木質(zhì)資源材料學

邊材：在木質(zhì)部中，靠近樹皮（通常顏色較淺）的外環(huán)部分，在立木時含水率較高，具有生理功能的木材。心材：是指髓心與邊材之間（通常顏色較深）的木質(zhì)部，在立木時含水率較低，已不具有生理功能的，由邊材轉(zhuǎn)變而來，是一個非常復雜的生物化學的過程。早材：在一個生長輪內(nèi)，靠近髓心一側(cè)，材質(zhì)較松軟，材色淺的木材晚材：在一個生長輪內(nèi)，靠近樹皮一側(cè)，材色深，組織較致密的木材在一個生長季節(jié)內(nèi)由早材和晚材共同組成的一輪同心生長層，即為生長輪或年輪。導管是絕大多數(shù)闊葉樹材所具有的中空狀軸向輸導組織，在橫切面上可以看到大小不等的孔眼，稱為管孔。紋孔是指木材細胞壁加厚產(chǎn)生次生壁時，初生壁上未被增厚的部分，即次生壁上的凹陷，在立木中，它是相鄰細胞間的水分和養(yǎng)分的通道。螺紋加厚：在次生壁內(nèi)表面上，由微纖絲局部聚集而形成的屋脊狀突起，呈螺旋狀環(huán)繞著細胞內(nèi)壁，這種加厚組織稱為螺紋加厚。通常呈S型。螺紋裂隙：針葉材的應壓木的主要特征，是壁上的裂隙，延至復合胞間層，會削弱細胞的強度，與水平線夾角大于45°。導管是由一連串的軸向細胞形成無一定長度的管狀組織，構(gòu)成導管的單個細胞稱為導管分子。導管專司輸導作用。兩個導管分子縱向相連時，其端壁相通的孔隙稱為穿孔。生材密度=生材質(zhì)量/生材體積氣干密度=氣干材質(zhì)量/氣干材體積絕干密度=絕干材質(zhì)量/絕干材體積基本密度=絕干材質(zhì)量/生材體積最常用的是氣干密度和基本密度，在運輸和建筑上，一般采用生材密度，在比較不同樹種的材性時，使用基本密度。平衡含水率，即木材在平衡狀態(tài)時含水率。它會隨著溫度的升高而降低。解吸：當木材中的壓力大于大氣壓時，木材中水分向空氣中蒸發(fā)的過程。吸著：當木材中的壓力低于大氣壓時，木材吸收空氣中的水分過程。滯后現(xiàn)象：在相同的溫濕度條件下，由吸著過程達到的木材的平衡含水率低于由解吸過程達到的平衡含水率的現(xiàn)象。吸著達到的平衡含水率與解吸達到的平衡含水率之間的比值稱為滯后率。強度：是抵抗外部機械力破壞的能力硬度：是抵抗其他剛性物體壓力的能力剛性：是抵抗外部機械力造成尺寸和形狀變化的能力韌性：是木材吸收能量和抵抗反復沖擊載荷；或抵抗超過比例極限的短期應力塑性：當施加于木材的應力在其彈性限度以內(nèi)時，去除外力后變形將回復原尺寸；當應力超過木材的彈性限度時，去除外力后，木材仍會殘留一個當前不能恢復的變形，將這個變形稱為塑性變形。木材所表現(xiàn)出的這一性質(zhì)稱為塑性。木材同時體現(xiàn)彈性固體和黏性流體的綜合特性稱作黏彈性。蠕變和松弛是黏彈性的主要內(nèi)容。蠕變：在恒定應力下，木材應變隨時間的延長而逐漸增大的現(xiàn)象。松弛：在恒定應變下，木材應力隨時間的延長而逐漸減少的現(xiàn)象。結(jié)晶區(qū)：在纖維素大分子鏈排列最致密的地方，分子鏈規(guī)則平行排列，定向良好，反映出一些晶體的特征的地方。非結(jié)晶區(qū)（無定形區(qū)）：纖維素分子鏈排列松散、雜亂無章，不構(gòu)成結(jié)晶格子，分子間距離較大。木射線：在木材橫切面上，有許多顏色較淺，從髓心向樹皮方向呈輻射狀排列的組織。在橫切面上木射線呈淺色輻射狀細線從髓心達樹皮，顯示其側(cè)面寬度和長度；在徑切面上帶光澤橫列的斑紋或短帶，顯示其長度和高度；在弦切面上呈短線或紡錘形狀，顯示其寬度和高度。在闊葉樹材中，根據(jù)射線薄壁細胞類別及組合，可分為同型木射線和異型木射線兩類：（1）同型木射線：射線組織全部由橫臥細胞組成的木射線（2）異型木射線：射線組織全部或部分由方形或直立細胞組成的木射線。在針葉樹材中，根據(jù)木射線的構(gòu)成，分為同胞木射線和異胞木射線兩類：（1）同胞木射線：針葉樹材中，由射線薄壁細胞構(gòu)成的木射線（2）異胞木射線：針葉樹材中，由射線薄壁細胞和射線管胞構(gòu)成的木射線樹脂道：貯藏樹脂的胞間道，在針葉樹材中，由泌脂細胞圍繞而成的長形細胞間隙。在橫切面上呈淺色針狀的小點，有軸向樹脂道和徑向樹脂道。軸向樹脂道在木材橫切面上常星散分布于早晚材交界處或晚材帶中，在縱切面上呈各種不同長度的深色小溝槽。徑向樹脂道存在于紡錘狀木射線中，非常細小。具有正常樹脂道的針葉樹材主要有松屬、落葉松屬、云杉屬、黃山屬、銀山屬、及油杉屬。按照此順序，樹脂道數(shù)量從多到少，少到油杉屬只有軸向樹脂道，分泌能力從強到弱。軸向管胞：廣義軸向管胞是針葉材中沿樹干主軸方向排列的狹長狀厚壁細胞。它包括狹義軸向管胞（簡稱管胞，即通常的軸向管胞，90%以上）、樹脂管胞（含有樹脂）和索狀管胞（在樹脂道旁邊起固定作用）三類。后兩者具有樹脂道的針葉材才有。軸向管胞是針葉材中軸向排列的厚壁細胞，兩端封閉（閉管細胞），內(nèi)部中空，細而長，薄壁上還具有紋孔（具緣紋孔），同時其輸導水分和機械支撐的作用，是決定針葉材材性的主要因素。井字區(qū)：在針葉材中，在徑切面由射線薄壁細胞和早材軸向管胞相交叉的區(qū)域。木材細胞壁主要由纖維素（骨架作用，骨架物質(zhì)）、半纖維素（增加剛性，基體物質(zhì)）、木質(zhì)素（使細胞壁堅硬，結(jié)殼物質(zhì)或硬固物質(zhì)）三種成分構(gòu)成。木材細胞壁這三種成分的物理作用特征，細胞壁被稱為鋼筋混泥土建筑。纖維素的氫鍵：纖維素鏈上的主要功能基羥基（一OH基）之間或一OH基與O—、N—和S一基團能夠形成聯(lián)結(jié)，即氫鍵。纖維素大分子鏈之間氫鍵形成的條件：1、羥基存在是先決條件2、相鄰大分子中的羥基距離＜=0..3nm產(chǎn)生氫鍵：木材結(jié)構(gòu)1樹木來自種子植物，可以分為兩大類:木本裸子植物（針葉樹材，無孔材，軟材）;木本雙子葉被子植物（闊葉樹材，有孔材，硬材）2樹木的生長樹木的生長是初生長（頂端生長、高生長）和次生長（直徑生長）共同作用的結(jié)果。高生長是根和莖主軸生長點的分生活動，即頂端分生組織或原分生組織的分生活動的結(jié)果。直徑生長是形成層細胞分裂的結(jié)果，形成層原始細胞向外形成次生韌皮部，向內(nèi)形成次生木質(zhì)部?！副砥ぴ砥ろ敹朔稚M織皮層原——皮層r初生韌皮部廠次生韌皮部（高生長））「初生維管束J維管束形成層-I中柱原——中柱1（直徑生長）L次生木質(zhì)部I髓'初生木質(zhì)部經(jīng)過次生長后樹木的結(jié)構(gòu)：表皮一皮層一初生韌皮部一次生韌皮部一維管束形成層一次生木質(zhì)部一初生木質(zhì)部一髓3形成層原始細胞的種類：1.紡錘形原始細胞分生韌皮部和木質(zhì)部的軸向細胞；2?射線原始細胞分生韌皮部和木質(zhì)部的射線細胞。4闊葉管孔的排列（在橫切面上）及分布：

管孔的排列用于對散孔材的整個生長輪、環(huán)孔材晚材部分的特征進行描述。管孔排列的類型有星散狀，徑列或斜列，弦列。管孔的大小及分布：根據(jù)管孔在橫切面上一個生長輪內(nèi)的分布和大小情況，分為以下6種類型：散孔材：在一個生長輪內(nèi)早晚材管孔的大小沒有明顯的區(qū)別，分布也較均勻，早晚材區(qū)別不明顯的樹種。如：軟莢紅豆，鵝掌楸。半散孔材（半環(huán)孔材）：早材管孔比晚材管孔稍大，從早材到晚材的管孔逐漸變小，管孔大小界線不明顯。如：香樟、烏柏環(huán)孔材：在一個生長輪內(nèi)，早材管孔比晚材管孔大得多，并沿生長輪呈環(huán)狀排成一至數(shù)列。根據(jù)管孔的排列方式可分為：1.星散狀：檫木，苦楝；2.榆木狀：榔榆；3.火焰狀：米錐輻射孔材：早晚材管孔大小無顯著差別，呈徑向輻射狀，穿過一個或數(shù)個年輪。如：黃櫧、擬赤楊切線孔材：在一個年輪內(nèi)全部管孔呈數(shù)列切線狀，并在寬射線間向樹心凸起。如：銀樺交叉孔材（花樣孔材）：管孔在一個生長輪范圍內(nèi)有規(guī)律呈交叉狀排列。1.5闊葉樹材軸向薄壁組織分類（宏觀，微觀）：軸向薄壁組織的排列：根據(jù)在橫切面上，軸向薄壁組織與導管連生情況，將其分為離管型軸向薄壁組織和傍管型軸向薄壁組織兩大類。（1）離管型軸向薄壁組織：指軸向薄壁組織不依附于導管周圍，其排列方式有宏觀：1.切線狀；2.網(wǎng)狀；3.離管帶狀；4.輪界狀；微觀：1.切線狀；2.網(wǎng)狀；3.離管帶狀；4.輪界狀：輪始狀、輪末狀；5.星散狀；6.梯狀（2）傍管型軸向薄壁組織：指排列在導管周圍，將導管的一部分或全部圍住，并且沿發(fā)達的一側(cè)展開的軸向薄壁組織，其排列方式有：宏觀：1.環(huán)管束狀；2.翼狀；3.聚翼狀；4.寬帶狀微觀：1.環(huán)管束狀；2.翼狀；3.聚翼狀；4.寬帶狀；5.帽狀（單側(cè)傍管）；6.稀疏狀1.6樹木從小到大的結(jié)構(gòu)單元7000—15000個約40根2—4根木素D-葡萄糖基?纖維素分子鏈基本纖絲微纖絲一（壁的基本組成單位）（寬約3.5—5.0nm,（寬約10—30nm）壁的最小單位）及半纖維素和細胞腔相同纖絲粗纖絲?薄層細胞壁層?細胞存于其間空隙（寬0.4一1um）存于其間空隙（寬0.4一1um）和樹根——?組?器官——?組?器官?樹樹冠1.7闊葉樹材組成細胞「軸向厚壁廠軸向細胞Y闊葉樹材組偵軸向薄壁成細胞Y—-—r橫向厚壁j橫向細胞i橫向薄壁導管木纖維—?闊葉材管胞韌型纖維纖維狀管胞環(huán)管管胞導管狀管胞1.8針葉樹材組成細胞軸向薄壁細胞1.8針葉樹材組成細胞軸向薄壁細胞軸向樹脂道泌脂細胞*射線管胞射線薄壁細胞橫向樹脂道泌脂細胞軸向管胞索狀管胞樹脂管胞1.1木材化學成分，有細胞壁物質(zhì)和非細胞壁物質(zhì)之分或稱為主要化學成分和少量化學成分無機物（灰分）少量組分有機物（芳香族、萜烯及萜烯類、脂肪族化合物）木材纖維素（水解單糖一D-葡萄糖）（骨架結(jié)構(gòu)）碳水化合物半纖維素（水解單糖一D-葡萄糖、D-半乳糖主要組分D-甘露糖、D-木糖、L-阿拉伯糖）（填空物質(zhì)）木質(zhì)素（結(jié)殼物質(zhì)）1.2纖維素：它是由D-葡萄糖基構(gòu)成的直鏈狀高分子化合物，有還原性。纖維素的化學結(jié)構(gòu)是1,4-B-D-毗喃式失水聚葡萄糖組成纖維素的化學結(jié)構(gòu)特點：1、葡萄糖基的連接為1,4-p-甙鍵連接2、單元是D-葡萄糖基，相鄰的葡萄糖基旋轉(zhuǎn)180°，纖維素鏈的重復單元是纖維素二糖基。3、葡萄糖基包含三個醇羥基，分別位于2、3、6三個C原子上，C2、C3的羥基為仲醇羥基，C6的羥基為伯醇羥基。4、C1位置具有隱性醛基，顯還原性，具有極性和方向性。5、葡萄糖基為氧環(huán)式結(jié)構(gòu)（椅式的環(huán)式結(jié)構(gòu)）。纖維素為環(huán)式此喃型，由D-葡萄糖基在1—4位置，以8-甙鍵連接而成鏈狀高分子化合物。1.3半纖維素：半纖維素是兩種或兩種以上單糖組成的不均一聚糖，分子量較低，聚合度小，大多帶有支鏈。一般針葉樹材中纖維素和半纖維素的含量低于闊葉樹材的，但木質(zhì)素的含量卻相反。凡能水解分離出木糖、半乳糖等植物細胞壁部分（1）闊葉樹材的半纖維素，高聚糖主要有兩種：木糖和葡甘聚糖，約占20-35%。（2）針葉樹材的半纖維素，高聚糖主要為：①半乳糖基葡萄糖基甘露聚糖。②阿拉伯糖基-4-氧-甲基-葡萄糖醛酸基木聚糖，前者約占15-35%，后者約占5-10%。1.4木質(zhì)素：是由苯基丙烷結(jié)構(gòu)單元通過醚鍵和碳-碳鍵聯(lián)接而成、具有三維結(jié)構(gòu)的芳香族高分子化合物。木質(zhì)素的化學結(jié)構(gòu)是苯丙烷類結(jié)構(gòu)單元組成的復雜多酚類高聚物，含有多種活性官能團，木質(zhì)素分為闊葉樹木質(zhì)素、針葉樹木質(zhì)素、草類木質(zhì)素，在木本植物中，木質(zhì)素含量為20%—35%，草本植物中為15%—20%。木質(zhì)素是一個三維網(wǎng)狀的聚酚化合物，它的結(jié)構(gòu)是一種物質(zhì)的結(jié)構(gòu)模型，是按測定結(jié)果平均出來的假定分子結(jié)構(gòu)，這些測定包括：元素組成、結(jié)構(gòu)單元和比例、官能團、連接方式，從而推得結(jié)構(gòu)模型。（1）木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)單元：苯丙烷作為木質(zhì)素的主體結(jié)構(gòu)單元，苯基丙烷單元分成三類：愈瘡木基丙烷（G）、紫丁香基丙烷（S）和對羥基丙烷（H）。針葉樹木質(zhì)素一愈創(chuàng)木基結(jié)構(gòu)為主、紫丁香基結(jié)構(gòu)單元和對羥苯基結(jié)構(gòu)單元極少。闊葉樹木質(zhì)素以愈創(chuàng)木基結(jié)構(gòu)單元和紫丁香基結(jié)構(gòu)單元為主，含有少量的對羥苯基結(jié)構(gòu)單元，草類木質(zhì)素與闊葉樹木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)單元組成相似。結(jié)構(gòu)單元之間的連接方式主要是醚鍵，約占2/3—3/4，碳鍵約占1/4—1/3。（2）官能團甲氧基：闊葉樹木質(zhì)素中的甲氧基含量高于針葉樹，因為闊葉樹木質(zhì)素是以愈創(chuàng)木基結(jié)構(gòu)單元和紫丁香基結(jié)構(gòu)單元為主。羥基：以醇羥基和酚羥基存在，直接影響木質(zhì)素的化學和物理性質(zhì)。羰基、羧基：（一般認為木質(zhì)素中是不存在羧基的，但在磨木木質(zhì)素中存在0.01-0.02/GCH3O）（3）木質(zhì)素與糖類連接：木質(zhì)素的部分結(jié)構(gòu)單元與半纖維素中的某些糖基通過化學鍵連接在一起，形成木質(zhì)素-糖類復合物，稱為LCC復合體。木材物理性質(zhì)：1.木材中水分存在的狀態(tài)物理水（自由水和結(jié)合水）、化合水自由水（可氣態(tài)可液態(tài)存在）：以游離水狀態(tài)存在于木材細胞腔、細胞間隙、紋孔腔等大毛細管系統(tǒng)空隙，與液態(tài)水性質(zhì)接近。結(jié)合水：存在于細胞壁纖絲等微（瞬間）毛細管系統(tǒng)中，與細胞壁無定形區(qū)（由纖維素非結(jié)晶區(qū)、半纖維素和木質(zhì)素組成）、結(jié)晶區(qū)的表面中的羥基形成氫鍵和分子引力相結(jié)合。纖維飽和點：假設把生材放在常溫相對濕度為100%的環(huán)境中，細胞腔中的自由水慢慢蒸發(fā)，當細胞腔中沒有自由水，而細胞壁中結(jié)合水的量處于飽和狀態(tài)，這時的狀態(tài)稱為纖維飽和點。它因樹種、溫度、測定方法不同而有差異。溫度越高，空氣越干燥，纖維飽和點的含水率下降。纖維飽和點是一個臨界狀態(tài)，是材性變化的轉(zhuǎn)折點，因為：一般自由水的量對木材的物理性質(zhì)（除質(zhì)量外）的影響不大，而結(jié)合水含量的多少對木材的各項物理力學性質(zhì)都有極大的影響，在體積、強度、導電性方面有影響。木材干縮濕脹的成因（理解）：木材具有干縮濕脹性是因為木材在失水或吸濕時，木材內(nèi)所含水分向外蒸發(fā)，或干木材從空氣中吸收水分，是細胞壁內(nèi)非結(jié)晶區(qū)的相鄰纖絲間、微纖絲間和微晶間水層變?。ɑ蛳В┒繑n或變厚而伸展，從而導致細胞壁乃至整個木材尺寸和體積發(fā)生變化。木材干縮濕脹的各向異性木材縱向干縮濕脹遠小于橫向干縮濕脹原因：⑴細胞壁微纖絲是由平行排列的大分子鏈所組成的，大分子鏈長度方向可移動的距離是大分子鏈橫向之間的0.2%—0.05%，纖絲間距離的變化主要表現(xiàn)在橫向。⑵S2層微纖絲的排列與細胞主軸成10°—30°，幾乎相平行，干縮濕脹時表現(xiàn)在縱向的量：aSina，表現(xiàn)在橫向的量為aCosa,且Sina<<Cosa木材徑向干縮濕脹小于弦向干縮濕脹原因：⑴木射線對徑向收縮的抑制；⑵早晚材差異的影響；⑶徑向壁和弦向壁中的木質(zhì)素含量差別的影響；⑷徑壁、弦壁紋孔數(shù)量的影響木材力學性質(zhì)：影響木材力學性質(zhì)的主要因素，如何影響：①木材密度的影響木材密度是決定木材強度和剛度的物質(zhì)基礎(chǔ)。木材強度與木材密度兩者存在著下列指數(shù)關(guān)系方程：O=KPw。木材強度與密度之比稱為木材的品質(zhì)系數(shù)，是木材品質(zhì)優(yōu)劣的標志之一。通常，密度增大時，木材強度和剛性都隨之增大；木材的彈性模量呈線性增大；木材的韌性也成比例地增大。含水率的影響含水率在纖維飽和點以下，木材強度隨著木材水分的減少而急劇增高，隨著水分的升高而降低；含水率高于纖維飽和點，自由水含量增加，其強度值不再減小，基本保持恒定。木材在吸著水范圍內(nèi)，含水率每改變1%時的強度變化百分率稱為含水率的調(diào)整系數(shù)，用a表示。a值越大，說明含水率對該強度性質(zhì)的影響也越大，反之則小。溫度的影響一般情況下，室溫范圍內(nèi)，影響較小，高溫和極端低溫