木質材科的研究近況

樹木經由光合作用的進行，利用二氧化碳、水分及礦物等使自身發育成一個粗大的有機體，在此複雜而協調的生物化學過程，木材即為樹木生長所產生的主要産物。自古以來，木材即為人類文明中的重要材料，隨著自然資源和人類需求的變化以及科學技術的進步，木材利用方式從原始的原木逐漸發展到鋸材、單板、鋸屑刨花、纖維與化學成分的利用，形成了一個龐大的新型木質材料家族，如合板(plywood)、粒片板(particleboard)、纖維板(fiberboard)、單板層積材(laminated veneer lumber, LVL)、重組木(scrimber)、集成材(laminated wood)、定向刨花板(oriented strand board, OSB)、木粒片石膏板(wood-gypsum board)、木絲水泥板(wood wool-cement board)、木材／塑複合材料(wood/plastic composite)、木材／金屬複合材料(wood/metal composite)、木質導電材料、木陶瓷等以木材為基礎之複合材料。而這些木質材料，在建築結構、家具、包裝、交通運輸等領域上均發揮著廣大的作用。

在不可再生資源日益枯竭、提倡資源永續發展的今天，木材以其特有的固碳、可再生、可自然分解、美觀和調節室內環境等天然屬性，比強度高和加工耗能低等加工利用特性，將爲發展做出顯著貢獻。與其他材料相比，木材具有多孔性、方向性、收縮膨潤性、燃燒性和生物降解性等利用上的獨特性質，如何限制與克服這些利用上缺點，是木材科學家和工程技術專家長期努力解決的主要問題。近年來林學家也積極參與木材科學研究，從樹木的遺傳學角度認識和改良木材的基本特性。

木質材料的研究開發與資源、經濟和環境的發展密切相關，木材性質學、木材化學加工學、木製品先進製造技術、木基複合材料、木質重組材料、木質生態環境材料和木結構工程學等研究領域比較活躍。

一、木材性質學

木材性質學是木材相關科學中最基礎的課題，這是一門結合生物學、育林學等理論以研究樹木生長的問題，目的是要了解木材組織解剖性質、基礎理、力、化學性質與生物形成和加工利用的關係。研究的重點包括：

(一)分子遺傳標記、木質素基因轉移、木質素形成基因分離和複製(cloning)、木材主要性質的基因定位、木材纖維分子數量遺傳學等遺傳改良技術，提高木材基本性質的遺傳穩定性(Argyropoulos，1999；Sewell et al., 2000, 2002)。

(二)樹木生育地條件、栽植密度、施肥、疏伐、修枝等育林技術對木材性質的影響(王松永、林法勤，1994；Lindström, Evans & Verrill，1998；Larson et al., 2001；Wang et al., 2001；Wang, Chiu & Lin, 2003)。

(三)木材生長應力的形成和釋放(Archer, 1987；黃彥三、陳欣欣、陳玉秀，1998；黃彥三、陳欣欣，2000；黃彥三、陳欣欣，2001)。

(四)生立木染色和方形樹的培育技術。

目前，世界主要國家均已達成共識，期望未來木材的來源產自於可永續經營的人工林，非木纖維類(竹材、藤材和其他禾本、草本植物資源)有其在未來市場的前景與開發價值，因此，藉由更新的科學理論以及儀器分析技術，深入研究木材的微觀結構、成分及其與性能的關係，爲開發新的生物材料奠定科學基礎。主要研究領域有：

(一)人工林木材的幼齡材與天然林木材的成熟材的在組織解剖性質、物理性質、化學性質和力學性質上的差異(Larson et al., 2001)。

(二)植物材料的基本特性與細胞壁超微結構的關係

(三)與藻類、菌類細胞壁的形成和分解有關的各種酶的分佈與調節；

(四)定量化研究木材植物組織特徵；

(五)木材生物活性物質的抗菌性、抗蟲性、抗癌性、香味，對動物的生理作用和藥理作用，對無機礦物材料的促凝和緩凝作用，可生物降解性(張上鎮、王昇陽、吳季玲，2000；張上鎮、陳品方、張上淳，2000；張上鎮，2002)。

近年來不斷研發的新技術則有：

(一)以熱成像方法研究木材應力-應變分佈、水分-應變的關係以及木質材料均勻性。

(二)以非線性理論研究木材流體流動性質。

(三)以輥壓／水壓和熱定型技術對軟質木材進行硬化定型處理。

(四)以電腦視覺技術進行木材分等、檢測木材表面缺陷(Hoff & Lawson, 1998)。

(五)開發非破壞檢測技術，提昇木材的使用安全性(Ross & Pellerin, 1994；Wang et al., 2001)。

(六)使用X射線成像方法檢測木材蟲害程度和防蟲效果。

(七)以動力學方法檢測木材的彈性力學性質；

(八)利用紅外線檢測方法監測城市古樹的生命穩定性等。

二、木材化學加工學

木材化學處理方法研究特別注重安全性和經濟性，綜合考慮毒性、效力、溶解性和適用性，從木材的使用前處理延伸到加工前處理和使用後修復。主要研究的領域有：

(一)無毒抗流失硼製劑的固著性，開發快速滲透之低有機揮發性水性殺蟲劑和殺菌劑（膏劑、乳液、硼棒、蒸氣等形式）。

(二)透氣性木材塗料

(三)提煉並合成天然的木材防腐、防蟲藥劑(張上鎮、鄭森松，2001)

(四)生物防治技術-木材共生菌對木腐菌的抑制作用

(五)提昇木質防火材料的性能由耐燃至準不燃。

木材化學利用技術擴展到氣化、液化、塑化、化學改性、漂白、染色，以及木材成分的利用及非木材植物材料的利用。重點研究：

(一)植物高分子的結構和物理性能的關係；

(二)酶在植物材料轉換中的作用

(三)降解纖維素與木質素以開發木本飼料

(四)木質素碳纖維的開發

(五)木材液化，可以充分利用廢棄木材，其産物可以作爲多涇基化合物直接制蚤新的可生物降解的泡沫材料和酚醛樹脂，部分取代石油産品，具有可生物降解的優點。

三、木製品先進製造技術

木製品先進製造技術在傳統的木材機械加工學基礎上，不斷吸收機械、電子、資訊及現代化管理技術等領域的成果，學科延伸擴大到木製品産品設計、製造、生産、檢測、管理和服務等全過程，廣泛採用機器人、電腦輔助設計與製造、電腦數控加工中心、敏捷製造技術、柔性生産技術等先進製造技術。以電腦支援的仿真技術爲前提，對木製品的設計、加工、裝配等全過程進行統一建模。在産品設計階段，即時、並行地類比出産品末來的製造全過程及其對産品設計的影響，預測産品的性能、産品生産技術、産品的可製造性，從而更有效、更經濟、柔性靈活地組織生産，使工廠和車間的設計與佈局更合理、更有效，以達到産品的開發周期和成本的最小化、産品設計質量的最優化和生産效率最高化。採用電腦數控技術、機器人技術和邏輯程序控制技術的木製品柔性生産技術，60分鐘內可改變設計樣式，6天內可推出新産品，對滿足末來市場多樣化和個性化消費對小批量多品種産品的需耍具有重要意義。

四、木質複合材料學

木材是天然材料，使用範圍受自身物理力學性質的限制。木板、木條、單板、刨花或纖維等木材組元與有機高分子、無機非金屬或金屬等增強體或功能體複合組成木基複合材料，包括木材／橡膠層積複合地板、木材單板／玻璃纖維／鋁三元複合材料、石膏刨花板、水泥刨花板、木纖維／合成纖維複合材料、注塑型木粉／塑膠複合材料、木質導電材料和木材陶瓷等。這些木基複合材料具有原始木材所不具備的新的物理力學性能。當前的研究重點是木基複合材料的成分、結構、工藝、性質和行爲之間的關係以及介面特性，按照産品最終用途要求的性能進行材料設計和製造。

研究開發木塑複合材料，如合成高分子／木粉（木材纖維、木材刨花、木材單板）等複合材料的目標是降低成本、增加柔性和可迴圈利用性、加工性、靈活設計性和提高強度。研究領域有：

(一)木材／高分子複合材料的阻尼特性以及相溶劑和偶聯劑對複合材二次力學性能的影響；

(二)利用超臨界流體處理技術和等離子體處理技術提高木材／塑膠介面反應性能；

(三)應用反向氣相色譜，研究控制木材纖維／高分子複合材料介面結構和性質的基本物理化學參數，利用紫外光、鑽60輻照源、廬射線和ｙ射線使高分子單體與木材發生交聯反應，

(四)研究木材與其他材料的複合製造理論和性能評價。

木基複合材料研究的另一個前沿是木質材料的功能化，大致可分爲填充、混雜、複合和表面覆蓋等方法，如將導電性填料填充到木材中，將導電性短纖維與木材纖維或木粉混雜和複合。還可將導電性纖維與木纖維混雜成功能紙，使紙張的全部、外表面或內部成爲連續相乎面選擇性導電材料。將小木片鍍鎳後模壓，可製成曲面選擇性導電材料，電磁波遮罩效果可達40~70dB（以對頻率1.5GH.電磁波的遮罩效能20dB爲例，可將電磁波干擾或污染強度衰減90％），體積電阻率可達0.15-5.9Ｑ.cm（實體木材一般爲108~1011數量級）。研究開發木質遮罩功能複合材料，在9kHz~1.5GHz的範圍內減少室內電磁污染，有利於實現其環境認證（如ISO14000）和安全認證（如CE標記），增加木質板材産品的附加值，在室內裝修、辦公用家具、公共湯所等應用領域有廣闊的前景。
木材陶瓷是用木質材料與熱固性樹脂製成的複合材料在高溫絕氧條件下燒結而成的多孔性碳素材料，具有新的功能。木材陶瓷的燒結溫度和溫升速度與其力學性質有關，木材陶瓷材料的靜曲強度達到27MPa（木材爲29~183Mpa），彈性模量達到7.5Gpa(木材4~21GPa)。木材陶瓷材料隨著烷結溫度的提高，從絕緣體過渡到導體，比重爲0.7~1.0（木材爲0.24~1.13），可取代傳統的鐵氧體電磁遮罩材料，也可作爲遠紅外發熱材料和吸收材料（波長爲4.0~22.0um放射能爲黑體的80％），還可作爲無潤滑滑動部件（摩搽係數爲0.1~0.15，布氏硬度可達60MPa），並具有易加工製造，高強、優良的摩搽和磨耗特性，以及自含潤滑油、耐腐蝕和低密度（爲鋼的1/9~1/13）特性等。

五、木質材料的重組與再利用

隨著大徑級木材的減少和木材使用性能要求的提高，原始木材的天然特性將難以滿足使用需求，澳洲CSIRO(Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization)利用小徑木加工成木板、木條、單板、刨花或纖維等組元，以現代技術將木材組元重組爲新型木質材料，稱之為重組木(scrimber)，如膠合樑、單板層積材、定向粒片板、膠合板、重組裝飾薄木、單板層積中空圓柱材、定向刨花板、刨花板和纖維板等，這種木質重組材料具有原始木材所不具各的幾何性能、同一性、均勻性和曲面成形性。
木質重組材料研究的重點包括：

(一)生産過程最優化，對定向刨花板的板坯鋪裝進行電腦類比，建立性能預測數學模型，由性能／成本比來決定生産工藝和原材料的選用。

(二)木質重組材料正在取代大斷面實木部件，其主要工程性能（如強度和耐久性）除了與木材組元有關外，還與膠合劑的自身性質和固化狀態有關，應用碳13CP／MAS／NMR，可有效地顯示木材與膠合劑膠合介面的分子結構和己固化膠合劑的動力學特性。

(三)Nonte Carlo模型，深化對大片刨花板板坯內部結構和相關性能的瞭解。

(四)應用複合材料理論預測木質重組材料的強度和韌性。

(五)改善木質重組材料的耐火性、強度和尺寸穩定性。

六、木結構工程學

木結構工程學（wood engineering ）是深入研究木質材料的性質（proerties）及使用者行爲（performance）之間的關係。主要研究：

(一)木結構的振動、疲勞、接合和老化性，如木質結構的破壞及強度預測；

(二)木質材料的天然耐久性和潛變性；

(三)木材的彈性變形與強度；

(四)木構件連接強度與應力應變關係；

(五)木材機械連接結構性能；

(六)木材膠合構件的連結方法；

(七)鋼筋與膠合木樑的連接性能；

(八)木構件結合部位的耐火性能；

(九)木結構耐久性因素在地震條件下的行爲；

(十)鋁箔蜂窩夾芯膠合板作爲輕體絕緣天花板的性能；

(十一) 大型木構件燃燒性能和承載性能。

七、木質生態環境材料學

木質生態環境材料學主耍研究木質材料及其工程技術與自然環境間的關係。主要研究開發：

(一)木材和木製品潔淨生産加工技術。

(二)降低或徹底消除游離甲醛的E0級脈醛樹脂膠木質重組材料。

(三)開發不含游離甲醛的異氰酸醋膠和改性豆膠木質材料。

(四)木材防腐處理的環境協調性技術。

(五)木材加工過程産生的廢水和廢液的回收利用。

(六)木質材料加工製造過程中産生的有機揮發物（VOC）的利用和處理(Baumann, 1997；Wang et al. 1999)。

木材環境學特性研究引人注目。主要研究木材新的自身特性，如以木材的顔色、光澤、紋理、節子等表徵的視覺特性，以木材冷暖感、軟硬感、平滑感等表徵的感覺特性，以及聽覺特性和心理學特性等；木質材料的建築環境特性，如木質地板材料的隔音性和緩衝性，木質材料對溫度和濕度的調節性，木質住宅居住環境對衛生害蟲的影響，木質材料在住宅、大型建築物和家具上的適用性，木質材料應用在住宅、家具和室外對環境的影響等；以及大氣污染和酸性沈降物對木材形成的影響。
開展木材和木製品的壽命周期環境評價，建立木材工業 ISO4000 環境管理體系，研究廢棄木材再利用和開發新型生態環境材料也是當前的研究熱點。主要研究利用化學熱反應和機械作用相結合，回收利用各種廢棄木質材料，製造再生的刨花板、定向刨花板、水泥刨花板、中密度纖維板和地板等新的木質材料。這類材料經炭化後，可改良土壤、淨化海水、吸附油脂和吸附重金屬，還可製造木質藻礁。