木材性质改良之方法.docx
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木材性质改良之方法
木材改良
蔡佺廷
国立嘉义大学林产科学系副教授
Ⅰ.绪论
（Ⅰ）木材之优点及缺点
木材由于具有许多的优点，而且能满足人类在视觉上、生活上、心理上及触觉上一种舒适感与温暖感，因此乃为建筑家俱、交通工具及各种结构物质之重要原料之一。
然其组织构造复杂，属天然高分子之化合物，而且材料本身并非均质，故乃具有些许的缺点，尤以组织分子差异悬殊之阔叶树材更为明显。
于此分述木材之优点与缺点如下：
1.优点
（1）同一重量之材料相比较时，木材较为强韧而坚硬。
木材最大之特点是纵向引张和压缩强度非常大。
在同一重量之全部材料而言，木材为最强而且为最硬之材料。
木材和金属类的比重强度比强度（强度除以比重之值）如下表所示：
材料
比重
抗张强度
（kgf/cm2）
抗压强度
（kgf/cm2）
比强度（kgf/cm2）
抗张强度/比重
抗压强度/比重
木材
红桧
松
山毛榉
桦木
0.40
0.53
0.63
0.67
720
900
730
1380
470
425
500
700
1800
1698
1160
2060
1180
802
790
1450
软钢
硬钢
铸铁（普通）
铸铁（高级品）
7.86
7.85
7.10
7.10
5500
8200
1200
2500
4500
5500
4800
8500
700
1045
169
352
573
700
676
1197
花岗岩
浮岩
混凝土
（普通构造用）
2.65
0.78
2.30
85
5
5~20
1700
30
150~250
32
3.8
6.5~8.7
642
38.5
65.2~87
由上表数据显示，木材是适于制作木制飞机、车辆、造船、建筑及构造材料等使用。
（2）抗弯强度和弹性佳，对冲击、振动、音响之吸收强。
木材并非致密而均一之材料，且存在着许多同心圆状之年轮和细胞孔隙，故在力学性质上具有优良之抗弯强度与弹性，且对冲击、振动、音响等之吸收性亦大，故木材亦可用于运动器具及把手使用。
（3）机械性和手工性之加工容易。
只要利用简单之机械、工具及少量之劳力，便可锯成希望之形状且可刨削、涂装、胶合或穿孔。
（4）涂料之附着性佳，胶合性亦佳。
因木材系多孔性之构造，所以对涂料附着性较佳，不像石材或金属等无孔质表面之涂装那样容易脱落。
又因胶合剂会浸渍其纤维，故胶合亦较无孔物质为良好。
（5）热传导率较低，比热高，保温性高。
各种材料之热传导率与木材热传导率之比较值如下表所示：
材料
热传导率
cal/cm．sec℃
各种材料与木材之
热传导之比较值
银
铜
铁
混凝土
炼瓦
玻璃
石绵
弹性橡胶
木棉
云杉（纵向）
云杉（横向）
水
空气
1.006
0.92
0.16
0.0022
0.0015
0.0024
0.0006
0.00045
0.00055
0.0003
0.00009
0.0014
0.000057
3353.3
3066.6
533.3
7.3
5.0
8.0
2.0
1.5
1.8
1.0
0.3
4.7
0.19
注：
a.质量1g之物质当温度增高1℃所须之热量，称之为该物质之比热，其单位
为Cal/g℃。
绝干木材在0~100℃之范围内，其平均比热为0.324Cal/g℃。
温度（t）与比热（c）之间的关系式如下：
c=0.266+0.00116t（Cal/g℃）
b.比热随含水率之增大而加大，M.C.15％→0.42，M.C.100％→0.66
材料
温度（℃）
比热（cal/g℃）
钢
混凝土
Polyethyline
木材
0
室温
20
20
0.119
约0.200
0.533
0.298
c.热传导率是以单位厚度之板的两面之温度差为1℃时，板之单面单位时间
内流过之热量加以表示，其单位为Cal/cm．sec．℃，若乘上0.36×103即可换算成工业单位（Kcal/m．h．℃）
木材之热传导率系数较其它构造材料（如石材、混凝土、金属）等小，其比热又高，因此不太容易被加热或冷却，此乃是由于细胞腔或细胞间隙形成一种空气层所造成的。
木材之纵向较横向易于传热（约2~3倍）。
水之传导系数约为木材之5倍。
含水率增加则木材之热传导系数增加，保温价值降低。
木材之比重越小，热传导系数亦越小。
（6）为优良之绝缘体。
干燥木材系电之不良导体，对于低压之电流可将之当成一种不良导体，生材之电阻为104Ω．cm、气干材则具有108Ω．cm、而绝干木材则具有1018Ω．cm之电阻。
（7）能调节湿气。
木材对大气之湿度具吸、脱湿之效果，且与外界保持平衡状态。
例如：
全壁面为木材装潢之住宅→日温差（△T）为8~13.9℃、湿度差（△H）为2~6％R.H.。
44％为合板＋56％Vinylsheet→△T：
7.8~17.5℃、△H：
9.6~15.6％R.H.。
100％Vinylsheet→△T：
18.1℃、△H：
51.6％R.H.。
环境中之温、湿度变化对人体生理上之新陈代谢、体温和生理调节有密切关系。
体温是依摄取食物与氧气之结果所产生之热量，不断放热而维持一定。
放热中70~75％为辐射传导和对流，20~25％需藉流汗为主之水分蒸发而达到，且希望维持一定比率。
若高温高湿或低温低湿，则不能保持流汗以达到调节体温之效果。
（8）不会发生结露。
一般湿度太高状态下，室温降低而发生结露。
但木材不易发生结露，其可使温度不会急骤变化，并具有吸湿性，因此不易与露相连结。
况且邻接之材料一旦发生结露现象时，亦会将该露吸收，不断保持安定作用。
（9）对热之性质安定。
加热亦不会使强度急速变化，金属材料在火灾之际会发生软化，而使强度趋近于零。
但木材在高温度下，强度不会降低太多，尤其大径木或大断面之场合，在燃烧之时其表面附近会形成炭化层，此炭化层有隔热作用，故燃烧不会到达内部，因此反而较为安全。
（10）可减弱音响之作用（即降音作用）
木材之吸音型态可分为多孔性质、板振动型和复合型等三种。
且吸音性随板之厚度增加而略增，但随含水率提高而减少。
吸音（Soundabsorption）：
木材内部由于各种形式的摩擦与振动，将音能（Sound
energy）转变为热能而趋散之性质（此热量极微）。
隔音（Soundproofing）：
音能穿透材料而散逸的性质，亦音频之透过损失
（Transmissionloss）效应。
（11）钉着性佳，为良好之钉着材料。
因木材之细胞构成其孔隙和弹性，故钉着器具之钉著作用较为容易。
（12）外表美观，调和生活环境，而且具有特殊气味。
木材之纹理、色泽、亲和力等予人良好之视觉和触觉。
2.缺点
（1）容易燃烧
木材加热至260℃时会迅速发生热分解，而产生一氧化碳、氢、甲烷等容易燃烧之气体，当接近火口时便会发生燃烧，另外温度上升至350℃以上时，则不必接近火口也会自然发火。
故木材加工时，防火性质亦为重要改良目标。
（2）容易腐朽
木材之主要成分为纤维素、半纤维素和木质素，均为木材腐朽菌喜好分解之物质。
一般菌类生存之适当条件如下：
a.温度-20~35℃
b.R.H.为90％以上（木材之M.C.为35~40％）
c.空气-氧气占木材体积之20％以上
d.空间
上述四种条件中任一条件不能满足时，菌类发育均会受阻。
其中R.H.最为重要。
立木之心材常腐朽（心腐、莲根腐），而边材反而可避免，此乃因心材之含水率适于菌类之发育，但边材有过剩之水分（M.C.60％以上），所以于水中贮木亦可预防腐朽。
（3）容易发生异常变形
木材制品在制作完成后，常因含水率之变化而产生变形（尺寸安定性不稳定），如木制品之干燥收缩会造成开裂；门、窗之吸湿而不易开关。
（4）不均质性
木材为一种天然物质，生长期间会受外界因子之影响，同一数种亦因生长条件之不同而发生材质之差异，同一棵树木亦因部位之不同、年轮倾斜角度的不同，其强度会发生变化。
如：
松木之抗压强度为300~860kgf/cm2
云杉之抗压强度为152~620kgf/cm2
改善不均质性之缺点的分法：
合板、积层材、粒片板、纤维板等改良木材。
（5）异方向性（Anisotropic）
木材之组织在纵向结合很紧密，横向则较弱，因此造成沿着纵向（木理方向、纤维方向）木材较易被剥开。
又因弦向和径向有木质线组织存在之故，而会引起方向性。
木材对纵向、径向和弦向等三个基准方向，其物理性质会有很显著之差异。
纵向与横向之强度比较：
a.纵向压缩强度约为横向之10~20倍。
b.纵向引张强度约为横向之10~45倍。
c.横向抗弯强度约为纵向之7~15倍。
d.纵向剪断强度约为横向之1/3。
（6）木材本身存在之缺点（瑕疵）
木材本身存在有节、被压、引张、螺旋木理、腐朽、割裂、虫孔等缺点，此类缺点会降低木材之强度及其它物理性质。
而改良木材如层积材、集成材等之制造便是分散或减轻此类缺点之影响。
（7）强度之绝对值比较低
虽木材轻而具有强认之性质，即其比强度较高，是为良好之弹性体，但其强度、弹性系数及刚性系数之绝对值均较金属材料为低。
故热处理压缩材、木金合板、树脂浸压材、硬化积层材等材料即可改善此缺点。
（Ⅱ）木材之劣化
木材长期暴露于大气中使用时，会发生劣化（Deterioration）现象，而减低其利用价值。
关于导致木材产生劣化之因子、种类颇多，兹分述如下：
1.微生物及昆虫劣化=＞防腐处理
木材是一种有机生物体，因此当受木材腐朽菌、霉菌类等之寄生时，将被当作营养源而繁殖，进而引起腐朽之现象。
同时亦会受昆虫，如蛀木虫、欚虫、海虫、白蚁及天牛……等之食害。
而减低其实质重量，进而降低其强度性质，以致不能使用。
2.吸水、吸湿劣化=＞尺寸安定处理
木材为非均匀质之纤维所组成，由于具有吸水、吸湿之性能，而且具异方性，容易造成木材因含水率变化而引起膨胀、收缩，使木材尺寸（形体）不安定，进而发生反翘、变形或割裂等劣化现象。
3.人为之燃烧劣化=＞防火处理
由于木质材料之燃烧会产生多量之热量（如燃烧每克绝干木材，可产生达4400~5000Cal（4.4~5Kcal）），此热量对于木质结构房屋更会助长其燃烧火势，而钢筋结构房屋，则由于木质材料所产生之热量，对铁骨之混凝土墙加热，会随温度上升而使建筑物变形破坏。
4.天候劣化=＞耐候处理
天候劣化主要是指风化（Weatherung）现象，即木材因受紫外线、风砂、雨水之打击与热、湿气、氧气等之作用综合而成的一种现象。
如反复作用会在木材内部引起物理及化学变化，结果导致木材组成份之改变，并使木材渐次发生脆弱、摩耗、变形等等之现象，故风化是以日光之光解作用（Photodegradation）与风、雨之磨损为主。
不仅是外表美观之影响，同时产生干裂、变形、翘曲等缺点，使木材之强度亦随之减弱、耐久性降低。
此种风化乃自木材表层附近先开始，再渐次向其内部移动，日射良好时移动速度越显著。
5.应化劣化=＞强化处理
系起因于干燥应力，最主要有干燥初期所发生之端部割裂、表面割裂干燥后期所发生之内部割裂等两种。
另外，木材为非均质、异方性材料，各面之机械应力性质各异且差异大，于利用上易受机械力量之损伤所破坏。
6.木材老化
指将木材置于无紫外光、风雨等外在破坏因素之环境中，木材本身亦会缓慢地变质，材质会变脆硬，材色会变浓之现象。
Ⅱ.木材性质改良之方法
木材改良乃利用物理或化学之方式或两者之组合方式，如藉化学药剂之注入、热和压力或其组合、或木材之重组、复合方式加以处理，而赋予木材抗腐朽、抗虫、抗火、尺寸安定等性质或增加其机械强度者称之。
以上所述之木材改良方式只包括化学处理、温度处理及强化处理（DensifiCation），在处理过程中，完全保留木材之原来状态。
其与重新构成材（Reconstitutedwood）有所不同，后者乃是将木材先以机械或化学的方式加以破坏，再藉加入或不加胶合剂重新组合成固体产品。
此类重新构成材包括集成材、层积材、合板、粒片板、纤维板及纸。
（Ⅰ）改良方向
1.尺寸安定性（Dimensionstability）。
2.防火、防燃、防虫、防蚁、防腐及防霉等性能。
3.改变比重。
4.木材缺点之消除或分散。
5.改变木理结构。
6.改变木材化学性质。
7.改良材色。
（Ⅱ）木材改良之方法（MethodsofWoodModification）
1.乙醯基化（Acetylation）
试药：
乙酐〔Aceticanhydride；（CH3CO）2O〕
吡啶Pyridine；CH（CHCH）2N
说明：
以吡啶当接触剂，而以乙酐在气态下当细胞膨润剂，与木材中之氢氧基（OH-
group）形成醚键结合。
效果：
抗收缩效能（Anti-shrinkageefficiency；ASE）将近70％。
2.氨处理（Ammoniatreatment）
试药：
气态氨（NH3）或液态氨
说明：
木材以150psi之压力，将液态或气态之氨（无水）注入，处理时间依试材之
厚度与含水率，自数分钟至数小时不定。
效果：
木材之安定效果提高，但处理后之木材颜色较深或具有条纹状。
3.树脂浸压材（Compreg）
试药：
酚甲醛树脂（Phenolic-formaldehyde;酚胶）
说明：
木材或单板浸于水溶性或酒精溶性之酚甲醛树脂中，然后干燥、加热、加压
以进行聚合反应，并使木材细胞缩陷。
效果：
木材密度可达1.3～1.4g/cm3，ASE值可获95％，另外理学性质、耐腐力、
硬度及耐磨损力亦提高。
4.架桥反应（Crosslinking）
试药：
三聚甲醛〔Para-formaldehyde;（HCHO）3〕、2％之ZnCl
说明：
以ZnCl当接触剂，将木材沉浸于三聚甲醛溶液中，并加热至120℃，维持
20min。
效果：
重量提高4％，ASE值达85％。
5.烯腈化（Cyanoethylation）
试药：
丙烯腈（Acrylonitrile；ACN；CH2=CHCN）、5％之NaOH
说明：
以5％之NaOH及ACN溶液分别处理木材，加热至70～100℃，使ACN聚
合，在ACN含量30％时EMC为4.5％。
效果：
对菌类之腐蚀具有抵抗效果，但会降低木材之冲击、弯曲强度。
6.环氧乙烷（Ethyleneoxide）
试药：
环氧乙烷（CH2OCH2）、三甲胺〔Trimethylamine;N（CH3）3〕
说明：
以二甲胺当接触剂，用环氧乙烷之气体经高压处理木材。
效果：
重量增加11％时，ASE值为65％。
7.酚甲醛树脂浸渍材（Impreg）
试药：
酚甲醛树脂（Phenol-formaldehyde）
说明：
木材沉浸于酚甲醛树脂之水溶液或酒精溶液中，干燥、加热聚合，使酚甲醛
树脂填入细胞孔隙中。
效果：
酚甲醛树脂之填充量为35％时，ASE值可达75％。
8.放射线照射材（Irradiatedwood）
试药：
β或γ射线。
说明：
木材在106rads之β或γ射线下照射，可提高木材之机械强度，并减低其吸
水性，但若超过此限则纤维素会降解，而导致机械强度锐减。
效果：
木质素对放射线之抵抗能力最强，少量之照射可抑制木材腐菌类之生长。
9.聚乙二醇处理（TreatmentwithpolyethyleneGlycol）
试药：
聚乙二醇〔PolyethyleneGlycol（PEG）;（CH2OHCH2OC）n〕
说明：
将木材浸于PEG之水溶液中，使之取代细胞壁之水分和填充至毛细管中。
效果：
ASE值为98％。
10.接枝聚合（Branchedpolymerization）
试药：
β-propiolactone
丙酮（Acetone；CH3COCH3）
说明：
β-propiolactone以丙酮稀释后，使木材沉浸其中再加热，使β-propiolactone
在纤维素上接枝聚合。
效果：
接枝之聚酯侧链在膨润之细胞壁纤维素上。
增强木材之抗压强度、抗腐朽力。
11.热处理木材（Staybwood；Heat-stabilizedwood）
说明：
将木材加热至150～300℃（以热空气或沸水处理）。
12.热处理压缩材（Staypak；Heat-stabilizedCompressedwood）
说明：
木材加热至320℉，再以400～4000Psi之压力压缩木材。
效果：
能减少一般压缩材常有之严重回涨现象，且能使比重及强度提高。
13.木材、聚合体结合（Wood-Polymercombination）
试药：
乙烯之单体，如：
甲基丙烯酸甲酯（Methylmethacrylate;MMA）
丙烯腈（Acrylonitrile；ACN；CH2=CHCN）
苯乙烯（Styrene；C6H5CHCH2）
酚胶（Phenol-formaldehydeadhesive）
尿素胶（Urea-formaldehydeadhesive）
说明：
以加压注入方式使单体注入于木材间隙，并以加热触媒聚合方法使单体聚合
成高分子物质。
效果：
ASE值约30～60％，但机械强度如硬度、压缩强度及抗弯强度改善甚多。
Ⅲ.木材尺寸安定效应及方法
木质材料既经适当之干燥，并在有湿度调节之工厂中加工，而制成各种之产品，但此等产品之组件（Parts）仍然可能发生收缩、膨胀，而导致干裂、反翘、砰裂及脱榫等现象，严重影响到它的使用价值。
因之，如何使材料尺寸安定，俾在各种大气湿度的变化下，犹能抵抗收缩、膨胀，这在木材的利用上极为重要。
（Ⅰ）木材尺寸安定化机构
1.处理原则
木材尺寸安定化处理的原则是在保持木材原有优良性质的前提下，改变其吸湿和干
缩湿胀性能。
木材的干缩湿胀是由于木材含水率的变化而引起的，它发生在纤维饱
和点以下，其根源是纤维素非结晶区的游离羟基吸附空气中水分并与水分子形成氢
键结合。
水分子的进入使木材各成分分子之间的距离增大，木材呈膨胀状态导致尺
寸不安定。
此外，木材中的半纤维素、木质素及其它物质也能吸着水分子。
比较而
言，半纤维素吸湿性最强，木质素次之，再次为纤维素。
因此，尺寸安定化处理是
在不破坏木材细胞壁完整构造的前提下，着眼于改变其不良性质的一种处理手段，
它又可分两种处理方式：
①处理尽限于细胞壁内纤维素的非结晶区部分，②细胞壁
未经处理尽是细胞腔内充填、沉积某些化学药剂。
2.模型解析
日本学者则元京提出一系列关于尺寸安定化处理木材的构造模型，如图1A、1B所示。
A-木材细胞的横断面。
A-1未经处理的木材细胞。
A-2木材细胞壁未经处理，
而细胞腔被处理剂所包围。
A-3木材细胞壁未经处理，
细胞腔被处理剂充填。
A-4只是细胞壁经处理。
A-5不仅细胞壁经处理，
细胞腔亦被处理剂包围。
A-6不仅细胞壁经处理，细胞
腔亦被处理剂充填。
图1尺寸安定化处理木材构造模型
A：
尺寸安定化处理细胞横断面
图1尺寸安定化处理木材构造模型
B：
细胞壁非结晶区的纤维素分子链模型
B-木材细胞壁非结晶区的纤维素分子链模型。
B-l-未经处理情况。
a：
相邻的纤维素分子链；b：
分子链上具有活性的吸附点（羟基）；C：
水分子进入并与吸附点（b）间形成氢键，使原来b的羟基间氢键破坏，水分的吸附产生两种结果：
①使分子间膨胀，体积增大，分子链a向d的方向变化；②分子链a之问的凝聚力降低。
此时若受外力作用，即对a产生剪断应力的话，分子链a会向e滑动。
其宏观效果是：
最初因水分进入而发生膨胀d方向，随之引起e方向的机械吸附蠕变，这两个基本现象发生于不同方向，相互间无关。
上述模型是将非结晶区纤维素大分子由于吸着水引起的变形以两维过程加以描述，实际情况要复杂得多吸附和局部应力之间存在三维的相互关系。
B-2-○表示羟基，●表示置换了羟基的官能团，它表示分子链a之间由于羟基被置换后在干燥状态下形成的交链。
B-3-表示分子链a之间由于羟基被置换，在膨胀状态下形成交链随后干燥。
B-4-表示疏水性的大容积官能团（大黑点）置换羟基，分子链a之间距离增大并形成交链。
B-5-表示亲水性的大容积官能团（大黑点带一个羟基○）置换羟基，分子链a之间距进增大并形成交链。
B-6-表示疏水性大容积官能团（大黑点）置换羟基，分子链a之间距离增大。
B-7-表示亲水性的大容积官能团（大黑点带一个羟基○）置换羟基，分子链a之间距离增大；水分子易于进入。
B-8-表示亲水性大容积官能团（大黑点带二个羟基○）导入分子链之间，并不置换羟基，但增大了分子键之间的距离；水分子易于进入。
B-9-表示疏水性大容积官能团（大黑点）导入分子链之间，不置换羟基，但增大了分子链之间的距离。
各种尺寸安定化处理方法，基本上可以用模型A和B的组合予说明。
诸如：
聚乙二醇（PEG）处理为A-2、5；B-8。
乙醯化处理为A-5；B-6。
甲醛处理为A-4；B-2、3。
马来酸处理为A-4；B-4、7。
马来酸-甘油（MG）处理为A-5；B-5、7。
热处理为A-4；B-2。
WPC处理为A-5、6；B-6、9。
酚醛树脂处理为A-5；B-4、6、9。
异氰酸脂处理为A-5；B-4。
无机物复合处理（如：
阻燃浸渍处理）为A-5；B-8。
环氧乙烷加成处理为A-4；B-7。
3.处理机构
为了改善木材的尺寸安定性，降低其吸湿性，可以采用减少具有吸附水分能力的吸附点－羟基，或使之失去吸附能力，如用疏水性分子包围吸附点区域，或部分地使分子交链固定，应使细胞形成图2、B-2、3、4、5、6、9之构造是有效的。
代表性的处理实例有：
B-2、3的甲醛处理；B-4的低聚酯处理，B-5的MG处理：
B-6的乙醯化处理和B-9的WPC处理。
此外，某些使用场合要求处理材具有一定的吸湿性能，应使细胞形成图2的B-8的构造，最典型的实例是B-8的PEG处理。
（Ⅱ）尺寸安定性之评估数值
1.抗收缩（膨胀）效能（Anti-Shrink（Swelling）Efficiency;ASE）
ASE=100（Sc－St）/Sc
Sc：
未处理材之收缩膨胀率
St：
处理材之收缩膨胀率
2.抗吸湿率（Moisture-ExcludingEfficiency;MEE）
MEE=100（Mc－Mt）/Mc
Mc：
未处理材之吸湿率
Mt：
处理材之吸湿率
3.抗吸水效能（Reductioninwatterabsorptivity;RWA）
RWA=100（Wc－Wt）/Wc
Wc：
未处理材之吸水率
Wt：
处理材之吸水率
4.膨润效果（Bulkingcoefficient;B）
B=100（Vt－Vc）/Vc
Vc：
未处理材之绝干容积（cm3）
Vt：
处理材之绝干容积（cm3）
5.聚合体含量（Polymerretention,Polymercontent,Polymerloading;PL）
PL=100（Wt－Wc）/Wc
Wc：
未处理
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