第 5 章木材的物理性质

第5章木材的物理性质 • 本章难点与重点: • 木材中的吸着水、纤维饱和点、吸着滞后现象和平衡含水率概念及其在生产上的指导意义； • 木材干缩湿胀发生规律、原因、对木材利用的影响及其有效控制途径 • 木材密度种类及其意义 • 木材声学、电学性质 • 木材的视觉、调温调湿等环境学特性

第5章木材的物理性质 5.1木材中的水分 5.2木材的干缩与湿胀 5.3木材的密度 5.4木材的热学性质目录 5.5木材的电学性质 5.6木材的声学性质 5.7木材的环境学特性及其对人类居住的影响

5.1 木材中的水分 • 本节重点与难点：木材纤维饱和点和木材的吸湿性 • 重点掌握：木材中的吸着水、纤维饱和点、吸湿滞后现象和平衡含水率慨念及其生产上指导意义。

5.1 木材中的水分 5.1.1木材含水率及其测定 5.1.2木材的纤维饱和点 5.1.3木材的吸湿性目录 5.1.4木材中水分的移动 5.1.5木材的吸水性 5.1.6木材透水性

5.1.1 木材含水率及其测定 • 5.1.1.1 木材中水分存在的状态 • 自由水指以游离态存在于木材细胞的胞腔、细胞间隙和纹孔腔这类大毛细管中的水分，包括液态水和细胞腔内水蒸汽两部分。影响到木材重量、燃烧性、渗透性和耐久性，对木材体积稳定性、力学、电学等性质无影响。 • 吸着水是指以吸附状态存在于细胞壁中微毛细管的水，即细胞壁微纤丝之间的水分。吸着水多少对木材物理力学性质和木材加工利用有着重要的影响。 • 化合水是指与木材细胞壁物质组成呈牢固的化学结合状态的水。这部分水分含量极少，而且相对稳定，是木材的组成成份之一。

5.1.1 木材含水率及其测定 • 5.1.1.2 木材含水率种类与测定方法 • 1）木材含水率定义 • 绝对含水率 • 相对含水率 W 绝─ 绝对含水率，%; W相─ 相对含水率，%； G0─ 全干木材的重量，g; Gw ─ 测定时木材重量，g

5.1.1 木材含水率及其测定 • 2）木材含水率的测定方法 • 干燥法是将欲测含水率的木材称其初重（Gw）后放入烘箱，先在60℃低温下烘干2小时，之后将温度调至103±2℃，连续烘干8－10h后至重量（G0）不变 • 蒸馏法 2~3mm厚度的碎木置于三角瓶中，加热蒸馏；水蒸汽与二甲苯蒸汽进入冷却器，经冷凝的液体即流入受器中，水分重沉至下部，多余的二甲苯则沿侧管返回瓶中. 蒸馏法测定木材含水率

5.1.1 木材含水率及其测定 • 电测法电测法是利用木材电学性质如电阻率、介电常数和损耗因素等与木材含水率的关系设计出一种测湿仪。根据木材的直流电阻率随木材含水率变化的原理，测量范围：7~28% 电阻式木材含水率测定仪根据木材的介电常数、损失角正切值随木材含水率的增加而增加原理，测量范围：可由绝干材至饱和含水率。但由于制造上的困难，实际上测湿范围是有所限制。交流介电式

木材测湿仪 插入式木材测湿仪感应式水分测定仪测量原理:电阻式测量木材水分测量原理:电磁波感应木材水分,不损坏木材,测量精度高,测量范围:0~50%

5.1.1 木材含水率及其测定 • 5.1.1.3 木材含水率的变化与分类 • 1）木材含水率的变化 • 树种间差异：不同树种，含水率不同 • 株内差异，心材小于边材；如云南松边材含水率为106%，而心材含水率为55%；枫香的边材含水率为137%，而心材含水率为79%。

5.1.1 木材含水率及其测定 • 2）不同含水量状态下木材的分类结合水细胞壁自由水细胞腔湿材状态 >100% 生材状态 >50% 纤维饱和点 23~33% 气干状态 10~18% 绝干状态 0

5.1.2 木材的纤维饱和点 • 5.1.2.1 纤维饱和点定义及其意义 • 纤维饱和点指木材细胞壁吸着水处于饱和状态而细胞腔无自由水时称为木材纤维饱和点，此时的含水率为纤维饱和点含水率。纤维饱和点含水率平均约为30%。 • 纤维饱和点是木材多种材性的转折点就大多数木材力学性质而言，如含水率在纤维饱和点以上，其强度不因含水率的变化而有所增减。当木材干燥含水率减低至纤维饱和点以下时，其强度随含水率之减低而增加，如图所示

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5.1.3 木材的吸湿性 • 5.1.3.1 木材吸湿性及其产生原因 • 木材细胞壁结构特点:如图所示 • 木材的吸湿性是指木材从空气中吸收水分或向空气中蒸发水分的性质。 • 木材吸湿性产生的条件:空气中的水蒸汽压力与木材表面水蒸汽压力不相等 • 木材发生吸湿内因:纤维素和半纤维素等化学结构中有许多自由羟基(一OH) • 木材吸湿的空间位置:细胞壁中无定形区域

木材管胞细胞壁微细结构 木材细胞壁结构细胞壁内微纤丝组成微纤丝由纤维素分子链组成，分为结晶区与无定形区自由羟基的由来? 返回

5.1.3 木材的吸湿性 • 木材细胞壁中的吸着水状态木材细胞壁中的初级和次级吸着水

讨论:自由水与吸着水的性质是否相同，为什么？讨论:自由水与吸着水的性质是否相同，为什么？

5.1.3 木材的吸湿性 • 5.1.3.2 木材吸湿滞后现象 • 吸湿:当空气中的水蒸气压力大于木材表面水蒸气压力时，木材从空气中吸收水分的现象。 • 解吸:空气的蒸气压力小于木材表面的水蒸气压力时，木材中水分向空气中蒸发的现象。 • 吸湿滞后:在相同的大气温度和相对湿度条件下，干燥木材的吸湿过程所能达到的最大含水量总是低于潮湿木材解吸过程所能达到的最小含水量，这种解吸稳定含水率大于吸湿稳定含水率现象称为木材吸湿滞后。

5.1.3 木材的吸湿性 木材吸湿与解吸曲线关系吸湿滞后=W解吸-W吸湿，范围为1%~5%，平均为：2.5% 吸湿滞后在木材干燥中具有重要应用：干燥木材最终含水率为：

5.1.3 木材的吸湿性 • 5.1.3.3 木材平衡含水率 • 木材平衡含水率薄小木料在一定空气状态下最后达到的吸湿或解吸稳定含水率叫做平衡含水率。木材平衡含水率图

5.1.3 木材的吸湿性 • 木材平衡含水率测定方法：气干材或生材，置于室内通风良好之处，直至与空气湿度平衡，含水率不再变化，测定此的木材含水率。 • 讨论：为什么常用气干材或生材测定木材平衡含水率？能否用绝干材，为什么？ • 木材平衡含水率是一个动态值：与环境的温、湿度条件、木材尺寸等有关，地区间存在差异。

讨论：木材平衡含水率在木材加工中的应用

5.1.4 木材中水分的移动 • 木材水分移动的主要通道与机理 • 木材细胞中的主要空隙: • 含水率高于纤维饱和点时: 毛细管张力差引起的液态水沿着细胞腔与纹孔的移动。 • 在纤维饱和点以下: • ①在水蒸汽梯度压力的作用下，水蒸汽沿着细胞腔并通过纹孔及纹孔膜上小孔，由内向外扩散。 • ②在毛细管力作用下，吸着水沿着细胞壁内微内细管系统的移动。 • ③两种路径相互交替移动。

5.1.5 木材的吸水性 • 木材浸于水中吸收水分的能力，称为木材的吸水性。 • 木材吸水性的影响因素：树种、时间 • 木材吸水性的测定：20×20×20mm试样干燥后放入盛有蒸馏水的容器内，至重量不再变化时的含水率。

5.1.6 木材透水性 • 液体或水借其本身的吸力或外界的压力渗入木材内部的能力称为木材的透水性。 • 透水性与木材加工的关系：透水性与木材防腐、注入阻燃剂、油漆、着色、涂胶、树脂的浸出等关系密切。木材透水性大，有利于木材防腐、油漆、着色、涂胶、树脂的浸出等。而对于木制水管、水桶和船舶用材等应用其不利的条件，水桶用材应选用渗透小的木材。如酿造葡萄酒的酒桶选用侵填体含量较多的麻栎等木材。

水分或液体透水性影响因素：液体性质、温度、树种（内含物与具侵填体等） 、心材、边材、纹理方向等而异。 • 讨论：心材与边材的渗透性比较，哪一种渗透性好，为什么？

4.2 木材的干缩与湿胀 4.2.1 木材干缩与湿胀 4.2.2 木材干缩与湿胀各向差异的原因 4.2.3 木材干缩的评价指标与测定方法 4.2.4 木材干缩和湿胀对木材加工和使用的影响 4.2.4 减少木材干缩、湿胀的方法

4.2.1 木材干缩与湿胀 • 4.2.1.1 木材干缩和湿胀现象 • （1）木材干缩和湿胀 • 湿材因干燥而缩减其尺寸的现象称之为干缩；干材因吸收水分而增加其尺寸与体积的现象称之为湿胀。 • （2）木材干缩（湿胀）的种类 • 木材的干缩分为线干缩与体积干缩二大类。

纵向干缩是沿着木材纹理方向的干缩，其收缩率数值较小，仅为0.1—0.3%，对木材的利用影响不大。横纹干缩中，径向干缩是横切面上沿直径方向的干缩，其收缩率数值为3—6%；弦向干缩是沿着年轮切线方向的干缩，其收缩率数值为6—12%，是径向干缩的1-2倍。纵向干缩是沿着木材纹理方向的干缩，其收缩率数值较小，仅为0.1—0.3%，对木材的利用影响不大。横纹干缩中，径向干缩是横切面上沿直径方向的干缩，其收缩率数值为3—6%；弦向干缩是沿着年轮切线方向的干缩，其收缩率数值为6—12%，是径向干缩的1-2倍。

4.2.1.2 影响木材干缩和湿胀主要因素 • 影响因素： • （1）树种 • 树种不同，其构造和密实程度不同，干缩湿胀树种间差异很大（如下表）。有的树种很容易干燥，干缩湿胀和变形都很小，而有的树种特难干燥，其干缩湿胀很大，使用和干燥过程中特别易发生开裂变形。

部分树种木材的干缩率/%

（2）微纤丝角度 木材纵向干缩和弦向干缩与微纤丝角度间的关系

马尾松晚材率与横纹干缩的关系 早晚材与干缩的关系

（4）树干中的部位

4.2.2 木材干缩与湿胀各向差异的原因 • 与组成木材这种材料的细胞种类、细胞壁构造和化学成分特性相关。 • 木材纵向干缩小，横向干缩大。形成此种现象的主要原因，关键在于木材的构造和化学组成成分的特性。木材中仅有木射线细胞是横向排列，绝大部分细胞是纵向排列。

4.2.2.1 纵向干缩与横向干缩差异的原因 不同纤丝角度的木材干燥前后纵横向尺寸的变化 1-1试样干燥前尺寸 1-2 试样干燥横向尺寸变化 2-1试样干燥前尺寸 2-2 试样干燥纵向尺寸变化

木材细胞壁次生壁中间层微纤丝主轴是由C-C、C-O键连结，水分子无法进入到纤维素分子链内的长度方向。微纤丝链状分子上的碳、氧原子只能在原子核范围内活动，其本身轴向不发生收缩。由于正常木材细胞次生壁中层微纤丝排列方向与主轴不完全平行，而成10—30o的夹角，横纹收缩时在轴向会产生微小的分量（0.1-0.3%）。因此轴向收缩很小，横向干缩大于纵向。木材细胞壁次生壁中间层微纤丝主轴是由C-C、C-O键连结，水分子无法进入到纤维素分子链内的长度方向。微纤丝链状分子上的碳、氧原子只能在原子核范围内活动，其本身轴向不发生收缩。由于正常木材细胞次生壁中层微纤丝排列方向与主轴不完全平行，而成10—30o的夹角，横纹收缩时在轴向会产生微小的分量（0.1-0.3%）。因此轴向收缩很小，横向干缩大于纵向。

4.2.2.2 径向与弦向干缩差异的原因 • （1）早材与晚材的影响 • （2）径向木射线的抑制作用 • （3）细胞径向壁与弦向壁中木素含量的差异的影响 • （4）木材各种细胞干燥过程本身不均匀收缩 • （5）径壁、弦壁纹孔数量及其周围纤丝角度变大的影响

4.2.3 木材干缩的评价指标与测定方法 • 4.2.3.1 木材干缩性的评价指标 • 木材的干缩和湿胀的程度在三个不同方向上不一样，木材的干缩性质常用干缩率、干缩系数和差异干缩来表达。 • （1）气干干缩率从生材或湿材在无外力状态下自由干缩到气干状态，其尺寸和体积的变化百分比称为木材的气干干缩率，可按下式分别计算径向、弦向和体积气干干缩率。 • βW =(L max – L w)× 100% / L max • βvW =(V max – V w)× 100% / V max

（2）全干干缩率 • 木材从湿材状态干缩到全干状态下，其尺寸和体积的变化百分比称为木材的全干干缩率。 • （3）干缩系数干缩系数是指吸着水每变化１％时木材的干缩率变化值，用K来表式。 • 弦向、径向、纵向和体积干缩系数分别记为KT、KR、KL和KV。 • KT、R、L＝βW／(W1－W2) • KV＝（Vw-Vo）100% /Vo W • （4）差异干缩木材弦向干缩与径向干缩的比值称为差异干缩。

4.2.3.2 木材干缩的测定 • （1）试样要求：用饱和水分的湿材制作，尺寸为20×20×20mm，标准的纵向、径向和弦向。 • （2）方法与步骤 • ① 测定时，试样的含水率应高于纤维饱和点，否则应将试样浸泡于温度20±2℃的蒸馏水中，至尺寸稳定后再测定。 • ② 将测量后的试样进行气干，在气干过程中，用2~3个试样每隔6h试测一次弦向尺寸，至连续两次试测结果的差值不超过0.02mm时，即可认为达到气干。 • ③ 将测定后的试样放至烘箱中，开始时保持温度60℃6个小时；然后，升温至103±2℃，使试样达到全干，并测出各试样全干时的重量和径、弦向尺寸。

4.2.4 木材干缩和湿胀对木材加工和使用的影响 • 4.2.4.1 变形 • 木材干燥后，因为各部分的不均匀干缩而使其形状改变，谓之变形。 • （1）板方材横断面上的变形 • 生材或湿材干燥时，由于木材弦向干缩远大于径向干缩及二者干缩不一致的共同影响，促使原木解锯后的方材、板材、圆柱等的端面发生多种形变，

生材状况下原木横切面上各部位下锯后板材断面形状的变化生材状况下原木横切面上各部位下锯后板材断面形状的变化

① 若为径切板(包含髓心)其两端干缩甚大，中间干缩较小，结果变为纺锤状，图4-12中1。 ② 若为径切板(不包含髓心)干缩颇为均匀，其端面近似矩形，图4-12中2。 ③ 若板材表面与年轮成45℃角，干缩后两端收缩甚大，长方形变为不规则形状，图4-12中3。 ④ 原为正方形，年轮与上下两边平行，干缩后，因平行于年轮方向的干缩率较大，垂直于年轮的干缩率较小，变为矩形，图4-12中4。 ⑤ 木材端面与年轮成对角线，干缩后，正方形变为菱形，图4-12中5。 ⑥ 木材端面为圆形，干缩后，变为卵形或椭圆形，图4-12中6。 ⑦ 若为弦切板端面，干缩后，两侧向上翘起，图4-12中7。

（2）板方材长度方向上纵切面的变形 • 原木锯成板材后，如不合理干燥，会导致其长度方向（纵切面）上发生很大的变形，表现形式主要为弯曲，其形状与其在木材横切面上的位置有很大的关系板材纵向上变形

4.2.4.2 开裂 • 木材因干燥的不均匀与各方干缩的差异，造成开裂，裂缝大多垂直于年轮而平行于木射线，此乃木材纵向分子与木射线相交之处的结合力弱所致。木材各种开裂形式

4.2.4 减少木材干缩、湿胀的方法 • 4.2.4.1 高温干燥、降低木材吸湿性 • 高温干燥处理木材是目前减少木材干缩湿胀的主要方法，应用广泛。高温干燥主要是使木材干缩微纤丝之间的距离逐渐缩小，减少非晶区纤维素分子链状分子上游离羟基数目，形成新的氢键结合；同时，半纤维素降解物与木素分子上基团聚合封闭羟基，降低木材吸湿性。

4.2.4.2 利用径切板 • 木材径向干缩是弦向干缩的一半，利用径切板可比弦切板木材干缩少一半。 • 4.2.4.3 利用木芯板 • 将细木条用合成树脂胶粘成合木，这样不过分考虑木材的年轮方向，杂乱相胶，结果总是趋于径切板，很少为弦切板。此种方式已广泛用于地板、木芯板及木材工业生产。

4.2.4.4 机械抑制 • 机械抑制即利用胶合板，胶合板中将单板纵横交错用胶压合而成，这样就能以干缩极小的纵向，机械地抑制横纹干缩，将胀缩减小到最小。同时木材横纹方向强度小，顺纹方向木材强度高，可以弥补木材横纹方向强度小的特点，使材料趋于均匀一致。 • 4.2.4.5 表面涂饰油漆 • 利用涂料、油漆涂刷木材表面，减少木材与湿空气接触，阻碍水分的渗入，从而使纤维表面包裹起来，可以降低木材对大气湿度变化敏感性，延缓木材吸湿速度，减少胀缩。

4.2.4.6 充胀与改性 • 用聚已二醇、尿素、醋酸酐等低分子的聚合物注入木材，置换木材中水分，对本材起有效膨胀作用，使木材干缩极小。

第 5 章 木材的物理性质