森工概論(緒論+木材學(xué))-13-2-18

森工概論木材科學(xué)與工程部分王天龍北京林業(yè)大學(xué)材料學(xué)院*森工概論（木材科學(xué)與工程）課程簡介1.《森工概論》（木材加工部分）的教學(xué)目的

2.《森工概論》木材加工部分的教學(xué)基本要求本課程的教學(xué)環(huán)節(jié)包括課堂講授、參觀和綜合實習(xí)。通過本課程各個環(huán)節(jié)的教學(xué)，重點培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)的能力、分析問題的能力、解決問題的能力。

2.1《森工概論》木材加工部分的課堂講授：10學(xué)時

2.2參觀和綜合實習(xí)（6學(xué)時）參觀地點：木材干燥實驗室、人造板實驗室、木工工藝實驗室。綜合實習(xí)地點：宜家、好美家、萬家燈火、居然之家等。通過綜合實習(xí)，要求學(xué)生利用所學(xué)的知識，寫出一篇實習(xí)報告，內(nèi)容包括家具結(jié)構(gòu)圖（示意圖也可）、家具部件的名稱和所用材料、家具所用各種材料的市場價格、家具的成本核算和家具的實際售價，從而掌握和了解家具行業(yè)的經(jīng)營管理的基本狀況，為后續(xù)管理方面專業(yè)課程的學(xué)習(xí)課奠定基礎(chǔ)。

3.成績（50分）＝理論考試（70％）＋實習(xí)報告（30％）1.對木材加工行業(yè)有一個相對全面的了解；2.掌握基本概念、原理、方法等；3.提高發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題的能力；北京林業(yè)大學(xué)材料學(xué)院*緒論Ⅰ.概念

森工概論：把木材機械加工和林產(chǎn)化學(xué)利用的內(nèi)容概括在一起，從宏觀的角度闡明林產(chǎn)工業(yè)和林產(chǎn)品生產(chǎn)的基本知識和基本概念；在較短的時間內(nèi)從整體上把握林產(chǎn)品生產(chǎn)過程、發(fā)展和變化規(guī)律，以及各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)之間的內(nèi)在聯(lián)系，以便有效地實施技術(shù)和管理。Ⅱ.木材科學(xué)與工程講授的內(nèi)容：

包括：木材學(xué)、制材學(xué)、木材干燥學(xué)、膠粘劑、人造板生產(chǎn)工藝學(xué)、人造板表面裝飾和木制品生產(chǎn)工藝學(xué)。Ш.木材來源：（來源于森林）森林的變遷：據(jù)研究分析，最初地球上有75億公頃(2／3的陸地)，由于自然條件的變化和人類社會的發(fā)展，使森林的面積不斷減少，特別是人類的開發(fā)和利用，到19世紀(jì)60年代，森林面積已經(jīng)減少列55億公頃、再經(jīng)100年，到20世紀(jì)50年代，減少到38億公頃，而且分布極不均勻。例如，沙漠、草原等。

提一個問題：草原為什么沒有樹?

有—句話，請人家體會：

“凡屬天然資源中最多而又普遍存在的東西，往往是生活不可缺少的東西,但卻不為人們所珍惜。”北京林業(yè)大學(xué)材料學(xué)院*緒論Ⅳ

衡量森林資源的幾項指標(biāo)以及我國的情況：（1）森林面積：我國是第五位國家（順序）俄羅斯加拿大巴西美國中國森林面積（萬公頃）68760 42042335002980026329（13400－08）

我國除香港、澳門、臺灣地區(qū)外，我國人工林面積為：4666.7萬公頃，居世界首位。

（2）木材蓄積量我國是第七位國家（主要大國）俄羅斯巴西加拿大美國中國森林面積（億立方米）859 584230202112.7（101－08

）

從以上兩項指標(biāo)來看，我國是森林資源大國；

(3)森林覆蓋率＝有林地面積／國土面積

960、1260【陸地（960）+河流和領(lǐng)海（37~38）+大陸架和專屬經(jīng)濟開發(fā)區(qū)（300）+多金屬結(jié)核礦（15）】

據(jù)研究，一個國家森林覆蓋率在30％以上時，才能保持水土，減少自然災(zāi)害，改善環(huán)境條件等，保障農(nóng)業(yè)豐收。

1993年我國的森林覆蓋率13.92％；

1995年我國的森林覆蓋率13.98％；

2004年我國的森林覆蓋率為16.55％；

2008年我國的森林覆蓋率為18.21%。請同學(xué)考慮：如果以這樣的速度，我國何時才能達到30％的森林覆蓋率?

世界平均森林覆蓋率為：27%北京林業(yè)大學(xué)材料學(xué)院*緒論

(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；我國人均年消耗木材0.22立方米，而目前世界人均年消耗木材0.65立方米，發(fā)達國家為1.16立方米。

從以上四個方面來看，我國是森林資源大國，但又相對貧乏。

Ⅵ解決木材資源緊張的方法：

a．進口每年木材缺口大約5000萬立方米

b．發(fā)展替代材料：農(nóng)作物的秸稈、塑料、竹材

c充分利用現(xiàn)有木材資源加工剩余物：600萬立方米采伐剩余物：760萬立方米樹皮：450萬立方米

d．大力發(fā)展人工速生豐產(chǎn)林：經(jīng)濟林、生態(tài)林、工業(yè)用材林整個計劃是從1990年～2020年，共計30年，在全國要營造3億畝工業(yè)用材林(2000萬公頃)，成材后，每年可開采1500萬畝，每年提供木材1億立方米。北京林業(yè)大學(xué)材料學(xué)院*

1.木材學(xué)1.1木材學(xué)概念：是以木材為研究對象的材料科學(xué)，屬基礎(chǔ)科學(xué)；換言之，木材學(xué)是研究木質(zhì)原料的科學(xué)，它研究的范圍包括木材結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、缺陷及性能改良的理論。1.2木材的構(gòu)造1.2.1樹木的構(gòu)成（1）樹冠：樹枝和樹葉，占全樹的5％～25％；作用：二氧化碳轉(zhuǎn)化為氧氣無機物轉(zhuǎn)化為有機物；利用：樹葉可作飼料、提取化學(xué)成分原料；粗枝可作薪炭材、人造板和造紙；（2）樹根：主根、須根；占全樹的5％～25％；作用：具有吸收和固定作用；利用：根藝和根雕，薪炭材和提取化學(xué)成分的原料；（3）樹干：占全樹的50～90％；作用：具有支撐和通道作用；利用：具有重要使用價值，是木材主要來源；樹冠樹根樹干北京林業(yè)大學(xué)材料學(xué)院*1.木材學(xué)1.2.2．樹干的構(gòu)造樹干的主要組成部分(4個)：樹皮、形成層、木質(zhì)部、髓心。1.2.3.木材的三個切面木材是由各種不同的細胞組成，其形狀、大小、組織排列各不相同，而且在木材的各個方向上所呈現(xiàn)的組織形態(tài)也是不同的。要了解木材構(gòu)造和性質(zhì)，就必須從木材的不同方向上進行觀察和分析，引入切面的概念，

橫切面：與樹干軸或木紋相垂直的鋸切面，即樹干斷面，稱為橫切面；

徑切面：通過髓心或與樹干直徑方向一致的鋸切面，稱為徑切面；弦切面：沿著樹干的長軸方向，不通過髓心與樹干直徑相垂直的鋸切面；北京林業(yè)大學(xué)材料學(xué)院*1.3.木材的宏觀構(gòu)造

木材的宏觀構(gòu)造：用肉眼或放大鏡能看到的木材構(gòu)造和外部特征，稱之為木材的宏觀構(gòu)造。（1）年輪（生長輪）、早材、晚材年輪（生長輪）：每個生長周期所形成的木材，圍繞著髓心構(gòu)成的同心圓，稱之為生長輪；在溫帶和寒帶樹木一年僅有一個的生長期，故生長輪也稱為年輪。

提出問題：木材是歷史記憶的活化石

早材：通常生長季節(jié)早期形成的木材，細胞分裂速度快，體積大，胞壁薄，材質(zhì)較松軟，材色淺，稱為早材。晚材：通常生長季節(jié)后期營養(yǎng)物質(zhì)的流動減弱，形成層細胞活動逐漸減低，細胞分裂速度也減慢，于是形成了腔小壁厚的細胞，而且木材的顏色深、組織較致密，稱為晚材。(2)邊材、心材

邊材：有許多樹種的木材，靠近樹皮的部分，材色較淺，水分較多，稱為邊材。心材：在髓心周圍部分，材色較深，水分含量較少，稱為心材。邊材心材早材晚材年輪北京林業(yè)大學(xué)材料學(xué)院*(3)導(dǎo)管是絕大多數(shù)闊葉材所具有的輸導(dǎo)組織，在橫切面上導(dǎo)管呈孔穴狀，叫管孔。是區(qū)別針葉材和闊葉材的重要特征之一。(4)木射線在橫切面上有顏色較淺，從髓心向樹皮呈輻射狀排列的細胞，叫髓射線；在木質(zhì)部的髓射線叫木射線。(5)胞間道系分泌細胞圍繞而成的長形胞間空隙，并非胞腔連接成的管道。貯藏樹脂的叫樹脂道(屬針葉材)；貯藏樹膠的叫樹膠道(屬闊葉材)。胞間道有軸向和徑向兩種。(6)軸向薄壁組織是指形成層紡錘形原始細胞所形成的薄壁細胞。沿樹軸方向排列，在橫切面上看，材色比較淺，用水潤濕后更為明顯。(7)其它特征木材顏色、木材氣味、木材紋理、木材結(jié)構(gòu)、木材花紋。北京林業(yè)大學(xué)材料學(xué)院*北京林業(yè)大學(xué)材料學(xué)院*胞間道木射線北京林業(yè)大學(xué)材料學(xué)院*北京林業(yè)大學(xué)材料學(xué)院*1.4木材微觀構(gòu)造概念：用顯微鏡或電子顯微鏡能看到木材的微觀構(gòu)造和特征稱為木材的微觀構(gòu)造。1.4.1木材細胞壁的結(jié)構(gòu)木材是由各種不同的細胞組成的，細胞是組成木材的基本單元。細胞的演變：生活的細胞：細胞壁、細胞膜、細胞質(zhì)、細胞核死亡的細胞：細胞壁、細胞腔1.4.2木材細胞壁的結(jié)構(gòu)特征細胞壁是木材中的主要部分，占木材總量的90％以上，各種細胞壁的組成也是基本一樣，都是由三類物質(zhì)組成：骨架物質(zhì)(纖維素)、基體物質(zhì)(半纖維素)和結(jié)殼物質(zhì)(木素)。纖維素分子鏈(大約40根)基本纖絲(不定長度、直徑為3.5～5.0nm)微纖絲(基本纖絲聚集成束)纖絲(纖絲聚集成)薄層(粗纖絲相互接)細胞壁（骨架）在基本纖絲中含有結(jié)晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū)(無定形區(qū))。結(jié)晶區(qū)：在基本纖絲中，纖維素分子鏈平行排列的段落。非結(jié)晶區(qū)：在基本纖絲中，纖維素分子鏈非平行排列的段落。北京林業(yè)大學(xué)材料學(xué)院*非結(jié)晶區(qū)結(jié)晶區(qū)北京林業(yè)大學(xué)材料學(xué)院*非結(jié)晶區(qū)結(jié)晶區(qū)北京林業(yè)大學(xué)材料學(xué)院*1.4.3壁層結(jié)構(gòu)木材細胞壁，根據(jù)其形成的階段可分為初生壁和次生壁。通過偏光顯微鏡觀察，細胞壁的次生壁又可分為三層，由外向內(nèi)分別為：外層(S1)、中層(S2)和內(nèi)層(S3)。細胞壁各層的特點介紹如下：初生壁：細胞從分裂到增大，最初形成的；基本纖絲呈無定向松散交織的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；壁層厚度>1％。

Sl：很薄，大約為2～6層；厚度大約為10～22％；基本纖絲與細胞主軸夾角約為500～700；

S2：較厚，大約為30～40層；厚度大約為70～90％；基本纖絲與細胞主軸夾角約為100～300；

S3：很薄，大約為0～6層；厚度大約為2～8％；基本纖絲與細胞主軸夾角約為600～900。由上面的分析可知：木材細胞壁是一種結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的物質(zhì)，它是由許多在結(jié)構(gòu)上和化學(xué)性質(zhì)上都不相同的層次組成的。北京林業(yè)大學(xué)材料學(xué)院*1.4.4細胞壁上的特征――紋孔紋孔：木材細胞壁加厚，產(chǎn)生次生壁時，初生壁未被加厚的部分（空洞）。在立木中是相鄰細胞間水分和養(yǎng)料的通道；在木材干燥和防腐、防火劑的浸注以及制漿等加工工藝都與紋孔的滲透性有關(guān)。1.5針葉材的微觀構(gòu)造主要由縱向(管胞、木薄壁組織、樹脂道)和橫向(木射線、樹脂道)的細胞構(gòu)成，其中管胞占90％以上。1.6闊葉材的微觀構(gòu)造主要由縱向(導(dǎo)管、木薄壁組織、樹膠道、木纖維、管胞)和橫向(木射線、樹膠道)的細胞構(gòu)成，其中木纖維占50％以上。北京林業(yè)大學(xué)材料學(xué)院*1.7木材性質(zhì)1.7.1木材的物理性質(zhì)(1)木材中的水分按照水分存在的狀態(tài)的不同，可將木材中的水分分為三種狀態(tài)：自由水：存在于細胞腔和細胞間隙中的水；吸著水：存在于細胞壁中及吸附于細胞壁上的水；結(jié)合水：構(gòu)成細胞化學(xué)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。

在木材科學(xué)和工業(yè)生產(chǎn)中，木材的含水率通常以絕對含水率表示。北京林業(yè)大學(xué)材料學(xué)院*(3)纖維飽和點纖維飽和點：表述1：在木材中的自由水完全消失，而木材中的吸著水開始蒸發(fā)，此時木材的含水率稱為纖維飽和點；表述2：在木材干燥過程中，當(dāng)毛細管中吸收的水完全蒸發(fā)掉，而細胞壁中為固體溶液所束縛的水開始逸散，木材的性質(zhì)才開始發(fā)生顯著的變化（如木材強度開始增加、尺寸的收縮、電阻率的迅速增加等），此時木材的含水率稱為纖維飽和點。(4)木材的平衡含水率木材的平衡含水率：木材中的水分隨著周圍環(huán)境的相對濕度和溫度的變化而變化，當(dāng)從木材中散失到環(huán)境中的水分的量與從環(huán)境中進入木材中的水分的量相等時，木材的含水率稱為平衡含水率。地區(qū)不同、季節(jié)不同，平衡含水率也不同。存在著解吸和吸著現(xiàn)象。介紹平衡含水率在實際中的作用。北京林業(yè)大學(xué)材料學(xué)院*（5）木材的干縮與濕脹（a）木材的含水率在纖維飽和點以上時，木材中水分的增減，僅僅改變細胞腔內(nèi)的水分，與細胞壁無關(guān)，故只影響木材的重量，不影響木材的體積；（b）當(dāng)木材的含水率在纖維飽和點以下時，水分的進出到細胞壁的非結(jié)晶區(qū)內(nèi)和結(jié)晶區(qū)表面，使分子鏈之間的相對距離增加，從宏觀層面上講，木材膨脹了；當(dāng)木材含有的水分的減少，分子鏈之間的相對距離也相對減小，木材的體積也相對減少，水分減少到零時，木材的干縮達到最大值；反之木材吸收水分而膨脹至纖維飽和點時，膨脹達到最大值。干縮濕脹的原因：細胞壁內(nèi)微纖絲之間的距離發(fā)生變化。正常材的干縮率：縱向：0.1～0.2％徑向：3～6％弦向：6～12％各項異性的宏觀表現(xiàn)：干縮濕脹率力學(xué)強度水分進出的難易程度簡單介紹原因：木射線的抑制作用，早晚材、徑面壁的紋孔較多、單位尺寸中所含的胞間物質(zhì)的多少。北京林業(yè)大學(xué)材料學(xué)院*木材干縮過程木材濕脹過程北京林業(yè)大學(xué)材料學(xué)院*1.7.2木材的重量木材的重量有兩種表示方法，實質(zhì)比重和木材密度。(1)木材密度：單位體積的木材重量。木材密度有幾種表示方法，包括基本密度、生材密度、氣干材密度、絕干材密度。其中基本密度是最為常用的。(為什么?)

單位：克／厘米3(g／cm3)或公斤／米3(kg／m3)(2)實質(zhì)比重：無空隙的木材重量與同體積水之比；實際上實質(zhì)比重是細胞壁的比重：所有木材的實質(zhì)比重幾乎都相同，1.49～1.57，平均1.54。知識介紹：哥倫比亞產(chǎn)的一種木材，其比重僅為0.0394～0.058g／cm3，是世界上以發(fā)現(xiàn)的最輕的木材；愈瘡木的比重1.3g／cm3。工業(yè)中，常用木材的比重一般在0.3～0.8g／cm3。1.7.3木材的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性及其它性能木材是多孔性材料，結(jié)構(gòu)決定了其導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能都較差，是一種較好的建筑及裝修材料。但是，受含水率的影響較大。木材纖維是不導(dǎo)電的。水的傳熱比空氣快22倍（說明含水率對木材的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能的影響）

簡單介紹在生