木材の主要特性：建築とデザインのための物理・化学・力学的性質

木材は建設、家具、床材、その他の製品において石材に次いで二番目に人気のある材料です。石材が建築建設では依然として最高峰ですが、木材は近年著しい伸びを見せています。ここでは木材のさまざまな力学的、化学的、物理的特性について、さらに興味深い事実を紹介します。

色、光沢、質感、マクロ構造、臭気、含水率、収縮、内部応力、膨張、割れ、反り、密度、音・電気・熱伝導率などが木材の基本的な物理的特性です。木材の外観は色、光沢、質感、マクロ構造によって影響を受けます。

木材の特性

以下に木材の主要な特性を示します：

• 力学的特性
• 熱的特性
• 電気的特性
• 音響的特性
• 官能的特性
• 密度と比重
• 劣化
• 吸湿性
• 収縮と膨張

官能的特性

木材の色、光沢、臭気、味、質感、木目、杢目、重さ、硬さは官能的特性の例です。これらのマクロな特徴は、木材の識別やその他の目的で、一片の木材を記述するのに役立ちます。木材には幅広い色合いがありますが、ほとんどの木材は白と茶色のトーンです。その他の色には黄色、緑、赤、ほぼ純白があります。心材、辺材、初期材、晩材、木射、樹脂道の色の違いにより、一片の木材上で変化が見られることがあります。漂白や染色、長期間の環境曝露により天然色が変化することがあります。エンジュ、ハリエンジュ、いくつかの熱帯樹種は光沢のある木材の例です。

スプルース、アッシュ、バスウッド、ポプラなどの一部の樹種は、特に放射面で顕著な天然の光沢を持ちます。木材に含まれる揮発性化合物により、臭気と味が生じます。これらは表現しにくいものの、時に有用な識別特徴となります。「質感」とは、通常横断面における木材表面の均一な見え方を指します。粗い、細かい、均一な質感または木目として、木目は質感と同義で使われることがよくあります。また、木材要素の方向（真っ直ぐ、螺旋状、波状）を記述するためにも使用されます。オークの銀杢のように、杢目代わりに木目という用語が使われることもあります。杢目とは、木材表面（通常は放射面または接線面）上の自然なパターンやデザインを指します。

重さと硬さは、技術的な意味ではなく診断的な意味で官能的特性と見なされます。重さは単に手で持ち上げて判断し、硬さは爪で押して判断します。バルサ材で80〜1,300kg/m³（約5〜80ポンド/立方フィート）、リグヌムビタエで最高値を示すように、熱帯産のより軽い木材とより重い木材が存在します。一般的な温帯産木材は、空乾状態で約300〜900kg/m³（約20〜55ポンド/立方フィート）の範囲です。

密度と比重

比重は木材の重量または質量と水のそれの比率であり、密度は木材の単位体積あたりの重量または質量です。水1ccの重さは1グラムであるため、メトリック系ではダグラスファー材の平均密度と比重はともに0.45g/ccです（1g/cc、約62.4ポンド/立方フィートは単位体積あたりの重量として表現されます）。木材は吸湿性であるため、含水率が重量と体積の両方に大きく影響し、他の材料よりも密度の決定が困難です。所定の含水率値で重量と体積を測定することで、比較可能な結果が得られます。

所定の含水率値で重量と体積を測定することで、比較可能な結果が得られます。基準は絶対乾燥重量（ほぼ含水率ゼロ）と絶対乾燥体積または緑材体積です（緑材とは繊維飽和点以上の含水率、平均約30%を指します）。空気乾燥重量と体積、または緑材の重量と体積に基づくその他の密度表現は精度が低いものの、木材の輸送など特定の実用的用途があります。

吸湿性

木材は水と接触すると、液体としても、空気中の蒸気としても吸収します。木材が吸収できる最も重要な液体または気体は水です。木材は吸湿性があるため、生きた木の構成要素であれ、材料であれ、常に水分を含んでいます（ここでは水と水分を同義で使用します）。水分は木材のあらゆる側面に影響を与えますが、細胞壁に存在する水分のみが重要であり、細胞腔内の水分は重量を増やす以外ほとんど何もしないことを強調しておく必要があります。

収縮と膨張

木材の含水率が繊維飽和点以下で変化すると、寸法変化が起こります。膨張は水分増加により、収縮は水分減少により生じます。これらの寸法変化は異方的であり、軸方向、放射方向、接線方向で異なります。平均収縮率はそれぞれ約0.4%、4%、8%です。体積収縮は約12%ですが、樹種間で大きな違いがあります。これらの数値は緑材寸法のパーセンテージとして示され、緑材から絶対乾燥状態への変化に対応します。細胞壁構造が、さまざまな成長方向における差異のある収縮と膨張の主な原因です。

二次細胞壁の層におけるミクロフィブリルの配向は、軸方向と2つの側方向（放射方向と接線方向）の違いを説明できますが、放射方向と接線方向にこれらの差異が存在する理由は不明です。

劣化

細菌、菌類、昆虫、海生穿孔生物、および環境的、機械的、化学的、熱的要因がすべて木材の破壊に寄与します。劣化により木材の外観、構造、化学組成が変化し、生きた木、丸太、製品に影響を及ぼします。これらの変化は軽微な変色から、木材を完全に無価値にする不可逆的な変化まで多岐にわたります。古代エジプトのファラオの墓から完全な状態で発見された家具やその他の木製工芸品が示すように、木材は数百年、数千年持続します（エジプト美術参照）。木材は外部要因の影響下でのみ劣化または破壊されます。

力学的特性

木材の力学的、または強度特性は、その大きさと形状を変化させようとする外力に耐える能力の指標です。これらの力の大きさと作用方法、および木材の密度と含水率が、それらの力に対する抵抗に影響します。軸方向、または木目に平行な方向では、木材の強度特性は木目に垂直な方向（横方向）とは著しく異なります。

木材の引張および圧縮強度（軸方向と横方向で測定）、せん断、劈裂、硬さ、静的曲げ、衝撃（衝撃曲げと靭性）などが力学的特性です。それぞれの試験により、単位負荷面積あたりの応力（弾性限界と最大荷重時）および靭性、破壊弾性係数、弾性係数（剛性の尺度）などのその他の強度基準が決定されます。通常、断面2×2cmまたは2×2インチの小さな無欠点試験片が試験に使用されます。

熱的特性

木材は温度変化に伴って膨張収縮しますが、含水率変化による収縮と膨張の方がはるかに重要な寸法変化です。温度関連の膨張収縮は通常無視できるほど小さく、実用上の影響はありません。表面割れは0℃（32°F）以下の温度でのみ発生し、生きた木では外層と内層の不均一な収縮により霜割れが発生することがあります。

金属、大理石、ガラス、コンクリートなどの材料と比較して、木材は熱伝導率が低い（断熱性が高い）です。軽く乾燥した木材は優れた断熱材であり、熱伝導率は軸方向で最も高く、密度と含水率の増加とともに高まります。

電気的特性

絶対乾燥木材は電気絶縁体となります。しかし、含水率が上昇すると電気伝導度も上昇し、飽和木材（最高含水率の木材）は水と同様の振る舞いを示します。含水率が0から繊維飽和点まで上昇する際に電気抵抗が劇的に低下することは注目に値します。この範囲で電気抵抗は10億倍以上低下しますが、繊維飽和点から最高含水率までは約50倍しか低下しません。木材の電気抵抗は、樹種や密度などの他のパラメータの影響をほとんど受けません。樹種間の差異は抽出成分の化学に関連しています。軸方向抵抗は横方向抵抗の約半分です。

木材の誘電体（不良導体）特性も重要です。誘電定数と力率は、木材の含水率測定用電気メーター（容量型と高周波電力損失型）、電流による木材乾燥（理論的な可能性だが現在では現実的ではない）、高周波電流による木材接着において実用的な役割を果たします。機械的応力が加えられた際に生じる電気分極（一片の反対側に逆の電荷が現れること）により、木材は圧電効果を示します。逆に、木材は電場に曝露されると機械的変形を経験します（寸法変化）。

音響的特性

木材は音を生み出す（直接打撃により）ことも、他の物体からの音波を増幅または偏向させることもできます。これらの要因により、木材は楽器やその他の音響用途に特殊な材料となります。木材の大きさ、密度、含水率、弾性係数はすべて振動周波数に影響し、それにより生成される音の音高に影響します。密度と弾性が高く、含水率が低く、寸法が小さいほど、高い音高の音に寄与します。

以上、木材の特性を列挙し説明しました。この記事から多くを得ていただけたなら、ぜひ他の人にも共有してください。読んでいただきありがとうございました。またお会いしましょう！