木材密度和水分

第六章木材密度和水分(TheDensityandWaterinWood)第一节木材密度(TheDensityinWood)一、木材密度的概念（concept）和种类（kind）（一）木材密度的概念（theconceptofwooddensity）木材密度（木材容积重或容重）：单位体积的木材质量。木材是一种多孔性材料，其组成成分如下：主要成分—细胞壁次要成分—抽提物、灰分木材空隙—胞壁内的微细空隙和细胞腔等粗大空隙水分—水蒸气和水)/(3cmg该物质的体积某一物质的质量密度水分重量次要成分主要成分木材重量对于给定的试件，主、次成分一定，但水分随周围环境而变。故木材的密度和比重应标明其体积测量时的木材含水率。木材的比重(specificgravity)—木材密度与同体积4℃水的密度之比。（二）木材密度的种类根据木材含水率的不同，木材密度可分为：1.生材密度（ρg）(greendensity)生材—刚伐倒的新鲜材。在实验室条件下，用水浸泡使木材达到形体不变，此时测得的体积即为生材体积。2.气干材密度（ρw）(air-drieddensity)气干材—长期贮存于大气中自然干燥的木材，)/(ρ3gcmg生材体积生材重量生材密度其含水率平均约为15%。3.全干材密度（ρo）(oven-drieddensity)全干材（绝干材）—当木材在温度103±2℃的烘箱内干燥到重量不变为止（即理论上含水率为零时）。4.基本密度（ρy）(basicdensity)基本密度—单位生材体积或含水最大体积时所含木材的实质重。通常:基本密度全干材密度气干材密度生材密度以上四种密度值，以基本密度和气干材密度为常用。基本密度用于比较不同树种的材性。)/(ρ3wcmg气干材体积气干材重量气干材密度)/(ρ3ocmg全干材体积全干材重量全干材密度)/(ρ3ycmg生材体积）试材水分饱和态体积（全干材重量基本密度由于各地区木材平衡含水率及气干程度的不同，不同树种间气干密度的比较，均应换算成含水率为12%时的值。式中：ρ12—含水率为12%时的气干材密度(g/cm3);ρw—含水率为w时的木材密度（g/cm3）；w—试样含水率（%）；k—试样体积干缩系数。二、木材密度的测定方法（testmethodofwooddensity）已知木材重量和体积，即可算出密度值。其中，重量易于求得，而精确地测定木材体积则较难，其测定方法有：（一）直接测量法对于尺寸较大和形体规则的试样，可直接测量试样的尺寸并计算其体积。)]12)(1(01.01[ρρw12wk（二）水银测容器法（apparatusfordeterminationofdensitybyimmersioninmercury）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。（详见115页）（三）排水法（releasewatermethod）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，需在试样入水前涂上石蜡薄层，防止试样吸水而影响精度。（具体过程详见116页图6—2）三、木材的实质密度和空隙度（densityofcellwallandporosity）（一）木材的实质密度(cellwalldensity)—指构成木材细胞壁物质的密度。木材细胞壁物质的主要成分为纤维素、半纤维素和木素，由于各树种细胞壁的主要成分比大致相同，所以各树种的实质密度非常接近。木材的实质密度范围：1.50~1.56g/cm3，常取为1.53g/cm3。实质密度的测定方法—流体介质置换法，即将木材研磨成粉末状，在比重瓶中用流体介质置换法测其体积，再用试样绝干重除以体积。置换的介质有：水、氦和苯。（二）木材的空隙度（空隙率）(porosityofwood)：分为体积空隙度和表面空隙度。1.体积空隙率（volumeporosity）（木材空隙度）—木材在绝干状态时其空隙体积占总体积的百分率。2.表面空隙度（surfaceporosity）—横切面上空隙面积占总面积的百分率。式中：C—木材空隙度（%）；ρo——木材绝干密度（g/cm3）；ρcw—木材实质密度（g/cm3）。当取ρcw=1.53g/cm3时，木材的密度越大，则其空隙度越小，二者呈负相关。)1(100cwoC)6356.01(100oC四、木材密度的变异及水分对它的影响（一）木材密度的变异（variationofwooddensity）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：0.93g/cm3；巴塞木密度较小：0.12g/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：①针叶材：髓心最小，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。②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。∵∴∵∴第二节木材和水分（woodandwater）木材是树木有机体的组成部分。树木生长的全部生命活动及其有机组成，都与水分有着密不可分的关系。同时，树木伐倒后，木材作为一种原材料，其所含的水分对木材加工工艺及利用都是一种潜在的不利因子。如果处理不当，便会大大降低木材乃至木制品的使用价值；再则，木材的物理性质、力学性质又极大地受到木材内所含水分的影响。人们早就关注和重视木材与水分关系的研究，现代木材处理技术或理论研究，均在一定程度上与水分有关。一、木材中的水分（waterinwood）研究木材与水分的关系，必须先了解木材中水分存在的状态、它的分布规律以及木材中水分的测定方法和计算。这是研究木材与水分关系的基础和起点。（一）木材中水分存在的状态（conditionofwaterinwood）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，不丧失几何形状，但尺寸发生有限变化，如木材。2.木材中水分存在的状态（conditionofwaterinwood）根据水分与木材结合形式和存在位置，可分为化学水、自由水和吸着水三种。（1）化学水(chemicallycombinedwater)—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(freewater)—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：60~70%至200~250%。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(boundwater)—由吸附水和微毛细管水两部分组成。①吸附水（adsorbedwater）—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。②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。（二）木材的含水率及其测定（moisturecontentofwoodanddetermination）1.木材含水率(moisturecontentofwoodorM.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）(absolutemoisturecontent)—水分重量占绝干材重量的百分数。（2）相对含水率（W1）(relativemoisturecontent)—水分重量占湿材重量的百分数。式中：m1—湿材重量（g）；m0—绝干材重量（g）。%100001mmmW%1001011mmmW（3）W和W1的应用范围及相互转换W—广泛地应用于木材科学和工业生产中。优点是分母为一定值，水分的变化与含水率的变化呈比例关系，比较好计算。W1—应用于基础性研究中，特点是分母随水分变化而变化，不宜于相互间的比较。W和W1之间的转换：2.木材含水率的测定方法（1）烘干法（炉干法）(oven-dryingmethod)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2×2×2cm）。方法：试样锯解后立即称重，然后置于103±2℃的烘箱内烘至恒重（重量不在改变为止）。111001001001001（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）纤维饱和点含水率纤维饱和点：(fibersaturationpointorF.S.P.)木材内自由水蒸发殆尽而吸着水仍处于饱和状态时的木材含水率。（W=30%）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。纤维饱和点的测定：材性变化临界点法，即根据某一性质指标如尺寸测定、强度试验及电性质等与含水率变化的关系，测出试样在不同含水率条件下的数值并绘制二维图象，其曲线和直线部分的转折点含水率即为该种木材的纤维饱和点。二、木材吸湿性(hygroscopicityofwood)（一）木材的吸湿机理(woodhygroscopicitymechanism)木材吸湿性—木材由空气中吸收水分或蒸发水分的性能。吸湿机理：(hygroscopicitymechanism)（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