木材的外觀、三切面、三方向及紋理

1、I.前言eenandBr,1982,Fig.1.5)天然的木材由于質(zhì)輕而強(qiáng)、紋理美觀、密度適中且易于加工，所以被廣泛的應(yīng)用于家具及建筑。但由于木材為天然材料，其內(nèi)部構(gòu)造的多樣性，造成材質(zhì)上的不均質(zhì)性，樹木形成層的生長(zhǎng)機(jī)制也造成木材的異方性，另外木材的濕脹干縮性質(zhì)也會(huì)造成利用上的困擾，所以要有智慧的利用木材，必須對(duì)木材的各項(xiàng)性質(zhì)加以認(rèn)識(shí)。木材的外觀、三切面、三方向及紋理木材由樹木鋸切而來(lái)，依鋸切的方式呈現(xiàn)不同的紋理，圖r,1982）所示為樹干橫切而得到一段木材，其外觀可以看到外樹皮bark）、韌皮部m）、形成層um）、邊材（sapwood）和心材wood）、圖中斷同心圓稱之為年輪lring），而

2、圓心則稱之為髓心（pith）。圖1樹干圓盤（如果將木材的橫切面ce）延其半徑方向切開，則可看到木材的徑切面ce）,如果延圓周的切線方向予以切開，則可得到弦切面ce）,圖r,1980）完整的呈現(xiàn)出木材之三切面。木材細(xì)胞的形狀大小和分布在三切面各有不同，所以鑒別木材時(shí)常觀察比對(duì)此三切面的特徵。木材在使用時(shí)很少是以圓柱的形式來(lái)利用，常常會(huì)將木材切割為制材。圖2木材之三切面（r,1980,Fig.1.10）如果將圖2延著樹干方向以延伸，便可看到完整的徑切面和弦切面如圖r,1982）。在徑切面會(huì)看到年輪以平行線的方式呈現(xiàn)，而在弦切面打致會(huì)出現(xiàn)V或U形的木理。在圖3中板寬面出現(xiàn)弦切面紋理的板稱為弦面板，而

3、板寬面出現(xiàn)徑切面的板稱為徑面板。Qur|9awnor訊的百胡“圖3徑面板與弦面板（r,1982,Fig.2.2)由于木材的不均質(zhì)在不同方向有差異，為了方便了解木材，于是利用直交座標(biāo)系統(tǒng)來(lái)簡(jiǎn)化并描述木材，如圖4（,1982）。所以討論木材的各項(xiàng)性質(zhì)如膨脹收縮、音、熱、電和機(jī)械性質(zhì)均分別以縱向（tion）、徑向（tion）和弦向（tion）予以描述比較。圖4木材的三方向（,1982,Fig.3-9)木材與水樹木體內(nèi)因生理的需要，原就含有相當(dāng)多的水，當(dāng)樹木死亡或被砍伐后，部份的水分便開始由木材移向其周圍的環(huán)境，如果繼續(xù)干燥到某一個(gè)程度，木材的尺寸及其它物理性質(zhì)也將隨之改變。木材在制成板材、單板、粒片

4、或纖維時(shí)，仍保有一些水分在它們的細(xì)胞壁，而此水分的量及變化將會(huì)影響木材的物理機(jī)械性質(zhì)、腐朽的抵抗及尺寸的安定性木材和木制品的各項(xiàng)性質(zhì)，幾乎都受到木材內(nèi)水分的影響，了解水分在木材存在的狀態(tài)及變化，將有助于木材的有效利用。木材內(nèi)部水分的含量常以水的重量和絕干木材（不含水分）重量比值的百分率來(lái)表示。含水率（MC）=（水重/木材絕干重）x100%木材在生材狀態(tài)時(shí)其水分是存在細(xì)胞壁和細(xì)胞腔中，此時(shí)的含水率稱為生材含水率。在砍伐后，若置于一外在環(huán)境下，則因?yàn)槟静膬?nèi)部的水蒸氣壓較外在環(huán)境為大，水分便由內(nèi)部向外在環(huán)境移動(dòng)，木材于是開始干燥，在細(xì)胞腔的水將會(huì)先被移除（圖r,1982）當(dāng)木材內(nèi)的水蒸氣壓和外在環(huán)境

5、的水蒸氣壓達(dá)成動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)的含水率稱為平衡含水率（nt,EMC）,平衡含水率的大小會(huì)依木材所處環(huán)境的溫度和濕度而定，若外在環(huán)境為大氣環(huán)境，則此平衡含水率稱之為氣干含水率，此時(shí)木材稱之為氣干材，氣干材的含水率將會(huì)隨地區(qū)而不同（表eenr,1982）。表1木材在不同溫度和相對(duì)濕度下之平衡含水率（r,1982）相對(duì)度TC20%30%40%50%60%70%80%90%30(-1)4.66.37.99.511.313.516.521.050(10)4.66.37.99.511.21M41&420.970(21)4.56.27.79.211.013.116.020.590(32)4.35.97.43.

6、910.512.615.419.8110(43)4.05.67.0S.410.012.014.719.1130(54)3.75.26.67.99.411.314.01S.2150（殉3.-44.86.17.48.S10.613.117.2170）3.04.35.66.S8.29.912.316.2上述存在細(xì)胞腔的水，因?yàn)檩^容易從木材中移除，稱之為自由水（freew）；而存在于細(xì)胞壁內(nèi)的水，因?yàn)楹湍静膬?nèi)部化學(xué)成分如纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等有吸引力（氫鍵），而不易離開木材，稱之為結(jié)合水（）。木材由生材干燥時(shí)，將先喪失自由水，如果在某一特定時(shí)點(diǎn)，木材內(nèi)部沒(méi)有自由水，但結(jié)合水仍充滿細(xì)胞壁時(shí)，特稱為纖

7、維飽和點(diǎn)（，F(xiàn)SP）,在纖維飽和點(diǎn)的含水率約為25%35般以30%表示。自由水的增加或減少，只會(huì)增加或減少木材的重量，但結(jié)合水的增減卻會(huì)影響木材的膨脹收縮機(jī)械、熱、電和音等性質(zhì)。WaterinacellWaterinac電IIofgreenwoodofdrywoodSaturatedwatervaporLiquidwaterCellwall$sturatedwithwaterWlervaparInequilibriumwithmoistureInthecellwaffCellwallcontainEngsomewaler圖5木材細(xì)胞內(nèi)的水（eenr,1982,Fig.8.1)木材的膨脹收縮木材

8、在纖維飽和點(diǎn)以下時(shí)，含水率的增減亦即結(jié)合水的增減，將使木材膨脹收縮，含水率的增減通常是因?yàn)槟静乃幁h(huán)境的溫濕度改變，而木材與之達(dá)到新的平衡所致。膨脹和收縮的大小通常是以膨脹率和收縮率來(lái)表示。表2（王松永,1983）列有部分省產(chǎn)木材的全收縮率和平均收縮率，全收縮率指由生材到絕干材的收縮率，其含水率的減少值約等于纖維飽和點(diǎn)的含水率，所以又將全收縮率除以木材的纖維飽和點(diǎn)而得到平均收縮率，代表含水率每減少1%時(shí)的收縮率。一般在實(shí)際應(yīng)用上都是使用平均收縮率來(lái)計(jì)算木材的收縮量，方法是高含水率減最終含水率所得的差值再和平均收縮率相乘而得到收縮率，此收縮率乘上原來(lái)尺寸即為木材在該方向的收縮量。表2部份省產(chǎn)木材

9、之收縮率（王松永，1983）樹種絕干ktB率（）平均率（）弦向徑向弦向徑向扁柏0.5476.452.890.220.11紅檜0.43376.253.470.230.06亞杉0.3717.922.860.180.11鐵杉0.5947.144.570.280.19臺(tái)灣二葉松0.5316.153.700.340.25紅豆杉0.51143.340.160.09琉球松0.3756.703.100.310.13云杉8.044.080.310.16泡桐0.4176.483.700.230.15鐵刀木0.8578.154.370.370.22臺(tái)灣棒0.8455.732.880.270.16烏心石0.6677.

10、753.740.400.21印度紫檯0.5364.622.910.130.10苦扁桃葉石棟0.83510.495.680.220.14赤暢0.4968.283.330.250.09相思樹0.92010.574.310.350.12長(zhǎng)尾柯0.90513.193.820.230.05短尾葉石櫬0.61810.743.740.250.08木荷0.5436.744.150.240.15光臘樹0.84010.036.280.340.21臺(tái)灣柚木0.6504.902.120.260.12長(zhǎng)尾尖儲(chǔ)0.6708.894.040.280.14表2中列有弦向和徑向的收縮率，但沒(méi)有縱向的值，是因?yàn)榭v向的收縮一般都非

11、常小，所以常常予以忽略不計(jì)，表2也可觀察到弦向收縮率大于徑向收縮率，一般而言，木材在弦向、徑向和縱向收縮率的比值大約為10:5:0.51,收縮率在木材三方向比值的差異稱之為收縮方性，圖ook,1999）所示木材橫切面在干燥后的變形，是因?yàn)槭湛s時(shí)的異方性所造成。木材在大氣環(huán)境下的平衡含水率會(huì)隨地區(qū)的溫濕度而有不同，但一般都在20%MC以下，也就是在纖維飽和點(diǎn)以下，所以木材若由生材狀態(tài)到氣干狀態(tài)必然的會(huì)引起收縮，有收縮就有異方性，于是就產(chǎn)生變形（圖ey,1986），變形若太大，就可能產(chǎn)生開裂的問(wèn)題。所以一般木材在砍伐制材后都須經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)母稍镞^(guò)程，使其含水率下降到氣干狀態(tài)才能進(jìn)一步的利用。干燥的方法

12、有天然干燥和人工干燥兩種，或兩者配合使用。圖6木材橫斷面的變形（ook,1999,Fig.3-3）圖7木板之變形(ey,1980,Fig.1,p.80)在木材工業(yè)常使用下列方法來(lái)控制木材的膨脹收縮（r,1980）干燥與調(diào)濕（ng）將木材予以干燥至將來(lái)使用場(chǎng)合之平衡含水率以下，以避免大的收縮，但要降低因?yàn)槭褂脠?chǎng)合相對(duì)濕度變動(dòng)所引起的收縮和膨脹，則要使用下列方法。調(diào)整木理方向（）交錯(cuò)結(jié)合（ng）使不同層板的纖維方向成互相垂直并予以膠合以互相牽制變形。典型的例子如合板內(nèi)各相鄰單板（r）間的縱向是互相成垂直的如圖8（een&r,1982）。圖中表底面單板在縱向的膨潤(rùn)收縮極小，心板橫向卻有極大膨潤(rùn)收縮。

13、由于膠合劑之鍵結(jié)作用使三層單板同步變形，所以凈收縮量（或膨潤(rùn)量）介于木材橫向的大收縮量和縱向的小收縮量之間。又由于木材在纖維方向（縱向）之強(qiáng)度大于橫向者數(shù)倍，故合板之變形與否取決于縱向的變形；合板之橫向變形主由心板決定，此心板之纖維走向與合板之橫向一致，故收縮變形亦受其外之面底板限制，因此合板之尺寸相當(dāng)穩(wěn)定。當(dāng)比較相同厚度的板材和合板時(shí)，合板在板面具有較佳的尺寸安定性。Comparisonollinearswillingter*stiesprywood譬urirBtrairiocIn辛事&ffaceveneeraat夕Q口totfi#coreveneerOrloknjhldfirTioinB-

14、ioniSiwhndryDlmon&ionWh-OHwetIiicIIvIcImivIv-onrmrsDrydlrnvrisiOiisOlmerkaionBofurnrlrandlyeneerawhenwel3kGrairhilirec：1i&ni圖8合板的交錯(cuò)結(jié)構(gòu)（r,1982,Fig.8.11)避免沾水（）阻礙水氣（）利用涂裝或貼面來(lái)降低或阻礙木材內(nèi)部水氣與外界流通。藥劑處理（cals）利用交聯(lián)劑（-）如甲醛或膨脹劑（）如聚乙二醇（PEG）等藥劑處理木材，能有效防止木材的膨脹收縮。制成木塑材（site）木材的比重（或密度）木材的比重是木材中最重要的物理特性，因?yàn)榇蟛糠值男再|(zhì)都和比重或密度有

15、密切的相關(guān)性。密度是物質(zhì)的質(zhì)量和體積的比值，代表每單位體積所含的質(zhì)量，其單位常為kg/m3或g/cm3。而比重乃物質(zhì)的密度和水密度比值，并不具有單位，因?yàn)樗拿芏葹閘g/cm3,所以如使用g/cm3為密度單位時(shí)，比重的數(shù)值恰好和密度（g/cm3）之?dāng)?shù)值相同，所以二者?；旌鲜褂?。木材由于其吸濕吸水的特性，其質(zhì)量會(huì)隨木材的含水量增加而增加直到水分子充滿細(xì)胞腔和細(xì)胞壁，但體積會(huì)由絕干時(shí)的最小值隨著含水量的增加而膨脹至纖維飽和點(diǎn)為止，所以在不同含水率下木材的比重和密度是會(huì)不同，一般木材的絕干比重大約介于0.17（白塞木）至1.2（愈瘡木e），一般在描述比重或密度均會(huì)指出是在何種含水率狀態(tài)下的比重或密度

16、，例如絕干比重、氣干比重、生材比重或在某含水率下之比重。比重愈大，代表木材內(nèi)細(xì)胞壁所占的比例也愈多，木材吸水膨脹的大小隨比重的增加而增加，體積的全膨脹率約為比重的28倍。木材的強(qiáng)度亦會(huì)隨比重增加而增加。木材的機(jī)械性質(zhì)木材制材及其它木質(zhì)板材如合板、粒片板和纖維板的主要用途在建筑和家具等結(jié)構(gòu)體上，所以必須考慮機(jī)械的性質(zhì)包含強(qiáng)度和彈性性質(zhì)。木制品在使用時(shí)有時(shí)會(huì)受到引張如圖9（r,1980）所示之弦材（），或受到壓縮如圖10（r,1980），或受到剪斷如圖11（r,1980），或彎曲如圖12（r,1980），或受到?jīng)_擊像棒球運(yùn)動(dòng)中的球擊中球棒時(shí)，球棒所受到是一種動(dòng)態(tài)的彎曲。當(dāng)木材受到外力時(shí)其內(nèi)部會(huì)引發(fā)

17、應(yīng)力（s）和應(yīng)變（n）,如以壓縮為例，若將外力除以受力面積，亦即每單位面積所承受的力，稱之為應(yīng)力（如圖13,r,1982）。當(dāng)物體受力時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生變形，如將此變形與其原來(lái)的尺寸相比，就稱為應(yīng)變（圖13），應(yīng)力和應(yīng)變都是一種平均的觀念。有了平均才適合彼此的比較。如果將受力過(guò)程中應(yīng)力與應(yīng)變的變化記錄并作圖則會(huì)得到類似圖之應(yīng)力應(yīng)變圖（eenr,1982）。通常將應(yīng)力放在縱軸，如圖14所示，應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系在比例限度應(yīng)力（）下，會(huì)有直線的關(guān)系，表示應(yīng)力和應(yīng)變會(huì)有符合虎克定律的比例關(guān)系，此比值稱之為彈性系數(shù)（），彈性系數(shù)的大小表示在相同的應(yīng)力下是否容易變形，彈性系數(shù)大的應(yīng)變較小。在圖14中應(yīng)力有一最大值

18、稱之為極限應(yīng)力或強(qiáng)度。當(dāng)木材開始受力時(shí)，其應(yīng)力會(huì)持續(xù)增加，當(dāng)?shù)竭_(dá)極限應(yīng)力時(shí)，便會(huì)破壞斷裂，木材當(dāng)做家具或建筑材料時(shí)，必須考慮其外力所引起的應(yīng)力，而設(shè)計(jì)使不超過(guò)其強(qiáng)度，真正設(shè)計(jì)時(shí)因考慮到木材天然的變異性及其它環(huán)境因素如濕度和安全性，規(guī)定木材的應(yīng)力是不可超過(guò)某一容許應(yīng)力（s），此容許應(yīng)力是遠(yuǎn)較強(qiáng)度為小。不同材種和木質(zhì)板材在不同的受力方式和不同木理方向會(huì)有不同的容許應(yīng)力值。圖9引張(r,1980,Fig.4.1)圖10壓縮(r,1980,Fig.4.3)Shearing圖11剪斷(r,1980,Fig.4.6)Connpres&iQn圖12靜曲(r,1980,Fig.4.4)IIJuslrslion

19、of睪n口strainincionp-flrfallail&ralnRelationbetweenstressandstrainatypical1canifprass-lonpar-aIllto-draInteatfi-000upoundbemat甘Torc-&史Mi心心psiT.tlss/Stroa-&aociiDigin-3=SOOOpelYounism-Qiriulus(MOE)-stress十3tram=2000i-0.0012-TCPpsiSEressilfailure(maximumcruhigWngth)圖13以壓縮為例之應(yīng)力和應(yīng)變圖14應(yīng)力應(yīng)變圖r,1982,Fig.10.)r

20、,1982,Fig.10.3)木質(zhì)板材木材利用的形式除了以制材的實(shí)木形式外，也常使用木質(zhì)板材，所謂木質(zhì)板類包括合板、粒片板和纖維板等。大部份的木質(zhì)板材是用于建筑、家具及其它各種用途。工業(yè)上制造木質(zhì)板材的基本方法相近，都是先將原料分解成小片或薄片再組合成大的板材。合板是將數(shù)層旋切單板-r)(圖15,Kublr,1980)使其相鄰單板的木理方向互相垂直膠合而成，其它木質(zhì)板材亦常用來(lái)當(dāng)做合板的心板(圖r,1982)。粒片板因所使用粒片的大小而有不同的名稱，或稱為粒片板ard),或方薄片粒片板)，或配向粒片板)等。其制造方式是將材材粒片和膠混合，再以擠壓或平壓方式制成板材。纖維板則可將視為超厚硬紙板，兩者之主要成份皆為纖維、纖維束和纖維碎片，以天然鏈接方式或加入少量膠合劑膠合成板。纖維板依密度分為軟質(zhì)纖維板(0.8g/cm3)，最常用于家具的是中密度纖維板。有一些纖維板的兩面都是平整光滑的，而有一些則在背面具有縱橫篩網(wǎng)之紋路，是因?yàn)樵谥瓢鍟r(shí)，熱壓機(jī)上纖維板壞的下側(cè)常有一金屬網(wǎng)以利水分蒸發(fā)散逸。AllsnnalirieconslruelkinaCwiiiplfLurtitiB-Tcoreplywood圖15不同結(jié)構(gòu)之合板(r,1982,Fig.14.1)圖16單板的形成(r,198