【木材百科】木材学视野的木材之化学性质
发布时间: 2015年03月23日 12:46:21
【批木网讯】 木材的化学性质
木材的化学组成
纤维素——微骨架结构——钢筋 （骨架作用） 赋予木材弹性和强度
木质素——结壳物质 ——混凝土 （硬骨作用） 赋予木材硬度和刚性
半纤维素——填充物质——细铁丝 （粘结作用） 赋予木材剪切强度
<填空>木材中的主要成分为纤维素，半纤维素和木素，次要成分为抽提物和内含物。
<考>在针叶材中，心边材差异较大，而阔叶材则差异较小。（√）[zty13]
第二节
纤维素
纤维素的结构单元是葡萄糖基（吡喃型D-葡萄糖基）
重复单元是二糖单元（二者注意区分）
<研>纤维素分子结构式
纤维素的物理结构，及氢键与吸湿机理、差异干缩、吸湿滞后及力学强度等的相互关系
试从天然纤维素晶胞模型的角度说明木材各向异性的基本原因模型 a轴：氢键（因为距离短） b轴:共价键 c轴：范德华力 因此纤维素的力学强度在各轴方向上也不同，这是木材各向异性的基本原因。a轴：径向 b轴：顺纹方向 c轴：弦向
结晶区与非结晶区：水分只能进入非结晶区，因为结晶区中无自由羟基。
试写出纤维素的吸湿过程 1非结晶区的羟基以氢键的形式结合水分子（使其具有极性）2水分子以范德华力吸附水分子（有了第一步，才有第二步。）
试从纤维素的吸湿机理解释木材的横向与纵向的差异干缩 水分只能进入非结晶区的分子链之间及结晶区的表面，因此水分的增减会引起链分子间距离的增多或减小，从而导致纤维素的横向膨胀或收缩，而纤维素的轴向尺寸却无明显变化。
试从纤维素的角度分析木材力学强度为什么在纤维饱和度下随水分子的减少而增加？纤维素大分子间形成氢键。
试从纤维素的吸湿机理解释吸湿滞后的原因①吸湿过程中发生的润胀破坏了氢键，游离出羟基吸着水。在解析过程中，部分羟基重新形成氢键，但受到内部阻力的抵抗，已被吸着的水分不易蒸发，形成的氢键较少，吸着水的量也相应较多。②在吸湿过程中，由于部分羟基和羟基之间形成相互间的氢键结合，当开始吸着水分时，一些氢键结合分离，但是另一部分仍然保持氢键结合状态，因此木材中能吸着水分的有效羟基数目减少，从而降低了由吸着达到的平衡含水率，而解吸不存在这个问题。
木材干燥过程中，初期水分较易蒸发，而后期因为水分与木材间的氢键，导致较难干燥。<研>考过干燥过程中，水分从25%降至20%和从10%降至%5 哪个需要热量大
纤维素的微细结构 在原细纤维的周围存在半纤维素，而由原细纤维所组成的微纤维周围存在木质素。因此，微纤维只有在脱木质素后才能观察到，原细纤维在半纤维素水解后才能观察到。
纤维素的化学性质（主要反应基团：苷键，羟基）
木材水解制取酒精：纤维素在酸性溶液中受热水解，引起苷键断裂，最后水解产物是葡萄糖，发酵得酒精。
纤维素与浓碱反应，生成碱纤维素
纤维素的热解
纤维素的酯化和醚化纤维素分子中基环上的羟基的氢被酸根取代生成酯。好处：吸湿性降低，体积稳定性，耐湿性，耐腐性，耐热性和耐磨性均有所改善。（木素也可以进行乙酰化处理，因为也含羟基。）
第三节 半纤维素 （分子量较低的非纤维素的碳水化合物）
针叶材：主要己糖
阔叶材：主要戊糖
<考>通过碱液处理的木材细胞壁中所抽提出的非纤维素聚糖类，统称为半纤维素。（╳）（果胶和淀粉等不属于半纤维素）
半纤维素的命名方法：首先列出支链的糖基，当含有多个支链时，将含量少的支链排在前面，将含量多的支链排在后面，而将主链的糖基列于最后，并于支链糖基前加“聚”字，如聚C糖B糖A糖。
<研>比较纤维素和半纤维素的异同点 （徐永吉书p67）
半纤维素在木材加工过程中的变化1在高温处理中的变化2在水热处理中的变化3 与纤维板生产工艺的关系
半纤维素的一些特点：1 在“三大素”中吸湿性最强
2 在“三大素” 中耐热性最差
3 在“三大素“中最易分解
第四节 木素 （不是单一物质，而是一群物质）
结构单元：愈疮木基丙烷（针叶材为主）、紫丁香基丙烷（阔叶材为主）、对羟基苯丙烷
主要功能基：甲氧基（-OCH3），羟基
<研>木材细胞中的木素绝大多数分布在胞间层内。（╳）（木素在胞间层中占三大素的浓度比例最高，但S2层厚度占绝大多数，所以绝大多数木素在S2层中）
<名词解释>云杉硫酸木素vs云杉碘酸木素 云杉硫酸木素：用硫酸法从云杉中分离出来的木素云杉碘酸木素：用高碘酸钠处理云杉木材后得到的木素
分离木素的溶解度取决于是否具有空间结构，分子量大小，所含的功能基。
“三大素”中只有木素有颜色。
木素的颜色反应
木素的颜色反应可以作为鉴定木材组织中或机械纸浆中有无木素存在的一种可行方法。
第五章 木材的物理性质
第一节 水分
立木中水分是树木生长中必不可少的物质，也是树干输送各种物质的载体，以树液形式出现。
水分存在状态：自由水 细胞腔细胞间隙 纹孔腔 （游离水，毛细管水）
吸着水（结合水） 存在于细胞壁中 微纤丝基本纤丝间隙 木素内部间隙 纹孔膜小孔 和羟基结合
化合水 温度达到使木材破坏，才会逸散 （不属于物理性质，对物理性质无影响）
吸着水按其在细胞壁内的位置和接着方式的不同分为：（1）表面束缚水 -OH以氢键结合水分子 在微毛细管的最内表面 一水分子膜水层厚度（0-6%）（2）被吸束缚水 以范德华力吸附在表面束缚水的表面 多分子层水膜（6-15%）（3）凝结水 由微毛细管张力所凝结的水 （15-30%）影响凝结水的数量的因素:1微毛细管直径2相对湿度
无论是大毛细管内的自由水，还是微毛细管内的吸着水，都受到毛细管张力的束缚，只是张力与毛细管直径成反比。
自由水并非都是液体形式，包括液态水和腔内水蒸气两部分。
<研>在木材干燥过程中，大毛细管中的水分移除完后，再蒸发微毛细管中的水。 （X）这只能针对单个细胞，对于整块木材是错的。
含水率测定方法：重量法 蒸馏法 电测法 微波法
吸湿的根本原因:空气中的水蒸汽压力大于木材表面水蒸汽压力时，木材从空气中吸水。
(注)木材的吸湿性不仅指吸湿，包括解吸。
平衡含水率随相对湿度增加而增加，随温度增加而减少。
解释为什么纤维饱和点随温度的升高而减少？ 温度升高，被吸附水分子动能增加，易摆脱束缚，另被吸附水分子在木材表面停留时间短，吸附能力减弱。所以温度升高，被吸附的水减少。
细管间隙变小，胞壁紧密，强度增加。另：纤维素分子链中的自由羟基互相连接，形成氢键增加强度。）
水分的移动 ：纵向水分移动速度较横向大，横向中径向大于弦向。
水分移动的驱动力：含水率梯度 1水蒸气压力差（水蒸汽扩散 自由水）2微毛细管张力差（液态水移动 吸着水）
在F.S.P以上时，仅由水蒸汽压力差引起液态水以水蒸汽形式蒸发。
在F.S.P以下时，由水蒸汽压力差引起的水蒸汽移动和微毛细管张力引起的液态水移动。
解释为什么针叶材水分速度大于阔叶材？ 尽管阔叶材又专司输导的导管，但板材的水分主要靠横向传导，而木纤维直径较管胞小，纹孔小而少，所以阔叶材水分传导困难。
水分移动速度：针叶材﹥软阔叶材﹥硬阔叶材
第二节干缩湿涨
<名词解释>干缩vs湿涨 （注：干缩湿涨都是发生在纤维饱和点下的，这个条件不能忘）
短而宽的射线比长而细的射线更能减少径向干缩，但随密度的增加，这种能力减弱。
差异干缩机理：
纵向远小于横向：
1纤维素纵向吸水几率远小于横向。（非结晶区 纤维素长宽比） 四条理由
2微纤丝主要是横向干缩 每条都是由前一条推出来
3细胞的纵向干缩远小于横向干缩
4木材的纵向干缩远小于横向干缩
弦向大于径向：
1木射线
2早晚材 晚材胞壁实质多 干缩大；径弦向的串并联
3纹孔 纹孔主要存在于径面壁上减少径向胞壁实质；并使微纤丝绕过纹孔，倾角增大，干缩减少 (细胞壁厚度方向上的干缩与纹孔无关)
影响因素：密度晚材率 树种（针叶材干缩小于阔叶材）
涨缩三大后果:1尺寸改变 2 开裂(应力) 3翘曲变形(含水率不均,干缩各向异性)
提高尺寸稳定方法:1表面涂饰 2高温干燥 3化学处理 4机械抑制 5用径切板
第三节密度
常用气干密度和基本密度,运输建筑用生材密度,比较材性用基本密度。
密度测定方法直接测量法，水银测容器法，排水法，快速测定法
<研>排水法如何”称”试材体积 <考>快速测定法方法（参尹思慈版p116图6.3）。
<名词解释>基本密度vs实质密度（由绝干重和液体置换法测出的体积确定）
<考>阔叶材密度大于针叶材密度. （X） (不一定,最重最轻的都是阔
叶材)
<考>区别心边材,幼龄材和成熟材.
辨认心边材的关键在于木材距形成层的远近
辨认幼龄材和成熟材的关键在于分生该木段的形成层的年龄,即距离髓心的形成层距离
<考>怎样区别幼龄材和成熟材,幼龄材有哪些性质?结合第一章,性质(结构,物理力学,化学)怎样识别,怎样利用.
<考>解释为什么未经干燥的气干材密度随含水量的增减变化比湿材慢？（湿材体积不变的）
| 粉末状，颗粒状 |
纤维素——微骨架结构——钢筋 （骨架作用） 赋予木材弹性和强度
木质素——结壳物质 ——混凝土 （硬骨作用） 赋予木材硬度和刚性
半纤维素——填充物质——细铁丝 （粘结作用） 赋予木材剪切强度
<填空>木材中的主要成分为纤维素，半纤维素和木素，次要成分为抽提物和内含物。
<考>在针叶材中，心边材差异较大，而阔叶材则差异较小。（√）[zty13]
第二节
| 每个晶胞具有4个葡萄糖基 |
纤维素的结构单元是葡萄糖基（吡喃型D-葡萄糖基）
重复单元是二糖单元（二者注意区分）
<研>纤维素分子结构式
纤维素的物理结构，及氢键与吸湿机理、差异干缩、吸湿滞后及力学强度等的相互关系
试从天然纤维素晶胞模型的角度说明木材各向异性的基本原因模型 a轴：氢键（因为距离短） b轴:共价键 c轴：范德华力 因此纤维素的力学强度在各轴方向上也不同，这是木材各向异性的基本原因。a轴：径向 b轴：顺纹方向 c轴：弦向
结晶区与非结晶区：水分只能进入非结晶区，因为结晶区中无自由羟基。
试写出纤维素的吸湿过程 1非结晶区的羟基以氢键的形式结合水分子（使其具有极性）2水分子以范德华力吸附水分子（有了第一步，才有第二步。）
试从纤维素的吸湿机理解释木材的横向与纵向的差异干缩 水分只能进入非结晶区的分子链之间及结晶区的表面，因此水分的增减会引起链分子间距离的增多或减小，从而导致纤维素的横向膨胀或收缩，而纤维素的轴向尺寸却无明显变化。
试从纤维素的角度分析木材力学强度为什么在纤维饱和度下随水分子的减少而增加？纤维素大分子间形成氢键。
| “有效羟基说”，更好理解 |
木材干燥过程中，初期水分较易蒸发，而后期因为水分与木材间的氢键，导致较难干燥。<研>考过干燥过程中，水分从25%降至20%和从10%降至%5 哪个需要热量大
纤维素的微细结构 在原细纤维的周围存在半纤维素，而由原细纤维所组成的微纤维周围存在木质素。因此，微纤维只有在脱木质素后才能观察到，原细纤维在半纤维素水解后才能观察到。
纤维素的化学性质（主要反应基团：苷键，羟基）
木材水解制取酒精：纤维素在酸性溶液中受热水解，引起苷键断裂，最后水解产物是葡萄糖，发酵得酒精。
纤维素与浓碱反应，生成碱纤维素
纤维素的热解
纤维素的酯化和醚化纤维素分子中基环上的羟基的氢被酸根取代生成酯。好处：吸湿性降低，体积稳定性，耐湿性，耐腐性，耐热性和耐磨性均有所改善。（木素也可以进行乙酰化处理，因为也含羟基。）
第三节 半纤维素 （分子量较低的非纤维素的碳水化合物）
针叶材：主要己糖
阔叶材：主要戊糖
<考>通过碱液处理的木材细胞壁中所抽提出的非纤维素聚糖类，统称为半纤维素。（╳）（果胶和淀粉等不属于半纤维素）
半纤维素的命名方法：首先列出支链的糖基，当含有多个支链时，将含量少的支链排在前面，将含量多的支链排在后面，而将主链的糖基列于最后，并于支链糖基前加“聚”字，如聚C糖B糖A糖。
<研>比较纤维素和半纤维素的异同点 （徐永吉书p67）
半纤维素在木材加工过程中的变化1在高温处理中的变化2在水热处理中的变化3 与纤维板生产工艺的关系
半纤维素的一些特点：1 在“三大素”中吸湿性最强
2 在“三大素” 中耐热性最差
3 在“三大素“中最易分解
第四节 木素 （不是单一物质，而是一群物质）
结构单元：愈疮木基丙烷（针叶材为主）、紫丁香基丙烷（阔叶材为主）、对羟基苯丙烷
主要功能基：甲氧基（-OCH3），羟基
<研>木材细胞中的木素绝大多数分布在胞间层内。（╳）（木素在胞间层中占三大素的浓度比例最高，但S2层厚度占绝大多数，所以绝大多数木素在S2层中）
<名词解释>云杉硫酸木素vs云杉碘酸木素 云杉硫酸木素：用硫酸法从云杉中分离出来的木素云杉碘酸木素：用高碘酸钠处理云杉木材后得到的木素
分离木素的溶解度取决于是否具有空间结构，分子量大小，所含的功能基。
“三大素”中只有木素有颜色。
木素的颜色反应
木素的颜色反应可以作为鉴定木材组织中或机械纸浆中有无木素存在的一种可行方法。
第五章 木材的物理性质
第一节 水分
立木中水分是树木生长中必不可少的物质，也是树干输送各种物质的载体，以树液形式出现。
水分存在状态：自由水 细胞腔细胞间隙 纹孔腔 （游离水，毛细管水）
吸着水（结合水） 存在于细胞壁中 微纤丝基本纤丝间隙 木素内部间隙 纹孔膜小孔 和羟基结合
化合水 温度达到使木材破坏，才会逸散 （不属于物理性质，对物理性质无影响）
吸着水按其在细胞壁内的位置和接着方式的不同分为：（1）表面束缚水 -OH以氢键结合水分子 在微毛细管的最内表面 一水分子膜水层厚度（0-6%）（2）被吸束缚水 以范德华力吸附在表面束缚水的表面 多分子层水膜（6-15%）（3）凝结水 由微毛细管张力所凝结的水 （15-30%）影响凝结水的数量的因素:1微毛细管直径2相对湿度
无论是大毛细管内的自由水，还是微毛细管内的吸着水，都受到毛细管张力的束缚，只是张力与毛细管直径成反比。
自由水并非都是液体形式，包括液态水和腔内水蒸气两部分。
<研>在木材干燥过程中，大毛细管中的水分移除完后，再蒸发微毛细管中的水。 （X）这只能针对单个细胞，对于整块木材是错的。
含水率测定方法：重量法 蒸馏法 电测法 微波法
吸湿的根本原因:空气中的水蒸汽压力大于木材表面水蒸汽压力时，木材从空气中吸水。
(注)木材的吸湿性不仅指吸湿，包括解吸。
平衡含水率随相对湿度增加而增加，随温度增加而减少。
解释为什么纤维饱和点随温度的升高而减少？ 温度升高，被吸附水分子动能增加，易摆脱束缚，另被吸附水分子在木材表面停留时间短，吸附能力减弱。所以温度升高，被吸附的水减少。
| 关注表述，参照木材干燥。 |
水分的移动 ：纵向水分移动速度较横向大，横向中径向大于弦向。
水分移动的驱动力：含水率梯度 1水蒸气压力差（水蒸汽扩散 自由水）2微毛细管张力差（液态水移动 吸着水）
在F.S.P以上时，仅由水蒸汽压力差引起液态水以水蒸汽形式蒸发。
在F.S.P以下时，由水蒸汽压力差引起的水蒸汽移动和微毛细管张力引起的液态水移动。
解释为什么针叶材水分速度大于阔叶材？ 尽管阔叶材又专司输导的导管，但板材的水分主要靠横向传导，而木纤维直径较管胞小，纹孔小而少，所以阔叶材水分传导困难。
水分移动速度：针叶材﹥软阔叶材﹥硬阔叶材
第二节干缩湿涨
<名词解释>干缩vs湿涨 （注：干缩湿涨都是发生在纤维饱和点下的，这个条件不能忘）
短而宽的射线比长而细的射线更能减少径向干缩，但随密度的增加，这种能力减弱。
差异干缩机理：
纵向远小于横向：
1纤维素纵向吸水几率远小于横向。（非结晶区 纤维素长宽比） 四条理由
2微纤丝主要是横向干缩 每条都是由前一条推出来
3细胞的纵向干缩远小于横向干缩
4木材的纵向干缩远小于横向干缩
弦向大于径向：
1木射线
2早晚材 晚材胞壁实质多 干缩大；径弦向的串并联
3纹孔 纹孔主要存在于径面壁上减少径向胞壁实质；并使微纤丝绕过纹孔，倾角增大，干缩减少 (细胞壁厚度方向上的干缩与纹孔无关)
影响因素：密度晚材率 树种（针叶材干缩小于阔叶材）
涨缩三大后果:1尺寸改变 2 开裂(应力) 3翘曲变形(含水率不均,干缩各向异性)
提高尺寸稳定方法:1表面涂饰 2高温干燥 3化学处理 4机械抑制 5用径切板
| <研>解释基本密度常用的原因(最稳定的原因) |
常用气干密度和基本密度,运输建筑用生材密度,比较材性用基本密度。
密度测定方法直接测量法，水银测容器法，排水法，快速测定法
<研>排水法如何”称”试材体积 <考>快速测定法方法（参尹思慈版p116图6.3）。
<名词解释>基本密度vs实质密度（由绝干重和液体置换法测出的体积确定）
<考>阔叶材密度大于针叶材密度. （X） (不一定,最重最轻的都是阔
叶材)
<考>区别心边材,幼龄材和成熟材.
辨认心边材的关键在于木材距形成层的远近
辨认幼龄材和成熟材的关键在于分生该木段的形成层的年龄,即距离髓心的形成层距离
<考>怎样区别幼龄材和成熟材,幼龄材有哪些性质?结合第一章,性质(结构,物理力学,化学)怎样识别,怎样利用.
<考>解释为什么未经干燥的气干材密度随含水量的增减变化比湿材慢？（湿材体积不变的）
