木材性質(zhì)改良之方法

1、木材改良蔡佺廷國立嘉義大學林產(chǎn)科學系副教授I.緒論（I）木材之優(yōu)點及缺點木材由于具有許多的優(yōu)點，而且能滿足人類在視覺上、生活上、心理上及觸覺上一種舒 適感與溫暖感，因此乃為建筑家俱、交通工具及各種結構物質(zhì)之重要原料之一。然其組織構 造復雜，屬天然高分子之化合物，而且材料本身并非均質(zhì)，故乃具有些許的缺點，尤以組織 分子差異懸殊之闊葉樹材更為明顯。于此分述木材之優(yōu)點與缺點如下：1. 優(yōu)點（1）同一重量之材料相比較時，木材較為強韌而堅硬。木材最大之特點是縱向引張和壓縮強度非常大。在同一重量之全部材料而言，木 材為最強而且為最硬之材料。木材和金屬類的比重強度比強度（強度除以比重之值）如下表所示：材料比

2、重抗張強度2(kgf/cm )抗壓強度-2(kgf/cm )比強度（kgf/cm2）抗張強度/比重抗壓強度/ 比重紅檜0.4072047018001180木松0.539004251698802材山毛櫸0.637305001160790樺木0.67138070020601450軟鋼7.8655004500700573硬鋼7.85820055001045700鑄鐵（普通）7.1012004800169676鑄鐵（咼級品）7.10250085003521197花崗巖2.6585170032642浮巖0.785303.838.5混凝土（普通構造用）2.305201502506.58.765.287由上

3、表數(shù)據(jù)顯示，木材是適于制作木制飛機、車輛、造船、建筑及構造材料等使用?？箯潖姸群蛷椥约?，對沖擊、振動、音響之吸收強。木材并非致密而均一之材料，且存在著許多同心圓狀之年輪和細胞孔隙， 故在力 學性質(zhì)上具有優(yōu)良之抗彎強度與彈性，且對沖擊、振動、音響等之吸收性亦大，故木材亦可用于運動器具及把手使用。機械性和手工性之加工容易。只要利用簡單之機械、工具及少量之勞力，便可鋸成希望之形狀且可刨削、涂裝、 膠合或穿孔。涂料之附著性佳，膠合性亦佳。因木材系多孔性之構造，所以對涂料附著性較佳，不像石材或金屬等無孔質(zhì)表面 之涂裝那樣容易脫落。又因膠合劑會浸漬其纖維，故膠合亦較無孔物質(zhì)為良好。 熱傳導率較低，比熱高，

4、保溫性高。各種材料之熱傳導率與木材熱傳導率之比較值如下表所示：材料熱傳導率各種材料與木材之cal/cm. secC熱傳導之比較值銀1.0063353.3銅0.9213066.6鐵0.161533.3混凝土0.002217.3煉瓦0.001515.0玻璃0.00241 8.0石綿0.00061 2.0彈性橡膠0.000451.5木棉0.000551.8云杉（縱向）0.00031 1.0云杉（橫向）0.000090.3水0.001414.7空氣0.000057I0.19注:a.b.質(zhì)量1g之物質(zhì)當溫度增高1C所須之熱量，稱之為該物質(zhì)之比熱，其單位 為Cal/gC。絕干木材在0100C之范圍內(nèi)，其平

5、均比熱為 0.324 Cal/gC。 溫度與比熱（c）之間的關系式如下：c = 0.266 + 0.00116 t （Cal/g C）比熱隨含水率之增大而加大，% 0.42, % 0.66材料 溫度（C） 比熱（calC）鋼00.119混凝土室溫約 0.200Polyethyli ne200.533木材200.298c.熱傳導率是以單位厚度之板的兩面之溫度差為 內(nèi)流過之熱量加以表示，其單位為Cal/cm.即可換算成工業(yè)單位（Kcal/m . h.C） 木材之熱傳導率系數(shù)較其它構造材料（如石材、C時，板之單面單位時間sec.C，若乘上 0.36 x 103混凝土、金屬）等小，其比熱又高，因此不太

6、容易被加熱或冷卻，此乃是由于細胞腔或細胞間隙形成一種空氣層所造成的。木材之縱向較橫向易于傳熱(約 23 倍)。 水之傳導系數(shù)約為木材之 5 倍。 含水率增加則木材之熱傳導系數(shù)增加，保溫價值降低。 木材之比重越小，熱傳導系數(shù)亦越小。(6) 為優(yōu)良之絕緣體。干燥木材系電之不良導體， 對于低壓之電流可將之當成一種不良導體， 生材之電阻為104Q. cm、氣干材則具有108Q. cm、而絕干木材則具有1018Q. cm之電 阻。(7) 能調(diào)節(jié)濕氣。 木材對大氣之濕度具吸、脫濕之效果，且與外界保持平衡狀態(tài)。例如：全壁面為 木材裝潢之住宅日溫差( T)為813.9C、濕度差(厶H)為26% R.H.。44

7、%為合板+ 56% Vinyl sheetA T: 7.8175C、A H : 9.615.6% R.H.。100% Vinyl sheet T: 18.1C、A H : 51.6% R.H.。環(huán)境中之溫、濕度變化對人體生理上之新陳代謝、體溫和生理調(diào)節(jié)有密切關系。 體溫是依攝取食物與氧氣之結果所產(chǎn)生之熱量，不斷放熱而維持一定。放熱中 7075%為輻射傳導和對流， 2025%需藉流汗為主之水分蒸發(fā)而達到，且希望 維持一定比率。若高溫高濕或低溫低濕， 則不能保持流汗以達到調(diào)節(jié)體溫之效果。(8) 不會發(fā)生結露。一般濕度太高狀態(tài)下， 室溫降低而發(fā)生結露。 但木材不易發(fā)生結露， 其可使溫度 不會急驟變化

8、， 并具有吸濕性， 因此不易與露相連結。 況且鄰接之材料一旦發(fā)生 結露現(xiàn)象時，亦會將該露吸收，不斷保持安定作用。(9) 對熱之性質(zhì)安定。加熱亦不會使強度急速變化， 金屬材料在火災之際會發(fā)生軟化， 而使強度趨近于 零。但木材在高溫度下，強度不會降低太多，尤其大徑木或大斷面之場合，在燃 燒之時其表面附近會形成炭化層，此炭化層有隔熱作用，故燃燒不會到達內(nèi)部， 因此反而較為安全。(10) 可減弱音響之作用(即降音作用)木材之吸音型態(tài)可分為多孔性質(zhì)、 板振動型和復合型等三種。 且吸音性隨板之厚 度增加而略增，但隨含水率提高而減少。吸音(Sound absorption :木材內(nèi)部由于各種形式的摩擦與振動

9、，將音能(Soundenergy)轉變?yōu)闊崮芏吷⒅再|(zhì)(此熱量極微)。隔音(Sou nd proofi ng)：音能穿透材料而散逸的性質(zhì)，亦音頻之透過損失(Transmission los 效應。(11) 釘著性佳，為良好之釘著材料。因木材之細胞構成其孔隙和彈性，故釘著器具之釘著作用較為容易。(12) 外表美觀，調(diào)和生活環(huán)境，而且具有特殊氣味。木材之紋理、色澤、親和力等予人良好之視覺和觸覺。2. 缺點(1) 容易燃燒木材加熱至260C時會迅速發(fā)生熱分解，而產(chǎn)生一氧化碳、氫、甲烷等容易燃燒 之氣體，當接近火口時便會發(fā)生燃燒，另外溫度上升至350C以上時，則不必接近火口也會自然發(fā)火。故木材加工時

10、，防火性質(zhì)亦為重要改良目標。(2) 容易腐朽木材之主要成分為纖維素、 半纖維素和木質(zhì)素， 均為木材腐朽菌喜好分解之物質(zhì)。 一般菌類生存之適當條件如下：a. 溫度-2035Cb. R.H.為90%以上(木材之 M.C.為3540%)c. 空氣 -氧氣占木材體積之 20以上d. 空間上述四種條件中任一條件不能滿足時，菌類發(fā)育均會受阻。其中R.H.最為重要。立木之心材常腐朽(心腐、蓮根腐)，而邊材反而可避免，此乃因心材之含水率 適于菌類之發(fā)育，但邊材有過剩之水分(%以上)，所以于水中貯木亦可 預防腐朽。(3) 容易發(fā)生異常變形 木材制品在制作完成后，常因含水率之變化而產(chǎn)生變形(尺寸安定性不穩(wěn)定)，

11、如木制品之干燥收縮會造成開裂；門、窗之吸濕而不易開關。(4) 不均質(zhì)性木材為一種天然物質(zhì)， 生長期間會受外界因子之影響， 同一數(shù)種亦因生長條件之 不同而發(fā)生材質(zhì)之差異， 同一棵樹木亦因部位之不同、 年輪傾斜角度的不同， 其 強度會發(fā)生變化。如：松木之抗壓強度為 300860 kgf/cm2云杉之抗壓強度為 152620 kgf/cm2 改善不均質(zhì)性之缺點的分法：合板、積層材、粒片板、纖維板等改良木材。(5) 異方向性( Anisotropic ) 木材之組織在縱向結合很緊密，橫向則較弱，因此造成沿著縱向(木理方向、纖 維方向) 木材較易被剝開。 又因弦向和徑向有木質(zhì)線組織存在之故， 而會引起方

12、 向性。木材對縱向、徑向和弦向等三個基準方向， 其物理性質(zhì)會有很顯著之差異?？v向與橫向之強度比較：a.縱向壓縮強度約為橫向之1020 倍b.縱向引張強度約為橫向之1045 倍c.橫向抗彎強度約為縱向之715倍。d.縱向剪斷強度約為橫向之1/3。(6) 木材本身存在之缺點(瑕疵)木材本身存在有節(jié)、被壓、引張、螺旋木理、腐朽、割裂、蟲孔等缺點，此類缺 點會降低木材之強度及其它物理性質(zhì)。而改良木材如層積材、集成材等之制造便是分散或減輕此類缺點之影響。(7) 強度之絕對值比較低 雖木材輕而具有強認之性質(zhì)，即其比強度較高，是為良好之彈性體，但其強度、 彈性系數(shù)及剛性系數(shù)之絕對值均較金屬材料為低。故熱處理

13、壓縮材、木金合板、 樹脂浸壓材、硬化積層材等材料即可改善此缺點。(n)木材之劣化木材長期暴露于大氣中使用時，會發(fā)生劣化(Deteriorate n)現(xiàn)象，而減低其利用價值。 關于導致木材產(chǎn)生劣化之因子、種類頗多，茲分述如下：1. 微生物及昆蟲劣化= 防腐處理 木材是一種有機生物體，因此當受木材腐朽菌、霉菌類等之寄生時，將被當作營養(yǎng) 源而繁殖，進而引起腐朽之現(xiàn)象。同時亦會受昆蟲，如蛀木蟲、欚蟲、海蟲、白蟻 及天牛等之食害。而減低其實質(zhì)重量，進而降低其強度性質(zhì)，以致不能使用。2. 吸水、吸濕劣化 = 尺寸安定處理 木材為非均勻質(zhì)之纖維所組成，由于具有吸水、吸濕之性能，而且具異方性，容易 造成木材因

14、含水率變化而引起膨脹、收縮，使木材尺寸(形體)不安定，進而發(fā)生 反翹、變形或割裂等劣化現(xiàn)象。3. 人為之燃燒劣化 = 防火處理由于木質(zhì)材料之燃燒會 產(chǎn)生多量之熱量(如 燃燒每克絕干木材， 可產(chǎn)生達 44005000Cal (4.45Kcal)，此熱量對于木質(zhì)結構房屋更會助長其燃燒火勢，而 鋼筋結構房屋，則由于木質(zhì)材料所產(chǎn)生之熱量，對鐵骨之混凝土墻加熱，會隨溫度 上升而使建筑物變形破壞。4. 天候劣化 = 耐候處理天候劣化主要是指風化(Weatherung)現(xiàn)象，即木材因受紫外線、風砂、雨水之打 擊與熱、濕氣、氧氣等之作用綜合而成的一種現(xiàn)象。如反復作用會在木材內(nèi)部引起 物理及化學變化，結果導致木

15、材組成份之改變，并使木材漸次發(fā)生脆弱、摩耗、變 形等等之現(xiàn)象，故風化是以日光之光解作用(Photodegradatior)與風、雨之磨損為 主。不僅是外表美觀之影響，同時產(chǎn)生干裂、變形、翹曲等缺點，使木材之強度亦 隨之減弱、 耐久性降低。 此種風化乃自木材表層附近先開始， 再漸次向其內(nèi)部移動， 日射良好時移動速度越顯著。5. 應化劣化 = 強化處理 系起因于干燥應力，最主要有干燥初期所發(fā)生之端部割裂、表面割裂干燥后期所發(fā) 生之內(nèi)部割裂等兩種。另外，木材為非均質(zhì)、異方性材料，各面之機械應力性質(zhì)各 異且差異大，于利用上易受機械力量之損傷所破壞。6. 木材老化指將木材置于無紫外光、 風雨等外在破壞因

16、素之環(huán)境中， 木材本身亦會緩慢地變質(zhì)， 材質(zhì)會變脆硬，材色會變濃之現(xiàn)象。n.木材性質(zhì)改良之方法木材改良乃利用物理或化學之方式或兩者之組合方式，如藉化學藥劑之注入、熱和壓力 或其組合、或木材之重組、復合方式加以處理，而賦予木材抗腐朽、抗蟲、抗火、尺寸安定 等性質(zhì)或增加其機械強度者稱之。以上所述之木材改良方式只包括化學處理、溫度處理及強化處理( Den sifiCation)，在處 理過程中，完全保留木材之原來狀態(tài)。其與重新構成材( Reco nstituted wood )有所不同，后 者乃是將木材先以機械或化學的方式加以破壞， 再藉加入或不加膠合劑重新組合成固體產(chǎn)品。 此類重新構成材包括集成材

17、、層積材、合板、粒片板、纖維板及紙。(I )改良方向1. 尺寸安定性( Dimension stability)。2. 防火、防燃、防蟲、防蟻、防腐及防霉等性能。3. 改變比重。4. 木材缺點之消除或分散。5. 改變木理結構。6. 改變木材化學性質(zhì)。7. 改良材色。(n) 木材改良之方法( Methods of Wood Modification)1. 乙醯基化( Acetylation)試藥：乙酐 Acetic anhydride；( CH3CO) 2O 吡啶 Pyridine；CH ( CHCH ) 2N 說明：以吡啶當接觸劑， 而以乙酐在氣態(tài)下當細胞膨潤劑， 與木材中之氫氧基 (OH-

18、group)形成醚鍵結合。效果：抗收縮效能(Anti-shrinkageefficiency ; ASE)將近 70%。2. 氨處理( Ammonia treatment)試藥：氣態(tài)氨(NH3)或液態(tài)氨說明：木材以 150psi 之壓力，將液態(tài)或氣態(tài)之氨(無水)注入，處理時間依試材之 厚度與含水率，自數(shù)分鐘至數(shù)小時不定。效果：木材之安定效果提高，但處理后之木材顏色較深或具有條紋狀。3. 樹脂浸壓材( Compreg) 試藥：酚甲醛樹脂( Phenolic-formaldehyde; 酚膠) 說明：木材或單板浸于水溶性或酒精溶性之酚甲醛樹脂中，然后干燥、加熱、加壓以進行聚合反應，并使木材細胞縮陷

19、。效果：木材密度可達1.31.4g/cm3, ASE值可獲95%，另外理學性質(zhì)、耐腐力、 硬度及耐磨損力亦提高。4. 架橋反應( Crosslinking)試藥：三聚甲醛 Para-formaldehyde; (HCHO )3、 2之 ZnCl說明：以ZnCI當接觸劑，將木材沉浸于三聚甲醛溶液中，并加熱至120C，維持20min。效果：重量提高 4， ASE 值達 85。5. 烯腈化( CyanoethyIation)試藥：丙烯腈(Acrylonitrile ； ACN ； CH2 = CHCN )、5%之 NaOH說明：以5%之NaOH及ACN溶液分別處理木材，加熱至70100C，使ACN聚

20、 合，在ACN含量30%時EMC為4.5%。效果：對菌類之腐蝕具有抵抗效果，但會降低木材之沖擊、彎曲強度。6. 環(huán)氧乙烷( Ethylene oxide)試藥：環(huán)氧乙烷( CH2OCH2) 、三甲胺 Trimethylamine; N(CH3) 3 說明：以二甲胺當接觸劑，用環(huán)氧乙烷之氣體經(jīng)高壓處理木材。效果：重量增加 11%時， ASE 值為 65%。7. 酚甲醛樹脂浸漬材( Impreg)試藥：酚甲醛樹脂( Phenol-formaldehyde) 說明：木材沉浸于酚甲醛樹脂之水溶液或酒精溶液中，干燥、加熱聚合，使酚甲醛 樹脂填入細胞孔隙中。效果：酚甲醛樹脂之填充量為 35%時， ASE

21、值可達 75%。8. 放射線照射材( Irradiated wood)試藥：B或丫射線。說明：木材在106 rads之B或丫射線下照射，可提高木材之機械強度，并減低其吸 水性，但若超過此限則纖維素會降解，而導致機械強度銳減。效果：木質(zhì)素對放射線之抵抗能力最強，少量之照射可抑制木材腐菌類之生長。9. 聚乙二醇處理( Treatment with polyethylene Glycol) 試藥：聚乙二醇 Polyethylene Glycol(PEG) ; (CH2OHCH2OC) n 說明：將木材浸于PEG之水溶液中，使之取代細胞壁之水分和填充至毛細管中。 效果： ASE 值為 98%。10.

22、接枝聚合( Branched polymerization )試藥：B -propiolactone丙酮( Acetone； CH3COCH3)說明：B -propiolactone以丙酮稀釋后，使木材沉浸其中再加熱，使B -propiolactone在纖維素上接枝聚合。效果：接枝之聚酯側鏈在膨潤之細胞壁纖維素上。 增強木材之抗壓強度、 抗腐朽力。11. 熱處理木材( Staybwood； Heat-stabilized wood)說明：將木材加熱至150300C(以熱空氣或沸水處理 )。12. 熱處理壓縮材( Staypak； Heat-stabilized Compressed wood)

23、說明：木材加熱至320T，再以4004000Psi之壓力壓縮木材。效果：能減少一般壓縮材常有之嚴重回漲現(xiàn)象，且能使比重及強度提高。13. 木材、聚合體結合( Wood-Polymer combination) 試藥：乙烯之單體，如：甲基丙烯酸甲酯( Methyl methacrylate; MMA ) 丙烯腈( Acrylonitrile ； ACN ； CH2 = CHCN) 苯乙烯( Styrene； C6H5CHCH2) 酚膠( Phenol-formaldehyde adhesive) 尿素膠( Urea-formaldehyde adhesive) 說明：以加壓注入方式使單體注入于木

24、材間隙，并以加熱觸媒聚合方法使單體聚合 成高分子物質(zhì)。效果：ASE值約3060%,但機械強度如硬度、壓縮強度及抗彎強度改善甚多。皿木材尺寸安定效應及方法木質(zhì)材料既經(jīng)適當之干燥,并在有濕度調(diào)節(jié)之工廠中加工,而制成各種之產(chǎn)品,但此等 產(chǎn)品之組件(Parts)仍然可能發(fā)生收縮、膨脹，而導致干裂、反翹、砰裂及脫榫等現(xiàn)象，嚴 重影響到它的使用價值。因之,如何使材料尺寸安定,俾在各種大氣濕度的變化下,猶能抵 抗收縮、膨脹，這在木材的利用上極為重要。(I) 木材尺寸安定化機構1. 處理原則 木材尺寸安定化處理的原則是在保持木材原有優(yōu)良性質(zhì)的前提下，改變其吸濕和干 縮濕脹性能。木材的干縮濕脹是由于木材含水率的

25、變化而引起的，它發(fā)生在纖維飽 和點以下， 其根源是纖維素非結晶區(qū)的游離羥基吸附空氣中水分并與水分子形成氫 鍵結合。水分子的進入使木材各成分分子之間的距離增大，木材呈膨脹狀態(tài)導致尺 寸不安定。此外，木材中的半纖維素、木質(zhì)素及其它物質(zhì)也能吸著水分子。比較而 言，半纖維素吸濕性最強，木質(zhì)素次之，再次為纖維素。因此，尺寸安定化處理是 在不破壞木材細胞壁完整構造的前提下，著眼于改變其不良性質(zhì)的一種處理手段， 它又可分兩種處理方式：處理盡限于細胞壁內(nèi)纖維素的非結晶區(qū)部分，細胞壁 未經(jīng)處理盡是細胞腔內(nèi)充填、沉積某些化學藥劑。2. 模型解析日本學者則元京提出一系列關于尺寸安定化處理木材的構造模型，如圖1A、1

26、B所示。圖1尺寸安定化處理木材構造模型A- 木材細胞的橫斷面。A-1未經(jīng)處理的木材細胞。A-2木材細胞壁未經(jīng)處理， 而細胞腔被處理劑所包圍A-3木材細胞壁未經(jīng)處理， 細胞腔被處理劑充填。A-4只是細胞壁經(jīng)處理。A-5不僅細胞壁經(jīng)處理， 細胞腔亦被處理劑包圍。A-6不僅細胞壁經(jīng)處理，細胞 腔亦被處理劑充填。A :尺寸安定化處理細胞橫斷面圖1尺寸安定化處理木材構造模型B :細胞壁非結晶區(qū)的纖維素分子鏈模型B -木材細胞壁非結晶區(qū)的纖維素分子鏈模型。B-I -未經(jīng)處理情況。a：相鄰的纖維素分子鏈；b:分子鏈上具有活性的吸附點（羥基）；C:水分子進入并與 吸附點（b）間形成氫鍵，使原來b的羥基間氫鍵破

27、壞，水分的吸附產(chǎn)生兩種結果：使 分子間膨脹，體積增大，分子鏈 a向d的方向變化；分子鏈a之問的凝聚力降低。此 時若受外力作用，即對a產(chǎn)生剪斷應力的話，分子鏈a會向e滑動。其宏觀效果是：最初因水分進入而發(fā)生膨脹 d方向，隨之引起e方向的機械吸附蠕變， 這兩個基本現(xiàn)象發(fā)生于不同方向，相互間無關。上述模型是將非結晶區(qū)纖維素大分子由 于吸著水引起的變形以兩維過程加以描述，實際情況要復雜得多吸附和局部應力之間存在三維的相互關系。B-2-O表示羥基，表示置換了羥基的官能團，它表示分子鏈a之間由于羥基被置換后在干燥狀態(tài)下形成的交鏈。B-3-表示分子鏈a之間由于羥基被置換，在膨脹狀態(tài)下形成交鏈隨后干燥。B-4

28、-表示疏水性的大容積官能團（大黑點）置換羥基，分子鏈a之間距離增大并形成交鏈。B-5-表示親水性的大容積官能團（大黑點帶一個羥基O）置換羥基，分子鏈 a之間距進增大 并形成交鏈。B-6-表示疏水性大容積官能團（大黑點）置換羥基，分子鏈a之間距離增大。B-7-表示親水性的大容積官能團（大黑點帶一個羥基O）置換羥基，分子鏈a之間距離增大;水分子易于進入。B-8-表示親水性大容積官能團（大黑點帶二個羥基O）導入分子鏈之間，并不置換羥基，但 增大了分子鍵之間的距離;水分子易于進入。B-9-表示疏水性大容積官能團（大黑點）導入分子鏈之間，不置換羥基，但增大了分子鏈之 間的距離。各種尺寸安定化處理方法，基

29、本上可以用模型 A 和 B 的組合予說明。諸如：聚乙二醇（PEG）處理為A-2、5; B-8。乙醯化處理為 A-5; B-6。甲醛處理為 A-4; B-2、 3。馬來酸處理為 A-4; B-4、 7。馬來酸-甘油（MG）處理為A-5; B-5、7。熱處理為 A-4; B-2。WPC 處理為 A-5、 6; B-6、 9。酚醛樹脂處理為 A-5; B-4、 6、 9。異氰酸脂處理為 A-5; B-4。無機物復合處理（如：阻燃浸漬處理）為 A-5; B-8。 環(huán)氧乙烷加成處理為 A-4; B-7。3. 處理機構為了改善木材的尺寸安定性，降低其吸濕性，可以采用減少具有吸附水分能力的吸 附點羥基，或使

30、之失去吸附能力，如用疏水性分子包圍吸附點區(qū)域，或部分地使 分子交鏈固定，應使細胞形成圖 2 、 B-2 、 3 、 4 、 5 、 6 、 9 之構造是有效的。 代表性的處理實例有： B-2 、 3 的甲醛處理; B-4 的低聚酯處理， B-5 的 MG 處理： B-6 的乙醯化處理和 B-9 的 WPC 處理。此外，某些使用場合要求處理材具有一定的吸濕性能， 應使細胞形成圖 2 的 B-8 的 構造，最典型的實例是 B-8的PEG處理。（n）尺寸安定性之評估數(shù)值1. 抗收縮（膨脹）效能（ Anti-Shrink （ Swelling ） Efficiency; ASE ）ASE = 100

31、( ScSt ) / ScSc：未處理材之收縮膨脹率St:處理材之收縮膨脹率2. 抗吸濕率( Moisture-Excluding Efficiency; MEE )MEE = 100 ( McMt) / McMc :未處理材之吸濕率Mt :處理材之吸濕率3. 抗吸水效能( Reduction in watter absorptivity; RWA )RWA = 100 ( WcWt ) / WcWc :未處理材之吸水率Wt :處理材之吸水率4. 膨潤效果( Bulking coefficient; B )B = 100 ( VtVc) / VcVc :未處理材之絕干容積(cm3)Vt :處理

32、材之絕干容積(cm3)5. 聚合體含量( Polymer retention, Polymer content, Polymer loading; PL)PL = 100 ( WtWc ) / WcWc :未處理材之絕干重量(g)Wt :處理材之絕干重量(g)PL = 100 ( l + B ) Dt Dc / DcDc :未處理材之密度Dt:處理材之密度6. 相對效率( Relative effectiveness; RE)RE = ASE / PL(III)尺寸安定化(Dimensional stabilization)之方法 改善木材因收縮膨脹及異方向性，所引起的反張、翹曲、劈裂等缺點之

33、方法甚多，分述 如下:1. 直交層積單板( Cross-laminating veneer) 利用單板纖維方向直交堆積膠合，藉以減少每層單板的橫向收縮或膨脹，以達尺寸 的安定化，如:合板、粒片板、纖維板等。2. 利用外部或內(nèi)部的抗水性涂裝( Applying external or internal water resistant) 利用抗水性之涂料或防水劑，涂布于木材表面或藉浸漬滲透至木材內(nèi)部，以隔絕木 材細胞壁與水分之接觸，如:使用外部抗水性涂料的涂裝及以天然樹脂、臘或干性 油之引發(fā)性烴類防水劑的內(nèi)部涂裝。3. 降低木材成分的吸濕性( Reduction the hydroscope of

34、 wood component)s(1) 取代木材親水性之羥基，以降低吸濕性。 利用疏水性之醇或酸，取代木材組織內(nèi)之極性羥基。a. 醚化(Etherification)Rw-OH+ ROH Rw-O-R+ H2Ob. 酯化(Esterification)Rw-OH+ RH Rw-R+ H2O(2) 破壞木材組織之親水性羥基，以減少吸濕性。 在斷絕空氣(缺氧)下高溫加熱木材，使細胞壁上之親水性羥基破壞，如：熱安 定化(Heat stabilizati on)。4. 用化學方法使木材結構分子產(chǎn)生交鏈 (Chemically cross-li nki ng structural compo nent

35、s of the wood)例如以甲醛為交鏈劑，藉接觸劑(Catalyst)加熱，促使醛與木材結構分子單位間形 成化學交鏈作用，以減少吸濕性之甲醛交鏈法：HCell-OH+ HCHO Cell-O-C-O-Cell+ 出0IH5. 利用學藥品膨潤細胞壁(Bulking the cell walls of wood with chemicals)即以化學藥品擴散充滿細胞壁之空隙，以降低其吸濕、脫濕的缺點。其方法許多諸 如：(1) 鹽類處理(Salt treatmen)(2) 糖類處理(Sugar treatment(3) 聚乙二醇處理(Polyethylene glycol treatment)

36、(4) 臘處理(Wax treatment)(5) 酚樹脂處理(Phe no lie resi n treatme nt(6) 乙烯單體處理(Vinyl monomer treatment)(7) 乙醯基化處理(Acetylation treatment)6. 強化木材(Dentified wood)通常藉注入強化(Den tifyi ng by impreg nation)與壓縮強化(Den tifyi ng by compression，使木材增加硬度、強度并降低其吸濕性。諸如：(1) 硬化木材(Metalized wood)(2) 可塑化木材(Plasticizing wood; Ben

37、ding wood)(3) 樹脂浸壓材(Resin-treated compressed wood; Compreg(4) 熱處理壓縮材(Staypak; Heat-stabilized compressed woodIV聚乙二醇處理材(PEG treated wood)上一章所述的各種使尺寸安定之方法，均可不同程度地改變木材之尺寸安定性，但仍以 聚乙二醇處理之方法最具實用價值。因以聚乙二醇處理之木材，其抗收縮效能(ASE)可達6575甚至 80以上，而且若使用分子量低者，有完全取代細胞壁中水分子之傾向，并減 少其收縮率近 100，顯示吸收性能有良好之效果，可使木材形體安定，不發(fā)生收縮膨脹，

38、故干裂、開裂及翹曲等缺點極微。茲將此方法加少介紹之。(I)藥劑聚乙二醇(PEG)為一系列乙二醇聚合物，乃由兩個或更多的乙二醇去水，而以醚鏈 (Ether-li nkages)聯(lián)結羥基(Hydrocarbon groups)，而活性羥基只存在于長鏈之兩端，其通 式為：HO (CH2CH2O) nH或為HOCH2( CH2OCH2) nCH2OH。皆具高度之水溶性。而當其分子量為 600者，呈液狀且能以任何比例溶于水。分子量為 1000 時，乃為固態(tài)，仍能高度溶于水。分子量到達 6000時，則為較硬主固體，溶于水之數(shù)量有限。是以聚乙二醇為一高分子聚 合體，分子量不同其性質(zhì)亦異。如最常使用之PEG-

39、1000,在常溫時以固體存在，為白色蠟狀化學藥品，其熔點為104T( 40C)，容易溶于溫水中成透明水溶液，并可與水、酒精、有 機溶劑相混或相溶，無毒、無味、無腐蝕性、無色，而且還有很高之燃點約580 T (304C)(n)原理1. 欲了解木材的水分移動，需了解木材中的擴散趨勢，據(jù)散系數(shù)對木材吸、脫濕間的 容積變化有很大的關系。木材中之水分擴散系數(shù)是細胞腔較細胞壁為大，含有空隙之木材，其擴散系數(shù)為10-610-4cm2/sec.,而細胞壁之擴散系數(shù)則為10-710-6cm2/sec， 此表示木材中水分擴散是依賴通過細胞腔者為大部份。而經(jīng)改良后之木材其細胞腔 充滿高分子填充體，因而擴散系數(shù)勢必會

40、降低許久。2. 在木材吸濕或脫濕過程中之擴散作用，使PEG與水在細胞壁內(nèi)外進行置換，并保持平衡，使細胞壁經(jīng)常處于膨潤狀態(tài)，藉此保持木材尺寸之安定。3. 使用生材(Green wood)可很容易作PEG之處理，因為此一處理主要是靠擴散作用( Diffusion )，所以壓力對處理過程并不適用，況且自外增加壓力也不能增加其進 入之速率。大分子之PEG進入木材后，即取代木材細胞壁纖維之不定區(qū)中的水分， 而與木材纖維相結合不易脫離， 故適當處理之 PEG 木材，可永遠保持其生材時之形 體而不致收縮、膨脹或翹曲。4. PEG的作用并非保持木材中的水分不移動， 實際上PEG的吸濕性比木材強，能比木 材吸取

41、更多的水分，因此它極易滲入生材中原為水分所占據(jù)的空隙內(nèi)。 在25C溫度、 相對濕度 65恒溫恒濕系統(tǒng)下，其平衡含水率達 4465之間。雖然 PEG 溶液滲 入時會有超量的水分進木木材， 并使木材有少許超量的膨脹， 但當水分蒸發(fā)后， PEG 卻仍殘留在空隙中，因而可長久抑制木材之收縮膨脹，不受大氣濕度影響，而能獲 得最大的穩(wěn)定性。一塊經(jīng)過適當處理的木材，縱使在濕氣變化最壞的情況下，也能 免除 80的體積變化。5. 無論加不加熱、浸漬時間之長短，木材對 PEG 之吸收量，會有類似水分梯度(Moisture gradie nt)之現(xiàn)象，即木材表層之吸收量最大而向中心部則逐漸遞減。（川）影響因子利用化

42、學藥品處理加以改良其性質(zhì)之木材， 即稱為化學處理材（Chemically treated wood）, 其乃將藥品注入木材中，并在細胞內(nèi)腔作聚合反應或填充處理，而這些反應全部在藥劑之滲 透后進行，所以藥品吸收率之多寡，對其改良后之效果有明顯的關系。影響藥品滲透（Impregnation）之因子諸多，除了樹木本身之組織構造、比重與細胞壁率之差異外，也牽涉 到藥品的特性及滲透處理的方法。1. 就組織構造而言，針葉樹之主成分為管胞，其直徑與長度是依樹種、樹齡、立地環(huán) 境、樹體部位之不同而差異。闊葉樹材之構成組織十分復雜，導管為其主要組成之 一，如導管沒有填充體（Tylose）及樹膠體存在，則為藥品滲

43、透的最佳管道。其導 管的分布、直徑、數(shù)量、排列方式等，對滲透之能力也有相當?shù)挠绊?，但若含有?充體及樹膠等，則也會降低木材之輸導能力及滲透性。此外早材、晚材及薄壁細胞 之組成比率與形態(tài)、化學成分沉積等也會影響。2. 就木材比重與細胞壁率而言，二者對于木材之擴散系數(shù)均有相同影響。即木材之比 重及細胞壁率與擴散系數(shù)成反比，亦即木材之比重或細胞壁率較大者，其擴散系數(shù) 則較低。3. 就藥品吸收性而言，PEG之吸收率受含浸時之溫度、時間、PEG水溶液濃度，以及含浸前初期含水率、樹種、組織構造不同等因素而異。相關研究指出，PEG吸收率及尺寸安定性之效果，與樹材的最大含水率有關，即最大含水率越大，則吸收率越

44、大，其尺寸安定效果越佳，且濃度越高其吸收率也越高。而浸漬一段時間后，再加 長時間對吸收率并無顯著影響。（W）處理方法1. 先將試材浸泡于水中，待其吸水飽和。2. 將浸水處理后之試材置于恒溫水槽內(nèi)，浸于50%之聚乙二醇溶液，加熱至60C （約140 T ）并以幫泵促進其循環(huán)?；蚴侵糜谄胀ㄌ幚聿蹆?nèi)，作常溫靜態(tài)處理。3. 浸漬時間隨木材比重不同而異。表 4-1乃為美國處理胡桃木圓木盤之基準表。（胡 桃木之生材平均比重約0.55） 低比重之木材只需下表之1/21/3時間，高密度者則需23倍，而特別堅硬之木材, 如鐵木（Iron wood）、Hard maple之心材或 Oaks之心材等則無法處理。30

45、%70 T( 21 C)206050%70 T154530%140 T( 60C)73050%140 T314容易濃度及處理溫度浸漬時間（日）AB注：A-直徑 9 吋（22.9cm），厚度 11.5 吋（2.543.81cm）B-直徑 9 吋（22.9cm）以上，厚度 23 吋（5.087.62cm）4. 若顧慮處理時間甚長，難免會孳生霉菌而發(fā)霉時，則可以于PEC溶液中加入硼砂(Borax)或五氯酚鈉(PCPNa)防止之，其濃度為全溶液之1 %或2%即可。5. 浸漬完畢后，將試材置于恒溫烘箱中，干燥至全干為止。或是利用干燥堆桿，將其 堆于通風良好之陰涼處氣干。(V) 處理效果如果木材吸收PEG

46、溶液達2535%時，貝U可消除全部收縮或膨脹之 80%。(W)對利用上之影響經(jīng) PEG 處理后之木材，于加工上會增加下列之困擾：1. 砂磨：處理完畢之材料先經(jīng)刨光后， 再用濕或干的砂紙加以砂光， 但于砂磨過程中， 常會有臘質(zhì)木屑粘附于砂紙上，如不清除會影響作業(yè)。發(fā)生此種情形時，可使用溫 水清洗，以除去粘著于砂粒間隙中之木屑。2. 膠合：除了白膠(PVAC )外，一般膠料均適宜膠合，唯以間苯二酚膠(Pecorcinol glue)及環(huán)氧樹脂(Epoxy resin glue)為最適宜。膠合前先用 PEG之溶劑(如水、 酒精等)將膠合面擦拭， 使木材纖維露出并加以晾干， 再以甲醇擦拭一遍。 由于

47、PEG 處理材極易膠合，最好是先將較薄的木板以PEG浸泡，使?jié)B入濃度均勻，再膠合成 所需之厚度。3. 漂白：處理材之表面大都聚積自然色素或鐵化合物，故在涂裝前應先漂白。方法如 下先以兩湯匙草酸溶于熱水中，將之刷涂于砂光后之材面上。約一小時后，再以 氨水擦拭漂白面(其作用乃為中和酸性)并經(jīng)一天的自然干燥，然后使用細砂紙砂 光一遍即可。4. 涂裝：由于PEG更富吸濕性，故經(jīng)處理而未涂漆之木材，久置于高相對濕度之環(huán)境 中，觸摸時常有粘稠感(Sticky)，甚至會有PEG滲出材面的現(xiàn)象，因此必須小心 使用并適當保護。但是其對涂料之適應性有限，除了聚 月尿脂涂料( Polyurethane varnis

48、h; PU)及髹油涂裝(Danish oil finishing)之外，一般的涂料如：洋干漆(Shellac varnish)、拉卡(Lacquer) 等均不適宜。(VD)用途1. 可降低生材干燥時之面裂(Checki ng)，這種應用則無需高度的PEG滲透。另已處 理之木盤干燥后，其收縮甚小毋需完全干燥，亦不必干燥均勻即可加工。只需其表面1/4吋(6.35mm)處能充分干燥，以便砂磨及涂裝即可。又因處理材不收縮，故 其附著之樹皮應不致脫落。2. 用于戶外時必須作防蟲與防腐處理， 又因PEG是水溶性，易被雨水沖失，故防水處 理亦必須。施以含蠟質(zhì)和五氯酚鈉的藥劑處理，可防止上述情形的損害。3.

49、一般室內(nèi)用家具無需作 PEG處理，但若需要特別穩(wěn)定之任何木制品則都應加以處 理，如地板、佛像、雕刻品等。4. 木工藝品若發(fā)生變形或劈裂，皆可利用PEG處理加以補救。其方法乃為：一有干裂 發(fā)生時，立即將成品浸水中并接著作 PEG處理。處理后如已密合，則將永遠密合且不會有新的干裂發(fā)生，若不能密合則將永不密合，但也不會變得更壞，且亦不會有 新的干裂發(fā)生。5. 經(jīng)PEG處理后之老舊、浸水木(Waterlogged)，當其干燥時可實質(zhì)的降低其開裂 (Cracking)及歪扭(Distortion )之情形。V.木材與其它材料之復合材料由于木材本身具有之缺點，以及受環(huán)境因素影響所產(chǎn)生的缺點，皆會導致木材物

50、理、機械性質(zhì)的降低。所以為了改善木材之缺點。自1960年代迄今。木塑材(Wood-PlasticCombi nati on; WPC)制造技術之改進日漸受到重視。此種木材與塑料之復合材料，除了以木 材本身之細胞組織分子為中心結構外，并加以塑料單體填充于細胞間隙，而能增加組織分子 間之結構。甚至尚有部份塑料單體更可與纖堆素分子之羥基(OH group)產(chǎn)生架橋接枝聚合反應，增加細胞壁之厚度與應力，又可阻止水分子之表面吸著，乃為理想之細胞壁膨潤劑(Cell wall bulk materials)，除可改善木材中因水分含量變化而引起之缺點，及減少吸濕以安定木 材尺寸，尚可改良木材之硬度、壓縮強度、

51、耐磨、耐候、耐腐朽、耐化學藥品和耐燃等性質(zhì)。(I)木塑材之定義木塑材即以液狀之塑料單體采用真空-加壓方式注入木材之細胞腔及其間隙內(nèi)，并以熱 觸媒或放射能聚合方法，使單體聚合成高分子化合物，所制造堅硬、致密又具木材外觀之木 材與塑料復合材料。(n)木塑材之制造方法木塑材之制造，對于材質(zhì)之選擇應甚為謹慎，向以材質(zhì)輕軟而脆弱、耐腐朽性差、經(jīng)濟 價值小而能均勻注入之闊葉樹散孔材之效果較為優(yōu)良。尤以本省亞熱帶地區(qū)出產(chǎn)的闊葉樹速 生樹種為然。1. 制造木塑材所用之塑料單體 一般常用者如下： 甲基丙烯酸甲酯(Methyl methacrylate; MMA )CH30CH3I/In(CHz- I - g )

52、 t +切汀 C OCH3COOCHg(2)尿素甲酪樹脂0IIn(NH2- c - nh3(Urea-formaldehyde; UF)0酚甲醛樹脂(Phenol-formaldehyde; PF)苯乙烯(Styrene; SM)0(5)丙烯腈(Acrylonitrile; ACN )CH尸 CHCN 醋酸乙烯(Vinly acetate; VAc)2. 制造方法(1) 處理前木材之干燥：將氣干之試材置于恒溫恒濕室中，以干球25C、濕球溫度差為45C之干燥基準，%，使含水率達12%。(2) 單體之注入處理：單體之注入乃采用真空-加壓之充細胞法，其步驟如圖3 :Time ( hr.)圖3單體加壓

53、注入程序aEU、BxyoJnrtMIIJd 抽真空，使加壓注入筒中維持真空度140mmHg。 真空維持時間30min。 利用壓力差使單體導入加壓處理筒內(nèi)。 加壓，使處理筒內(nèi)之壓力升至 10kg/cm2。 最高壓力維持時間4小時。 放松壓力，恢復正常，并收回多余之單體。(3) 取出經(jīng)注入單體之試材，稱其單體吸收量。(4) 單體注入后之聚合。注入于木材中之單體，其聚合方式有兩種：a. 輻射化學法：木塑材發(fā)明之初，乃以輻射線為主要研究對象，其方法是以 CO60-gamma ray穿 透，使木塑材在低于60E之溫度下，乙烯系單體即可在木材內(nèi)部行聚合反應， 或 以1 ray之照射來使木材表面涂裝硬化。缺

54、點：所費不貲，現(xiàn)已少使用。b. 熱觸媒聚合方式：觸媒有過氧化物，如過氧化二苯甲醯(Ben zoyl Peroxide; BPO)或偶氧腈類，如 偶氮二異丁腈(2,2-Azobisisobutyronitrile; AZO )等。此類起始劑(Initiator)遇熱即分解產(chǎn)生游離基(Free radical)促進單體之成長反 應。缺點：橫切面大于5.0 5.0cm2之較大試材，單體聚合時之放熱反應非?？焖?如 MMA之136kcal/kg)，會導致木材內(nèi)部之溫度高于 200C,對木材內(nèi)部之 組織構造形成傷害。避免此傷害之方法：(a) 選擇反應較緩之接觸劑：最好半生期延長至可回收。(b) 選擇較適

55、當之反應：在4050C之低溫維持數(shù)小時之前硬化期(Precuring)， 再將溫度提高至80100C，至其完全硬化為止。(c) 使用反應抑制劑(Inhibitor):可在單體中加入少許未參與反應之高分子聚 合物，減少反應物濃度。或加入 20%之Trichloroethyl Phophate( TCEP) 為抑制劑。如以熱可塑性之甲基丙烯竣甲酯(Methylmathacrylate; MMA )時，注入處理 完畢時，需立即以鋁箔紙包扎，以免單體揮發(fā)，再置于加熱系統(tǒng)中，以68 C之溫度加熱并維持24小時，使單體在木材內(nèi)逐漸聚合。而若以熱硬化型之尿素甲醛樹脂(Urea Formadehyde resin; UF)處理時，最 初以60C、80C最后提高至100C的溫度加熱，全部歷時24小時，即可完成制造 程序。3. 游離基聚合反應機構(1)產(chǎn)生游離基所使用之單體游離基聚合反應最常使用之單體，有以下兩種化合物：乙烯系化合物(Vinyl compou nd）及戴蔥化合物（Die ne compou nd,此類化合物均具有雙鍵之構造， 可藉游離基之轉移而合成長鏈。