1、生物质材料,東北林業大學材料科学与工程学院,Northeast Forestry University,主要内容,第一章 绪论 第二章 纤维素基材料 第三章 木质素 第四章 木材 第五章 淀粉基材料 第六章 甲壳素基材料 第七章 蛋白质基材料 第八章 其他生物质材料,第四章 木材,目的和要求 了解木材的组织结构、化学组成、主要性质与应用等相关知识。重点掌握木材的组织和细胞结构、化学组成及其与部分木材性质的关联。 内容和要点 4.1 木材的概述 4.2 木材的组织结构 4.3 木材的宏观结构 4.4 木材的微观结构 4.5 木材的化学组成 4.6 木材与水分 4.7 木材的改性 4.8 木材的主
2、要应用,4.1 木材的概述,（1）我国的木材资源及现状 我国林业土地26743万公顷，森林1.75亿公顷，森林覆盖率由新中国成立初的8.6%提高到目前的18.21%，活立木蓄积量124.56亿m3，森林蓄积量101.4亿m3，人工林保存面积0.53亿公顷，蓄积量15.05亿m3，人工林面积居世界首位。 我国森林总量不足，森林覆盖率仅相当于世界平均水平的61.52%，居世界第130位；人均森林面积0.132公顷，不到世界水平的25%，居世界第134位。 我国国土辽阔，森林分布不均。从国民经济社会发展来看，森林资源和森林质量难以满足社会发展和经济增长的需求。 林地流失依然严峻，林木过量采伐仍相当严
3、重。 我国既是一个木材生产大国，又是一个木材消费大国，而且目前对木材的利用率不高。,4.1 木材的概述,（2）木材的特点 易于加工 质轻、强度高，强重比大 热绝缘与电绝缘特性 能引起亲近感的颜色、花纹和光泽 对紫外线的吸收和对红外线的反射作用 良好的声学性质,4.1 木材的概述,（2）木材的特点 纤维素的主要来源，并且可提供一些保健药品成分 具有吸收能量和破坏先兆预警功能 具有湿胀、干缩性 可燃烧性 易腐朽或遭虫蛀 具有天然缺陷,4.1 木材的概述,（3）木材的分类 植物界可划分为藻类植物、苔藓植物、蕨类植物和种子植物四大门。其中种子植物的种最多。木材来源于种子植物。 种子植物按其习性，可分为
4、木本和草本。木本植物一般具有多年生的根和茎，维管系统发达，并能由形成层形成次生木质部和次生韧皮部。 木本植物习惯上又分为乔木、灌木和木质藤本三种。 乔木通常是指具有单一主干，树高可达6m以上的木本植物，即通常所说的树木。木材主要来源于乔木树种。 木材又包括针叶树材和阔叶树材。,4.2 木材的组织结构,（1）树木的组成部分 树根：树木的地下部分，占立木总体积525%。是主根、侧根和毛根的总称。 树冠：树木最上部分生长着的枝丫、树叶、侧芽和顶芽等部分的总称。 树干：树冠与树根之间的直立部分，是树木的主体，也是木材的主要来源。,4.2 木材的组织结构,活树各部分的体积比例,4.2 木材的组织结构,（
5、2）树木的生长 树木的生长是高生长（顶端生长，初生长）与直径生长（次生长）的共同作用结果。 树木的高生长包括茎干的不断加高、侧枝的不断延伸和根的不断延长。其生长过程依赖于其顶梢、枝梢和根尖部位具有无限分生能力的组织。 树木的直径生长是木质部和韧皮部细胞不断增加的结果，它是由形成层原始细胞进行弦向平周分裂来完成的，向内形成木质部，向外形成韧皮部。,4.2 木材的组织结构,（3）树干的构造 树干由树皮、木质部和髓三部分构成，在宏观条件下即可区分。在树皮和木质部之间，还有一层极薄、不易为人们用肉眼分辨的形成层。 树皮：包裹在树木的干、枝、根次生木质部外侧的全部组织的统称。 形成层：位于树皮和木质部之
6、间，是包裹整个树干、树枝和树根的一个连续的鞘状层，由于其分生功能在于直径加大，又称为侧向分生组织。 木质部：位于形成层和髓之间，是树干的主要部分。根据细胞的来源，木质部分为初生木质部和次生木质部。 髓：位于树干的中心部位 。,4.3 木材的宏观结构,（1）概述 木材的宏观结构是指用肉眼或借助10倍放大镜所能观察到的木材构造特征。 木材的宏观特征分主要宏观特征和辅助宏观特征两部分。 木材的主要宏观特征是木材的结构特征，它们比较稳定，包括心材和边材、生长轮、早材和晚材、管孔、轴向薄壁组织、木射线、胞间道等。 木材的辅助宏观特征又称次要特征，通常变化较大，只能在宏观识别木材中作为参考，如髓斑、色斑、
7、乳汁迹、内含韧皮部、油细胞和粘液细胞等。还包括木材的颜色、光泽、纹理、花纹、结构、材表、气味、滋味、轻重和软硬等一些作为木材识别辅助依据的物理特征。,4.3 木材的宏观结构,（2）木材的三切面 木材的三切面可充分把木材结构特征反映出来。反之，要充分认识木材的结构特征，又必须通过三切面进行。 三切面本身不是木材特征，它是人为确定的三个特定的木材截面对它们的观察就可以达到全面了解木材构造的目的。 木材的三切面：横切面、径切面、弦切面,4.3 木材的宏观结构,横切面是与树干长轴相垂直的切面，亦称端面或横截面。在这个切面上，可以见到木材的生长轮 、心材和边材、早材和晚材、木射线、薄壁组织、管孔(或管胞
8、)，胞间道等，是木材识别的重要切面。,横切面,4.3 木材的宏观结构,弦切面,弦切面是顺着树干长轴方向，与木射线垂直或与生长轮相平行的纵切面。弦切面和径切面同为纵切面，但它们相互垂直。在弦切面上生长轮呈抛物线状，可以测量木射线的高度和宽度。,4.3 木材的宏观结构,径切面,径切面是顺着树干长轴方向，通过髓心与木射线平行或与生长轮相垂直的纵切面。在这个切面上可以看到相互平行的生长轮或生长轮线、边材和心材的颜色、导管或管胞线沿纹理方向的排列、木射线等。,4.3 木材的宏观结构,木材的三个切面,4.3 木材的宏观结构,（3）木材的主要宏观特征 边材：木质部中靠近树皮（通常颜色较浅）的外环部分。 心材
9、：髓心与边材之间（通常颜色较深）的木质部。 生长轮：通过形成层的活动，在一个生长周期中所产生的次生木质部，在横切面上呈现一个围绕髓心的完整轮状结构，称为生长轮或生长层。生长轮的形成是缘于外界环境变化造成木质部的不均匀生长现象。 年轮：温带和寒带树木在一年里，形成层分生的次生木质部，形成后向内只生长一层，将其生长轮称为年轮。但在热带，一年间的气候变化很小，四季不分，树木在四季几乎不间断地生长，仅与雨季和旱季的交替有关，所以一年之间可能形成几个生长轮。,4.3 木材的宏观结构,早材与晚材：温带和寒带树木在一年的早期形成的木材，或热带树木在雨季形成的木材，由于环境温度高，水分足，细胞分裂速度快，细胞
10、壁薄，形体较大，材质较松软，材色浅，称为早材。到了温带和寒带的秋季或热带的旱季，树木的营养物质流动缓慢，形成层细胞的活动逐渐减弱，细胞分裂速度变慢并逐渐停止，形成的细胞腔小而壁厚，材色深，组织较致密，称为晚材。 阔叶材的导管在横切面上呈孔状，称为管孔。在纵切面上导管呈沟槽状，叫导管线。有无管孔是区别阔叶树和针叶树的首要特征。阔叶材具有明显的管孔，称为有孔材，而针叶材没有导管，肉眼下横切面上看不到孔状结构，故称为无孔材。,4.3 木材的宏观结构,髓射线：在木材横切面上，有许多颜色较浅，从髓心向树皮方向呈辐射状排列的组织。 木（韧皮）射线：在木质部（韧皮部）的射线。是树木的横向组织，由薄壁细胞组成
11、，起横向输送和贮藏养料作用。 初生木射线：髓射线起源于初生组织，后来由形成层再向外延伸，它从髓心穿过生长轮直达内树皮。 次生木射线：起源于形成层的木射线，达不到髓心。 轴向薄壁组织：形成层纺锤形原始细胞所形成的薄壁细胞。它们沿树轴方向排列。在横切面上，呈比木材颜色浅的线条或围绕管孔的圆圈或斑点状。用水润湿后更为明显。 胞间道：由分泌细胞围绕而成的长形细胞的间隙。针叶材中贮藏树脂的胞间道称为树脂道。阔叶树材中贮藏树胶的胞间道称为树胶道。,4.3 木材的宏观结构,（4）木材的次要宏观特征 颜色和光泽 颜色：色素、单宁、树脂、树胶及油脂等物质沉积于木材 细胞腔，并渗透到细胞壁中，使木材呈现不同的颜色
12、。 光泽：光线在木材表面反射时所呈现的光亮度。 气味和滋味 木材的气味来源于细胞腔所含有的树脂、树胶、单宁以及各种挥发性物质。 木材的滋味来源于木材中所含的水溶性抽提物中的一些特殊化学物质。,4.3 木材的宏观结构,纹理、结构和花纹 纹理：构成木材主要细胞(纤维、导管、管胞等)的排列方向。结构：构成木材细胞的大小及差异的程度。花纹：木材表面因生长轮、木射线、轴向薄壁组织、颜色、节疤、纹理等而产生的图案。 重量和硬度轻软木材：密度小于0.5g/cm3，端面硬度低于5000N/cm2中等木材：密度0.50.8g/cm3，端面硬度500110000N/cm2重硬木材：密度大于0.8g/cm3，端面硬
13、度高于10000N/cm2 髓斑：树木生长过程中形成层受到昆虫损害后形成的愈合组织。,4.4 木材的微观结构,（1）木材细胞的生成 A、形成层原始细胞的分裂 形成层的两种原始细胞： 纺锤形原始细胞：长轴沿树高方向，两端尖削，呈纺锤形，为木质部中纵行排列细胞的来源 射线原始细胞：形小、聚集成射线状，为木质部中横行细胞的来源,4.4 木材的微观结构,形成层原始细胞的两种分裂类型： 在弦向纵面的平周分裂，即原细胞一分为二，所形成的两个子细胞和原细胞等长，其中的一个仍留在形成层内生长成纺锤形原始细胞，另一个向外则生成为韧皮部细胞，向内则生成为木质部细胞。平周分裂使树干的直径增加； 垂周分裂在径向两侧产
14、生新的形成层原始细胞，以适应树干直径加大中形成层周长增加的需要。,4.4 木材的微观结构,B、木材细胞的形成和胞壁增厚 木质部子细胞的形体扩大阶段 木质部子细胞经由形成层原始细胞分生出后，即进入细胞形体的扩大阶段。 细胞形体的扩大主要表现为细胞尺寸增大，一般为直径增加和长度伸长。 细胞尺寸的纵向增长，主要是细胞延伸的结果。,4.4 木材的微观结构,木质部子细胞的胞壁增厚阶段 形成层分生的木质部新细胞的胞壁很薄，新细胞在完成或接近完成形体增大后，还需要进入胞壁增厚的阶段。 在这一阶段，木材的各种细胞均仍具生命机能，只是原生质逐渐转化成为胞壁物质并添加在细胞壁上。 厚壁细胞的原生质全部转化成为细胞
15、壁时，胞壁增厚阶段即告结束，同时也意味着单个细胞的生命活动停止。 薄壁细胞在增厚阶段只有部分原生质转化成细胞壁，另一部分原生质在细胞位于边材范围的年份内尚保持生机；当边材转变成心材时，这部分原生质通过生理生化反应生成木材抽提成分。,4.4 木材的微观结构,（2）木材细胞壁结构 A、木材细胞壁的超微构造 细胞壁的物质组成 纤维素以分子链聚集成排列有序的微纤丝束状态存在于细胞壁中，赋予木材抗拉强度，起着骨架作用，被称为细胞壁的骨架物质； 半纤维素以无定形状态渗透在骨架物质之中，借以增加细胞壁的刚性，被称为基体物质； 木质素在细胞分化的最后阶段形成，它渗透在细胞壁的骨架物质之中，可使细胞壁坚硬，被称
16、为结壳物质或硬固物质。,4.4 木材的微观结构,基本纤丝、微纤丝和纤丝 木材细胞壁的组织结构，是以纤维素作为“骨架”的。它的基本组成单位是一些长短不等的链状纤维素分子，这些纤维素分子链平行排列，有规则地聚集在一起称为基本纤丝（又称微团）。 由基本纤丝组成一种丝状的微团系统称为微纤丝。 由微纤丝的集合可以组成纤丝；纤丝再聚集形成粗纤丝；粗纤丝相互接合形成薄层；最后许多薄层聚集形成了细胞壁层。,4.4 木材的微观结构,结晶区和非结晶区 在大分子链排列最致密的地方，分子链规则平行排列，定向良好，反映出一些晶体的特征，被称为纤维素的结晶区。 在纤维素结晶区内，纤维素分子链平行排列，分子链与分子链间的结
17、合力随着分子链间距离的缩小而增大。 当纤维素分子链排列的致密程度减小、分子链间形成较大的间隙时，分子链与分子链彼此之间的结合力下降，纤维素分子链间排列的平行度下降，此类纤维素大分子链排列特征被称为纤维素非结晶区（有时也称作无定形区）。 结晶区与非结晶区之间无明显的绝对界限，而是在纤维素分子链长度方向上呈连续的排列结构。,4.4 木材的微观结构,B、木材细胞壁的壁层结构 胞间层（ML）是细胞分裂以后，最早形成的分隔部分，后来就在此层的两侧沉积形成初生壁。胞间层主要由一种无定形、胶体状的果胶物质所组成，在偏光显微镜下呈各向同性。 初生壁（P）是细胞分裂后，在胞间层两侧最早沉积、并随细胞继续增大时所
18、形成的壁层。 次生壁（S）是细胞停止增大以后，在初生壁上继续形成的壁层，这时细胞已不再增大，壁层迅速加厚，使细胞壁固定而不再伸延，一直到细胞腔内的原生质体停止活动，次生壁也就停止沉积，细胞腔变成中空。,4.4 木材的微观结构,A. 细胞腔 P. 初生壁 S. 次生壁 ML. 胞间层 S1. 次生壁外层 S2. 次生壁中层 S3. 次生壁内层,木材细胞壁微细结构,4.4 木材的微观结构,C、细胞壁上的结构特征 主要结构特征：纹孔、眉条、螺纹加厚、锯齿状加厚、瘤层等。 纹孔：木材细胞壁加厚产生次生壁时，初生壁上未被增厚的部分，即次生壁上的凹陷。 处于生长中的立木中，纹孔是相邻细胞间水分和养分的通道
19、。 木材利用时，纹孔对木材干燥、胶粘剂渗透和化学处理剂浸注等有较大的影响。 纹孔是木材细胞壁的重要特征，在木材显微识别上有重要作用。,4.5 木材的化学组成,（1）木材的化学成分 木材的主要化学成分是构成木材细胞壁和胞间层的物质，由纤维素、半纤维素和木质素三种高分子化合物组成，一般总量占木材的90%以上。 木材的少量化学成分是一组不构成细胞壁、胞间层的游离的低分子化合物，可被极性和非极性有机溶剂、水蒸汽或水提取，所以称为抽提物、浸提物或浸出物。,4.5 木材的化学组成,（2）木材的主要化学成分 纤维素：以微纤丝的形态存在于细胞壁中，有较高的结晶度，使植物具有较高的强度，称为骨架结构； 半纤维素
20、：无定形物质，分布在微纤丝之中，称为填充物质； 木质素：无定形物质，包围在微纤丝、纤丝等之间，是纤丝与纤丝之间形成胞间层的主要物质，称为结壳物质。,4.5 木材的化学组成,半纤维素 半纤维素是植物组织中聚合度较低的（平均聚合度约200）非纤维素聚糖类，可被稀碱溶液抽提出来，是构成植物细胞壁的主要组分。 半纤维素不是均一聚糖，而是一群复合聚糖的总称，原料不同，复合聚糖的组分也不同。 组成半纤维素的糖基主要有： D-木糖基、D-甘露糖基、D-葡萄糖基、D-半乳糖基、L-阿拉伯糖基、4-O-甲基-D-葡萄糖醛酸基、D-半乳糖醛酸基、D-葡萄糖醛酸基等。还有少量的L-鼠李糖基、L-岩藻糖基和乙酰基等。
21、 半纤维素一般由两种或两种以上糖基组成。大多带有短支链的线状结构。,4.5 木材的化学组成,半纤维素的命名法及分支度 命名：首先列出支链的糖基，当含有多个支链时，将含量少的支链排在前面，将含量多的支链排在后面，而将主链的糖基列于最后，若主链含有多于一种糖基时，则将含量少的主链糖基排在前面，含量多的主链糖基列于最后，并于各糖基之前加“聚”字。例如，聚-O-乙酰基-4-O-甲基葡萄糖醛酸木糖，表示木糖是主链糖基，而乙酰基和4-O-甲基葡萄糖醛酸是支链糖基，并且乙酰基含量少于4-O-甲基葡萄糖醛酸含量。 分支度：表示半纤维素结构中支链的多少，支链多的分支度高，分支度高低对半纤维素的物理性质有很大影响
22、。,4.5 木材的化学组成,半纤维素的性质 半纤维素的化学结构和大分子聚集状态与纤维素有很大差别，在天然状态为无定形物，聚合度低，可反应官能团多，化学活性强，所以化学反应比纤维素复杂，副反应多，并且反应速度快。 与纤维素酸性水解一样，半纤维素的苷键在酸性介质中被裂开而使半纤维素发生降解，在碱性介质中，半纤维素也可发生剥皮反应和碱性水解。半纤维素的羟基可发生酯化和醚化反应，形成多种衍生物，也可发生接枝共聚反应，制备各类复合高分子材料。,4.5 木材的化学组成,半纤维素对木材材性和加工利用的影响 对木材强度的影响 对木材吸湿性的影响 对木材酸度的影响 对纤维板生产工艺的影响 软化 磨浆 热压 废水
23、,4.5 木材的化学组成,（3）木材的少量化学成分（木材抽提物） 脂肪族化合物：饱和脂肪酸、不饱和脂肪酸、脂肪、蜡、低聚糖、果胶质、淀粉、蛋白质。 萜烯及萜烯类化合物：单萜（松节油等）、倍半萜、树脂酸、植物甾醇等。 芳香族化合物：黄酮类化合物、单宁、芪等。,4.5 木材的化学组成,木材抽提物 木材抽提物是采用乙醇、苯、乙醚、丙酮或二氯甲烷等有机溶剂以及水从木材中抽提出来的物质的总称。 木材抽提物比较大量地存在于树脂道、树胶道、薄壁细胞中，它们的成因十分复杂，有的是树木生长正常的生理活动和新陈代谢的产物；有的是突然受到外界条件的刺激引起的。 木材抽提物种类庞多，因树木的种类不同而差异很大。其含量
24、及化学组成也因树种、部位、产地、采伐季节、存放时间及抽提方法而异。,4.5 木材的化学组成,木材抽提物对材性、加工及其利用的影响 抽提物对木材颜色的影响 抽提物对木材气味、滋味的影响 抽提物对木材强度的影响 抽提物对木材渗透性的影响 抽提物对胶合性能的影响 抽提物对涂饰性能的影响,4.5 木材的化学组成,木材抽提物对材性、加工及其利用的影响 抽提物对木材接枝聚合的影响 抽提物对木材表面耐候性的影响 抽提物对木材加工工具的影响 抽提物对木材声学性能的影响 抽提物对健康的影响 抽提物对木材利用的影响,4.6 木材与水分,（1）木材中水分的存在状态 木材中存在的水分，按其存在状态可以分为自由水、吸着
25、水和化合水三类。 自由水是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气两部分。 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。 化合水是指与木材细胞壁物质组成呈牢固地化学结合状态的水。,4.6 木材与水分,（2）木材细胞壁各种含水率状态 假设把生材放在相对湿度为100%的环境中，细胞腔中的自由水慢慢蒸发，当细胞腔中没有自由水，而细胞壁中结合水的量处于饱和状态，这时的状态称为纤维饱和点。 当把生材放在大气环境中自然干燥，最终达到的水分平衡态称为气干状态。气干状态的木材的细胞腔中不含自由水，细胞壁中含有的结合水的量与大
26、气环境处于平衡状态。 当木材的细胞腔和细胞壁中的水分被完全除去时木材的状态称为绝干状态。,4.6 木材与水分,木材细胞壁各种含水率状态,4.6 木材与水分,（3）木材的含水率 木材的含水率：木材中水分的质量占木材自身质量的百分率。 绝对含水率：以全干木材的质量为基准所计算的含水率。 相对含水率：以湿木材的质量为基准所计算的含水率。,u：试材的绝对含水率(%) u：试材的相对含水率(%) W：含水试材的质量(g) W0：试材的绝干质量(g),4.6 木材与水分,木材含水率的测定方法 干燥法：测试时间长、破坏试材、测试结果偏高(干燥箱内初始相对湿度不为零；木材中的挥发性成分在干燥过程中蒸发) 蒸馏
27、法：测试时间长，破坏试材、测试结果偏低(试材切碎过程中水分的损失) 导电法：利用木材电学性质与木材含水率之间的关系。不破坏试材，测定范围(7%30%)。,4.6 木材与水分,（4）木材的纤维饱和点 纤维饱和点：木材胞壁含水率处于饱和状态而胞腔无自由水时的含水率。是木材材性变化的转折点。,木材纤维饱和点与材性间的关系,4.6 木材与水分,木材纤维饱和点的测定,木材径弦向干缩率与纤维饱和点间的关系,4.6 木材与水分,（5）木材的吸湿性 木材的吸湿性：木材从空气中吸收水分或向空气中蒸发水分的性质。 吸着（adsorption）：空气中水蒸汽压力大于木材表面水蒸汽压力时，木材从空气中吸收水分。 解吸
28、（desorption）：空气中水蒸汽压力小于木材表面水蒸汽压力时，木材中的水分向空气中蒸发。 吸收（absorption）和吸着：吸收是一种表面现象，比如液态水进入木材的细胞腔，成为木材中的自由水的过程。而吸着则是水分子以气态进入细胞壁，与细胞壁主成分上的吸着点产生氢键结合的过程。,4.6 木材与水分,木材吸湿性的产生原因,木材胞壁上微纤丝表面纤维素分子链间距离与水分子变化间的关系,4.6 木材与水分,木材的吸湿滞后现象 木材在平衡状态时的含水率称为该温湿度条件下的平衡含水率。 在相同的温湿度条件下，由吸着过程达到的木材的平衡含水率低于由解吸过程达到的平衡含水率，这个现象称为吸着滞后现象。
29、吸着达到的平衡含水率与解吸达到的平衡含水率之间的比值称为滞后率，通常用A/D表示。 吸湿滞后现象主要发生在干燥后的木材上。,4.6 木材与水分,木材的吸湿滞后现象,木材吸湿与解吸曲线间的关系,4.6 木材与水分,木材吸湿滞后现象的机理 “有效羟基说”：木材在干燥状态时分子之间距离接近，因此部分羟基和羟基之间形成相互间的氢键结合。当开始吸着水分时，一些氢键结合分离，但是另外一部分仍然保持相互间氢键结合的状态。因此，木材中能吸着水分的“有效的”羟基的数目减少，从而降低了由吸着达到的平衡含水率。而解吸过程不经过干燥状态，所以不存在这个问题。,4.6 木材与水分,（6）木材中水分的移动 木材内部水分传
30、导扩散移动的通道：相互连通的细胞腔（导管腔）、细胞间隙和细胞壁纹孔膜上的小孔。 木材中水分移动的原因：毛细管作用、液体或蒸汽的不同压力差、不均衡的水层或气体厚度。 含水率低于纤维饱和点时水分的移动：蒸汽状态移动、毛细管作用、蒸汽状态与液体状态不断的相互交替。 含水率高于纤维饱和点时水分的移动：毛细管张力差引起的液态水-自由水沿细胞腔与纹孔的移动。,4.6 木材与水分,木材的吸水性和透水性 木材浸于水中吸收水分的能力称为木材的吸水性；单位时间内木材吸水的数量称为吸水速度。 吸水性与木材的密度、木材构造、木材内含物、木材含水率、木材的形状和大小有关。 液体或水借其本身的吸力或外界的压力渗入木材内部
31、的能力称为木材的透水性。 透水性与压力大小、加压时间、液体性质、温度、树种、心材和边材、纹理方向及木材的干燥程度有关。,4.6 木材与水分,（7）木材的干缩与湿胀 干缩：湿材因干燥而缩减其尺寸与体积的现象。 湿胀：干材因吸收水分而增加其尺寸与体积的现象。 木材干缩湿胀是指木材在绝干状态至纤维饱和点的含水率区域内，水分的解吸或吸着会使木材细胞壁产生干缩或湿胀的现象。当木材的含水率高于纤维饱和点时，含水率的变化并不会使木材产生干缩和湿胀。 木材的干缩（湿胀）分为线干缩和体积干缩。线干缩又可分为顺着木材纹理方向的纵向干缩和垂直于木材纹理方向的横向干缩。在木材的横切面上，按照直径方向和与年轮的切线方向
32、划分，横向干缩分为径向干缩与弦向干缩。,4.6 木材与水分,木材干缩湿胀的成因 组成基本纤丝的分子链上存在着游离羟基，或者在水分子的作用下将分子链之间的氢键打开，产生新的游离羟基，再通过这些游离羟基与水分子形成新的氢键结合，从而使分子链之间的距离增大。正是由于这些分子链之间的微小距离增大的累加，最终使木材在宏观中体现为尺寸的变大。 木材的干缩正好是一个与此相反的过程，首先相邻分子链之间的氢键断裂，脱离水分子，使得相邻分子链之间的距离缩小，最终在宏观上体现为木材尺寸的缩小。,4.6 木材与水分,木材干缩湿胀的各向异性 木材干缩湿胀的各向异性是指木材的干缩和湿胀在不同方向上的差异。主要有纵向与横向
33、干缩、径向与弦向干缩的差异。 对于大多数的树种来说，纵向干缩率一般为0.10.3%，而径向干缩率和弦向干缩率的范围则为36%和612%。可见，三个方向上的干缩率以纵向干缩率最小，通常可以忽略不计，这个特征保证了木材或木制品作为建筑材料的可能性。但是，横向干缩率的数值较大，若处理不当，则会造成木材或木制品的开裂和变形。,4.6 木材与水分,木材纵向、横向干缩湿胀差异的原因 细胞壁内微纤丝方向在次生壁外层(S1)和内层(S3)与细胞主轴几乎近于垂直，中层(S2)则与主轴近似平行，而细胞壁中次生壁占的比例最大，次生壁中又以中层厚度最大。因此，木材的干缩或湿胀也就取决于次生壁中层(S2)微纤丝的排列方
34、向。 微纤丝由平行排列的大分子链所组成的基本纤丝构成，当木材湿胀与干缩时，水分子难以打开分子链进入分子链内部，或难以从分子链内部中逃脱出来，而是进入分子链与分子链之间间隙相对较大、作用力较小的区域，或从此区域中逃脱出来，从而使分子链的长度几乎没有什么变化，但分子链间的间距却明显的增大或缩小，这样对于单个细胞来说直径方向变化较大，而轴向方向变化较小，最终在宏观上则体现了木材纵向尺寸变化很小，而横向尺寸的变化却很明显。,4.6 木材与水分,木材径向、弦向干缩湿胀差异的原因 弦向干缩率大于径向干缩率这一现象的原因是复杂的，并非由单一因素所决定的。 解释理论主要分为三类：基于宏观木材构造的理论（包括射
35、线限制理论和早晚材相互作用理论）、基于纤维排列重组的理论及基于细胞壁壁层差异的理论。,4.6 木材与水分,木材径向、弦向干缩湿胀差异的原因 木射线对径向收缩的抑制：在木材细胞组成中，射线细胞是唯一横向排列的细胞。当射线细胞收缩时，由于纵向收缩小于横向收缩，因而射线细胞的纵向收缩抑制了木材径向收缩，使得径向收缩小于弦向收缩。 早晚材差异的影响：木材的收缩量与其所含实质(细胞壁)量有关。晚材密度大于早材，其实质含量也多于早材，因此，晚材的收缩和膨胀量要大于早材。在木材的径向，早晚材是串联的，木材径向收缩体现为收缩量大的晚材和收缩量小的早材按照各自体积比率加权平均的效果。而在弦向，早晚材是并联相接，
36、由于晚材的强度大于早材，因此收缩大的晚材就会强制收缩小的早材同它一起收缩，最终使木材弦向收缩大于径向收缩。,4.6 木材与水分,木材径向、弦向干缩湿胀差异的原因 径向壁和弦向壁中的木质素含量差别的影响：由于一般木质部纤维的径向壁比弦向壁的木质素含量高，因而吸湿变形性也小。同时，木材纤维的胞壁是微纤丝排列和化学组成明显不同的多层结构，这两者均是导致木材的径、弦向干缩湿胀差异的主要因素。 径壁、弦壁纹孔数量的影响：纹孔的存在使其周围微纤丝的走向偏离了细胞长轴方向，产生夹角，因此对细胞壁的收缩产生了较大的限制作用，而针叶树材管胞径面壁上的纹孔数量远较弦面壁的多，这使径向收缩受到的限制作用很大，对弦向
37、收缩产生的限制很小，最终导致木材弦向干缩湿胀比径向大。,4.6 木材与水分,木材干缩性与湿胀性的测定 评价指标：干缩率、干缩系数、差异干缩 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。 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。 干缩系数：吸着水每变化1%时木材的干缩率变化值。 差异干缩：木材弦向干缩与径向干缩的比值。是反映木材干燥时是否易翘曲和开裂的重要指标。,4.6 木材与水分,木材干缩湿胀对木材加工和使用的影响 A、横断面上的变形：木材干燥后因为各部分的不均匀干缩而使其形状改变。,生材状况下原木 横切面上各部位 下锯后板
38、材断面 形状的变化,4.6 木材与水分,B、纵切面的弯曲,翘弯：弦向干缩大，直径方向干缩小。 顺弯：木板过长，受本身重量影响下垂而成，或干燥时一面干燥快，相 对的一面干燥慢。 扭弯：木板的构造不正常而造成。 横弯：应压木产生的缺陷。,4.6 木材与水分,C、木材的开裂,(a)(b)端裂、(c)表面裂、(d)心裂、(e)蜂窝裂、(f)轮裂,4.7 木材的改性,（1）概述 木材改性是在保持木材高强重比、易于加工、吸音隔热、纹理质朴自然等固有优点的前提下，通过一系列的物理、化学处理，克服木材干缩湿胀、尺寸稳定性差、各向异性、易燃、不耐腐、不耐磨和易变色等固有缺陷，同时赋予木材某些特殊功能的一门新兴学
39、科，是木材科学的一个重要分支。 木材的改性包括木材强化、木材尺寸稳定、木材阻燃、木材防腐等。,4.7 木材的改性,（2）木材强化 用物理或化学或两者兼用的方法处理木材，使处理剂沉积填充于细胞壁内，或与木材组分发生交联，从而使木材密度增大、强度提高的处理过程，称为木材强化。 木材强化的方法：浸渍木、胶压木、强化木,4.7 木材的改性,A、木材强化-浸渍木 浸渍木：木材在水溶性的低分子量树脂溶液中浸渍时，树脂扩散进入木材细胞壁并使木材增容，经干燥除去水分，树脂由于加热而固化，生成不溶于水的聚合物，这样处理的木材称为浸渍木。 浸渍用树脂：酚醛树脂（甲阶酚醛树脂）、脲醛树脂、糠醇树脂、间苯二酚树脂等。
40、 浸渍木制造工艺 ：浸渍单板层压法。 性质：尺寸稳定性提高；耐腐、耐酸、绝缘性提高；耐火性及耐热性提高；顺纹抗压强度提高；顺纹抗拉、顺纹剪切强度略有下降；冲击韧性降低幅度较大。 用途：主要作汽车壳体模压用模具。,4.7 木材的改性,B、木材强化-胶压木 胶压木：将酚醛树脂的初期缩聚物扩散到单板的木材细胞壁中，对木材可起增塑效应。在不使树脂固化的温度下使单板干燥并层积，在高温(120150)、高压(6.919.6MPa)下使树脂固化，制得的产品称为胶压木，又称硬化层积材。 胶压木与浸渍木一样被树脂浸渍，所不同的是增加了压缩处理。因此，它是一种高密度、高强度的材料。,4.7 木材的改性,性质：尺寸
41、稳定性显著优于未处理的压缩木；表面具有天然光泽，可用砂光、抛光修饰，并且易于切削和平旋；彼此或和木材之间均可进行胶合；抗木腐菌、白蚁、海生钻孔动物的侵蚀；电绝缘性与浸渍木相同，远大于普通木材；耐火性有较大程度的提高；力学强度指标大多高于素材，增大强度与胶压木密度的增加成正比。 用途：二战期间，用于飞机木制螺旋桨的根部和船舶螺旋桨的各种轴承。战后，由于生产成本高，一般用作成型模具、夹具、纺织梭子、刀把、门拉手、装饰品和工艺品等。,4.7 木材的改性,C、木材强化-强化木 采用低熔点合金以熔融状态注入到木材细胞腔中，冷却后固化和木材共同构成的材料称为强化木。金属注入量决定于细胞腔和细胞间隙的大小，
42、强化木的强度和硬度高于素材，并使软金属的蠕变减少到最小值。 合金：铋(Bi)50%，铅(Pb)31.2%，锡(Sn)18.8%，97熔融；铋(Bi)50%，铅(Pb)25%，锡(Sn)12.5%，镉(Cd)12.5%，65.5熔融。,4.7 木材的改性,强化木的制备是将试材注入熔融合金之中，并真空和加压联合处理，使合金注入木材中。 性质：密度增加幅度很大，处理材的各项力学强度指标都有相应的提高，特别是硬度指标的增加尤为明显。强化木材放置火中会炭化，但由于大量金属被熔化，且所含空气的膨胀，在将金属从木材结构中排出之前，强化木材不会燃烧。 用途：船舶螺旋桨。,4.7 木材的改性,（3）木材尺寸稳定
43、化 木材尺寸稳定化处理的原则是在保持木材原有优良性质的前提下，改变其吸湿和干缩湿胀性能。 尺寸稳定化处理可分为两种处理方式：处理仅限于细胞壁内纤维素的非结晶区部分；细胞壁未经处理，仅仅是细胞腔内充填、沉积某些化学药剂。 木材的干缩湿胀是由于木材含水率的变化而引起的，它发生在纤维饱和点以下，其根源是纤维素非结晶区的游离羟基吸附空气中水分子并与水分子形成氢键结合。水分子的进入使木材各成分分子之间的距离增大，木材呈膨胀状态，导致尺寸不稳定。此外，木材中的半纤维素、木质素及其它物质也能吸着水分子。比较而言，半纤维素吸湿性最强，其次为纤维素。因此，尺寸稳定化处理是在不破坏木材细胞壁完整构造的前提下，着眼
44、于改变其不良性质的一种处理手段。,4.7 木材的改性,木材尺寸稳定的评定指标 抗胀(缩)率(ASE)阻湿率(MEE)抗吸水率(RWA),VC 未处理材的体积膨胀(收缩)率； VT 处理材的体积膨胀(收缩)率。,MC 未处理材的吸湿率； MT 处理材的吸湿率。,WC 未处理材的吸水率； WT 处理材的吸水率。,4.7 木材的改性,物理方法的尺寸稳定处理 防水处理：抗湿润、抗浸透性能的耐水处理；仅抵抗湿润性能的憎水处理-石蜡 防湿处理：涂饰涂料（内表面覆盖、外表面覆盖）、 胶贴贴面 酚醛树脂处理 聚乙二醇处理,4.7 木材的改性,化学方法的尺寸稳定处理 加热处理：半纤维素发生反应生成吸湿性差的聚合
45、物；除去吸着水，使细胞壁非结晶区纤维素链分子间距离缩短并形成新的氢键结合。 乙酰化处理：羟基减少、乙酰基增容 异氰酸酯处理：填充细胞腔、进入细胞壁与羟基反应。 甲醛处理：细胞壁非结晶区纤维素链分子间形成交联，封闭了游离羟基。,4.7 木材的改性,木材尺寸稳定化的发展动向 完善现有的处理方法：热处理PEG处理乙酰化处理异氰酸酯处理甲醛化处理 开发新的处理方法：石蜡注入处理(石蜡-环烷酸金属盐)马来酸-甘油处理环氧化物处理无机复合化处理,4.7 木材的改性,（4）木材阻燃 木材燃烧过程：升温、热分解、着火、燃烧、蔓延。 大断面和高含水率木材比较耐火的原因： 高比热材料达到着火点时需较多能量； 多孔
46、性材料热传导率低，对炭化和火焰的贯通抵抗力强； 出于热膨胀小，加热而引起的内应力小，没有极端开裂、变形，剥离分散也少； 木材的组成成分有各自的固有热特性，不产生金属材料所具有的变形； 表面易形成炭化层，由此阻止氧的供给，同时消耗了大量热能，阻止热的透过； 木材中水的气化潜热，阻止材料温度上升。,4.7 木材的改性,木材阻燃方法 物理方法：利用木材与不燃性成分的联合应用，降低可燃性成分的比例，隔断从火源传来的热及外界传来的氧气，在材料表面覆一层难燃层。如与石棉、玻璃纤维、石膏、水泥等无机物的混合，金属板覆面等。 化学方法：在木材中注入具有阻燃作用的化学药剂，在热分解、燃烧过程中，药剂介于材料之间
47、，保护材料免受热降解作用。这种阻燃剂可分为与木材不发生结合的添加型阻燃剂和与木材形成化学键结合的反应型阻燃剂。化学药剂一般使用含Li、Na、K等第I族元素，Mg、Ca、Sr、Ba等II族元素，N、P、V、As、Sb、Bi等V族元素，F、Cl、Br、I等VII族元素，以及S、Ti、B、Sn等V族元素的化合物。,4.7 木材的改性,阻燃机理,4.7 木材的改性,阻燃机理-控制热降解、热分解过程来阻止燃烧 物理作用：阻燃剂受热溶解、气化、放出结晶水时吸热，延缓木材热降解、热分解时间；阻燃剂熔融产生保护膜，隔断热的传递，由此控制热分解、热降解。 化学作用：第一，降低可燃性成分的生成速度，可燃性气体减少
48、，其扩散速度大于供给速度，来不及形成可燃性混合气体层。第二，促进木材在低于着火温度范围内的可燃性物质的生成速度，使木材的热解温度降低，在低温下同时形成可燃性物质并放出，在不着火的前提下扩散掉。第三，通过改变木材热降解、热分解过程，促进脱水炭化作用，以控制急发性可燃性物质的生成。,4.7 木材的改性,阻燃机理-控制着火过程来阻止燃烧 两种情况：阻碍着火条件形成、阻碍火势扩大条件的形成。 作用机理：在木材着火温度范围内，添加型阻燃剂热分解放出CO2、H2O、SO2、HCl、HBr、SbCl3、SbBr、N2、NH3等不燃性气体，稀释可燃性气体；在这些气体扩散作用下，阻碍热的传导，在火焰状态下阻碍可
49、燃性气体的点燃；用化学方法将双原子或活性基团引入可燃性混合气体中，阻止燃烧的链锁反应，同时也是通过其扩散作用阻碍热的传导。,4.7 木材的改性,阻燃机理-控制发焰燃烧达到阻燃 冷却法：利用阻燃剂在火焰中发生的化学反应，使放热速度大于发热速度。 利用不燃物质、氧化物或非活性物质，使可燃物排除或产生窒息作用或稀释作用等； 消除火焰稳定燃烧的条件，即将可燃性混合气体反应的必要时间缩短，增加流动时间。,4.7 木材的改性,阻燃机理-控制无焰燃烧和表面燃烧阻止燃烧 无焰燃烧是指具有高比表面积的材树，出于缺氧，燃烧时只是发烟并不形成火焰，以缓慢速度燃烧的现象。同时还伴有不断炭化的热分解。当条件充足时，就会
50、迅速向发焰燃烧发展。 表面燃烧是发焰燃烧终了后，炭化层的燃烧，有时发光，但一般不形成火焰和烟。,4.7 木材的改性,阻燃剂应具备的条件 在火焰温度下能阻止发焰燃烧，降低木材的热降解及炭化速度； 阻止木材着火； 阻止除去热源后的发焰燃烧和表面燃烧； 价格低廉，无毒无污染，使用方便，有耐久性； 处理后不腐蚀木材和金属，对加工不产生有妨碍的化学反应； 具有耐溶脱性； 不析出到木材表面； 不降低木材的物理力学性能。 考虑其稳定性、吸湿性、酸碱性、燃烧时不产生有毒物质。,4.7 木材的改性,评价阻燃效果的方法 使同一种材料达到规定的阻燃要求所需阻燃剂的多少。 在相同的阻燃剂用量下使材料达到的最高阻燃效果，如氧指数等。 氧指数：在规定条件下，固体材料在氧、氮混合气流中，维持平稳燃烧所需的最低氧含量。 氧指数高表示材料不易燃烧，氧指数低表示材料容易燃烧。,
