木材组成与结构

针叶材
针叶材
阔叶材
阔叶材
针叶材与阔叶材的构造
• 针叶材： 主要组成是管胞（木材纤维），长度约为 3~8mm，占总体积90%以上。一般针叶材无导管， 称为无孔材。 • 阔叶材： 主要组成是导管和木材纤维，管胞为非主要 细胞，其木材纤维包括木纤维和纤维状管胞，长 度约为1mm，占体积50%以上。阔叶材断面显示 明显的管孔，所以又叫孔材。 • 组织结构如下：
受害木材标本
户县公输堂清代木柱虫害现状
古代木质文物标本
出土饱水木质文物
出土饱水木质文物
地面（古代建筑）木质文物
二、木材的化学组成
1、组成元素： C（48~51%）、H（43~44%）、 O（6~7%）、 N（0.1~0.2%）、 各类盐（0.2~0.6%）
2、化学组成
木材的化学组成 主要成分 （95%） 多糖类 70% 木质素 25% 无机成分 0.5% 次要成分 （5%）
2、木材密度
• • • • • 单位体积木材的重量。 全干密度：全干质量/全干体积 气干密度：气干质量/气干体积 基本密度：全干质量/水分饱和时体积 基本密度是实验室中，判断材性的依据。数值比 较固定准确。 • 气干密度是生产中计算气干时木材质量的依据。 • 密度是衡量木材力学强度的重要指标之一 • 密度高力学强度就好，反之则差。
木材细胞的超微结构
• 外层：厚度较薄，平均 0.2~0.3微米。本身又由3~4 个薄层组成，每一薄层由微 纤维丝成螺旋状排列，在压 力下，它保证了木材强度。 • 中间层：最厚，平均1~4微 米，由30~150个薄层组成， 各薄层间和薄层中微纤维丝 紧密有效地结合在一起，使 木材具有了抗拉强度。 • 内层： 最薄，仅有0.1微米， 它与细胞腔相邻，层数很少。 微纤维丝水平相连，很少交 叉。在所有针叶林和少数阔 叶林中，内层都有根瘤着生 其上。
古代木材含水率
• 遭受菌虫危害后，含水率变化要比健康材大。短时间之内可 吸收大量水分，木材越是腐朽，这种性质越明显。 • 在收缩过程中往往出现典型的收缩裂纹。 • 古老的、含水率比较高的木材很容易降解，含水率越高，降 解越快。 • 若一直保持高含水率，木材就可以保持原来的形状。高含水 率古老木材的干燥收缩率可大于健康材的30%，极端情况下 木材干燥收缩会导致整个木材破坏。原因是木材的细胞及细 胞间的结合已完全破坏。 • 已经干燥和收缩的高含水率木材再与水重新接触时，膨胀率 非常小，因为细胞的破坏是不可逆转的。
5、古代与现代木材的差异
• 时代变迁，各种环境因素的影响，造成古代与现代的差异。
• 环境因素：
生物方面——木材害虫、木腐菌、细菌和海生钻木动物。
气候方面——有害性气体、光、热辐射、灰尘、风雨等。
埋藏环境——厌氧菌、地下水、海生钻木动物等。
• 古代木材：
害虫 —— 蛀蚀边材和早材，内部充满虫孔。 木腐菌 —— 从外向内部腐蚀，致使木材折断或成海绵体。 厌氧环境 —— 中、内次生壁遭破坏，胞间质和初生壁保存下来。
A、纤维素：
• 由10000~14000个葡萄糖单元组成一个链——纤维素链 （直径0.5纳米，长约5~10微米）。 • 纤维素外围的—OH基对其化学反应起着重要作用，一个 分子的—OH基和另一个相邻分子的—OH基之间可以形成 氢键（分子内和分子间的氢键），这样水分就与纤维结合 在一起。 • 纤维素链组成纤维单元（直径3.0~3.5纳米），每个纤维 单元由36个纤维素链组成， • 纤维单元再组成纤维（直径可达12纳米，由16个纤维单元 组成）， • 进一步，4个12纳米的纤维组成一个微纤丝（直径25纳米）
一、木材结构解剖
• • • • • 木材结构与命名 针叶材与阔叶材 纤维组成与结构 植物细胞的构造 古代木材与现代木材细胞构造的差异
（这一点对我们选择加固、防腐处理方法有益）
1、木材结构与命名
• 木材——无数个细胞——彼此相连—— 以不同的细胞形状、排列方式——承担树 木内营养物质的运送——充当机械强度。 • 结构与命名见下图：
现代木材与古代木材对比：
• 密度：一般由于菌虫的损害，古材密度明显低于现代材。 若在水下、地下出土，未受生物损害，无论年代如何久， 密度、外观变化都很小。 长期水解，化学成分抽提物流失，皱缩明显高于新材， 但密度不变。 • 浸注性：与木种和损害程度有关 木材害虫蛀蚀严重，受害程度高，浸注性就高。 木腐菌使古代木材易于浸注，但浸注不均匀（纹孔封闭） 湿材浸注与损害程度有关，只有表面被破坏的一层能被 浸注。 古代材浸注性同样受清洁程度的影响（油漆、彩绘、灰 尘）
3、木材浸注性
• 指木材吸收防腐和加固药剂的能力，决定 于木材的渗透性，直接影响保护措施的效 果。 • 一般分为：最难、难、稍难、易浸。 • 具体（防腐）处理时：应加以考虑，对于 难浸树种应补充措施。
木材浸注性
• 最难：刺槐，柞木，落叶松 • 难：柏木，杉木，香樟 • 稍难：硕桦，红松，华山松 • 易浸：水曲柳，山杨，白桦，毛白杨，松 木，裂叶榆
4、古代木材的化学组成
• 纤维素在缺氧环境下被强烈分解，其中水 解和酶催化过程起了重要作用。 • 与现代材相比，古代木材含有较少的纤维 素和相对较高的木质素及灰分。木质素含 量的提高是由于其它成分损失的结果。 • 长期在干燥环境中放置的木材，由于氧化 作用，使木质素含量降低。
三、木材的几项性质
4、木材强度
• 抗拉强度： 密度↗ 晚材↗抗拉强度↗ 含水率在饱和点以下： 含水率↗ 抗拉强度↘ t°↗ 抗拉强度↘ 木质素↗ 抗拉强度↘ 木材纤维方向的抗拉强度最大
4、木材强度
• 抗弯强度： 密度↗ 抗弯强度↗ 晚材↗ 抗弯强度↗ 纤维饱和点以下： 含水率↗ 抗弯强度↘ t°↗ 抗弯强度↘
4、木材强度
4、木材强度
• 泛指木材的力学性质，包括：抗压、 抗拉、抗弯、抗冲击、抗剪、硬度。 • 从生物角度讲，木材各向异性。 • 按纹分： 横纹（垂直于木材纹理）数值、 顺纹（平行于木材纹理）数值
4、木材强度
• 硬度与木材密度、含水率的关系。 密度↗ 硬度↗ 含水率↗ 硬度↘ • 抗压强度： 密度↗ 抗压强度↗ 晚材部分↗抗压强度↗ 纤维饱和点以下： 含水率↗ 抗压强度↘ t°↗ 抗压强度↘ 抗压强度与年轮方向有关： 顺纹 ≥横纹 顺纹≈10倍横纹
B、半纤Biblioteka Baidu素：
• 也是由葡萄糖单元组成，它存在于植物细 胞壁中的一类不同于纤维素的低聚糖的总 称，其中大多数不溶于水而溶于碱液，遇 酸水解。 • 其结构有别于纤维素分子，半纤维素分子 链短而有侧基。其主链可以由一个或几个 不同的糖单元构成。 • 半纤维素也可以组成纤维单元
半纤维素的主要糖基
C、木质素：
阔叶材 的超微结构
3、纤维组成结构
• • • 针叶材：90~95%是纤维细胞（长形的管胞）， 5~10%的木射线、贮存细胞（长形薄壁细胞） 以及树脂等。 阔叶材：40~75%的木纤维（导管和纤维管胞） 10~30%的维管束 5~30%的长形薄壁细胞（比针叶材的丰富） 针叶材的长形管胞： 长2~5mm，直径0.02~0.05mm，起运输水分，支撑 树干的作用。 阔叶材纤维： 长度1.0~1.5mm，起输导水分、增加树干强度作用， 通过管胞开放的或半开放的端部彼此相连，成为管状通道， 称为木纤维，有时可以长至数米。 阔叶材导管：直径0.05~0.15mm。 纹孔：相邻细胞间的物质交换依靠纹孔来完成。
木材细胞的结构
• 胞间层： 细胞之间有胞间层 使细胞彼此相连，它的 厚度最厚处为0.2~1.0 微米。由于相邻的两个 细胞之间极少有专门的 界限，因此它们共同的 胞间质即作为分界的中 间层。
木材细胞的结构
• 细胞壁的生成和生长都由细胞原生质中 的糖来完成； • 通过酶的催化，合成纤维素和半纤维素， 纤维素又组成微纤丝，微纤丝实际上也是 细胞原生质沉积而成，这些微纤丝又共同 组成次生壁。 • 细胞排列，组成纤维束，纤维束构成木 材。
木材结构 树皮
外皮 内皮 形成层 早材 边材 生长轮（年轮） 晚材
木材
髓心
心材
外皮 心材
边材
内 皮
髓心
晚材
早材
晚材
早材
木材结构
2、针叶材与阔叶材
• 按分类学区分： 木材分为 针叶材 (softwood) 阔叶材 (hardwood) • 针叶材：树叶为针状或鳞片状，如：银杏、松木、 杉木、柏木。形体高大通直，是建筑用材，属于软 材。 • 阔叶材：树叶比较宽大，如：楠木、香樟、槐树、 柞木、白榆、椴木、柳木，其树干多分叉，名称叫 硬材，但不代表都是硬度高的木材，如泡桐、轻木 就是软材。因阔叶材品种多，又叫杂木，以其硬度 分为：硬杂木和软杂木。
第一章 古建组成材料的主要性质
——木材的组成与特性
•
古建组成材料有：木材、砖瓦、 石、泥土、彩绘、油漆、金属等。 • 本章介绍木材的重要特性，并介 绍木材的损害原因。
第一节、木材的构造与重要性质
文物保护技术必须建立在已知文物的损 蚀机理的基础上，方可对症下药。故而本章 须介绍木材的解剖结构、组成及各项指标。 这是木材损蚀的内因。
1、含水率 2、木材密度 3、木材浸注性 4、木材强度 5、木材的天然耐久性
1、含水率
• 绝对含水率 u = （m湿 － m绝干）/ m绝干×100% • 相对含水率 f = （m湿－m绝干）/ m湿×100% 概念（实践中） ： 绝干材 u=0 衡重 气干材 常时间干燥温暖环境中放置的的木材。 南方17~18% 北方 12~13% 半干材 u=20~30% 低于纤维饱和点的木材 湿材： u>30% 常时间在水环境中或新采伐的木材
•
• •
微观构造
4、木材细胞的结构
• • • • 木材细胞由细胞壁和细胞腔构成。 细胞壁是植物细胞所特有的一种结构。 细胞壁的形态结构决定了组织的性能。 细胞壁： 完成植物组织的吸收、蒸腾和物质运 输等功能，还起着重要的支撑作用，这一 点正是木材被人类利用的原因。
木 材 细 胞 超 微 结 构
• 木质化植物组织除去浸提成分（包括灰分） 后的非碳水化合物部分是具有芳香族特性 无定型物质。 • 在细胞壁中起着连接细胞和强化植物组织 的作用。 • 一般不被水解，酸作用下可得棕色粉末状 物质。
木质素 基本结构单元
木质素的 生物合成
3、木材细胞壁大分子的结构
• 一般认为纤维素和半纤维素组成纤维单元，其中 纤维素和半纤维素中的—OH基起着重要作用。 • 半纤维素可以结合在纤维素形成的纤维单元上。 可能是半纤维素形成一个薄层包裹在纤维素周围， 首先形成一个纤维素和半纤维素的支架，然后木 质素填充其间。 • 实际上是纤维素和半纤维素形成的晶格结构恰当 地镶嵌在木质素中。类似于钢筋混凝土结构，其 中纤维素和半纤维素相当于钢筋支架，木质素相 当于水泥。 • 木材细胞壁大分子结构至今尚没有模式概念。
木材细胞的超微结构
• 初生壁：由它最初起支撑新生 细胞，其组成成分主要为纤维 素、果胶。细胞成熟后这层木 质化。随细胞的增长不断增长， 平均厚度为0.10~0.15微米。 • 次生壁：在成熟后，停止增大 生长，形成次生壁，主要成分 为纤维素和半纤维素，同时还 有大量的木质素和其他物质。 • 次生壁又分三层： 外层，中间层，内层
• 抗弯弹性模量：指木材的劲度或弹性的物 理量。即木材在一定极限内抵抗弯曲变形 的能力。 • 弹性模量↗ 越刚硬↗ 弹性变形↘ • 弹性模量↘ 柔曲↗ • 抗弯弹性模量是选用梁、托梁、条材等的 一个重要参考数值。它与密度成正比，与 含水率成反比。见表。
4、木材强度
• 古代木材： 遭生物损害后，力学强度降低。 地下出土木材，密度不变，纤维素降解，致使 抗压，抗弯强度下降，其中抗弯、抗拉强度比抗 压强度下降的多。 遭受木腐菌危害的木材，几周之内抗压、抗弯 强度大大下降，而重量无明显变化。 因此鉴定古旧木材受损情况应使用强度指标， 而不能用密度。
可溶性多糖类、 酚、蛋白质、果胶 4.5%
纤维素 （50%）
半纤维素 （20%）
针叶材和阔叶材的化学成分区别：
针叶材 纤维素 45~50 半纤维素 15~20 木质素 25~30
阔叶材 纤维素 40~45 半纤维素 20~30 木质素
20~25
A、纤维素：
• • • • • 是细胞壁的主要组成成分； 无臭无味； 不溶于一般的有机溶剂； 不溶于一般的稀酸、稀碱。 是造纸、人造板、胶片、塑料及涂料的重要原料。