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林木生物質材料基礎 版權信息
- ISBN：9787030741127
- 條形碼：9787030741127 ; 978-7-03-074112-7
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
林木生物質材料基礎 內容簡介
該教材介紹林木生物質資源材料的基本概念﹐針闊葉材的宏觀及微觀構造特征，以及木材識別的方法;系統介紹木材物理及力學方面的基本概念、基本規律、基本理論和一些重要的測試方法，木材構造和性質之間的關系，林木生物質化學的基本概念、基本理論;以及木材各化學成分的物理、化學性質及應用。
林木生物質材料基礎 目錄
目錄
**章林木生物質材料概述1
**節林木生物質材料簡介1
第二節木材的特點及利用2
一、木材的優點3
二、木材的缺點5
三、木材的加工利用7
第三節木材組分的特點及利用8
一、木材組分的特點8
二、木材組分的利用8
思考題9
本章主要參考文獻9
第二章木材的基礎構造10
**節樹木的生長與木材的形成10
一、植物分類與木材名稱10
二、樹木的組成部分及其生長過程12
三、樹干的構造15
四、幼齡材17
第二節木材的宏觀構造與識別18
一、木材的三切面18
二、木材主要宏觀特征19
三、木材次要宏觀特征32
四、木材宏觀識別34
第三節木材細胞36
一、木材細胞的生成36
二、木材細胞壁結構40
三、細胞壁上的結構特征42
第四節木材顯微構造48
一、針葉樹材的顯微構造48
二、闊葉樹材的顯微構造57
三、針葉樹材和闊葉樹材組織構造的比較69
思考題70
本章主要參考文獻71
第三章木材的物理力學性質72
**節木材的物理性質72
一、木材的密度72
二、木材的水分77
三、木材的電學性質90
四、木材的熱學性質97
第二節木材的力學性質102
一、木材的應力與應變102
二、木材的彈性和塑性103
三、木材的蠕變與松弛107
四、木材的強度、韌性與破壞109
五、木材主要力學性能指標與測試方法110
六、影響木材力學性質的主要因素120
七、木材的容許應力124
思考題125
本章主要參考文獻126
第四章林木生物質化學127
**節木材的化學成分127
一、纖維素127
二、木質素127
三、半纖維素128
四、提取物128
第二節木質素129
一、概述129
二、木質素的分離130
三、木質素的結構133
四、木質素的物理性質和化學性質140
五、木質素的利用146
第三節纖維素148
一、纖維素的分子結構149
二、纖維素的多分散性及測定方法158
三、纖維素的物理性質161
四、纖維素的降解及化學改性163
五、纖維素溶劑179
六、纖維素的利用182
第四節半纖維素189
一、組成半纖維素的聚糖種類與命名189
二、半纖維素的分離與純化190
三、木材及禾本科植物中主要的
半纖維素類型及化學結構193
四、半纖維素的物理性質和聚集態結構196
五、半纖維素的化學性質197
六、半纖維素的綜合利用200
第五節提取物204
一、提取物的分布和變化204
二、提取物的種類和性質205
三、提取物的提取和分離212
四、木材的酸堿性質215
五、提取物對材性、加工的影響及提取物的利用215
思考題220
本章主要參考文獻221
**章林木生物質材料概述1
**節林木生物質材料簡介1
第二節木材的特點及利用2
一、木材的優點3
二、木材的缺點5
三、木材的加工利用7
第三節木材組分的特點及利用8
一、木材組分的特點8
二、木材組分的利用8
思考題9
本章主要參考文獻9
第二章木材的基礎構造10
**節樹木的生長與木材的形成10
一、植物分類與木材名稱10
二、樹木的組成部分及其生長過程12
三、樹干的構造15
四、幼齡材17
第二節木材的宏觀構造與識別18
一、木材的三切面18
二、木材主要宏觀特征19
三、木材次要宏觀特征32
四、木材宏觀識別34
第三節木材細胞36
一、木材細胞的生成36
二、木材細胞壁結構40
三、細胞壁上的結構特征42
第四節木材顯微構造48
一、針葉樹材的顯微構造48
二、闊葉樹材的顯微構造57
三、針葉樹材和闊葉樹材組織構造的比較69
思考題70
本章主要參考文獻71
第三章木材的物理力學性質72
**節木材的物理性質72
一、木材的密度72
二、木材的水分77
三、木材的電學性質90
四、木材的熱學性質97
第二節木材的力學性質102
一、木材的應力與應變102
二、木材的彈性和塑性103
三、木材的蠕變與松弛107
四、木材的強度、韌性與破壞109
五、木材主要力學性能指標與測試方法110
六、影響木材力學性質的主要因素120
七、木材的容許應力124
思考題125
本章主要參考文獻126
第四章林木生物質化學127
**節木材的化學成分127
一、纖維素127
二、木質素127
三、半纖維素128
四、提取物128
第二節木質素129
一、概述129
二、木質素的分離130
三、木質素的結構133
四、木質素的物理性質和化學性質140
五、木質素的利用146
第三節纖維素148
一、纖維素的分子結構149
二、纖維素的多分散性及測定方法158
三、纖維素的物理性質161
四、纖維素的降解及化學改性163
五、纖維素溶劑179
六、纖維素的利用182
第四節半纖維素189
一、組成半纖維素的聚糖種類與命名189
二、半纖維素的分離與純化190
三、木材及禾本科植物中主要的
半纖維素類型及化學結構193
四、半纖維素的物理性質和聚集態結構196
五、半纖維素的化學性質197
六、半纖維素的綜合利用200
第五節提取物204
一、提取物的分布和變化204
二、提取物的種類和性質205
三、提取物的提取和分離212
四、木材的酸堿性質215
五、提取物對材性、加工的影響及提取物的利用215
思考題220
本章主要參考文獻221
展開全部
林木生物質材料基礎 節選
**節 林木生物質材料簡介 人類的生存和生活與材料息息相關。在人類發展歷程中，材料往往起著里程碑的作用，新材料的出現使人類文明實現了跨越式的發展——從舊石器時代到新石器時代、青銅器時代、鐵器時代，再到先進材料時代。材料的發展水平代表著時代進步和社會文明的發展水平。基于材料對社會發展的作用，人們將材料、能源和信息并列為現代文明和生活的三大支柱，在這三大支柱中，材料又是能源和信息的基礎，能源和信息技術的發展，離不開能源材料、半導體材料、光纖材料等的發展。 社會的高速發展對材料和能源提出了更高的要求，不可再生的化石資源的大量消耗，排放出大量的二氧化碳，使地球的環境不斷惡化。可持續發展成為世界各國關注的焦點。2020年9月22日，中國國家主席習近平在第七十五屆聯合國大會上向全世界鄭重宣布——中國二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。這說明中國作為一個負責任的文明大國，深入貫徹綠色發展理念，已正式成為全球生態文明建設的重要參與者、貢獻者和引領者。為了實現碳達峰和碳中和的目標，大力發展可再生資源、逐步取代化石資源在各個領域的應用是重要途徑之一。 森林是陸地生態系統的主體，也是其*重要的貯碳庫。森林植被通過光合作用將大氣中的二氧化碳轉化為生物質，發揮著巨大的固碳功能。聯合國糧農組織（FAO）的評估結果表明，全球森林約40.6億hm2，森林碳貯量高達6620億t。森林的碳貯量可轉化為各種林木生物質材料，本章將對林木生物質材料及我國林木生物質資源現狀進行簡單介紹，并對主要的林木生物質材料——木材及其組分的特點和應用進行介紹，為后續的學習奠定基礎。 生物質（biomass）是指由動物、植物及微生物等生命體所生成的物質，主要由有機高分子組成。生物質可用于開發生物質材料、生物質能源和生物質化學品。生物質主要由碳、氫和氧三種元素組成，因此易被自然界中的微生物降解，形成水、二氧化碳和其他小分子物質重新進入自然界循環。因此，生物質材料具備可再生和可生物降解的特點，符合低碳社會和可持續發展的需求。常見的生物質材料包括木材、竹材、農作物秸稈、樹皮、纖維素、半纖維素、木質素、淀粉、蛋白質和甲殼素等。從來源上進行分類，可將生物質材料分成植物基生物質材料、動物基生物質材料和微生物基生物質材料三類。在這三類中，植物基生物質材料占比*高，且來源于森林植物的林木生物質為其主要部分，如作為主要林產品的木材和竹材，以及組成木材、竹材和其他木質資源的纖維素、半纖維素、木質素等成分。有學者將林木生物質定義為地面以上所有的木質生物質，包括收集、處理和利用木質生物質時產生的所有剩余物。也有學者認為林木生物質是森林及林木在綠色植物的光合作用下所產生的所有有機物質，包括林木地上和地下的生物量總和。 綜上，林木生物質材料可定義為以木本植物、禾本植物等森林植物為原材料，通過機械加工或物理、化學、生物手段加工制造而成的材料，包括直接鋸切得到的木材，通過成分解離得到的纖維素、半纖維素和木質素等制備的各種材料，以及由這些材料和其他材料進行復合得到的各種生物質基復合材料。 我國的林木生物質資源近年來發展態勢良好。根據第九次森林資源清查報告的數據，我國森林面積已達2.2億hm2，森林覆蓋率為22.96%，森林蓄積量為175.6億m3。其中，人工林和竹林的面積穩步增長，分別達到0.8億hm2和641萬hm2（圖1-1）。我國森林資源的特征：森林面積穩步增長，森林蓄積量快速增加，森林覆蓋率穩步提高；森林結構有所改善，森林質量不斷提升；天然林持續恢復，人工林穩步發展；商品林供給能力提升，公益林生態服務能力增強。但是，我國森林資源總量相對不足﹑質量不高﹑分布不均的狀況仍然存在，林產品供需矛盾仍然突出，森林生態系統功能脆弱的狀況并未得到根本改變。在森林覆蓋率方面，全國森林覆蓋率仍低于全球30.7%的平均水平；森林蓄積量也僅占世界森林蓄積總量的3.3%，人均占有量遠低于世界平均水平；我國的森林資源分布不均，主要集中在東北林區和東南沿海地區；森林資源質量不高，單位面積平均蓄積量為94.83m3/hm2，與世界平均水平（131m3/hm2）相比仍有不小的差距；喬木林的平均胸徑僅為13.4cm。因此，在今后相當長的時間內，提高森林資源的數量和質量仍將是我國林業發展的重要任務，這樣才有可能生產出更多、更好的林木生物質材料，滿足社會發展的需要。 第二節 木材的特點及利用 木材應用于我們生活的方方面面，這是由木材自身的特點所決定的。下文將從環保特性、加工和應用特性及環境學特性三個方面對木材的優點進行敘述，對于木材的缺點則列舉了一些主要的影響木材利用的木材性質。需要注意的是，木材的優點和缺點有時是相對而言的，如木材容易被微生物劣化，這在木材的使用過程中毫無疑問是缺點，但是對于木材這種材料的環保特性而言卻是優點，正是因為木材的這一性質才使其具有可降解性。因此，我們在理解以下木材的優缺點時，需要注意所針對木材的用途。 （一）木材的環保特性 木材來源于森林，是樹木通過根部吸收的水分和葉片吸收的空氣中的二氧化碳進行光合作用的產物，因此木材的生長過程是固碳過程，對環境具有十分積極的作用。與鋼材、水泥等不可再生的礦物資源不同，木材是一種可再生（renew）、可循環（recycle）、可再利用（reuse）和可減排（reduce）的“4R”材料。目前國內外對環境問題日益重視，對于碳排放的限制越來越嚴格，在這種形勢下木材作250為生態環境材料的優勢將更加突出。 圖1-2 1hm2日本柳杉在生長和利用過程中的（二）木材的加工和應用特性碳儲存量和利用過程中的碳儲存量的變化。1hm2日本柳杉林在50年內可固定的碳高達150t左碳儲存量/（t/hm2）150右，其中樹干部分固定的碳為125t左右，這部分樹干采伐加工后可用于建造住宅，住宅解體后還可繼續用于制造刨花板，以10050家具的形式繼續使用，直至家具解體后廢棄。在整個樹木生長和利用的周期中，碳0255075100可以達到平衡，即沒有向環境釋放額外造林年的二氧化碳。 （二）木材的加工和應用特性 1．木材的加工特性木材是一種易于加工的材料，不僅可以通過鋸、銑、刨、鉆等機床加工成具有不同輪廓和形狀的零部件，也可以利用簡單的工具手工制作成各種家具和工藝品等。因此，古代雖然沒有先進的加工設備，卻留下了無數宏偉的木結構建筑和做工精良的家具和器皿。現在隨著木材科學技術的發展，木材的加工方法更為豐富。木材不僅可以以實木的形式加以利用，還可以將其制成單板、刨花或纖維的方式再與膠黏劑壓制成膠合板、刨花板或纖維板從而實現再利用，或者是通過軟化將木材進行彎曲或壓縮等。木材的易于加工的特性可以實現木材的“小材大用”和“劣材優用”，從而達到高效利用木材資源的目的。 2．木材的應用特性 （1）木材的強重比高 強重比是指單位質量的材料的強度值，是材料學和工程力學中材料的重要指標之一。如果強重比高，則表示該材料材質輕但強度高。表1-1所示為用3種不同材料制作1m長圓柱時所需的重量和拉伸強度，以及在此基礎上計算得到的強重比。由表中數據可見，雖然松木的拉伸強度遠低于鋼鐵，但由于松木比鋼鐵輕得多，所以松木的強重比仍比鋼鐵高很多。 （2）木材的熱絕緣和電絕緣性良好 木材的熱絕緣性和電絕緣性與木材的含水率密切相關，在低含水率狀態時，木材是一種很好的熱絕緣和電絕緣材料，這主要是由木材的構造和成分所決定的。木材是由管狀分子組成的多孔性材料，在干燥狀態下，木材的細胞腔中充滿了空氣，細胞壁主要由纖維素等高分子化合物組成，缺少能自由移動的離子和電子，導熱和導電能力很弱。但是當木材含水率較高時，特別是在濕材狀態時，木材的細胞壁和細胞腔內充滿水分，這時由于水中雜質離子的導電性，木材也成為導電體。利用木材在干燥狀態下的熱絕緣和電絕緣性，我們在日常生活中經常用木材制作炊具把柄、隔熱墊、電線桿等。 （3）木材能吸收能量、耐沖擊性強 木材是一種多孔性材料且具有很好的彈性，因此能吸收外界傳遞的能量，如聲能等。當聲音傳遞到木材表面時，聲能可以進入木材空隙中從而轉化為摩擦產生的熱能而消耗掉，也可以使薄的木板發生振動而消耗掉，從而達到吸聲的效果。因此，木材是一種優良的室內裝飾材料和家具材料，特別是在劇院、音樂廳等場所的裝修中更加必要。另外，鐵軌上鋪設的木質枕木也比水泥枕木的彈性更好，火車運行時乘客感覺不到強烈振動，雖然現在國內水泥枕木大量取代木質枕木，但是在鐵軌的接頭處還是必須使用木質枕木。由于木材的這個特性，它還經常用于精密機床和儀器的底架、集裝箱運輸的托盤，以及樂器和運動器械等。 （4）木材具有安全預警性 木材是一種復雜的天然高分子材料，具有黏彈性，所以不會突然斷裂，而是在斷裂前有一定的預警信號，如表面先產生裂紋或發出輕微的咔嚓聲。因此，在地震頻發的國家（如日本），居住在木結構建筑中比較安全。 （5）木材成分可分離后使用木材不僅可以應用于工程結構用材（包括建筑用材、交通建設用材、礦井坑木用材等）、家具和室內裝飾用材、包裝用材、樂器和運動器械用材、工業美術用材、薪炭材等，其所含成分還可進行分離制備其他材料或產品。木材的主要成分是纖維素、半纖維素和木質素，另外還含有少量的抽提物。其中纖維素的含量可高達42%～45%，因此木材是很好的造紙和工業纖維素生產原料。其抽提物雖然含量很少，提取也較為復雜，但其中所含的木糖醇、紫杉醇、精油等都是具有很高附加值的產品。 （三）木材的環境學特性 對我們身處的環境而言，木材是一種非常重要的材料。木材的環境學特性是指木材與居住環境相關的一些特性，包括視覺特性、觸覺特性、聽覺特性、體覺特性和溫濕度調節特性等方面。 1．視覺特性 木材的視覺特性主要包括顏色、紋理、光澤等方面。首先，木材的顏色屬于暖色系，因此看上去給人溫暖的感覺。另外，木材的生長輪產生的不交叉線條與隨機交叉線條相比給人干凈、美麗等印象，木材的紋理是大自然的杰作，不僅顏色各異，而且年輪的幅度也不是均一的——隨著氣候的變動產生漲落。木材的紋理屬于1/f型漲落譜，這種漲落譜介于有序與無序之間。人體的生物節律也多具備1/f型漲落譜的特征，如心跳的間隔時間、腦電波的漲落等。所以當我們看到和人體的生物節律一致的木材紋理時，就會心情平靜或得到快感。因此，在日常生活里，人們會不自覺地偏愛木材的紋理和顏色。例如，很多房間里的地板和家具等即使不是木質材料，也會做成仿木紋的樣子。但是，這些仿制品很多用肉眼就能發現與木材的區別，這是由于除了顏色和紋理之外，木材還具有獨*的光澤。木材的不同方向對光的反射特性不同，因此對于實木家具或用薄木飾面的家具表面來說，從不同方向所呈現出的木材的顏色也不同。如果用木紋紙貼面，表面就不存在這種方向性（除非在木紋紙表面進行壓紋加工，可以大致模擬木材的光澤效果）。 除了可見光（波長380～780nm）外，太陽輻照中還包括波長短于380nm的紫外線和波長長于780nm的紅外線等，這些是肉眼不可見的，但對人體的影響又不容忽視。強紫外線作用于皮膚時，可引起光照性皮炎，嚴重的還可引發皮膚癌；作用于中樞神經系統，可出現頭痛、頭暈等癥狀；作用于眼部，可引起光照性眼炎，還有可能誘發白內障。而木材可以吸收陽光中的紫外線，從而減輕紫外線對人體的危害。同時，木材又能反射紅外線，這與木材給人的溫暖感直接相關。 2．觸覺特性 冷暖感是木材的主要觸覺特性之一。在寒冷的冬天，人們大都不愿意觸碰鐵、銅、不銹鋼等金屬材質的物品，因為這類物品非常涼，觸摸起來不舒服。而木材在任何季節里都不會給人這種感覺。人接觸材料時獲得的冷暖感與材料的熱傳導能力密切相關。材料的導熱系數越高，則在皮膚溫度高于材料表面溫度時，皮膚溫度下降越快，這樣材料給人的感覺就越冷。而木材的導熱系數較低，因此接觸時熱量傳導慢，給人溫暖的感覺。 3．聽覺特性 木材本身是一種多孔質材料，具有很好的吸聲性能。另外，木材也可以加工成薄板使用，通過板的振動達到吸聲的效果。因此
林木生物質材料基礎 作者簡介
母軍，女，北京林業大學材料科學與技術學院教授、博士生導師，木質材料科學與應用教育部重點實驗室副主任。長期從事林木生物質復合材料研究及木質生物質熱解轉化和產物利用技術研發。先后主持和承擔科技部、國家自然科學基金委員會、國家林業和草原局、北京市教育委員會等來源的研究課題10余項；發表學術論文90余篇；獲授權發明專利8項；主編教材2部，參編英文專著1部。
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