木材的干縮與濕脹

1、木材的干縮與濕脹 干縮和濕脹是木材的固有性質(zhì)， 干縮和濕脹使木制品尺寸變化。 干燥后的木材尺寸會(huì)隨 著周圍環(huán)境濕度、 溫度的變化而變化， 木材加工企業(yè)生產(chǎn)和日常生活中常會(huì)見到木材產(chǎn)品發(fā) 生翹曲、變形現(xiàn)象。干縮和濕脹為木材利用的重大缺點(diǎn)，掌握理解其產(chǎn)生原因與發(fā)生規(guī)律， 研究其防止方法對(duì)木材加工和利用來說具有重要意義。1 木材干縮與濕脹 1.1 木材干縮和濕脹現(xiàn)象（ 1）木材干縮和濕脹 濕材因干燥而縮減其尺寸的現(xiàn)象稱之為干縮； 干材因吸收水分而增 加其尺寸與體積的現(xiàn)象稱之為濕脹。 干縮和濕脹現(xiàn)象主要在木材含水率小于纖維飽和點(diǎn)的這 種情況下發(fā)生，當(dāng)木材含水率在纖維飽和點(diǎn)以上，其尺寸、體積是不會(huì)發(fā)生變

2、化的。木材干縮與木材濕脹是發(fā)生在二個(gè)完全相反的方向上， 二者均會(huì)引起木材尺寸與體積的 變化。 對(duì)于小尺寸而無束縛應(yīng)力的木材， 理論上說其干縮與濕脹是可逆的； 對(duì)于大尺寸實(shí)木 試件，由于干縮應(yīng)力及吸濕滯后現(xiàn)象的存在，干縮與濕脹是不完全可逆的。干縮與濕脹對(duì)木材利用有很大的影響。 干縮對(duì)木材利用的影響主要是引起木制品尺寸收 縮而產(chǎn)生的縫隙、 翹曲變形與開裂； 濕脹不僅增大木制品的尺寸發(fā)生地板隆起、 門與窗關(guān)不 上，而且還會(huì)降低木材的力學(xué)性質(zhì)，唯對(duì)木桶、木盆及船等浸潤(rùn)脹緊有利。（ 2）木材干縮（濕脹）的種類 木材的干縮分為線干縮與體積干縮二大類。線干縮又分 為順著木材紋理方向的縱向干縮和與木材紋理相垂

3、直的橫向干縮。 在木材的橫切面上， 按照 直徑方向和與年輪的切線方向劃分，橫向干縮分為徑向干縮與弦向干縮?？v向干縮是沿著木材紋理方向的干縮，其收縮率數(shù)值較小，僅為0.1 0.3%，對(duì)木材的利用影響不大。橫紋干縮中，徑向干縮是橫切面上沿直徑方向的干縮，其收縮率數(shù)值為 36%；弦向干縮是沿著年輪切線方向的干縮，其收縮率數(shù)值為6 12%，是徑向干縮的 1-2倍。由于木材結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使得它在干縮和濕脹性質(zhì)上表現(xiàn)出明顯的方向性， 各個(gè)方向干縮濕脹 的不均勻性對(duì)木材加工利用有重要影響，不可忽視。由于木材徑向干縮、 弦向干縮數(shù)值均較大， 導(dǎo)致其體積干縮數(shù)值大， 通常木材體積干縮 數(shù)值在 120%范圍內(nèi)變化。這大

4、數(shù)量的體積變化，對(duì)于含水量高的板材、方材和原木等產(chǎn)品 來說，在貿(mào)易上會(huì)產(chǎn)生材積數(shù)量的短缺，木材流通領(lǐng)域應(yīng)注意此問題。1.2 影響木材干縮和濕脹主要因素，木材干縮濕脹除了明顯的各個(gè)方向的異性外，還與 下列因素有關(guān)。（ 1）樹種 樹種不同，其構(gòu)造和密實(shí)程度不同，干縮濕脹樹種間差異很大（表 5-5 ）。有 的樹種很容易干燥， 干縮濕脹和變形都很小， 而有的樹種特難干燥，其干縮濕脹很大， 使用 和干燥過程中特別易發(fā)生開裂變形。（ 2）微纖絲角度 木材管胞或纖維胞壁 S2 層微纖絲角度對(duì)木材各向干縮有較大的影響， 如圖 5-8 。微纖絲角增大，縱向干縮變大，而弦向干縮變小。特別是微纖絲角大于30，木材縱

5、向干縮明顯增大， 會(huì)因起板材翹曲現(xiàn)象。 人工林短周期小徑材或帶有髓心的板材易發(fā)生此 種現(xiàn)象，直接影響到板材的利用。（ 3）晚材率 木材年輪內(nèi)早晚材顏色差異大，反映出其密實(shí)程度差異大?，F(xiàn)代技術(shù) X- 射 線密度儀顯示晚材最大密度要比早材最小密度大 2-3 倍。表 5-6 為馬尾松木材晚材率與其橫 紋干縮間的關(guān)系， 隨著晚材率的增大， 徑弦向干縮率直線增加， 并且弦向干縮始終大于徑向 干縮。表 5-3 中三個(gè)樹種為分離后的早材、晚材分別測(cè)定的結(jié)果， 早材、晚材弦向干縮也大 于其徑向干縮。 這也反映出密實(shí)程度大的晚材干縮性， 要比密實(shí)程度小、 松軟的早材干縮大 得多。 木材的順紋干縮與此相反，即木材

6、順紋干縮率與密度成反比。當(dāng)晚材率增加時(shí)， 順紋 干縮減小，即木材密度愈小，早材相應(yīng)增多，順紋干縮亦因而愈大。之所以如此變異，為早 材次生壁的中間層較薄，微纖絲的排列相對(duì)的成較大角度，木材順紋干縮與此角度成正比，所以早材率越大，木材順紋干縮也越大；晚材率大，木材順紋干縮小。4）樹干中的部位 樹干中近髓心的木材，其縱向干縮率大， 徑向干縮與弦向干縮?。?而 遠(yuǎn)離髓心的和近樹皮處的木材縱向干縮小， 徑向干縮與弦向干縮小。 這種變化與木材密度和 纖絲角度隨年齡變化規(guī)律有關(guān)。2 木材干縮與濕脹各向差異的原因木材干縮、濕脹之所以有縱向、橫向不同及徑向與弦向的差異，主要與組成木材這種材 料的細(xì)胞種類、 細(xì)胞

7、壁構(gòu)造和化學(xué)成分特性相關(guān)。 針葉材主要是有管胞組成， 有少量的木射 線組織。闊葉材主要組成分子是木纖維、 導(dǎo)管、軸向薄壁組織和木射線。它們細(xì)胞壁主要化 學(xué)組成是纖維素、 木素和半纖維素及少量浸提物。 理解這些細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)特性和化學(xué)成分的性 質(zhì)，就不難理解木材干縮與濕脹各向差異的原因。 下面分別敘述順紋方向（縱向） 干縮與橫 紋方向（橫向）干縮差異及橫向干縮中徑向與弦向差異的原因。2.1 縱向干縮與橫向干縮差異的原因木材縱向干縮小，橫向干縮大。形成此種現(xiàn)象的主要原因，關(guān)鍵在于木材的構(gòu)造和化學(xué) 組成成分的特性。 木材中僅有木射線細(xì)胞是橫向排列， 絕大部分細(xì)胞是縱向排列。 而細(xì)胞壁 以次生壁占絕大部分

8、，次生壁中 S2層占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)（ 70 90%），因此木材干縮主要取決于次 生壁 S2 層微纖絲的排列方向。微纖絲是由纖維素長(zhǎng)鏈狀分子組成，纖維素與水有很大的親 和力，木材的含水率在纖維飽和點(diǎn)時(shí)，細(xì)胞壁完全充滿水，如圖5 10A。當(dāng)含水率在纖維飽和點(diǎn)以下時(shí)，木材開始干燥，水分蒸出，微纖絲之間的距離逐漸縮小，如圖5 10B；至絕干材時(shí)達(dá)到最大干縮量，如圖5 10C。反之絕干材吸收水分后，微纖絲之間的距離逐漸增大，木材膨脹，直至纖維飽和點(diǎn)時(shí)達(dá)到最大濕脹量。木材細(xì)胞壁次生壁中間層微纖絲主軸是由C-C、 C-O鍵連結(jié)，水分子無法進(jìn)入到纖維素分子鏈內(nèi)的長(zhǎng)度方向。 微纖絲鏈狀分子上的碳、 氧原子只能在原子核

9、范圍內(nèi)活動(dòng)， 其本身軸 向不發(fā)生收縮。由于正常木材細(xì)胞次生壁中層微纖絲排列方向與主軸不完全平行，而成 10 30o 的夾角，橫紋收縮時(shí)在軸向會(huì)產(chǎn)生微小的分量（0.1-0.3% ）。因此軸向收縮很小，橫向干縮大于縱向?？v向收縮的大小主要取決于微纖絲角的大小。由于S1層、 S3層微纖絲排列方向與主軸近于垂直， S1 層微纖絲在內(nèi)起著支架作用， 限制 S2 層向內(nèi)收縮； S3層微纖 絲在外層圈著 S2 層，限制 S2層向外過度膨脹，因此木材不會(huì)發(fā)生無限膨脹和無限收縮。2.2 徑向與弦向干縮差異的原因木材徑向干縮是弦向干縮的一半，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因復(fù)雜，不是單一理論可以解釋， 而且與不同的樹種、 木材

10、的構(gòu)造有關(guān)。目前， 解釋其原因主要有早晚材的影響、徑向木射線 的抑制作用、細(xì)胞徑向壁與弦向壁木素含量的差異及紋孔數(shù)量多少的影響等理論。（ 1）早材與晚材的影響 木材收縮量與其細(xì)胞壁所含物質(zhì)含量多少成正比。 早材材質(zhì)輕軟， 細(xì)胞壁物質(zhì)含量少， 密實(shí)程度低， 干縮?。?晚材材質(zhì)較硬， 細(xì)胞壁物質(zhì)含量多， 密實(shí)程度大， 干縮大。 橫切面上徑向， 年輪中早材與晚材是串聯(lián)的， 徑向干縮是早材干縮和晚材干縮的加 權(quán)平均值。 而弦向， 年輪中早材與晚材是并聯(lián)的， 弦向干縮主要受晚材的影響，干縮大的晚 材迫使整個(gè)年輪均隨晚材干縮， 因而使弦向干縮接近于晚材的干縮， 而這樣就造成木材的弦 向干縮大于徑向。（ 2

11、）徑向木射線的抑制作用 木材中， 木射線是唯一橫向排列細(xì)胞所組成。 木射線細(xì)胞呈 徑向排列， 其細(xì)胞微纖絲排列方向與射線細(xì)胞軸向一致， 因其縱向收縮小， 機(jī)械地抑制木材 徑向收縮； 而木材弦向?yàn)樯渚€細(xì)胞的橫向，橫向干縮大。 這使得木材徑向收縮小于弦向。北 美紅櫟實(shí)驗(yàn)表明，單一木射線組織徑向上的全干縮為 2.5 ； 而無射線的部分徑向全干縮 率為 5.1 。柳杉、赤松、扁柏等樹種均與假設(shè)相等。（ 3）細(xì)胞徑向壁與弦向壁中木素含量的差異的影響木材主要化學(xué)成分中， 木素的剛度比綜纖維素（纖維素、半纖維素）高，木素的吸濕性比綜纖維素小。木材縱向細(xì)胞的徑面壁上 木素的含量比弦面壁高，其吸濕性較弦面小，多

12、少限制了木材徑向干縮。（ 4）木材各種細(xì)胞干燥過程本身不均勻收縮木材細(xì)胞分子中，導(dǎo)管、薄壁細(xì)胞弦向干縮大于徑向干縮，木射線寬度方向干縮（木材弦向）較長(zhǎng)度方向（木材徑向）干縮大，致使弦 向干縮大于徑向。早晚材管胞弦向干縮大于徑向。木纖維各向干縮幾乎相同。（ 5）徑壁、弦壁紋孔數(shù)量及其周圍纖絲角度變大的影響紋孔是細(xì)胞次生壁局部未能加厚而留下的孔道。 紋孔的存在使其周圍微纖絲的排列方向偏離了細(xì)胞主軸方向， 纖絲角度變大， 導(dǎo)致紋孔周圍縱向干縮大，橫向（徑向）收縮小。徑切面紋孔多（針葉材特別明顯） ，其纖 絲角度大，縱向干縮大，橫向（徑向）收縮小。弦切面紋孔少，纖絲角度小，縱向干縮小， 橫向（徑向）收

13、縮大，故弦向大于徑向。此外，紋孔越多，胞壁實(shí)質(zhì)就越少，木材的干縮與 胞壁實(shí)質(zhì)成正比。徑面壁上紋孔多，胞壁實(shí)質(zhì)少，橫向干縮小。3 木材干縮的評(píng)價(jià)指標(biāo)與測(cè)定方法3.1 木材干縮性的評(píng)價(jià)指標(biāo) 木材的干縮和濕脹的程度在三個(gè)不同方向上不一樣，木材的干縮性質(zhì)常用干縮率、干縮 系數(shù)和差異干縮來表達(dá)。（ 1）氣干干縮率 從生材或濕材在無外力狀態(tài)下自由干縮到氣干狀態(tài)， 其尺寸和體積的變 化百分比稱為木材的氣干干縮率，可按下式分別計(jì)算徑向、弦向和體積氣干干縮率。（ 2）全干干縮率 木材從濕材狀態(tài)干縮到全干狀態(tài)下， 其尺寸和體積的變化百分比稱為木 材的全干干縮率，可按下式分別計(jì)算徑向、弦向和體積全干干縮率。木材干縮

14、率中，三個(gè)方向干縮大小順序?yàn)橄蚁?、徑向和縱向；木材體積干縮率為最大， 近似等于徑向、弦向和縱向干縮率之和。（ 3）干縮系數(shù) 為了能比較在不同含水率區(qū)段下的干縮值，采用干縮系數(shù)這一指標(biāo)， 以計(jì)算確定出木材加工過程中板材尺寸和濕單板剪切時(shí)應(yīng)留出的干縮余量。 生材和濕材干縮值計(jì) 算，其起點(diǎn)含水率可取纖維飽和點(diǎn)30的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算。干縮系數(shù)是指吸著水每變化時(shí)木材的干縮率變化值，用 K 來表式。弦向、徑向、縱 向和體積干縮系數(shù)分別記為 KT、 KR、KL和 KV。（ 4）差異干縮 木材弦向干縮與徑向干縮的比值稱為差異干縮。弦徑向干縮之比小，縱向 干縮小， 木材尺寸穩(wěn)定。 收縮率大小是估量木材穩(wěn)定性好壞的主

15、要依據(jù)， 差異干縮是反映木 材干燥時(shí)， 是否易翹曲和開裂的重要指標(biāo)。 根據(jù)木材差異干縮的大小， 大致可決定木材對(duì)特 殊用材的適應(yīng)性。 為了比較橫向兩個(gè)不同方向上， 徑向和弦向干縮差異程度， 常用差異干縮 來表示。根據(jù)值大小分成三級(jí)：為大，如栲木為 2.16 ；1.5 2 為中，如水曲柳為1.79 ； 1.5 為小,如蜆木為 1.3 。3.2 木材干縮的測(cè)定（1）試樣要求：用飽和水分的濕材制作，尺寸為20×20× 20mm，其各向應(yīng)為標(biāo)準(zhǔn)的縱向、徑向和弦向。（2）方法與步驟 測(cè)定時(shí)，試樣的含水率應(yīng)高于纖維飽和點(diǎn)，否則應(yīng)將試樣浸泡于溫度20± 2的蒸餾水中， 至尺寸穩(wěn)定后再測(cè)定。 在每試樣各相對(duì)面的中心位置， 分別測(cè)量試樣的徑向和弦向尺 寸，準(zhǔn)確至 0.01mm。測(cè)定過程中應(yīng)使試樣保持濕材狀態(tài)。 將測(cè)量后的試樣進(jìn)行氣干， 在氣干過程中， 用 23 個(gè)試樣每隔 6h 試測(cè)一次弦向尺寸， 至連續(xù)兩次試測(cè)結(jié)果