家具行业培训教材——木材学

東莞家具行業協會培訓中心專用教材-1-木材学一、树木之特征植物大可分为木本植物及非木本植物，一般将木本植物称为树木，我们所使用之木材，即为木本植物之产物，其特征如下：维管束组织系由木质部及韧皮部所构成。一般其木质部已木质化一般我们所使用之木材，即为树木中之木质部。木材为无数长形小细胞，藉其自身之胶合剂，木质素，互相结合面成。此等细胞组成一运输管系统，输送化学物以供树木营养之需。细胞壁则使树木具有巨大强度，足以支持其本身重量及抵抗外力。木材表面及边缘所显现之各种纹理，即由细胞所成。1、树木之种类乔木(tree)：主干通常单一，分枝位置高，具一定高度之树冠。灌木(shrub)：通常无主干，植株离地低处(一般可以距地面1.3m作为界线)即行分枝，以致由侧枝形成小干丛立(deliquescent)，且无固定树冠者，称之为灌木。木质藤本(woodyliana)：植物本身不能直立，必须利用其茎蔓、卷须或吸根等，藉由旋卷、攀绕其它支持物方能上升者，称之为藤本(liana)。若根、茎已木质化者，则称之为木质藤本。2、树木之外观如下图，树木由根部(root)、树干(stem,trunk)与树冠(crown)等三部份组成。根部生长于树干下之土层中，吸收树体成长所需之水分、溶解性矿物质及氮气，经由边材向上疏导至各部位；另外，根部亦可防止水土流失，并支持树木。树木的主要部分：树冠为树木上方枝叶着生之部位。植物之叶中存有叶绿体，叶绿体可撷取光能，将空气中之二氧化碳与根部所吸收之水，转化为葡萄糖，经由韧皮部(phloem)之内树皮(innerbark)向下传送到树木各部供成长之所需。若有剩余，则会再转化为淀粉而储藏起来。树干为树冠以下、地面以上之部位，呈通直弯曲状，用以支持树冠之重量，此部份为木材之主要来源。3、树木之生长一般在温带地区之树木，由于生长季节差异分明，因此生长发育的周期为一年，所以树干在横断面上可以看到以髓心为中心的同心圆状环轮，称为年轮(annualring)。但是热带地区由于没有明显的生长季区分，所以在横段面上不易看到同心圆状年轮，即使可见，严格说来，应该称为生长轮。二、木材的构造木材为木本植物，可分为针叶树材与阔叶树材，依树种之构成要素不同而有很大的差别，针叶树大部分属软材，木材纹理不明显。阔叶树大部份属硬材，有较美丽的纹理，广泛使用在家具上。1、针叶树：其外观特征是由管胞、纵向薄壁细胞、木质线组织及树脂沟等要素所构成，这些构成要素以管胞为主，占90%以上。这些细胞要素在不同切面会表现不同的形态，针叶树管胞为闭端，故又称无孔材，且树材构成因构成要素较单调，所以材质较阔叶树材均匀（如：松木、杉木、桧木、柏木……）。2、阔叶树：它是由管胞、木纤维、纵向薄壁细胞及木质线组织所构成，各构成要素在三个切面亦会表PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建Ù现也相当大的差异，阔叶树之最重特征是在导管，此种细之末端因有穿孔，所以阔叶树材又称有孔材，依导管在横切面之分布状态，可将阔叶树材分为：樱桃木、橡木、胡桃木、榉木、桐木、枫木、花梨木、桃花心木、橡胶木、桦木、水曲柳等等。A、木理：在木材表面出现的生长轮，或构成细胞的排列状态，B、木肌：在木材表面所出现细胞之大小或材质性加以相对表示，它是以精、粗、均齐、不均齐等表现，它会受管胞或导管的直径、年轮宽、早材及晚材之比例与密度差，木质线组织之大小等的左右，木肌精、均质的树种如红豆杉、扁柏、黄杨木等。而木肌粗，不均质的树种，如红松、落叶松等。三、细胞构造木材含有无数细胞或导管，水分经过此等细胞流动至树叶及枝条。此类细胞甚为狭小，但相当长。在边材中生活细胞中有一种称为原形质之液体，为生命之基础。心材则不含原形质。心材对树木生长无作用，实际上已死亡。导管孔为细胞之横断面。木材锯割时，细胞之空隙曝露于外，形成木材表面之小洞孔。木材空洞结构及细胞壁二者，使木材具有异常巨大强度及非凡之性质轫性。1、木材细胞与细胞壁细胞核是细胞生命的来源，叶绿体则可行光合作用而产生碳化化合物，碳水化合物则是形成木材细胞壁的主要组成份来源-纤维素与半纤维素；内质网是储藏养分的一个空腔，表面附着核糖体，核糖体则会生成蛋白质；当蛋白质与碳水化合物经过高尔基体后则会转变为果胶质，果胶质是细胞与细胞之间主要的连间质，也是初生细胞壁的主要成分。当这些质体完成分泌即形成细胞壁之后，这个细胞也就逐渐死亡，因此，我们使用的木材中，大部分都是死细胞。管胞为厚壁细胞，在横切面上约成方形。依排列方向可分为纵向管胞横向之木质线管胞。图中X面(横切面)明显之小孔均为纵向管胞。2、横向管胞：木材中的横向薄壁细胞，除了横向的输送外，也是储藏淀粉或醣类的细胞。周边细胞：包围在树脂沟周围的周边细胞，能分泌树脂。四、木材的化学组成份概述若依组成木材的化学元素而言，则木材主要由碳(C)、氢(H)、氧(O)三元素构成，其中，碳约占了50%，若依照化学组成份言之，则木材组成份包括了纤维素(cellulose)、半纤维素(hemicellulose)、木质素(lignin)、萃取成分(extractives)及灰份(ash)(如图)。以分子量来区别，纤维素、半纤维素及木质素是属于高分子量的物质，这三种成分木材是细胞壁的主要组成份，约占了细胞壁组成95%以上。低分子量的物质则包括了萃取成分以及灰份。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建Ù五、木材比重木材的比重为木材的一个重要指标，直接关系到木材的物理力学等性质和木材的加工利用。由于木材是多孔性物质，一般含有水分，因此，与其它材料相比，木材比重或木材密度具有特殊性，根据木材状态的不同，有生材密度、气干材密度、绝干材密度和基本密度之分。木材比重密度越高则材质越硬。六、力学性质木材抵抗外部机械力作用的能力称为木材的力学性质，包括弹性、粘弹性、硬度、韧性、各类强度等。1、木材的力学性质受很多因素的影响，重要的如：木材比重、木材构造、含水率、时间、温度、纹理方向、木材缺陷等。由于木材力学性质与木材单位体积中的实质含量有关，因此木材力学性质与木材比重有着极为密切的关系，两者间往往呈指数关系或直线关系；木材的构造，如木材的晚材率与年轮宽度(与木材比重有关)、木射线的宽窄与含量、木材的细胞组成、木材细胞的胞壁厚度与壁层的纤丝角等等，都影响木材的力学性质；木材细胞壁中的吸附水，其存在使木材细胞壁主成分分子之间的距离增大，从而使细胞壁主成分分子链之间的作用力减小，从而影响木材的力学性质。木材的强度随着吸附水的增加而下降，在纤维饱和点时，强度达到最低值，以后随着自由水含量的不断增加，强度值基本保持稳定；时间对木材力学性质有影响，是因为木材是一种粘弹性材料，在荷载作用下其变形与时间有关系，强度值随著作用时间的延长而减小，存在持久强度；温度也影响木材的力学性质，正温度时，特别是温度在100℃以上，甚至200℃以上时，将显着降低木材的力学性质，尤其当时间较长时；负温度下，对于冰冻的湿木材，除冲击韧性有所降低外，其它各种强度均较正温度时有所增加，特别是木材的抗剪强度和抗劈力。2、应力(stress)，是材料在外力作用下，单位面积上所产生的内力；应变(strain)是单位长度上所产生的变形。3、木材的弹性(elasticity)是木材在卸除发生变形的荷载后，回复原来的形状、尺寸或位置的能力；而塑性(plasticity)是物体在外力作用下，当应变增长的速度大于应力增长的速度，应力和应变不再成比例时，外力卸除后木材将产生残余变形，此即塑性变形，木材具有的这种性质，称为木材的塑性。4木材的强度是木材抵抗外部机械力破坏的能力，包括拉伸强度、压缩强度、弯曲强度、抗剪强度等。5、木材的硬度是木材抵抗其它刚性物体压入的能力。6、木材的刚性是抵抗外部机械力造成木材尺寸或形状变化的能力。7、韧性是木材吸收能量和抵抗反复冲击荷载，或抵抗超过比例极限的瞬间应力的能力。木材的应力松弛(stressrelaxation)指在恒定温度和形变保持不变的情况下，木材内部的应力随时间PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建Ù延长而逐渐衰减的现象，其原因也是因为木材具有粘弹性。木材的蠕变和松弛受木材含水率、环境温度、环境湿度变化等因素的影响，温度越高，含水率越高，木材的蠕变和松弛现象就越明显。但在实际使用时，必须考虑各种影响因素，在计算和实际使用中要大适当的折扣，折扣后所得的强度值为木材的允许应力。允许应力就是指木件在使用或荷载条件下，能长期安全地承受的最大应力。七、年轮年轮可以说是树木年龄的记录，它能够帮助我们推算树木的年纪，只是我们都应该明白，树木并不知道一年究竟是多久的时间，它们之所以会每年长出一圈圈来，完全是一种对季节变化的敏感反应。从春天到夏天，气温高，雨量足，树木的生长旺盛，所分裂出来的细胞，不但体积大，颜色浅，同时硬度也比较小。年轮常用以表示树木每年之生长。然而木材之年轮并不全然显明易见。在热带及寒带，生长季节与非生长季节之间并无显明之区分，故若干热带树种之木材，并无显示每年生长之物征。且温带树种，亦有年轮不甚显明者。如果树木生长在四季不分明的热带地区，就会因为那儿整年气温都差不多，细胞生长的情况始终如一，而无法形成明显的年轮。著名的柳安树、橡胶树等，就是没有年轮的树木。八、春材与秋材年轮由春材与秋材构成。于生长季节之早期长成者为春材或称早材，生长季节后期长成者为秋材或晚材。一般面言，春材有较大细胞腔及较薄细胞壁。到了秋天，温度逐渐降低，叶片老化或枯黄，植物的生长自然变得缓慢，于是分裂出来的细胞，体积小，颜色深，硬度也比较大。当时节进入冬天以后，温度更低了，长出来的细胞，体积就更小，颜色更深，硬度也更硬了。树木由于季节的不同，因而细胞生长的情形也不一，每一年当中，由春天到冬天所长出来的细胞跟第二年所长的，会有明显的界线，而且四季当中所增添的新细胞，正好形成一个环状的纹路，「年轮」就是这样造成的。九、边材与心材1、边材：为新近生长靠近树木形成层部份之木材，边材，颜色浅淡之树木生活部份，边材自根部输送树液至树叶及储藏食物以供树木生长。2、心材：由无生机细胞构成，亦即由过去为边材之有生机细胞老化而成。心材颜色常较边材为浓。大多数木材曝露于空气中，因细胞壁内物质与氧化合而渐呈浓深色，此种作用称为氧化。3、髓位(髓心)：于树木之中心，亦具有生机。另一种自树木中心向外辐射之组织称为髓线，此种组织亦为食物之输送道。因比重系根据木材中实有物质之量，故为木材强度与硬度适当之标示。一般言之，比重愈大，木材愈强。但也有些树种如云杉(spruce)、铁杉(hemlock)或白杨木(poplar)赤杨等(alder)，其边心材之颜色难以区别。十、木材的缺陷是指凡呈现在木材上能降低木材质量，影响其使用的各种缺点。针叶树材和阔叶树材的缺陷，都可以分为十类，它们是节子、变色、腐朽、虫害、裂纹、树干形状缺陷、木材构造缺陷、伤疤(损伤)、木材加工缺陷和变形。1、节子：包含在树干或主枝木材中的枝条部分，在木材上十分常见。按照不同的分类方法，节子有多种分类，常用的如按照节子与周围木材连生的程度，可分为活节和死节，活节即由树木的活枝所形成，节子与周围木材紧密连生，质地坚硬，构造正常；死节由树木的枯死枝条所形成，节子与周围木材大部分或全部脱离，质地坚硬或松软，在板材中有时脱落而形成空洞。按节子的材质可分为健全节、腐朽节、漏节。活节是指材质完好，无腐朽迹象的连生节；腐朽节指节子本身已经腐朽，常部分或全部形成松软状、筛孔状或粉末状，但并未透入树干内部，节子周围材质仍完好；漏节是不但节子本身已经腐朽，而且深入树干的内部，引起木材内部腐朽。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建東莞家具行業協會培訓