木质资源材料学

边材：在木质部中，靠近树皮（通常颜色较浅）的外环部分，在立木时含水率较高，具有生理功能的木材。心材：是指髓心与边材之间（通常颜色较深）的木质部，在立木时含水率较低，已不具有生理功能的，由边材转变而来，是一个非常复杂的生物化学的过程。早材：在一个生长轮内，靠近髓心一侧，材质较松软，材色浅的木材晚材：在一个生长轮内，靠近树皮一侧，材色深，组织较致密的木材在一个生长季节内由早材和晚材共同组成的一轮同心生长层，即为生长轮或年轮。导管是绝大多数阔叶树材所具有的中空状轴向输导组织，在横切面上可以看到大小不等的孔眼，称为管孔。纹孔是指木材细胞壁加厚产生次生壁时，初生壁上未被增厚的部分，即次生壁上的凹陷，在立木中，它是相邻细胞间的水分和养分的通道。螺纹加厚：在次生壁内表面上，由微纤丝局部聚集而形成的屋脊状突起，呈螺旋状环绕着细胞内壁，这种加厚组织称为螺纹加厚。通常呈S型。螺纹裂隙：针叶材的应压木的主要特征，是壁上的裂隙，延至复合胞间层，会削弱细胞的强度，与水平线夹角大于45°。导管是由一连串的轴向细胞形成无一定长度的管状组织，构成导管的单个细胞称为导管分子。导管专司输导作用。两个导管分子纵向相连时，其端壁相通的孔隙称为穿孔。生材密度=生材质量/生材体积气干密度=气干材质量/气干材体积绝干密度=绝干材质量/绝干材体积基本密度=绝干材质量/生材体积最常用的是气干密度和基本密度，在运输和建筑上，一般采用生材密度，在比较不同树种的材性时，使用基本密度。平衡含水率，即木材在平衡状态时含水率。它会随着温度的升高而降低。解吸：当木材中的压力大于大气压时，木材中水分向空气中蒸发的过程。吸着：当木材中的压力低于大气压时，木材吸收空气中的水分过程。滞后现象：在相同的温湿度条件下，由吸着过程达到的木材的平衡含水率低于由解吸过程达到的平衡含水率的现象。吸着达到的平衡含水率与解吸达到的平衡含水率之间的比值称为滞后率。强度：是抵抗外部机械力破坏的能力硬度：是抵抗其他刚性物体压力的能力刚性：是抵抗外部机械力造成尺寸和形状变化的能力韧性：是木材吸收能量和抵抗反复冲击载荷；或抵抗超过比例极限的短期应力塑性：当施加于木材的应力在其弹性限度以内时，去除外力后变形将回复原尺寸；当应力超过木材的弹性限度时，去除外力后，木材仍会残留一个当前不能恢复的变形，将这个变形称为塑性变形。木材所表现出的这一性质称为塑性。木材同时体现弹性固体和黏性流体的综合特性称作黏弹性。蠕变和松弛是黏弹性的主要内容。蠕变：在恒定应力下，木材应变随时间的延长而逐渐增大的现象。松弛：在恒定应变下，木材应力随时间的延长而逐渐减少的现象。结晶区：在纤维素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的地方。非结晶区（无定形区）：纤维素分子链排列松散、杂乱无章，不构成结晶格子，分子间距离较大。木射线：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。在横切面上木射线呈浅色辐射状细线从髓心达树皮，显示其侧面宽度和长度；在径切面上带光泽横列的斑纹或短带，显示其长度和高度；在弦切面上呈短线或纺锤形状，显示其宽度和高度。在阔叶树材中，根据射线薄壁细胞类别及组合，可分为同型木射线和异型木射线两类：（1）同型木射线：射线组织全部由横卧细胞组成的木射线（2）异型木射线：射线组织全部或部分由方形或直立细胞组成的木射线。在针叶树材中，根据木射线的构成，分为同胞木射线和异胞木射线两类：（1）同胞木射线：针叶树材中，由射线薄壁细胞构成的木射线（2）异胞木射线：针叶树材中，由射线薄壁细胞和射线管胞构成的木射线树脂道：贮藏树脂的胞间道，在针叶树材中，由泌脂细胞围绕而成的长形细胞间隙。在横切面上呈浅色针状的小点，有轴向树脂道和径向树脂道。轴向树脂道在木材横切面上常星散分布于早晚材交界处或晚材带中，在纵切面上呈各种不同长度的深色小沟槽。径向树脂道存在于纺锤状木射线中，非常细小。具有正常树脂道的针叶树材主要有松属、落叶松属、云杉属、黄山属、银山属、及油杉属。按照此顺序，树脂道数量从多到少，少到油杉属只有轴向树脂道，分泌能力从强到弱。轴向管胞：广义轴向管胞是针叶材中沿树干主轴方向排列的狭长状厚壁细胞。它包括狭义轴向管胞（简称管胞，即通常的轴向管胞，90%以上）、树脂管胞（含有树脂）和索状管胞（在树脂道旁边起固定作用）三类。后两者具有树脂道的针叶材才有。轴向管胞是针叶材中轴向排列的厚壁细胞，两端封闭（闭管细胞），内部中空，细而长，薄壁上还具有纹孔（具缘纹孔），同时其输导水分和机械支撑的作用，是决定针叶材材性的主要因素。井字区：在针叶材中，在径切面由射线薄壁细胞和早材轴向管胞相交叉的区域。木材细胞壁主要由纤维素（骨架作用，骨架物质）、半纤维素（增加刚性，基体物质）、木质素（使细胞壁坚硬，结壳物质或硬固物质）三种成分构成。木材细胞壁这三种成分的物理作用特征，细胞壁被称为钢筋混泥土建筑。纤维素的氢键：纤维素链上的主要功能基羟基（一OH基）之间或一OH基与O—、N—和S一基团能够形成联结，即氢键。纤维素大分子链之间氢键形成的条件：1、羟基存在是先决条件2、相邻大分子中的羟基距离＜=0..3nm产生氢键：木材结构1树木来自种子植物，可以分为两大类:木本裸子植物（针叶树材，无孔材，软材）;木本双子叶被子植物（阔叶树材，有孔材，硬材）2树木的生长树木的生长是初生长（顶端生长、高生长）和次生长（直径生长）共同作用的结果。高生长是根和茎主轴生长点的分生活动，即顶端分生组织或原分生组织的分生活动的结果。直径生长是形成层细胞分裂的结果，形成层原始细胞向外形成次生韧皮部，向内形成次生木质部。「表皮原——表皮顶端分生组织皮层原——皮层r初生韧皮部厂次生韧皮部（高生长））「初生维管束J维管束形成层-I中柱原——中柱1（直径生长）L次生木质部I髓'初生木质部经过次生长后树木的结构：表皮一皮层一初生韧皮部一次生韧皮部一维管束形成层一次生木质部一初生木质部一髓3形成层原始细胞的种类：1.纺锤形原始细胞分生韧皮部和木质部的轴向细胞；2・射线原始细胞分生韧皮部和木质部的射线细胞。4阔叶管孔的排列（在横切面上）及分布：

管孔的排列用于对散孔材的整个生长轮、环孔材晚材部分的特征进行描述。管孔排列的类型有星散状，径列或斜列，弦列。管孔的大小及分布：根据管孔在横切面上一个生长轮内的分布和大小情况，分为以下6种类型：散孔材：在一个生长轮内早晚材管孔的大小没有明显的区别，分布也较均匀，早晚材区别不明显的树种。如：软荚红豆，鹅掌楸。半散孔材（半环孔材）：早材管孔比晚材管孔稍大，从早材到晚材的管孔逐渐变小，管孔大小界线不明显。如：香樟、乌柏环孔材：在一个生长轮内，早材管孔比晚材管孔大得多，并沿生长轮呈环状排成一至数列。根据管孔的排列方式可分为：1.星散状：檫木，苦楝；2.榆木状：榔榆；3.火焰状：米锥辐射孔材：早晚材管孔大小无显著差别，呈径向辐射状，穿过一个或数个年轮。如：黄槠、拟赤杨切线孔材：在一个年轮内全部管孔呈数列切线状，并在宽射线间向树心凸起。如：银桦交叉孔材（花样孔材）：管孔在一个生长轮范围内有规律呈交叉状排列。1.5阔叶树材轴向薄壁组织分类（宏观，微观）：轴向薄壁组织的排列：根据在横切面上，轴向薄壁组织与导管连生情况，将其分为离管型轴向薄壁组织和傍管型轴向薄壁组织两大类。（1）离管型轴向薄壁组织：指轴向薄壁组织不依附于导管周围，其排列方式有宏观：1.切线状；2.网状；3.离管带状；4.轮界状；微观：1.切线状；2.网状；3.离管带状；4.轮界状：轮始状、轮末状；5.星散状；6.梯状（2）傍管型轴向薄壁组织：指排列在导管周围，将导管的一部分或全部围住，并且沿发达的一侧展开的轴向薄壁组织，其排列方式有：宏观：1.环管束状；2.翼状；3.聚翼状；4.宽带状微观：1.环管束状；2.翼状；3.聚翼状；4.宽带状；5.帽状（单侧傍管）；6.稀疏状1.6树木从小到大的结构单元7000—15000个约40根2—4根木素D-葡萄糖基►纤维素分子链基本纤丝微纤丝一（壁的基本组成单位）（宽约3.5—5.0nm,（宽约10—30nm）壁的最小单位）及半纤维素和细胞腔相同纤丝粗纤丝►薄层细胞壁层►细胞存于其间空隙（宽0.4一1um）存于其间空隙（宽0.4一1um）和树根——►组►器官——►组►器官►树树冠1.7阔叶树材组成细胞「轴向厚壁厂轴向细胞Y阔叶树材组侦轴向薄壁成细胞Y—-—r横向厚壁j横向细胞i横向薄壁导管木纤维—►阔叶材管胞韧型纤维纤维状管胞环管管胞导管状管胞1.8针叶树材组成细胞轴向薄壁细胞1.8针叶树材组成细胞轴向薄壁细胞轴向树脂道泌脂细胞*射线管胞射线薄壁细胞横向树脂道泌脂细胞轴向管胞索状管胞树脂管胞1.1木材化学成分，有细胞壁物质和非细胞壁物质之分或称为主要化学成分和少量化学成分无机物（灰分）少量组分有机物（芳香族、萜烯及萜烯类、脂肪族化合物）木材纤维素（水解单糖一D-葡萄糖）（骨架结构）碳水化合物半纤维素（水解单糖一D-葡萄糖、D-半乳糖主要组分D-甘露糖、D-木糖、L-阿拉伯糖）（填空物质）木质素（结壳物质）1.2纤维素：它是由D-葡萄糖基构成的直链状高分子化合物，有还原性。纤维素的化学结构是1,4-B-D-毗喃式失水聚葡萄糖组成纤维素的化学结构特点：1、葡萄糖基的连接为1,4-p-甙键连接2、单元是D-葡萄糖基，相邻的葡萄糖基旋转180°，纤维素链的重复单元是纤维素二糖基。3、葡萄糖基包含三个醇羟基，分别位于2、3、6三个C原子上，C2、C3的羟基为仲醇羟基，C6的羟基为伯醇羟基。4、C1位置具有隐性醛基，显还原性，具有极性和方向性。5、葡萄糖基为氧环式结构（椅式的环式结构）。纤维素为环式此喃型，由D-葡萄糖基在1—4位置，以8-甙键连接而成链状高分子化合物。1.3半纤维素：半纤维素是两种或两种以上单糖组成的不均一聚糖，分子量较低，聚合度小，大多带有支链。一般针叶树材中纤维素和半纤维素的含量低于阔叶树材的，但木质素的含量却相反。凡能水解分离出木糖、半乳糖等植物细胞壁部分（1）阔叶树材的半纤维素，高聚糖主要有两种：木糖和葡甘聚糖，约占20-35%。（2）针叶树材的半纤维素，高聚糖主要为：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，前者约占15-35%，后者约占5-10%。1.4木质素：是由苯基丙烷结构单元通过醚键和碳-碳键联接而成、具有三维结构的芳香族高分子化合物。木质素的化学结构是苯丙烷类结构单元组成的复杂多酚类高聚物，含有多种活性官能团，木质素分为阔叶树木质素、针叶树木质素、草类木质素，在木本植物中，木质素含量为20%—35%，草本植物中为15%—20%。木质素是一个三维网状的聚酚化合物，它的结构是一种物质的结构模型，是按测定结果平均出来的假定分子结构，这些测定包括：元素组成、结构单元和比例、官能团、连接方式，从而推得结构模型。（1）木质素的结构单元：苯丙烷作为木质素的主体结构单元，苯基丙烷单元分成三类：愈疮木基丙烷（G）、紫丁香基丙烷（S）和对羟基丙烷（H）。针叶树木质素一愈创木基结构为主、紫丁香基结构单元和对羟苯基结构单元极少。阔叶树木质素以愈创木基结构单元和紫丁香基结构单元为主，含有少量的对羟苯基结构单元，草类木质素与阔叶树木质素的结构单元组成相似。结构单元之间的连接方式主要是醚键，约占2/3—3/4，碳键约占1/4—1/3。（2）官能团甲氧基：阔叶树木质素中的甲氧基含量高于针叶树，因为阔叶树木质素是以愈创木基结构单元和紫丁香基结构单元为主。羟基：以醇羟基和酚羟基存在，直接影响木质素的化学和物理性质。羰基、羧基：（一般认为木质素中是不存在羧基的，但在磨木木质素中存在0.01-0.02/GCH3O）（3）木质素与糖类连接：木质素的部分结构单元与半纤维素中的某些糖基通过化学键连接在一起，形成木质素-糖类复合物，称为LCC复合体。木材物理性质：1.木材中水分存在的状态物理水（自由水和结合水）、化合水自由水（可气态可液态存在）：以游离水状态存在于木材细胞腔、细胞间隙、纹孔腔等大毛细管系统空隙，与液态水性质接近。结合水：存在于细胞壁纤丝等微（瞬间）毛细管系统中，与细胞壁无定形区（由纤维素非结晶区、半纤维素和木质素组成）、结晶区的表面中的羟基形成氢键和分子引力相结合。纤维饱和点：假设把生材放在常温相对湿度为100%的环境中，细胞腔中的自由水慢慢蒸发，当细胞腔中没有自由水，而细胞壁中结合水的量处于饱和状态，这时的状态称为纤维饱和点。它因树种、温度、测定方法不同而有差异。温度越高，空气越干燥，纤维饱和点的含水率下降。纤维饱和点是一个临界状态，是材性变化的转折点，因为：一般自由水的量对木材的物理性质（除质量外）的影响不大，而结合水含量的多少对木材的各项物理力学性质都有极大的影响，在体积、强度、导电性方面有影响。木材干缩湿胀的成因（理解）：木材具有干缩湿胀性是因为木材在失水或吸湿时，木材内所含水分向外蒸发，或干木材从空气中吸收水分，是细胞壁内非结晶区的相邻纤丝间、微纤丝间和微晶间水层变薄（或消失）而靠拢或变厚而伸展，从而导致细胞壁乃至整个木材尺寸和体积发生变化。木材干缩湿胀的各向异性木材纵向干缩湿胀远小于横向干缩湿胀原因：⑴细胞壁微纤丝是由平行排列的大分子链所组成的，大分子链长度方向可移动的距离是大分子链横向之间的0.2%—0.05%，纤丝间距离的变化主要表现在横向。⑵S2层微纤丝的排列与细胞主轴成10°—30°，几乎相平行，干缩湿胀时表现在纵向的量：aSina，表现在横向的量为aCosa,且Sina<<Cosa木材径向干缩湿胀小于弦向干缩湿胀原因：⑴木射线对径向收缩的抑制；⑵早晚材差异的影响；⑶径向壁和弦向壁中的木质素含量差别的影响；⑷径壁、弦壁纹孔数量的影响木材力学性质：影响木材力学性质的主要因素，如何影响：①木材密度的影响木材密度是决定木材强度和刚度的物质基础。木材强度与木材密度两者存在着下列指数关系方程：O=KPw。木材强度与密度之比称为木材的品质系数，是木材品质优劣的标志之一。通常，密度增大时，木材强度和刚性都随之增大；木材的弹性模量呈线性增大；木材的韧性也成比例地增大。含水率的影响含水率在纤维饱和点以下，木材强度随着木材水分的减少而急剧增高，随着水分的升高而降低；含水率高于纤维饱和点，自由水含量增加，其强度值不再减小，基本保持恒定。木材在吸着水范围内，含水率每改变1%时的强度变化百分率称为含水率的调整系数，用a表示。a值越大，说明含水率对该强度性质的影响也越大，反之则小。温度的影响一般情况下，室温范围内，影响较小，高温和极端低温