108 地方特考三等 林業技術 林產學 考古題詳解

核心觀念

微纖維傾斜角（Microfibril angle, MFA）是指細胞壁中纖維素微纖維的排列方向，與細胞長軸（亦即木材縱向）之間的夾角。MFA 是描述細胞壁構造的重要指標，會影響木材縱向的彈性、收縮與膨潤行為。

針葉樹正常材的細胞壁由外向內大致分為初生壁與次生壁；次生壁又分為外層 $S_1$、中層 $S_2$、內層 $S_3$。各層微纖維方向不同，其中 $S_2$ 層通常最厚，對木材性質的影響最大。

解題方法

先依細胞壁由外至內的層次，整理 MFA 的變化，再連結微纖維方向與木材各向異性收縮膨潤的關係：

• 初生壁：​微纖維排列較紊亂，方向變化大，MFA 通常較大。
• 次生壁 $S_1$ 層：​微纖維多呈螺旋排列，與細胞長軸夾角較大。
• 次生壁 $S_2$ 層：​微纖維大致平行細胞長軸，MFA 最小，常約為 $5^\circ$ 至 $30^\circ$；此層厚度最大，主導細胞壁的縱向力學與尺寸變化。
• 次生壁 $S_3$ 層：​微纖維傾角又增大，排列方向與 $S_2$ 層不同。

因此，從初生壁進入次生壁，MFA 整體呈現由較大逐漸減小、在 $S_2$ 層達到較小值，再於 $S_3$ 層增大的變化。描述時須指出這是分層變化，不宜解讀成從初生壁至次生壁一路單調遞減。

核心觀念

粒片板（particleboard）是將木片或木粒施膠後鋪成板坯，再經熱壓成板。熱壓時，板坯厚度方向的溫度、含水率與壓縮程度並不均一，因此成板由表面至芯層的密度通常不同，稱為密度剖面（density profile）。

一般粒片板的密度剖面呈「U」形：兩側表層密度較高，芯層密度較低。密度剖面的起伏大小，會影響彎曲性能、內結合強度與厚度方向的剪切性能。

解題方法

本題分成兩部分作答：

1. 先以壓縮比說明為何常選用中低密度樹種。
2. 再從「鋪裝形成的初始狀態」與「熱壓中的熱、濕、壓縮過程」整理密度剖面的影響因子，最後連結剖面變異與板材性能。

壓縮比可表示為：

$$\text{壓縮比}=\frac{\text{粒片板平均密度}}{\text{原料木材密度}}$$

例如目標板密度固定時，原料木材密度較低，壓縮比便較高，木粒在熱壓中受到較大的壓縮變形。

一、中低密度樹種作為原料的原因

1. 提高壓縮比，改善粒片間接觸

中低密度木材較易被壓縮。達到相同板材密度時，木粒能形成較多接觸點與接觸面積，膠合界面增加，有利於粒片間的黏結與載荷傳遞。

2. 有利於提高板材強度

適當提高壓縮比，可使粒片排列較緊密，降低粒片間過大的空隙，通常有利於彎曲強度及內結合強度的發展。實際強度仍受樹種、粒片形狀、施膠量、含水率與熱壓條件共同影響。

3. 較易達到目標板密度與厚度

低密度原料在熱壓時較容易壓縮至指定厚度；相較之下，高密度木材不易壓縮，若仍要求相同板材密度，粒片間接觸與壓實程度可能不足。

4. 壓縮比不宜過高

壓縮比過高會增加木材的壓縮回復傾向。卸壓後，板材較易回彈，可能造成厚度膨脹、尺寸安定性降低；過度壓縮也會增加熱壓負荷。因此應選擇適當的原料密度與目標板密度。

二、影響粒片板密度剖面的因子

密度剖面是粒片鋪裝與熱壓共同形成的結果，可分為以下幾類：

1. 木粒與原料特性

• 樹種密度及可壓縮性：影響木粒受壓變形的程度。
• 木粒尺寸、厚度與形狀：細粒、薄粒及長寬比會影響粒片接觸、排列及局部壓實。
• 木粒含水率與含水率分布：含水率會影響木材軟化、熱傳與水蒸氣移動；表層與芯層的含水率差異也會改變各層壓縮情形。

2. 鋪裝與板坯結構

• 板坯密度分布及鋪裝均勻度：鋪裝不均會使局部密度或表芯密度差異增加。
• 表層、芯層粒片的尺寸與用量配置：三層板中，表芯粒片組成差異會影響各層壓實及密度分布。
• 板坯初始高度與目標板厚：決定熱壓時的總壓縮量，並影響厚度方向的壓力傳遞。

3. 熱壓條件

核心觀念

木材表面受光後的黃化、褐化或褪色，主要與木質素的光氧化反應有關。木質素含有芳香環、酚羥基、甲氧基及羰基等吸光結構，能吸收紫外光及部分可見光；纖維素對紫外光的吸收較弱，因此木質素是木材光變色的重要來源。

發色團是能吸收特定波長光線、使物質呈現顏色的結構；助色團本身未必形成明顯顏色，但會影響發色團的吸光性質或顏色深淺。木質素經光照後形成的醌類、共軛羰基等結構，是木材黃化或褐化的重要發色團。

解題方法：先說明光化學反應，再說明防治對策

作答時可沿著「木質素吸收光能 → 形成自由基 → 與氧反應或發生結構重排 → 生成有色發色團」說明機制；防治則依「減少光線到達木材、減少氧化反應、改變木質素反應性、隔絕環境因子」整理。

一、木質素受光形成有色物質的途徑或機制

1. 吸收光能並產生活性中間體 木質素中的芳香族發色結構吸收紫外光後進入激發態。酚羥基受光氧化可形成酚氧自由基（phenoxy radical）；木質素側鏈的羰基等結構也可能經光反應形成苯甲醯型（phenacyl）或酮基型（ketyl）自由基中間體。

2. 自由基反應與氧化 自由基可與氧反應，形成過氧自由基及氫過氧化物等中間產物，並促進木質素的氧化、去甲基化、側鏈斷裂與結構重排。反應會改變木質素原有的芳香結構，並增加羰基及共軛雙鍵等結構。

3. 形成醌類及其他發色團 木質素的酚氧自由基及氧化中間體可進一步生成鄰醌、對醌等醌類結構，以及共軛羰基化合物。這些結構能吸收較長波長的光，因而使木材表面呈現黃褐色或暗色。羥基、羧基、醚鍵等可影響發色團的吸光性質，具有助色作用。

4. 後續變色與表面灰化 初期常見黃化、褐化或木材抽出物造成的褪色；持續曝曬並受雨水沖刷時，表層已光降解的木質素可能流失，留下較富含纖維素的表層，木材外觀因而逐漸灰化。此過程也可能伴隨表面劣化。

二、預防木材光變色的方法

核心觀念

本題考酚醛樹脂依反應物莫耳比與催化條件形成的兩種預聚物：Novolak（線型酚醛樹脂）與 Resol（甲階酚醛樹脂）。比較時要掌握三件事：合成時苯酚與甲醛的相對用量、酸鹼催化條件、預聚物能否自行交聯硬化。

解題方法

先以「苯酚過量、酸催化」判斷 Novolak；以「甲醛過量、鹼催化」判斷 Resol。再由反應是否引入足夠的羥甲基（methylol）基團，判斷樹脂的分子結構與硬化方式。

比較項目	Novolak 型	Resol 型
合成條件	苯酚過量，甲醛／苯酚莫耳比小於 1；酸性催化，例如鹽酸或草酸	甲醛過量，甲醛／苯酚莫耳比大於 1；鹼性催化，例如氫氧化鈉或氨
預聚物結構	苯環主要以亞甲基橋（$-\mathrm{CH_2}-$）連接，呈線型或略帶支鏈；分子末端及未反應位置保有酚羥基，羥甲基較少	苯環間有亞甲基橋，並含較多羥甲基（$-\mathrm{CH_2OH}$）；反應程度提高時可形成支鏈，具進一步交聯的反應位置
硬化方法	本身通常不能單靠加熱充分硬化，須另加硬化劑，最常用六亞甲基四胺（HMTA），再加熱使其交聯	可在加熱下自行縮合硬化；羥甲基與酚環活性位置反應，形成亞甲基橋等交聯結構。