纖維素熱解效應

 

纖維素為多糖類組成的天然聚合物,約佔木材組成分2/3-3/4,為決定木材強度之主要因子。在有氧存在之環境中,纖維素受熱解之質量變化始於273℃,大部分質量在290-350℃之間消秏掉,當加熱至360℃時僅餘19%之質量,隨溫度上升至500℃時殆盡。由DTG曲線可以明顯觀察到最大質量損失在343℃。

纖維素受熱時因脫水作用而形成脫水糖的結構,同時也使纖維素的聚合度降低,質量開始減少時,逸出氣體以二氧化碳與水為主;隨溫度上升,大量裂解逸出氣體為二氧化碳、一氧化碳、水及脂肪族。纖維素的熱解係先經由氫抽取作用或脫水反應而解聚,形成脫水糖之形態,再經由自由基的轉移而斷鍵開環,形成二醇醛等揮發性物質、二氧化碳、一氧化碳及水等小分子氣體逸出。

纖維素斷鏈為纖維素燃燒之瓶頸反應,若能藉化學方法延後纖維素斷鏈或降低溫度,則有助於改善纖維素之耐燃性。

 

木材化學性質

 

  • 木材之化學元素組成

 

 


    1. 木材與其他植物體一樣,為一極複雜的有機構成體,其組成成分中除去水分及少量的礦物質外,即為碳、氫、氧三元素化合而成。一般木材之化學元素組成,碳約佔50%、氫約佔6%、氧約佔42.5%、氮通常在0.5%以下、灰分約在1%以下。一舨邊材之含氮量較心材多,乃邊材為仍具生命之生活組織,含有蛋白質之故;木材之燃燒殆盡時,會遺留少量礦物質概稱為灰分。

    2.  

    3.  

 

 

 

 

  •  

  • 化學藥品對木材之作用:木材對於化學藥品及溶劑有相當良好的抵抗性,因木材為一極複雜的高分子化合物,因此有些溶劑僅可溶解木材的一部分,而另一部分則不能溶解。

  • 中性溶劑之作用:木材在室溫下,不溶於中性有機溶劑及冷水。如木材經磨成粉末狀,部分抽出物會溶於水中,其所溶出者僅為不屬於細胞壁組成分之木材抽出物。在水中溶出量,常隨溫度之升高而增加,此非因溫度提高而增加溶解力,乃係溫度提高後,使木材中的乙醯基水解而變成醋酸之緣故。

  • 酸對木材之作用:木材在常溫下對稀酸有相當的抵抗性,但對60%硫酸或37%的鹽酸,則會產生水解而破壞。稀酸在高溫下會使木材中之半纖維素迅速水解,纖維素因部分為結晶狀態,因而被水解的速度比較緩慢。

  • 鹼對木材之作用:強鹼在常溫下可溶解相當量的木材,其被溶解之物質一般為較容易被浸蝕的碳水化合物,但是有一部分木質素也有被溶解的現象,木材萃取物大部分可被鹼液抽出。

  • 木材之酯化與醚化:  
  •  

 

    1. 硝化(nitration):木材與硝酸及硫酸作用,會形成硝化木質素及硝化碳水化合物。

    2. 脂肪基化(alkylation):木材使用二甲基硫酸甲基化時,產生甲基化木材。

    3. 酯化(esterification):木材可與有機酸形成酯化物。  

 

4.纖維素

 

培陽(Payen)於1838年發現纖維素含有均勻的化學構成物質,且證實該物質乃由葡萄糖單體所組成,培陽同時發現纖維素與澱粉為同分異構物,於是正式命名為纖維素。纖維素之半縮醛架鍵對於酸的水解作用非常敏感,纖維素經完全水解後,其最終產物為葡萄糖。未純化的纖維素呈酸性,其原因乃是纖維素中含有木質素及複葡萄糖酸等雜質所致。在植物體中,纖維素被氧化成多葡萄糖酸,然後經去羰基作用,除去二氧化碳而得聚木醣。

半纖維素交織存在於細胞壁的木質素與纖維素之間,而具有填充纖維素與木質素所形成的間隙作用。

5.木質素

 

木質素與纖維素及半纖維素為成細胞壁的主要成分。木質素與碳水化合物(纖維素與半纖維素)的關係,有如鋼筋與水泥。木質素主要集中存在於中膠層之中,其性質與蛋白質及碳水化合物的化學性質迥異,木質素的主要組成分為香族化合物,幾不溶於一般溶劑中,且難水解成單體,亦不如其他天然高分子,有固定而規則的組成與排列。

 

6.木材之自然分解

 

 

天然的木材為最具耐候性的有機物質,但在富有變化的環境條件下,易受到生物的破壞和風化。木材在高含水率及具有空氣的狀況下,常產生腐朽現象,木材的含水率如低於20%時,木材就不致發生腐朽現象,因此木材的乾燥必須達到20%以下始能免於腐朽。

木材如果浸入水中或埋置地下,往往不會有腐朽的現象,其主要原因為腐朽菌是好氣性菌類,所以必須在有空氣態始能生存,木材經浸入水中或埋置地下,其材質被水所飽和,致木材中的空氣含量極少。因此,不易遭受腐朽菌的侵害。

腐朽菌在成表過程中會製造出酵素,因酵素具催化作用,能促進木材的分解,若無此等酵素,則木材就不會產生腐朽破壞現象。

蛀木蟲可使木材崩壞,對木材的破壞程度可與腐朽菌相比,其主要以纖維素為食物,蛀木蟲所蛀食木材產生孔道,促使木材機械度降低,亦有礙美觀。

未受塗裝保護的木材,經風雨洗打後,表面質地變軟,木材的紋理上浮,並且表面產生細紋裂痕而顯粗糙,再經風雨的機械磨損,其表面組織逐漸脫落,謂之風化。風化主由水分、空氣中的氧氣、日光及風雨的摩擦作用而成,部分林質雖在木材的中心,但經長久的時日後,材質亦產生變化,稱之為老化。

 

本文引用自http://home.pchome.com.tw/net/laikfang/treeroot/woodphis.htm 

 

木材解剖特性

壹、木材解剖特性

 

木材基本構成單位為植物細胞。細胞大部份與樹幹之縱向平行排列,木材細胞分為薄壁細胞與厚壁細胞。薄壁細胞為養分的貯藏所,厚壁細胞有輸送水液及支持樹體的功能;形成層乃枝幹的生長組織。由形成層分裂生成的細胞向外形成韌皮部,以貯藏養分;向內形成木質部,以輸導水分。在樹體內有二種樹液流動,一為由土壤吸得水分等營養物質,經木質部往上輸送,是為木質部樹液;另為自葉部輸送由光合作用所得的醣類至樹體之下面,則稱為韌皮部樹液。一般心材中含有機色素,所以顏色比邊材深。

一、木材之外觀性質:

材色、光澤、香氣、味、木肌、木理、木紋。

二、年輪:

樹木因週期性生長,而在橫切面形成同心圓狀之木質部層次,稱為生長輪;通常樹木之生長以一年為週期,故又稱為年輪。在一年輪內,其內側之組織於春夏之生長期所形成者,內腔大、壁薄方形之集合體,屬於生長期之早期,故稱為早材或春材;在年輪外側之組織於秋季形成,其內腔小、壁厚扁平,屬於生長期之末期,稱為晚材或秋材。

三、邊材與心材之性質

 

  1. 心材含有單寧等成分,故色澤較深。 

     

  2. 一般邊材含水量較心材為多,故乾燥後質量較輕。 

     

  3. 邊材對水分之吸收放散較易,心材較弱;故易於藥劑處理。 

     

  4. 心材含有較多填充體,填塞導管,比重較高。 

     

  5. 心材之纖維素與木質素含量較高,強度較大。 

林木之生長圖

四、針葉樹材之構成要素

針葉樹材的共同構成要素有管胞與木質線,依樹種不同,有些具有木質部薄壁細胞及樹脂溝。管胞為針葉樹材最重要的構成要素,闊葉樹材不具有管胞。管胞除供通導水分外,並兼支持樹體之用。

五、闊葉樹材之構成要素

闊葉樹材構成要素的種類,較針葉樹材為多,其所具有之機能各不相同。又各要素之形狀、排列、存在量亦是依樹種而有很顯著的變化;因此其木材構造的種類較為複雜,主要構成要素比率依樹種而異,概分為導管、木纖維、木質部薄壁細胞及木質線等。

本文引用自http://home.pchome.com.tw/net/laikfang/treeroot/woodphis.htm