第2章-木质材料的触觉环境学特性幻灯片

第2章

木质材料的触觉环境学特性

2.1木质材料的接触冷暖感

2.2木质材料的接触粗滑感

2.3木质材料的接触软硬感

2.4木质材料触觉特性的综合

分析

2.5木质材料触觉特性对人体

生理的影响

2.6木地板的步行特性

以木材作为建筑内装饰材料以及由其制造的家具、器具和日常用具等，长期置于人类居住和生活环境之中，人们常用手接触它们的某些部位，给人以某种感觉，包括冷暖感、粗滑感、软硬感、干湿感、轻重感、快感与不快感等，一般常以冷暖感、粗滑感、软硬感综合评价某种物体的触觉特性。木材的触觉特性与木材的组织构造，特别是与表面组织构造的表现方式密切相关，不同树种的木材，其触觉特性也不相同。因此，木材的触觉特性反映了木材表面的非常重要的物理性质。

2.1木质材料的接触冷暖感2.1.1木材的热学性质

木材的热学性质即为木材的热物理性质，它是由比热、导热系数、导温系数等热物理参数来综合表征的。这些热物理参数，在木材加工的热处理（如原木的解冻、木段的蒸煮、木材干燥、人造板板坯的加热预处理等）中，是重要的工艺参数；在建筑部门进行隔热、保温设计时，是不可缺少的数据指标。

比热：表示材料单位质量温度升高或降低1℃所吸收或放出的热量。在物理学中，某物质比热的基本定义为：使该物质的温度提高1℃所需的热量与将同质量水的温度提高1℃所需要的热量之比，相当于该物质的热容量系数与水的热容量系数之比。因为木材是多孔性有机材料，其比热远大于金属材料，但明显小于水。

导温系数又称热扩散率。它的物理意义是表征材料(如木材)在冷却或加热的非稳定状态过程中，各点温度迅速趋于一致的能力(即各点达到同一温度的速度)。导温系数越大，则各点达到同一温度的速度就越快。导温系数通常用符号α来表示，其单位为m2/s。导温系数是在非稳定传热过程中决定热交换强度和传递热量快慢程度的重要指标。木材在加工过程中所涉及的加热和冷多属于非稳定传热过程。导温系数可以由导热系数、比热和密度计算，亦可由试验直接测定。

2.1.2木材的接触冷暖感用手触摸材料表面时，界面间温度的变化会刺激人的感觉器官，使人感到温暖或寒冷。冷暖感是由皮肤与材料间的温度变化以及垂直于该界面的热流量对人体感觉器官的刺激结果来决定的。

人体的内部温度平均约37℃，体表皮肤温度约32℃，若在室温下（18~20℃）与材料接触，必然会产生热移动。人与材料的接触冷暖感，主要来自接触部位温度差异及其所产生温度变化的刺激量。若外在温度高于皮肤温度0.4℃时，即产生温感，外在温度低于皮肤温度0.15℃时，即产生冷感。既不觉冷也不觉热的温度，称为生理零度；生理零度即相当于皮肤表面的温度，一般在32℃左右，而人体内部的温度一般在37℃左右。当温度变化的刺激被人体皮肤内的温、冷刺激感受器接收并传递给中枢神经系统时，人类便会认知“温暖”和“冰冷”。这种接触冷暖感与被接触材料的热学性质密切相关。

2.1.2.1皮肤与木材界面间的热效应与人的冷暖感对于温冷感的评定，是以恒温下热的移动量为基准确定的，愈接近人体基础代谢量的热移动变化，可被看成是愈舒适的温冷感。这是因为材料和人体的温度、以及相应的温冷感会受环境的影响而产生变化，例如平素可能会感觉到寒冷的物体，如钢铁等，在炎热的夏季亦会会有使人感到舒服的时候。

热量在木材中的热流量密度、热流量速度能够影响皮肤/木材界面间的温度变化，归根到底影响木材的接触冷暖感。铃木正治测定了手指与木材、木质人造板等多种材料接触时的热流量密度(见表2-1)。由表可见，金属类的热流量密度为209.34～293.07W/m2；混凝土、玻璃、陶瓷等为167.47W/m2；塑料、木质材料等为125.6W/m2；羊毛、泡沫等为83.74W/m2。在20℃环境下，成人的基本代谢量为41.868W/m2；静坐为58.62W/m2；步行为108.48W/m2；急走为251.1W/m2以上。由此可见，木材及塑料适于人类活动时使用；羊毛等柔软物质适于休息时使用。表3-5手指与材料接触时的热流量密度表2-1图2-1、2-2表明，手接触试件后手指温度迅速下降，界面温度在手温以下迅速增加，达到手温后温度以不同方式变化着，并因所用的材料不同而异。对于聚苯乙烯泡沫和轻木，其温度极为缓慢地增加，而对于混凝土和密度高的木材，如栎木其温度在缓慢地降低；对于中等密度的木材，如落叶松其温度保持相对稳定。穿过皮肤-木材界面间的热流速度随时间而变化，起初，热流速度非常快，以后呈指数规律下降。

图2-1皮肤-木材界面的温度随时间的变化图2-2手指和材料接触时指尖温度的变化过程环境温度对木材影响较小，一年四季木材都给人以适当的冷暖感。人接触地板时，依地板材料（木质、混凝土、PVC塑胶地砖）不同，造成脚背皮肤温度随接触时间引起变化，在室温18℃条件下试验测定结果：皮肤温度降低以混凝土最大，其次为塑胶地砖，木地板最轻微。

接触过程的手指皮肤温度变化如图2-3所示，手接触材料后皮肤表面温度立刻迅速下降，接触部位皮肤温度的降幅最大值出现在接触后0~30s内（5~15s左右），而后温度逐渐回升，在60s时皮肤温度会达到一基本稳定值，在60~300s期间，皮肤温度略有上升，但变化幅度很小。说明了人接触材料时，热量损失最快的时间应是前30s，这时人会感觉材料最凉，随后这种冰凉感会慢慢减弱，到60s时就不很明显了，继续下去的时间内感觉会基本相同。穿过皮肤-木材界面间的热流速度也证明了这一点：随时间而变化，起初热流速度非常快，以后呈指数规律下降。

图2-3接触过程中的皮肤温度变化

3.1.2.2木材的接触冷暖感各种材料的热学基本物理量与接触温冷感的测定结果见表2-2，可知随着材料密度值和导热系数对数值的增大，与各种建筑材料接触过程中皮肤的降温幅度增大，接触冷暖感的评分逐渐减小，所以密度、导热系数、热流量密度等材性因子是造成人体肤觉刺激、生理变化和心理“冷”感差异的主要因素。

实验发现，木材的导热系数能够影响热量在木材中的热流量密度、热流量速度，影响皮肤-木材界面间的温度、温度的变化，归根到底影响木材的接触冷暖感。图2-4表明了木材冷暖感与木材导热系数之间的关系。木材(包括其它材料)的冷暖感心理量与热流方向的导热系数的对数基本呈直线关系，导热系数小的材料如聚苯乙烯泡沫和轻木等，其触觉特性呈温暖感，导热系数大的材料如混凝土构件等则呈凉冷感觉。由于木材顺纹方向的导热系数一般为横纹方向的2～2.5倍，所以木材的纵切面比横断面的温暖感略强一些。图2-4木材冷暖感与木材导热系数之间的关系2.1.2.3接触冷暖感与热学性质参数的关系（1）冷暖感与试材密度的关系当分析温冷感（S）与试材密度（ρ）的关系时，发现无论男性及女性手掌接触试材后温冷感（S）均有随其密度自然对数值（lnρ）增加而呈线性降低的趋势。材料密度愈大者，相对的空隙率会较低，人们手掌接触该材料时，传热介质较多，可能会使得热流较大，而使得心理感受会较冷。（2）温冷感与材料导热系数的关系材料导热系数（λ）愈大时，则当人们手掌（发热体）接触该材料时，因试材温度（环境温度18~23℃）低于人的手掌，因此由人体向试材会产生热量流动，此时当材料导热系数愈大，其热流愈快、愈多，使得人们对该材料产生冰冷的心理感觉。

（3）温冷感与手指最大降低温度的关系当人们的手指接触到较其温度为低的材料时，热流会由手指向材料流动，其热流量会随材料及手指间界面的温差愈大而愈大。由于手指向材料表面热流动结果，手指皮肤温度将会随之降低，但不久因材料温度会上升，使得手指皮肤温度亦会增加。

2.1.2.4涂饰与贴面对材料冷暖感的影响（1）涂饰的影响一般认为，木材经涂饰后，接触面的热学性质会产生微小的变化。但是，对10mm和20mm厚的日本柳杉径切面用丙烯酸清漆多次涂刷，每次涂刷后均测定其接触冷暖感，其结果并未出现因涂饰所引起的冷暖感觉的差异。测定结果表明：当涂层厚度达到40~50μm时，才略能测出涂饰前后冷暖感的差别。因此，可以说木材表面采用涂饰装饰之所以千百年来一直博得人们的欢迎与其具有适宜的接触冷暖感亦有直接关系，这与玻璃、塑料、金属等有明显不同。（2）贴面的影响在使用时，木材常常被加工成单板作为贴面材料覆盖于其它材料的表面上，从而对基底材料的冷暖感产生影响。金属等非木质材料若能在其表面被覆以木质材料，则其温冷感会发生改变。用不同厚度的柳杉单板覆盖在50mm厚的金属板上，在20℃的室内测定其接触冷暖感，结果表明，即使厚度仅为1mm的单板也对改变基底材的冷暖感十分有效。

2.1.2.5材料厚度对冷暖感的影响从图2-5中可见，当基材厚度从0.3mm增加到6mm时，除塑料外，各种板材的接触冷暖感心理量基本均向“温暖感”方向提升了1~2级。

图2-5基材厚度对接触1分钟冷暖感心理量的影响虽然木材贴面都可以使表面变暖，但要在木材厚度d等于15mm时才能掩盖住基底材的冰冷感。从这一点出发，在实际应用时，地板椅子、桌面板等不仅仅要进行表面加工，而且基材也以选择木材或木质材料为宜。

2.2木质材料的接触粗滑感一般说来，材料的粗滑程度是由其表面上微小的凹凸程度所决定的。刨削、研磨、涂饰等表面加工效果的好坏，在很大程度上将影响木材表面的粗滑感。

2.2.1木材表面粗糙度

木材表面粗糙度是指木材表面经切削加工或压力加工后形成的具有较小间距和峰谷所组成的微观几何形状特征，它是由加工方法和木材的材质及纹理方向所决定的。木材加工工件表面粗糙度是评价其表面质量的重要指标之一,它影响木材制品的用途。2.2.2木材表面触觉粗糙感2.2.2.1木材表面的光滑性与摩擦阻力用手触摸材料表面时，摩擦阻力的大小及其变化是影响表面粗糙度的主要因子。铃木正治曾以9种木材以及钢、玻璃、合成树脂、陶瓷和纸张等材料为对象，研究了触觉光滑性与摩擦系数之间的关系。摩擦系数是用钢球或石蜡制作的手指模型测定的，结果表明在顺纹方向上针叶树材的早材与晚材的光滑性不同，晚材的光滑性好于早材。木材表面的光滑性与摩擦阻力有关，它们均取决于木材表面的解剖构造，如早晚材的交替变化，导管大小与分布类型，交错纹理等。摩擦阻力小的材料其表面感觉光滑。

2.2.2.2木材表面粗糙度与粗糙感的关系

阔叶材的表面粗糙度是木材工件的表面粗糙感的主要影响因素，其次是木射线及交错纹理的影响。针叶材表面的粗糙感除了粗糙度的影响作用外，木材的年轮宽度对其影响也很大。

粗糙感是指粗糙度和磨擦刺激人们的触觉，一般说来，材料的粗滑程度是由其表面上微小的凹凸程度所决定的。因为木材细胞组织的构造与排列赋予木材表面以粗糙度，尽管木材经过刨切或砂磨，但是由于细胞裸露在切面上，使木材表面不是完全光滑的，刨削、研磨、涂饰等表面加工效果的好坏，在很大程度上将影响木材表面的粗滑感。佐道健等对木材表面粗糙度与粗糙感的关系进行了研究，由仪器测得的、与视觉、触觉综合得到的粗糙感的关系在针、阔叶树材之间有差异(见图2-6)。针叶树材的比阔叶树材的分布范围窄。而粗糙感的分布范围针叶树材比阔叶树材树材的窄，前者为1.4～3.8(心理量)，后者为1.1～4.8(心理量)。对于阔叶树材来说，主要是表面粗糙度对粗糙感起作用，木射线及交错纹理有附加作用。而针叶树材的粗糙感主要来源于木材的年轮宽度。图2-6木材表面粗糙度的物理尺度和心理尺度2.2.2.3触觉心理量与视觉心理量之间的关系

考察触觉心理量与视觉心理量的相关性可见，水曲柳、毛白杨和杉木触觉心理量与视觉心理量的相关系数分别为0.7977、0.7971和0.9892。由此可知，针叶材触觉心理量与视觉心理量的相关性比阔叶材大。这是因为针叶材的结构比较均匀，对视觉和触觉的影响较小，而阔叶材中环孔材的早、晚材导管直径差异较大，对视觉和触觉的影响较大，所以阔叶材触觉心理量与视觉心理量的相关性小于针叶材。

图2-7水曲柳、毛白杨和杉木的表面粗糙感2.2.3影响木材表面粗糙感的因素2.2.3.1树种、导管类型的影响

日本学者采用触针法测定了不同导管直径和导管排列类型（环孔材、散孔材和交错纹理）的阔叶树材径切面、半径切面、弦切面的均方根粗糙度（表2-3）及每0.5mm测量长度上的区段粗糙度，分析了粗糙度与导管类型的内在联系，如图2-8所示。

表2-3表明，粗糙度与导管直径有关，含有大导管的木材显示了较高的粗糙度值。

图2-8表明，可按峰值的分布情况将区段粗糙度分为三种类型：类型I：在15μm以上没有峰值出现，在15μm以下的峰是由小导管及其它组织而形成的，这种类型与散孔材相对应；类型Ⅱ：在15μm以上有几个峰值出现，峰高随区段粗糙度的增加而降低，这种类型与通常的环孔材相对应；类型Ⅲ：Rp<10μm时有小峰值、Rp>20μm时有峰值，但最高的峰比第一个峰值高，这种类型主要对应具有很多粗大管孔的树种。

图2-8木材表面上区段粗糙度的分布

2.2.3.2加工方式的影响

王明枝等2002年采用探针法测定水曲柳、毛白杨和杉木经过锯切、铣削、刨切和磨削等不同加工工艺后的表面粗糙度和粗糙感触觉心理量。研究结果表明，树种、切削方式、切面和木材的表面组织构造会影响木材的表面粗糙度；表面粗糙度值因为加工方法不同而不同，随着加工精度的提高而降低；表面粗糙感的触觉心理量与视觉心理量呈正相关，针叶材表面粗糙感的触觉心理量与视觉心理量的相关性比阔叶材的大。2.3木质材料的接触软硬感木材表面具有一定的硬度，其值因树种而异。通常多数针叶树材的硬度小于阔叶树材，前者国外称为软材，后者称为硬材。国产材的端面硬度平均为53.5MPa，变化范围为13.1～165MPa。其中针叶树材平均为34.3MPa，变化范围为19.2～63.8MPa；阔叶树材平均为60.8MPa。针叶树材端面最高与最低值相差约3倍，阔叶树材相差12倍左右。针、阔叶树材均是端面硬度比侧面高，弦面硬度略比侧面高。端面∶径面∶弦面约为1∶0.80∶0.83。不同树种、同一树种的不同部位、不同断面的木材硬度差异很大，因而有的触感轻软，有的触感硬重。

在漆膜物理性能检测项目中，有漆膜硬度及漆膜抗冲击性试验，这两项指标与木材的硬度有着直接关系。当木材的硬度较高时，漆膜的相对硬度也会提高。例如，桌面经常会出现一些划痕压痕等痕迹，这些痕迹的出现既有漆膜硬度较低的原因，也有木材本身强度低的缘故。因此，人们都喜欢用较硬的阔叶树材作桌面。抗冲击性与硬度的关系也有相同的道理，木材的硬度与冲击韧性之间有很高的相关性。

作为一种天然多孔性高分子物体，木材还能产生体现粘弹性的变形，在外力作用下，相邻微纤丝分子链之间发生滑移，细胞的壁层相应变形；随外力的撤消，微纤丝分子链回归原位置，变形恢复，如图2-9所示。这使木材具有了较好的抵御冲击和吸收部分冲击能量的性能，所以铺设木地板，使用木家具，可使人感到安全，让人有舒适感。同时有关实验及调查结果也表明：基于木材表面触觉的软硬感心理量与其硬度物理量参数之间具有很强的相关性。图2-9细胞弹性变形对冲击力的抵御

根据木材的软硬感与吸收冲击能量的特性，它也可被当作隔振材料使用。隔振垫（或称减振）材料，是在冲击点处通过有效的铺垫弹性材料或制造弹性机构以削弱振动和冲击，例如采用橡胶、软木、毛毡或钢丝弹簧，或在两个基础之间铺垫阻尼材料，如图2-10所示。图2-11表示了几种隔振材料的适用范围。2-10浮筑式结构的构造方案

图2-11几种隔振材料的应用范围A—钢弹簧；B—150mm厚的橡胶；C—75~200mm厚的软木；D—25mm厚的毡垫

2.4木质材料触觉特性的综合分析当人们接受到某一物体时，这种物体就会产生刺激值，使人在感觉上产生某种印象。而这种印象往往是以一个综合的指标反映在人的大脑中，一般常以冷暖感、软硬感、粗滑感这三种感觉特性加以综合评定。如果以W、H、R分别代表这三种感觉特性的心理量，则可形成一个直角坐标空间(简称为WHR空间)。可以认为，在WHR空间位置上越接近的材料，其触觉特性越相似。

可按各种材料空间距离进行聚类而得出聚类分析谱系图，再按聚类距离可将这些材料分为表2-4所示的7个类别。木材及木质人造板等划归到第V类。比较各种材料的触觉特性可知木材及木质人造板的冷暧感偏温和、软硬感和粗滑感适中，木材以适当的触觉特性参数值给人以适宜的刺激，引起良好的感觉，通过这种感官，刺激大脑，进而调节人的心理与健康。

表2-4

2.5木质材料触觉特性对人体生理的影响生理方面的实验表明：人在与木材对比其它材料接触时，人的生理指标是有一定的变化的。在木材、塑料、石材、金属的对比中，发现与木材接触时，心电RR间期整体略微减小，交感神经活动略增强，但副交感神经的活动并未有多大的减弱，甚至有增强趋势，交感-副交感神经的整体均衡性保持得很好；血压略有升高，但幅度不大，且很快恢复到原位；脑电的α波减少、β波增加，显示兴奋性增强；

此外，接触部位皮肤温度的变化、难受感觉等均不明显。而其它材料的以上生理指标变化幅度较大，石材和金属的有些指标变化趋势甚至不利于人的身体健康。综合得出结论：木材能给人以适度的刺激感，这种适度的刺激感使木材有别于其它材料，不会干扰人的注意力，危及人的健康，又能给人以一定程度的美好感觉。

2.6木地板的步行特性在住宅所具有的性能当中，步行性能在实现居住环境的舒适性上是极为重要的，我们有必要选择能使居住者满意的地板。对于地板步行性能的良好与否，应该首先对实际在地板上行走的人们的感觉进行评价。与地板步行性能有关的心理感觉量有地板的坚硬度、回弹性、振动的衰减、粗滑感等。住宅地板步行性能的评价方法有两种，即：①人在地板上实际行走，以主观调查法评价步行性能；②利用机械、物理的方法先测定地板性质，再对应计算、分析其步行性能。2.6.1木质地板材料的静摩擦2.6.1.1不同种类地板的静摩擦系数磁砖、大理石的静摩擦系数值较小，由此可解释为何人们行走在磁砖及大理石等地板材料上时较容易滑动的原因；塑料地板、硬槭木等地板材料的静摩擦系数较大；而单板层积材、浸渍纸覆面单板层积板、胶合板及涂饰柚木等四种地板材料的静摩擦系数值则介于十种地板材料中间。

2.6.1.2木质地板的静摩擦系数总体而言，静摩擦系数值与密度成反比，密度愈小的木材，木材摩擦面能产生的塑性变形越大，静摩擦力也随着越大。针叶树材的静摩擦系数（平均0.529）略大于阔叶树材（0.477）。针叶树材主要靠管胞直径、生长轮宽及早晚材差异来影响其粗糙感，静摩擦系数在早材部位时通常会较晚材部位为大。阔叶树材主要以表面粗糙不平度发挥粗糙感效果，其木射线组织或交错纹理会稍增大摩擦系数。

2.6.2木质地板材料的滑动性滑动性会影响到人的步行感及运动感，而且当滑动性不适当时，不但疲劳会增加，也会经常发生伤害性的事故。各种滑动性均有其最适值，太过于滑动，或太过于不滑动均不适当。步行时最适当的滑动阻力系数大概在0.4左右，运动时最适滑动阻力系数为0.7左右，激烈运动时有必要采用较步行时更大的滑动阻力系数。木质地板滑动性阻力一般在表面不施以涂饰时，穿鞋为0.5~0.9，穿袜子为0.3~0.6，表面施以涂饰时，穿鞋为0.4~1.0