北林大木质资源材料学课件第0章 绪论

木质资源材料学材料科学与工程学院目录第1篇木材资源材料第2篇竹类资源材料第3篇藤类、灌木类资源材料

第4篇作物秸秆类资源材料绪论

材料是人类一切生产和生活水平提高的物质基础，是人类进步的里程碑

,今天，人类已经进入了与自然协调发展的阶段，材料、环境和自然资源保护利用已成为国际社会最为关心和最迫切需要解决的问题。我国将21世纪的材料学研究定位在信息材料、复合材料、新能源材料、智能材料、生态环境材料等方面优先发展。其中，生态环境材料是强调了材料的功能特性与生态环境的协调性、与人类可持续发展关系的一类重要材料。

木质材料以其独特的材料性能以及优良的环境学特性深受人们喜爱，广泛被用于人类的生产生活环境当中，发挥着重要的作用。随着当今科学技术的进步，人们对材料的认识从物理到化学再到生物学，对材料的研究从宏观到微观再到超微观分子水平，对材料的加工利用也从粗加工到精加工再到高附加值加工，使得人们利用消耗性的自然资源更具合理性，也使得人们利用农作物秸秆等木质资源更具可行性。

1、我国木质资源的概况和特点

1.1我国木质资源概况木材、竹材、藤本、灌木、作物秸秆类资源当中，无疑木材的重要性是第一位的。自古木材就是人类生存所依赖的主要原材料，迄今仍是世界公认的4大原材料（木材、钢铁、水泥、塑料）之一。我国竹类资源丰富，无论是竹子的种类、面积、蓄积量还是年采伐量均居世界之首。据统计，全国共有竹类植物40多属500余种，竹林面积720万hm2，其中纯竹林420万hm2，主要分布在福建、江西、浙江、湖南、广东和四川6省。

藤类是世界植物资源和森林资源的重要组成部分，具有生产周期短、经济价值高、特殊观赏文化价值、易实现可持续经营等显著特点，已成为仅次于木材和竹材的重要非木材木质资源之一。

灌木类是无明显直立主干的木本植物。灌木的经济价值大体可分为薪炭用灌木、工艺灌木、观赏灌木、饲料灌木、香料灌木和药用灌木等。

稻是禾本科植物，是世界重要的粮食作物。

麦是一年生的禾本科植物，是世界重要粮食作物，也是我国北方的粮食主作物之一。

麻、棉、芦苇、玉米、甘蔗、高粱等可生产人造板、纺织工业、编织、药材、酿酒、制糖等原材料。

1.1我国木质资源概况1.2木材科学发展史的简要回顾

解放前，在我国农学院森林系中没单独开设木材学课程，只将其包括在森林利用等有关课程中。新中国成立后，于1952年正式将木材学列入木材机械加工专业的教学计划，并制订了全国统一的木材学教学大纲，进行了有计划有目的的教学。前苏联，在开设专门木材学的课程之前，有关各种木材性质等木材学知识被列入在森林工艺学、木材加工学或建筑材料学中讲授。于1932年才单独分出木材学科目，并列入前苏联高等林业院校的教学计划。此时，世界上其他国家还没有把木材学作为一门独立的学科。1.2木材科学发展史的简要回顾

我国木材学的研究历史不长，解放前偏重于对木材构造与性质的研究。我国木材学创始人唐耀自1931年就专心于中国木材的研究，先后发表了“华北重要阔叶材之鉴定”、“华南重要阔叶材之鉴定”和“中国裸子各属木材之初步研究”等学术论文。1936年12月由商务印书馆出版发行了唐耀写的《中国木材学》，这是我国第一部木材学专著。前苏联在1934年出版了世界上第一部由C.N.瓦宁著的俄文木材学教科书，经修改和补充，第三版于1949年出版，1959年由申宗圻等译成中文在我国出版发行。

1.2木材科学发展史的简要回顾

新中国成立后，我国木材科学的研究工作，随着社会主义建设和国民经济发展的需要而得到了迅速、全面的发展。全面有关木材科学的研究机构和高等林业院校在木材构造性质、利用、木材保存、木材改性及其测试和研究方法等方面的研究都取得了很大的成就，发表了许多论文，出版了一些木材学专著，并在某些研究领域已经赶上世界先进国家的研究水平。特别指出的是，1985年，由中国林业出版社出版发行了成俊卿教授主编的《木材学》，这是一部国内外罕见的高层次的木材学巨著。结合当代木材科学的进展，李坚教授主编了《木材科学新篇》和《木材科学》等专著，内容新颖，展示了当前木材科学研究的前沿。

2、我国的森林和木材资源概况

我国幅员辽阔，地跨寒温带至热带，地形和气象因子差异很大，森林类型多样，树种资源丰富。全世界木本植物约2万余种，而我国就有7，500余种，主要乔木树种2，500余种，远较欧洲和北美丰富。森林

森林是以乔木树种为主体的生物群落，它是人类非常宝贵的可再生资源。森林效益有两方面，直接的是给人类提供巨大原材料，间接的是对生态的调节作用。(上针下阔-秋天)

森林的主产品——木材是经济建设和人民生活的重要物资。随着现代工业和科学技术的发展，其用途越来越广泛。3、我国木材资源的现况

3.1森林覆盖率据研究，一个国家森林覆盖率要在30%以上，并均匀分布，才能保持水土、保障农田丰收和减轻自然灾害。我国有林地面积和蓄积量，就其绝对数量来说，还是不小的。但以土地辽阔、人口众多的大国地位来衡量，森林资源又是不足的，是一个少林国家。3.1森林覆盖率(80年代)

1985年联合国粮农组织统计报告，世界森林覆盖率为32.3%。我国第四次（1989—1993年）森林资源清查结果，现森林覆盖率为13.92%，与第三次（1984—1988年）清查相比净增0.94%。在第四次清查期间，我国森林的发展成绩显著。（见表1所示）但还存在着严重的问题：1.可采森林资源少；2.森林质量低，体现在林龄结构等方面：（1）现在成熟林和过熟林可供采伐的资源是14～15亿m3

。大径级材将基本消失，森林质量下降，林龄结构低龄化，势必要大量消耗近熟林和中龄林，森林覆盖率缓慢上升的趋势将会停滞不前。（2）天然林资源迅速减少，次生林、人工林资源包括速生林的比重将逐年增加。大径级的优质材和针叶材的比重下降，中、小径级阔叶材和劣次材的比重增加。

森林资源（90年代后）

我国森林蓄积量为124.9亿立方米，人均占有森林面积相当于全球的21.3%，人均蓄积量则只有世界的12.5%，森林覆盖率相当于世界的61.3%，在某种程度上说中国应为少林的国家，但中国又是一个木材消费量很大的国家之一。

木材消费

我国木材消费主要集中在建筑装修行业、人造板及家具制造业，造纸业等三大领域，这三大行业消耗木材量及份额分别为4000万立方米，占22%；5000万立方米，占28%；6000万立方米，占38%，农业，水利用材等约2500万立方米，占12%。目前我国每年木材消耗量约为1.7亿立方米，今后几年可达到2.4亿立方米。

3.2我国林木资源尚有不足

与世界各国和地区森林资源相比较，我国森林资源主要有以下不足：

1．森林覆盖率低，人均占有森林资源少。

2．森林资源地域分布极不均匀。

3．林龄结构不合理，可采资源不足。

4．森林资源质量不高，单位面积蓄积量较低。3.3我国的木材进口

如表2所示，1985年、1988年是我国木材进口量较大年份，进口量超过1000万m3，而全国森工企业商品生产量约5000万m3。根据保护木材资源和维护生态平衡的需要，在发展经济建设和提高人民生活水平中，我国有进一步发展和扩大木材进口的需要。在这一工作中应加强对进口木材结构和加工性能的研究，更好发挥进口木材的使用效益。

表2我国木材进口统计年份数量（104m3

）

1950～195930.41960～19695.141970～19794.6419801811981～19853460.36198511001986876.71987876.9198813181989769

3.4世界和中国木材供需预测据联合国粮农组织(FAO)预测，2010年的世界人口将在1990年的基础上增长37％，而全球对木材的需求量将增长40％以上，即从34．33亿m3，增加到50多亿m3。

1990—2010年全球木材及林产品需求增长预测产品1990年需求量2010年需求量增长比例／％原木／亿m334．3350．6947．7其中：

薪炭材／亿m317．7823．9534．7工业材／亿m316．5526．7461．6锯材／亿m34．897．4552．4木质人造板／亿m31．323．13137．0木桨／亿t1．422．8399．3纸和纸板／亿t2．134．43108．04、木材的产品类别-木质原材料和人造板产品类别如下：

原条针叶树加工用原木圆材阔叶树加工用原木旋切加工用原木整体木材原木特级原木直接用原木次加工用原木小径原木车立柱等针叶树锯材木质原材料和产品阔叶树锯材枕木锯材铁路货车锯材纸浆载重汽车锯材罐道木机台木等

人造板4、木材的产品类别

木质原材料和人造板产品类别如下：

木质刨花板刨花板水泥木质刨花板贴面和表面涂饰刨花板各种胶合板细木工板人造板胶合板空芯板异型胶合板木塑复合材（ＷＰＣ）等软质纤维板（０.４０ｇ／ｃｍ３以下）纤维板中密度纤维板（０.４～０.８ｇ／ｃｍ３）硬质纤维板（０.８ｇ／ｃｍ３以上）5、木材的优缺点5.1优点１．易于加工。用简单的手工具就可以加工。结合形式多种多样：榫结合、钉结合、胶结、各种金属连接件；同时可以蒸煮后进行弯曲、压缩等加工。２．木材的强重比比一般金属高，即木材轻而强度高。３.气干材是良好的热、电绝缘材料。一般器具的把柄，如螺丝刀、大勺柄等。

4.木材具有天然的美丽花纹、光泽和颜色，能起到特殊的装饰效果。

5.对紫外线的吸收和对红外线的反射作用。

良好的声学性质。是纤维素的主要来源之一。可提供一些保健药品成分

6.木材有吸收能量的作用。如：枕木。

7.木材是弹—塑性体。在损坏时有一定的预兆，给人以安全感。

8.调节室内气候。9.调节生物的生理量和心理量，使之正常。白鼠试验表明，木材对人体健康有益。5、木材的优缺点5.2缺点

1.干缩湿胀性。木材含水率在纤维饱和点以下变动时，其尺寸也随之变化。由于各向异性，在木材各个方向上干缩湿胀率存在着差异，可能导致木材发生开裂、翘曲等缺陷。

2.木材容易腐朽和虫蛀。

3.木材用作沿海水生建筑材料或木船等，则常为海生钻孔动物所侵害。

4.木材易于燃烧。

5.变异性大。不同树种、不同产地、不同气候、不同部位（心边材、早晚材、幼龄材和成熟材等）均不一样。

6.有许多天然缺陷，如：节疤、斜纹、油眼等。

6、木材的主要应用方面

国家经济建设中，木材与钢材、水泥并列为三大建筑材料，与生产各部门均有密切关系，不论是工农业还是人民生活都需要大量木材。我国在实行计划经济时期，木材是国家计划分配的物资。表3给出我国这一期间木材的主要应用方面和分配量。（古樟树）

表3我国木材的主要应用方面

应用方面

占计划分配量（%）

建筑用材

采掘用材交通建设用材造纸用材包装用材农业、市场用材（其中火柴材家具材）胶合板

15

208106~1010131.4

7、木材科学的发展7.1木材科学的定义木材科学（WoodScience）—是研究木质化了的天然材料与衍生制品以及为木质材料的加工利用和森林经营管理技术提供科学依据的一门生物的、化学的和物理的科学。7.2国外木材科学的发展

Kollmann（1968年）提出，现代林产品研究工作50年前才开始。今天我们正处于将木材科学应用于木材工艺学领域的时代。木材科学是以理论和实践的科学研究为基础，开辟了木材作为原材料的新用途，奠定了木质人造板新工业的基础。

1906年美国Tiemann在《水分对木材强度和硬度的影响》一文中提出纤维饱和点的概念。这是木材性质研究的重要发现。

1924年英国牛津大学出版Jone《木材结构和识别》，他为木材的科学识别提供了理论依据。

1936年德国木材学家Kollmann发表了《木材工艺学》一书。1951年出版了经过全面修订并有较大充实的《木材工艺学和木材材料学》。

1934年美国Brown和Panshin合著《美国商用木材识别》，这也是木材识别的早期专著，对各国同类研究工作有推动作用。

1948年Brown、Panshin和Forsaith合著《木材工艺学教科书》第一卷——美国商用木材的结构、识别、缺陷和利用，1952年出版《木材工艺学教科书》第二卷——美国商用木材物理、力学和化学性质。它们对木材的结构、性质给出了全面的阐述，时至今日尚不失其重要的参考价值。以上个本专著都与我国高校木材学课程内容颇为接近，都是在终结当时本学科研究的基础上写出的，反映了木材学科在国外的形成和发展。

7.3我国木材科学的发展

我国木材科学研究始于本世纪30年代，当时偏重于木材构造特征的描述。近40年来，我国木材基础科学有很大发展。（1）科研方面：各级林业科研单位和用材部门相继设置木材研究机构，对我国主要用材树种的木材构造、化学、物理和力学性质等方面进行了广泛的研究，获得了不少研究成果，对我国木材科学和加工生产的发展起到了一定的促进作用。（2）教学方面：除在高、中等林业院校开设木材学课程外，还培养了一批木材科学方面的研究生、博士生等高级专门人才。7.3

现代木材科学的发展

木材科学属材料科学的范畴。它是以高分子复合体的生物材料为研究对象，与它交叉的学科甚多。目前相关学科的发展很迅速，它们和木材科学见形成新交叉，新测试手段不断出现更使木材科学研究不断深化。木材科学和林业、木材加工生产的联系很密切，其中一部分与木材生成因子有关，也有部分是对确定木材加工工艺条件有作用，这些都构成了木材科学发展的永恒和根本动力。7.4我国学者近年在木材科学研究方面取得的成就有：1.木材解剖我国对木材宏观和微观结构和识别有广泛研究，现已开始应用计算机作检索工具，注意国产木材结构和材性关系的研究。木材显微结构研究中，已开始应用计算机图象分析。应用电子显微镜可大大提高对木材细胞壁的观察倍次，加深了对木材结构的认识，并研究木材的超微结构和干燥质量、木材渗透性等材性因素的关系。用碘染色法和偏光显微镜法直接测定木材胞壁微纤丝角，用X射线衍射法—

间接估测木材胞壁微纤丝角度。2.化学方面

研究木材化学成分与抗腐性的关系、木质材料的耐候性、木材化学变色的成分。研究木材的pH值、木材结合酸含量对胶粘剂凝胶时间的影响。研究木材化学成分与纤维板质量的关系、木材水泥刨花板生产中木材对水泥固化作用的影响、木材表面化学改性与胶合效应。研制木塑复合材。北京亚运游泳馆建筑中采用了木质胶合层集材。用聚乙二醇处理、乙酰化处理提高木材尺寸稳定性；用乙酰化提高木材耐腐性。

2.化学方面

近年来，在研究木材的超分子结构、表面化学性质和反应动力学等方面采用了波谱分析手段，即：（1）X射线衍射图谱：用来测定木材中胞壁晶区的长度、宽度和结晶度以及木材干燥或纤维板生产中，结晶度有无变化。（2）化学分析光电子能谱（ESCA）：可测定木材表面经处理后，产生的化学性质变化和工艺效果；木材在自然条件下的风化因子和提高木材耐侯性处理的效果。（3）电子自旋共振波谱（ESR）：可测定木材表面不成对电子（即自由基）的存在与变化。（4）红外光谱（IR和FTIR）：可用来研究木材结构中所具有的基团及其在受某种化学处理后的变化。

3.物理方面进行的研究有：（1）用X射线测定木材的密度；（2）木材的生材含水率和平衡含水率；（3）木材的渗透性；（4）木材的热性能；（5）木材的介电性质；（6）木材的声学性质；（7）木材材色的定量表征；（8）木材的扭曲强度、握钉力和耐磨性；（9）木材的显微力学测定；（10）木材的粘弹性；（11）木材的切削和应力分级。4.木材的质量方面我国对木材质量的研究工作已进行的主要方面有：（1）木材结构和性质的变异；（2）木材缺陷的成因和对材质的影响；（3）木材的天然耐久性。8、木材科学的主要研究方向1.木材解剖构造；2.木材保护与改性；3.木材物理；4.木材化学；5.生