8第六章 木材的物理性质

图6-10 木材的湿胀示意图
2、木材干缩湿胀的成因：
(1)木材是一种多孔性毛细管胶体，具有粘弹性； (2)木材分子上具有羟基等极性基团，能与水分子之间
形成氢键，吸湿和解吸过程伴随着能量的变化。
(二)木材干缩率的计算
1、木材的几种干缩率：

(1)线干缩：顺纹干缩(0.1%~0.3%) 横纹干缩：径向干缩(3%~6%) 弦向干缩(6%~12%)
•
水蒸气在细胞腔中移动的动力主要是水蒸 气压力梯度，细胞壁中水分移动的动力可以理 解为含水率梯度 ( 其它说法如水分浓度梯度， 化学能梯度，扩展压梯度等)。
树种 树地 等。
湿材 、气干材 、窑干材、 绝干材
四、木材的纤维饱和点
木材的纤维饱和点
结合水 自 由 水
细胞壁
细 胞 腔
饱水状态
生材状态
纤维饱和 点
气干状态
绝干状态
干燥
木材中水分的存在状态和存在位置
1、概念(fiber saturation point)：木材中不包含自由水，
且吸着水达到最大状态时的含水率，叫木材的纤维饱 和点。
2、纤维饱和点的测定：
(1)木材强度随含水率的变化： (2)木材体积(干缩率或膨胀率)随含水率的变化： (3)木 材导电性随含水率的变化：
五、木材的吸湿性
1、木材的吸湿性
木材的吸湿和解吸统称为木材的吸湿性。 (1)吸湿(adsorption)：当空气中的蒸汽压力大于木材表 面水分的蒸汽压力时，木材自外吸收水分，这种现象 叫吸湿； (2)解吸(desorption)：当空气中的蒸汽压力小于木材表面 水分的蒸汽压力时，木材向外蒸发水分，这种现象叫 解吸；
管，通过穿孔, 可能纹 孔 。导管内侵填体丰富 以及其它树胶等物质对 水分的移动阻力很大。
图6－14 阔叶树材中水分的流动途径
针叶树材：
主要为管胞，通 过纹孔。纹孔的闭塞 对水分移动的阻力很 大。
管胞
针叶树材中水分的流动途径
(2)移动动力：

外界的加压或加热引起的蒸汽压或压力梯度，毛 细管张力，木材表面水分的蒸发。
吸湿时的平衡含水率总比解吸时要低，这种现象称为 吸湿滞后。
木材的吸着滞后
(一)木材的干缩湿胀
1、现象：在绝干状
态和纤维饱和点含水率 范围内，由于水分进出 木材细胞壁的非结晶领 域，引起的非结晶领域 的收缩(shrinkage)或湿 胀(swelling)，导致细胞 壁尺寸变化，最终木材 整体尺寸变化的现象。
分的密度的比值。在4º C时，水分的密度为1 g/cm3或 1000 kg/m3 ，所以在此条件下木材的密度与比重在 数值上相等，且无量纲。
气干密度
气干材重量 气干材体积
二、木材密度的种类
1、生材密度
生材(green wood)：树木刚伐倒时的新鲜材。
2、气干材密度
气干材：自然干燥的木材。
3、全干材密度
1、密度的重要性
2、木材密度的影响因素
(1) 树种； (2) 立地条件； (3) 年轮宽度与晚材率； (4) 含水率; (5) 树干不同部位； (6)其它如抽提物含量等。
年轮宽度与比重的关系
海拔 0-999英尺 海拔 1000-1999英尺
比 重
海拔 2000-2999英尺
以上
树 龄（年）
全干材：在干燥箱内干燥至绝干的木材。
4、基本密度
木材的基本密度＝木材试样绝干重 / 试样饱和水分时体积
最常用的是气干密度和基本密度。
三、木材的细胞壁密度、实质密度和空隙度
1、木材的细胞壁密度：
木材细胞壁的密度，不包括细胞腔等。
2、木材的实质比重：
即木材物质或胞壁物质的比重，不包括木材的胞 腔等空隙。范围：1.46~1.56，平均为1.50。
• (3)充胀细胞壁：将某种物质浸入细胞壁内部， 使其体积充分膨胀，永久性地保持充胀状态，而 不受水分的影响。如： 浸入无机盐和低分子有机物； 热固性树脂； 热塑性树脂； 乙酰化等。
2、减小传递给外部尺寸的膨胀量，如：
• 胶合板；扒钉； 板材的贴面。
七、木材中水分的移动
1、自由水的移动
(1)移动途径： 阔叶树材：主要为导
2、胞壁水的移动
1、移动的途 径：
(1)通过连续的细胞 壁途径： (2)通过断续的细胞 腔－细胞壁途径： a.以蒸汽形式通过细 胞腔然后又进入 细胞壁; b.以蒸汽形式通过细 胞腔然后通过纹 孔[纹孔口、纹孔 腔、纹孔膜(对针 叶树材又包括纹 孔塞和塞缘)]。B
木材细胞壁中吸附水的移动
(2)移动的动力：
5、等温吸附
等温吸附(isotherm adsorption)：指在一定的温度 下，木材在不同的相对湿度下所能达到的平衡含水率， 体现的是温度一定的条件下平衡含水率和相对湿度之 间的关系。为“ S”型曲线。
木 材 的 等 温 吸 附 曲 线
温度对木材等温吸湿曲线的影响：
6、吸着滞后
(1)现象(sorption hysteresis)：在一定的大气条件下，
(五)木材的干缩湿胀对木材加工和使用的影响
1、木材干燥过程中木材内产生应力，使木材 容易产生开裂和变形； 2、木材的各种变形
图6-12木材中不同位置木材的不同变形
(1)翘弯 (2)顺弯
(3)横弯
(4)扭曲
图6-13 木材的典型变形
(六)减小木材干缩湿胀的方法
1、减小细胞壁的膨胀
(1) 用极性较小或非极性基团取代 -OH 或其它方法 降低-OH量，如： 热处理； 酯化：乙酰化，异氰酸酯化； 缩醛化； 醚化：丙烯腈，环氧化物等处理。 (2)用憎水物(疏水物)覆盖自由表面，堵塞水的通 道，阻止水分子进入细胞壁；
(2)体积干缩：
2、干缩率的计算：
(1)径向和弦向的全干缩率: β
/Lmax
max=(Lmax－L0)×100％
(2)径向和弦向的气干干缩率: β w=(Lmax－Lw)×100％
/Lmax
(3)体积的全干缩率：β
vmax=(Vmax－V0)×100％/Vmax vw=(Vmax－Vw)×100％/Vmax
(4)体积的气干干缩率：β
3、干缩系数
表示含水率每减少1％时的干缩率的变化。 K=β /W
4、计算举例：

木材从含水率为30％干燥到绝干，其体积 从1cm3变化为0.85cm3，求这个过程中的体积 全干缩率和干缩系数。
5、湿胀率
(三)干缩湿胀各向异性的原因
1、纵向和横向
由细胞壁壁层的构造决定。
(3)吸湿性≠吸水性：吸湿性(水分存在于木材的细胞壁)； 吸水性(水分还包括自由水)。
2、木材的吸湿机理
a. 木材细胞壁中极性基团 (主要为羟基，通过形成氢 键)的吸附(为木材吸湿的主要机理)； b. 由Kelvin公式确定的细胞壁毛细管系统在吸着环境 的相对湿度很高时才产生凝结。
3、吸收和吸附
(1)吸收： 多孔性固体在其较粗的毛细管中，由于表面张力
作用对液体进行机械地吸收。如干材浸于水中，由于 胞腔毛细管作用可以吸满水分，并将胞壁润湿。
(2)吸附：

细粉末状的物体，多孔性的材料或溶胀的凝胶体 物质对气态液体或气体紧密地吸收现象，在多数情况 下，这种吸收只有一层分子的厚度(单分子层)或多分 子层。吸附总是伴随着热的释放。 分为化学吸附或物理吸附。
不同海拔范围的花旗松的密度与树龄之间的关系(USDA,1965)
第二节 木材和水分
生 材 与 气 干 材 中 的 水 分
一、木材中水分的分类
水分的存在位置和分类
(1)自由水(free water)：存在于木材的细胞腔和细胞间隙，液态水； (2)吸着水(吸附水，bound water, hygroscopic water, adsorptive water)：存在于细胞壁无定形区域中的水分，按BET吸着理论，可 划分为单分子层吸着水和多分子层吸着水，势能较低； (3)毛细管水：在吸着环境的相对湿度很高时，凝结在木材细胞壁中 由Kelvin公式确定的毛细管系统中的水分。
水分子
无定形区
纤维素结晶区
水分子在木材细胞壁中的位置 (Bowyer 等 2003)
二、木材的含水率及其测定
1、绝对含水率和相对含水率 2、木材含水率的测定
( 1)干燥法(烘干法，重量法) ( 2)电测法(仪表法) ( 3)蒸馏法
三、木材含水率的变化
生材
(1) 生材：树木刚伐倒时的新鲜材。 (2) 生材含水率的影响因素：
3、木材的空隙度：
单位体积的木材减去木材物质所占的体积以及水 所占的体积。 绝干材的空隙度 (%)＝(1－木材的绝干密度 / 木材 的实质密度)×100% 。
四、木材密度的测定
1、直接测量法（干燥法） 2、水银膨胀计测定法 3、排水法
天平
排水法测定木材密度
五、木材密度的重要性及其影响因素
4、平衡含水率
(1)平衡含水率概念(equilibrium moisture content)：
当木材在一定的相对湿度和温度的空气中，吸收 水分和散失水分的速度相等，即吸湿速度等于解吸速 度，这时的含水率称为木材的平衡含水率。
(2) )平衡含水率的影响因素:

如环境的相对湿度和温度、树种、机械应力、木 材的干燥史等。
第六章 木材的物理性质
木材的密度
木材的水分
木材的电学性质 木材的热学性质 木材的声学性质
一、密度与比重
密度 (density) ： 有量纲，木材学中常用克 / 立方厘
米(g/cm3)或千克/立方米( kg/m3 ) ；
比重(specific gravity)：是物质的密度与4º C的水