木材的胀缩

木材的胀缩

木材作为材料，有很多优点，主要是可持续再生的绿色环保资源、强重比大、声热传导性弱、电绝缘性好、耐冲击、抗震、材色和纹理美丽、易加工等；缺点是有天然缺陷、易燃易腐易变色、有各向民性、变异性大、强度小等，特别是易开裂变形和湿胀干缩。过去人们多致力于对木材改性的研究和加工方面做了很多的工作，来改善木材胀缩的稳定性。对测计树种的木材胀缩变化数据注意很少，对根据木材尺寸稳定性的差异程度来判断和选择用材树种的问题涉及也少。现就在使用中因大气中湿度的变化影响已经干燥过的木材尺寸胀缩的大小所涉及树种的问题叙述如下。

木材是由许多细胞组成的植物体，这些不同种类、形状、大小、数量和排列的细胞组合成三维结构植物体，细胞由细胞壁和细胞腔构成，细胞壁有内中外三层，有很多排列方向不同的纤丝。因为树木生长时细胞腔内和细胞壁内都充满了水分。当细胞腔中自由水逸散时，对木材尺寸并无影响，当木材的含水率降至纤维胞和点不同，大致在20%—35%之间，平均为30%。因为木材是三维结构体，所以造成木材因方向不同而有纵向、弦向和径向的胀缩程度的不同。纵缩，即沿树干方向的干缩率很小，约为0.1%；弦缩，即与年轮垂直方向的干缩，具干缩率介于前二者之间，约为弦向干缩率的1/2，为3%—5%。由于径向和弦向收缩的不一致，常引起木材的开裂和变形。水分在木材中没有直接的通道，而是籍细胞间的纹孔和穿孔传导。在纤维饱和点以上时，木材的尺寸没有变化，但低于纤维饱和点时，木材随含水率的降低而收缩，这种现象称为干缩。干缩率是指木材收缩的尺寸占收缩前原有尺寸的比值的百分数。如从湿材至全干则称全干干缩率，如从气干至全干则称为气干干缩率；如系长度尺寸的收缩称为线干缩率（尚可分为弦向干缩率和径向干率），如系体积干缩则称为体积干缩率。由于木材弦向和径向干缩不一致和木材在干燥时内部水分和外部水分逸散时产生的梯度，所引起的应力，常造成木材的开裂、翘曲等缺陷称为干缩缺陷。如系已经干燥的木材的则考虑因大气中温度的变化而引起木材尺寸的变化。按照W.G.Keating1982按照弦缩的规定,气干干缩率分级标准是:甚小，<２.5;小,2.6%—4.0%;中,4.1%—5.5%;大,5.6%—7.0%;甚大,>7.0。

已经干燥过的木材，可以说基本上避免了开裂和变形等缺陷发生，但受大气中温度和湿度变化的影响，也会吸湿而膨胀，解湿而收缩，这种现象称为木材的胀缩性，英文称为M.vement，有人译为运动，本文采用胀缩。使用在温度和湿度的变化的大气环境中，能够保持其原有的尺寸和形状的性能，称为木材的尺寸稳定性；受大气中湿度变化的影响因树种而异，某些树种干材的胀缩大一些，即尺寸稳定性差一些；这是评定木材品质的重要的指标之一。关于干材尺寸稳定性的试验，国外用下述办法进行，把相同尺寸含水率为12%的木材在25ºC的温度下,测计空气相对温度为90%和60%时尺寸的变化，按尺寸的变化的大小分为五级或三级：优、良、中、下、劣。

表1根据“Handbook of hardwood”（R.H,Farmer1972）一书摘编成主为世界树种干材尺寸稳定性等级表，已实验的世界树种共133种/类。表中按干材尺寸稳定性/干缩率的高低/小大排序。栏中数据有“#”，表示该数据仅供参考：有“*”，表示数据有不稳定性。详见下表。

表 1世界树种干材尺寸稳定性等级表

树种名称

气干密度数值

干材胀

干材尺寸胀缩率（%）

干缩率（%）

等级（g/cm³）

缩等级

弦向

径向

弦向

径向

非洲紫檀Ptercarpus soyauxii

安哥拉缅茄木Afzelia quanzensis

安哥拉紫檀Ptercarpus angolensis

东非绿心樟Ocotea usambarensis

喀麦隆缅茄木Afzelia bipindensis

大绿柄桑木Chorophora excelsa

高责绿柄桑木Cholrophora regia

科特迪瓦榄仁树Terminalia ivorensis

米氏破布木Cordia millenii

聚伞破布木Cordia platythyrsa

阔叶黄檀Dalbergia latifolia

柚木Tectona grandis

假柚楠Pseudosindora palustris

锈色合欢木（类）Albizia ferruginea,A.spp

欧洲栗木Castanea sativa

香苏木Gosswei lerodendron balsamiferum

高美木豆Pericopsis elata

硬白梧桐Triplochiton scleroxylon

尼日利亚双苏木Distemonanthus benthamianus

虎斑楝Lovoa tuichilioides

大叶桃花心木（类）Swietenia macrophlla,S.spp

艳丽榄仁树Terminalia superba

哈比短被菊Brachylaena hutchinsii

欧洲七叶树Aesculus hippocastanum

红卡雅楝Khaya ivorensis

白卡雅楝Khaya anthotheca

单叶银叶木Hertiera simplicifolia,H.spp

类杜茎蓖李木Maesopsis eminii

中美洲香洋椿类Cedrdla odorata,C.spp

南美洲劈裂洋椿类Cedrela fissilis,C.spp

多小叶红苏木Baikiaea plurijuga

白驼峰楝Guarea cedrata

黑驼峰楝Guarea thompsonii

安哥拉非洲楝Entandrophragma angolense

轻红/白娑罗双类Shorea spp.(Lingt red or white)

赛罗双类Parashorea spp

毛帽柱木Mitragyna ciliata

非洲箭毒木Antiaris africana

魏氏箭毒木Aantiaris weliwitschii

狄氏黄胆木Nauclea diderrichii

非洲杜花楝Turraeanthus africanus

紫心苏木Peltogyne spp

小脉竹桃木Dyera costulata

洛氏竹桃木Dyera lowii

轻木Ochroma lagopus

深红娑罗双类Shorea spp.(Dark red or red)

黄娑罗双类Shorea spp.(Yellow)

柳木类Salix spp.

高大假水青冈Nothofagus procera

香坡垒Hopea odorata

圭亚那苦油楝Carapa guianensis

大驼峰楝Guara excelsa

大叶卡雅楝Khaya grandifolia

巨港印茄木Intsia palembanica

四叶印茄木Intsia palembanica

几内亚格木Erythrophleum guineense

科特迪瓦格木Erythruohleum ivorense

非洲卡雅楝Khaya nyasica

猴子果木Tieghemella heckelii (Mimusops heckelii)

东非黑黄楝Dalbergia melanoxylon

高大榄仁树Terminalia procera

良木非洲楝Entandrophragma utie

筒状非洲楝Entandrophragma cylindricum

非洲银叶树Heritiera utilis(Tattietia utilis)

干地西非苏木Daniellia ogea

乳香西非苏木Daniellia thurifera

鞋（工苏）木Berlinia spp

短盖豆（类）Brachystegia nigerica,B.spp

欧洲甜樱桃木Prunus avium

绿心樟Ocotea rodiaei

罂粟尼索桐Nesogordonia papaverifera

核桃木Juglans regian

木荚豆木Xylia xylocarpa

塔斯马尼亚栎桉类Eucalyptus spp.(Tasmanian oak)

（高山桉E.delegatensis斜叶桉E.obligua王桉E.regnans）

冰片香木类Dryobalanops.spp.

非洲橄榄木Canarium schweinfurthii

大曼孙梧桐Mansonia altissima

霍南榆Ulmus hollandica var.hollandica

英国榆Ulmus procera

无梗花栎Quercus petraea

愈疮木（类）Guajacum officinale,G.spp.

欧洲椴木（类）Tilia vulgaris,T.spp.

欧洲白蜡树Fraxinus excelsior

夏栎Quercus robur

糖槭Acer saccharum

翼形红铁木Lophira alata

边缘桉Eucalypyus marginata

巴西红厚壳木Calophylum brasiliensis

中美洲红厚壳木Calopyllum brasiliensis var.rekoi

异翅香类Anisoptera sp.

假风梨喃果苏木Cynometra alexandri

美洲白栎类Quercus spp.(White lak)

欧亚槭Acer pseudoplatanus

革叶斯科大风子Scottellia coriacea

晚花杨Populus Canadensis var.serotina

非洲（落）腺瘤豆木Piptadeniastrum africanum

长圆黄苹婆木Stereulia oblonga

贝氏翘苹婆木Pterygota beqquaertii

大果翘苹婆木Pterygota macrocarpa

小帽桉Eucalyptus microcorys

银桦Grevillea robusta

大果阿拉豆Anadenanthera macrocarpa

非洲朴类Celtis spp.(产非洲)

黑粟豆木Castanospermum australe

十（雄）蕊马蹄榄Protium decandrum

球花（肉豆）蔻木Cephalosphaera usambarensis

阿诺古夷苏木Guibourtia arnoldiana

美洲红栎类Quercus spp.(Red oak)

粗齿柞栎Quercus mongolica var.

grosseserrata,Quercus spp.

大非洲楝Entandrophragam candollei

穗状金匙树Byrsonima coriacea var.spicata

平萼斯沃铁豆Swartzia leiovalycina

龙脑香Dipterocarpus spp.(Keruign)

（主产马来西亚、印度尼西亚等地）

龙脑香Dipterocarpus spp.(Gurjun)

（主产印度、缅甸等地）

黄桦Betula alleghaniensis

欧洲鹅耳枥Carpinus betulus

东非木犀榄Olea hochstetteri

异色桉Eucalyptus diversicolor

芳香类月桂Laurelia aromatica

棱柱木（类）Gonystylus bancanus,G.spp.

欧洲水青冈Fagus sylvatica

褐苹婆木Stereulia rhinopetala

苦栎木Quercus cerris

弗（吉及亚）州柿木Diospyros virginiana

圣诞树Ilex apuifolium

大果风车玉蕊Combretodendron macrocarpa

大鳕苏木Mira excelsa

苏里南鳕苏木Mora excelsa

大姜饼木Parinari excelsa

花坪木Cormus florida

柔毛相思木（类）Acacia mollisssima,A.spp.

3 0.64—0.80

2 0.82

4 0.54

4 0.59

2 0.82

4 0.64

4 0.54

5 0.43

2 0.85

4 0.64

3 0.67

3 0.70

4 0.54

4 0.51

3 0.69

5 0.38

3 0.67

4 0.55

4 0.54

4 0.55

2 0.91-0.96

4 0.51

4 0.53

3 0.64-0.72

4 0.46

4 0.48

2 0.90

4 0.58

4 0.62

4 0.54

4 0.51

4 0.53

4 0.56

5 0.43

3 0.74

4 0.55

2 0.86

4 0.46

6 0.08-0.25

3 0.67

4 0.48-0.67

5 0.45

4 0.54

3 0.77

4 0.61

4 0.57-0.70

3 0.67

3 0.80

2 0.90

1 1.20

3 0.66

4 0.62

4 0.5

4 0.42-0.58

3 0.70

4-3 0.70

4 0.60

1 1.03

3 0.74

4 0.64

2 0.98

4-3 0.56-0.90

3 0.70-0.77

4 0.53

4 0.59

4 0.55

3 0.72

1 1.23

4 0.54

3 0.69

3 0.72

1 0.95-1.1

2 0.80

4 0.59

4 0.64

2 0.90

3 0.75

4 0.61

4 0.62

5 0.45

3 0.69

3 0.78

4 0.65

4 0.56

2 0.98

4 0.61

1 1.05

3 0.78

3 0.70

3 0.66

4 0.59

2 0.80-0.96

3 0.77

3 0.66

4 0.64

3 0.74

3 0.72-0.85

3 0.69

3 0.75

2 0.88

4 0.51

3 0.66

3 0.67

2 0.82

2 0.78-0.87

2 0.83

3 0.78

2 0.80

2 1.02

3 0.74

2 0.82

3 0.74

优

良

中

下

劣

0.5

0.6

0.9

1.0

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.6-1.9

1.6-2.3

1.7

1.8

1.9

2.0

2.8

1.66

1.8

2.0

2.1

2.0

2.1

2.1-2.3

2.3

2.4

2.5

2.6

2.62.6

2.8

2.9

3.0

2.5

3.3

2.5

2.8

2.9

3.0

3.1

3.2

3.3

3.4

3.8

0.5

0.6

0.7

0.9

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

0.8

0.9

1.0

1.2

0.7-0.8

0.8-1.1

1.0

0.8

0. 8

0.9

1.0

1.1

0.9

0.6

1.0

0.8

0.5

1.0

1.4

1.3

1.0

1.2

1.1

1.2

1.0-1.2

1.0

1.3

1.5

1.3

1.5

1.8

2.1

1.8

1.7

1.2

1.3

1.4

1.5

1.2

1.6

1.3

1.5

2.0

2.2

1.8

1.7

2.3

1.5

1.7

1.5

1.3

2.0

0. 7

2. 7

1.5

4.0

1.5

2.0

3.0

2.5

3.0

5.5

3.0

2.5

3.0

5.0

3.0

4.5

7.0

4.0

2.5

3.5

4.0

5.0

6.0-7.0

6.5

3.0

3.5

4.5

3.0

3.5

6.5-7.5

4.5

5.0

3.5

6.5

4.5

3.0

6.5

7.5

7.0

7.5

5.0

8.0

5.5

6.5

4.5

5.5

5.0

5.5

6.5

5.5

5.0

11.5-7.5

4.5

7.0

6.5

10.0

5.0

9.5

10.5

6.5

12.0

4. 5

5. 5

1.0

2.5

1.0

1.5

2.0

3.0

1.5

2.0

2.5

3.0

2.5

3.0

1.5

2.5

2.0

2.5

2.0-3.5

3.5

1.0

2.0

3.0

2.5

3.0

2.5

1.5

3.0

2.5

3.5

3.0

2.5

1.5

4.5

4.0

5.0

4.5

4.0

2.5

5.0

3.0

2.5

3.0

2.5

2.0

2.5

3.5

2.0

5.5-2.5

3.5

5.0

4.0

5.0

2.5

4.5

5.0

4.5

5.0

气干材尺寸稳定性主要是在大气中吸湿而膨胀问题。现在已经了解，不同树种干材吸湿后的膨胀的程度是不同的，它的胀缩比前一次周期的胀缩要小，究竟是什么原因造成树种间胀缩程度的差异，还不很清楚。从表1及表2，仅能得出针叶材树比阔叶树材的胀缩程度要小的结论和木材尺寸稳定性的好与差和木材密度和干缩率有关，但也受其他因素的影响。从木材的构造来说，构造细胞的种类和大小不同，尤其是细胞壁的构造对胀缩关系很大。干材的吸湿主要是细胞壁变厚，它与侧壁纹孔的大小、多少和流通管道密切相关。表1中的木材密度为0.08—0.25g/cm³的轻大的尺寸稳定性很好，而密度为1.02g/cm³的大鳕苏木则差。枫香（Liquidambar formosana）是高密度的木材，但其导管在纤维、轴向薄壁组织和木射线中的组织所占的比例很大（约14%）。无庸置疑，细胞的构成和具内含物亲合性的大小，对干材胀缩程度的大小有很大的影响，因为造成木材胀缩的水和其它液体都是极性物质。木材中一般纤维素所占数量虽多（通常约占41—42%），因结晶化抑制了亲水性，其胀缩集中在无定形区域内。半纤维素数量虽少一些（通常约占20—30%），但其吸湿量几乎为纤维素的两倍，是木材中胀缩的主要成分。木素（通常约占20—80%）的最大湿胀量约4%，能在胞壁中起制约膨胀作用。灰分不足1%，也没有吸着性。树脂性（如树胶等）物质和单宁都有是疏水性的，含量多者木材的尺寸稳定性好。亲水性的碳水化合物（多醣类）吸湿性高，对干材尺寸稳定性不利。柚木的胀缩小，尺寸稳定性好，可能与亲极性的物质（半纤维素）含量少有关。柠檬桉（Eucalyptus citriodora）木材虽干缩率大，但其木素含量多，尺寸稳定性颇好。经验证明亲水性的物质经不泡、蒸煮（特别是高温）后木材胀缩变小，可能是与提了亲水的碳水化合物（多醣类）有关。总之，影响木材胀缩性的因素很多，还是参考干材尺寸稳定性的试验数据来判断各种木材的胀缩性为好。

国内树种木材的尺寸稳定性的数据无处可查，吸湿性的数据也很难找。国内有中国主要树种的木材干缩系数（宜改称气干平均干缩率或平均干缩率），它表明了纤维饱和点以下的气干材，含水率每变化1%时，木材尺寸变动的百分数。根据A.J.Panshin在“Textbook of Wood Technology”书中图（6—3）示及其介绍，木材含水率与尺寸变化（生材尺寸的百分率）在6%与18%之间的部分接近直线，也就是说木材的胀缩程度与含水率呈直接相关。国外的木材胀缩数据是规定的温度和条件不进行测定的，所以不能与之相提并论，但国内干缩系数的数据是在测计木材含水率的同一试样上测计取得的，含水率约12%—15%，气干材在当地平衡含水率上下小范围内，湿度与水分变化的情况相似的。国内树种干材的尺寸稳定性可参考干缩系数（载于《中国主要树种木材物理力学性质》。中国林业出版社：北京，1982）。还要考虑也会受上面提及的因素影响。国产的香樟（Cinnamomoum camphora）、闽楠（Phoebe bournei）、泡桐类（Paulownia spp.）和轻木的体积干缩系数很低，依次为0.356%—0.412%、0.380%—0.392%、0.261%—0.344%和0.250%，参看上表所列的属种和使用的经验也很必要。