第四章-木材.

生物质材料主要内容•第一章绪论•第二章纤维素基材料•第三章木质素•第四章木材•第五章淀粉基材料•第六章甲壳素基材料•第七章蛋白质基材料•第八章其他生物质材料第四章木材•目的和要求了解木材的组织结构、化学组成、主要性质与应用等相关知识。重点掌握木材的组织和细胞结构、化学组成及其与部分木材性质的关联。•内容和要点4.1木材的概述4.2木材的组织结构4.3木材的宏观结构4.4木材的微观结构4.5木材的化学组成4.6木材与水分4.7木材的改性4.8木材的主要应用4.1木材的概述（1）我国的木材资源及现状我国林业土地26743万公顷，森林1.75亿公顷，森林覆盖率由新中国成立初的8.6%提高到目前的18.21%，活立木蓄积量124.56亿m3，森林蓄积量101.4亿m3，人工林保存面积0.53亿公顷，蓄积量15.05亿m3，人工林面积居世界首位。我国森林总量不足，森林覆盖率仅相当于世界平均水平的61.52%，居世界第130位；人均森林面积0.132公顷，不到世界水平的25%，居世界第134位。我国国土辽阔，森林分布不均。从国民经济社会发展来看，森林资源和森林质量难以满足社会发展和经济增长的需求。林地流失依然严峻，林木过量采伐仍相当严重。我国既是一个木材生产大国，又是一个木材消费大国，而且目前对木材的利用率不高。4.1木材的概述（2）木材的特点易于加工质轻、强度高，强重比大热绝缘与电绝缘特性能引起亲近感的颜色、花纹和光泽对紫外线的吸收和对红外线的反射作用良好的声学性质4.1木材的概述（2）木材的特点纤维素的主要来源，并且可提供一些保健药品成分具有吸收能量和破坏先兆预警功能具有湿胀、干缩性可燃烧性易腐朽或遭虫蛀具有天然缺陷4.1木材的概述（3）木材的分类植物界可划分为藻类植物、苔藓植物、蕨类植物和种子植物四大门。其中种子植物的种最多。木材来源于种子植物。种子植物按其习性，可分为木本和草本。木本植物一般具有多年生的根和茎，维管系统发达，并能由形成层形成次生木质部和次生韧皮部。木本植物习惯上又分为乔木、灌木和木质藤本三种。乔木通常是指具有单一主干，树高可达6m以上的木本植物，即通常所说的树木。木材主要来源于乔木树种。木材又包括针叶树材和阔叶树材。4.2木材的组织结构（1）树木的组成部分树根：树木的地下部分，占立木总体积5～25%。是主根、侧根和毛根的总称。树冠：树木最上部分生长着的枝丫、树叶、侧芽和顶芽等部分的总称。树干：树冠与树根之间的直立部分，是树木的主体，也是木材的主要来源。4.2木材的组织结构树种体积（%）树干树根树枝松树65～6715～258～10落叶松77～8212～156～8栎树50～6515～2010～20梣树55～7015～2515～20桦树78～905～125～10山杨80～905～105～10山毛榉55～7020～2510～20枫树65～7515～2010～15活树各部分的体积比例4.2木材的组织结构（2）树木的生长树木的生长是高生长（顶端生长，初生长）与直径生长（次生长）的共同作用结果。树木的高生长包括茎干的不断加高、侧枝的不断延伸和根的不断延长。其生长过程依赖于其顶梢、枝梢和根尖部位具有无限分生能力的组织。树木的直径生长是木质部和韧皮部细胞不断增加的结果，它是由形成层原始细胞进行弦向平周分裂来完成的，向内形成木质部，向外形成韧皮部。4.2木材的组织结构（3）树干的构造树干由树皮、木质部和髓三部分构成，在宏观条件下即可区分。在树皮和木质部之间，还有一层极薄、不易为人们用肉眼分辨的形成层。树皮：包裹在树木的干、枝、根次生木质部外侧的全部组织的统称。形成层：位于树皮和木质部之间，是包裹整个树干、树枝和树根的一个连续的鞘状层，由于其分生功能在于直径加大，又称为侧向分生组织。木质部：位于形成层和髓之间，是树干的主要部分。根据细胞的来源，木质部分为初生木质部和次生木质部。髓：位于树干的中心部位。4.3木材的宏观结构（1）概述木材的宏观结构是指用肉眼或借助10倍放大镜所能观察到的木材构造特征。木材的宏观特征分主要宏观特征和辅助宏观特征两部分。木材的主要宏观特征是木材的结构特征，它们比较稳定，包括心材和边材、生长轮、早材和晚材、管孔、轴向薄壁组织、木射线、胞间道等。木材的辅助宏观特征又称次要特征，通常变化较大，只能在宏观识别木材中作为参考，如髓斑、色斑、乳汁迹、内含韧皮部、油细胞和粘液细胞等。还包括木材的颜色、光泽、纹理、花纹、结构、材表、气味、滋味、轻重和软硬等一些作为木材识别辅助依据的物理特征。4.3木材的宏观结构（2）木材的三切面木材的三切面可充分把木材结构特征反映出来。反之，要充分认识木材的结构特征，又必须通过三切面进行。三切面本身不是木材特征，它是人为确定的三个特定的木材截面对它们的观察就可以达到全面了解木材构造的目的。木材的三切面：横切面、径切面、弦切面4.3木材的宏观结构•横切面是与树干长轴相垂直的切面，亦称端面或横截面。在这个切面上，可以见到木材的生长轮、心材和边材、早材和晚材、木射线、薄壁组织、管孔(或管胞)，胞间道等，是木材识别的重要切面。横切面4.3木材的宏观结构弦切面•弦切面是顺着树干长轴方向，与木射线垂直或与生长轮相平行的纵切面。弦切面和径切面同为纵切面，但它们相互垂直。在弦切面上生长轮呈抛物线状，可以测量木射线的高度和宽度。4.3木材的宏观结构径切面•径切面是顺着树干长轴方向，通过髓心与木射线平行或与生长轮相垂直的纵切面。在这个切面上可以看到相互平行的生长轮或生长轮线、边材和心材的颜色、导管或管胞线沿纹理方向的排列、木射线等。4.3木材的宏观结构木材的三个切面4.3木材的宏观结构（3）木材的主要宏观特征边材：木质部中靠近树皮（通常颜色较浅）的外环部分。心材：髓心与边材之间（通常颜色较深）的木质部。生长轮：通过形成层的活动，在一个生长周期中所产生的次生木质部，在横切面上呈现一个围绕髓心的完整轮状结构，称为生长轮或生长层。生长轮的形成是缘于外界环境变化造成木质部的不均匀生长现象。年轮：温带和寒带树木在一年里，形成层分生的次生木质部，形成后向内只生长一层，将其生长轮称为年轮。但在热带，一年间的气候变化很小，四季不分，树木在四季几乎不间断地生长，仅与雨季和旱季的交替有关，所以一年之间可能形成几个生长轮。4.3木材的宏观结构早材与晚材：温带和寒带树木在一年的早期形成的木材，或热带树木在雨季形成的木材，由于环境温度高，水分足，细胞分裂速度快，细胞壁薄，形体较大，材质较松软，材色浅，称为早材。到了温带和寒带的秋季或热带的旱季，树木的营养物质流动缓慢，形成层细胞的活动逐渐减弱，细胞分裂速度变慢并逐渐停止，形成的细胞腔小而壁厚，材色深，组织较致密，称为晚材。阔叶材的导管在横切面上呈孔状，称为管孔。在纵切面上导管呈沟槽状，叫导管线。有无管孔是区别阔叶树和针叶树的首要特征。阔叶材具有明显的管孔，称为有孔材，而针叶材没有导管，肉眼下横切面上看不到孔状结构，故称为无孔材。4.3木材的宏观结构髓射线：在木材横切面上，有许多颜色较浅，从髓心向树皮方向呈辐射状排列的组织。木（韧皮）射线：在木质部（韧皮部）的射线。是树木的横向组织，由薄壁细胞组成，起横向输送和贮藏养料作用。初生木射线：髓射线起源于初生组织，后来由形成层再向外延伸，它从髓心穿过生长轮直达内树皮。次生木射线：起源于形成层的木射线，达不到髓心。轴向薄壁组织：形成层纺锤形原始细胞所形成的薄壁细胞。它们沿树轴方向排列。在横切面上，呈比木材颜色浅的线条或围绕管孔的圆圈或斑点状。用水润湿后更为明显。胞间道：由分泌细胞围绕而成的长形细胞的间隙。针叶材中贮藏树脂的胞间道称为树脂道。阔叶树材中贮藏树胶的胞间道称为树胶道。4.3木材的宏观结构（4）木材的次要宏观特征颜色和光泽颜色：色素、单宁、树脂、树胶及油脂等物质沉积于木材细胞腔，并渗透到细胞壁中，使木材呈现不同的颜色。光泽：光线在木材表面反射时所呈现的光亮度。气味和滋味木材的气味来源于细胞腔所含有的树脂、树胶、单宁以及各种挥发性物质。木材的滋味来源于木材中所含的水溶性抽提物中的一些特殊化学物质。4.3木材的宏观结构纹理、结构和花纹纹理：构成木材主要细胞(纤维、导管、管胞等)的排列方向。结构：构成木材细胞的大小及差异的程度。花纹：木材表面因生长轮、木射线、轴向薄壁组织、颜色、节疤、纹理等而产生的图案。重量和硬度轻软木材：密度小于0.5g/cm3，端面硬度低于5000N/cm2中等木材：密度0.5~0.8g/cm3，端面硬度5001~10000N/cm2重硬木材：密度大于0.8g/cm3，端面硬度高于10000N/cm2髓斑：树木生长过程中形成层受到昆虫损害后形成的愈合组织。4.4木材的微观结构（1）木材细胞的生成A、形成层原始细胞的分裂•形成层的两种原始细胞：纺锤形原始细胞：长轴沿树高方向，两端尖削，呈纺锤形，为木质部中纵行排列细胞的来源射线原始细胞：形小、聚集成射线状，为木质部中横行细胞的来源4.4木材的微观结构•形成层原始细胞的两种分裂类型：在弦向纵面的平周分裂，即原细胞一分为二，所形成的两个子细胞和原细胞等长，其中的一个仍留在形成层内生长成纺锤形原始细胞，另一个向外则生成为韧皮部细胞，向内则生成为木质部细胞。平周分裂使树干的直径增加；垂周分裂在径向两侧产生新的形成层原始细胞，以适应树干直径加大中形成层周长增加的需要。4.4木材的微观结构B、木材细胞的形成和胞壁增厚•木质部子细胞的形体扩大阶段木质部子细胞经由形成层原始细胞分生出后，即进入细胞形体的扩大阶段。细胞形体的扩大主要表现为细胞尺寸增大，一般为直径增加和长度伸长。细胞尺寸的纵向增长，主要是细胞延伸的结果。4.4木材的微观结构•木质部子细胞的胞壁增厚阶段形成层分生的木质部新细胞的胞壁很薄，新细胞在完成或接近完成形体增大后，还需要进入胞壁增厚的阶段。在这一阶段，木材的各种细胞均仍具生命机能，只是原生质逐渐转化成为胞壁物质并添加在细胞壁上。厚壁细胞的原生质全部转化成为细胞壁时，胞壁增厚阶段即告结束，同时也意味着单个细胞的生命活动停止。薄壁细胞在增厚阶段只有部分原生质转化成细胞壁，另一部分原生质在细胞位于边材范围的年份内尚保持生机；当边材转变成心材时，这部分原生质通过生理生化反应生成木材抽提成分。4.4木材的微观结构（2）木材细胞壁结构A、木材细胞壁的超微构造•细胞壁的物质组成纤维素以分子链聚集成排列有序的微纤丝束状态存在于细胞壁中，赋予木材抗拉强度，起着骨架作用，被称为细胞壁的骨架物质；半纤维素以无定形状态渗透在骨架物质之中，借以增加细胞壁的刚性，被称为基体物质；木质素在细胞分化的最后阶段形成，它渗透在细胞壁的骨架物质之中，可使细胞壁坚硬，被称为结壳物质或硬固物质。4.4木材的微观结构•基本纤丝、微纤丝和纤丝木材细胞壁的组织结构，是以纤维素作为“骨架”的。它的基本组成单位是一些长短不等的链状纤维素分子，这些纤维素分子链平行排列，有规则地聚集在一起称为基本纤丝（又称微团）。由基本纤丝组成一种丝状的微团系统称为微纤丝。由微纤丝的集合可以组成纤丝；纤丝再聚集形成粗纤丝；粗纤丝相互接合形成薄层；最后许多薄层聚集形成了细胞壁层。4.4木材的微观结构•结晶区和非结晶区在大分子链排列最致密的地方，分子链规则平行排列，定向良好，反映出一些晶体的特征，被称为纤维素的结晶区。在纤维素结晶区内，纤维素分子链平行排列，分子链与分子链间的结合力随着分子链间距离的缩小而增大。当纤维素分子链排列的致密程度减小、分子链间形成较大的间隙时，分子链与分子链彼此之间的结合力下降，纤维素分子链间排列的平行度下降，此类纤维素大分子链排列特征被称为纤维素非结晶区（有时也称作无定形区）。结晶区与非结晶区之间无明显的绝对界限，而是在纤维素分子链长度方向上呈连续的排列结构。4.4木材的微观结构B、木材细胞壁的壁层结构胞间层（ML）是细胞分裂以后，最