108 年 國立臺灣大學森林環境暨資源學系碩士班乙組《生物材料物理加工》

本題主要在於理解綠建材的定義以及台灣綠建材標章的分類與內涵。

綠建材的定義：
綠建材是指在材料的生命週期（從原料取得、製造、使用到廢棄處理）過程中，對環境衝擊最小，並能促進資源永續利用的建材。其主要目標是減少建築對環境的負擔，提升居住者的健康與舒適度。

台灣綠建材標章分類：
台灣現行的綠建材標章主要分為以下四類：

1. 生態綠建材標章 (Eco-label)：

   • 定義：強調對生態環境的影響，例如原料的來源是否為永續林業、是否為可回收或再生材料、製造過程是否污染環境、是否能減低對自然資源的消耗等。
   • 內涵：注重材料的生產過程對環境的影響，例如低揮發性有機化合物 (VOCs)、低甲醛釋放、不含有害化學物質、使用回收材料比例高等。

2. 健康綠建材標章 (Health-label)：

   • 定義：強調對人體健康的影響，例如材料是否會釋放對人體有害的物質，如揮發性有機化合物 (VOCs)、甲醛、石綿等。

本題旨在探討直交式集成板材 (CLT) 的定義、結構特性及其主要應用領域。

直交式集成板材 (Cross-laminated timber, CLT) 的定義：
直交式集成板材 (CLT)，又稱橫跨式層積材，是一種工程木質結構材料。其製作原理是將一定尺寸的木材單板 (lamellas) 依序層疊，相鄰層的木材纖維方向相互垂直（通常為 90 度交錯），並使用結構級的黏合劑進行熱壓膠合而成。這種交錯的層積結構賦予 CLT 優異的結構強度和尺寸穩定性。

CLT 的結構特性：

• 高強度與剛度：木材纖維沿單板方向排列，而相鄰層的纖維則垂直，形成類似膠合板的結構，能有效地抵抗各種方向的應力，尤其在面板方向具有極高的抗彎強度和抗剪強度。
• 尺寸穩定性：垂直交錯的結構能有效抑制木材因濕度變化而產生的膨脹與收縮，使其尺寸變化幅度遠小於實木或單向集成材。
• 防火性能：相較於鋼材，CLT 在火災中燃燒速度較慢，其燃燒層可作為隔熱保護層，延緩內部木材的燃燒，使結構在一定時間內仍能維持承載能力。
• 輕質高強：相較於混凝土或鋼材，CLT 的密度較低，但強度卻很高，這使得運輸、吊裝和施工更加便捷，並能減輕基礎結構的負載。

本題主要在探討集成材 (Glulam) 在製作樑 (beam) 與柱 (column) 時，關於集成單元 (lamella) 等級配置的差異性與其背後的原因。

集成材 (Glulam) 的基本概念：
集成材是將多層經過篩選、分級的木材單元（lamellas）以縱向和橫向的方式，利用結構級的黏劑進行膠合而成的工程木材。這種製作方式可以克服實木的尺寸限制、瑕疵問題，並能根據構件所受的應力特性，將不同強度等級的單元進行最佳化配置，以達到最佳的材料利用與結構性能。

集成樑 (Glulam beam) 採用異等級集成元配置的優勢：
集成樑在受彎曲應力時，其斷面上的應力分佈並非均勻。靠近頂部和底部（受彎曲應力最大處）的單元承受較大的拉力或壓力，而靠近中性軸 (neutral axis) 處的單元承受的應力較小。

• 優點：
  1. 最佳化材料利用：將強度較高的單元配置在應力較大的區域（樑的頂部和底部），而強度較低的單元則配置在應力較小的區域（靠近中性軸）。這樣可以充分利用每一塊木材的強度，避免浪費。
  2. 節省成本：高強度等級的木材通常價格較高。透過異等級配置，可以減少高價材料的使用量，降低整體生產成本。
  3. 結構效率：這種配置能夠最大化樑的抗彎承載能力，使其在相同材料用量下，能承受更大的載荷。

本題主要探討在熱壓木質複合板材（如合板、粒片板、定向粒片板）的過程中，水分在板胚內部熱傳導中所扮演的角色。

木質複合板材的熱壓成板製程：
木質複合板材的製作通常包含以下步驟：

1. 原料準備：將木材處理成單板 (veneer)、木屑 (wood chips) 或木片 (strands)。
2. 施膠：將黏合劑（如尿素甲醛樹脂 UF、酚醛樹脂 PF 等）均勻塗佈在木質原料上。
3. 鋪板 (Mat formation)：將施膠後的木質原料鋪設成所需尺寸和厚度的板胚 (mat)。
4. 熱壓 (Hot pressing)：將板胚置於熱壓機中，施加壓力與高溫，使黏合劑固化，並將板材壓實成型。

水分在熱壓過程中的作用：
在熱壓過程中，水分對於板胚內部熱傳導的幫助主要體現在以下幾個方面：

1. 提高熱容 (Heat Capacity)：水具有較高的比熱容（約 4.18 J/g·°C），相較於木材（約 1.3-2.1 J/g·°C）或其他固體填充物，水能夠吸收和儲存更多的熱量。這意味著，在加熱過程中，板胚中的水分可以吸收來自加熱板的熱能，並將其傳遞到板胚內部。

2. 增加熱導率 (Thermal Conductivity)：

   • 傳導 (Conduction)：雖然液態水本身的熱導率（約 0.6 W/m·K）並不比木材（約 0.1-0.4 W/m·K）高出許多，但關鍵在於水分可以填充木質顆粒之間的空隙。這些空隙原本是空氣，空氣的熱導率非常低（約 0.025 W/m·K），是熱傳導的主要阻礙。水分的填充大大改善了空隙處的熱傳導效率。

本題主要探討「未成熟材」(Juvenile wood) 的特性、其與「成熟材」(Mature wood) 在組織結構與物理性質上的差異，以及這些差異對人工林木材利用所造成的影響。

核心觀念：
未成熟材是樹木在生長早期形成的木材，其細胞結構和物理性質與後續生長的成熟材有所不同，這對木材的加工和應用會產生顯著影響。

(a) 樹木生長由未成熟材時期轉為成熟材時，內部組織結構與物理性質的變動趨勢：

樹木在生長初期，其細胞壁較薄，細胞腔較大，生長速率較快，形成的木材稱為未成熟材。隨著樹木年齡增長，生長速率趨於穩定，細胞壁逐漸增厚，細胞腔變小，形成的木材稱為成熟材。從未成熟材轉變為成熟材的過程中，組織結構與物理性質的變動趨勢如下：

組織結構變動：

1. 細胞壁厚度 (Cell wall thickness)：

   • 趨勢：由薄變厚。未成熟材的導管 (tracheids) 和薄壁細胞 (parenchyma) 的細胞壁相對較薄。成熟材的細胞壁則明顯增厚。

2. 細胞腔直徑 (Lumen diameter)：

   • 趨勢：由大變小。隨著細胞壁的增厚，細胞腔的空間會相對縮小。

3. 細胞長度 (Cell length)：

   • 趨勢：由短變長。未成熟材的導管（木材的主要結構細胞）較短。成熟材的導管顯著變長。

4. 纖維角 (Fibril angle)：

   • 趨勢：由大變小。纖維角是指細胞壁內纖維素微纖維 (microfibrils) 與細胞長軸之間的夾角。未成熟材的纖維角較大（可達 30-60 度），而成熟材的纖維角較小（通常小於 10 度）。

5. 密度 (Density)：

   • 趨勢：由低變高。由於細胞壁增厚、細胞腔縮小以及細胞更緊密排列，成熟材的密度通常高於未成熟材。

6. 木材結構的均勻性 (Uniformity of structure)：

   • 趨勢：由不均勻變均勻。未成熟材的細胞結構變化較大，不如成熟材那樣規律和均勻。

物理性質變動：

1. 強度 (Strength)：

   • 趨勢：由低變高。由於細胞壁增厚、細胞長度增加和纖維角減小，成熟材的抗彎強度 (modulus of rupture, MOR)、彈性模數 (modulus of elasticity, MOE) 和抗壓強度等各項力學性能通常優於未成熟材。

2. 收縮率 (Shrinkage)：

   • 趨勢：由高變低。未成熟材由於細胞壁薄、纖維角大，在乾燥過程中容易發生較大的尺寸收縮，且收縮較不均勻。成熟材的收縮率較低且更穩定。

本題主要探討無線電頻率 (RF) 加熱和微波 (Microwave) 加熱這兩種現代木材加熱技術的原理、優缺點、應用範疇以及未來發展潛力，並與傳統加熱方式進行比較。

核心觀念：
RF 和 Microwave 加熱是利用電磁波與木材內部的水分子或極性分子產生交互作用，從內部產生熱能的「體積加熱」(Volumetric heating) 技術，這與傳統的傳導或對流加熱（從外部向內部傳遞熱能）有根本區別。

(a) RF 與 Microwave 加熱原理比較、與傳統方式的優缺點：

1. 加熱原理比較：

• 傳統加熱方式 (如熱風、熱板、蒸汽)：

  • 原理：主要依賴熱傳導 (conduction) 和熱對流 (convection)。熱量從加熱介質（如熱空氣、熱金屬板）傳遞到木材表面，然後再通過熱傳導逐漸向木材內部傳遞。
  • 特點：加熱速度較慢，容易產生溫度梯度（表面溫度高，內部溫度低），可能導致表面過熱或內部加熱不足。

• 無線電頻率 (Radio Frequency, RF) 加熱：

  • 原理：利用高頻率（通常在 1-100 MHz 範圍內）的電磁場。當木材置於 RF 電場中時，木材內部的極性分子（主要是水分子）會隨著電場方向快速擺動或旋轉。這種分子運動的摩擦和極化損耗產生熱能，從而使木材整體同時被加熱。
  • 特點：是一種「體積加熱」方式，加熱速度快且相對均勻。

• 微波 (Microwave) 加熱：

  • 原理：利用特定頻率（常見為 2.45 GHz）的微波輻射。微波能與木材中的水分子（具有較強的偶極矩）發生強烈的交互作用，導致水分子高速振動和旋轉，產生摩擦生熱，實現體積加熱。
  • 特點：加熱速度非常快，效率高。但由於微波的穿透深度有限，對於厚度較大的木材，也可能產生一定的溫度梯度。

2. 與傳統方式相比的優缺點：

本題主要探討實木樑在受彎曲應力作用下的中性軸 (Neutral Axis) 的行為，包括其定義、在不同受力階段的應力分佈與位移，以及含水率對其影響。

核心觀念：
中性軸是樑受彎曲時，斷面上應力為零的假想平面。在均勻材料且小變形假設下，中性軸位於斷面的幾何中心。然而，木材作為一種非均質、各向異性的材料，其性質在不同方向上差異很大，且在受力過程中可能發生變化，導致中性軸的行為與理想情況不同。

(a) 中性軸的定義，以及在不同受力階段，木樑斷面應力變化與中性軸位移的說明：

1. 何謂 Neutral Axis (中性軸)？
中性軸 (Neutral Axis) 是指樑受彎曲時，其橫斷面上應力為零的假想平面。在這個平面上，材料既不受拉力也不受壓力。彎曲時，中性軸上方區域承受壓力，下方區域承受拉力（或反之，取決於彎曲方向）。

在理想情況下（均勻、線彈性、各向同性材料，且彎曲應力是斷面應力的主要成分），中性軸會通過斷面的形心 (centroid)。

2. 木材的性質與應力分佈：
木材是一種天然的各向異性材料，其力學性質（彈性係數、強度）在順紋 (parallel to grain) 和橫紋 (perpendicular to grain) 方向上差異巨大。

• 順紋彈性係數 ($E_L$)：通常遠大於橫紋彈性係數 ($E_T$)。
• 順紋強度：通常遠大於橫紋強度。
• 應力-應變關係：木材在順紋方向的行為近似線彈性，但在橫紋方向，其行為更接近非線彈性，且強度較低。

3. 不同階段的受力與中性軸位移：

• 線性彈性階段 (Linear Elastic Stage)：

  • 假設：木材在順紋方向的行為可近似為線彈性，且斷面未發生明顯的非均質性變化。
  • 應力變化：根據彎曲理論，斷面上的彎曲應力 ($\sigma$) 與中性軸的距離 ($y$) 成正比：$\sigma = \frac{My}{I}$，其中 $M$ 是彎矩，$I$ 是斷面的慣性矩。在順紋方向，應力分佈是線性的。
  • 中性軸改變：在此階段，如果木材的順紋彈性係數均勻，且橫紋方向的影響不大，中性軸通常會維持在斷面的形心位置，即中性軸位移很小或為零。

• 進入非線性行為或破壞階段 (Non-linear Behavior or Failure Stage)：

  • 情況一：順紋壓縮側屈 (Buckling of compression fibers)
    • 當樑的上部（受壓縮）纖維達到其屈服強度時，可能會發生順紋壓縮側屈。這會導致壓縮側的應力-應變關係不再是線性的，應力增長趨於緩慢。
    • 應力變化：壓縮側的應力增長不再是簡單的線性關係，高應力區的應力增長受限。
    • 中性軸位移：由於壓縮側的剛度下降，整個應力分佈會向拉力側偏移，使得中性軸可能向下移動。
  • 情況二：順紋拉伸側破壞 (Failure of tension fibers)
    • 當樑的下部（受拉伸）纖維達到其抗拉強度時，可能會發生斷裂。
    • 應力變化：拉伸側的應力達到極限後無法再增加。
    • 中性軸位移：如果拉伸側先達到強度極限，應力分佈的重心會向壓縮側移動，導致中性軸向上移動。
  • 情況三：橫紋受壓或受拉 (Perpendicular to grain stress)
    • 在樑的支點附近或受力點，橫紋方向的應力（剪應力、支承應力）可能變得顯著。木材的橫紋強度和彈性係數很低，且行為非線性。
    • 應力變化：橫紋方向的應力分佈複雜，且材料的非線性行為會影響整個斷面的應力分佈。
    • 中性軸位移：橫紋方向的材料性質差異會導致中性軸偏離形心位置。特別是當橫紋受壓區域的應力達到極限時，可能引起材料壓潰，使得中性軸向拉伸側移動。
  • 情況四：剪應力影響 (Shear stress)