森工概论(绪论+木材学)-13-2-18

森工概论木材科学与工程部分王天龙北京林业大学材料学院*森工概论（木材科学与工程）课程简介1.《森工概论》（木材加工部分）的教学目的

2.《森工概论》木材加工部分的教学基本要求本课程的教学环节包括课堂讲授、参观和综合实习。通过本课程各个环节的教学，重点培养学生自学的能力、分析问题的能力、解决问题的能力。

2.1《森工概论》木材加工部分的课堂讲授：10学时

2.2参观和综合实习（6学时）参观地点：木材干燥实验室、人造板实验室、木工工艺实验室。综合实习地点：宜家、好美家、万家灯火、居然之家等。通过综合实习，要求学生利用所学的知识，写出一篇实习报告，内容包括家具结构图（示意图也可）、家具部件的名称和所用材料、家具所用各种材料的市场价格、家具的成本核算和家具的实际售价，从而掌握和了解家具行业的经营管理的基本状况，为后续管理方面专业课程的学习课奠定基础。

3.成绩（50分）＝理论考试（70％）＋实习报告（30％）1.对木材加工行业有一个相对全面的了解；2.掌握基本概念、原理、方法等；3.提高发现、分析和解决问题的能力；北京林业大学材料学院*绪论Ⅰ.概念

森工概论：把木材机械加工和林产化学利用的内容概括在一起，从宏观的角度阐明林产工业和林产品生产的基本知识和基本概念；在较短的时间内从整体上把握林产品生产过程、发展和变化规律，以及各个生产环节之间的内在联系，以便有效地实施技术和管理。Ⅱ.木材科学与工程讲授的内容：

包括：木材学、制材学、木材干燥学、胶粘剂、人造板生产工艺学、人造板表面装饰和木制品生产工艺学。Ш.木材来源：（来源于森林）森林的变迁：据研究分析，最初地球上有75亿公顷(2／3的陆地)，由于自然条件的变化和人类社会的发展，使森林的面积不断减少，特别是人类的开发和利用，到19世纪60年代，森林面积已经减少列55亿公顷、再经100年，到20世纪50年代，减少到38亿公顷，而且分布极不均匀。例如，沙漠、草原等。

提一个问题：草原为什么没有树?

有—句话，请人家体会：

“凡属天然资源中最多而又普遍存在的东西，往往是生活不可缺少的东西,但却不为人们所珍惜。”北京林业大学材料学院*绪论Ⅳ

衡量森林资源的几项指标以及我国的情况：（1）森林面积：我国是第五位国家（顺序）俄罗斯加拿大巴西美国中国森林面积（万公顷）68760 42042335002980026329（13400－08）

我国除香港、澳门、台湾地区外，我国人工林面积为：4666.7万公顷，居世界首位。

（2）木材蓄积量我国是第七位国家（主要大国）俄罗斯巴西加拿大美国中国森林面积（亿立方米）859 584230202112.7（101－08

）

从以上两项指标来看，我国是森林资源大国；

(3)森林覆盖率＝有林地面积／国土面积

960、1260【陆地（960）+河流和领海（37~38）+大陆架和专属经济开发区（300）+多金属结核矿（15）】

据研究，一个国家森林覆盖率在30％以上时，才能保持水土，减少自然灾害，改善环境条件等，保障农业丰收。

1993年我国的森林覆盖率13.92％；

1995年我国的森林覆盖率13.98％；

2004年我国的森林覆盖率为16.55％；

2008年我国的森林覆盖率为18.21%。请同学考虑：如果以这样的速度，我国何时才能达到30％的森林覆盖率?

世界平均森林覆盖率为：27%北京林业大学材料学院*绪论

(4)人均占有率：

1988年人均占有率9.3立方米；

1993年人均占有率8立方米；

1998年人均占有率8.3立方米；

2003年人均占有率9.048立方米；我国人均年消耗木材0.22立方米，而目前世界人均年消耗木材0.65立方米，发达国家为1.16立方米。

从以上四个方面来看，我国是森林资源大国，但又相对贫乏。

Ⅵ解决木材资源紧张的方法：

a．进口每年木材缺口大约5000万立方米

b．发展替代材料：农作物的秸秆、塑料、竹材

c充分利用现有木材资源加工剩余物：600万立方米采伐剩余物：760万立方米树皮：450万立方米

d．大力发展人工速生丰产林：经济林、生态林、工业用材林整个计划是从1990年～2020年，共计30年，在全国要营造3亿亩工业用材林(2000万公顷)，成材后，每年可开采1500万亩，每年提供木材1亿立方米。北京林业大学材料学院*

1.木材学1.1木材学概念：是以木材为研究对象的材料科学，属基础科学；换言之，木材学是研究木质原料的科学，它研究的范围包括木材结构、性质、缺陷及性能改良的理论。1.2木材的构造1.2.1树木的构成（1）树冠：树枝和树叶，占全树的5％～25％；作用：二氧化碳转化为氧气无机物转化为有机物；利用：树叶可作饲料、提取化学成分原料；粗枝可作薪炭材、人造板和造纸；（2）树根：主根、须根；占全树的5％～25％；作用：具有吸收和固定作用；利用：根艺和根雕，薪炭材和提取化学成分的原料；（3）树干：占全树的50～90％；作用：具有支撑和通道作用；利用：具有重要使用价值，是木材主要来源；树冠树根树干北京林业大学材料学院*1.木材学1.2.2．树干的构造树干的主要组成部分(4个)：树皮、形成层、木质部、髓心。1.2.3.木材的三个切面木材是由各种不同的细胞组成，其形状、大小、组织排列各不相同，而且在木材的各个方向上所呈现的组织形态也是不同的。要了解木材构造和性质，就必须从木材的不同方向上进行观察和分析，引入切面的概念，

横切面：与树干轴或木纹相垂直的锯切面，即树干断面，称为横切面；

径切面：通过髓心或与树干直径方向一致的锯切面，称为径切面；弦切面：沿着树干的长轴方向，不通过髓心与树干直径相垂直的锯切面；北京林业大学材料学院*1.3.木材的宏观构造

木材的宏观构造：用肉眼或放大镜能看到的木材构造和外部特征，称之为木材的宏观构造。（1）年轮（生长轮）、早材、晚材年轮（生长轮）：每个生长周期所形成的木材，围绕着髓心构成的同心圆，称之为生长轮；在温带和寒带树木一年仅有一个的生长期，故生长轮也称为年轮。

提出问题：木材是历史记忆的活化石

早材：通常生长季节早期形成的木材，细胞分裂速度快，体积大，胞壁薄，材质较松软，材色浅，称为早材。晚材：通常生长季节后期营养物质的流动减弱，形成层细胞活动逐渐减低，细胞分裂速度也减慢，于是形成了腔小壁厚的细胞，而且木材的颜色深、组织较致密，称为晚材。(2)边材、心材

边材：有许多树种的木材，靠近树皮的部分，材色较浅，水分较多，称为边材。心材：在髓心周围部分，材色较深，水分含量较少，称为心材。边材心材早材晚材年轮北京林业大学材料学院*(3)导管是绝大多数阔叶材所具有的输导组织，在横切面上导管呈孔穴状，叫管孔。是区别针叶材和阔叶材的重要特征之一。(4)木射线在横切面上有颜色较浅，从髓心向树皮呈辐射状排列的细胞，叫髓射线；在木质部的髓射线叫木射线。(5)胞间道系分泌细胞围绕而成的长形胞间空隙，并非胞腔连接成的管道。贮藏树脂的叫树脂道(属针叶材)；贮藏树胶的叫树胶道(属阔叶材)。胞间道有轴向和径向两种。(6)轴向薄壁组织是指形成层纺锤形原始细胞所形成的薄壁细胞。沿树轴方向排列，在横切面上看，材色比较浅，用水润湿后更为明显。(7)其它特征木材颜色、木材气味、木材纹理、木材结构、木材花纹。北京林业大学材料学院*北京林业大学材料学院*胞间道木射线北京林业大学材料学院*北京林业大学材料学院*1.4木材微观构造概念：用显微镜或电子显微镜能看到木材的微观构造和特征称为木材的微观构造。1.4.1木材细胞壁的结构木材是由各种不同的细胞组成的，细胞是组成木材的基本单元。细胞的演变：生活的细胞：细胞壁、细胞膜、细胞质、细胞核死亡的细胞：细胞壁、细胞腔1.4.2木材细胞壁的结构特征细胞壁是木材中的主要部分，占木材总量的90％以上，各种细胞壁的组成也是基本一样，都是由三类物质组成：骨架物质(纤维素)、基体物质(半纤维素)和结壳物质(木素)。纤维素分子链(大约40根)基本纤丝(不定长度、直径为3.5～5.0nm)微纤丝(基本纤丝聚集成束)纤丝(纤丝聚集成)薄层(粗纤丝相互接)细胞壁（骨架）在基本纤丝中含有结晶区和非结晶区(无定形区)。结晶区：在基本纤丝中，纤维素分子链平行排列的段落。非结晶区：在基本纤丝中，纤维素分子链非平行排列的段落。北京林业大学材料学院*非结晶区结晶区北京林业大学材料学院*非结晶区结晶区北京林业大学材料学院*1.4.3壁层结构木材细胞壁，根据其形成的阶段可分为初生壁和次生壁。通过偏光显微镜观察，细胞壁的次生壁又可分为三层，由外向内分别为：外层(S1)、中层(S2)和内层(S3)。细胞壁各层的特点介绍如下：初生壁：细胞从分裂到增大，最初形成的；基本纤丝呈无定向松散交织的网状结构；壁层厚度>1％。

Sl：很薄，大约为2～6层；厚度大约为10～22％；基本纤丝与细胞主轴夹角约为500～700；

S2：较厚，大约为30～40层；厚度大约为70～90％；基本纤丝与细胞主轴夹角约为100～300；

S3：很薄，大约为0～6层；厚度大约为2～8％；基本纤丝与细胞主轴夹角约为600～900。由上面的分析可知：木材细胞壁是一种结构较为复杂的物质，它是由许多在结构上和化学性质上都不相同的层次组成的。北京林业大学材料学院*1.4.4细胞壁上的特征――纹孔纹孔：木材细胞壁加厚，产生次生壁时，初生壁未被加厚的部分（空洞）。在立木中是相邻细胞间水分和养料的通道；在木材干燥和防腐、防火剂的浸注以及制浆等加工工艺都与纹孔的渗透性有关。1.5针叶材的微观构造主要由纵向(管胞、木薄壁组织、树脂道)和横向(木射线、树脂道)的细胞构成，其中管胞占90％以上。1.6阔叶材的微观构造主要由纵向(导管、木薄壁组织、树胶道、木纤维、管胞)和横向(木射线、树胶道)的细胞构成，其中木纤维占50％以上。北京林业大学材料学院*1.7木材性质1.7.1木材的物理性质(1)木材中的水分按照水分存在的状态的不同，可将木材中的水分分为三种状态：自由水：存在于细胞腔和细胞间隙中的水；吸着水：存在于细胞壁中及吸附于细胞壁上的水；结合水：构成细胞化学成分的水。(2)木材的含水率木材的含水率：表示木材含有水分的多少。

在木材科学和工业生产中，木材的含水率通常以绝对含水率表示。北京林业大学材料学院*(3)纤维饱和点纤维饱和点：表述1：在木材中的自由水完全消失，而木材中的吸着水开始蒸发，此时木材的含水率称为纤维饱和点；表述2：在木材干燥过程中，当毛细管中吸收的水完全蒸发掉，而细胞壁中为固体溶液所束缚的水开始逸散，木材的性质才开始发生显著的变化（如木材强度开始增加、尺寸的收缩、电阻率的迅速增加等），此时木材的含水率称为纤维饱和点。(4)木材的平衡含水率木材的平衡含水率：木材中的水分随着周围环境的相对湿度和温度的变化而变化，当从木材中散失到环境中的水分的量与从环境中进入木材中的水分的量相等时，木材的含水率称为平衡含水率。地区不同、季节不同，平衡含水率也不同。存在着解吸和吸着现象。介绍平衡含水率在实际中的作用。北京林业大学材料学院*（5）木材的干缩与湿胀（a）木材的含水率在纤维饱和点以上时，木材中水分的增减，仅仅改变细胞腔内的水分，与细胞壁无关，故只影响木材的重量，不影响木材的体积；（b）当木材的含水率在纤维饱和点以下时，水分的进出到细胞壁的非结晶区内和结晶区表面，使分子链之间的相对距离增加，从宏观层面上讲，木材膨胀了；当木材含有的水分的减少，分子链之间的相对距离也相对减小，木材的体积也相对减少，水分减少到零时，木材的干缩达到最大值；反之木材吸收水分而膨胀至纤维饱和点时，膨胀达到最大值。干缩湿胀的原因：细胞壁内微纤丝之间的距离发生变化。正常材的干缩率：纵向：0.1～0.2％径向：3～6％弦向：6～12％各项异性的宏观表现：干缩湿胀率力学强度水分进出的难易程度简单介绍原因：木射线的抑制作用，早晚材、径面壁的纹孔较多、单位尺寸中所含的胞间物质的多少。北京林业大学材料学院*木材干缩过程木材湿胀过程北京林业大学材料学院*1.7.2木材的重量木材的重量有两种表示方法，实质比重和木材密度。(1)木材密度：单位体积的木材重量。木材密度有几种表示方法，包括基本密度、生材密度、气干材密度、绝干材密度。其中基本密度是最为常用的。(为什么?)

单位：克／厘米3(g／cm3)或公斤／米3(kg／m3)(2)实质比重：无空隙的木材重量与同体积水之比；实际上实质比重是细胞壁的比重：所有木材的实质比重几乎都相同，1.49～1.57，平均1.54。知识介绍：哥伦比亚产的一种木材，其比重仅为0.0394～0.058g／cm3，是世界上以发现的最轻的木材；愈疮木的比重1.3g／cm3。工业中，常用木材的比重一般在0.3～0.8g／cm3。1.7.3木材的导电性、导热性及其它性能木材是多孔性材料，结构决定了其导电、导热性能都较差，是一种较好的建筑及装修材料。但是，受含水率的影响较大。木材纤维是不导电的。水的传热比空气快22倍（说明含水率对木材的导电导热性能的影响）

简单介绍在生