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1、第6章 木材的物理性质,主要介绍木材密度、木材的含水状态、木材中水分的吸湿与解吸、木材的干缩湿胀、木材的电学性质、热学性质、声学性质和光学性质。,6.3 木材的电学性质 6.3.1 木材的导电性 6.3.2 木材的介电性 6.3.3 木材的压电效应和界面的动电性质,6.3.1 木材的导电性,6.3.1.1 电阻率与电导率,6.3.1.2 木材的电导原理,6.3.1.3 影响木材直流电导率的因素,电阻 在一个固体的两端施加电压的电场U，固体中通过的电流I，那么该固体的电阻为电阻率 是指单位截面积及单位长度上均匀导线的电阻值，是物体的固有属性，电阻率越大则材料导电能力越弱。电阻率：A为导体的截面积
2、（），l是电场间导体的长度（）。电导率 是电阻率的倒数，电导率越大，则说明材料导电能力越强。,按照电阻率或电导率的大小，所有材料可以划分为导体、半导体 和 绝缘体（介电体）。导体 导体是导电能力强的材料，电阻率范围一般在10-810-5，如金属等；绝缘体 绝缘体的导电能力差，一般电阻率高于108的材料可以称为绝缘体，如陶瓷、橡胶、塑料等；半导体 导电能力介于导体和绝缘体之间的称为半导体。,绝干木材的电阻率为10141016，为绝缘体。随着含水率的升高，木材的电阻率急剧下降；当含水率到达纤维饱和点时，电阻率为103104；室温下饱湿的木材的电阻率仅为102103，已属于半绝缘体范围。考察木材含水
3、率从绝干状态上升至饱湿状态的过程中，可以发现其电导率增大了约10111014倍。如此大的差异，直观上确是受含水率影响所致，但其机理究竟是什么？这需要从木材的电导原理来加以解释。,6.3.1.2 木材的电导原理 1、木材导电性弱的主要原因:木材的化学结构组成中不含有导电性良好的自由电子。2、木材具有微弱的导电性原因:通常认为，木材微弱的导电性是离子引起的。离子是构成木材的聚合物中的离子基缔结在一起的离子，或是在木材含量很少的灰分（杂质物质）中含有极少量的离子（如金属离子），这些微量的离子在电场作用下会定向移动。,木材在直流电场中，具有极化现象，即离子在电场中定向移动。木材的极化现象:木材中存在的
4、离子可分为两类。束缚离子:一类为被吸附在胶束表面离子基上的束缚离子；自由离子:一类为处于自由状态、在受到外部电场作用时能够迁移电荷的自由离子。木材的电导主要是靠自由离子进行的，一般在细胞壁的非结晶区（纤维素、半纤维素、木质素）发生,3、木材的极化现象,木材含水率在0%20%的范围内，影响电导机理的主要因子是木材中的自由离子浓度(载流子的数目)；在更高的含水率范围内，被吸着的束缚离子的解离度很高，离子迁移率上升为决定电导的主要因子。由于木材的电导依存于其内部离子的存在，所以离子浓度的、分布的变化或两者的同时变化都将对木材电导产生影响。,6.3.1.3 影响木材直流电导率的因素（1）含水率 电导的
5、活化能E是决定电导的主要因子，E是由离解能量U和迁移能S两者来决定的。电导的活化能:每释放1mol的束缚离子使其处于自由状态所需的能量。E=S+U/2,具有强极性的水分子能够削弱离子与吸着点之间的结合，所以电导活化能受木材含水率的影响。从绝干状态到纤维饱和点含水率，活化能下降，木材电导率随含水率的增加而急剧上升，增大为初始电导率的几百万倍；但从纤维饱和点至最大含水率，木材电导率的增加速度减慢下来，仅增大几十倍，见图6-15。,（2）温度 金属：电阻率随着温度升高而增大；木材：电阻率则随温度的升高而变小；当温度升高时，束缚离子被解离的概率增加，载流子数目随之增多，导致电导率增大。在0以上范围内，
6、温度对全干材影响最为显著，随温度增加，电阻率下降；从全干至纤维饱和点，随含水率的增加，温度影响变小。电导率与热力学温度T的经验关系式如下：,（3）纹理方向 木材横纹理方向（垂直于纤维方向）的电阻率较顺纹理方向的电阻率大。针叶树材横纹理方向的电阻率约是顺纹理方向电阻率的2.34.5倍；在木材横纹理方向上，通常是弦向电阻率稍大于径向电阻率。阔叶树材通常达到2.58.0倍。,（4）密度、树种和试材部位 密度1、不同木材密度对于导电性也有一定的影响，但相比含水率，它们的影响又是极小的，甚至是没有意义的。2、一般来说，木材密度大，电阻率大；电导率小。原因：木材细胞壁实质的电阻率远较空气为小，电导率较密度
7、小者为高。(但影响效果不明显，甚至对于某些个别树种有相反情况)3、从我国37种木材电阻率来看，不同密度的树种之间差异并不明显，仅密度差异较大的树种间，才能看出密度大者，电阻率稍低的趋势。,树种-电阻率产生差异。其差异大于密度因素影响的差异。因此，在直流式含水率电测仪中，通常设有树种因素的修正档，试材部位-木材中不同部位的电阻率也存在差异。主要是心材和边材之间，通常心材比边材电阻率 低，这也是因为心材比边材含有更多的抽提物等内 含物质。,6.3.2 木材的介电性,交流电方向和强度按某一频率周期性变化的电流称为交流电。交流电按其频率的高低，大致可分为低频(含工频)、射频(又称高频)。木材的交流电性
8、质是泛指木材在各种频率的交流电场作用下所呈现的各种特性，主要包括木材的介电性质参数（介电系数、损耗角正切、介质损耗因数等）和交流电阻率（或电导率）的变化规律及影响因素。,6.3.2.1 低频交流电作用下木材的电热效应,6.3.2.2 射频下木材的极化和介电性,6.3.2.3 木材的介电系数,6.3.2.4 木材的介电损耗,6.3.2.5 木材的介电性在木材工业中的应用,6.3.2.1 低频交流电作用下木材的电热效应在交流电的低频区域，木材的电学性质与直流电情况下呈现同样特性。例如，在绝干状态下木材电阻极高，随着含水率的增加电阻显著减小，这种变化到纤维饱和点以上时又趋于平缓。,6.3.2.2 射
9、频下木材的极化和介电性射频-是频率很高的电磁波，又称高频，其频率范围大约从0.2MHz直至几百甚至几千兆赫。在木材工业中，用于高频电加热的频率通常在110MHz的范围；用于微波干燥的频率为915MHz或2.45GHz。介电性是指物质受到电场作用时，构成物质的带电粒子只能产生微观上的位移而不能进行宏观上的迁移的性质。介电体表现出介电性的物质。,其中a所示为金属等良导体在直流电场中通过电子的迁移产生了电流，b则表示介电体中的带电微粒在外电场的作用下排列发生变化，即发生了极化现象。,木材中的极化现象有，电子极化、离子极化等。但在木材的介电性中，主要考察与木材细胞壁成分中的极性基团相关的取向极化和与各
10、向异性相关的界面极化。偶极（取向）极化：由于偶极分子或基团在外电场的作用下发生回转取向运动而产生的。在木材中不仅有纤维素、半纤维素、木素的大分子发生取向极化，而且木材中的-OH和-CH2OH等极性基团在外电场的作用下也会相对于大分子的其它部分作回转取向运动界面（结构）极化：由于介电体的各向异性而产生的，在湿木材中，水分和细胞壁实质的导电性有明显的差别，在外电场作用下产生偶极矩，界面极化在加电场后10-310-8秒内产生。,绝干木材属于极性介电体。低含水率的木材也仍可以看作是极性介电体。随着含水率的上升，木材中离子的迁移率增大，因此高含水率的木材表现出明显的导电性，而介电性不明显。木材的介电性主
11、要由介电系数和损耗角正切表示。,6.3.2.3 木材的介电系数（1）介电系数 表征木材在交流电场作用下介质的极化强度和介电体存储电荷能力的物理参数。定义：木材介质电容器的电容量与同体积尺寸、同几何形状的真空电容器的电容量之比值。通常取为介质电容C与空气电容C0之比。介电系数值越小，电绝缘性越好，导电性能越差。水的介电系数为81，硬质陶瓷的介电系数为5.73，云母的介电系数为7.17.7。绝干木材的介电系数约为2，湿材的介电系数大于干材；木材横纹理方向的介电系数小于顺纹理方向。如绝干栎木的顺纹介电系数为3.64，横纹介电系数为2.46。,（2）影响木材介电系数的因素,主要包括木材含水率、密度、频
12、率、树种、纹理方向、电场方向等。含水率的影响 在温度和频率不变的条件下，木材的介电系数随含水率u的增加而增大。,密度的影响 木材的介电系数随密度的增加而增大。由于实质率增大，单位木材体积内偶极子数目增多，增强了木材的极化反应，所以木材的介电系数随之增大。频率的影响 在相同含水率、温度条件下，木材介电系数随频率的增加而逐渐减小。在射频范围内，对介质极化起主要作用的是偶极子取向运动引起的偶极极化；当频率不断升高时，偶极子的取向运动跟不上外施电场的变化，使极化作用降低，介电系数减小。纹理方向 木材介电系数具有各向异性。引起这种差异的主要原因在于木材构造的各向异性，由于大多数的纤维素大分子的排列方向与
13、细胞长轴方向近于平行，而且绝大多数细胞沿顺纹方向排列，纤维素非结晶区的羟基在顺纹方向比在横纹方向具有更大的自由度，易于在电场作用下取向运动，所以纵向的介电系数大于横纹方向。径向和弦向的介电系数之间差异很小。顺纹方向的介电系数比横纹方向的介电系数大30%60%，随着含水率的升高。,6.3.2.4 木材的介电损耗 木材处于交流电场中，由于偶极子运动时的内摩擦阻力等相互间的作用，使介质偶极矩取向滞后于外施电场的变化，宏观表现为通过介质的总电流I在相位上滞后于极化电流Ic，这样每一周期中有一部分电能被介质吸收发热，这种现象称为介质损耗。,功率因数：每周期之内有功功率（热消耗功率）与视在功率（等于外施电
14、压与总电流的乘积）之比，在数值上等于热耗电流与总电流之比。,（2）介质损耗因数（也称介电损耗率）等于介电系数与损耗角正切的乘积。木材作为介电材料时，希望介电损耗尽量小；当在高频加热和胶合木材时，希望介电损耗大，功率因数高，发热量大，使木材的加热和胶合效果好。,（1）损耗角正切和功率因数 损耗角正切tg：介质在交流电场中每周期内热消耗的能量与充放电所用能量之比，在数值上等于热耗电流IR与充放电电流IC之比。,（3）影响木材介质损耗的主要因素 含水率的影响 在相同频率下，木材损耗角正切与含水率u的关系为：在纤维饱和点以下，随u的增加而明显增大，但是在纤维饱和点以上，这种变化趋于平缓。,频率的影响
15、木材的介质损耗与频率的关系十分复杂。,密度的影响 介质损耗因数与密度有着明显的正相关关系，随的增加线性地增大。纹理方向的影响 木材的损耗角正切和介质损耗因数：主要表现在其顺纹方向的测量值大于横纹方向(径向和弦向)，横纹中通常是径向测量值略高于弦向,6.3.2.5 木材的介电性在木材工业中的应用(1)交流介电式水分仪 通过测定木材的介电参数并将其转化成含水率的方法可以测定木材的含水率。(2)木材及木制品的高频热固化胶合工艺 木材在低含水率状态下属于极性介电体，所以当把热固性的湿胶黏剂施于木材表面时，由于两者的介电性不同，可以达到选择性加热的目的。胶黏剂在高频电场中产生的介电损耗比干木材大得多，因
16、此损耗的电能转化成热能，使胶黏剂的温度迅速升高，产生热聚合。,(3)高频干燥技术 高频干燥机理：是利用湿木材中的水分子在高频电场中的极化来加快干燥进程。当木材被置于高频电场或超高频电磁波场（即微波场）时，木材中大量的偶极子（分子中的极性基团以及含水木材中的水分子等）会在电场作用下做取向极化运动，这种运动使得分子间产生内摩擦，将电能转化为热能。,应用方面：刨花板、纤维板、木塑复合材（WPC）的加热聚合、木材的弯曲成型加工技术、纤维板的定向铺装、木材解冻、防腐和杀虫处理等方面得以应用。,6.3.3 木材的压电效应和界面的动电性质,6.3.3.1 压电效应,6.3.3.2 界面的动电性质,6.3.3.1 压电效应 具有晶体结构的电介质在压力或机械振动等作用下的应变也能引起电荷定向集聚（极化）从而产生电场，这种由力学变形而引起的介质极化称为压电效应。,6.3.3.2 界面的动电性质 在纤维素和木材中，其高分子内具有活性的羟基，当木材的微细粉末分散于水中时，因为选择性地吸着羟基离子，所以粒子相对于水带有了负电荷，这种现象称为界面动电性，此时界面上产生的电位就是-电位。-电位对纤维板制造、造纸等加工工程的施胶工艺环节具有一定的影响作用，事先调节好胶粘剂、乳化剂的界面动电性质，才能使之与木材纤维之间具有亲和性，而不产生排斥作用，从而达到预期的胶合或成纸效果。,本章结束,
