木材的外观三切面三方向及纹理

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，所以要有智慧的利用木材，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)、图中断同心圆称之为年轮 (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徵。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平行线的方式呈现，而在弦切面打致会出现 V 或 U 形的木理。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）由于木材的不均质在不同方向有差异，为了方便了解木材，于是利用直交座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）上述存在细胞腔的水，因为较容易从木材中移除，称之为自由水（free water）；而存在于细胞壁内的水，因为和木材内部化学成分如纤维素、半纤维素和木质素等有吸引力（氢键），而不易离开木材，称之为结合水（bound water）。木材由生材干燥时，将先丧失自由水，如果在某一特定时点，木材内部没有自由水，但结合水仍充满细胞壁时，特称为纤维饱和点（Fiber Saturation Point, FSP），在纤维饱和点的含水率约为 2535，一般以 30 表示。自由水的增加或减少，只会增加或减少木材的重量，但结合水的增减却会影响木材的膨胀收缩机械、热、电和音等性质。IV. 木材的膨胀收缩木材在纤维饱和点以下时，含水率的增减亦即结合水的增减，将使木材膨胀收缩，含水率的增减通常是因为木材所处环境的温湿度改变，而木材与之达到新的平衡所致。膨胀和收缩的大小通常是以膨胀率和收缩率来表示。表 2（王松永, 1983）列有部分省产木材的全收缩率和平均收缩率，全收缩率指由生材到绝干材的收缩率，其含水率的减少值约等于纤维饱和点的含水率，所以又将全收缩率除以木材的纤维饱和点而得到平均收缩率，代表含水率每减少1时的收缩率。一般在实际应用上都是使用平均收缩率来计算木材的收缩量，方法是高含水率减最终含水率所得的差值再和平均收缩率相乘而得到收缩率，此收缩率乘上原来尺寸即为木材在该方向的收缩量。表 2 部份省产木材之收缩率(王松永，1983)表 2 中列有弦向和径向的收缩率，但没有纵向的值，是因为纵向的收缩一般都非常小，所以常常予以忽略不计，表 2 也可观察到弦向收缩率大于径向收缩率，一般而言，木材在弦向、径向和纵向收缩率的比值大约为 10:5:0.51，收缩率在木材三方向比值的差异称之为收缩方性，图 6 (Wood Handbook, 1999) 所示木材横切面在干燥后的变形，是因为收缩时的异方性所造成。木材在大气环境下的平衡含水率会随地区的温湿度而有不同，但一般都在 20% MC 以下，也就是在纤维饱和点以下，所以木材若由生材状态到气干状态必然的会引起收缩，有收缩就有异方性，于是就产生变形 (图 7, Hoadley, 1986)，变形若太大，就可能产生开裂的问题。所以一般木材在砍伐制材后都须经过适当的干燥过程，使其含水率下降到气干状态才能进一步的利用。干燥的方法有天然干燥和人工干燥两种，或两者配合使用。图6 木材横断面的变形（Wood Handbook, 1999, Fig. 3-3）图7 木板之变形（Hoadley, 1980, Fig. 1, p.80）在木材工业常使用下列方法来控制木材的膨胀收缩（Kubler, 1980）1. 干燥与调湿（Drying and Conditioning）将木材予以干燥至将来使用场合之平衡含水率以下，以避免大的收缩，但要降低因为使用场合相对湿度变动所引起的收缩和膨胀，则要使用下列方法。2. 调整木理方向（Orientation of Fibers and Annual Rings）3. 交错结合（Cross banding）使不同层板的纤维方向成互相垂直并予以胶合以互相牵制变形。典型的例子如合板内各相邻单板（veneer）间的纵向是互相成垂直的如图 8（Haygreen Bowyer, 1982）。图中表底面单板在纵向的膨润收缩极小，心板横向却有极大膨润收缩。由于胶合剂之键结作用使三层单板同步变形，所以净收缩量（或膨润量）介于木材横向的大收缩量和纵向的小收缩量之间。又由于木材在纤维方向（纵向）之强度大于横向者数倍，故合板之变形与否取决于纵向的变形；合板之横向变形主由心板决定，此心板之纤维走向与合板之横向一致，故收缩变形亦受其外之面底板限制，因此合板之尺寸相当稳定。当比较相同厚度的板材和合板时，合板在板面具有较佳的尺寸安定性。图8合板的交错结构（Haygreen and Bowyer, 1982, Fig. 8.11）4. 避免沾水（Exclusion of Liquid Water）5. 阻碍水气（Retarding the Exchange of Water）利用涂装或贴面来降低或阻碍木材内部水气与外界流通。6. 药剂处理（Stablizing with chemicals）利用交联剂（cross-linking agent）如甲醛或膨胀剂（bulking agent）如聚乙二醇（PEG）等药剂处理木材，能有效防止木材的膨胀收缩。7. 制成木塑材（Making Wood Plastic Composite）V. 木材的比重(或密度)木材的比重是木材中最重要的物理特性，因为大部分的性质都和比重或密度有密切的相关性。密度是物质的质量和体积的比值，代表每单位体积所含的质量，其单位常为kg/m3或g/3。而比重乃物质的密度和水密度比值，并不具有单位，因为水的密度为1g/3，所以如使用g/3为密度单位时，比重的数值恰好和密度（g/3）之数值相同，所以二者常混合使用。木材由于其吸湿吸水的特性，其质量会随木材的含水量增加而增加直到水分子充满细胞腔和细胞壁，但体积会由绝干时的最小值随着含水量的增加而膨胀至纤维饱和点为止，所以在不同含水率下木材的比重和密度是会不同，一般木材的绝干比重大约介于0.17（白塞木, Balsa）至1.2（愈疮木, Lignum vitate），一般在描述比重或密度均会指出是在何种含水率状态下的比重或密度，例如绝干比重、气干比重、生材比重或在某含水率下之比重。比重愈大，代表木材内细胞壁所占的比例也愈多，木材吸水膨胀的大小随比重的增加而增加，体积的全膨胀率约为比重的28倍。木材的强度亦会随比重增加而增加。VI. 木材的机械性质木材制材及其它木质板材如合板、粒片板和纤维板的主要用途在建筑和家具等结构体上，所以必须考虑机械的性质包含强度和弹性性质。木制品在使用时有时会受到引张如图9（Kubler, 1980）所示之弦材（chord），或受到压缩如图10（Kubler, 1980），或受到剪断如图11（Kubler, 1980），或弯曲如图12（Kubler, 1980），或受到冲击像棒球运动中的球击中球棒时，球棒所受到是一种动态的弯曲。当木材受到外力时其内部会引发应力（stress）和应变（strain），如以压缩为例，若将外力除以受力面积，亦即每单位面积所承受的力，称之为应力（如图13, Haygreen and Bowyer, 1982）。当物体受力时，它会产生变形，如将此变形与其原来的尺寸相比，就称为应变（图13），应力和应变都是一种平均的观念。有了平均才适合彼此的比较。如果将受力过程中应力与应变的变化记录并作图则会得到类似图14之应力应变图（Haygreen Bowyer, 1982）。通常将应力放在纵轴，如图14所示，应力和应变的关系在比例限度应力（proportional limit）下，会有直线的关系，表示应力和应变会有符合虎克定律的比例关系，此比值称之为弹性系数（Modulus of Elasticity），弹性系数的大小表示在相同的应力下是否容易变形，弹性系数大的应变较小。在图14中应力有一最大值称之为极限应力或强度。当木材开始受力时，其应力会持续增加，当到达极限应力时，便会破坏断裂，木材当做家具或建筑材料时，必须考虑其外力所引起的应力，而设计使不超过其强度，真正设计时因考虑到木材天然的变异性及其它环境因素如湿度和安全性，规定木材的应力是不可超过某一容许应力（allowable stress），此容许应力是远较强度为小。不同材种和木质板材在不同的受力方式和不同木理方向会有不同的容许应力值。图9 引张（Kubler, 1980, Fig. 4.1）图10 压缩（Kubler, 1980, Fig. 4.3）图11 剪断（Kubler, 1980, Fig. 4.6）图12 静曲（Kubler, 1980, Fig. 4.4）图13 以压缩为例之应力和应变(Haygreen and Bowyer, 1982, Fig. 10.)图14 应力应变图(Haygreen and Bowyer, 1982, Fig. 10.3)VII. 木质板材木材利用的形式除了以制材的实木形式外，也常使用木质板材，所谓木质板类包括合板、粒片板和纤维板等。大部份的木质板材是用于建筑、家具及其它各种用途。工业上制造木质板材的基本方法相近，都是先将原料分解成小片或薄片再组合成大的板材。合板是将数层旋切单板(rotary-cut veneer)(图15, Kubler, 1980)使其相邻单板的木理方向互相垂直胶合而成，其它木质板材亦常用来当做合板的心板(图16, Haygreen and Bowyer, 1982)。粒片板因所使用粒片的大小而有不同的名称，或称为粒片板(particleboard)，或方薄片粒片板(waferboard)，或配向粒片板 (oriented strand board)等。其制造方式是将材材粒片和胶混合，再以挤压或平压方式制成板材。纤维板则可将视为超厚硬纸板，两者之主要成份皆为纤维、纤维束和纤维碎片，以天然链接方式或加入少量胶合剂胶合成板。纤维板依密度分为软质纤维板(0.8 g/cm3)，最常用于家具的是中密度纤维板。有一些纤维板的两面都是平整光滑的，而有一些则在背面具有纵横筛网之纹路，是因为在制板时，热压机上纤维板坏的下侧常有一金属网以利水分蒸发散逸。图15 不同结构之合板（Haygreen and Bowyer, 1982, Fig. 14.1）图16 单板的形成（Kubler, 1980, Fig. 5.5）不同木质板材在静曲时的强度和弹性性质如图 17 和 18（王松永，1992）所示。木质板材或由于相邻两层之纤维走向因互相垂直和合板，或由于粒片和纤维之随机排列，使得其性质和木材比较时是较均质且异方性较低。大部份的木质板材在平面上两方面的强度和尺寸都较接近。例如合板在平面方向之收缩膨润约为实木制材纵向变形之两倍，前以提及木材之纵向变形原本就很小，即使加倍，也是相当有限。较须注意的这些木质板材在厚度方向都有较木材横向为大的膨胀率，且一旦膨胀不能回复，为避免反翘，在利用上也尽量不要使其两面的相对湿度有差异，另由于板厚通常小于 18mm，在当做搁板时，柜子的宽度不宜太宽。图17 木质板材的强度（王松永, 1992, 图1）图18 木质板材的弹性（王松永, 1992, 图2）VIII. 结语木材由于纹理美观，色泽温润，其强度和密度的比值（比强度）高，且易于加工，自古就和人类的生活习习相关，可是木材各项性质会依材种和方向而有很大的变异性；另外木材的吸湿性，虽然具有调整室内环境相对湿度的功能，但也易引起自身的膨胀收缩，又因异方性而更形为严重，过于湿润的木材也易引发生物的侵袭。充分了解木材的优缺点可以有效的利用木材及其制品。IX. 参考文献4. 王松永，1992。复合材材之特性。林产工业 11(2)：113-132。5. 王松永，1983。木材物理学。国立编译馆。p.70。6. Bodig, J. and Jayne, B.A. 1982. Mechanics of Wood and Wood Composite. VanNostran Reinhold Company Inc. U.S.A.7. Forest Products Society, 1999. Wood Handbook：Wood as an Engineering Material. FPS catalogue no. 7269. Forest Products Society. USDA Forest Service. U.S.A.8. Haygreen,J.G. and J.L. Bowyer, 1982. Forest Products and Wood Science - An Introduction, Iowa State Univ. Press, Ames. U.S.A.9. Hoadley, B.R., 1980. Understanding Wood：A Craftsmans Guide to Wood Technology, The Taunton Press, Newton, Conn. U.S.A.10. Kubler, H., 1980. Wood as Building and Hobby Material, John Wiley & Sons, New York, U.S.A.