第七章-木材物理性质课件.pptx

不借任何化学反应，也不用破坏试样的完整性即可测定的木材性质，称为木材物理性质。,本章重点:木材吸着水、纤维饱和点、吸湿滞后和平衡含水率的概念、含义及其对木材材性和加工应用的影响；木材干缩湿胀机理、规律及其对木材利用影响；木材密度；木材电学性质及其高频加热运用；木材视觉、触觉和微环境调节功能等环境学特性；,本章难点:木材与水分的关系，特别是木材吸着水、纤维饱和点、吸湿滞后现象和平衡含水率对木材加工应用的影响；木材干缩湿胀机理及其预防措施；,1.木材与水分,讨论:木材与水有何关系?,观看水从原木流出视频(见本章资源 媒体素材 水从原木流出.mp4),通过观看视频认识到，木材与水关系密切，自然状态的木材都有水分：立木含有大量水分，满足光合作用、植物蒸腾及输送营养物质的作用；伐倒木含有水分，树木伐倒后水分会被大量蒸发，但仍含有大量水分；木制品含有水分，木制品尽管经过干燥等处理，但其常含有815%的水分。,水分影响木材本身性质、木材运输、木材保存和木材加工与使用等。如何认识木材与水分的关系：从木材水分的来源、水分存在状态、分布规律、水分的测定方法及其木材与水分的相互关系等方面来认识。,1.1 木材含水率及其测定方法,1.2 木材的纤维饱和点,1.3 木材的吸湿性,1.4 木材中水分的移动,1.5 木材吸水性,1.木材与水分,1.6 木材透水性,主要内容,1.1.1 水分存在状态 自由水 定义：指以游离态存在于木材细胞的细胞腔、细胞间隙和纹孔腔等大毛细管中的水分，包括液态水和细胞腔内的水蒸汽。性质：自由水与自由界面的水一样，可自由地蒸发和移动，不受木材束缚；影响：对木材重量、燃烧性、渗透性和耐久性有影响，对木材尺寸稳定性、力学强度、电学等性质无影响。,吸着水 定义：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。性质：微毛细管直径小，对水有较强的束缚力，不同于自由界面的水，需要吸收能量克服束缚力才能蒸发和移动。影响：对木材物理力学性质和木材加工利用有重要影响，木材生产和使用，必须关注吸着水的变化与控制。,化合水 定义：是指与木材细胞壁物质组成呈牢固的化学结合状态的水。性质：为木材组成成分，比较稳定。影响：含量极少，一般干燥等热处理难以除去，温度接近或达到木材破坏时才能去除，对日常使用影响不大，可忽略不计。,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,木材含水率的测定方法干燥法：将待测含水率的木材称量初重（Gw）后放入烘箱，先在60低温下烘2小时，随后将温度调至1032，连续烘至重量（G0）不变为止。蒸馏法,厚度23mm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凝器，经冷凝的液体即流入接受器中，水分重沉至下部，多余的二甲苯则沿侧管返回瓶中。,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。,电阻式,交流介电式,原理：木材的直流电阻率随木材含水率变化。测量范围：728%,原理：木材的介电常数、损耗角正切值随木材含水率的增加而增大。测量范围：理论上绝干材至饱和含水率。常为550%,木材含水率测定仪,感应式水分测定仪,插入式木材测湿仪,木材测湿仪,1.1.3 木材含水率的变化与分类 树种间有差异：不同树种，含水率不同。株内有差异：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%。,1.1 木材含水率及其测定方法,观光木含水率变化直径方向,观光木含水率变化 高度方向,刨花润楠木材含水率变化直径方向,刨花润楠木材含水率变化高度方向,生材：新伐倒的木材称为生材，含水率多在50%以上，对指导采伐后运输及人工干燥具有很重要作用。湿材：长期浸泡在水中的木材。湿材含水率常高于生材。农村习惯将木材放入水中浸泡，不生虫，不腐朽，主要是将木材内部抽提物浸出，去除淀粉等营养物质，同时纹孔打开，透气性好，原木锯成板材后干燥快，尺寸稳定、变形小。,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，不同地区间差异很大，国内一般在818%之间变化。炉干材（窑干材）：经过人工干燥的木材称窑干材，含水率715%。板材干燥含水率根据要求而定，如地板用材要求含水率812%。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。,绝干材：木材放在103的温度下干燥至重量不变后的木材，其含水率接近于零。绝干材仅应用于木材科学试验中，在利用上应用价值很小。绝干材暴露于空气中，会快速地从空气中吸收水分。,1.2.1 纤维饱和点概念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。纤维饱和点含水率为2333%，平均约为30%。不同树种木材，纤维饱和点有差异，密度大于0.35g/cm3，纤维饱和点与密度无关，密度小于0.35g/cm3，随密度减少而增大，密度为0.25g/cm3的轻木，其纤维饱和点高达52%。,木材在不同水分状态下示意图,纤维饱和点是木材多种材性的转折点：力学强度 含水率在纤维饱和点以上，含水率增加，强度不变；在纤维饱和点以下，含水率减少，强度显著增加。尺寸稳定性 在纤维饱和点以上，含水率增加，尺寸、体积不变；在纤维饱和点以下，含水率增加，尺寸、体积增大。,导电性能 含水率在纤维饱和点以上时，胞壁含水量为饱和状态，水分增减变化发生在细胞腔中，对木材导电性能影响相对较小。从纤维饱和点到最大含水率，木材电导率可视为常数。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。电测法测定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。,用顺纹抗压强度与含水率的相关性测定 测定许多不同含水率试件的顺纹抗压强度，以含水率为横坐标，力学强度值为纵坐标，绘制力学强度值随含水率的变化曲线。曲线上力学强度随含水率变与不变的转折点就是纤维饱和点。用木材的导电性与含水率的关系测定 测定各种不同含水状态试样的导电率，以含水率为横坐标，导电率为纵坐标，绘制导电率随含水率的变化曲线。曲线上导电率随含水率变与不变的转折点就是纤维饱和点。,1.3.1 木材吸湿性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。吸湿性过程：包含吸湿与解吸两个相反过程。吸湿：当空气中水蒸汽压力大于木材表面水蒸汽压力，木材从空气中吸收水分，这种现象叫做吸湿；解湿：若空气中水蒸汽压力小于木材表面水蒸汽压力，木材向空气中蒸发水分，这种现象叫解吸。,内因：根据木材细胞壁结构特点，如图所示 木材存在大量亲水基团，来源于纤维素和半纤维素等自由羟基(一OH)；外因：空气中的水蒸汽压力与木材表面水蒸汽压力不相等；空间位置：细胞壁中的无定形区域，微纤丝之间的空隙。,木材中吸水性的羟基:细胞壁由微纤丝组成，微纤丝由纤维素分子链组成，分为结晶区和无定形区,木材吸湿的过程和位置,木材细胞壁中的吸着分为初级和次级吸着水,OH,木材的吸湿与解吸，这两个过程是否完全一致？与什么有关？吸湿与解吸外因相反，内因相同，吸湿的空间位置相同，但两种过程不相等，造成吸湿与解吸不等现象。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率总是低于潮湿木材解吸过程所能达到的最小含水率，其吸湿过程与解吸过程曲线不相吻合的现象称为木材吸湿滞后现象，即解吸稳定含水率大于吸湿稳定含水率现象。,吸湿滞后=W解吸-W吸湿,木材吸湿与解吸曲线,影响因素：吸湿滞后的差值与树种无关；与尺寸相关，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，将变为恒定值。木粉、单板及短而薄的木料，其吸湿滞后数值不大，可以忽略不计。与干燥的状态有关，对于窑干长而厚的成品材，吸湿滞后值随着干燥温度的升高而增大，通常在%之间，平均为2.5%。,讨论：木材为什么存在吸湿滞后现象？,木材存在吸湿滞后现象的原因：干燥后的木材中可以吸湿的自由羟基数量减少；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，细胞壁中纤维素链状分子彼此靠近，当纤维素分子链之间距离很近时，分子链上部分羟基之间形成氢键结合；再次吸湿时这部分相互吸引、价键满足的羟基不能及时打开，因此水分吸附量减少。,水分变化引起纤维素分子链间距离变化,木材吸湿滞后的应用：利用木材吸湿滞后现象指导人工干燥木材，可使木材尺寸稳定，不会从空气中吸收很多水分而发生尺寸变化，从而减少翘曲变形。,定义：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、相对稳定的含水率。影响因素：木材平衡含水率与空气湿度和温度有关。当温度一定而相对湿度不同时，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，随着温度的升高而减小。,1.3.5 木材平衡含水率,木材平衡含水率图,木材平衡含水率是一个动态值，它与环境的温、湿度条件、木材尺寸等有关。木材平衡含水率测定方法：气干材或生材，置于室内通风良好处，直至与空气湿度平衡，含水率不再变化，测定此时的木材含水率。常用刨花或细小尺寸木材测定较准确。注意：应该用气干材或生材测定木材平衡含水率，而不要用绝干材。,各地区的气候条件不同，木材的平衡含水率随地区而变化，如下表：,讨论：我们制作的家具、工艺品等木制品时，对其含水率有何要求，为什么？广西凭祥为全国著名的红木家具市场，北方很多人来购买，但家具运回北方后，常发现有开裂现象？为什么？木材干燥时终含水率如何考虑，需要干燥到什么含水率水平？,木材细胞存在哪些空隙？,主要通道：相互连通的细胞腔（含导管腔）、细胞间隙和细胞壁纹孔膜上的小孔。阔叶树可沿导管腔形成的通道移动，如有内含物，则受阻；针叶材和阔叶材的细胞壁上均有纹孔，且纹孔膜上有小孔，水可以通过其移动，如闭塞，将受阻。,木材横切面 纹孔,a 在毛细管力作用下，吸着水沿着细胞壁内微毛细管系统移动。b 在水蒸汽梯度压力作用下，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。c 两种路径相互交替移动。,水分在细胞腔中呈液体状态，水蒸气以饱和状态存在细胞腔内，这时各处压力一致，水分不能移动；当木材表层有一部分含水率降至纤维饱和点以下时，木材内部发生水分向外移动现象，由表及里。,木材浸于水中吸收水分的能力，称为木材吸水性。木材吸水性的影响因素：树种、时间。木材吸水性的测定：202020 mm试样干燥后放入盛有蒸馏水的容器内，至试样重量不再变化时的含水率。,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、阻燃、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。对于木制水管、水桶和船舶用材等场合，透水性成为不利的方面。水桶用材应选用透水小的木材，如酿造葡萄酒的酒桶选用侵填体含量较多的麻栎等木材。,透水性影响因素：液体性质；温度；树种（内含物与侵填体等不同）；心材、边材；纹理方向等。,木材会发生干缩与湿胀，这是木材的自然属性，木材的干缩与湿胀与水分有密切的关系，是伴随着水分的变化而发生的。,2.1 木材干缩与湿胀,2.2 木材干缩与湿胀各向异性,2.3 木材干缩评价指标与测定方法,2.4 木材干缩和湿胀对木材加工和使用的影响,2.5 减少木材干缩、湿胀的方法,2.1.1 木材干缩和湿胀现象 湿的木材因干燥失去水分而缩减其尺寸的现象称之为干缩；干的木材因吸收水分而增加其尺寸的现象称之为湿胀。木材的干缩分为线性干缩与体积干缩。,纵向干缩：沿着木材纹理方向的干缩，为0.10.3%，对木材的利用影响不大。径向干缩：沿直径方向的干缩，为36%；弦向干缩：沿着年轮切线方向的干缩，为612%。,树种 树种不同，其构造和密实程度不同，导致干缩湿胀差异很大（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，使用和干燥过程中容易发生开裂变形。,部分木材的干缩率/%,擎天树,擎天树,观光木,观光木,微纤丝角,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,晚材率和早晚材关系,早晚材与干缩的关系,木材在树干中的部位,木材组成不同，形成了干缩与湿胀各向异性：与组成木材的细胞种类、细胞壁构造和化学成分特性及细胞排列相关。针叶材主要由管胞组成，还有少量木射线；阔叶材由导管、木纤维、轴向薄壁组织和木射线等，各种细胞的纤维素、木质素、半纤维素及抽提物含等也不同。,木材绝大部分细胞是纵向排列，而仅有木射线细胞是横向排列。木材细胞由细胞腔及细胞壁组成，细胞壁主要由S1、S2、S3组成，其中S2为主，其代表了微纤丝的排列方向，微纤丝是细胞壁中较为独立的构成单元，但细胞壁不完全密实，微纤丝之间有空隙。,不同纤丝角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,纵向与横向结合不同：木材细胞壁次生中层微纤丝主轴是由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。木材细胞纤维素分子链表面存在大量自由羟基，表面会吸附水使得微纤丝之间的距离产生变化。微纤丝角一般为1030o，由于正常次生壁中层微纤丝排列方向与主轴不完全平行，而成1030o的夹角，横纹收缩时在轴向会产生微小的分量（0.10.3%）。因此轴向收缩很小，横向干缩大于纵向。,早材与晚材的影响 径向木射线的抑制作用 径壁、弦壁纹孔数量的影响,2.3.1 木材干缩的评价指标 木材的干缩和湿胀程度在三个方向不同，常用干缩率、干缩系数和差异干缩评价。气干干缩率:从生材或湿材自由干缩到气干状态，其尺寸和体积的变化百分率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。线性干缩率：W=(L max L w)100%/L max 体积干缩率：vW=(V max V w)100%/V max,全干干缩率 木材从湿材状态干缩到全干状态，其尺寸和体积的变化百分率称为木材的全干干缩率。干缩系数 指吸着水每变化时木材的干缩率变化值，用K来表式。,弦向、径向、纵向的线性干缩系数和体积干缩系数分别用KT、KR、KL和KV表示。线性干缩系数：KT、R、LW(W1-W2)体积干缩系数：KV（Vw-Vo）100%/Vo W 差异干缩 木材弦向干缩与径向干缩的比值称为差异干缩。D=T/R=KT/KR,试样要求：用饱和水分的湿材制作，尺寸为202020mm，标准的纵向、径向和弦向。,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202的蒸馏水中，至尺寸稳定后再测定。将测量后的试样进行气干，在气干过程中，用23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。将测定后的试样放至烘箱中，开始用60先干燥6个小时；然后升至1032，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。,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，称为变形。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、圆柱等的端面会发生多种形变。,生材状况下原木横切面上各部位板材断面形状的变化,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，图中1。若为径切板(不包含髓心)干缩颇为均匀，其端面 近似矩形，图中2。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，图中3。,原为正方形，干缩后变为矩形，图中4。木材端面与年轮成对角线干缩后，正方形变为菱形，图中5。木材端面为圆形，干缩后变为卵形或椭圆形，图中6。若为弦切板端面，干缩后两侧向上翘起，图中7。,原木锯成板材后，如不合理干燥，会导致其长度方向上发生很大的变形，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。,木材因干燥不均匀与各向干缩的差异，造成开裂，裂缝大多垂直于年轮而平行于木射线，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,2.5.1 高温干燥、降低木材吸湿性 高温干燥是目前减少木材干缩湿胀的主要方法之一。高温干燥使微纤丝之间的距离逐渐缩小，减少非晶区纤维素分子链上游离羟基数目，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。,2.5.2 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。2.5.3 利用木芯板 将细木条用合成树脂胶粘组成，这样不过分考虑木材的年轮方向，随机组合，结果总是趋于径切板，此种方式已广泛用于地板、木芯板及木材工业生产。,2.5.4 机械抑制 胶合板将单板纵横交错用胶压制而成，这样能以干缩极小的纵向，机械地抑制横向，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。2.5.5 表面涂饰油漆 把涂料、油漆涂刷木材表面，可以减少木材与湿空气接触，阻碍水分的渗入。,用聚乙二醇、尿素、醋酸酐等低分子的聚合物注入木材，置换木材中水分，对木材起有效膨胀作用，使木材干缩极小。用二氧化硅、二氧化钛等无机物处理，与木材表面自由羟基结合，减少了亲水基团。,木材经干燥，调湿后，用聚乙二醇溶液浸泡，然后气干。经PEG 处理的马尾松、水曲柳和椴木弦向抗收缩系数分别可达90%、81%和86%,尺寸稳定效果非常明显。,未处理材,处理材,吸湿膨胀率与吸湿时间的关系,二氧化硅处理减小木材吸湿性：,木材表面负载二氧化钛的方法 利用低温水热共溶剂法，将二氧化硅生成于木材表面，木材保持原有天然纹理，又具有良好的疏水性，可应用于湿度高、且温湿变化大的环境。资料来源：刘一星;孙庆丰;于海鹏;卢芸。一种在木材表面原位生长纳米二氧化钛保护层的方法，中国专利公开网，东北林业大学 2010-05-26,制备方法：将木材表面进行清洁或者抛光处理后浸入0.015mol/L的钛盐醇溶液中，然后密封反应器，再在60200条件下水热反应38h后冷却至室温；配制3.010-42010-4mol/L的十二烷基磺酸钠溶液，然后调节pH值为810后加入反应器中，然后密封反应器，在70条件下反应48h,其中十二烷基磺酸钠溶液与钛盐醇溶液的体积比为11；将步骤二处理后的木材在4050条件下干燥1015h，得到在表面原位生长纳米二氧化钛保护层的木材。,通过低温水热技术路线，以三氯化钛为钛源，将二氧化钛花状结构构筑在木材表面，辅以低表面能物质硬脂酸，使木材由亲水性变为疏水性 资料来源：张玉奇等。云南化工，2010,木材表面的二氧化钛,接触角可提高到140,在物理学中，把某种物质单位体积的质量称为该种物质的密度。每种材料都有相应的密度，如水的密度为1g/cm3，钢的密度7.8 g/cm3，等等，这些材料的密度基本比较稳定，而木材的密度是什么情况呢？,3.1 木材物质比重与孔隙度,3.2 木材密度,3.3 木材密度的意义及影响因素,3.1.1 木材实质比重 定义：即木材物质或胞壁物质的比重，为木材除去细胞腔等孔隙所占空间后实际木材物质的比重。不同树种差异：木材细胞壁化学构成及其比例大体相同，所以不同树种间实质密度差异小，为1.491.57，平均1.53。,定义：木材空隙所占的体积称为木材的空隙度，包括细胞腔、细胞间隙和微纤丝之间的空隙等。类型：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。注意：一般木材空隙度是指体积空隙度，木材空隙度与木材密度成负相关。,用水、氦、苯等流体介质置换木材中的空隙，介质不同，测定结果不同，分别为1.53、1.46、1.44。原因：水是一种极性物质，胞壁成分对水有吸附作用，水能深入木材非结晶区域，并产生润胀，加大了木材内部的空隙体积；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。,3.1.3 木材物质比重的测定方法,先将木材削成锯屑，置于103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，冲洗干净，再盛满水，称其重量(P)。根据浮力定律和水的特性，由下式计算：木材物质的比重锯屑绝干重/锯屑胞壁体积 Go/(P+Go P),测定方法,3.2.1 木材密度的概念 定义：单位体积内木材的重量，单位为gcm3，kgm3。木材是一种多孔性物质，木材密度计算时，包含了其空隙的体积。变化：木材密度一般为0.21.4 3gcm3，小于1的占大部分，大于1即沉于水的，属于较重木材。讨论：请问是否见过沉于水的木材，是什么？,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率，分为：基本密度：全干材重量除以试样的饱和体积。生材密度：生材密度是生材重量除以生材体积。气干密度：气干材重量除以气干材体积。绝干密度：含水率为零时的木材密度。,基本密度 测定时对试样形状无要求，方法简单，且试样的干重和最大体积稳定准确，不随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、林木育种材性评价等常用到基本密度。,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。气干密度 日常生活中使用的木材都是气干材，因此常用气干密度评价木材性质与质量。绝干密度(全干材密度)绝干材在空气中会很快吸收水分而达到木材平衡含水率，只用在科研上。,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。木材重量容易测定，且比较准确，因此关健在于准确测定木材体积，常用测定方法：直接量测法 排水法 快速测定法,试样加工为202020mm的标准立方体，用螺旋测微尺分别测出径向、弦向和纵向尺寸，准确至0.001mm，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，干燥后测出试样的绝干重量，立即测出全干状态下体积，可计算得到绝干密度。基本密度和生材密度试样以生材(或浸水材)制作。,利用水的密度为，试样入水后排开水的重量，与试样体积数值相等的原理而设计。,1 金属针2 试样3 烧杯4 天平,将试样制成2220cm的长方体，刻划区分成10等分，依次标记为0.1，0.2，0.30.9。然后将试样标记0.1的一端浸入盛有水的玻璃筒中，在水面处的试样标记，就为该木材的密度。,3.3.1 木材密度的意义 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，是判断木材强度的最佳指标。,树种 年轮宽度与晚材率 树木株内不同的部位 栽培环境 含水率,树种不同，木材结构差异很大，组成木材的细胞组织比例不同，细胞壁与孔隙所占的比例也不相同，造成了木材密度差异很大。木材密度主要取决于木材空隙度，木材空隙度愈小，其密度愈大，反之，则密度愈小。此外，木材密度还与木材抽提物含量有关。,木材密度与孔隙度的对应关系：,木材密度差异：区内木材最重的为蚬木，国产木材最重的也是蚬木，气干密度1.13g/cm3；国内最轻为轻木，约0.2g/cm3。世界上，最轻的为髓木，气干密度0.04g/cm3，最重的为胜斧木，气干密度为1.42g/cm3。讨论：广西常见的松木、杉木和桉木的密度是多少？,晚材率高，木材密度大，一般强度也高。针叶树年轮宽度适中，木材密度较大、强度较高。因为针叶材晚材宽度大致不变，年轮越宽，早材增加，木材密度减少。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。,阔叶材密度沿半径方向的变化与管孔分布有关。散孔材木材密度由髓心向树皮方向逐渐增大，如桦木等，其边缘部分比靠近髓心处木材的密度可增大15%20%。环孔材具心材者，心材密度大，但靠近髓部及靠近树皮的边缘部分，木材的密度则较小。,擎天树,观光木,针叶材径向：髓心木材密度较小，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。纵向：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、节子的存在，木材密度则略有增大。,柳杉基本密度径向、纵向变异,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。作用：这些参数对指导木材人工干燥、木材改良、木材软化、曲木生产、人造板板坯加热预处理、木材胶合、纤维干燥、木材蒸煮及单板的快速干燥等方面具有重要意义。,4.1 木材热容量与比热,4.2 木材的导热系数及其影响因素,4.3 木材的导温系数,4.4 木材热膨胀,4.5 木材耐热性,热容量定义：物质平均温度升高（或降低）所需的热量，常用Q/t表示，单位为J/K，其中Q表示所需热量，t为温差。比热容：使1g物质的温度升高 所需要的热量，比热容可表达为提高该物质的温度所需要的热量与提高同样质量的水温度所需要的热量的比值。木材是多孔材料，比热大于金属，且木材热容与树种、密度及其部位无关，主要受温度及含水率的影响，1.881.62kJ(kg.K),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。木材导热性用导热系数（）来表示。导数系数为单位时间内，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，单位为W/（K）。,单位：W/（K）,木材密度：木材导热系数随木材密度的增加而增大，二者呈直线关系。木材含水率：含水率增加，木材中部分空气被水分替代，木材的导热系数增大。温度：导热系数与热力学温度成正比，随温度升高而增大。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。热流方向：木材顺纹导热系数远比横纹大。,导温系数又称为热扩散率，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。影响因素：导温系数与导热系数一样，受到含水率、密度、温度和热流方向的影响。,温度升高，木材产生热膨胀。但因木材中常含有水分，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胀。木材热膨胀系数很小，在常温范围内较稳定，但到达某一温度以上时，可看到木材组织热软化。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。,4.5.1 木材耐热性及热分解 加热情况下，木材性质发生很大的变化。木材加热到180左右，有一氧化碳、氢气、甲烷、乙烷和乙烯等可燃性气体释放。此时若将木材靠近火焰，能产生瞬间火焰，但不能持续，因为木材在此阶段是吸热反应，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。,当继续加热温度上升到250290时，木材开始产生放热反应，分解出更多易燃性气体，并能产生持续的火苗，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350450时，木材能自动着火，把这一温度叫做发火点温度。,常温下，热对木材使用影响小。但如将木材长期处于4060下，木材材色会呈现暗褐色，木材强度逐渐降低，木材外部与内部的化学成分均有改变。在一定温度下，木材热处理可使非晶区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。,100温度下长时间蒸煮加热木材，质量会发生明显的损失，并导致木材弹性模量减小，力学强度下降，冲击韧性降低。原因在于木材长期受热后部分半纤维素分解，蒸煮加热引起半纤维素和纤维素分解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、木材密实化处理、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，不仅可以释放木材内部应力、减小木材变形与开裂，还可降低木材的吸湿性，将木材变化的形状固定，以生产出满意的木制品。,木材气干时，导电性极小，绝干材可视为绝缘体。如果木材中含有水分，特别是在纤维饱和点以下，含水率越高，木材导电性愈强。生材为电的导体，雨中树木常被雷电击倒，原因在此。木材电学性质包括直流电和交流电的导电性、电绝缘强度、介电常数、介电损耗等。木材电学性质的意义：对木材含水率无损检测技术、木材高频电热技术、木材微波干燥技术的发展与应用具有实用价值。,5.1 木材的导电性,5.2 木材介电性质,本节内容：,5.1.1 电阻率与电导率 电阻等于材料二端的电压（V）除以流过该材料的电流（I），即：R=V/I。电阻与组成导体的材料有关，即材料的本性。评价材料导电性能主要用电阻率或电导率来表示。电阻率等于单位长度（L）单位截面积（A）的均匀导线上的电阻值，单位m。=R A/L=V A/I L 电导率是电阻率的倒数，用K表示，单位S/m。,木材中没有自由移动的电子，导电性很差。但是木材细胞壁成分中存在一些离子基团，沉积物中许多为无机物，常以离子状态存在，这些离子在直流电场下会移动，使木材具有微弱的导电作用。此外，木材通常含有水分，这是木材导电的主要原因。,含水率温度 纹理方向 树种与木材密度,含水率与直流电导率有密切关系：从绝干到FSP，木材电导率随含水率增加而急剧上升，增大几百万倍；从FSP至最大含水率，电导率的上升较缓慢，仅增大几十倍。根据含水率与直流电导率的关系，可生产出电阻式含水率测定仪，测定含水率范围为6%30%，以8%17%范围较为准确。,木材电阻率随温度的升高而变小，与金属等良导体相反。因木材属离子导电，在一定含水率范围内（W10%）的温度效应也可说明木材导电是借助于离子的活化过程。,在交流电低频区域，木材交流电性质与直流电性质呈现同样特性，全干材电阻极高，为绝缘材料；木材电阻随含水率的增加显著减小，当达到纤维饱和点以上时，电阻变化很小。木材的介电性质主要研究在射频范围内(300KHz30GHz)的介电常数和介电损耗等性质。应用：木材工业中常利用高频交变电场进行木材干燥、胶合和曲木加工和木材含水率的测定等。,5.2.1 介电常数介电常数表明木材在交流电场下介质极化和储存电荷的能力。木材的介电常数为在交变电场中，以木材为介质所得电容量(Cw)和在相同条件下以真空为介质所得电容量（C0）之比值，用来表示。全干木材介电常数约为2，水的介电常数为81，介电常数越小，电绝缘性越好。,含水率 密度 纹理方向,原理：在一定频率下木材的介电常数和损耗角正切随木材含水率的不同而变化。根据这一原理，可制造介电式含水率测定仪。测定范围：比电阻式测量范围大，理论上可测定全干至饱水状态的任一含水率，一般为540%。,5.2.4 木材的介电损耗 施加交流电压于以木材为介质的电容器极板上，木材会产生介电损耗，会产生热量，并与功率因数与损耗角正切有关，木材作为介电材料时，希望介电损耗尽量小；当在高频加热和胶合木材时，希望介电损耗大，功率因数高，发热量大，使木材的加热和胶合效果好。,机理：木材置于高频电场中，在交变电流的作用下，木材中的水分从原来不规则位置，到按电流和磁场方向作有规律的运动。由于电流方向迅速的改变，水分子被迫随之转动，这种转动每秒可达1000万次以上，由于水分子急剧运动，相互摩擦产生大量热量，使得木材内部温度升高。,高频加热应用在木材胶合上，使胶合剂获得选择性加热。湿胶液和干木材的介电性不同，胶液比木材更易接受高频电能，使高频能量集中在胶合面上，胶合剂很快热聚合，一般只需几秒到几十秒时间，但这种胶合只适用于热固性树脂胶。,木材胶合时，含水率不要高于1215为宜，其中以8%12%为最好。木材密度不宜过大，如木材密度过大或含水率过高时，选择性加热效果差。高频电热应也可以用于木材干燥，如木材微波干燥、高频干燥等。,什么是木材的环境学特性？我们先观看一些木材应用的图片。,木建筑,应县木塔,容县真武阁,三江风雨桥,广西龙胜木民居,讨论：木建筑、木家具等有何特性或优点？,木材作为一种与环境和谐、协调的优良材料，已被广泛地应用于建筑、家具等工作和生活环境之中。木质材料装饰的空间，人们感到舒适和温馨，不仅提高了人的工作效率、学习兴趣和生活乐趣，更重要的是改善了人们的生活质量。,讨论：木材是一种既传统又先进的天然材料。其传统性如何体现？其先进性如何体现？,6.1 表面视觉特性6.1.1 木材颜色,木材颜色具有变化性：不同树种、同一树种不同部位等颜色不同。总的说来，以黄色为中心，向两边（深色、浅色）成正态分布。木材颜色的变化会产生不同的感觉：明度高的木材，如白桦等，使人感到明快、华美、整洁、光鲜、亮丽和舒畅；明度低的木材，如红木，给人以深沉、稳重、肃穆、庄重和典雅之感。,材色中属暖色调的红、黄、橙黄色能给人以温暖感,6.1.2木材纹理 木材具有天然纹理。纹理构成：天然生成的图案，由纤维的取向、生长轮、木射线、轴向薄壁组织等构成，且因其各向异性而在不同的切面呈不同图案。,云杉弦切面,云杉径切面,云杉横切面,香枝木红酸枝鸡翅木蛇纹木,黑胡桃树兜,樱桃木树兜,橡木树兜,木材先刨切成单板，胶合模压成木方，再刨切（有时需要多次组合刨切），可形成许多独特的木材纹理，如猫眼纹等。,丹樨,彩香木,瘿木是树木形成树瘤后的木材，按树种分为桦木瘿、楠木瘿、花梨木瘿、酸枝术瘿。瘿木的纹理曲线错落，美观别致，是很好的装饰材料，在家具上大多用作表面包、镶的材料。,木材纹理能给人良好感觉，原因有：木材纹理变化中有统一 木纹理是由一些平行但不等间距的线条构成，给人以流畅、井然、轻松、自如的感觉，而且木纹图案又受生长量、年代、气候、立地条件等因素的影响，木材的生长轮宽度和颜色深浅呈现出涨落起伏的变化形式，这种周期中蕴藏变化的图案，充分体现了造型规律中变化与统一的规律，赋于了木材以华丽、优美、自然、亲切等视觉心理感觉。,生理学上，木材纹理沿径向的变化节律暗合人体生物钟涨落节律。,6.1.3 吸收与反射特性,光泽度值,比较不同材料的反射率，白色瓷砖片对光线形成定向反射，反射率高达80%，而人眼感到舒服的光反射率为4060%。大理石的光反射率为6070%；白色涂料壁面的光反射为7080%；白色瓷砖片的光反射率达80%以上，金属的光反射率更高，但木材的光反射率要低得多，仅为3550%，符合人体感觉。,木材对波长在330nm以下的紫外光的反射率在10%以下,起到吸收阳光紫外线、减轻紫外线对人体危害的作用。同时，木材对波长在780nm以上的红外线的反射率能达到50%以上，人对木材产生温暖感。,6.2 微环境调节功能6.2.1调节温度,建筑上，为了达到节能的目的，要求材料具有良好的保温隔热性，能给人带来舒适。保温是针对冬季室内温度高于外界气温的情况，而隔热则是针对夏季室内温度低于外界气温的情况。春夏秋冬每年都要经历，因此建筑既要求保温，也要求隔热。虽然两者在能量传递方向有区别，但是对于材料的调节特性的要求一致。,材料的保温隔热性与材料的热阻R以及导热系数有关。热阻越大，说明材料的保温隔热性能越好。导热系数是材料的一项固有性质，表示热量流过该材料快慢的指标。导热系数和热阻之间呈反比关系，导热系数越小，说明材料的保温隔热性越好。R=（材料厚度）/可见，提高建筑材料保温隔热性可以选择导热系数小的材料。,材料的温度调节作用主要与三个因素相关：材料的导热系数，导热系数越大，说明热量在该种材料中传导的速率越快；材料的容积比热，即比热与密度的乘积，容积比热越大，说明材料的储热能力越强；材料的厚度，厚度太薄的话，无论哪种材料，其温度调节作用都不会明显。,几种材料的热学性质比较,提高建筑的保温隔热性方法：选用导热系