2025年木材学题库及答案

2025年木材学题库及答案一、名词解释1.早材：在温带或亚热带树木的一个生长轮中，形成层在生长季节早期（春季或初夏）活动旺盛时形成的木材部分，其细胞分裂快、管径大、细胞壁薄，颜色较浅，材质较松软。2.晚材：生长轮中形成层在生长季节后期（夏末或秋季）活动减弱时形成的木材部分，细胞分裂慢、管径小、细胞壁增厚明显，颜色较深，材质致密坚硬。3.管孔式：阔叶树材中导管在生长轮内的分布方式，主要分为环孔材（早材管孔显著大于晚材，呈环状排列）、散孔材（管孔在生长轮内分布均匀，大小相近）和半环孔材（介于前两者之间，早材至晚材管孔逐渐变小）。4.木素：木材细胞壁的主要化学成分之一，是由苯丙烷结构单元通过醚键和碳碳键连接而成的三维网状高分子化合物，填充于纤维素微纤丝间，增强细胞壁的刚性和抗降解能力。5.吸着水：木材中以氢键形式吸附于细胞壁微纤丝表面及无定形区的水分，其含量随环境相对湿度变化而变化，是影响木材干缩湿胀的主要因素。6.木材密度：单位体积木材的质量，通常分为气干密度（木材在气干状态下的密度，含水率约12%）和全干密度（木材完全干燥后的密度），是衡量木材物理力学性质的关键指标。7.木材腐朽：木材在木腐菌（如白腐菌、褐腐菌）作用下，其细胞壁成分（纤维素、半纤维素、木素）被酶解破坏，导致材质松软、强度下降的现象，需满足水分、氧气、适宜温度和营养条件。8.应力木：树木因受机械应力（如倾斜、风倒）刺激而形成的异常木材，针叶树的应力木称应压木（位于树干下侧，木质部增厚，密度大，收缩率高），阔叶树的应力木称应拉木（位于树干上侧，含胶质纤维，微纤丝角小，干缩各向异性显著）。二、简答题1.简述木材微观构造中细胞壁的层次及各层特征。细胞壁由胞间层（ML）、初生壁（P）和次生壁（S）构成。胞间层是相邻细胞间的胶结层，主要成分为果胶质，厚度约0.1-0.2μm，无纤维素微纤丝；初生壁是细胞生长初期形成的薄层，微纤丝排列不规则（网状），厚度约0.1-1μm，含纤维素、半纤维素和少量木素；次生壁是细胞停止生长后增厚的主要部分，分为S1、S2、S3三层：S1层微纤丝与细胞长轴成50°-70°角，厚度较薄；S2层最厚（占次生壁的70%-90%），微纤丝与细胞长轴成10°-30°角，决定木材的力学性能；S3层微纤丝与细胞长轴成60°-90°角，厚度极薄，靠近细胞腔。2.影响木材干缩湿胀的主要因素有哪些？（1）木材方向：纵向干缩最小（约0.1%-0.3%），径向次之（3%-6%），弦向最大（6%-12%），与微纤丝排列方向及细胞结构差异有关；（2）树种：密度高、木素含量高的树种干缩率较小（如栎木），密度低、纤维素含量高的树种干缩率较大（如杨木）；（3）含水率：仅当木材含水率在纤维饱和点（约25%-35%）以下时才发生干缩湿胀，高于纤维饱和点时体积不变；（4）晚材率：晚材含量高的木材，细胞壁物质多，干缩率较小；（5）应力木：应压木和弦向干缩率显著高于正常木，应拉木径向干缩率异常增大。3.如何通过化学分析法测定木材中纤维素的含量？常用硝酸-乙醇法（Wise法）：将木材试样用硝酸-乙醇混合液（体积比1:4）在沸腾条件下处理，半纤维素和木素被酸解或氧化溶解，剩余残渣为纤维素（含少量α-纤维素）。具体步骤：（1）试样经苯-乙醇抽提去除抽提物；（2）加入硝酸-乙醇溶液回流2-3小时，期间更换新鲜溶液至残渣呈白色；（3）过滤、洗涤、干燥后称重，计算纤维素含量（残渣质量/试样绝干质量×100%）。需注意：该法会导致部分纤维素降解，结果略低于实际值，可通过进一步用17.5%NaOH溶液处理残渣（去除半纤维素）得到α-纤维素含量。4.木材在干燥过程中可能产生哪些应力？如何防止干燥开裂？干燥应力包括：（1）表面拉应力：初期表面水分蒸发快，含水率低于内部，表面收缩受内部约束产生拉应力，易导致表裂；（2）内部拉应力：干燥后期内部水分向表面移动，内部含水率低于表面，内部收缩受表面约束产生拉应力，易导致内裂；（3）残余应力：干燥结束后木材内部未完全释放的应力，可能导致后期变形。防止开裂的措施：（1）控制干燥速度：初期降低温度、提高湿度（如预热处理），减少表面与内部的含水率梯度；（2）采用梯度干燥或平衡干燥工艺，使各层含水率均匀下降；（3）对易裂树种（如马尾松、橡木）进行高温高湿预处理（汽蒸），软化木素，增加塑性；（4）锯材堆垛时加隔条，保证气流均匀，避免局部应力集中；（5）干燥后进行调湿处理（喷蒸），消除残余应力。5.简述木腐菌侵害木材的必要条件及防腐处理的原理。必要条件：（1）水分：木材含水率需高于20%（纤维饱和点以下，约25%-35%最适宜）；（2）氧气：绝大多数木腐菌为好氧菌，需接触空气；（3）温度：最适温度20-30℃（低于5℃或高于40℃活动受抑制）；（4）营养：木材中的纤维素、半纤维素、木素提供碳源，灰分提供矿质元素。防腐处理原理：通过物理或化学方法破坏上述条件：（1）降低含水率（如干燥至18%以下），使木腐菌无法获取水分；（2）隔绝氧气（如真空处理后注入防腐剂）；（3）提高温度（如高温热处理，使木材成分变性）；（4）化学防腐：使用防腐剂（如铜铬砷合剂、季铵盐）渗透到木材细胞腔或细胞壁中，抑制或杀死木腐菌的酶系统，阻碍其代谢活动。三、论述题1.论述木材密度与力学性能的关系，并举例说明其在实际应用中的意义。木材密度是单位体积的质量，主要由细胞壁物质含量（晚材率、细胞壁厚薄）决定，是反映木材力学性能的核心指标。二者关系可从以下方面分析：（1）密度与强度的正相关：密度越大，细胞壁物质越多，纤维素微纤丝排列更紧密，分子间结合力越强。例如，密度高的麻栎（气干密度0.7-0.9g/cm³）的顺纹抗压强度可达50-70MPa，而密度低的杨木（气干密度0.3-0.5g/cm³）仅20-35MPa。抗弯强度（MOR）与密度的相关性更显著，如柚木（密度0.6-0.7g/cm³）的MOR约90-120MPa，远高于泡桐（密度0.25-0.35g/cm³，MOR约40-60MPa）。（2）密度与弹性模量（MOE）的关联：MOE反映木材抵抗弹性变形的能力，主要取决于纤维素微纤丝的取向（S2层微纤丝角）和细胞壁的刚性。虽然密度增加会提高MOE（如铁杉密度0.45g/cm³时MOE约10GPa，水曲柳密度0.6g/cm³时MOE约12GPa），但微纤丝角的影响更显著——微纤丝角小（如应拉木，5°-10°）的木材MOE可高达20GPa，远高于同密度正常木（微纤丝角15°-30°，MOE约10-15GPa）。（3）密度与冲击韧性的矛盾：密度高的木材虽强度大，但脆性增加，冲击韧性（抵抗冲击破坏的能力）可能降低。例如，硬枫木（密度0.65g/cm³）的冲击韧性约15kJ/m²，而软松木（密度0.45g/cm³）约20kJ/m²，因软木细胞腔大，受冲击时可通过细胞变形吸收能量。实际应用中，需根据用途选择密度适宜的木材：建筑结构材（如梁柱）需高密高强（如橡木、柚木）；家具框架需兼顾强度与加工性（如水曲柳，密度0.6g/cm³左右）；运动器材（如棒球棒）需高MOE和适当韧性（如白蜡木，密度0.6-0.7g/cm³，微纤丝角小）；包装材则可选低密度、易加工的杨木、泡桐。2.比较针叶树材与阔叶树材的构造差异，并分析其对加工利用的影响。针叶树材（软材）与阔叶树材（硬材）的构造差异主要体现在细胞组成和排列方式上：（1）细胞类型：针叶树材以管胞为主要输导和支撑细胞（占90%以上），仅含少量木射线（薄壁细胞），无导管；阔叶树材含导管（输导组织）、木纤维（支撑）、木射线和轴向薄壁细胞，细胞类型复杂。（2）导管与管胞：针叶树材管胞长度2-5mm，直径10-30μm，壁上具具缘纹孔，输导效率低；阔叶树材导管由多个导管分子端壁穿孔连接成导管，长度可达数米，管径50-300μm（环孔材早材导管更大），输导效率高，是阔叶树材宏观可见管孔的原因。（3）木射线：针叶树材木射线多为单列（1-2细胞宽），高度较低（几至几十个细胞）；阔叶树材木射线多列（2-多细胞宽），高度可达数百个细胞（如栎木的宽木射线肉眼可见）。（4）轴向薄壁细胞：针叶树材极少见，阔叶树材普遍存在，且分布方式多样（环管状、离管带状等）。对加工利用的影响：（1）干燥性能：针叶树材因无大导管，水分移动主要通过管胞纹孔，干燥速度较慢但不易开裂（如松木）；阔叶树材导管为水分快速移动通道，环孔材（如橡木）早材导管大，初期干燥易因水分流失过快导致表裂，散孔材（如桦木）导管小而均匀，干燥较均匀。（2）切削加工：针叶树材细胞类型单一、材质均匀，切削面光滑（如杉木易旋切）；阔叶树材因导管、木纤维、轴向薄壁细胞硬度差异大（木纤维硬、薄壁细胞软），切削时易产生毛刺（如榉木加工需锋利刀具）。（3）胶接与涂饰：针叶树材管胞腔小，表面较致密，胶黏剂需高渗透（如脲醛胶）；阔叶树材导管腔大，胶黏剂易渗入（如酚醛胶用于橡木），但大导管可能导致涂饰时涂料渗透过多，需先填孔。（4）用途差异：针叶树材因材质均匀、易加工，多用于结构材（如松木梁柱）、单板（如杉木旋切单板）；阔叶树材因强度高、纹理美观（如橡木的射线斑纹），多用于高档家具、地板（如柚木）和装饰材。3.试述木材化学改性的主要方法及其在提高木材性能中的应用。木材化学改性通过化学反应在木材细胞壁成分（纤维素、半纤维素、木素）上引入新官能团，或填充聚合物，以改善尺寸稳定性、耐腐性、力学性能等，主要方法包括：（1）酯化改性：将木材与酸酐（如乙酸酐）、酰氯反应，羟基（-OH）被乙酰基（-COCH₃）取代，减少吸湿性。例如，乙酰化木材的吸着水含量降低50%以上，体积膨胀率从10%降至2%-3%（如辐射松乙酰化后用于户外地板，耐候性显著提高）。（2）醚化改性：通过醚化剂（如环氧丙烷）与木材羟基反应提供醚键（-O-R），降低亲水性。如羟丙基化木材的平衡含水率从12%降至8%，适用于高湿环境下的建筑装饰材。（3）树脂浸渍改性：将低分子量树脂（如三聚氰胺甲醛树脂、酚醛树脂）浸入木材细胞腔和细胞壁，固化后填充空隙，提高尺寸稳定性和硬度。例如，密胺树脂浸渍的桦木单板，表面硬度提高30%，用于制造高耐磨的复合地板表层。（4）接枝共聚改性：利用引发剂（如过硫酸铵）引发单体（如甲基丙烯酸甲酯）在木材细胞壁上接枝聚合，形成“木材-聚合物”复合体（WPC）。如苯乙烯接枝的马尾松，冲击韧性提高40%，耐腐性增强，可用于制作耐磨的工业托盘。（5）硅烷改性：通过硅烷偶联剂（如γ-氨丙基三乙氧基硅烷）与木材羟基反应，在表