第一节 林木生物质材料简介
人类的生存和生活与材料息息相关。在人类发展历程中，材料往往起着里程碑的作用，新材料的出现使人类文明实现了跨越式的发展——从旧石器时代到新石器时代、青铜器时代、铁器时代，再到先进材料时代。材料的发展水平代表着时代进步和社会文明的发展水平。基于材料对社会发展的作用，人们将材料、能源和信息并列为现代文明和生活的三大支柱，在这三大支柱中，材料又是能源和信息的基础，能源和信息技术的发展，离不开能源材料、半导体材料、光纤材料等的发展。
社会的高速发展对材料和能源提出了更高的要求，不可再生的化石资源的大量消耗，排放出大量的二氧化碳，使地球的环境不断恶化。可持续发展成为世界各国关注的焦点。2020年9月22日，中国国家主席习近平在第七十五届联合国大会上向全世界郑重宣布——中国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。这说明中国作为一个负责任的文明大国，深入贯彻绿色发展理念，已正式成为全球生态文明建设的重要参与者、贡献者和引领者。为了实现碳达峰和碳中和的目标，大力发展可再生资源、逐步取代化石资源在各个领域的应用是重要途径之一。
森林是陆地生态系统的主体，也是其*重要的贮碳库。森林植被通过光合作用将大气中的二氧化碳转化为生物质，发挥着巨大的固碳功能。联合国粮农组织（FAO）的评估结果表明，全球森林约40.6亿hm2，森林碳贮量高达6620亿t。森林的碳贮量可转化为各种林木生物质材料，本章将对林木生物质材料及我国林木生物质资源现状进行简单介绍，并对主要的林木生物质材料——木材及其组分的特点和应用进行介绍，为后续的学习奠定基础。
生物质（biomass）是指由动物、植物及微生物等生命体所生成的物质，主要由有机高分子组成。生物质可用于开发生物质材料、生物质能源和生物质化学品。生物质主要由碳、氢和氧三种元素组成，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质重新进入自然界循环。因此，生物质材料具备可再生和可生物降解的特点，符合低碳社会和可持续发展的需求。常见的生物质材料包括木材、竹材、农作物秸秆、树皮、纤维素、半纤维素、木质素、淀粉、蛋白质和甲壳素等。从来源上进行分类，可将生物质材料分成植物基生物质材料、动物基生物质材料和微生物基生物质材料三类。在这三类中，植物基生物质材料占比*高，且来源于森林植物的林木生物质为其主要部分，如作为主要林产品的木材和竹材，以及组成木材、竹材和其他木质资源的纤维素、半纤维素、木质素等成分。有学者将林木生物质定义为地面以上所有的木质生物质，包括收集、处理和利用木质生物质时产生的所有剩余物。也有学者认为林木生物质是森林及林木在绿色植物的光合作用下所产生的所有有机物质，包括林木地上和地下的生物量总和。
综上，林木生物质材料可定义为以木本植物、禾本植物等森林植物为原材料，通过机械加工或物理、化学、生物手段加工制造而成的材料，包括直接锯切得到的木材，通过成分解离得到的纤维素、半纤维素和木质素等制备的各种材料，以及由这些材料和其他材料进行复合得到的各种生物质基复合材料。
我国的林木生物质资源近年来发展态势良好。根据第九次森林资源清查报告的数据，我国森林面积已达2.2亿hm2，森林覆盖率为22.96%，森林蓄积量为175.6亿m3。其中，人工林和竹林的面积稳步增长，分别达到0.8亿hm2和641万hm2（图1-1）。我国森林资源的特征：森林面积稳步增长，森林蓄积量快速增加，森林覆盖率稳步提高；森林结构有所改善，森林质量不断提升；天然林持续恢复，人工林稳步发展；商品林供给能力提升，公益林生态服务能力增强。但是，我国森林资源总量相对不足﹑质量不高﹑分布不均的状况仍然存在，林产品供需矛盾仍然突出，森林生态系统功能脆弱的状况并未得到根本改变。在森林覆盖率方面，全国森林覆盖率仍低于全球30.7%的平均水平；森林蓄积量也仅占世界森林蓄积总量的3.3%，人均占有量远低于世界平均水平；我国的森林资源分布不均，主要集中在东北林区和东南沿海地区；森林资源质量不高，单位面积平均蓄积量为94.83m3/hm2，与世界平均水平（131m3/hm2）相比仍有不小的差距；乔木林的平均胸径仅为13.4cm。因此，在今后相当长的时间内，提高森林资源的数量和质量仍将是我国林业发展的重要任务，这样才有可能生产出更多、更好的林木生物质材料，满足社会发展的需要。
第二节 木材的特点及利用
木材应用于我们生活的方方面面，这是由木材自身的特点所决定的。下文将从环保特性、加工和应用特性及环境学特性三个方面对木材的优点进行叙述，对于木材的缺点则列举了一些主要的影响木材利用的木材性质。需要注意的是，木材的优点和缺点有时是相对而言的，如木材容易被微生物劣化，这在木材的使用过程中毫无疑问是缺点，但是对于木材这种材料的环保特性而言却是优点，正是因为木材的这一性质才使其具有可降解性。因此，我们在理解以下木材的优缺点时，需要注意所针对木材的用途。
（一）木材的环保特性
木材来源于森林，是树木通过根部吸收的水分和叶片吸收的空气中的二氧化碳进行光合作用的产物，因此木材的生长过程是固碳过程，对环境具有十分积极的作用。与钢材、水泥等不可再生的矿物资源不同，木材是一种可再生（renew）、可循环（recycle）、可再利用（reuse）和可减排（reduce）的“4R”材料。目前国内外对环境问题日益重视，对于碳排放的限制越来越严格，在这种形势下木材作250为生态环境材料的优势将更加突出。
图1-2 1hm2日本柳杉在生长和利用过程中的（二）木材的加工和应用特性碳储存量和利用过程中的碳储存量的变化。1hm2日本柳杉林在50年内可固定的碳高达150t左碳储存量/（t/hm2）150右，其中树干部分固定的碳为125t左右，这部分树干采伐加工后可用于建造住宅，住宅解体后还可继续用于制造刨花板，以10050家具的形式继续使用，直至家具解体后废弃。在整个树木生长和利用的周期中，碳0255075100可以达到平衡，即没有向环境释放额外造林年的二氧化碳。
（二）木材的加工和应用特性
1．木材的加工特性木材是一种易于加工的材料，不仅可以通过锯、铣、刨、钻等机床加工成具有不同轮廓和形状的零部件，也可以利用简单的工具手工制作成各种家具和工艺品等。因此，古代虽然没有先进的加工设备，却留下了无数宏伟的木结构建筑和做工精良的家具和器皿。现在随着木材科学技术的发展，木材的加工方法更为丰富。木材不仅可以以实木的形式加以利用，还可以将其制成单板、刨花或纤维的方式再与胶黏剂压制成胶合板、刨花板或纤维板从而实现再利用，或者是通过软化将木材进行弯曲或压缩等。木材的易于加工的特性可以实现木材的“小材大用”和“劣材优用”，从而达到高效利用木材资源的目的。
2．木材的应用特性
（1）木材的强重比高
强重比是指单位质量的材料的强度值，是材料学和工程力学中材料的重要指标之一。如果强重比高，则表示该材料材质轻但强度高。表1-1所示为用3种不同材料制作1m长圆柱时所需的重量和拉伸强度，以及在此基础上计算得到的强重比。由表中数据可见，虽然松木的拉伸强度远低于钢铁，但由于松木比钢铁轻得多，所以松木的强重比仍比钢铁高很多。
（2）木材的热绝缘和电绝缘性良好
木材的热绝缘性和电绝缘性与木材的含水率密切相关，在低含水率状态时，木材是一种很好的热绝缘和电绝缘材料，这主要是由木材的构造和成分所决定的。木材是由管状分子组成的多孔性材料，在干燥状态下，木材的细胞腔中充满了空气，细胞壁主要由纤维素等高分子化合物组成，缺少能自由移动的离子和电子，导热和导电能力很弱。但是当木材含水率较高时，特别是在湿材状态时，木材的细胞壁和细胞腔内充满水分，这时由于水中杂质离子的导电性，木材也成为导电体。利用木材在干燥状态下的热绝缘和电绝缘性，我们在日常生活中经常用木材制作炊具把柄、隔热垫、电线杆等。
（3）木材能吸收能量、耐冲击性强
木材是一种多孔性材料且具有很好的弹性，因此能吸收外界传递的能量，如声能等。当声音传递到木材表面时，声能可以进入木材空隙中从而转化为摩擦产生的热能而消耗掉，也可以使薄的木板发生振动而消耗掉，从而达到吸声的效果。因此，木材是一种优良的室内装饰材料和家具材料，特别是在剧院、音乐厅等场所的装修中更加必要。另外，铁轨上铺设的木质枕木也比水泥枕木的弹性更好，火车运行时乘客感觉不到强烈振动，虽然现在国内水泥枕木大量取代木质枕木，但是在铁轨的接头处还是必须使用木质枕木。由于木材的这个特性，它还经常用于精密机床和仪器的底架、集装箱运输的托盘，以及乐器和运动器械等。
（4）木材具有安全预警性
木材是一种复杂的天然高分子材料，具有黏弹性，所以不会突然断裂，而是在断裂前有一定的预警信号，如表面先产生裂纹或发出轻微的咔嚓声。因此，在地震频发的国家（如日本），居住在木结构建筑中比较安全。
（5）木材成分可分离后使用木材不仅可以应用于工程结构用材（包括建筑用材、交通建设用材、矿井坑木用材等）、家具和室内装饰用材、包装用材、乐器和运动器械用材、工业美术用材、薪炭材等，其所含成分还可进行分离制备其他材料或产品。木材的主要成分是纤维素、半纤维素和木质素，另外还含有少量的抽提物。其中纤维素的含量可高达42%～45%，因此木材是很好的造纸和工业纤维素生产原料。其抽提物虽然含量很少，提取也较为复杂，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产品。
（三）木材的环境学特性
对我们身处的环境而言，木材是一种非常重要的材料。木材的环境学特性是指木材与居住环境相关的一些特性，包括视觉特性、触觉特性、听觉特性、体觉特性和温湿度调节特性等方面。
1．视觉特性
木材的视觉特性主要包括颜色、纹理、光泽等方面。首先，木材的颜色属于暖色系，因此看上去给人温暖的感觉。另外，木材的生长轮产生的不交叉线条与随机交叉线条相比给人干净、美丽等印象，木材的纹理是大自然的杰作，不仅颜色各异，而且年轮的幅度也不是均一的——随着气候的变动产生涨落。木材的纹理属于1/f型涨落谱，这种涨落谱介于有序与无序之间。人体的生物节律也多具备1/f型涨落谱的特征，如心跳的间隔时间、脑电波的涨落等。所以当我们看到和人体的生物节律一致的木材纹理时，就会心情平静或得到快感。因此，在日常生活里，人们会不自觉地偏爱木材的纹理和颜色。例如，很多房间里的地板和家具等即使不是木质材料，也会做成仿木纹的样子。但是，这些仿制品很多用肉眼就能发现与木材的区别，这是由于除了颜色和纹理之外，木材还具有独*的光泽。木材的不同方向对光的反射特性不同，因此对于实木家具或用薄木饰面的家具表面来说，从不同方向所呈现出的木材的颜色也不同。如果用木纹纸贴面，表面就不存在这种方向性（除非在木纹纸表面进行压纹加工，可以大致模拟木材的光泽效果）。
除了可见光（波长380～780nm）外，太阳辐照中还包括波长短于380nm的紫外线和波长长于780nm的红外线等，这些是肉眼不可见的，但对人体的影响又不容忽视。强紫外线作用于皮肤时，可引起光照性皮炎，严重的还可引发皮肤癌；作用于中枢神经系统，可出现头痛、头晕等症状；作用于眼部，可引起光照性眼炎，还有可能诱发白内障。而木材可以吸收阳光中的紫外线，从而减轻紫外线对人体的危害。同时，木材又能反射红外线，这与木材给人的温暖感直接相关。
2．触觉特性
冷暖感是木材的主要触觉特性之一。在寒冷的冬天，人们大都不愿意触碰铁、铜、不锈钢等金属材质的物品，因为这类物品非常凉，触摸起来不舒服。而木材在任何季节里都不会给人这种感觉。人接触材料时获得的冷暖感与材料的热传导能力密切相关。材料的导热系数越高，则在皮肤温度高于材料表面温度时，皮肤温度下降越快，这样材料给人的感觉就越冷。而木材的导热系数较低，因此接触时热量传导慢，给人温暖的感觉。
3．听觉特性
木材本身是一种多孔质材料，具有很好的吸声性能。另外，木材也可以加工成薄板使用，通过板的振动达到吸声的效果。因此
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