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第1章 木材と水|オーアイ・イノベーション株式会社

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第1章 木材と水

樹の中にある水

辺材と心材

辺材と心材

私たちが木材として利用している樹の幹は、根から葉へ水を送る役割(通道作用)しているので、幹の中は水がいっぱい入ってます。

しかし、意外なこに水を通しているのは全体ではなく、幹の外の部分だけなのです。の部分は辺材(白太)と呼ばれます。ですので、一に辺材には水分が多く、その内側にある心材(赤身には水分が少ないのです(表1参照)。

また、丸太の葉枯らし乾燥で、含水率が低下するのは通道をしている辺材部けで、心材部の含水率低下はほとんど望めません。

高含水率心材

表1.針葉樹の生材平均含水率

樹種辺材(%)心材(%)
ヒノキ 153.3 33.5
ネズコ 186.0 56.2
アカマツ 147.3 33.7
スギ 148.0 113.1
エゾマツ 169.1 40.6
トドマツ 211.9 76.1
サワラ 154.5 38.3

樹の世界にも外があって、通をしていないずの心材に水分が多い樹種があるのです。

表1からも分かるように、その代表がスギです。さらに厄介なことに個体ごとに心含水率が大きく異なっています。このようなことが、スギ材の乾燥をさらに難しいものにしています。

ポイント1 一般に生材の場合、辺材には水分が多く、心材には少ない。
ポイント2 スギのように心材にも水分が多い樹種がある。

木材の中にある水

細胞壁と内腔

木材の顕微鏡写真(エゾマツ)木材の顕微鏡写真(エゾマツ)

木材は、細長いパイプ状の細胞が上下に連なり、それらがぎっしり詰まってできています(写真参照)。写真を見て分かるように、細胞の中は空っぽになっています。実は驚くことに、木材中のほとんどの細胞は既に死んでいて、中身が消失しているのです。その空洞の部分は内腔(ないこう)と呼ばれ、内腔を取り囲んでいる壁は、細胞壁(さいぼうへき)と呼ばれています。

自由水と結合水

細胞断面(木口面)のイメージ図細胞断面(木口面)のイメージ図
生材では各細胞の内腔の中に自由水があり、細胞壁内に結合水がある。

幹の中を通道している水は、内腔の中を移動していきます。この水は通常の液体状の水と同じですので、自由水と呼ばれます。また、細胞壁の小さな隙間の中に入り込んだ水もあり、これらは分子状になって木材成分と手を繋いでいるので結合水と呼ばれます。つまり、木材の中には自由水と結合水という 2 種類の異なった状態の水が入っているのです。

ポイント3 木材の中の水には、自由水と結合水の2種類がある。
ポイント4 自由水は細胞内腔の中に、結合水は細胞壁の中にある。

水分の調節弁:壁孔

壁孔

上下の細胞間にある壁孔(ピット)の役割

水が細胞間を移動していく時には、細胞壁に無数に存在する壁孔と呼ばれる小さな孔を通過していきます。この壁孔は、単なる孔ではなく、壁孔膜と呼ばれる弁がついていて、水の流れをコントロールしています(図参照)。

 

顕微鏡で観察してみると、この壁孔膜は網目状のフィルター(マルゴ)と膨らんだ蓋(トールス)からできていることがわかります(写真参照)。

 

上下の細胞間にある壁孔
(ピット)の役割

① 壁孔の中央部にある弁(壁孔膜)が、中立の位置にあり自由に水が上へ流れていく。

② 下の細胞内腔中に気泡ができ、一つの壁孔の弁が閉じる。

③ 気泡が膨らむとすべての弁が閉じて、水の逆流を防ぐ。

心材の閉じた壁孔

壁孔膜の電子顕微鏡写真壁孔膜の電子顕微鏡写真

辺材の弁は比較的自由に動くことができるのですが、心材の弁は水を通さないようにするために、水を追い出した後に、弁が閉じさらに糊付けされています(心材化現象)。しかし、スギのような樹種にはいつのまにか心材の細胞の中にも水が溜まっています。ここで厄介なことは、心材の中にある水は、細胞の中に閉じ込められた状態になっていることです。ですので、心材内の水の移動は悪く、辺材よりも乾燥に時間が掛かってしまうのです。

ポイント5 辺材の壁孔は、水の流れの調節弁である。
ポイント6 心材の壁孔は、塞がれていて、水は閉じ込められている。

木材の含水率の表し方

乾量基準の含水

木材の含水率は100%を越えることがあります。それなら、水があふれているのではないかと心配になります。木材の含水率は、乾量基準と呼ばれる方法で計算することになっていて、単純に水分の含まれている率を示す湿量基準ではないのです。この表示法では、完全に乾いた木材の重量(全乾重量)に対して、含まれている水分の重量がどの程度かを示すことになっています。そのため、100%を超えることが起きるのです。

例えば、

全乾重量と同じ重量の水を含んでいる木材 =含水率 100%

全乾重量の 2倍の重量の水を含んでいる木材 =含水率 200%

全乾重量の半分の重量の水を含んでいる木材 =含水率 50%

全乾含水率

含水率の測定方法としては、全乾法や電気抵抗式含水率計、高周波式含水率計などがあります。全乾法は正確な含水率を測定できる方法です。しかし、大きな材の含水率を小さな試験片で代表させることや、材を破壊しなければならないことなどの問題があり、生産現場では品質管理のための抜き取り検査に利用するのに向いた方法といえます。

 

全乾含水率の測定方法
 

全乾含水率の測定方法

① 測定したい材から試験片を切り出し、直ちに重量を測定します。

② 105℃の電気オーブンに試験片を入れ、重量が変わらなくなるまで(1〜2日)完全に乾燥させます。

③ 完全に乾燥した試験片の重量(全乾重量)を測定します。含水率を計算により算出します。

ポイント7 木材の含水率は乾量基準の含水率 →100%を超えることがある。
木材の含水率 = 木材中の水分の重量 ÷ 全乾重量 × 100
= (ある水分状態の木材の重量―全乾重量)÷全乾重量×100

含水率と水分状態

繊維飽和点

すべての木材では、概ね含水率30%を境にして水分の存在状態が大きく異なっています。この含水率は繊維飽和点と呼ばれ、細胞壁が結合水で満たされている状態です。含水率30%を超えた状態では、細胞の内腔にも水(自由水)が存在しています。

また、逆に30%以下になると、細胞壁の中の結合水が減少していきます。細胞壁は結合水が減っていくのに従って、細胞壁自体も徐々に薄くなっていきます。

そのため、細胞壁の集合体である木材が、徐々に収縮していくことになります。つまり、木材の乾燥に伴う収縮は、繊維飽和点(含水率30%)以下で起きる現象なのです。また、繊維飽和点以下では、含水率の変化に従って、強度などの諸性質が大きく変わります。

 

木材中の水分状態模式図

 生材(30%以上)繊維飽和点平衡含水率(約15%)
結合水 飽 和 飽 和 半分程度 な い
自由水 ある 僅 か な い な い
収 縮 しない しない 1.0~4.5% 2.0~9.5%

平衡含水率

木材がある温度と湿度の環境に置かれると、木材はいずれその環境とバランスがとれた含水率になります。この含水率を平衡含水率と呼びます。季節や地域によって違いがありますが、日本の屋外の平均的な平衡含水率はおよそ15%と言われています。また、エアコンが効いた室内の平衡含水率は10~12%程度になるそうです。

ポイント8 概ね含水率30%が繊維飽和点と呼ばれる。
ポイント9 繊維飽和点以上では、自由水と結合水の両方が存在する。
ポイント10 繊維飽和点以下では、結合水のみが存在し、木材が収縮する。
ポイント11 環境とバランスのとれた含水率を、平衡含水率という。

なるほど!乾燥の話

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