第四节 木材的物理性质

一、木材的密度

木材单位体积的质量称为木材的密度。通过前文介绍，我们知道木材是由木材细胞壁实质物质、水分、空气组成的多孔性材料，对应着木材的不同水分状态，木材密度可以分为生材密度、气干密度、绝干密度和基本密度，其定义分别如下：

a．生材密度＝生材质量/生材体积

b．气干密度＝气干材质量/气干材体积

c．绝干密度＝绝干材质量/绝干材体积

d．基本密度＝绝干材质量/生材体积

通过以上关于木材密度的定义，我们知道木材的密度差异是由于细胞壁以外的细胞间隙和空隙等的空间大小不同而造成的。细胞壁薄的木材空隙量多，因而密度小；而细胞壁厚的木材空隙量少，因而密度大。但是由于组成木材各种细胞的胞壁成分主要是纤维素、半纤维素和木素，它们的成分和比例基本相同，所以构成木材的细胞壁的实值密度，不包含木材细胞腔等空隙。对于所有树种几乎相同，约为1.46～1.56g/cm3，通常取1.50g/cm3。

影响木材密度的最重要因素是木材的含水量，木材的密度会随含水量的变化而变化。通常所讲的密度是木材经空气自然干燥且含水率为15%时的密度，称为气干密度。一般来说，木材密度愈大，愈重，愈坚硬，强度愈高，握钉力也愈大，但愈难加工，愈容易变形，钉钉时愈容易开裂。木包装用的木材密度一般在0.35 ～0.7g/cm3之间。

同时按照木材的密度，通常可以将木材分为软材、次硬材、硬才、最硬材四大类，如表2-3所示。

二、木材的含水率

1．木材中的水分

木材中存在的水分，可以分为自由水、吸附水和结合水三类，具体定义如下：

（1）自由水。存在于木材细胞腔和细胞间隙中的水分，与液态水的性质接近。

（2）吸附水。吸附在细胞壁内细纤维之间的水分。

（3）结合水。存在于细胞壁中，与细胞壁无定形区（由纤维素非结晶区、半纤维素和木素组成）中的羟基形成氢键结合。

2．木材的状态

根据木材中含水率的多少，可以将木材分为以下几种状态，如图2-51所示。

（1）生材。细胞腔和细胞壁中都含有水分，其中自由水的水分量随着季节变化，而结合水的量基本保持不变。

（2）气干状态。当把生材放在大气环境中自然干燥，最终达到的水分平衡态称为气干状态。气干状态的木材的细胞腔中不含自由水，细胞壁中含有的结合水的量与大气环境处于平衡状态。

（3）绝干状态。当木材的细胞腔和细胞壁中的水分被完全除去时木材的状态称为绝干状态。

3．木材的纤维饱和点

评价木材含水率的一个重要参数是木材的纤维饱和点。当木材受潮时，首先形成吸附水，吸附水饱和后，多余的水成为自由水；木材干燥时，首先失去自由水，然后才失去吸附水。当吸附水处于饱和状态而无自由水存在时，此时对应的含水率称为木材的纤维饱和点。但是自由水是细胞壁吸着水以外的水分，处于游离状态，容易被干燥蒸发掉；要达到全干状态，需要消耗很多能量。而且，由于木材有一定厚度，即使表面达到纤维饱和点以下，心部仍然还可能有自由水。木材的纤维饱和点随树种而异，一般为23%～33%，平均为30%。木材的纤维饱和点是木材物理、力学性质的转折点。图2-52表示不同木材的含水状态示意图。

4．木材的平衡含水率

评价木材含水率的另一个重要参数是木材的平衡含水率。木材的含水率是随着环境温度和湿度的变化而改变的。生材的含水率依树种和取材部位不同而异，一般在80%～200%之间。木材中含有水分，大气中也有水分，两者的水分是相互交流的。当空气中水蒸气的压力大于木材表面水蒸气压力时，木材从空气中吸着水分的现象，称为吸湿；反之，当空气中水蒸气的压力小于木材表面水蒸气压力时，木材中的水分向空气中蒸发的现象，称为解吸。两者是可逆的。当这种交流处于平衡状态时，木材中的水分就不再增减，这时的含水率就称为平衡含水率。图2-53给出了云杉的平衡含水率试验结果。由此试验所得的曲线族，可以求得任何大气条件下的平衡含水率。例如，在温度25℃、相对湿度95 %条件下，其平衡含水率为24%。总之，季节不同，含水率也会有一定差异，通常夏季与冬季要比春秋季高20%左右。

5．木材含水率的测定方法

木材含水率测定方法按国家标准GB/T 1931—2009《木材含水率测定方法》进行。木材中的水分与烘干后的木材重量的百分比称为含水率，用U表示，其计算公式如式2-2所示：

式中W——湿材重量，g；

W0——全干材重量，g。

全干材要求在100～105℃的恒温器中持续加热到重量不再变化为止。

这种木材含水率的表示方法是用含有水分的重量与全干材重量之比值来表示的，因此，即使含相同重量的水分，密度不同的全干材重量不同，因而它们的含水率也不相同。密度不同的木材，即使含水率相同，密度大的比密度小的含有更多水分。

木材的含水率与木材的收缩变形和强度有一定的关系。在纤维饱和点以下时，木材的含水率愈高，其强度愈低。生材的含水率一般都很高，依树种而异，边材一般在80%～200%之间，心材40%～110%之间。用含水率过高的生材制作封闭木箱，会向箱内散发蒸汽，不利于箱内产品的防水和防潮。因此。制造木包装的木材必须进行干燥处理。木材干燥时，自由水很快被蒸发，到纤维饱和点以下时，干燥速度将变慢。

根据国家标准GB/T 6491—2012《锯材干燥质量》中的规定，干燥锯材的干燥质量分为如下4个等级：

①一级。指获得一级干燥质量指标的锯材，基本保持固有的力学强度。适用于仪器、模型、乐器、航空、纺织、精密机械制造、鞋楦、鞋跟、工艺品、钟表壳等生产。

②二级。指获得二级干燥质量指标的锯材，允许部分力学强度有所降低（抗剪强度及冲击韧性降低不超过5%）。适用于家具、建筑门窗、车辆、传播、农业机械、军工、实木地板、细木地板、缝纫机台板、室内装饰、卫生筷、指接材、纺织木构件、文体用品等生产。

③三级。指获得三级干燥质量指标的锯材，允许力学强度有一定程度的降低。适用于室外建筑用料、普通包装箱、电缆盘等生产。

④四级。指气干或室干至运输含水率（20%）的锯材，完全保持木材的力学强度和天然色泽。适用于远道运输锯材、出口锯材等。

根据以上分级，各级锯材的含水率指标与应力指标参见表2-4。

锯材在干燥过程中不可避免地会出现各种各样的干燥缺陷，所以在锯材的干燥过程中需要适当控制这些缺陷的质量指标。锯材干燥过程中出现的典型质量缺陷见图2-54；可见干燥缺陷质量指标参见表2-5。

三、木材的收缩与膨胀

根据前文介绍，木材是一种多孔性毛细管胶体，具有黏弹性；木材分子上具有羟基等极性基团，能与水分子之间形成氢键，吸湿和解吸过程伴随着能量的变化，所以木材在存放过程中会出现收缩与膨胀现象。木材的干缩与湿胀一般发生在木材的纤维饱和点，当木材处于纤维饱和点以下时，木材随含水率的减少而收缩，也随含水率的增加而膨胀。含水率在纤维饱和点以上时，木材不存在收缩与膨胀问题。木材的伸缩量大体上与其密度成正比。

木材的伸缩具有方向性，是各向异性的：横向严重，顺纤维长度的径向则轻微，可以不考虑。就横向来说，弦向伸缩又大于径向。由于木材含水率下降到纤维饱和点以下时开始收缩，干缩系数与含水率变化曲线如图2-55（a）所示。木材干燥时因弦向与径向的干缩系数不同而容易发生变形，如图2-55（b）所示，弦向下锯的板材易翘曲，其他部位下锯则收缩，半弦向下锯的方材变成菱形，正圆形下锯的圆棒呈椭圆形，等等。当用翘曲的板材对口拼接时，难以拼平，容易出现缝隙。变形严重或有缺陷时，木材将会开裂。

木材的干缩率和湿胀率可以用尺寸（体积）变化与原尺寸（体积）的百分率表示：

不同树种和不同部位的木材干缩系数是不同的，如表2-6所示，其中平均干缩系数是指水分减少1%时的干缩系数。自然晾干的木材干缩系数较小，人工干燥的木材干缩系数较大。

生材的干燥十分必要，因为它的收缩量很大。利用这些数据，可以估计木材的收缩量。例如，将30cm宽的红松弦切板从生材到人工干燥状态的8%，由表2-6查得它的全干干缩系数为7.80%，每1 %水分的平均干缩系数（即膨胀率）为0.246%，因此由生材干燥到8%时收缩的尺寸可以通过由全干尺寸吸湿到8%时膨胀的尺寸求得，即

木材的热膨胀系数约为5×10 －6/℃，不到钢的一半。

四、木材的热学特性

木材的热学性质主要用比热、导热系数和导温系数等指标来表达。这些物理参数对指导木材人工干燥、木材防腐改性、木材软化、曲木生产工艺、人造板板坯加热预处理、胶合、纤维干燥、胶合板生产时原木解冻、木段蒸煮及单板的快速干燥等方面具有重要意义。

1．木材的比热和热容量

（1）热容量。使某物体的温度变化1℃所吸收或放出的热量称为该物体的热容量。设θ0为初始温度，θ1为终了温度，Q为物体上升Δθ（＝θ1－θ0）所吸收的热量，则热容量用Q/Δθ（kJ/℃）表示。

（2）热容量系数。物体单位重量（1kg）的热容量称为热容量系数。假设质量为m（kg）的物体的热容量Q/Δθ（kJ/℃），该物体热容量系数C〔kJ/（kg·℃）〕如式2-5所示：

（3）比热。为单位量（kg）的某种物质温度变化1℃所吸收或放出的热量。其单位为kJ/（kg·K）。木材的比热约为1.720kJ/kg·K，比钢大3倍多。

2．木材的导热系数

导热系数表征物体传递热量的能力。木材被局部加热时，其加热部位的分子振动，能量增加。分子在振动碰撞过程中，将能量传递给邻近分子，这样顺次传递能量，将外加的热量向木材内部扩散，称为木材的热传导。影响木材导热系数的主要因素如下。

（1）木材密度。木材导热系数随木材密度的增加而增大，二者近呈直线关系，一般在0.14kW/（m·℃），仅为钢的1/10，隔热性能优良。如图2-56所示。

（2）木材含水率。木材中随着含水率的增加，部分空气被水分替代，因而木材的导热系数将增大。

（3）温度。导热系数与热力学温度成正比，导热系数随温度升高而增高。

（4）热流方向。木材顺纹方向的导热系数远较横纹大。径向导热系数大于弦向，平均约相差12.7%。

3．木材的导温系数

导温系数又称为热扩散率，它表征材料在加热或冷却非稳定状态过程中，各点温度迅速趋于一致的能力。导温系数越大，材料中各点达到同一温度的速度就越快。导温系数在各树种间的差异不如导热系数那样显著。以弦向导温系数为例，它的变化范围为0.00118～0.00175×10 －4m2/s,55种木材的平均值为0.00140×10 －4m2/s。

导温系数与导热系数一样，在一定程度上也受含水率、密度、温度和热流方向的影响。导温系数与温度的关系亦可看成是温度与导热系数、比热和密度三者关系的综合。即导温系数随温度升高而增大。

4．热对木材性质的影响

在加热情况下，不同温度段对木材性质与使用有很大的影响。木材加热到180℃左右，就有一氧化碳CO（27.88%）、氢H2（4.21%）、甲烷CH4（11.36%）、乙烷C2H6（3.09%）和乙烯C2H4（3.72%）等可燃性气体释放出；当继续加热使木材温度上升到250～290℃时，木材开始产生放热反应，分解出更多易燃性气体，气体能产生持续的火苗，但仍不是木材本身的燃烧。把产生这种火苗的燃烧状态叫无火苗着火，把这一温度称着火点温度。若将温度升到350～450℃时，木材能自动着火，把这一温度叫作发火点温度。热对木材性质的影响主要体现在以下几个方面：

（1）常温下，热对木材使用影响小。但如将木材长期处于40 ～60℃，木材材色会呈现暗褐色，木材强度逐渐降低，这些表明木材外部与内部的化学成分已有所改变。

（2）木材在受热条件下，吸湿性降低；如继续延长热处理时间，就会造成木材化学成分的热分解，导致木材力学性质降低。长期蒸煮处理可导致木材弹性模量减小，各种力学强度下降，尤其是对冲击韧性的影响显著，其主要原因是长期蒸煮过程中半纤维素的过度降解和脱出。

（3）蒸煮加热处理对木材塑性和强度有一定的影响，但如利用得当则可转化成有利因素。木材软化、木材密化处理和木材干燥等生产上根据木材的这种特性，可采用适合的温度和较短时间内水煮或汽蒸处理木材，不仅可释放木材内部应力、减小木材变形与开裂，还降低木材的吸湿性和将木材变化的形状固定，以生产出满意的木制品。

五、木材的振动特性

当一定强度的周期机械力作用于木材时，木材按照其固有频率发生振动，其连续振动的时间、振幅的大小取决于作用力的大小和振动频率。由于内部摩擦的能量衰减作用，木材这种振动的振幅不断地减小，直至振动能量全部衰减消失为止。这种振动称为衰减的自由振动或阻尼自由振动。所以在把木材作为包装材料时，需要适当考虑木材的这种特性，避免在运输过程中产生共振现象，导致内装物的损坏。

六、木材的电学特性

木材气干状态下，其导电性是极小的，特别是绝干材可视为绝缘体，因此木材为交通、电力及其他行业上重要的绝缘材料之一。但如果木材中含有水分，特别是在纤维饱和点以下含水率W越高，木材导电性越强。含水率在20%时的木材电阻率约为109Ω/cm。生材为电的导体，雨中树木被雷电击倒，原因在此。影响木材电学特性的主要因素有木材的密度、含水率、温度、纹理方向等。

木材电学性质包括直流电和交流电的导电性、电绝缘强度、介电常数、介电损耗等，这些特性理论与应用研究对发展木材学基础理论有重要意义，对木材加工生产线上木材含水率连续无损检测技术、木材高频电热技术、木材微波干燥技术的发展与应用具有实用价值。在把木材用作包装材料时，也要适当考虑木材的电学特性，适当利用其电特性有利的方面，以便达到良好而有效的包装效果，例如在防静电包装中的应用等。