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家具材料性质

木质材料性质 王怡仁 博士 国立嘉义大学林产科学系 教授 I. 前言 天然的木材由于质轻而强、纹理美观、密度适中且易于加工,所以被广泛的应用于家具及建筑。但由于木材为天然材料,其内部构造的多样性,造成材质上的不均质性,树木形成层的生长机制也造成木材的异方性,另外木材的湿胀干缩性质也会造成利用上的困扰,所以要能有智能的利用木材,必须对木材的各项性质加以认识。 II. 木材的外观、三切面、三方向及纹理 木材由树木锯切而来,依锯切的方式呈现不同的纹理,图1(Haygreen and Bowyer, 1982)所示为树干横切而得到一段木材,其外观可以看到外树皮(outer bark)、韧皮部(phloem)、形成层(cambium)、边材(sap wood)和心材(heart wood),图中的同心圆称之为年轮(annual ring),而圆心则称之为髓心(pith)。 图1 树干圆盘(Haygreen and Bowyer, 1982, Fig. 1.5) 如果将木材的横切面(cross surface)延其半径方向切开,则可看到木材的径切面(radial surface),如果延圆周的切线方向予以切开,则可得到弦切面(tangential surface),图2(Kubler, 1980)完整的呈现出木材之三切面。木材细胞的形状大小和分布在三切面各有不同,所以鉴别木材时常观察比对此三切面的特征。木材在使用时很少是以圆柱的形式来利用,常常会将木材切割为制材。 图2 木材之三切面(Kubler, 1980, Fig. 1.10) 如果将图2延着树干方向予以延伸,便可看到完整的径切面和弦切面如图3(Haygreen and Bowyer, 1982)。在径切面会看到年轮以并行线的方式呈现,而在弦切面大致会出现V或U型的木理。在图3中板宽面出现弦切面纹理的板称为弦面板,而板宽面出现径切面的板称为径面板。 图3 径面板与弦面板(Haygreen and Bowyer, 1982, Fig. 2.2) 由于木材的不均质及性质在不同方向有差异,为了方便了解木材,于是利用直交坐标系统来简化并描述木材,如图4(Bodig and Jayne, 1982)。所以讨论木材的各项性质如膨胀收缩、音、热、电和机械性质均分别以纵向(longitudinal direction)、径向(radial direction)和弦向(tangential direction)予以描述比较。 图4 木材的三方向(Bodig and Jayne, 1982, Fig. 3-9) III. 木材与水 树木体内因生理的需要,原就含有相当多的水,当树木死亡或被砍伐后,部份的水分便开始由木材移向其周围的环境,如果继续干燥到某一个程度,木材的尺寸及其它物理性质也将随之改变。木材在制成板材、单板、粒片或纤维时,仍保有一些水分在它们的细胞壁,而此水分的量及变化将会影响木材的物理机械性质、腐朽的抵抗及尺寸的安定性等。 木材和木制品的各项性质,几乎都受到木材内水分的影响,了解水分在木材存在的状态及变化,将有助于木材的有效利用。 木材内部水分的含量常以水的重量和绝干木材(不含水分)重量比值的百分率来表示。 含水率(﹪MC)=(水重/木材绝干重)× 100﹪ 木材在生材状态时其水分是存在细胞壁和细胞腔中,此时的含水率称为生材含水率。在砍伐后,若置于一外在环境下,则因为木材内部的水蒸气压较外在环境为大,水分便由内部向外在环境移动,木材于是开始干燥,在细胞腔的水将会先被移除(图5, Haygreen and Bowyer, 1982)当木材内的水蒸气压和外在环境的水蒸气压达成动态平衡,此时的含水率称为平衡含水率(Equilibrium Moisture Content, EMC),平衡含水率的大小会依木材所处环境的温度和湿度而定,若外在环境为大气环境,则此平衡含水率称之为气干含水率,此时木材称之为气干材,气干材的含水率将会随地区而不同(表1 , Haygreen & Bowyer, 1982)。 图5 木材细胞内的水(Haygreen & Bowyer, 1982, Fig. 8.1) 表1 木材在不同温度和相对湿度下之平衡含水率(Haygreen Bowyer, 1982) 干球温度 相 对 湿 度 ℉ ℃ 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 30 (-1) 4.6 6.3 7.9 9.5 11.3 13.5 16.5 21.0 50 (10) 4.6 6.3 7.9 9.5 11.2 13.4 16.4 20.9 70 (21) 4.5 6.2 7.7 9.2 11.0 13.1 16.0 20.5 90 (32) 4.

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