【吉他DIY】《木材的物理性质（含水率的科学分析和应用）》

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木材的物理性质（含水率的科学分析和应用）


第五章 木材物理性质[本章重点与难点]：木材中的吸着水、纤维饱和点、吸着滞后现象和平衡含水率慨念及其生产上指导意义；木材干缩湿胀发生规律、原因及其对木材利用的影响；木材密度种类及其意义；木材物理学特性与人类居住环境特性间的关系等。

5.1 木材中的水分
5.2 木材的干缩与湿胀
5.3 木材密度
5.4 木材的热学性质
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环境的影响

补充阅读材料：　　　　　　　木材物理性质和木材环境学特性
木材物理性质是指不涉及木材化学变化和不破坏试样的完整性条件下测得的性质，也是人们日常生活使用中所接触到和感受到的。本章对木材中水分、干缩和湿胀、木材密度等进行了祥细的阐述，对于木材热学、电学、声学和木材环境学特性作了慨要性的叙述，可参阅木材物理性质和环境特性方面的教材与著作。
5.1 木材中的水分 研究木材与水分的关系，必须先了解木材中水分来源、水分存在的状态、它的分布规律、以及木材中水分的测定和计算方法，这是研究木材与水分关系的基础和起点，现代木材处理技术或理论研究，很大程度上都与水分有关。
树木中水分使细胞壁处于膨胀状态以支持其自身的重量和避免自然界风力的变化而造成的破坏。树木通过叶片光合作用进行生长，其生长过程离不开水、二氧化碳和各类矿质营养元素。树木体内的水分是处于连续不断的状态，根系从土壤中吸收含有矿物营养的水分，通过边材输送到树木各个器官；同时，树叶光合作用产生的碳水化合物通过韧皮部向下输送到根系和树干各部位。树木中水分以液体形式出现，是矿物质和有机质的混合液，其水分含量随着树种、季节和部位及不同的生长环境的变化而有差异。因此刚采伐的树木（伐倒木）体内有很高的含水率。伐倒木中水分含量与不仅与树种和树干部位有关，不同季节采伐对其体内含水量有很大的影响。伐倒木造材的产品——原木及其解锯后制成的板方材在存放和储运过程中，其水分含量都会发生变化。木材是由木质细胞组成多孔性的材料，干燥的木材具有一定的吸湿性，对于液态水和水蒸汽均具有亲和力，这也会导致木材及其产品含水量的变化。
日常生活中，木质门窗水湿后会关闭不上、盆桶失水后会产生缝隙、有暖气房间地面所铺实木地板间产生的缝隙及潮湿吸水产生的局部隆起、实木家具在使用过程中出现的结合部件松动脱落及木材使用过程中出现的虫蛀和腐朽等现象与问题都与木材中的水分含量不合理有很大的关系。水分对木材本身性质、木材储运保存、木材使用性能及以木质材料为基材的人造板性能和加工工艺等均有很大的影响，因此掌握理解木材中水分对木材的合理加工与利用有着重要意义。
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木材中的水分按其存在的状态可分自由水（毛细管水）、吸着水和化合水三类。
（1）自由水
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汽两部分；理论上，毛细管内的水均受毛细管张力的束缚，张力大小与毛细管直径大小成反比，直径越大，表面张力越小，束缚力也越小。木材中大毛细管对水分的束缚力较微弱，水分蒸发、移动与水在自由界面的蒸发和移动相近。自由水多少主要由木材孔隙体积（孔隙度）决定，它影响到木材重量、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。
（2）吸着水
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。木材胞壁中微纤丝之间的微毛细管直径很小，对水有较强的束缚力，除去吸着水需要比除去自由水要消耗更多的能量。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。木材生产和使用过程中，应充分关注吸着水的变化与控制。
（3）化合水
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。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。一般温度下的热处理是难以将木材中的化合水除去，如要除去化合水必须给与更多能量加热木材，此时木材已处于破坏状态，不属于木材的正常使用范围。因此化合水对日常使用过程中的木材物理性质没有影响。
5.1.1.2 木材含水率种类与测定方法（1）木材含水率种类
木材干与湿主要取决于其水分含量的多少，通常用含水率来表示。木材中水分的重量和木材自身重量之百分比称为木材的含水率。木材含水率分为绝对含水率和相对含水率二种。以全干木材的重量为基准计算含水率称为绝对含水率，以湿木材的重量为基准计算的含水率称为相对含水率。其计算式为：

绝对含水率式中，绝干重量是固定不变的，其结果确定、准确可以用于比较；因此生产和科学研究中，木材含水率通常以绝对含水率来表示。
相对含水率式中，是以含水木材重量为基数，木材初期重量是变化的，增减相同重量水分时，其含水率的变化并不相等，计算出的结果也不确定，生产上用得较少，仅在造纸工业和纤维板工业及计算木材燃料水分含量时作为参考。
（2）木材含水率测定方法
木材含水率的测定有干燥法，蒸馏法及导电法三种，以烘干法和导电法应用最为广泛。
① 干燥法
干燥法又名重量法，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。其间，每隔２h试称一次，至最后两次称重之差极小（不超过0.3%），即可认为达到全干。按上式即可计算出木材的含水率。此法时间较长，对树脂等挥发性物质含量高的树种木材，测定出来的结果稍为偏大。但此法操作简便，结果准确，广泛应用。
② 蒸馏法
对于树脂含量较高的树种木材或经油剂浸注处理后的木材，使用烘干法测定含水率，树脂或油类会因温度升高而随水分一起蒸发，导致出现水分量增大的假象而使结果误差较大。为了较准确地测定此类木材的含水率，可以利用蒸馏法。
测定装置如图5-1，将注有二甲苯的三角瓶与带刻度的受器，冷却器互相连接，然后将2~3mm厚度的碎木置于三角瓶中，在水浴锅中加热蒸馏；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，于是水分重沉至下部，多余的二甲苯则沿侧管返回瓶中，二甲苯约灌至瓶容积的3/4，蒸馏速度为每秒钟流至受器中2—4滴，蒸发至水分的体积测至精确度0.1cm3，因0.1cm3的水重1g，故蒸发出的水分以立方厘米表示时，即表示克重(Gq)。
含水率按下式计算：

此法由于将木材切成小的碎片，在切碎的过程中，木材中的水分也会发生蒸发，造成含水率降低，这点必须注意。

③ 导电法
导电法是利用木材电学性质如电阻率、介电常数和功率因素等与木材含水率间有规律的关系设计出一种测湿仪。特制的木材含水率测湿仪如图5—2。测湿仪上有刻度表或电子显示数据，通电后即可直接读出木材的含水率。
木材含水率测定仪主要有两类：一是直流电阻式，另一为交流介电式。前者是利用木材中所含水分的多少对直流电电阻的影响，实际是一种欧姆计，故又称直流电表含水率测湿仪。当含水率测定仪的二个尖的触角插入木材时, 指示灯给出相对应档次的含水率。后者是根据交变电流的功率损耗与木材含水率的关系而设计出的交流电木材含水率测湿仪。当含水率测定仪与木材试样接触时，通过磁场感应，测定仪上可转动的指针或液晶屏上就会直接标出或显示出木材含水率数值。
电表测湿仪测定木材含水率，简便而迅速，可立即测出木材含水率，无须破坏样木，并免去需制作含水率试样，特别适合于生产现场使用。由于木材含水率与电阻率的关系仅在某一含水率范围内呈有变化规律的关系，超过了此限度它就不明显了。理论上，电阻式测湿仪的测定范围为7%～8%至25%~30%，交流介电式测湿仪的测湿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。为了提高精度，有时需作树种、温度和木材密度等因子修正。生产上，木材及其制品含水率在7－23%范围内，导电法测定较准确。
5.1.1.3 木材含水率的变化与不同含水量状态下木材的分类（1）木材含水率的变化 木材中含水率不仅因树种和同种树木植株条件不同而有变化，即同株内亦因树木部位和季节之不同而有变化。
① 树种与含水率的关系
生长的树木或新伐倒的树木，其含水率之多少，随树种而异。一般树木体内含水率大于40-100%（表5—1，5—2），多的可达200％以上，如毛枝冷杉的边材含水率为215％，意杨树干内夏秋季节木材含水率达300％。
② 树木部位与含水率的关系
树木部位一般分水平方向与垂直方向两种。水平方向上，针叶树材的生材含水率一般为边材大多于心材（见表5—1），而阔叶树材的心边材含水率差异与树种有很大的关系，有的树种心边材含水率近似，有的树种心材含水率大于边材的，亦有小于边材的（见表5—2）。含水率在树木中的垂直分布，一般来说梢端含水较多，如表5-1中的红松和臭冷杉，梢端心边材含水率均大于树干下部的心边材，而表5—1中阔叶树如春榆、槭木和紫椴树干下部木材含水率明显高于树干上部。


（2）不同含水量状态下木材的分类
为了更好地合理加工利用木材，生产加工企业对含水量状态不同的木材有不同的称谓，如生材、湿材、气干材、炉干材（窑干材、室干材）和绝干材等。
① 生材
树木新伐倒的木材称为生材，含水率多在50%以上，在伐木运材及人工干燥中对很有检定之必要。生材含水率与季节、树种、树龄、树干部位有关。刚伐倒木材如果不进行自然堆放干燥，含水率很大，则增加运输成本，每次单车运材只能运一小部分，降低生产率。生材直接人工干燥，能耗大，成本高。人工干燥前应进行自然堆放干燥。木材加工企业在林区收购人造板和造纸工业原料——木材和木片时多以重量计算，含水率计量要求标准不同，对收购方与生产方的经济利益有很大的影响。

② 湿材
长期浸泡在水中的木材。湿材含水率高于生材，如贮木场内木材。农村习惯将木材放入水中浸泡，不生虫，不腐朽，主要是将木材内部浸提物浸出，没有淀粉等营养物质适合菌类生存。同时纹孔打开，透气性好，原木解锯成板材后干燥快，尺寸稳定、变形小。
③ 气干材
生材或湿材放置于大气中，水分逐渐蒸出，最后与大气湿度平衡时的木材称为气干材。气干材含水率随大气的温度和湿度而变化，我国地域辽阔，气干材含水率多在12—18%之间。我们日常生活中所用的木材都是气干材。过去我国气干材含水率多以15%为标准，现在结合室内空调环境、木制品实际使用情况以及与国际上各国相一致便于比较的原则，我国气干材标准含水率已调整为12%（过去是15%）。因此，科研上不同含水率试样所测定的材性数值，必须调整到W=12%进行比较。
④ 炉干材（窑干材）
木材在利用上为缩短干燥时间，常用人工干燥法。经过人工干燥的木材称窑干材，含水率4—12%。板材具体含水率根据要求而定，如地板用材要求含水率8—12%。炉干材可缩短木材在大气中干燥时间，及时利用木材，减少木材变形。
⑤ 绝干材
绝干材系将木材放在103±2℃的温度下干燥几乎可以逐出木材的全部水分，使木材含水率接近于零，此种含水状态的木材，谓之绝干材。绝干材仅应用于木材科学试验中，在利用上应用价值甚小。绝干材暴露于空气中，将从空气中吸收水分。

转自： 中国吉他制琴师联网论坛

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5.1.2 木材的纤维饱和点5.1.2.1 纤维饱和点及其意义纤维饱和点指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。它具有非常重要理论意义和实用价值。纤维饱和点的含水率因树种、温度以及测定方法的不同而存差异而异，其变异范围为23—33％，但多种木材的纤维饱和点的含水率平均为30％。因此通常以30%作为各个树种纤维饱和点含水率的平均值。
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，二者成一定的反比例关系，唯韧性和抗劈力不显著。

木材的含水率在纤维饱和点以上时，无论含水率增加或减少，除重量有所不同外，木材完全无收缩或膨胀，外形均保持最大尺寸，体积不变。当木材含水率减低至纤维饱和点以下时，随着含水率的增减，木材发生膨胀或收缩。含水率减少愈多，收缩率愈大，二者呈一定直线关系。至绝于时，收缩至最小尺寸。
木材本身是绝缘体，水是导电体。含水率在纤维饱和点以上时，木材胞壁因含水量为饱和状态，因水是导电体而使木材具有较强的导电性，此时木材中水分增减变化发生在细胞腔中，对木材导电性能影响相对来说不大。从纤维饱和点到最大含水率，木材电导率仅增加几十倍，因此纤维饱和点以上时，其导电性增加可忽略不计，可视为常数。而纤维饱和点以下时，绝干材的导电率为几乎为0，随着水分含量的增加，至纤维饱和点时导电率要增加几百万倍。电测木材含水率即基于这一原理，含水率范围在７～２３%之间时，因二者是直线关系，测定较为精确。
5.1.2.2 纤维饱和点的测定基于上述纤维饱和点含水率对木材性能的影响，可以用测定木材强度、干缩性和导电性间与含水率间的的关系来测定纤维饱和点。
（1）用顺纹抗压强度与含水率的相关性测定纤维饱和点
即用许多不同含水率(包括在纤维饱和点以上或以下)的顺纹抗压试件测定其顺纹抗压强度值（图5－2），并求出相应的含水率，然后根据顺纹抗压强度与其相应的含水率，绘出曲线图，再求纤维饱和点。
（2）木材的导电性与含水率的关系求纤维饱和点
木材含水率在纤维饱和点以上时，其导电呈一常数；在纤维饱和点以下时，术材的导电性随含水率之不同而变异，并呈一定的比例关系（图5－2）。据此以求各种不同含水状态试样的含水率与导电性的关系曲线，从纤维饱和点以上与以下时导电曲线的交点，定出纤维饱和点。
（3）用干缩率与含水率的相关性测定纤维饱和点
根据试样含水率的变迁，定时测定干缩率，再绘制含水率与干缩率的关系曲线图，从图上定出纤维饱和点（图5－3）。

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。木材中水分含量多少与周围空气的相对湿度和温度有很大的关系，当空气中的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，这种现象叫做吸湿；反之若空气的蒸汽压力小于木材表面的水分蒸汽压力时，木材中水分向空气中蒸发叫解吸。

组成木材的细胞壁物质一纤维素和半纤维素等化学成分结构中有许多自由羟基(一OH)，它们具有很强的吸湿能力。在一定温度和湿度条件下，胞壁纤维素、半纤维素等组分中的自由羟基，借助氢键力和分子间力吸附空气中的水分子，形成多分子层吸附水；水层的厚度随空气相对湿度的变化而变化，当水层厚度小于它相适应的厚度时，则由空气中吸附水蒸汽分子，增加水层厚度；反之，当水层厚度大于它相适应的厚度时，则向空气中蒸发水分，水层变薄，直到达到它所适应的厚度为止（图5-4）。
木材中存在着大毛细管和微毛细胞系统，因此木材是个多微毛细孔体。这些毛细孔体具有很高的空隙率和有巨大内表面，具有强烈的吸附性和发生毛细管凝结现象。在一定相对湿度的空气中，会吸附水蒸汽而形成毛细管凝结水，达纤维饱和点为止。
5.1.3.2 木材吸湿滞后现象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的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它的平衡含水率曲线不相吻合的现象称为木材吸湿滞后，如图5-5所示。

吸湿滞后现象主要发生在干燥后的木材上。木材在干燥状态下失去水分而解吸，其尺寸逐渐收缩减小。微观上，木材细胞壁微纤丝上纤维素链状分子彼此靠近，当微纤丝链之间距离很近时，部分羟基与羟基之间形成新的氢键结合；再次吸湿时因部分相互吸引、价键满足的羟基不能再从空气中吸收更多的水分，因此吸附量减少。
吸湿滞后的差值与树种无关，但随木材尺寸的增大而加大。当木材尺寸增至一定程度，即木材长度达10cm，厚度至1.5cm时，将变为一恒定值。木粉、单板及短而薄的木料，其吸收滞后数值不大，可以忽略不计。对于窑干长而厚的成品材而言，其吸湿滞后值且随着温度的升高而增大，通常在１－５%之间，平均为2.5%，生产上应考虑其影响。
利用木材吸收滞后现象人工干燥木材，使用时木材尺寸稳定，不会从空气中吸收很多水分而发生体积变化，引起翘曲变形。

5.1.3.3 木材平衡含水率（1）木材平衡含水率及其测定方法
木材在空气中吸收水分（吸湿）和散失水分（解吸）的速度相等，达到动态平衡、相对稳定，此时含水率称为木材平衡含水率。由此可见，木材平衡含水率与空气湿度和湿度有很大的关系。当温度一定而相对湿度不同时，木材的平衡含水率随着空气湿度的升高而增大；当相对湿度一定而温度不同时，木材的平衡含水率则随着温度的升高而减小。这是因为温度升高，水分子的动能增加，分子间相互作用减弱，从而脱离木材界面向空气中蒸发的水分子增多的缘故。研究表明：相对湿度每升高1%，木材的吸湿率便增加0.121%，而温度每降低1℃时，木材的吸湿率仅增加0.071%。木材平衡含水率与空气湿度和空气湿度关系见图5-6，由此即可查出任一温、湿度条件下的平衡含水率。
（2）木材平衡含水率测定方法
木材平衡含水率的测定可按下列步骤进行:气干后的木材按要求加工试样，其尺寸为2×2×30cm的长方体(后者为顺纹方向)，四面刨光，长度尺寸容许误差为土1cm，宽度与高度准确至0.1cm。每种木材取10个试样，捆成一束，每2个试样之间夹以隔条，将捆好的试样悬挂于室内通风良好之处，直至与空气湿度平衡，并随空气的温度与相对湿度的变化而变异。要求试样不受雨雪所淋和日晒夜露。试样每周称重一次，至少要观测记载一年以上，最后将试样置于干燥箱中，按称重法测出试样绝干重量。按下式计算出不同时期含水率，再取均值作为某地区的平衡含水率。


（3）木材平衡含水率的意义
同一环境下，不同树种的木材，其平衡含水率的稍有差异，但差异不大，在生产上可不考虑树种间的差异。不同地区空气的温度和湿度差异很大，地区间木材平衡含水率差异很大。我国北方地区木材平衡含水率明显小于南方，东部沿海大于西部内陆高原（表5－3）。我国北方地区木材平衡含水率12%左右，南方多数在15%左右，海南岛为18%。对于同一地区来说，所处湖泊和大江、大河等水湿环境周围，其木材平衡含水率较远离水湿环境要大。
木材平衡含水率在木材加工利用上具有重要指导意义。木材吸湿时会导致木材物理力学性质变化，严重时会导致板面翘曲变形。木材加工木制品前，必须干燥到与所在地区或使用地区空气温、湿度相适应的木材平衡含水率。这样才可避免因受使用地区温、湿度的影响而发生木材含水率变化，也就不会引起木材尺寸或形状的变化，可以保证木质品的质量。木材产品板材、方材调运时，也应将其干燥到使用地区的平衡含水率。例如：哈尔滨市（13.5%）制材厂供应给武汉市板材，则板材干燥到W=15.4％即可。反之，武汉市板材供应给哈尔滨市，则板材干燥到W= 13.5%。

实际使用时，木材所要求的含水率与木制品用途有很大的关系（表5）。不同类型的用材，对木材含水率的要求不一，通常要求达到或低于平衡含水率。同一用途木材含水率既要考虑地区间木材平衡含水率的差异，又要考虑室内外间的差异。加工前，干燥后的木材原料含水率应小于或等于木制品用途要求的含水率（低1-2%），室内木制品含水率应较室外低1-2%，这样可避免木制品因干缩出现的缝隙和脱榫现象。

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5.2.1.2 影响木材干缩和湿胀主要因素木材干缩湿胀除了明显的各个方向的异性外，还与下列因素有关。
（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（表5-5）。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。

（2）微纤丝角度
木材管胞或纤维胞壁S2层微纤丝角度对木材各向干缩有较大的影响，如图5-8。微纤丝角增大，纵向干缩变大，而弦向干缩变小。特别是微纤丝角大于30，木材纵向干缩明显增大，会因起板材翘曲现象。人工林短周期小径材或带有髓心的板材易发生此种现象，直接影响到板材的利用。


（3）晚材率
木材年轮内早晚材颜色差异大，反映出其密实程度差异大。现代技术X-射线密度仪显示晚材最大密度要比早材最小密度大2-3倍。表5-6为马尾松木材晚材率与其横纹干缩间的关系，随着晚材率的增大，径弦向干缩率直线增加，并且弦向干缩始终大于径向干缩。表5-3中三个树种为分离后的早材、晚材分别测定的结果，早材、晚材弦向干缩也大于其径向干缩。这也反映出密实程度大的晚材干缩性，要比密实程度小、松软的早材干缩大得多。木材的顺纹干缩与此相反，即木材顺纹干缩率与密度成反比。当晚材率增加时，顺纹干缩减小，即木材密度愈小，早材相应增多，顺纹干缩亦因而愈大。之所以如此变异，为早材次生壁的中间层较薄，微纤丝的排列相对的成较大角度，木材顺纹干缩与此角度成正比，所以早材率越大，木材顺纹干缩也越大；晚材率大，木材顺纹干缩小。

（4）树干中的部位
树干中近髓心的木材，其纵向干缩率大，径向干缩与弦向干缩小；而远离髓心的和近树皮处的木材纵向干缩小，径向干缩与弦向干缩小。这种变化与木材密度和纤丝角度随年龄变化规律有关。

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5.2.2 木材干缩与湿胀各向差异的原因木材干缩、湿胀之所以有纵向、横向不同及径向与弦向的差异，主要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。针叶材主要是有管胞组成，有少量的木射线组织。阔叶材主要组成分子是木纤维、导管、轴向薄壁组织和木射线。它们细胞壁主要化学组成是纤维素、木素和半纤维素及少量浸提物。理解这些细胞壁结构特性和化学成分的性质，就不难理解木材干缩与湿胀各向差异的原因。下面分别叙述顺纹方向（纵向）干缩与横纹方向（横向）干缩差异及横向干缩中径向与弦向差异的原因。
5.2.2.1 纵向干缩与横向干缩差异的原因木材纵向干缩小，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。而细胞壁以次生壁占绝大部分，次生壁中S2层占绝对优势（70—90%），因此木材干缩主要取决于次生壁S2层微纤丝的排列方向。微纤丝是由纤维素长链状分子组成，纤维素与水有很大的亲和力，木材的含水率在纤维饱和点时，细胞壁完全充满水，如图5—10A。当含水率在纤维饱和点以下时，木材开始干燥，水分蒸出，微纤丝之间的距离逐渐缩小，如图5—10B；至绝干材时达到最大干缩量，如图5—10C。反之绝干材吸收水分后，微纤丝之间的距离逐渐增大，木材膨胀，直至纤维饱和点时达到最大湿胀量。

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。纵向收缩的大小主要取决于微纤丝角的大小。由于S1层、S3层微纤丝排列方向与主轴近于垂直，S1层微纤丝在內起着支架作用，限制S2层向内收缩；S3层微纤丝在外层圈着S2层，限制S2层向外过度膨胀，因此木材不会发生无限膨胀和无限收缩。

5.2.2.2 径向与弦向干缩差异的原因木材径向干缩是弦向干缩的一半，产生这种现象的原因复杂，不是单一理论可以解释，而且与不同的树种、木材的构造有关。目前，解释其原因主要有早晚材的影响、径向木射线的抑制作用、细胞径向壁与弦向壁木素含量的差异及纹孔数量多少的影响等理论。
（1）早材与晚材的影响
木材收缩量与其细胞壁所含物质含量多少成正比。早材材质轻软，细胞壁物质含量少，密实程度低，干缩小；晚材材质较硬，细胞壁物质含量多，密实程度大，干缩大。横切面上径向，年轮中早材与晚材是串联的，径向干缩是早材干缩和晚材干缩的加权平均值。而弦向，年轮中早材与晚材是并联的，弦向干缩主要受晚材的影响，干缩大的晚材迫使整个年轮均随晚材干缩，因而使弦向干缩接近于晚材的干缩，而这样就造成木材的弦向干缩大于径向。
（2）径向木射线的抑制作用
木材中，木射线是唯一横向排列细胞所组成。木射线细胞呈径向排列，其细胞微纤丝排列方向与射线细胞轴向一致，因其纵向收缩小，机械地抑制木材径向收缩；而木材弦向为射线细胞的横向，横向干缩大。这使得木材径向收缩小于弦向。北美红栎实验表明，单一木射线组织径向上的全干缩为2.5％； 而无射线的部分径向全干缩率为5.1％。柳杉、赤松、扁柏等树种均与假设相等。
（3）细胞径向壁与弦向壁中木素含量的差异的影响
木材主要化学成分中，木素的刚度比综纤维素（纤维素、半纤维素）高，木素的吸湿性比综纤维素小。木材纵向细胞的径面壁上木素的含量比弦面壁高，其吸湿性较弦面小，多少限制了木材径向干缩。
（4）木材各种细胞干燥过程本身不均匀收缩
木材细胞分子中，导管、薄壁细胞弦向干缩大于径向干缩，木射线宽度方向干缩（木材弦向）较长度方向（木材径向）干缩大，致使弦向干缩大于径向。早晚材管胞弦向干缩大于径向。木纤维各向干缩几乎相同。
（5）径壁、弦壁纹孔数量及其周围纤丝角度变大的影响
纹孔是细胞次生壁局部未能加厚而留下的孔道。纹孔的存在使其周围微纤丝的排列方向偏离了细胞主轴方向，纤丝角度变大，导致纹孔周围纵向干缩大，横向（径向）收缩小。径切面纹孔多（针叶材特别明显），其纤丝角度大，纵向干缩大，横向（径向）收缩小。弦切面纹孔少，纤丝角度小，纵向干缩小，横向（径向）收缩大，故弦向大于径向。此外，纹孔越多，胞壁实质就越少，木材的干缩与胞壁实质成正比。径面壁上纹孔多，胞壁实质少，横向干缩小。
5.2.3 木材干缩的评价指标与测定方法5.2.3.1 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。

（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，可按下式分别计算径向、弦向和体积全干干缩率。

木材干缩率中，三个方向干缩大小顺序为弦向、径向和纵向；木材体积干缩率为最大，近似等于径向、弦向和纵向干缩率之和。
（3）干缩系数
为了能比较在不同含水率区段下的干缩值，采用干缩系数这一指标，以计算确定出木材加工过程中板材尺寸和湿单板剪切时应留出的干缩余量。生材和湿材干缩值计算，其起点含水率可取纤维饱和点30％的数值进行计算。
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。

（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。弦径向干缩之比小，纵向干缩小，木材尺寸稳定。收缩率大小是估量木材稳定性好坏的主要依据，差异干缩是反映木材干燥时，是否易翘曲和开裂的重要指标。根据木材差异干缩的大小，大致可决定木材对特殊用材的适应性。为了比较横向两个不同方向上，径向和弦向干缩差异程度，常用差异干缩Ｄ来表示。

根据Ｄ值大小分成三级：Ｄ＞２为大，如栲木为2.16；1.5≤Ｄ≤2为中，如水曲柳为1.79；Ｄ＜1.5为小,如蚬木为1.3。
5.2.3.2 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，其各向应为标准的纵向、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。在每试样各相对面的中心位置，分别测量试样的径向和弦向尺寸，准确至0.01mm。测定过程中应使试样保持湿材状态。
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。然后，分别测出各试样的径向和弦向尺寸，并称量试样的重量，准确至0.001g。
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 在测定过程中，凡发生开裂或形状畸变的试样，应予舍弃。按上述评价指标有关公式分别计算。

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5.2.4 木材干缩和湿胀对木材加工和使用的影响
木材干缩和湿胀的各向异性是木材的固有性质，木材干燥不均匀引起的缺陷大致分为三类：即变形、开裂及干燥应力，这不仅直接影响到木材加工质量，而且影响到木材的有效使用。了解木材干燥缺陷产生的原因及其解决办法，对合理使用木材，避免浪费木材资源是极为重要。

5.2.4.1 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，如图5—12。

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5-12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5-12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5-12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5-12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5-12中5。

⑥ 木材端面为圆形，干缩后，变为卵形或椭圆形，图5-12中6。

⑦ 若为弦切板端面，干缩后，两侧向上翘起，图5-12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，主要有下列四种，如图5—14。

① 翘弯，板材干燥后，近似瓦状，两边翘起，原因在于板材干燥时，弦向干缩大，直径方向干缩小，距离髓心愈远的一面愈接近弦向，而愈近髓心的一面愈近径向。图5-12横切面上7的位置，原木解锯后板材会这种变形。


② 顺弯，板材干燥后，两端高起，如弓形，谓之顺弯，发生于木板的长向，由于木板过长，在堆积干燥时，受本身的重量下垂而成，或者是由于在于燥过程发生表面硬化，木板再锯开以后而成，或者是由于木材本身的缺陷，或者板材干燥时，一面通风好，相对的一面不通风，前者干燥快，因而弯曲。此外，应力木亦可能形成顺弯。

③ 扭弯 板材干燥后四角不在同一平面上，谓之扭弯，或扭曲。乃由于木板构造的不正常，例如，螺旋纹理与交错纹理的板材，其相对两面细胞排列的角度不同，干缩后，发生扭曲，或者如应压木密度不均匀的木材亦易造成扭曲。

④ 横弯 板材干燥后，板面仍保持平直，但其侧边弯曲，一边中央凹入，另一边中央凸起，板材侧边的端头所引直线偏弯，主要是应压本干燥时，产生此种缺陷。

5.2.4.2 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。如图5—14，木材的开裂有以下几种。

（1）端裂 为木材干燥时最易发生的缺陷，因为木材水分沿顺纹蒸发的速度约为横纹的12—15倍，同时外表的水分比内部的蒸发快，所以木材两端的水分蒸发甚快，而侧面的水分则蒸发迟缓，故两端先行干燥而开裂。木材端裂自外面向髓心方向发展，起初很小，随干燥的继续进行而逐渐扩大，并沿顺纹方向而向内延展。图5-15中1和2。

（2）表面裂 木材干燥时，表面水分通常先行蒸发，而内部水分逐渐外移，以作补充。如木材干燥过急，内部水分的移动不能与干燥速度相适应，则木材内外含水率差异很大；表面水分已降至纤维饱和点以下，而木材内部含水率仍然在纤维饱和点以上，于是表面形成拉应力；如表面形成拉应力大于细胞问的结合力，则木材表面开裂，谓之表面裂。如图5-15中3。

（3）心裂 心裂如同端裂，裂缝横过年轮，但自髓心向外辐射，而端裂则由外面向髓心扩展，其原因主要是由于心材的干缩，心裂有时自髓心辐射出数条裂缝，谓之星状心裂。如图5-15中4。

（4）蜂窝裂 蜂窝裂为木材内部沿木射线的开裂，在木材外部不易看见。当木材锯开，能见到许多裂缝，称之为蜂窝裂。其成因为木材干燥的不均匀，致使内部产生的拉应力大于分子间的结合力，于是木材内部裂开，如图如图5-15中5。

（5）轮裂 原木断面上裂缝沿着年轮方向开裂，如榆木类木材，图5-15中6。轮裂发生的原因多种，主要是由于早晚材材性和干缩性上的差异，或树木生长风的影响，或树木伐倒摔震所致。

防止木材开裂的方法，主要是根据开裂发生的原因，分别采取不同的措施。例如：防止端裂，可在木材干燥前用石蜡或油漆，或桐油石灰或煤焦油等，涂刷于木材两端，或者以“S”形或“C”形铁器钉子木材的两端，或者用铅丝固紧。防止表面裂与蜂窝裂要控制温度与湿度。总之，防止木材开裂的基本措施为合理的堆积，通风良好，使之干燥均匀。

5.2.4.2 木材干燥产生的缺点
木材在干燥过程中，如表面水分的蒸发和内部水分的扩散，互相适应，木材便能正常干缩，不致产生任何应力，若木材在开始时即急剧干燥，则内外含水梯度甚大，因而产生应力，造成下列各种缺点：

（1）表面硬化 为木材人工干燥过程中易产生的缺陷，特别是硬质木材干燥速度过快情况下易发生。如图5—16。

① 表面硬化第一阶段 生材急速干燥，使含水梯度增大，外层细胞壁的水分因蒸发首先降至纤维饱和点以下，开始干缩。但内层的水分仍在纤维饱和点以上，不干缩，外层因内层的牵制使干缩受阻碍而产生拉应力，内层则受压应力，在此情况下，如干燥继续进行，外层的水分愈减少，干缩亦应随之增加。但因内部含水率尚未到纤维饱和点以下而不能干缩，或稍低于纤维饱和而不能象外部一样的干缩，故只增加压应力与拉应力，此时外壳的密度增加，继而稍为硬化，形成表面硬化的第一阶段。

通常情况下，针叶树材因水分移动容易，表面硬化甚少；阔叶树材因水分移动困难，容易形成表面硬化。已经表面硬化的木材，可用通蒸汽方法处理，利用温度与湿度的共同作用，使木材因湿润塑化而解除硬壳，获得正常的干缩。但若喷蒸汽时间过短，无济于事，喷蒸汽时间过长，则作用相反。


② 表面硬化的第二阶段 木材到达表面硬化第一阶段，如不设法补救，继续进行不适当的干燥，则因外壳已硬化固定，内部却能自由于缩，故在水分梯度渐缓时，内部的干缩率理应增加，由于压力与拉力相互易位，谓之表面硬化的第二阶段(又称逆表面硬化)。如图5—16。表面硬化的第二阶段，不但降低木材的力学性质，而且使木材产生蜂窝裂等缺陷，因此木材干燥时，应尽可能避免发生表面硬化现象发生。

（2）压缩僵化与拉伸僵化 含有饱和含水率的木材，在外力的压迫下，进行干燥，则因外力的作用产生一种新的形状，此新形状与无外力而在自然状态下干燥的不同，此种现象，谓之僵化。作用的外力如为压力，则新形状比在自然状态下干燥的为小，谓之压缩僵化(或称压缩硬化)，作用的外力如为拉力，则新生形状比在自然状态下干燥的为长，谓之拉伸僵化(或称拉伸硬化)。僵化以后，并不避免干缩与膨胀。压缩僵化,可反复进行，拉伸亦复如此。

僵化现象，常见于木材应用中，为木材利用的一大缺点，如木桶木盆经久漏水，农具锄柄脱落等。但僵化现象在木材利用上亦有优点，如弯曲木、拱梁，就是利用木材僵化的特点。僵化木材可用喷蒸汽处理，使其恢复原状。

（3）木材的凹陷(溃陷)

含有饱和含水率的木材，在高温急剧手燥下,水分因扩散作用迅速向外散放，在此瞬息间，细胞腔出现减压现象。由于木材在高温与高含水率下可塑性很大，又因在瞬间空气不能进入细胞腔以补充其压力，木材即因内外压力相差很大，产生凹陷现象，有如一个橡皮管骤然将管内水分抽出，而不放入空气，则橡皮管必然扁平。细胞凹陷的木材，往往极度歪斜，如方形木材变为金刚面形，经切板的板面形如洗衣板。凹陷一般均沿木射线产生。


防止木材凹陷，必须注意干燥，如已发生，则用喷蒸汽处理。如木材凹陷甚深，目前尚无有效的恢复方法。

5.2.4 减少木材干缩、湿胀的方法
目前，稳定木材尺寸的途径主要有下列几种方式。
5.2.4.1 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。
高温干燥可将木材含水率减至10—15％，达到平衡含水率，木材尺寸稳定。高温干燥，温度不能过高，时间也不能过长，否则使木材强度减少和木材颜色变深。
5.2.4.2 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。
5.2.4.3 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。
5.2.4.4 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。
5.2.4.5 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。
5.2.4.6 充胀与改性用苯乙烯单体浸渍木材或用易溶于水的盐类如NaCl，MnCl2，BaCl2及MgCl2等，蔗糖以及有机化合物浸注木材后，木材体积增加，重量增加25%（化学药剂量），木材体积几乎等于纤维饱和时的体积，试样已达到纤维饱和时木材再与水接触，体积几乎不再增加。
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。
用水溶性的酚醛树脂溶解于水，稀释到能渗透到细胞壁内，然后将木材浸于其中，以后又将木材取出缓慢干燥，当水分散发后，树脂所形成的化合物逐渐扩散至细胞壁内，于是增高温度，使树脂凝固在细胞壁内，此法对于稳定木材尺寸，效果良好。
5.3 木材的密度 5.3.1 木材物质比重与孔陷度5.3.1.1 木材物质比重物体重量与同体积水(4oC)的重量之比称为比重。木材为多孔性物质，除了组成木材的基本物质—细胞壁外，还包含有空气和水分。木材物质比重为木材除去细胞腔等孔陷所占空间后实际木材物质的比重，亦即细胞壁的比重。由于组成木材各种细胞壁的成分主要是纤维素、半纤维素、木素，它们的成分和比例大体上一致，因此木材物质比重与各个树种关系较小，各个树种的木材物质的比重数值差异不大，约为1.49—1.57，平均为1.53。表 为我国部分树种木材细胞壁的物质比重，其值在以上变动范围内。

5.3.1.2 木材的空隙度木材空隙所占的体积称为木材的空隙度，它包括细腔、细胞间陷和微纤丝之间的空陷等。它分为体积空隙度和表面孔隙度两种。体积空隙度是指木材在绝干状态时其空隙体积占总体积的百分率，表面空隙度则是其横切面上空隙面积占总面积的百分率。一般木材空隙度是指体积空隙度。表5-2列出国产5种木材的体积空隙度，空隙度愈小，木材的绝干密度愈大，二者呈明显的负相关。
木材体积空隙度可以根据木材绝干密度、木材物质比重的数值求出，其公式为：
当胞壁密度取平均值1.53g／cm3时，C则上式可简化为，

5.3.1.3 木材物质比重的测定方法木材物质比重测定时，必须用流体介质置换木材中的空陷，常用的置换流体介质是水、氦、苯等，三者测定所得数值并不相同，呈依次降低趋势。如以水、氦和苯为置换介质，所测得的木材物质比重分别为1.53、1.46和1.44。其差异的原因主要在于水是一种极性物质，胞壁成分对水的吸附作用，水能深入除纤维素结晶区以外的胞壁结构中，造成木材吸着水密度增大，从而在测定中加大了木材内部的空隙体积，即减小了胞壁的体积，使木材胞壁物质的密度增大。氦为非极性，非润胀性物质，不易进入细胞壁空隙，也不为纤维素所吸附，所以用氦作为置换介质结果偏小。由于水作置换介质比较方便，故多采用以水置换得出的数值。
先将木材消成锯屑，置于103±20℃的烘箱中烘干，称其绝干重量(Go)后，再将锯屑放于比重瓶中加水，使锯屑下沉，并加满水后称其重量(P/)；然后将锯屑倒出，冲洗清洁，再盛满水，称其重量(P)。根据浮力定律和水的特性，可得下式直接计算出木材物质的比重。

5.3.2 木材密度5.3.2.1 木材密度单位体积内木材的重量称为木材密度，又称木材容积重或容重，单位为g／cm3，kg／m3。木材是一种多孔性物质，木材密度计算时，木材体积包含了其空陷的体积。木材的密度除极少数树种外，通常小于1g／cm3。木材密度与其物质比重是有着本质上的区别，二者不能混同。
5.3.2.2 木材密度种类及其测定方法木材中水分含量的变化会引起重量和体积的变化，使木材密度值发生变化。根据木材在生产、加工过程中不同阶段的含水特点，木材密度分为以下四种，常用的是木材基本密度和气干密度。
（1）基本密度
全干材重量除以饱和水分时木材的体积为基本密度。它的物理意义是，单位生材体积或含水最大体积时，所含木材的实质重量。
　　　　　　　　　　　　　　　　基本密度= 绝干材重量/浸渍体积
基本密度浸测定时对试样形状无要求，测定方法简单，最重要的是试样的干重和最大体积衡定准确，不随着测定人和环境的变化而产生误差，因此在木材材性研究、林业生产评价营林措施对木材性质的影响，森林培育计算单位面积上生物量及林木育种优良品系筛选和评价时都要用到基本密度，它是材性比较和林木育种等方面的一个重要指标。
值得关注的是生长锥锥心样品测定基本密度时，不能用生长锥锥心直径计算样品体积。因为生长锥在锥取木心样品时，生长锥本身磨擦受热变形，其直径变大，用生长锥锥心直径计算样品的体积误差大，所得结果不准确。
（2）生材密度
生材密度是生材重量除以生材的体积。实验室条件下，用水浸泡可使木材达到形体不变，测出生材体积的相等值（与浸渍体积相同），但其重量已不是生材状态时的重量，这点要注意。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　生材密度 = 生材重量/生材体积
生材密度主要用于估测木材运输量和木材干燥时所需时间与热量。过去伐木场利用水流运输木材，如生材密度很大，沉于水中，损失会很大。
（3）气干密度
气干材重量除以气干材体积为气干密度。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　气干密度 = 气干材重量/气干材体积
由于各地区木材干衡含水率及木材气干程度不同，气干状态下木材含水率数值有一范围，通常在8—15%之间。为了树种间进行比较，需将含水率调整到统一的状态，我国规定气干材含水率为12%，即把测定的气干材密度，均换算成含水率为12%时的值。换算公式为

日常生活中所使用的木材都是气干材，因此生产中用气干密度估算木材重量和木材性质与木材质量。
（4）全干材密度
木材经人工干燥，使含水率为零时的木材密度，为全干材密度或绝干密度。由于绝干材在空气中会很快地吸收水分而达到平衡含水率，其密度用的很少，只是科研比较时用此值。
　　　　　　　　　　　　　　　　　绝干密度 = 绝干材重量/绝干材体积
5.3.2.3 木材密度的测定任一含水率状态下的木材，测出其重量和体积，就可计算出它的木材密度。由于木材重量易于测定，且比较准确，因此关健在于精确测定木材试样的体积。目前，木材密度的测定用以下四种方法。
（1）直接量测法
试样加工成尺寸为20×20×20mm的标准的立方体，相邻面要互相垂直。在试样各相对面的中心线位置划圈，用螺旋测微尺分别测出其径向、弦向和顺纹方向的尺寸，准确至0.01mm，用千分之一的天平称重，准确至0.001g。
气干密度试样以气干材制作，测量气干尺寸后立即称气干重，然后放入烘箱，用烘干法测出试样的绝干重量。试样烘干后，可立即测出全干状态下体积。按有关公式计算气干密度和绝（全）干密度。
木材气干密度、绝（全）干密度和木材的干缩性测定可采用同一试样。

（2）水银测容器法
水银测容器如图5-16所示，最下部为底座1，底座上部为水银槽2，水银槽上端为螺纹压盖5，压盖上装有可移动标记的玻璃管6，圆柱状活塞3与水银槽相通，它能随手柄8或左或右转动，伸出或缩进，转筒外部附测微计7，测微计每刻度(手柄旋转一周)读数为0.3cm3。
使用时打开带玻璃管的压盖5，将试样放入水银槽中，拧紧压盖，转动手柄8使活动圆柱3移动，直至水银上升到玻璃管可移动的固定记号处，记下测微计的读数A1；再转动手柄使水银退回槽中，务使其降至低于槽口，方可打开压盖，取出试样；重新拧紧压盖并转动手柄，使水银再上升至玻璃管移动记号的原处，记下测微计的读数A2。两次读数之差乘以一常数(瑞士Amsler产品，此致为0.3)即为试样的体积(cm3)。称重与直接量测法同。
此法适用于不规则试样体积的测定。但管孔较大的木材，水银易进入管孔而影响测定精度。
（3）排水法
利用水的密度为１，试样入水后排出水的重量，与试样体积数值相等的原理而设计的。其试验装置如图5-2，图中所示1为金属针、2为试样，3为烧杯、4为千分之一托盘天平。

测定时，将烧杯盛水至适当深度放置于天平托盘上，把金属针浸入水下1~2厘米后，在天平的另一端放置砝码使之平衡。然后将金属针尖插固于已称重的试样上并浸入水中，再加砝码使之重新平衡。托盘上前、后两次砝码重量(g)之差，即为试样的体积(crn3)。操作时应注意试样不得与烧杯壁接触，并使金属针在两次平衡时的浸水深度相同。
该方法对形状不规则的试样适合，尤其适合测定饱水状态（生材或湿材）下试样的体积。测定气干材或全干材体积时，须在试样入水前涂以石蜡，操作应迅速，防止试样因吸水而影响精度。如用电子数字显示天平则更为方便。
（4）快速测定法
将试样制成2×2×20cm的长方体，要求试样平直、规整，上下两端面相互平行。把试样全长刻划区分成10等分，依次标记为0.1，0.2，0.3……0.9。然后将试样标记0.1的一端浸入盛有水的玻璃筒中，勿使其与量筒壁接触，此时在水面处的试样标记，就为该木材的密度(图5-3)。
测定气干试样密度时，应先对试样表面进行涂蜡，防水渗入木材内部。测定要迅速操作。
此法适于测定密度小于1的木材，虽较粗放，但可用于林区或木材加工现场。

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5.3.3 木材密度的意义及影响木材密度的因素木材密度大小反映出木材细胞壁中物质含量的多少，是木材性质的一个重要指标。木材密度与强度之间成正比，即在含水率相同的情况下，木材密度大则木材强度大，它是判断木材强度的最佳指标。生产中，不同用途选择树种木材时就要考虑到木材重量。木材密度大小对木材合理的加工工艺的确定、林木材性育种与遗传改良和营林培育有着重要的指导意义。
5.3.3.2 影响木材密度变化的因素木材是自然界中树木生产的产物。树木生长除与遗传因子有关外，又与其所在的栽培环境、立地条件有很大的关系。一切影响树木生长的外界因素对木材密大大小均有影响。从木材自身条件和使用方面考虑，影响木材密度大小变化的主要因素有树种、晚材率、含水率、树干部位等。
（1）树种
树种不同，木材结构上有差异，组成木材的细胞组织比量例不同，细胞壁与孔隙度所占的比例也不同，这种内在因素上的差异造成木材密度不同。
木材密度主要取决于木材空隙度，木材空隙度愈小，则其密度愈大，反之，则密度愈小，如表4－9。此外，木材密度还与木材抽提物含量有关。树种不同，木材浸提物如单宁、油类、树脂、树胶、糖类及淀粉等含量不同，亦影响木材的密度。特别是松属木材中的松脂，有时含量竟达9％以上，当然要增高密度。

就目前所知，国产木材最重的是蚬木(Burretiodendron hsienmu)，气干密度1.130g/cm3；密度较大者有麻栎（0.93 g/cm3），最轻的为轻木(Ochroma lagopus)，气干密度0.24。泡桐只有0.27 g/cm3。世界上，木材密度最轻的为髓术(Aeschynomene hispida)，气干密度0.04，最重的为胜斧木(Krngiodendron ferreum)，气干密度为1.42。
（2）年轮宽度与晚材率
各树种生长快慢有明显的差异，其年轮宽度和晚材率大小均不一样，二者的关系因树种不同而表现各异。
对于早晚材区别明显的针叶树材与阔叶树材的环孔材，早材与晚材的密度大不相同。年轮内早材细胞腔较大、壁薄、质软；晚材细胞壁较厚、质硬，致密，晚材的密度是早材的3倍左右（表5—10）。

木材密度大小取决于晚材率大小，晚材率高，木材密度大，强度也高。针叶树年轮宽度适中，木材密度大、强度高。因为针叶树晚材宽度大致不变，年轮越宽，早材增加，木材密度减少。但年轮太窄为树木生长不正常，木材密度亦减少。阔叶材中，环孔材早材固定，年轮加宽增加的部位是晚材，因此密度增大。散孔材早晚材分布均匀，大小近似一致，年轮宽度对木材密度影响不大。

（3）树木体内不同的部位
同一树种，其树干中不同部位的木材，木材密度也有较大的差异。
阔叶树材密度沿半径方向的变化规律与管孔分布类别有关。散孔材木材密度的变异是由髓心向树皮方向逐渐增大，如桦木、欧洲山杨、椴木等，其边缘部分比靠近髓心处木材的密度可增大15%～20%，11年生木麻黄木材密度由髓心向树皮方向增大可高达31.5%。环孔材具心材者，心材密度大，年轮宽度与密度成正相关关系，但靠近髓部及靠近树皮的边缘部分，木材的密度则较小。
针叶树，通常是树干基部木材的密度最大，自树基向上逐渐减小，但在树冠部位由于枝桠小节的存在，木材密度则略有增大。株内直径方向的变化，针、阔叶树材木材密度其变化规律大不相同。对针叶树材而言，成熟树干中，一般来说密度的变化规律：髓心木材密度值较小，幼年材中由髓心向外木材密度逐渐增大，在成熟林阶段达最大值后保持相对稳定，过熟林阶段木材密度值有逐渐减小的趋势。对于树龄较大的松类木材，髓心附近木材松脂类浸提物含量很高，如没有浸提除净，其木材密度因树脂含量高而明显偏大。

（4）栽培环境
同一树种，栽培环境差异大，其木材细胞组织比量不同，同体积内细胞孔陷度和细胞壁物质含量有差异，导致木材密度有较大的差异（如表5-12）。同一树种，木材密度不同，对木材的利用是有影响的。培育时，选择适合的栽培环境是很重要。

（5）含水率
含水率高于纤维饱和点时，木材体积固定，含水率增加，木材密度直线增加。小于纤维饱和点时含水率增减，木材密度增减较为缓和，因木材体积随着含水率增减而增减，成正比。生材含水率大，多达200%，生材密度大，大于1时下水即沉，水运木材时应注意这个问题。
木材密度与含水率的的关系可按下式进行换算。


利用图可查出任意含水率时的木材密度。其方法为某一含水率（如12%）的横线，与该含水率时的密度（如ρ12 ）交点，沿该交点处的斜线延伸到与需换算的含水率代表的横线的交点，过交点作横坐标的垂线，交于横坐标所示的密度值即为要换算含水率下的密度值。


5.4 木材的热学性质 木材的热学性质主要用比热、导热系数和导温系数等指标来表达。这些物理参数对指导木材人工干燥、木材防腐改性、木材软化、曲木生产工艺、人造板板坯加热预处理、胶合、纤维干燥、胶合板生产时原木解冻、木段蒸煮及单板的快速干燥等方面重要意义。此外，木材热学性质与人们生活、环境材料方面息息相关，如人对地板和家具的触觉性能和建筑上隔热和保温设计（住宅壁面和天花板的隔热、保温性能）等。
5.4.1 木材热容量与比热某物质平均温度升高１℃所需的热量称为该物质的热容量。通常用Q/△t表示，单位为J/K，其中Q表示所需热量，△t为温差。
某物质单位质量的热容量与相同质量水的热容量之比值称为比热(C)。1Kg水在15℃时的热容量为4.18KJ，因此比热又可简化为单位质量的物质在温度升高１℃时所需的热量[4.18KJ/(kg•K) = 1kcal/kg•℃]。
1913年，邓烙普（F. Dunlap）利用热量计法测定了20个树种100个试样在0－106℃之间的比热,推算得出绝干木材比热的经验式：

式中：1.112为绝干木材在0℃时的比热。
在温度0－100℃变动范围内，按50℃平均温度计算可知绝干木材的平均比热为1.354KJ/(Kg•K)。
上式表明，木材比热与树种、木材密度和在树干中的部位无关，仅受温度和含水率的影响。因为水的比热远大于木材和空气的比热，所以木材的比热随木材中含水率的增加而加大。若将湿材看作是木材、水分和空气所组成的三相系统，按热容量迭加原理并略去空气的热容量，利用湿木材热容量等于水的热容量与绝干材热容量之和的等式关系，可得出湿木材的比热：

木材是多孔有机材料，其比热远比金属材料大。我国红松、水曲柳等33种树种气干材比热测定表明，最高为1.88 KJ/(kg•K)，最低为1.62 KJ/(kg•K)，平均值为1.71KJ/(kg•K)。
5.4.2 木材的导热系数（导热系数）及其影响因素5.4.2.1 木材的导热系数木材被局部加热时，其加热部位的分子振动，能量增加。分子在振动碰撞过程中，将能量传递给邻近分子，这样顺次传递能量，将外加的热量向木材内部扩散，称为木材的热传导。如加热面和冷却面均能保持一定温度，即热面和冷面间的木材保持恒定的温度梯度状态下的热传导称稳态热传导。稳态热传导通常用导热系数（λ）来表示。它表示物体以传导方式在没有系统外热量损耗条件下，传递热量的能力。
木材的导热性用导热系数(λ)表示，导数系数为在单位时间内，通过木材单位面积和单位长度，在木材两面间所引起温度1℃的差异所需的热量。传导的热量Q用下式表式：

木材的导热系数不仅在评价热绝缘方面有重要意义，而且在木材加工方面也很重要。木材具多孔性，空隙中充满空气，各空隙虽不完全独立，但空气也不能在空隙间进行自由对流，此外自由电子少也不能形成流畅的热传递。

表5-13中铜的导热系数λ为348~394W／(m•K)，铝为218W／(m•K)，铁为46~58W／(m•K)；而木材平均顺纹导热系数λ为0.233~0.407W／（m•K），横纹导热系数λ为0.070~0.233W／(m•K)。铜、铝、铁的导热系数为约为木材的1000、5000、300倍以上。所以木材在建筑、保温和隔热方面有广泛的用途。
5.4.2.2 木材的导热系数影响木材导热系数的因素（1）木材密度
木材导热系数随木材密度的增加而增大，二者近呈直线关系。全干木材的横纹导热系数与密度间的关系是成正比的，二者关系可用下式表示：

木材密度越小，空隙率越大，则导热系数越小，绝热性越好。轻软的杉木，泡桐和巴塞木等木材具有良好的保温性，故可用作保温材料。
（2）木材含水率
水的导热系数20℃时，为0.582W／(m•K)，此值约为空气导热系数的25倍。木材中随着含水率的增加，部分空气被水分替代，因而木材的导热系数将增大。密度大的木材这一增大效应更明显，特别是横纹导热系数。由于吸着水与自由水的密度不同，导热系数是有差异的，自由水增多的影响更为显著．故含水率W可分为在40%以上和以下两种情形。
横纹导热系数λ┴按下式计算：

（3）温度
导热系数与热力学温度成正比，导热系数随温度升高而增高。其原因是温度升高，。木材分子运动加剧，热阻减少，从而使导热系数增加。
（4）热流方向
木材顺纹方向的导热系数远较横纹大。含水率在6％~15％范围内，木材纵向导热系数比横向约大2~2.5倍。这种差异随含水率增加而减少。红松、柞木等5种木材纵、横导热系数的比值在2.5~3.1间，云杉、栎木等5种木材比值在1.8~3.5之间。
木材纵、横导热系数差异，与木材与细胞壁的纤维素分子链长轴方向有关。其原因为热的传导依靠分子能量的平衡来完成，在构成木材细胞壁的纤维素分子链长轴方向上，分子能量平衡的阻抗明显小于垂直方向。
由于横向木射线的缘故，木射线组织比量高的木材，其径向和弦向导热系数在存着一定的差异，径向导热系数比弦向大5％~10％。但在早晚材区别明显的针叶材和阔叶树环孔材，晚材密度大，早材密度小，导热系数与木材密度成正比，有时出现弦向导热系数大于径向。在实际使用时，由于径向与弦向导热系数的差异，较木材纵向与横向差异要小的多，因此常以径、弦向的平均值作为横向导热系数的数值。

总之，木材的导热系数受木材密度、含水率、温度等因子的影响。木材的密度增大、含水率增高和温度上升，都将导致导热系数的增大。作为隔热保温材料时，密度小、孔陷度大、材质轻软、干燥的的木材，其绝热效果好。
5.4.3 木材的导温系数（热扩散率）导温系数又称为热扩散率，它表征材料在加热或冷却非稳定状态过程中，各点温度迅速趋于一致的能力。导温系数越大，材料中各点达到同一温度的速度就越快。温度在木材中均衡传播的能力称木材的导温系数，它表示木材在加热或冷却过程中温度上升或下降快慢的指标。
木材的导温系数(a)与导热系数(λ)、比热(C)、和密度(ρ)之间关系如下：

导温系数与导热系数一样，在一定程度上也受含水率、密度、温度和热流方向的影响。导温系数与温度的关系亦可看成是温度与导热系数、比热和密度三者关系的综合。即导温系数随温度升高而增大。
导温系数公式中，木材导温系数与导热系数成正比，与木材比热、密度成反比。由于λ、ρ和C这三者都是随含水率的增加而增加，所以导温系数随含水率的增加而减低。干材比湿材热的快的原因在于此。含水率达纤维饱和点时，导温系数变化缓慢。当W＞50%时，则a变化极为微小。
我国红松、麻栎等32种木材弦向导温系数变化范围为11.76―17.54×10-8ｍ2/s，平均值13.9××10-8ｍ2/s。各种树种间差异木材导温系数不如导热系数那样显著。
5.4.4 木材热膨胀温度升高，木材也会产生热膨胀。但因木材中常含有一定的水分，加热引起木材温度升高，水分加速蒸发引起木材干缩而减小其尺寸，木材干缩数值较热膨胀大得多。所以在木材加工时多考虑干缩值，而少注意木材的热膨膨。日常生活中，木材处于气温环境下，温度对木材的使用影响小。除非木材与其它材料组成的新的复合材料，一般可不予考虑温度对木材的影响。但在木材内部有温度梯度时，会因热膨胀产生内部应力而可能造成木材的变形。
木材的热胀系数很小，要用精密的石英膨胀计才能测定。顺纹试样长10cm，断面为1cm2；横纹试样用1cm3的立方体。全干木材纵向热胀系数约为a0L=3~4.5X10-8／℃，木材纵向、径向和弦向热胀系数大小差异顺序为aT ≥ aR > aL，三者比例约为8~10:6~7:1。
由于木材细胞壁中纤维素结晶部分的长宽比约为10:1，垂直于纤维素分子链方向的分子振动为链长度方向的10倍，使得横向热胀系数明显大于其它方向。实验表明，纵向热胀系数与木材密度无关；而横向热胀系数，随密度的增加而增加。由于木射线对径向热膨胀的制约，通常弦向大于径向。
木材的热胀系数在常温范围内常显示一稳定值。但到达某一温度以上的高温区域时，可看到木材组织的热软化，全干木材横纹软化点为80—110℃。热软化是木材塑性的重要性质，在热软化温度以上，木材的热胀系数会增加。
5.4.5 木材耐热性及热对木材性质和使用的影响5.4.5.1 木材耐热性及不同温度段木材热分解在加热情况下，不同温度段对木材性质与使用有很大的影响。
木材加热到180℃左右，就有一氧化碳CO（27.88%）、氢H2（4.21%）、甲烷CH4（11.36%）、乙烷C2H2（3.09%）和乙烯C2H4（3.72%）等可燃性气体释放出；此外还有不燃性气体二氧化碳CO2（50.74%）释出。此时若将木材靠近火焰口，这些气体就能产生瞬间火焰，但这种火焰不能持续，因为木材在此阶段中是吸热反应，此点温度称之为引火点温度。因此在木材工业方面处理温度一般不宜高出180℃，超过180℃木材本身热解，产生可燃性气体。
当继续加热使木材温度上升到250－290℃时，木材开始产生放热反应，分解出更多易燃性气体，气体能产生持续的火苗，但仍不是木材本身的燃烧。把产生这种火苗的燃烧状态叫无火苗着火，把这一温度称着火点温度。若将温度升到350－450℃时，木材能自动着火，把这一温度叫做发火点温度。
木材的燃烧与木材的导热性、密度、内含物等因素有关，与木材的形状、断面积、表面平滑度和含水率等因素也有关。
此外加热时间的长短对木材燃烧影响也十分显著，如木材长期受热，即使在200℃以下，也会造成低温着火。
5.4.5.2 热对木材性质的影响常温下，热对木材使用影响小。但如将木材长期处于40—60℃下，木材材色会呈现暗褐色，木材强度逐渐降低，这些表明木材外部与内部的化学成分已有所改变。
在一定温度下，木材热处理可使非晶纤维素中部分结晶化，降低木材吸湿性和提高木材力学强度。但继续加热和高温处理，就会造成纤维素的非晶化和各类化学成分的分解，使木材力学性质降低。
蒸煮加热处理对木材塑性和强度有一定的影响，但如利用得当则可转化成有利因素。100℃温度下长期蒸煮加热处理木材，其重量会发生明显的损失，并且可导致木材弹性模量减小，力学强度下降，冲击韧性降低更多。这种减小和强度降低，在木材处理初期和时间较短的情况下并不明显。只是随着时间的增长，尤其是随温度上升，这种重量减小和强度降低变化加剧。原因在于木材长期受热后部分半纤维素分解而引起的，蒸煮加热引起半纤维素和纤维素分解的影响要比木材在空气中受热大，故木材力学强度下降的程度也大。木材软化、木材密化化处理、曲木家具加工和木材干燥等生产上根据木材的这种特性，可采用适合的温度和较短时间内水煮或汽蒸处理木材，不仅可释放木材内部应力、减小木材变形与开裂，还降低木材的吸湿性和将木材变化的形状固定，以生产出满意的木制品。