木材的外觀、三切面、三方向及紋理

I.刖言天然的木材由于質(zhì)輕而強、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，樹木形成層的生長機制也造成木材的異方性，另外木材的濕脹干縮性質(zhì)也會造成利用上的困擾，所以要有智慧的利用木材，必須對木材的各項性質(zhì)加以認識。II.木材的外觀、三切面、三方向及紋理木材由樹木鋸切而來，依鋸切的方式呈現(xiàn)不同的紋理，圖1(HaygreenandBowyer,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(outerbark)、韌皮部(phloem)、形成層(cambium)、邊材(sapwood)和心材(heartwood)、圖中斷同心圓稱之為年輪(annualring)，而圓心則稱之為髓心(pith)。Out日Out日『bar!圖1樹干圓盤(HaygreenandBowyer,1982,Fig.1.5)如果將木材的橫切面(crosssurface)延其半徑方向切開，則可看到木材的徑切面(radialsurface)，如果延圓周的切線方向予以切開，則可得到弦切面(tangentialsurface)，圖2(Kubler,1980)完整的呈現(xiàn)出木材之三切面。木材細胞的形狀大小和分布在三切面各有不同，所以鑒別木材時常觀察比對此三切面的特徵。木材在使用時很少是以圓柱的形式來利用，常常會將木材切割為制材。

圖2木材之三切面(Kubler,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3(HaygreenandBowyer,1982)。在徑切面會看到年輪以平行線的方式呈現(xiàn)，而在弦切面打致會出現(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，而板寬面出現(xiàn)徑切面的板稱為徑面板。圖3徑面板與弦面板(HaygreenandBowyer,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，于是利用直交座標系統(tǒng)來簡化并描述木材，如圖4(BodigandJayne,1982)。所以討論木材的各項性質(zhì)如膨脹收縮、音、熱、電和機械性質(zhì)均分別以縱向(longitudinaldirection)、徑向(radialdirection)和弦向(tangentialdirection)予以描述比較。LN)LN)圖4木材的三方向(BodigandJayne,1982,Fig.3-9)III.木材與水樹木體內(nèi)因生理的需要，原就含有相當多的水，當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、粒片或纖維時，仍保有一些水分在它們的細胞壁，而此水分的量及變化將會影響木材的物理機械性質(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表示。含水率(％MC)=(水重/木材絕干重)x100%木材在生材狀態(tài)時其水分是存在細胞壁和細胞腔中，此時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，則因為木材內(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，木材于是開始干燥，在細胞腔的水將會先被移除(圖5,HaygreenandBowyer,1982)當木材內(nèi)的水蒸氣壓和外在環(huán)境的水蒸氣壓達成動態(tài)平衡，此時的含水率稱為平衡含水率(EquilibriumMoistureContent,EMC)，平衡含水率的大小會依木材所處環(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，此時木材稱之為氣干材，氣干材的含水率將會隨地區(qū)而不同(表1,Haygreen&Bowyer,1982)。

WaterinacellWaterinacellofgreenwoodofdrywoodSaturatedLiquidwaterCellwallsaturaledwithwat?rGsllwallCdh-lalnlngs-o=mewalerWaterinacellWaterinacellofgreenwoodofdrywoodSaturatedLiquidwaterCellwallsaturaledwithwat?rGsllwallCdh-lalnlngs-o=mewalerWaiarvaparInequilibriumwithmoisluraInthecellwan—圖5木材細胞內(nèi)的水(Haygreen&Bowyer,1982,Fig,8.1)表1木材在不同溫度和相對濕度下之平衡含水率(Haygreen&Bowyer,1982)相對￡度T■30%40%50%和嘰70%30%90%30(-1)4.67.93.511.313.516.521.050(10)4五輕7.99.511.213.416.420.P70⑵)4.56.27.79.211.013.116.020.590㈣4.35.9?.410.512.615.4l?.g110143)4.03.67.0￡.410.012.014.713.1130(54)3.75.26.67.P9.411.314.013.2150㈣王44.86.1了.48.S10.613.117.21703.04.35.66.S8.29.912.31S.2上述存在細胞腔的水，因為較容易從木材中移除，稱之為自由水(freewater)；而存在于細胞壁內(nèi)的水，因為和木材內(nèi)部化學成分如纖維素、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(boundwater)□木材由生材干燥時，將先喪失自由水，如果在某一特定時點，木材內(nèi)部沒有自由水，但結(jié)合水仍充滿細胞壁時，特稱為纖維飽和點(FiberSaturationPoint,FSP)，在纖維飽和點的含水率約為25%?35—般以30%表示。自由水的增加或減少，只會增加或減少木材的重量，但結(jié)合水的增減卻會影響木材的膨脹收縮機械、熱、電和音等性質(zhì)。IV.木材的膨脹收縮木材在纖維飽和點以下時，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為木材所處環(huán)境的溫濕度改變，而木材與之達到新的平衡所致。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的含水率，所以又將全收縮率除以木材的纖維飽和點而得到平均收縮率，代表含水率每減少1%時的收縮率。一般在實際應(yīng)用上都是使用平均收縮率來計算木材的收縮量，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，此收縮率乘上原來尺寸即為木材在該方向的收縮量。表2部份省產(chǎn)木材之收縮率（王松永，1983）M種絕干率O)平均昨率㈣JtS弦向徑向弦向徑向扁柏0.5476.452.E90.220.11紅檜0.43376.253.470.230.06亞杉0.3717.920.130.11鐵杉0.5947.144.570.2S0.19臺灣二葉松0.5316.153.700.340.25紅豆杉0.5114.693.340.160.09琉球松0.3756.703.100.310.13云杉8.044.080.310.16泡桐0.4176.4S3.700.230.15鐵刀木0.8578.154.370.370.22臺灣棒0.S455.732.3S0.270.16烏心石0.6^77.753.740.400.21印度幣H0.5364.622.910.130.10苦扁桃葉石棟0.83510.495.68o.n0.14赤楊0.4?68.283.330.250.09相思樹0.P2010.574.310.350.12長屋柯0.90513.193.E20.230.05短尾葉石採0.61210.743.740.25O.OS木荷0.5436.744.150.240.15光臘樹0.84010.086.280.340.21臺灣柚木0.6504.P02.120.260.12長尾尖儲0.670S.894.040.230.14表2中列有弦向和徑向的收縮率，但沒有縱向的值，是因為縱向的收縮一般都非常小，所以常常予以忽略不計，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10:5:0.5?1,收縮率在木材三方向比值的差異稱之為收縮方性，圖6（WoodHandbook,1999）所示木材橫切面在干燥后的變形，是因為收縮時的異方性所造成。木材在大氣環(huán)境下的平衡含水率會隨地區(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以下，所以木材若由生材狀態(tài)到氣干狀態(tài)必然的會引起收縮，有收縮就有異方性，于是就產(chǎn)生變形（圖7,Hoadley,1986），變形若太大，就可能產(chǎn)生開裂的問題。所以一般木材在砍伐制材后都須經(jīng)過適當?shù)母稍镞^程，使其含水率下降到氣干狀態(tài)才能進一步的利用。干燥的方法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(WoodHandbook,1999,Fig.3-3)圖7木板之變形(Hoadley,1980,Fig.1,p.80)在木材工業(yè)常使用下列方法來控制木材的膨脹收縮(Kubler,1980)干燥與調(diào)濕(DryingandConditioning)將木材予以干燥至將來使用場合之平衡含水率以下，以避免大的收縮，但要降低因為使用場合相對濕度變動所引起的收縮和膨脹，則要使用下列方法。調(diào)整木理方向(OrientationofFibersandAnnualRings)交錯結(jié)合(Crossbanding)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(veneer)間的縱向是互相成垂直的如圖8(Haygreen&Bowyer,1982)。圖中表底面單板在縱向的膨潤收縮極小，心板橫向卻有極大膨潤收縮。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穩(wěn)定。當比較相同厚度的板材和合板時，合板在板面具有較佳的尺寸安定性。Comparleonoflinedv1dwelling:ohRr&cteristics<1*1X00-1^1^pVywocxlva-.umr^otraiiriaicdwinnar^^圖8合板的交錯結(jié)構(gòu)(HaygreenandBowyer,1982,Fig.8.11)避免沾水(ExclusionofLiquidWater)阻礙水氣(RetardingtheExchangeofWater)利用涂裝或貼面來降低或阻礙木材內(nèi)部水氣與外界流通。藥劑處理(Stablizingwithchemicals)利用交聯(lián)劑(cross-linkingagent)如甲醛或膨脹劑(bulkingagent)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(MakingWoodPlasticComposite)V.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，因為大部分的性質(zhì)都和比重或密度有密切的相關(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，因為水的密度為1g/cm3,所以如使用g/cm3為密度單位時，比重的數(shù)值恰好和密度(g/cm3)之數(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)量會隨木材的含水量增加而增加直到水分子充滿細胞腔和細胞壁，但體積會由絕干時的最小值隨著含水量的增加而膨脹至纖維飽和點為止，所以在不同含水率下木材的比重和密度是會不同，一般木材的絕干比重大約介于0.17(白塞木,Balsa)至1.2(愈瘡木,Lignumvitate)，一般在描述比重或密度均會指出是在何種含水率狀態(tài)下的比重或密度，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。木材的強度亦會隨比重增加而增加。VI.木材的機械性質(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，所以必須考慮機械的性質(zhì)包含強度和彈性性質(zhì)。木制品在使用時有時會受到引張如圖9(Kubler,1980)所示之弦材(chord),或受到壓縮如圖10(Kubler,1980)，或受到剪斷如圖11(Kubler,1980)，或彎曲如圖12(Kubler,1980)，或受到?jīng)_擊像棒球運動中的球擊中球棒時，球棒所受到是一種動態(tài)的彎曲。當木材受到外力時其內(nèi)部會引發(fā)應(yīng)力(stress)和應(yīng)變(strain),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,HaygreenandBowyer,1982)。當物體受力時，它會產(chǎn)生變形，如將此變形與其原來的尺寸相比，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。如果將受力過程中應(yīng)力與應(yīng)變的變化記錄并作圖則會得到類似圖14之應(yīng)力應(yīng)變圖(Haygreen&Bowyer,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(proportionallimit)下，會有直線的關(guān)系，表示應(yīng)力和應(yīng)變會有符合虎克定律的比例關(guān)系，此比值稱之為彈性系數(shù)(ModulusofElasticity)，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)力有一最大值稱之為極限應(yīng)力或強度。當木材開始受力時，其應(yīng)力會持續(xù)增加，當?shù)竭_極限應(yīng)力時，便會破壞斷裂，木材當做家具或建筑材料時，必須考慮其外力所引起的應(yīng)力，而設(shè)計使不超過其強度，真正設(shè)計時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)力是不可超過某一容許應(yīng)力(allowablestress)，此容許應(yīng)力是遠較強度為小。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有不同的容許應(yīng)力值。圖9引張(Kubler,1980,Fig.4.1)圖10壓縮(Kubler,1980,Fig.4.3)SHEAHINGIftDbERTEST圖11剪斷(Kubler,1980,Fig.4.6)F/2F/￡□Dmpnes^iQn圖12靜曲(Kubler,1980,Fig.4.4)IIIuslrationofstressandstrainin亡□VTi口i1吉直直了心叭mH呂I1&^ralnaoooUpourud-Quinolcnfo■廠ubRelationbetweenstressandstrainatypical1compros&lonpBrftll?l-t￡?Hgra]nteatIriii^rrial&礙ZP=1SIriii^rrial&礙ZP=1S1re曰&駕竽學=2000pElStress曲*-faEIXire(maximumi^ru?hing^Wngth)E.OOO-S.WSfl

~V0.00T2iin.fbn.YOUm(issm^￡l；ulu￡5(MOE)—」stress十strain=zooqf0s(X)I￡a1-&7xIQ1"psi圖13以壓縮為例之應(yīng)力和應(yīng)變圖14應(yīng)力應(yīng)變圖(HaygreenandBowyer,1982,Fig.10.)(HaygreenandBowyer,1982,Fig.10.3)VII.木質(zhì)板材木材利用的形式除了以制材的實木形式外，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(rotary-cutveneer)(圖15,Kubler,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)板材亦常用來當做合板的心板(圖16,HaygreenandBowyer,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(particleboard)，或方薄片粒片板(waferboard),或配向粒片板(orientedstrandboard)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(<0.35g/cm3)、中密度纖維板(介于0.35和0.8g/cm3之間)和硬質(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，是因為在制板時，熱壓機上纖維板壞的下側(cè)常有一金屬網(wǎng)以利水分蒸發(fā)散逸。圖15不同結(jié)構(gòu)之合板(HaygreenandBowyer,1982,Fig.14.1)圖16單板的形成(Kubler,1980,Fig.5.5)不同木質(zhì)板材在靜曲時的強度和彈性性質(zhì)如圖17和18(王松永，1992)所示。木質(zhì)板材或由于相鄰兩層之纖維走向因互相垂直和合板，或由于粒片和纖維之隨機排列，使

得其性質(zhì)和木材比較時是較均質(zhì)且異方性較低。大部份的木質(zhì)板材在平面上兩方面的強度和尺寸都較接近。例如合板在平面方向之收縮膨潤約為實木制材縱向變形之兩倍，前以提及木材之縱向變形原本就很小，即使加倍，也是相當有限。較須注意的這些木質(zhì)板材在厚度方向都有較木材橫向為大的膨脹率，且一旦膨脹不能回復(fù)，為避免反翹，在利用上也盡量不要使其兩面的相對濕度有差異，另由于板厚通常小于1