木材性质改良之方法

1、木材改良蔡佺廷国立嘉义大学林产科学系副教授I.绪论（I）木材之优点及缺点木材由于具有许多的优点，而且能满足人类在视觉上、生活上、心理上及触觉上一种舒 适感与温暖感，因此乃为建筑家俱、交通工具及各种结构物质之重要原料之一。然其组织构 造复杂，属天然高分子之化合物，而且材料本身并非均质，故乃具有些许的缺点，尤以组织 分子差异悬殊之阔叶树材更为明显。于此分述木材之优点与缺点如下：1. 优点（1）同一重量之材料相比较时，木材较为强韧而坚硬。木材最大之特点是纵向引张和压缩强度非常大。在同一重量之全部材料而言，木 材为最强而且为最硬之材料。木材和金属类的比重强度比强度（强度除以比重之值）如下表所示：材料比

2、重抗张强度2(kgf/cm )抗压强度-2(kgf/cm )比强度（kgf/cm2）抗张强度/比重抗压强度/ 比重红桧0.4072047018001180木松0.539004251698802材山毛榉0.637305001160790桦木0.67138070020601450软钢7.8655004500700573硬钢7.85820055001045700铸铁（普通）7.1012004800169676铸铁（咼级品）7.10250085003521197花岗岩2.6585170032642浮岩0.785303.838.5混凝土（普通构造用）2.305201502506.58.765.287由上

3、表数据显示，木材是适于制作木制飞机、车辆、造船、建筑及构造材料等使用。抗弯强度和弹性佳，对冲击、振动、音响之吸收强。木材并非致密而均一之材料，且存在着许多同心圆状之年轮和细胞孔隙， 故在力 学性质上具有优良之抗弯强度与弹性，且对冲击、振动、音响等之吸收性亦大，故木材亦可用于运动器具及把手使用。机械性和手工性之加工容易。只要利用简单之机械、工具及少量之劳力，便可锯成希望之形状且可刨削、涂装、 胶合或穿孔。涂料之附着性佳，胶合性亦佳。因木材系多孔性之构造，所以对涂料附着性较佳，不像石材或金属等无孔质表面 之涂装那样容易脱落。又因胶合剂会浸渍其纤维，故胶合亦较无孔物质为良好。 热传导率较低，比热高，

4、保温性高。各种材料之热传导率与木材热传导率之比较值如下表所示：材料热传导率各种材料与木材之cal/cm. secC热传导之比较值银1.0063353.3铜0.9213066.6铁0.161533.3混凝土0.002217.3炼瓦0.001515.0玻璃0.00241 8.0石绵0.00061 2.0弹性橡胶0.000451.5木棉0.000551.8云杉（纵向）0.00031 1.0云杉（横向）0.000090.3水0.001414.7空气0.000057I0.19注:a.b.质量1g之物质当温度增高1C所须之热量，称之为该物质之比热，其单位 为Cal/gC。绝干木材在0100C之范围内，其平

5、均比热为 0.324 Cal/gC。 温度与比热（c）之间的关系式如下：c = 0.266 + 0.00116 t （Cal/g C）比热随含水率之增大而加大，% 0.42, % 0.66材料 温度（C） 比热（cal©C）钢00.119混凝土室温约 0.200Polyethyli ne200.533木材200.298c.热传导率是以单位厚度之板的两面之温度差为 内流过之热量加以表示，其单位为Cal/cm.即可换算成工业单位（Kcal/m . h.C） 木材之热传导率系数较其它构造材料（如石材、C时，板之单面单位时间sec.C，若乘上 0.36 x 103混凝土、金属）等小，其比热又

6、高，因此不太容易被加热或冷却，此乃是由于细胞腔或细胞间隙形成一种空气层所造成的。木材之纵向较横向易于传热(约 23 倍)。 水之传导系数约为木材之 5 倍。 含水率增加则木材之热传导系数增加，保温价值降低。 木材之比重越小，热传导系数亦越小。(6) 为优良之绝缘体。干燥木材系电之不良导体， 对于低压之电流可将之当成一种不良导体， 生材之电阻为104Q. cm、气干材则具有108Q. cm、而绝干木材则具有1018Q. cm之电 阻。(7) 能调节湿气。 木材对大气之湿度具吸、脱湿之效果，且与外界保持平衡状态。例如：全壁面为 木材装潢之住宅日温差( T)为813.9C、湿度差(厶H)为26% R

7、.H.。44%为合板+ 56% Vinyl sheetA T: 7.8175C、A H : 9.615.6% R.H.。100% Vinyl sheet T: 18.1C、A H : 51.6% R.H.。环境中之温、湿度变化对人体生理上之新陈代谢、体温和生理调节有密切关系。 体温是依摄取食物与氧气之结果所产生之热量，不断放热而维持一定。放热中 7075%为辐射传导和对流， 2025%需藉流汗为主之水分蒸发而达到，且希望 维持一定比率。若高温高湿或低温低湿， 则不能保持流汗以达到调节体温之效果。(8) 不会发生结露。一般湿度太高状态下， 室温降低而发生结露。 但木材不易发生结露， 其可使温度

8、不会急骤变化， 并具有吸湿性， 因此不易与露相连结。 况且邻接之材料一旦发生 结露现象时，亦会将该露吸收，不断保持安定作用。(9) 对热之性质安定。加热亦不会使强度急速变化， 金属材料在火灾之际会发生软化， 而使强度趋近于 零。但木材在高温度下，强度不会降低太多，尤其大径木或大断面之场合，在燃 烧之时其表面附近会形成炭化层，此炭化层有隔热作用，故燃烧不会到达内部， 因此反而较为安全。(10) 可减弱音响之作用(即降音作用)木材之吸音型态可分为多孔性质、 板振动型和复合型等三种。 且吸音性随板之厚 度增加而略增，但随含水率提高而减少。吸音(Sound absorption :木材内部由于各种形式

9、的摩擦与振动，将音能(Soundenergy)转变为热能而趋散之性质(此热量极微)。隔音(Sou nd proofi ng)：音能穿透材料而散逸的性质，亦音频之透过损失(Transmission los® 效应。(11) 钉着性佳，为良好之钉着材料。因木材之细胞构成其孔隙和弹性，故钉着器具之钉著作用较为容易。(12) 外表美观，调和生活环境，而且具有特殊气味。木材之纹理、色泽、亲和力等予人良好之视觉和触觉。2. 缺点(1) 容易燃烧木材加热至260°C时会迅速发生热分解，而产生一氧化碳、氢、甲烷等容易燃烧 之气体，当接近火口时便会发生燃烧，另外温度上升至350C以上时，则不

10、必接近火口也会自然发火。故木材加工时，防火性质亦为重要改良目标。(2) 容易腐朽木材之主要成分为纤维素、 半纤维素和木质素， 均为木材腐朽菌喜好分解之物质。 一般菌类生存之适当条件如下：a. 温度-2035Cb. R.H.为90%以上(木材之 M.C.为3540%)c. 空气 -氧气占木材体积之 20以上d. 空间上述四种条件中任一条件不能满足时，菌类发育均会受阻。其中R.H.最为重要。立木之心材常腐朽(心腐、莲根腐)，而边材反而可避免，此乃因心材之含水率 适于菌类之发育，但边材有过剩之水分(%以上)，所以于水中贮木亦可 预防腐朽。(3) 容易发生异常变形 木材制品在制作完成后，常因含水率之变

11、化而产生变形(尺寸安定性不稳定)， 如木制品之干燥收缩会造成开裂；门、窗之吸湿而不易开关。(4) 不均质性木材为一种天然物质， 生长期间会受外界因子之影响， 同一数种亦因生长条件之 不同而发生材质之差异， 同一棵树木亦因部位之不同、 年轮倾斜角度的不同， 其 强度会发生变化。如：松木之抗压强度为 300860 kgf/cm2云杉之抗压强度为 152620 kgf/cm2 改善不均质性之缺点的分法：合板、积层材、粒片板、纤维板等改良木材。(5) 异方向性( Anisotropic ) 木材之组织在纵向结合很紧密，横向则较弱，因此造成沿着纵向(木理方向、纤 维方向) 木材较易被剥开。 又因弦向和径

12、向有木质线组织存在之故， 而会引起方 向性。木材对纵向、径向和弦向等三个基准方向， 其物理性质会有很显著之差异。纵向与横向之强度比较：a.纵向压缩强度约为横向之1020 倍b.纵向引张强度约为横向之1045 倍c.横向抗弯强度约为纵向之715倍。d.纵向剪断强度约为横向之1/3。(6) 木材本身存在之缺点(瑕疵)木材本身存在有节、被压、引张、螺旋木理、腐朽、割裂、虫孔等缺点，此类缺 点会降低木材之强度及其它物理性质。而改良木材如层积材、集成材等之制造便是分散或减轻此类缺点之影响。(7) 强度之绝对值比较低 虽木材轻而具有强认之性质，即其比强度较高，是为良好之弹性体，但其强度、 弹性系数及刚性系

13、数之绝对值均较金属材料为低。故热处理压缩材、木金合板、 树脂浸压材、硬化积层材等材料即可改善此缺点。(n)木材之劣化木材长期暴露于大气中使用时，会发生劣化(Deteriorate n)现象，而减低其利用价值。 关于导致木材产生劣化之因子、种类颇多，兹分述如下：1. 微生物及昆虫劣化= > 防腐处理 木材是一种有机生物体，因此当受木材腐朽菌、霉菌类等之寄生时，将被当作营养 源而繁殖，进而引起腐朽之现象。同时亦会受昆虫，如蛀木虫、欚虫、海虫、白蚁 及天牛等之食害。而减低其实质重量，进而降低其强度性质，以致不能使用。2. 吸水、吸湿劣化 = > 尺寸安定处理 木材为非均匀质之纤维所组成，

14、由于具有吸水、吸湿之性能，而且具异方性，容易 造成木材因含水率变化而引起膨胀、收缩，使木材尺寸(形体)不安定，进而发生 反翘、变形或割裂等劣化现象。3. 人为之燃烧劣化 = > 防火处理由于木质材料之燃烧会 产生多量之热量(如 燃烧每克绝干木材， 可产生达 44005000Cal (4.45Kcal)，此热量对于木质结构房屋更会助长其燃烧火势，而 钢筋结构房屋，则由于木质材料所产生之热量，对铁骨之混凝土墙加热，会随温度 上升而使建筑物变形破坏。4. 天候劣化 = >耐候处理天候劣化主要是指风化(Weatherung)现象，即木材因受紫外线、风砂、雨水之打 击与热、湿气、氧气等之作用

15、综合而成的一种现象。如反复作用会在木材内部引起 物理及化学变化，结果导致木材组成份之改变，并使木材渐次发生脆弱、摩耗、变 形等等之现象，故风化是以日光之光解作用(Photodegradatior)与风、雨之磨损为 主。不仅是外表美观之影响，同时产生干裂、变形、翘曲等缺点，使木材之强度亦 随之减弱、 耐久性降低。 此种风化乃自木材表层附近先开始， 再渐次向其内部移动， 日射良好时移动速度越显著。5. 应化劣化 = > 强化处理 系起因于干燥应力，最主要有干燥初期所发生之端部割裂、表面割裂干燥后期所发 生之内部割裂等两种。另外，木材为非均质、异方性材料，各面之机械应力性质各 异且差异大，于利

16、用上易受机械力量之损伤所破坏。6. 木材老化指将木材置于无紫外光、 风雨等外在破坏因素之环境中， 木材本身亦会缓慢地变质， 材质会变脆硬，材色会变浓之现象。n.木材性质改良之方法木材改良乃利用物理或化学之方式或两者之组合方式，如藉化学药剂之注入、热和压力 或其组合、或木材之重组、复合方式加以处理，而赋予木材抗腐朽、抗虫、抗火、尺寸安定 等性质或增加其机械强度者称之。以上所述之木材改良方式只包括化学处理、温度处理及强化处理( Den sifiCation)，在处 理过程中，完全保留木材之原来状态。其与重新构成材( Reco nstituted wood )有所不同，后 者乃是将木材先以机械或化学

17、的方式加以破坏， 再藉加入或不加胶合剂重新组合成固体产品。 此类重新构成材包括集成材、层积材、合板、粒片板、纤维板及纸。(I )改良方向1. 尺寸安定性( Dimension stability)。2. 防火、防燃、防虫、防蚁、防腐及防霉等性能。3. 改变比重。4. 木材缺点之消除或分散。5. 改变木理结构。6. 改变木材化学性质。7. 改良材色。(n) 木材改良之方法( Methods of Wood Modification)1. 乙醯基化( Acetylation)试药：乙酐 Acetic anhydride；( CH3CO) 2O 吡啶 Pyridine；CH ( CHCH ) 2N

18、说明：以吡啶当接触剂， 而以乙酐在气态下当细胞膨润剂， 与木材中之氢氧基 (OH- group)形成醚键结合。效果：抗收缩效能(Anti-shrinkageefficiency ; ASE)将近 70%。2. 氨处理( Ammonia treatment)试药：气态氨(NH3)或液态氨说明：木材以 150psi 之压力，将液态或气态之氨(无水)注入，处理时间依试材之 厚度与含水率，自数分钟至数小时不定。效果：木材之安定效果提高，但处理后之木材颜色较深或具有条纹状。3. 树脂浸压材( Compreg) 试药：酚甲醛树脂( Phenolic-formaldehyde; 酚胶) 说明：木材或单板浸于

19、水溶性或酒精溶性之酚甲醛树脂中，然后干燥、加热、加压以进行聚合反应，并使木材细胞缩陷。效果：木材密度可达1.31.4g/cm3, ASE值可获95%，另外理学性质、耐腐力、 硬度及耐磨损力亦提高。4. 架桥反应( Crosslinking)试药：三聚甲醛 Para-formaldehyde; (HCHO )3、 2之 ZnCl说明：以ZnCI当接触剂，将木材沉浸于三聚甲醛溶液中，并加热至120C，维持20min。效果：重量提高 4， ASE 值达 85。5. 烯腈化( CyanoethyIation)试药：丙烯腈(Acrylonitrile ； ACN ； CH2 = CHCN )、5%之 N

20、aOH说明：以5%之NaOH及ACN溶液分别处理木材，加热至70100C，使ACN聚 合，在 ACN 含量 30%时 EMC 为 4.5%。效果：对菌类之腐蚀具有抵抗效果，但会降低木材之冲击、弯曲强度。6. 环氧乙烷( Ethylene oxide)试药：环氧乙烷( CH2OCH2) 、三甲胺 Trimethylamine; N(CH3) 3 说明：以二甲胺当接触剂，用环氧乙烷之气体经高压处理木材。效果：重量增加 11%时， ASE 值为 65%。7. 酚甲醛树脂浸渍材( Impreg) 试药：酚甲醛树脂( Phenol-formaldehyde) 说明：木材沉浸于酚甲醛树脂之水溶液或酒精溶液

21、中，干燥、加热聚合，使酚甲醛树脂填入细胞孔隙中。效果：酚甲醛树脂之填充量为 35%时， ASE 值可达 75%。8. 放射线照射材( Irradiated wood)试药：B或丫射线。说明：木材在106 rads之B或丫射线下照射，可提高木材之机械强度，并减低其吸 水性，但若超过此限则纤维素会降解，而导致机械强度锐减。效果：木质素对放射线之抵抗能力最强，少量之照射可抑制木材腐菌类之生长。9. 聚乙二醇处理( Treatment with polyethylene Glycol) 试药：聚乙二醇 Polyethylene Glycol (PEG) ; (CH2OHCH2OC) n 说明：将木材浸

22、于PEG之水溶液中，使之取代细胞壁之水分和填充至毛细管中。 效果： ASE 值为 98%。10. 接枝聚合( Branched polymerization )试药：B -propiolactone丙酮( Acetone； CH3COCH3)说明：B -propiolactone以丙酮稀释后，使木材沉浸其中再加热，使B -propiolactone在纤维素上接枝聚合。效果：接枝之聚酯侧链在膨润之细胞壁纤维素上。 增强木材之抗压强度、 抗腐朽力。11. 热处理木材( Staybwood； Heat-stabilized wood)说明：将木材加热至150300C(以热空气或沸水处理 )。12.

23、热处理压缩材( Staypak； Heat-stabilized Compressed wood)说明：木材加热至320T，再以4004000Psi之压力压缩木材。效果：能减少一般压缩材常有之严重回涨现象，且能使比重及强度提高。13. 木材、聚合体结合( Wood-Polymer combination) 试药：乙烯之单体，如：甲基丙烯酸甲酯( Methyl methacrylate; MMA ) 丙烯腈( Acrylonitrile ； ACN ； CH2 = CHCN) 苯乙烯( Styrene； C6H5CHCH2) 酚胶( Phenol-formaldehyde adhesive) 尿

24、素胶( Urea-formaldehyde adhesive) 说明：以加压注入方式使单体注入于木材间隙，并以加热触媒聚合方法使单体聚合 成高分子物质。效果：ASE值约3060%,但机械强度如硬度、压缩强度及抗弯强度改善甚多。皿木材尺寸安定效应及方法木质材料既经适当之干燥,并在有湿度调节之工厂中加工,而制成各种之产品,但此等 产品之组件(Parts)仍然可能发生收缩、膨胀，而导致干裂、反翘、砰裂及脱榫等现象，严 重影响到它的使用价值。因之,如何使材料尺寸安定,俾在各种大气湿度的变化下,犹能抵 抗收缩、膨胀，这在木材的利用上极为重要。(I) 木材尺寸安定化机构1. 处理原则 木材尺寸安定化处理的

25、原则是在保持木材原有优良性质的前提下，改变其吸湿和干 缩湿胀性能。木材的干缩湿胀是由于木材含水率的变化而引起的，它发生在纤维饱 和点以下， 其根源是纤维素非结晶区的游离羟基吸附空气中水分并与水分子形成氢 键结合。水分子的进入使木材各成分分子之间的距离增大，木材呈膨胀状态导致尺 寸不安定。此外，木材中的半纤维素、木质素及其它物质也能吸着水分子。比较而 言，半纤维素吸湿性最强，木质素次之，再次为纤维素。因此，尺寸安定化处理是 在不破坏木材细胞壁完整构造的前提下，着眼于改变其不良性质的一种处理手段， 它又可分两种处理方式：处理尽限于细胞壁内纤维素的非结晶区部分，细胞壁 未经处理尽是细胞腔内充填、沉积

26、某些化学药剂。2. 模型解析日本学者则元京提出一系列关于尺寸安定化处理木材的构造模型，如图1A、1B所示。图1尺寸安定化处理木材构造模型A- 木材细胞的横断面。A-1未经处理的木材细胞。A-2木材细胞壁未经处理， 而细胞腔被处理剂所包围A-3木材细胞壁未经处理， 细胞腔被处理剂充填。A-4只是细胞壁经处理。A-5不仅细胞壁经处理， 细胞腔亦被处理剂包围。A-6不仅细胞壁经处理，细胞 腔亦被处理剂充填。A :尺寸安定化处理细胞横断面图1尺寸安定化处理木材构造模型B :细胞壁非结晶区的纤维素分子链模型B -木材细胞壁非结晶区的纤维素分子链模型。B-I -未经处理情况。a：相邻的纤维素分子链；b:分

27、子链上具有活性的吸附点（羟基）；C:水分子进入并与 吸附点（b）间形成氢键，使原来b的羟基间氢键破坏，水分的吸附产生两种结果：使 分子间膨胀，体积增大，分子链 a向d的方向变化；分子链a之问的凝聚力降低。此 时若受外力作用，即对a产生剪断应力的话，分子链a会向e滑动。其宏观效果是：最初因水分进入而发生膨胀 d方向，随之引起e方向的机械吸附蠕变， 这两个基本现象发生于不同方向，相互间无关。上述模型是将非结晶区纤维素大分子由 于吸着水引起的变形以两维过程加以描述，实际情况要复杂得多吸附和局部应力之间存在三维的相互关系。B-2-O表示羟基，表示置换了羟基的官能团，它表示分子链a之间由于羟基被置换后在

28、干燥状态下形成的交链。B-3-表示分子链a之间由于羟基被置换，在膨胀状态下形成交链随后干燥。B-4-表示疏水性的大容积官能团（大黑点）置换羟基，分子链a之间距离增大并形成交链。B-5-表示亲水性的大容积官能团（大黑点带一个羟基O）置换羟基，分子链 a之间距进增大 并形成交链。B-6-表示疏水性大容积官能团（大黑点）置换羟基，分子链a之间距离增大。B-7-表示亲水性的大容积官能团（大黑点带一个羟基O）置换羟基，分子链a之间距离增大;水分子易于进入。B-8-表示亲水性大容积官能团（大黑点带二个羟基O）导入分子链之间，并不置换羟基，但 增大了分子键之间的距离;水分子易于进入。B-9-表示疏水性大容积

29、官能团（大黑点）导入分子链之间，不置换羟基，但增大了分子链之 间的距离。各种尺寸安定化处理方法，基本上可以用模型 A 和 B 的组合予说明。诸如：聚乙二醇（PEG）处理为A-2、5; B-8。乙醯化处理为 A-5; B-6。甲醛处理为 A-4; B-2、 3。马来酸处理为 A-4; B-4、 7。马来酸-甘油（MG）处理为A-5; B-5、7。热处理为 A-4; B-2。WPC 处理为 A-5、 6; B-6、 9。酚醛树脂处理为 A-5; B-4、 6、 9。异氰酸脂处理为 A-5; B-4。无机物复合处理（如：阻燃浸渍处理）为 A-5; B-8。 环氧乙烷加成处理为 A-4; B-7。3.

30、 处理机构为了改善木材的尺寸安定性，降低其吸湿性，可以采用减少具有吸附水分能力的吸 附点羟基，或使之失去吸附能力，如用疏水性分子包围吸附点区域，或部分地使 分子交链固定，应使细胞形成图 2 、 B-2 、 3 、 4 、 5 、 6 、 9 之构造是有效的。 代表性的处理实例有： B-2 、 3 的甲醛处理; B-4 的低聚酯处理， B-5 的 MG 处理： B-6 的乙醯化处理和 B-9 的 WPC 处理。此外，某些使用场合要求处理材具有一定的吸湿性能， 应使细胞形成图 2 的 B-8 的 构造，最典型的实例是 B-8的PEG处理。（n）尺寸安定性之评估数值1. 抗收缩（膨胀）效能（ Ant

31、i-Shrink （ Swelling ） Efficiency; ASE ）ASE = 100 ( ScSt ) / ScSc：未处理材之收缩膨胀率St:处理材之收缩膨胀率2. 抗吸湿率( Moisture-Excluding Efficiency; MEE )MEE = 100 ( McMt) / McMc :未处理材之吸湿率Mt :处理材之吸湿率3. 抗吸水效能( Reduction in watter absorptivity; RWA )RWA = 100 ( WcWt ) / WcWc :未处理材之吸水率Wt :处理材之吸水率4. 膨润效果( Bulking coefficient

32、; B )B = 100 ( VtVc) / VcVc :未处理材之绝干容积(cm3)Vt :处理材之绝干容积(cm3)5. 聚合体含量( Polymer retention, Polymer content, Polymer loading; PL)PL = 100 ( WtWc ) / WcWc :未处理材之绝干重量(g)Wt :处理材之绝干重量(g)PL = 100 ( l + B ) Dt Dc / DcDc :未处理材之密度Dt:处理材之密度6. 相对效率( Relative effectiveness; RE)RE = ASE / PL(III)尺寸安定化(Dimensional

33、stabilization)之方法 改善木材因收缩膨胀及异方向性，所引起的反张、翘曲、劈裂等缺点之方法甚多，分述 如下:1. 直交层积单板( Cross-laminating veneer) 利用单板纤维方向直交堆积胶合，藉以减少每层单板的横向收缩或膨胀，以达尺寸 的安定化，如:合板、粒片板、纤维板等。2. 利用外部或内部的抗水性涂装( Applying external or internal water resistant) 利用抗水性之涂料或防水剂，涂布于木材表面或藉浸渍渗透至木材内部，以隔绝木 材细胞壁与水分之接触，如:使用外部抗水性涂料的涂装及以天然树脂、腊或干性 油之引发性烃类防水

34、剂的内部涂装。3. 降低木材成分的吸湿性( Reduction the hydroscope of wood component)s(1) 取代木材亲水性之羟基，以降低吸湿性。 利用疏水性之醇或酸，取代木材组织内之极性羟基。a. 醚化(Etherification)Rw-OH+ ROH Rw-O-R+ H2Ob. 酯化(Esterification)Rw-OH+ RH Rw-R+ H2O(2) 破坏木材组织之亲水性羟基，以减少吸湿性。 在断绝空气(缺氧)下高温加热木材，使细胞壁上之亲水性羟基破坏，如：热安 定化(Heat stabilizati on)。4. 用化学方法使木材结构分子产生交链

35、(Chemically cross-li nki ng structural compo nents of the wood)例如以甲醛为交链剂，藉接触剂(Catalyst)加热，促使醛与木材结构分子单位间形 成化学交链作用，以减少吸湿性之甲醛交链法：HCell-OH+ HCHO Cell-O-C-O-Cell+ 出0IH5. 利用学药品膨润细胞壁(Bulking the cell walls of wood with chemicals)即以化学药品扩散充满细胞壁之空隙，以降低其吸湿、脱湿的缺点。其方法许多诸 如：(1) 盐类处理(Salt treatmen)(2) 糖类处理(Sugar t

36、reatment(3) 聚乙二醇处理(Polyethylene glycol treatment)(4) 腊处理(Wax treatment)(5) 酚树脂处理(Phe no lie resi n treatme nt(6) 乙烯单体处理(Vinyl monomer treatment)(7) 乙醯基化处理(Acetylation treatment)6. 强化木材(Dentified wood)通常藉注入强化(Den tifyi ng by impreg nation)与压缩强化(Den tifyi ng by compression，使木材增加硬度、强度并降低其吸湿性。诸如：(1) 硬化木

37、材(Metalized wood)(2) 可塑化木材(Plasticizing wood; Bending wood)(3) 树脂浸压材(Resin-treated compressed wood; Compreg(4) 热处理压缩材(Staypak; Heat-stabilized compressed woodIV聚乙二醇处理材(PEG treated wood)上一章所述的各种使尺寸安定之方法，均可不同程度地改变木材之尺寸安定性，但仍以 聚乙二醇处理之方法最具实用价值。因以聚乙二醇处理之木材，其抗收缩效能(ASE)可达6575甚至 80以上，而且若使用分子量低者，有完全取代细胞壁中水分子

38、之倾向，并减 少其收缩率近 100，显示吸收性能有良好之效果，可使木材形体安定，不发生收缩膨胀， 故干裂、开裂及翘曲等缺点极微。兹将此方法加少介绍之。(I)药剂聚乙二醇(PEG)为一系列乙二醇聚合物，乃由两个或更多的乙二醇去水，而以醚链 (Ether-li nkages)联结羟基(Hydrocarbon groups)，而活性羟基只存在于长链之两端，其通 式为：HO (CH2CH2O) nH或为HOCH2( CH2OCH2) nCH2OH。皆具高度之水溶性。而当其分子量为 600者，呈液状且能以任何比例溶于水。分子量为 1000 时，乃为固态，仍能高度溶于水。分子量到达 6000时，则为较硬主

39、固体，溶于水之数量有限。是以聚乙二醇为一高分子聚 合体，分子量不同其性质亦异。如最常使用之PEG-1000,在常温时以固体存在，为白色蜡状化学药品，其熔点为104T( 40C)，容易溶于温水中成透明水溶液，并可与水、酒精、有 机溶剂相混或相溶，无毒、无味、无腐蚀性、无色，而且还有很高之燃点约580 T (304C)(n)原理1. 欲了解木材的水分移动，需了解木材中的扩散趋势，据散系数对木材吸、脱湿间的 容积变化有很大的关系。木材中之水分扩散系数是细胞腔较细胞壁为大，含有空隙之木材，其扩散系数为10-610-4cm2/sec.,而细胞壁之扩散系数则为10-710-6cm2/sec， 此表示木材中

40、水分扩散是依赖通过细胞腔者为大部份。而经改良后之木材其细胞腔 充满高分子填充体，因而扩散系数势必会降低许久。2. 在木材吸湿或脱湿过程中之扩散作用，使PEG与水在细胞壁内外进行置换，并保持平衡，使细胞壁经常处于膨润状态，藉此保持木材尺寸之安定。3. 使用生材(Green wood)可很容易作PEG之处理，因为此一处理主要是靠扩散作用( Diffusion )，所以压力对处理过程并不适用，况且自外增加压力也不能增加其进 入之速率。大分子之PEG进入木材后，即取代木材细胞壁纤维之不定区中的水分， 而与木材纤维相结合不易脱离， 故适当处理之 PEG 木材，可永远保持其生材时之形 体而不致收缩、膨胀或

41、翘曲。4. PEG的作用并非保持木材中的水分不移动， 实际上PEG的吸湿性比木材强，能比木 材吸取更多的水分，因此它极易渗入生材中原为水分所占据的空隙内。 在25C温度、 相对湿度 65恒温恒湿系统下，其平衡含水率达 4465之间。虽然 PEG 溶液渗 入时会有超量的水分进木木材， 并使木材有少许超量的膨胀， 但当水分蒸发后， PEG 却仍残留在空隙中，因而可长久抑制木材之收缩膨胀，不受大气湿度影响，而能获 得最大的稳定性。一块经过适当处理的木材，纵使在湿气变化最坏的情况下，也能 免除 80的体积变化。5. 无论加不加热、浸渍时间之长短，木材对 PEG 之吸收量，会有类似水分梯度(Moistu

42、re gradie nt)之现象，即木材表层之吸收量最大而向中心部则逐渐递减。（川）影响因子利用化学药品处理加以改良其性质之木材， 即称为化学处理材（Chemically treated wood）, 其乃将药品注入木材中，并在细胞内腔作聚合反应或填充处理，而这些反应全部在药剂之渗 透后进行，所以药品吸收率之多寡，对其改良后之效果有明显的关系。影响药品渗透（Impregnation）之因子诸多，除了树木本身之组织构造、比重与细胞壁率之差异外，也牵涉 到药品的特性及渗透处理的方法。1. 就组织构造而言，针叶树之主成分为管胞，其直径与长度是依树种、树龄、立地环 境、树体部位之不同而差异。阔叶树材之

43、构成组织十分复杂，导管为其主要组成之 一，如导管没有填充体（Tylose）及树胶体存在，则为药品渗透的最佳管道。其导 管的分布、直径、数量、排列方式等，对渗透之能力也有相当的影响，但若含有填 充体及树胶等，则也会降低木材之输导能力及渗透性。此外早材、晚材及薄壁细胞 之组成比率与形态、化学成分沉积等也会影响。2. 就木材比重与细胞壁率而言，二者对于木材之扩散系数均有相同影响。即木材之比 重及细胞壁率与扩散系数成反比，亦即木材之比重或细胞壁率较大者，其扩散系数 则较低。3. 就药品吸收性而言，PEG之吸收率受含浸时之温度、时间、PEG水溶液浓度，以及含浸前初期含水率、树种、组织构造不同等因素而异。

44、相关研究指出，PEG吸收率及尺寸安定性之效果，与树材的最大含水率有关，即最大含水率越大，则吸收率越大，其尺寸安定效果越佳，且浓度越高其吸收率也越高。而浸渍一段时间后，再加 长时间对吸收率并无显著影响。（W）处理方法1. 先将试材浸泡于水中，待其吸水饱和。2. 将浸水处理后之试材置于恒温水槽内，浸于50%之聚乙二醇溶液，加热至60°C （约140 T ）并以帮泵促进其循环。或是置于普通处理槽内，作常温静态处理。3. 浸渍时间随木材比重不同而异。表 4-1乃为美国处理胡桃木圆木盘之基准表。（胡 桃木之生材平均比重约0.55） 低比重之木材只需下表之1/21/3时间，高密度者则需23倍，而

45、特别坚硬之木材, 如铁木（Iron wood）、Hard maple之心材或 Oaks之心材等则无法处理。30%70 T( 21 C)206050%70 T154530%140 T( 60C)73050%140 T314容易浓度及处理温度浸渍时间（日）AB注：A-直径 9 吋（22.9cm），厚度 11.5 吋（2.543.81cm）B-直径 9 吋（22.9cm）以上，厚度 23 吋（5.087.62cm）4. 若顾虑处理时间甚长，难免会孳生霉菌而发霉时，则可以于PEC溶液中加入硼砂(Borax)或五氯酚钠(PCPNa)防止之，其浓度为全溶液之1 %或2%即可。5. 浸渍完毕后，将试材置于恒

46、温烘箱中，干燥至全干为止。或是利用干燥堆杆，将其 堆于通风良好之阴凉处气干。(V) 处理效果如果木材吸收PEG溶液达2535%时，贝U可消除全部收缩或膨胀之 80%。(W)对利用上之影响经 PEG 处理后之木材，于加工上会增加下列之困扰：1. 砂磨：处理完毕之材料先经刨光后， 再用湿或干的砂纸加以砂光， 但于砂磨过程中， 常会有腊质木屑粘附于砂纸上，如不清除会影响作业。发生此种情形时，可使用温 水清洗，以除去粘着于砂粒间隙中之木屑。2. 胶合：除了白胶(PVAC )外，一般胶料均适宜胶合，唯以间苯二酚胶(Pecorcinol glue)及环氧树脂(Epoxy resin glue)为最适宜。胶

47、合前先用 PEG之溶剂(如水、 酒精等)将胶合面擦拭， 使木材纤维露出并加以晾干， 再以甲醇擦拭一遍。 由于 PEG 处理材极易胶合，最好是先将较薄的木板以PEG浸泡，使渗入浓度均匀，再胶合成 所需之厚度。3. 漂白：处理材之表面大都聚积自然色素或铁化合物，故在涂装前应先漂白。方法如 下先以两汤匙草酸溶于热水中，将之刷涂于砂光后之材面上。约一小时后，再以 氨水擦拭漂白面(其作用乃为中和酸性)并经一天的自然干燥，然后使用细砂纸砂 光一遍即可。4. 涂装：由于PEG更富吸湿性，故经处理而未涂漆之木材，久置于高相对湿度之环境 中，触摸时常有粘稠感(Sticky)，甚至会有PEG渗出材面的现象，因此必

48、须小心 使用并适当保护。但是其对涂料之适应性有限，除了聚 月尿脂涂料( Polyurethane varnish; PU)及髹油涂装(Danish oil finishing)之外，一般的涂料如：洋干漆(Shellac varnish)、拉卡(Lacquer) 等均不适宜。(VD)用途1. 可降低生材干燥时之面裂(Checki ng)，这种应用则无需高度的PEG渗透。另已处 理之木盘干燥后，其收缩甚小毋需完全干燥，亦不必干燥均匀即可加工。只需其表面1/4吋(6.35mm)处能充分干燥，以便砂磨及涂装即可。又因处理材不收缩，故 其附着之树皮应不致脱落。2. 用于户外时必须作防虫与防腐处理， 又因

49、PEG是水溶性，易被雨水冲失，故防水处 理亦必须。施以含蜡质和五氯酚钠的药剂处理，可防止上述情形的损害。3. 一般室内用家具无需作 PEG处理，但若需要特别稳定之任何木制品则都应加以处 理，如地板、佛像、雕刻品等。4. 木工艺品若发生变形或劈裂，皆可利用PEG处理加以补救。其方法乃为：一有干裂 发生时，立即将成品浸水中并接着作 PEG处理。处理后如已密合，则将永远密合且不会有新的干裂发生，若不能密合则将永不密合，但也不会变得更坏，且亦不会有 新的干裂发生。5. 经PEG处理后之老旧、浸水木(Waterlogged)，当其干燥时可实质的降低其开裂 (Cracking)及歪扭(Distortion

50、 )之情形。V.木材与其它材料之复合材料由于木材本身具有之缺点，以及受环境因素影响所产生的缺点，皆会导致木材物理、机械性质的降低。所以为了改善木材之缺点。自1960年代迄今。木塑材(Wood-PlasticCombi nati on; WPC)制造技术之改进日渐受到重视。此种木材与塑料之复合材料，除了以木 材本身之细胞组织分子为中心结构外，并加以塑料单体填充于细胞间隙，而能增加组织分子 间之结构。甚至尚有部份塑料单体更可与纤堆素分子之羟基(OH group)产生架桥接枝聚合反应，增加细胞壁之厚度与应力，又可阻止水分子之表面吸着，乃为理想之细胞壁膨润剂(Cell wall bulk materi

51、als)，除可改善木材中因水分含量变化而引起之缺点，及减少吸湿以安定木 材尺寸，尚可改良木材之硬度、压缩强度、耐磨、耐候、耐腐朽、耐化学药品和耐燃等性质。(I)木塑材之定义木塑材即以液状之塑料单体采用真空-加压方式注入木材之细胞腔及其间隙内，并以热 触媒或放射能聚合方法，使单体聚合成高分子化合物，所制造坚硬、致密又具木材外观之木 材与塑料复合材料。(n)木塑材之制造方法木塑材之制造，对于材质之选择应甚为谨慎，向以材质轻软而脆弱、耐腐朽性差、经济 价值小而能均匀注入之阔叶树散孔材之效果较为优良。尤以本省亚热带地区出产的阔叶树速 生树种为然。1. 制造木塑材所用之塑料单体 一般常用者如下： 甲基丙

52、烯酸甲酯(Methyl methacrylate; MMA )CH30CH3I/In(CHz- I - g ) t +切汀 C >OCH3COOCHg(2)尿素甲酪树脂0IIn(NH2- c - nh3(Urea-formaldehyde; UF)0酚甲醛树脂(Phenol-formaldehyde; PF)苯乙烯(Styrene; SM)0(5)丙烯腈(Acrylonitrile; ACN )CH尸 CHCN 醋酸乙烯(Vinly acetate; VAc)2. 制造方法(1) 处理前木材之干燥：将气干之试材置于恒温恒湿室中，以干球25C、湿球温度差为45C之干燥基准，%，使含水率达1

53、2%。(2) 单体之注入处理：单体之注入乃采用真空-加压之充细胞法，其步骤如图3 :Time ( hr.)图3单体加压注入程序aEU、BxyoJnrtMIIJd 抽真空，使加压注入筒中维持真空度140mmHg。 真空维持时间30min。 利用压力差使单体导入加压处理筒内。 加压，使处理筒内之压力升至 10kg/cm2。 最高压力维持时间4小时。 放松压力，恢复正常，并收回多余之单体。(3) 取出经注入单体之试材，称其单体吸收量。(4) 单体注入后之聚合。注入于木材中之单体，其聚合方式有两种：a. 辐射化学法：木塑材发明之初，乃以辐射线为主要研究对象，其方法是以 CO60-gamma ray穿

54、透，使木塑材在低于60E之温度下，乙烯系单体即可在木材内部行聚合反应， 或 以1 ray之照射来使木材表面涂装硬化。缺点：所费不赀，现已少使用。b. 热触媒聚合方式：触媒有过氧化物，如过氧化二苯甲醯(Ben zoyl Peroxide; BPO)或偶氧腈类，如 偶氮二异丁腈(2,2-Azobisisobutyronitrile; AZO )等。此类起始剂(Initiator)遇热即分解产生游离基(Free radical)促进单体之成长反 应。缺点：横切面大于5.0 >5.0cm2之较大试材，单体聚合时之放热反应非常快速(如 MMA之136kcal/kg)，会导致木材内部之温度高于 20

55、0C,对木材内部之 组织构造形成伤害。避免此伤害之方法：(a) 选择反应较缓之接触剂：最好半生期延长至可回收。(b) 选择较适当之反应：在4050°C之低温维持数小时之前硬化期(Precuring)， 再将温度提高至80100C，至其完全硬化为止。(c) 使用反应抑制剂(Inhibitor):可在单体中加入少许未参与反应之高分子聚 合物，减少反应物浓度。或加入 20%之Trichloroethyl Phophate( TCEP) 为抑制剂。如以热可塑性之甲基丙烯竣甲酯(Methylmathacrylate; MMA )时，注入处理 完毕时，需立即以铝箔纸包扎，以免单体挥发，再置于加热系统中，以68 C之温度加热并维持24小时，使单体在木材内逐渐聚合。而若以热硬化型之尿素甲醛树脂(Urea Formadehyde resin; UF)处理时，最 初以60C、80C最后提高至100C的温度加热，全部历时24小时，即可完成制造 程序。3. 游离基聚合反应机构(1)产生游离基所使用之单体游离基聚合反应最常使用之单体，有以下两种化合物：乙烯系化合物(Vinyl compou nd）及戴葱化合物（Die ne compou nd,此类化合物均具有双键之构造， 可