木材学(7.7.5)--木材的物理性质

第1章木材的物理性质本章主要介绍了木材密度、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。

1.1木材密度木材密度是指单位体积的木材的质量，单位为g/㎝3或㎏/m3。

1.1.1木材密度的种类木材是由木材实质、水分及空气组成多孔性材料，其中空气对木材的质量没有影响，但是木材中水分的含量与木材的密度有密切关系。

因此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。

1.1.2木材相对质量密度（简称相对密度）的测定测定相对质量密度（简称相对密度）必须知道一定含水率时木材的体积以及木材的绝干质量。

在大多数情况下，绝干质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质量。

木材的体积的测定可以采用以下方法：a.对于形状规则的试材，直接测量试材的三边尺寸，计算出体积；b.对于形状不规则的试材，可以用排水法测量体积；c.快速测定法1.1.3细胞壁密度、实质密度和空隙度木材的绝干细胞壁的密度可以通过比重比（密度计）或体积置换法来测量。

根据置换介质种类的不同，测得的细胞壁密度的值也有差异木材的空隙度可以用下列计算求得：P(%)=(1-ρ0/ρ0w )×100%式中：P为木材空隙度(%)；ρ0 为木材得绝干密度g/㎝3 ；ρ0w 为木材得实质密度 g/㎝31.1.4木材密度的影响因素除了含水率以外，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，不同部位的木材密度也有较大差别。

1.1.4.1树种 不同树种的木材其密度有很大差异。

这主要是由于不同树种的木材的空隙度不同而引起的。

空隙度越大，木材的密度越小。

1.1.4.2抽提物含量 木材中通常含有多种抽提物，其中包括松烯、树脂、多酚类（如单宁、糖类、油脂类）以及无机化合物（如硅酸盐、碳酸盐、磷酸盐）。

这些物质是在次生壁成熟期以及心材形成期沉积在细胞壁中的，因此心材中抽提物的含量高于边材，因而心材的密度通常比边材的密度大。

1.1.4.3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。

可以用变系数（COV）和平均密度来确定由立地条件所引起的木材密度的变化范围。

计算公式如下：ρ＝ρ±（COV·ρ×1.96）=ρ±1.96COV·ρ （6－6）1.1.4.4树龄 一般来说，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的趋势，并且通常在幼龄期密度随树龄增高而增大的速度比较高，进入成熟期后趋于平缓，进入过熟期后。

也时有转为下降的情况。

1.1.4.5在树干上的部位（1）沿着树干半径方向。

成熟材的树干的木材相对密度沿着半径方向的变化可以分为3种情况：a.平均相对密度沿着髓心向外呈线性或曲线增大趋势。

b.平均相对密度沿着髓心向外先减小，之后再呈增大趋势，树皮部分的木材相对密度或高于或低于接近髓心部分的木材相对密度。

c.平均相对密度沿着髓心向外呈直线或曲线减小趋势，髓心部分的相对密度高于树皮的相对密度。

（2）沿着树干高度方向。

大多数针叶树材树种的木材相对密度在树干基部出现最大值，然后沿着树干高度方向呈减小趋势。

1.2木材和水分1.2.1木材中水分的存在状态木材中存在的水分，可以分为自由分和结合水（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。

1.2.2木材的含水率及测定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。

木材工业中一般采用绝对含水率（简称含水率），即水分质量占木材绝干质量的百分率。

绝对含水率和相对含水率的计算公式如下：M C(%)=(m－m o)/m o×100% (6-7)M C`(%)=(m－m o)/m×100% (6-8)式中：M C 和M C`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）；m o试材的绝干质量（％）。

干燥箱内的实际相对湿度H、 通过下式进行计算：H、 （％）＝P/P o、 ×100％＝P/P o、 ×P o/P o、 ×100％＝H×P/P o、 (6-9)1.2.3木材的水分吸着和解吸由于木材具有吸放湿特性，当外界的温湿度条件变化时，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。

以相对湿度为横坐标，木材的平衡含水率为纵坐标得到的曲线称为水分吸着（或解吸）等温线。

吸着等温线的分类可以分为5类，第一类为单元分子层吸着；第二类为多分子层吸着，并且气体和固体之间的结合力较大；第三类也是多分子层吸着，但是相互作用力小；第四类和第五类中最终的吸着量受到毛细管凝结作用的限制。

1.2.4木材中水分的移动对应于木材中水分形态的多样性，木材中水分的移动形式也是多种多样的，其中包括基于压力差的毛细管中的移动，基于浓度差的扩散，自由水在细胞腔表面的蒸发和凝结，以及细胞壁中结合水的吸着和解吸。

针叶树材中水分或其他流体的路径主要湿由管胞内腔和具缘纹孔对组成的毛细管体系，另外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也是流体的移动路径。

阔叶树材中水分或其他流体的移动路径主要湿导管，另外还包括管胞、导管状管胞等。

1.2.5木材的干缩湿胀1.2.5.1木材干缩湿胀现象及成因（1） 木材干缩湿胀现象。

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涨。

（2） 木材干缩湿胀的成因。

木材具有干缩性和湿胀性，是因为木材在失水或吸湿时，木材内所含水分向外蒸发，或干木材从空气中吸收水分，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。

1.2.5.2木材干缩湿胀的各向异性（1） 木材干缩湿胀的各向异性表现。

木材结构特点使其在性质上具有较强的各向异性，同样木材的干缩与湿胀也存在着各向异性。

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。

（2） 木材干缩湿胀的各向异性的原因。

a.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这一性质主要是由木材的构造特点造成的。

针叶树材的主要细胞是轴向管胞，阔叶树材的主要细胞是木纤维。

b.木材径向、玄向干缩湿胀差异的原应。

玄向干缩率大于径向干缩率这一现象的原因是复杂的，并非由单一因素决定的。

主要决定因素包括：木射线对径向收缩的抑制、早晚材差异的影响、径向壁和玄向壁中的木质素含量差别的影响、径壁和弦壁纹孔数量的影响综上所述，由于木材纤维微纤丝的长度方向与垂直方向湿胀或干缩的不等性，初生壁与次生壁微观构造的差异性，次生壁各层厚度的不同性，径向壁与弦向壁木质化程度的差别性，各壁层之间的制约性，胞间层以及其他细胞组织的相互影响作用等，导致木材的干缩或湿胀产生很强的各向异性。

1.2.5.3木材干缩性与湿胀性的测定（1）试样。

试样的尺寸为20mm×20mm×20mm，具体测量时精确到0.01mm，其各向应为标准的纵向、径向或弦向。

试样的重量称量精确到0.001g。

（2）木材干缩的测定。

a. 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。

b. 木材线干缩率的计算。

βma x=(L ma x–Lo)/ Lo×100%βw=(L ma x–L w)/ L ma x×100%式中：βma x、βw为试样径向或弦向全干干缩率、气干干缩率（％）；L ma x为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）；Lo)、L w为试样全干、气干时径向或弦向的尺寸（mm）。

a.木材体积干缩率的计算。

βVma x=(Vma x-V o)/ Vma x×100%βVw=(Vma x-Vw)/ Vma x×100%式中：βVma x、βVw为试样体积的去干干缩率、气干干缩率（％）；Vma x为试样湿材时的体积(mm)3 , V o、Vw为试样全干、气干时的体积(mm)3 。

（1）木材湿胀率的测定。

a.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。

b.木材湿胀率的计算。

木材的湿胀是与干缩相反的过程，同干缩率相仿，木材的湿胀率可分为线湿胀率与体积湿胀率。

1.3木材的电学性质木材的电学性质泛指木材在直流电场和交变电场作用下所呈现的材料特性，包括木材在直流电场中的导电性、在交流电场中的介电性以及由外力作用引起的压电效应、热电效应等。

研究木材的电学性质，对于更深入地了解木材有着重要地科学理论意义，对于促进木材在工业领域地广泛应用也具有重要作用。

1.3.1木材的导电性1.3.1.1电阻率与电导率电传导是物体的本性，导电的电阻与组成该导体的材料有关，评价材料导电性优劣的指标通常采用电阻率和电导率。

1.3.1.2木材的电导原理：在学习木材化学性质时我们知道，木材的化学结构组成决定了它几乎不含有导电性良好的自由电子，而这也正是木材导电性弱的主要原因。

从目前为止的研究结果来看，木材的电导主要是靠自由离子进行的，一般在细胞壁的非结晶区发生。

1.3.1.3影响木材直流电导率的因素木材的直流电导率受含水率、温度、木材的构造、密度等影响。

1.3.2木材的介电性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同样的特征。

1.3.2.1低频交流电作用下木材的电热效应在交流电的低频区域，木材的电学性质在很多方面与直流电情况下呈现同样特征。

1.3.2.2射频下木材的极化和节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。

木材中的极化现象有以下几类：电子极化、离子（原子）极化、偶极（取向）极化、界面（结构）极化和电解极化。

绝干木材属于极性节电体。

低含水率的木材也仍可以看作是极性节电体。