木材的水分與材性

　　一棵活樹生長時,其根部不間斷地從土壤中吸取水分,由樹干的木質部將水分送到樹木的各個器官,同時又將葉子光合作用所制造的養料由樹干的韌皮部輸送到樹木的各個部分。水分既是樹木生長必不可少的物質,又是樹木輸送各種物質的載體,活樹被伐倒并鋸成各種規格的板方材后,水分的大部分仍然保留在木材內部,這就是木材中水分的主要來源,同時木材在貯存、運輸或使用環境中也會吸收一些水分進入其內部。

　　對不同的樹種來說,樹干中木質部水分含量存在差異。即使是同一株樹在不同生長季節,其木質部的含水量也有差異。木質部的各個部位,例如心材、邊材、根部、樹干與樹梢等含水量也都不同,所以說木材中水分分布是很不均勻的。木材周圍的大氣條件發生變化時,其水分含量也會隨之發生變化,水分因其在木材中的位置不同可分為自由水、吸著水、化合水三種：　　(1〉自由水存在于由木材細胞壁上的紋孔或導管末端的穿孔和細胞腔以及胞間隙相互溝通構成的大毛細管系統中,自由水與木材呈物理結合,結合并不緊密,這部分水容易從木材中逸出,也容易吸入。濕木材置于干燥空氣中,首先蒸發的就是自由水。對于新伐倒的生材來說, 不同樹種的木材,自由水含量變化很大,一般為60~70%至200~250% 之間。

　　(2〉吸著水存在于木材細胞壁內的微纖絲、大纖絲之間構成的微毛細管系統內或吸附在微晶表面和無定型區域內纖維素分子的游離控基上。木材中吸著水含量在樹種間差別較小,木材吸著水的比較大含量一般在23~31%之間,平均約為3%。吸著水與木材物質結合較為緊密, 這部分水不易從木材中逸出,只有當木材中自由水蒸發殆盡,且木材中的水蒸汽分壓大于周圍壁氣中水蒸汽分壓時,方可由木材中蒸發。

　　(3〉化合水與細胞壁組成物質呈牢固的化學結合狀態,木材中這部分水的含量很少,可以忽略不計,而且在一般的干燥條件下無法將其除去。

　　二、木材的水分與室內環境

　　人們居住的室內環境，不希望濕度有過大的起伏變化，應穩定在一定范圍之內，這對于人身健康及物體的保存都是非常有利的。有研究資料表明：防止濕霉菌的比較佳相對濕度范圍為0-80%;防止蟲害為0-70%或80-100%;保存書籍為40-60%;防止細菌感染為55-60%;死亡率比較低為60-70%，人類居住環境的相對濕度應在60左右較為適宜。引起室內濕度變化的因素很多，例如：外界溫度變化或室內溫度變化都會引起濕度變化;從氣窗或換氣口流入或流出的水蒸汽、從壁面透過的水蒸汽、從廚房進來的水蒸汽等也會引起濕度的變化。

　　木材的調濕特性是木材具備的獨特性能之一,也是其作為室內裝飾材料、家具材料的優點所在,用木材或木質材料裝修的住宅,其濕度變化遠比混凝土住宅或壁紙裝修住宅的變化要小。所謂木材的調濕特性就是靠木材自身的吸濕和解吸作用,直接緩和室內環境的濕度變化。當室內環境的相對濕度降低時,打破了室內環境與木材之間的水蒸汽分壓平衡,木材內部的水蒸汽分壓高于室內環境的水蒸汽分壓,木材內部的水分就會逸出,使室內環境的相對濕度提高,此為解吸過程。反之,當室內環境的相對濕度提高時木材就會從室內空氣中吸著水分,此為吸濕過程。木材在解吸或吸濕過程開始時進行得十分強烈,此后就逐漸緩慢下來,直至達到新的動態平衡。在這里木材起著水分的儲存作用,就象室內空氣濕度的天然調節器,長期以來人們就習慣生活在木制家具與木質室內裝飾材料的環境中。

　　三、木材的水分與其產品的形狀和尺寸

　　木材含水量的多少在一定范圍內影響木材的強度、剛性、硬度、耐腐朽以及機械加工性能、燃燒值、導熱性、導電性等。

　　潮濕木材置干燥環境中,由于木材內水蒸汽分壓大于大氣水蒸汽分壓,水分就會從木材內部向大氣散發,首先蒸發的是自由水。當木材內的自由水蒸發殆盡而吸著水仍處于飽和狀態時則稱木材的含水率狀態是纖維飽和點,纖維飽和點是木材性質變化的轉折點。木材含水率在纖維飽和點以上變化時,因為水分的變化只有自由水數量的增減,而自由水數量的增減對木材性質的影響甚微,僅影響木材的重量、燃燒值、導熱性和導電性。反之木材含水率在纖維飽和點以下變化時,因木材內部不存在自由水,而吸著水數量的變化對木材性質的影響甚大, 如木材的力學性質、干縮、濕脹、導熱性和導電性等都隨吸著水的增減而發生改變,可以說木材中吸著水的數量是影響木材性質的主要因素。

　　另外,當具有空氣、養料、溫度、濕度等適宜環境時,木腐菌的孢子便侵染木材對木材產生危害。大多數木腐菌生長的適宜溫度為25~30℃,水分以35~50%為比較宜,如木材含水率減低至2%時,木腐菌的活動即被抑制,因此干燥也是防止木材變色腐朽的有效措施。

　　在我們的日常生活中,體會比較深的是木材的干縮和濕脹特性,這是木材的一個顯著特點。新伐倒的樹木在鋸成板方材之后,置于較為干燥的環境中就會開始散發水分,首先是木材中自由水開始逸出,這時木材的尺寸不隨著改變。當木材中自由水蒸發殆盡時,木材細胞壁內的吸著水從木材中排出,木材的尺寸隨著減小。這是由于胞壁內的微纖絲和大纖絲之間的空隙因吸著水的排出而縮減,使得細胞壁變薄,引起木材的干縮。反之,在木材由全干狀態逐步濕潤到纖維飽和點的過程中,可以觀察到木材濕脹的現象。

　　木材的干縮和濕脹性使得木制品的尺寸不穩定。由于木材在結構上存在各向異性,木材干縮因方向、樹種、密度、晚材率、生長輪寬度、應力木、細胞壁的化學成分等的不同,而變異甚大。因此,木材的干縮與濕脹也呈現各向異性,主要表現在沿樹干方向的縱向干縮率很小,約為0.10~0.20地沿著樹干半徑方向的徑向干縮率約為3~6%;木材沿著年輪方向的弦向干縮率約為徑向干縮率的二倍,約為6~12%,因為各部分的不均勻干縮而使其形狀改變。生材干燥時,因為徑向和弦向干縮差異的共同影響, 使由原木解鋸的板方材的端面發生多種變形,如：翹彎、順彎、扭曲、橫彎等。木材因干燥的不均勻與各向干縮的差異,造成開裂、端裂、表面裂、心裂、蜂窩裂、輪裂等缺陷的產生。

　　木材平衡含水率在木材加工利用上,具有十分重要的意義。其作用在于,它使人們認識到,木材在制成木制品前,必須干燥到與所在地區空氣溫度和濕度相適應的木材平衡含水率。這樣才可避免因受使用地區溫、濕度的影響而發生木材含水率的變化,也就不會引起木材尺寸或形狀的變化,進而保證木制品的質量。我們國家地域遼闊,各地區的木材平衡含水率依據各地的氣候不同,而存在較大差異,即使是同一地區在不同的季節木材的平衡含水率也存在差異。例如北京的木材平衡含水率年平均值約為11.1%,8月份比較高達15.6%,4月份比較低約為8.5%。廣州的木材平衡含水率年平均值約為15.1%,4~5月份比較高達17.6%, 11月份比較低約為12.4%。如果湖南某廠為北京和廣州各制造一批木制品,倘若不分別按北京和廣州的氣候條件把木材各自干燥到適當程度, 這批木制品在北京使用時就會因干縮而開裂，在廣州使用時則會因膨脹而不易開閉。為了保證木制品的形狀及尺寸穩定,除了在選擇木料時,使用那些干縮與濕脹率較小的木材外,更重要的是把木材干燥到與使用環境相適應的平衡含水率,這樣木材就不會由于急劇解吸或吸濕而產生開裂和變形情況,影響木制品的形狀和尺寸穩定性,這就是在加工或選購木制品時必須考量木材內水分含量的緣故。