桃李久種自成蹊,老驥伏櫪志千里,揮別教鞭耕書園,退也不休建平台,藏書匯集懷德居,友朋羣聚嘉溪畔,新知交流唯斯處,經驗傳承好所在.─2004創館題詩─
懷德居木工實驗學校
10-3 熱脹冷縮外行話| Category : 10有料教材| 2007/05/12 22:32

熱脹冷縮外行話


關於木材變形,許多人總是歸咎
熱脹冷縮的原理,這樣的說法可説似是而非,嚴格來講 熱脹冷縮 的物理道理,放諸四海皆準,不過可別忘了木材是熱的不良導体,否則不會拿它來製作鍋柄或餐墊。既然對 溫度反應遲鈍,自然不用耽心 熱脹冷縮 的後遺症。由於木材對水分極其敏感,因此 溼度 才是木材酷愛者(wood addict)所當正視的課題。


如要善用木材,當先瞭解木材與水分關係的基本知識,在此就從 木材含水率 談起:


木材含水率指木材中水重佔烘乾木材重的百分數。木材中的水量可分兩部分,一部分存在於木材細胞胞壁內,稱為吸著水;另一部分存在於細胞腔和細胞間隙之間,稱為自由水(游離水)。當吸著水達到飽和而尚無自由水時,稱為 纖維飽和點(Fiber Saturation Point, FSP。木材的纖維飽和點因樹種而有差異,約在2333%之間,通常以30%計。當含水率大於纖維飽和點時,水量對木材性質的影響很小。當含水率自纖維飽和點降低時,木材的物理和力學性質,隨之起而變化,因此「纖維飽和點」可說是木材性質與水分關係的臨界點。


脹縮性:木材吸收水分後體積膨脹,喪失水分則收縮。木材自纖維飽和點到爐乾時的收縮率,縱向約為0.1%,徑向約為36%,弦向約為612%。徑向和弦向收縮率的不同是木材產生乾裂和翹曲的主要原因。


木材在大氣中會不斷地吸收或散失水分,而漸與周圍空氣的 相對濕度 溫度 相適應,在達到恆定時的含水率,稱為 平衡含水率(Equilibrium Moisture Content, EMC。木材平衡含水率隨著地區、季節及氣候等因素而變化,一般約在1018%之間,不過寒帶國家冬天使用暖氣地方的平衡含水率」,也有可能低到68%。


至此你當認清木材的收縮膨脹,主要在於含水率的變化而與溫度鮮少關係,各位祇要充分掌控含水率的變化在一定範圍內,即使愛作怪的材種,你也都能使用安全自如。在此請你記住以下非常實用的公式:


ΔD
D x S% x ΔMC/FSP

ΔD收縮或膨脹

D:構件尺寸

S:收縮或膨脹率(因材種、徑向弦向而異,參考木材手冊)

ΔMC:木材含水率前後變化(製作與使用時)

FSP纖維飽和點可以30%計

如果 ΔD 1/320.8mm以內,家具的結構可採行 緊固接合(Tight Joint,但要是超過1/83.2mm)就應考慮 浮動構造(Floating Construction的設計了。至於大面積鋪設地板,也可應用以上公式,估算你需在左右牆邊預留若干縫隙,以免地板受潮而 膨龜(台語)

實例


家具製作當時之木材含水率與後來使用環境之平衡含水率,兩者相差明顯時,材料嚴重收縮,造成矮櫃面板乾裂、門板反翹變形的情景。

矮櫃頂板嚴重收縮造成乾裂


頂板邊角榫接部位不再平齊



矮櫃製作完成正常關門



反翹變形無法正常閉合



關於浮動構造,下回再專文探討。


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