木材的物理化学性质.ppt

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1、木材的化学性质,第一节 概述木材的化学组成,木 材,高分子物质,低分子物质,多糖,木素,有机物,无机物,纤维素,半纤维素,抽提物,灰分,1 纤维素(cellulose)：木材的主要成分，骨架作用2 半纤维素(hemicellulose)：与纤维素紧密相连，黏结作用3 木素(lignin)：贯穿着纤维，强化细胞壁作用高分子物质 针叶材（%）阔叶材（%）纤维素 42+2 45+2 半纤维素 27+2 30+2木素 28+3 20+4,高分子物质,一 木材中的有机物1 芳组（酚）化合物(phenolic substance)：主要单宁、黄酮类2 萜烯化合物(terpen)：由两个或多个异戊间二烯单元

2、合成的单、倍半、二、三、四和多萜烯等化合物。3 脂肪酸（aliphatic acid):饱和和未饱和高级脂肪酸,低分子物质,一 木材中的有机物4 醇(alcohol)：脂肪族醇5 微量元素：维生素B1或硫胺素，木腐菌生长的必须物质二 木材中的无机物质(inorganicconstituent)：灰分,温带木材一般为0.30.5%，少数木材，特别热带木材具有1-5%,低分子物质,一 纤维素的分子结构1 从木材中分离纤维素（木材应用基础P53）因为木材明显地木质化，所以不可能用溶剂直接浸提出纤维素。首先由脱木素剂从木材中除去木素，剩下全纤维素。用碱的水溶液从全纤维素中除去半纤维素即可得到纤维素。但

3、是，这种纤维素因脱木素剂和碱的作用而被降解。用使木材膨润而且不发生降解的酸混合水溶液能够直接把大部分木材进行硝化(nitration)。用这种方法可以得到未降解的获得量能定量的硝化纤维素。,纤维素,2 与纤维素有关的几个名词(木材加工化学P19)1）综纤维素（holocellulose）综纤维素是指植物纤维原料中除去木素后，所残留的全部碳水化合物，即纤维素和半纤维素的总和。2）a-纤维素、B-纤维素和r-纤维素 在制浆工业中，用浓度17.5%的NaOH（或24%的KOH）溶液，在温度20oC条件下处理漂白浆，非纤维素的碳水化合物大部分溶出，不溶解的部分称为化学浆的a-纤维素。,纤维素,所得溶液

4、，用醋酸中和后其中沉淀出来的部分称为B-纤维素，未沉淀的部分称为r-纤维素。a-、B-和r-纤维素为纯技术上的名称和概念，都不是均一性的物质，而是聚合度不同的多分散性的化合物。3 纤维素的分子结构（木材学P87）纤维素是由许多吡喃型D葡萄糖基、在14位置上彼此以甙键联结而成的线型高聚物。纤维素的元素组成：C=44.4%，H=6.17%，O=49.39%，化学实验式为(C6H10O5)n(n为聚合度，一般测得高等植物纤维素的聚合度为7,00015,000),纤维素,4 纤维素的化学结构特点(木材学p88)1）仅由一种葡萄基组成，以1-4B甙键联结2）重复单元是纤维素二糖基长度为1.03nm3）有

5、三个游离羟基4）纤维素分子具有极性和方向性5）有还原性末端基,纤维素,纤维素的基本性质纤维素是无色透明的，结晶纤维素的比重为1.6，木材内的纤维素的比重为1.55；0oC时比热为0.290，20oC时为0.346，呈双折射；在紫外线下放出荧光；若受热，在150oC时开始分解，约于350oC时起火；有吸湿性，在温度为20oC空气相对温度为60%的条件下吸着612%的水分。,纤维素,纤维素最重要的化学反应主要在于其具有OH-基和-O-键。由OH-基呈现醇性反应，由-O-键产生水解。纤维素既不溶于冷水，又不溶于热水。此外，也不溶于醇、苯、乙醚等中性有机溶剂，也几乎不溶于酸和碱的常温稀水溶液中。,纤维

6、素,（一）纤维素的氢键（木材学p89）1 与木材结构和性能的关系 在细胞壁上形成氢键可以导致纹孔闭塞，影响水分或处理药剂的传导；在纤维素分子之间形成的氢键，集中在一定的区域内可以构成纤维素的结晶区。,二 纤维素的超分子结构,2 与纤维板加工工艺的关系 氢键结合是湿法纤维板的主要成板理论。氢键结合理论认为，松散的纤维之所以能结合成板是由于纤维间形成氢键的缘故。当纤维中的羟基彼此缩小到极小的距离(0.275nm)时，便可形成氢键，使纤维板结构密实，具有较高的力学强度。,3 与木质材料的干燥过程的关系 水分子能够进入纤维素的无定形区而使纤维素产生吸湿润胀，相反，脱水和收缩是吸湿和润胀的逆过程。在木质

7、材料的连续干燥过程中伴随着纤维素氢键的变化。首先是水分子间的氢键被断裂，因为多层分子水之间的缔合能量最低。当部分水分子被移出后纤维素表面彼此相互靠近，该过程直至在两个纤维素表面间只剩下一个单层分子水。最后，使水OH和纤维素OH之间的氢键破裂，而在纤维素表面间形成了新的氢键结合。,（二）纤维素的结晶结构（木材学89）1 纤维素的结晶区和无定形区 在结晶区，纤维素分子链的排列定向有序，具有完全的规整性，靠侧面的氢键缔合构成一定的结晶格子，呈现清晰的X射线衍射图。在无定形区，纤维素分子链的排列不呈定向有序，规则性不强，不构成结晶格子，但也不象液体那样完全无序，只是排列不整齐，结合松散而已。,2 纤维

8、素的结晶结构 天然纤维素称为纤维素，其结构属于单斜晶系，单位晶胞在各个方向重复延展形成结晶区。许多研究证明，纤维素晶体属单斜晶系和斜方晶系。因此，纤维素是同质多晶的高分子化合物，其结晶结构的差异，会影响到纤维素性质的变化。纤维素经过处理可以形成许多变体，目前已知的有纤维素、纤维素、纤维素和纤维素等五种变体。,（三）纤维素的结晶度 结晶度是指结晶区在纤维素整体中所占的百分率。结晶度增加，木材或纤维的抗拉强度、弹性模量、硬度及尺寸的稳定性均随之增大，而吸湿性、染料的吸着度、润胀度、柔顺性及化学反应性均随之减小。,（一）纤维素的吸湿性1 吸湿机理（木材学91）：纤维素无定形区分子链上的羟基，部分形成

9、氢键，部分处于游离状态。游离的羟基为极性基团，易于吸附极性的水分子，与其形成氢键结合，这就是纤维素具有吸湿性的内在原因。1）吸湿：吸收水蒸气时称为吸湿。2）解吸：蒸发水蒸气时称为解吸。,三 纤维素的物理性质,2 吸湿滞后现象（木材学91）：是指在同一相对温度下，吸湿时吸着水的量低于解吸时吸着水的量。原因：吸湿过程中的游离羟基相对较少，吸着的水相应的也较少。而解吸过程中，吸着中心相对较少，吸着水量相应也较多，即羟基的有效性。,三 纤维素的物理性质,3 热效应（木材学91）干纤维吸湿的过程具有放热现象，即产生热效应，放出的热称为吸着热或润湿热。4 影响纤维素的吸湿原因：影响纤维素纤维吸湿的因素主要

10、是空气的温度和相对湿度。因为吸湿具有热效应，所以当空气温度较高时，不仅不利于吸湿，相反，已被吸附的水还可以蒸发。所以空气温度高有利于解吸。相对湿度大时空气中的水蒸气多，纤维的吸湿率也增大。对木材的纤维素来说，吸湿率与树种无明显的关系。,三 纤维素的物理性质,（二）纤维素的膨胀与收缩(木材加工化学34)纤维素吸湿后发生膨胀的现象称为膨胀或湿胀，解吸发生收缩的现象称为收缩或干缩。由纤维素大分子的结构与排列方向以及纤维素纤维的超微结构可知，水分只能进入无定形区分子链之间及结晶区的表面，因此纤维吸湿或解吸时，水分的增减必然引起链分子间距离的增大或减小，从而导致纤维横向的膨胀或收缩,因为膨胀和收缩只发生

11、在无定形区及结晶区的表面，所以膨胀和收缩只能随无定形区的增减而变化。吸湿是自绝干状态开始至纤维饱和点为止，因而其膨胀或收缩也限于这个范围之内。,（三）纤维素的电学性质(木材加工化学35)绝干纤维素具有绝缘性，但其电阻率随含水率（吸湿率）的升高而降低。因此可以利用纤维素或木材的电阻率测定纤维或木材的含水率。一般的纤维素是导电物质，其介电性质与纤维素分子链羟基的取向及结晶度有关。因为纤维素的右端基环具有隐性醛基，所以大分子具有极性，可以极化。木材的高频电和微波干燥，以及纤维板和刨花板的静电铺装工艺，都是利用纤维素和木材的极性性质来实现的。,（四）纤维素的光学性质(木材加工化学35)因为纤维素具有结

12、晶区，其轴向和横向的光折射指标数值不同，所以纤维具有双折射现象。在偏光下，纤维呈现各向异性，纤维出现明亮的偏光色。木材细胞壁在偏光下内层和外层呈现明显不同的偏光色，这是由于纤维素的各向异性所致。人们利用x-射线研究纤维素，可以观察到纤维素的定向排列并得到特有的x-射线衍射图。上述的光学现象均取决于纤维素的物理结构。,一 纤维素的降解（木材学93）纤维素在受各种化学、物理、或微生物等作用时，大分子中的甙键和碳原子间的碳-碳键，都可能受到破坏，结果使纤维素纤维的化学、物理和机械性质发生某些变化，并且一般都导致聚合度降低，所以称之为降解。,纤维素的化学性质,1 纤维素的水解（酸降解）（木材学93）纤

13、维素大分子在酸性水溶液中受热，会引起甙键断裂，聚合度降低，这种反应称为酸性水解。水解初期可得到水解纤维素，最后物水解产物是葡萄糖。,纤维素的化学性质,2 纤维素的碱性降解（木材学93）纤维素在热碱溶液中能够发生剥皮反应、终止反应和碱性水解。剥皮反应开始于纤维素链分子的还原性末端基，在150温度以下，剥皮反应是引起纤维素降解的主要原因，超过150就会发生碱性水解。在170左右，碱性水解反应激烈，引起甙键的任意断裂，生成碱化纤维素。C6H7O2(OH)3n+nNaOHC6H7O2(OH)2ONan+nH2O,纤维素的化学性质,3纤维素的氧化降解（木材加工化学41）纤维素经氧化剂作用后，羟基氧化成醛

14、基、酮基或羧基，形成氧化纤维素。一般，随着官能团的变化，纤维素的聚合度也同时下降，这种现象称为氧化降解。4纤维素的热解（木材学93）在加热作用下，纤维素会发生一定程度的降解，其程度大小取决于加热温度、时间以及加热介质的组成等多种因素。,纤维素的化学性质,二 纤维素的乙酰化（木材学94）醋酸酐与纤维素-OH基作用生成的酯为纤维素醋酸酯，或乙酰纤维素。该反应为纤维素的乙酰化，乙酰纤维素的性质有许多优点，如强度、透明度、耐光性、染色性等均较原来纤维素好，而且具有阻燃性和耐久性。,纤维素的化学性质,三纤维素的交联反应（木材学94）纤维素的交联反应一般是形成二醚或酯的反应。环氧基化合物与纤维素交联。以包

15、含有环氧基的化合物，在一定的反应条件下与纤维素的羟基反应形成交联。,纤维素的化学性质,甲醛与纤维素交联。用具有多官能团并能与纤维素羟基起反应使纤维素形成亚甲基键的化合物为交联剂，可将纤维素的流离羟基封闭或网状化，以改变纤维素的亲水性和胀缩性。最简单的交联剂为甲醛。,纤维素的化学性质,四 纤维素的接枝共聚反应（木材学94）接枝共聚是合成高分子化合物的方式之一，也是纤维素改性的一种途径。纤维素接枝共聚后，由于纤维素大分子结构发生了改变，羟基减少了，合成高分子的支链增加了，因此它的物理和化学性质有了很大改善。,纤维素的化学性质,纤维素的接枝共聚方法有多种，根据聚合反应可归纳为两种：即游离基引发接枝共

16、聚和高能辐射接枝共聚。其中流离基引发共聚法由于不需要昂贵的辐射源等原因而比较适用。接枝共聚时所选用的单体多为乙烯基化合物。,纤维素的化学性质,五 纤维素与木材改性的关系（木材学95）对木材防腐处理的影响对木本塑化处理的影响对木材强化处理的影响,纤维素的化学性质,针叶材的半纤维素：1 组成针叶树材半纤维素的主要多糖是半乳葡甘露聚糖，含量约占木材的15%20%，葡萄糖与甘露糖的比例约为1：3，半乳糖与葡萄的比例变化范围为1：11：10。,半纤维素,2 组成针叶树材半纤维素的另一种主要的多糖是木聚糖，含量约为10%。3 在落叶松属木材半纤维素中独有一种多糖阿拉伯半乳聚糖含量约为5%30%。阿拉伯半乳

17、聚糖是细胞壁外之物，仅存于心材中的管胞和射线细胞内，其组成独特，即由两种结构相似但分子大小不同的聚合物组成，其中分子量为70,000的占大多数，分子量为12,000的占少数。在活立木中，这两种聚合物均易产生流动和酸性水解。,半纤维素,一 阔叶材的半纤维素：1 阔叶树材半纤维素中的一种主要多糖是酸性木聚糖。含量约为除去抽提物木材重量的255%。2 阔长叶要材中半纤维素的另一种多糖是葡甘露聚糖，含量约占除去抽提物木材重量的5%。,半纤维素,二 半纤维素对木材材性和加工的影响 半纤维素是木材聚合物中对外界条件最敏感、最易发生变化和反应的一种碳水化合物。它的存在和损失、性质和特点对木材材性及加工利用有

18、重要影响。,1 对木材强度的影响 木材经热处理后碳水化合物的损失主要是半纤维素，因为半纤维素对高温的敏感性比纤维素高，其耐热性差。半纤维素的变化和损失不但削弱木材的韧性，而且也使抗弯强度、硬度和耐磨性降低。,2 对木材酸度的影响 在潮湿和温度高的环境中，半纤维素分子上的乙酰基容易发生水解而生成醋酸，因而使木材的酸性增加，当用酸性较高的木材制作盛装金属零件的包装箱时可导致对金属的腐蚀。,3 对木浆质量的影响 半纤维素含量适当的木浆，打浆时容易吸水润胀，易于细纤维化，增加纤维比表面积，有利于纤维间形成氢键结合，因此可提高产品强度。,4 阿拉伯半乳聚糖的作用 阿拉伯半乳聚糖唯独在落叶松属木材中含量丰

19、富，约为5%30%，因此对落叶松木材性质、加工和利用有明显影响。,对落叶松木材渗透性的影响 大量分布在管胞的胞壁中，严重阻碍木材内部水分以液态方式向外扩散和防腐等改性药液由木材表面向内部渗透，因而导致落叶材木材难干、易裂和由于难以渌使改性处理效果不佳。,对制浆工艺的影响 落叶松木材是制浆造纸的主要原料，在蒸煮期间木材中含有的阿拉伯半乳聚糖消耗了大量的蒸煮药剂，影响了浆料质量；同时由于本身的水解作用，增加了制换汇黑液中单糖和有机酸的含量，加剧了环境污染。,对水泥固化作用的影响 落叶松阿拉伯半乳聚糖对水泥的水化结晶过程有严重的不良影响，能延缓水泥的凝结并降低水泥固化的强度。,一 木素的分离1 将木

20、材多糖溶解，木素作为不溶残渣而被分离；2 将木素溶出而与木材多糖分离。,木素,二 木素的结构1 木素的基本结构单元 木素是具有芳香族特性的、非结晶的、三维空间结构的高聚物。针叶与阔叶树材木素中的基本结构单元有所不同。针叶树材木素中存在大量的愈疮木基丙烷和少量的对羟基丙烷；阔叶树材木素中存在大量的紫丁香基丙烷和愈疮木基丙烷，还有少量的对羟苯基丙烷，基含量比针叶树材少。,2 结构单元间的连接键型 这些苯丙烷单元是通过醚键和碳碳键的方式连接成木素大分子的。其中有三分之二以上的苯丙烷单元是以醚键连接，其余的为碳碳键。,3 木素的官能团 木素中存在多种官能团，主要有甲氧基(OCH3)、羟基(OH)和羰基

21、(CO)等。,三 木素的特征 1 木素与木材分类：摩尔反应 木材解剖学根据木材组织中有无导管，将木材分为无孔材(针叶树材)和有孔材(阔叶树材)两大类，而我国的昆栏树和水青树虽是阔叶树材，但木材中均不具导管。木素最重要的显色反应是Mule反应，可用此鉴别针叶和阔叶树材：针叶树材显黄褐色，阔叶树材是显红色或红紫色。,2 木素与木材颜色：发色基团和助色基团 木材本身有天然的色调，染色后产生多种多样的颜色。影响木材颜色的产生与变化的因素很复杂，其中木素是主要原因之一。,在木素大分子中含有许多发色基团，如苯环、羟基、乙烯基和松柏醛基等。其中松柏醛基由苯环、羰基和乙烯三个基本发色基团组成，是一种含有C=O

22、和C=C共轭结构的大型发色基团，在共轭结构中含有电子，而电子活性大，跃迁时所需要的激发能量较小，因此吸收光谱的波长较长，可以使吸收由紫外光区移至可见光区，而显现颜色。,此外，木素分子中还含有羟基、羧基及以醚键结合的基团，它们常常与外加的某些化合物发生反应，使这种化合物颜色加深，常称为助色基团。由于这些助色基团与外加的化合物在一定的条件下，形成某种形式的化学结合，使吸收光谱发生红移，而使木材的颜色变得显明。,3 木素与木材胶合；玻璃化转变温度 木素为无定形聚合物，而无定形聚合物最重要的性质是具有玻璃化转变特性。聚合物玻璃化转变是玻璃态和高弹态之间的转变，转变温度(Tg)是表示玻璃化转变的最重要的

23、指标。温度低于Tg时为玻璃态，温度在TgTf之间时为高弹态，温度高于Tf时为粘流态。,木素的玻璃化转变特性在木质人造板生产工艺中有重要的实际意义。在热压制板时，当温度加热到玻璃化转变温度时，由于木素的热塑性作用，能使材料迅速成板而不会引起材料的过分降解。,在生产各种纤维板时，木素的加热软化，能促进木材纤维分离，成板时又在很大程度上依赖于木素(及半纤维素)的热塑性和胶合性质。由蒸汽顶处理木材所得到的木浆制成的人造板强度大并且可以减少用于精磨浆的能量。,木材是天然生长形成的一种有机物，除了含有数量较多的纤维素、半纤维素和木素等主要成分外，还含有多种次要成分，其中比较重要的是木材的抽提物。它在木材中

24、存在，对材性、加工及其利用均有一定的影响。,木材的抽提物和pH值,一 木材中的抽提物 木材抽提物是用乙酸、苯、乙醚、丙酮或二氯甲烷等有机溶剂以及水抽提出来的物质的总称。木材抽提物包含有许多种物质目前经鉴定约700多种，主要有单宁、树脂、树胶、精油、色素、生物碱、脂肪、蜡、甾醇、糖、淀粉和硅化物等。一般可把它们分为三大类：脂肪族化合物、和类化合物、酚类化合物。,二 木材抽提物对材性、加工和利用的影响1 抽提物对木材颜色的影响 木材具有不同的辨色与细胞腔、细胞壁内填充或沉积的多种抽提物有关。心材的辨色往往比边材深得多，后者在于分布在心材中的抽提物明显高于边材的缘故。,2 抽提物对木材气味、滋味的影

25、响 树种不同，其木材中所含抽提物的化学成分有差异。因此，从某些木材中逸出的挥发性物质不同而具有不同的气味，未挥发的成分具有不同的滋味。一般认为，木材气味的来源一是木材自身所含有的某种抽提物化学成分所挥发出的气味，二是木材中的淀粉、糖类物质被寄生于木材中的微生物进行代谢或分解时而生成的产物具有某种气味。,3 抽提物对木材强度的影响 含树脂和树胶较多的热带木材其耐磨性较高。据记载，抽提物对木材强度的影响随作用力的方向有变异。顺纹抗压强度受木材抽提物含量的影响最大，冲击韧性最小，而抗弯强度则介于二者之间。,4 抽提物对木材渗透性的影响 据记载，假榄木材的心材含有较丰富的木材抽提物，因此木材的纵向渗透

26、性较低。一般说来，心材的渗透性小于边材，这是因为心材所具有的抽提物高于边材的缘故。,5 抽提物对胶合性能的影响抽提物使木材表面污染 抽提物是污染木材表面有碍木材胶全的最主要最普遍的根源之一。,大量抽提物沉积于木材表面，增加了木材表面的污染程度，从而降低界面间的胶全强度；憎水性抽提物降低木材表面润湿性，破坏木材表面反应场所，不利于木材胶粘剂的界面胶结；抽提物的氧化有增加木材表面酸性的趋势，促进木材表面的降解，降低表面强度。,抽提物使胶粘剂固化不良抽提物移向木材表面或接近表面时，可干扰胶木界面的形成，在界面处形成障碍，从而可能阻止材面润湿或导致胶合强度变低，同时还可能改变胶粘剂的特性。一般认为，抽

27、提物对碱性胶粘剂固化及胶合强度的影响不十分敏感，而对酸性胶粘剂，抽提物可能会抑制或加速胶粘剂的固化速度，取决于缓冲容量和树脂反应的pH值。,6 抽提物对涂饰性能的影响 许多实例证明，当油漆木材时，会发现漆膜变色，这是由于当木材含水率增高时，木材内部的抽提物向表面迁移在表面析出的结果。含有树脂较多的木材，特别是硬松类木材，涂刷含铅及锌的油漆时，木材中的树脂酸能与氧化锌作用，从而促使漆膜拜早期变坏。木材表面的油分和单宁含量高时，会妨碍亚麻仁油的油漆固化。,7 抽提物对木材接枝聚合作用的影响 为改善木材的性质，常采用乙烯基单体与木材分子产生接枝共聚反应制造木塑复合材。在共聚反应过程中，发现某些酚类抽

28、提物具有阻聚作用。如桦木捕风捉影是皒中含有酚类化合物，水青冈木材抽提物中含有类木素化合物，龙脑香木材抽提物中含有倍酸和单宁类化合物，它们对聚合反应均起抵制或阻碍作用。,8 抽提物对木材表面耐候性的影响 木材表面的抽提物能促进木材对紫外光的吸收，从而加速木材表面的光化降解作用。这种促进作用可能是通过光敏作用，即抽提物吸收紫外光能量后，再将能量传递给不易吸收紫外光的纤维素分子，使纤维素分子受激活化而参与光化降解反应，从而加速木材表面的劣化。,9 抽提物对木材加工工具的影响 木材中多酚类抽提物含量高者在木材加工过程中易使切削刀具磨损。Krilov研究了澳大利亚15种阔叶木材对锯片的磨蚀机理指出，当木

29、材的pH=4.04.3时，对钢锯片的腐蚀是有限的，低于这一范围，其腐蚀性迅速增加。而木材中含有的多酚类化合物对锯片的磨蚀作用远远超过木材酸度的作用。,10 抽提物对木材声学性能的影响 乐器共鸣板的质量，在很大程度上取决于木材的声共振性。经研究发现，为了制造优质乐器，宜于使用存放多年的木材为乐器材原料。因为经长期贮存而“陈化”的木材，其中的抽提物部分被分解或去除，有助于改善木材的声学性能。试验表明，木材经乙醚溶剂抽提后木材的密谋降低，动态弹性模量升高，音响常数增加。用抽提处理后的乐器用材制造乐器的共鸣板，其音响质量提高。,11 抽提物对工人健康的影响 有些木材抽提物含有毒性的化学成分，如松木心材

30、抽提物中含有3,5-二差劲基苯乙烯，柏木类木材中含有卓酚酮，均具有较强的毒性。含有毒性抽提物的木材可能对木材加工操作人员引起某些疾病，所以在加工这些木材时应考虑采取适当的防护措施。据统计，世界上大约有100种以上的木材(其中大多数产于热带和亚热带)含有对人身引起过敏反应的木材抽提物，在红木、柚木、侧柏及相思木等木材中均可发现这一现象。,12 抽提物对木材利用的一些不利影响 某些抽提物对木材某些性质有良好的影响，而在另一方面又可能具有不利的作用。生产水泥刨花板和纤维板时，含糖和单宁多的木材，由于还原糖和多酚类物质的阻聚作用，可使水泥的凝固时间延迟或不易凝固，影响制品质量。用气味深厚的木材制造的包

31、装箱不宜盛装茶叶和食品，含有毒性成分的木材不宜制造寅家具等等。,综上所述，木材抽提物对木材的性质、加工工艺、人体健康和木材的合理利用均有一定影响，因此深入研究各种木材抽提物的组成、含量及特性对科学地确定木材加工工艺和合理地利用木材资源均有实际意义。,木材的物理性质,主要介绍木材密度、木材的含水状态、木材中水分的吸湿与解吸、木材的干缩湿胀、木材的电学性质、热学性质、声学性质和光学性质。,1 木材密度 2 木材和水分 3 木材的电学性质 4 木材的热学性质 5 木材的声学性质 6 木材的光学性质,目 录,6.1 木材密度6.1.1 木材密度的种类 6.1.2 木材比重的测定 6.1.3 细胞壁密度

32、、实质密度和空隙度6.1.4 木材密度的影响因素,木材是由木材细胞壁实质物质、水分及空气组成的多孔性材料，对应着木材的不同水分状态，木材密度可以分为生材密度、气干密度、绝干密度和基本密度。它们的定义如下：最常用:气干密度和基本密度。在运输和建筑上，一般采用生材密度。而在比较不同树种的材性时，则使用基本密度。,6.1.1 木材密度的种类,测定比重必须知道一定含水率时木材的体积以及木材的绝干重量。在大多数情况下，绝干重量的测定与用绝干称重法测定含水率中所用的方法一致。由于在干燥过程中抽提物可能和水蒸气一起蒸发，所以有时采用蒸馏法来得到绝干重量。木材的体积的测定可以采用以下方法：（1）对于形状规则的

33、试材，直接测量试材的三边尺寸，计算出体积；（2）对于形状不规则的试材，可以用排水法测量体积。（3）快速测定法。,6.1.2 木材比重的测定,（三）排水法 此法尤为适合测定不规则试样的体积。当测定气干材或全干材体积时，需在试样入水前涂上石蜡薄层，防止试样吸水而影响精度。（四）快速测定发法首先，在烧杯中加入适量液体，将金属针浸入液体中，记录天平的读数。然后用金属针尖固定试材，将试材浸入液体中，再记录平衡时天平的读数。两次天平的读数之差除以已知液体的密度，就可以得到试材的体积。,木材的绝干细胞壁的密度可以通过比重计或体积置换法来测量。置换介质种类的不同，测得的细胞壁密度的值也有差异。,6.1.3 细

34、胞壁密度、实质密度和空隙度,以水作为置换介质得到的细胞壁密度大于以甲苯和氦作为置换介质得到的值。这是由两个方面的原因引起的：（1）水属于极性膨胀性介质，水分子可以进入细胞壁中更小的孔隙中；（2）与液态水相比，吸着水的表观体积减小。,木材的实质密度即指木材细胞壁物质的密度。木材的空隙度可以用下式计算求得：式中，P为木材空隙度（%），0为木材的绝干密度（g/cm3），0w为木材的实质密度（g/cm3）。如果式中用木材的细胞壁密度代替，则得到的孔隙度中不包括非膨胀性溶剂所不能进入的细胞壁中的微小孔隙。,除了含水率以外，影响木材密度的因素还包括树种、抽提物含量、立地条件和树龄等。在同一棵树上，不同部位

35、的木材密度也有较大的差异。6.1.4.1 树种 6.1.4.2 抽提物含量 在不同的木材中，抽提物含量的范围从绝干重的3%至30%不等，因此对木材的密度有很大的影响。通常，在测定密度之前可以先用水和有机溶剂（如苯和乙醇等）对木材进行抽提处理，经过抽提处理后木材的密度更为均一。,6.1.4 木材密度的影响因素,6.1.4.3 立地条件 树木的立地条件，包括气候、地理位置等对木材密度也有很大影响。,6.1.4.4 树龄 从幼龄期直至成熟期，木材的密度有随着树龄的增高呈增大趋势，。,6.2 木材和水分6.2.1 木材中水分的存在状态6.2.2 木材的含水率及测定 6.2.3 木材的水分吸着（adso

36、rption）和解吸（desorption）6.2.4 木材中水分的移动6.2.5 木材的干缩湿胀,木材中存在的水分，可以分为自由水和结合水（或吸着水）两类。自由水 存在于木材的细胞腔中，与液态水的性质接近。结合水 存在于细胞壁中，与细胞壁无定形区（由纤维素非 结晶区、半纤维素和木素组成）中的羟基形成氢键 结合。,6.2.1 木材中水分的存在状态,生材：细胞腔和细胞壁中都含有水分，其中自由水的水分量随着季节变化，而结合水的量基本保持不变。纤维饱和点 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，这时含水率称为纤维饱和

37、点。气干状态 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气环境处于平衡状态。绝干状态 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。,木材或木制品中的水分含量通常用含水率来表示。根据基准的不同分为绝对含水率和相对含水率两种。绝对含水率（简称含水率）即水分重量占木材绝干重量的百分率,一般木材工业中采用。相对含水率 是水分重量占含水试材的重量的百分率，在造纸和纸浆工业中比较常用。,6.2.2 木材的含水率及测定,和 分别是试材的绝对含水率和相对含水率（%）；m是含水试材的质量(g);m0是试

38、材的绝干质量(g)。,以上介绍的都是直接测定法，其缺点是破坏试材、操作时间长。除此之外，还可以根据含水率与物理量之间的关系进行间接测量。电阻式水分仪 交流介电式水分仪,水分仪,最常用的水分仪是电阻式水分仪。它的工作原理是测定试材的电阻，再通过电阻与含水率之间的定量关系将电阻值转换为含水率值。电阻式水分仪的测试含水率范围一般为630%。在纤维饱和点以上的含水率范围内，电阻随着含水率的变化很小，仪器的敏感性下降。,电阻式水分仪,交流介电式水分仪：其工作原理是测定一定频率下木材的介电常数或介电损耗正切角，通过介电常数或介电损耗正切角与含水率之间的关系得到含水率值。,交流介电式水分仪,平衡含水率 由于

39、木材具有吸放湿特性，当外界的温湿度条件发生变化时，木材能相应地从外界吸收水分或向外界释放水分，从而与外界达到一个新的水分平衡体系。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。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。木材吸着水分的过程 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。,6.2.3 木材的水分吸着和解吸,吸着滞后现象 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。,滞后率 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

40、表示。滞后率受树种、温度等因素的影响。在常温、相对湿度范围1090%的条件下滞后率在0.8左右。随着温度的升高，滞后率逐渐下降。,针叶树材中水分移动 针叶树材中水分或其它流体的路径：,6.2.4 木材中水分的移动,管胞内腔和具缘纹孔对组成的毛细管体系，沿着纤维方向上的垂直树脂道，射线方向上的射线管胞的内腔和水平树脂道,阔叶树材中水分或其它流体的移动路径：导管、管胞、导管状管胞阔叶树材的导管上具有穿孔，所以在纤维方向上水分可以通过穿孔从一个导管进入纵向邻接的另一个导管。,阔叶树材中水分 移动,6.2.5 木材的干缩湿胀,木材干缩湿胀的各向异性,木材干缩湿胀现象及成因,木材干缩性与湿胀性的测定,干

41、缩或湿胀 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。,（1）木材干缩湿胀现象,木材的干缩率和湿胀率可以用尺寸（体积）变化与原尺寸（体积）的百分率表示：,木材具有干缩性和湿胀性的原因：木材在失水或吸湿时，木材内所含水分向外蒸发，或干木材由空气中吸收水分，使细胞壁内非结晶区的相邻纤丝间、微纤丝间和微晶间水层变薄（或消失）而靠拢或变厚而伸展，从而导致细胞壁乃至整个木材尺寸和体积发生变化。,（2）木材干缩湿胀的成因,6.2.5 木材的干缩湿胀,木材干缩湿胀的各向异性,木材干缩湿胀现象及成因,木材干缩性与湿胀性的测定,干缩率差异:轴向干

42、缩率一般为0.10.3%;径向干缩率和弦向干缩率的范围为36%和612%。三个方向上的干缩率以轴向干缩率最小，这个特征保证了木材或木制品作为建筑材料的可能性。,（1）木材干缩湿胀的各向异性,木材轴向、横向干缩湿胀差异的原因 木材干缩湿胀的各向异性:由木材的构造特点造成的;主要取决于次生壁中层(S2)微纤丝的排列方向。次生壁中层(S2)微纤丝的排列方向几乎是与细胞主轴相平行的，而微纤丝是由平行排列的大分子链所组成的基本纤丝构成的。,（2）木材干缩湿胀的各向异性的原因,a木射线对径向收缩的抑制 b早晚材差异的影响 c径向壁和弦向壁中的木质素含量差别的影响 d径壁、弦壁纹孔数量的影响,木材径向、弦向

43、干缩湿胀差异的原因,6.2.5 木材的干缩湿胀,木材干缩湿胀的各向异性,木材干缩湿胀现象及成因,木材干缩性与湿胀性的测定,木材干缩性与湿胀性的测定（1）试样 试样的尺寸为20mm20mm20mm，具体测量时精确到0.01mm，其各向应为标准的纵、径或弦向。试样的重量称量精确到0.001g。（2）木材干缩率的测定 原理 含水率低于纤维饱和点的湿木材，其尺寸和体积随含水率的降低而缩小。从湿木材到气干或全干时尺寸及体积的变化；与原湿材尺寸及体积之比，以表示木材气干或全干时的线干缩性及体积干缩性。,木材线干缩率的计算 试样从湿材至全干、气干时，径向和弦向的全干缩率、气干干缩率，准确至0.1%。Bmax

44、、Bw试样径向或弦向全干干缩率、气干干缩率，；Lmax试样含水率高于纤维饱和点(即湿材)时的径向或弦向尺寸，mm；L0、Lw试样全干、气干时径向或弦向的尺寸，mm。,原理 干木材吸湿或吸水后，其尺寸和体积随含水率的增高而膨胀。木材全干时的尺寸或体积与吸湿至大气相对湿度平衡或吸水至饱和时的尺寸或体积之比，表示木材的湿胀性。木材湿胀率的计算 木材的湿胀率可分为线湿胀率与体积湿胀率。木材的湿胀是与干缩相反的过程。,（3）木材湿胀率的测定,6.3 木材的电学性质 6.3.1 木材的导电性 6.3.2 木材的介电性 6.3.3 木材的压电效应和界面的动电性质,6.3.1 木材的导电性,6.3.1.1 电

45、阻率与电导率,6.3.1.2 木材的电导原理,6.3.1.3 影响木材直流电导率的因素,电阻 在一个固体的两端施加电压的电场，固体中通过的电流为，那么该固体的电阻为电阻率 是指单位截面积及单位长度上均匀导线的电阻值，是物体的固有属性，电阻率越大则材料导电能力越弱。电阻率：A为导体的截面积（），l是电场间导体的长度（）。电导率 是电阻率的倒数，电导率越大，则说明材料导电能力越强。,按照电阻率或电导率的大小，所有材料可以划分为导体、半导体 和 绝缘体（介电体）。导体 导体是导电能力强的材料，电阻率范围一般在10-810-5，如金属等；绝缘体 绝缘体的导电能力差，一般电阻率高于108的材料可以称为绝

46、缘体，如陶瓷、橡胶、塑料等；半导体 导电能力介于导体和绝缘体之间的称为半导体。,6.3.1 木材的导电性,6.3.1.1 电阻率与电导率,6.3.1.2 木材的电导原理,6.3.1.3 影响木材直流电导率的因素,6.3.1.2 木材的电导原理 木材导电性弱的主要原因:木材的化学结构组成中不含有导电性良好的自由电子。木材具有微弱的导电性原因:在木材含量很少的灰分（杂质物质）中含有极少量的金属离子，这些微量的离子在电场作用下会定向移动。木材的极化现象:木材中存在的离子可分为两类。,6.3.1 木材的导电性,6.3.1.1 电阻率与电导率,6.3.1.2 木材的电导原理,6.3.1.3 影响木材直流

47、电导率的因素,6.3.1.3 影响木材直流电导率的因素（1）含水率 对电导的活化能E是决定电导的主要因子，E是由离解能量U和迁移能S两者来决定的。,（2）温度 金属：电阻率随着温度升高而增大；木材：电阻率则随温度的升高而变小；,（3）纹理方向 木材横纹理方向（垂直于纤维方向）的电阻率较顺纹理方向的电阻率大。针叶树材横纹理方向的电阻率约是顺纹理方向电阻率的2.34.5倍；阔叶树材通常达到2.58.0倍。,（4）密度、树种和试材部位 密度一般来说，木材密度大，电阻率大；电导率小。(但影响效果不明显，甚至对于某些个别树种有相反情况)树种-电阻率产生差异。其差异大于密度因素影响的差异。（原因：从木材导

48、电机理来分析）试材部位-木材中不同部位的电阻率也存在差异。,交流电方向和强度按某一频率周期性变化的电流称为交流电。交流电按其频率的高低，大致可分为低频(含工频)、射频(又称高频)。木材的交流电性质是泛指木材在各种频率的交流电场作用下所呈现的各种特性，主要包括木材的介电性质参数（介电系数、损耗角正切、介质损耗因数等）和交流电阻率（或电导率）的变化规律及影响因素。,6.3.2 木材的介电性,6.3.2.1 低频交流电作用下木材的电热效应,6.3.2.2 射频下木材的极化和介电性,6.3.2.3 木材的介电系数,6.3.2.4 木材的介电损耗,6.3.2.5 木材的介电性在木材工业中的应用,6.3.

49、2.1 低频交流电作用下木材的电热效应在交流电的低频区域，木材的电学性质与直流电情况下呈现同样特性。例如，在绝干状态下木材电阻极高，随着含水率的增加电阻显著减小，这种变化到纤维饱和点以上时又趋于平缓。,6.3.2.1 低频交流电作用下木材的电热效应,6.3.2.2 射频下木材的极化和介电性,6.3.2.3 木材的介电系数,6.3.2.4 木材的介电损耗,6.3.2.5 木材的介电性在木材工业中的应用,6.3.2.2 射频下木材的极化和介电性射频-是频率很高的电磁波，又称高频，其频率范围大约从0.2MHz直至几百甚至几千兆赫。介电性是指物质受到电场作用时，构成物质的带电粒子只能产生微观上的位移而

50、不能进行宏观上的迁移的性质。介电体表现出介电性的物质。,6.3.2.1 低频交流电作用下木材的电热效应,6.3.2.2 射频下木材的极化和介电性,6.3.2.3 木材的介电系数,6.3.2.4 木材的介电损耗,6.3.2.5 木材的介电性在木材工业中的应用,6.3.2.3 木材的介电系数（1）介电系数 表征木材在交流电场作用下介质的极化强度和介电体存储电荷能力的物理参数。定义：木材介质电容器的电容量与同体积尺寸、同几何形状的真空电容器的电容量之比值。通常取为介质电容C与空气电容C0之比。介电系数值越小，电绝缘性越好。水的介电系数为81，硬质陶瓷的介电系数为5.73，云母的介电系数为7.17.7