木材的物理性质-2

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1、第五章 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,第 一 节 木 材 的 密 度,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4C的水分的密度的比值。在4C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。,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 全干

2、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：1.461.56，平均为1.50。 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% 。,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

3、）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。,5.1.2 木材比重的测定,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。,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

4、水前涂上石蜡薄层，防止试样吸水而影响精度。 快速测定法 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。,水银测容器法 使用于测定不规则试样的体积。利用水银测容器，测定试样的体积,木材密度的变异及水分对它的影响 （一）木材密度的变异（variation of wood density） 影响木材密度的本身因子有树种、抽提物和取材部位等，外界因子有含水率。 1.树种 不同树种的木材其密度差异很大，如： 麻栎密度较大：0.93 g/cm3 ； 巴塞木密度

5、较小：0.12 g/cm3 。 不同树种木材密度的差异原因主要是取决于木材中所含胞壁实质物质的多少。 木材密度大 空隙度小（胞壁物质多或壁厚）； 木材密度小 空隙度大（胞壁物质少或壁薄）。 2.抽提物含量 一般，木材在胞壁率相同的条件下，浸提物愈多则密度愈大。,对于同一树种木材而言： 心材抽提物含量边材 心材密度 边材密度 枝梢材抽提物含量干材 枝梢材密度 干材密度 3.木材在树干中的部位 同一树种木材，因在树干上的部位不同，木材密度也有较大的差异。 （1）沿树干高度的变化规律：通常在树干基部木材的密度最大，自树基向上逐渐减小，在树冠部位则略有增大。 （2）沿半径方向的变化规律： 针叶材：髓心

6、最小，向外随树龄增大木材密度逐渐增大，半径方向至距树皮1/2处，密度达最大值，此后又逐渐下降。,阔叶材： 1）具心材的环孔材：心材密度大，年轮宽度与密度成正相关关系，但靠近髓部及靠近树皮的部分，木材密度则较小。 2）散孔材：自髓心向树皮方向木材密度逐渐增大。 （二）水分对木材密度的影响 1.含水率在纤维饱和点以上变化时： 含水率变化 仅影响木材重量，而其体积不变 湿材密度与含水率呈正相关。 2.含水率在纤维饱和点以下变化时： 含水率变化 重量和体积同时变化，但重量变化率大于体积胀缩率 气干材密度随含水率的增减变化比湿材慢。,年轮宽度与比重的关系,不同海拔范围的花旗松的密度与树龄之间的关系(US

7、DA,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,（1）化学水(chemically combined water) 存在于木材的化学成分中，与组成木材的化学成分呈牢固的化学结合。但数量甚微（ 0.5%），只在对木材进行化学加工时起作用，故可忽 略不计。 （2）自由水(free water) 存在于细胞腔和细胞间隙（即大毛细管系统）中的水分。 其与木材的结合方式为物理结合，结合并不紧密，故易于从木材中逸出，也容易吸入。 自由水的范围：6070%至200250% 。 自由水的增减对木材的力学性质几乎无影响，仅影响木材的重量、燃烧值和传热值。 （3）吸着水(boun

8、d water) 由吸附水和微毛细管水两 部分组成。 吸附水（adsorbed water） 被吸附在微晶表面和无定形区域内纤维素分子游离羟基（OH）上的水分。 由于不同树种木材内表面大小和游离羟基数量（影响吸附水数量的因素）变化不大，因而其吸附水,含量基本相同，平均为24% 。 吸附水与木材化学组分的结合为物理化学结合（氢键结合和分子力结合），结合较牢，故难以从木材中排尽。 微毛细管水 存在于组成细胞壁的微纤丝、大纤丝之间所构成的微毛细管内的水分。 它依靠液体水的表面张力与木材呈物理机械结合，其含量约为6% 。由于微毛细管中的水的饱和蒸汽压比周围空气中水的饱和蒸汽压低，因而这部分水只能在一定

9、的空气条件下才逸出。 木材中吸着水含量在树种间差别较小，一般为23%31%，平均为30% 。吸着水不易自木材中逸出，只有当自由水蒸发殆尽，且木材中水蒸气压力大于周围空气中水蒸气压力时，方可由木材中蒸发。吸着水数量的变化对木材性质的影响甚大，如木材的力学性质、尺寸胀缩、导电性和传导性等。,1.湿润性材料的分类 根据材料与水分的关系，可分为三类： （1）胶体该类物质所含水分的数量发生变化时，其 尺寸和体积也随之变化，如胶、生面团等。 （2）毛细管多孔体 当吸水时，水分的增减并不改变 或极少改变其原有的尺寸和体积，如木炭、砖等。 （3）毛细管多孔胶体 能吸收有限的水分，在吸水和 失水时，不丧失几何形

10、状，但尺寸发生有限变化， 如木材。,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 （moisture content of wood and determination） 1.木材含水率(moisture content of wood or M.C.) 水分重量占木材重量的百分率。 由于木材重量的基数不同，分为绝对含水率和相对含水率。 （1）绝对含水率（W）(absolute moisture content)水分重量占绝干材重量的百分数。 （2）相对含水率（W1）(relative moisture content)水分重量占湿材重量的百分数。 式中

11、：m1湿材重量（g）； m0绝干材重量（g）。,2.木材含水率的测定方法 （1）烘干法（炉干法）(oven-drying method) 操作简便，结果准确，但较费时，而且必须锯解成小的试件才能进行（国标222cm）。 方法：试样锯解后立即称重，然后置于1032的烘箱内烘至恒重（重量不在改变为止）。 （2）仪表法 木材含水率测定仪 利用木材的电学性质如直流电导率、介电常数、高频功率等因素与木材含水率的关系研制而成。 特点：使用方便，操作迅速，尤其适合于生产现场使用。,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： 树种 树木不同部位 砍伐季节

12、其它如树龄、生长地 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,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。,纤维饱和点是木材性质变化的转折点。木材含水率在纤维饱和点以上变化时，木材的形体、强度、电、热性质等都几乎不受影响。反之，当木材含水率在纤维饱和点以下变化时，上述木材性质就会因含水率的增减产生显著而有规律的变化。,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

13、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； (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,（1）组成木材细胞壁物质 纤维素和半纤维素等化学成分结构中有许多游离羟基（OH），在一定温度和湿度条件下具有很强的吸湿能力。微晶表面借助分子间力和氢键力吸引空气中

14、的水蒸气分子而形成多分子层吸附水。 （2）木材为毛细管多孔胶体，存在大毛细管系统和微毛细管系统，具有很高的空隙率和巨大的内表面。当木材胞壁微毛细管内水表面上的饱和蒸汽压小于周围空气中的饱和蒸汽压时，开始在较小的微毛细管内形成凹形弯月面，产生毛细管的凝结现象而形成毛细管凝结水。随着空气相对湿度的增大，就会在直径较大的微毛细管中发生水蒸气凝结，直至空气湿度为100%时，全部微毛细管内充满了毛细管凝结水，即达到纤维饱和点为止。,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：

15、 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。,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。,平衡是相对的，吸湿和解吸过程是绝对的。 木材的平衡含水率受空气的温度和湿度的影响：当

16、温度一定而相对湿度不同时，木材的平衡含水率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，木材的平衡含水率则随着温度的升高而减小。,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，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,木材吸着滞后的原因？,吸湿滞后的原因： （1）经解吸干燥后的木材，其微毛细管 系统内的空隙部分被透进来的空气 所占据，从而妨碍了木材对水分的 吸收。 （2）木材在解吸干燥后，由于干缩，使 相邻的纤维素分子链上用以吸取水分的羟基间形成氢键，从而使大部分羟基