa hőtágulása olyan tulajdonság, amely a hőmérséklet (fűtés) növekedése miatt jelenik meg. A lineáris és térfogati tágulási együttható jellemzi. Az első egy adott anyagegység hosszának az anyaghőmérséklet-növekedésenkénti meghosszabbításának viszonya a kezdeti hosszához, míg a második analóg módon kerül kiszámításra. Ugyanakkor a hosszirányban számított lineáris tágulás sokkal alacsonyabb, mint a radiális vagy tangenciális. Az alacsony hosszanti tágulási együttható az épületszerkezetekben használt fa előnye (Glass and Zelinka, 2010).
a fa akusztikai tulajdonságai az ultrahangos hullámok mozgását kísérő jelenségek folyamatához és a fa egyéb fizikai paramétereire gyakorolt hatásukhoz kapcsolódó jellemzők csoportja. A fa anatómiája lehetővé teszi, hogy a hang a gabonával párhuzamos és keresztirányú irányban haladjon. Ezért a fa minden tulajdonságának meghatározását három anatómiai síkban (irányban) végezzük (Bucur, 2006). A fa ultrahangos hullámsebességét különböző tényezők is befolyásolják. A növekedési gyűrű változásai, a természetes hibák, a nedvesség és a hőmérséklet az akusztikus ultrahangos paraméterek csillapítását okozzák. Például a sebesség csökken, ha a nedvességtartalom radiális irányban nagyobb, mint a tangenciális irányban. Az akusztikus tulajdonságokat az anyag sűrűsége is befolyásolja (Chen et al., 2012; Yang et al., 2015).