木材化學性質

若依組成木材的化學元素而言，則木材主要由碳(C)、氫(H)、氧(O)三元素構成，其中，碳約佔了50%，因此除了燃燒木材之外，使用木材亦可謂是固定碳元素並防止溫室效應的做法之一。

若依照化學組成份言之，則木材組成份包括了纖維素(cellulose)、半纖維素(hemicellulose)、木質素(lignin)、萃取成分(extractives)及灰份(ash)(如圖1)。以分子量來區別，纖維素、半纖維素及木質素是屬於高分子量的物質，這三種成分木材是細胞壁的主要組成份，約佔了細胞壁組成95%以上。低分子量的物質則包括了萃取成分以及灰份。

圖1、木材化學組成份

木材組成份的化學分析

木材組成份的化學分析包含了分離、純化、定性、定量等工作；分析工作並無一定方法程序且結果差異頗大，除因樹種不同之外，木材自身生長受環境影響頗大，正常材與反應材、幹材與枝條材、心材與邊材等均有所差異，即便是不同細胞之間的細胞壁成分與結構均大有不同，而此細微構造之差異幾乎可謂為木材化學分析之困難處，且天然化合物之化學結構相近，鑑定耗時耗力，所以木材之化學成分分析結果與取樣部位、取樣方法、分析方法有明顯相關。就一般而言，進行木材化學分析時為求取樣上之客觀，且增大表面積以提昇反應速率，均將正常幹材部分(不包括反應材、節、枝條等)搗碎並磨成木粉過篩，木粉粒徑介於40~80目(mesh)，即取0.05~0.4mm之間者進行後續分析。一般的分析工作如下：

~分析工作~
1.含水率測定
由於木材是一種吸濕性的材料，它的重量與體積容易隨著水分而變化，且木材中的水分對於木材的加工利用上影響甚鉅，所以通常會先量測絕乾含水率以作為日後計算重量之基準，最常用的方法即是採用烘箱在105±3℃的溫度下將木粉脫水至絕乾，詳細之操作程序可參照Tappi T12 os-75號標準、或ASTM D2016-65及我國之CNS 452木材含水率試驗法進行之。含水率依下列公式計算：

採用烘箱乾燥可能會使木材中較易揮發的物質，如萜類(terpene，即精油)隨著水分一併流失，此乃其主要之缺點。除此法之外。亦有採用其他物理技術進行木材試樣或漿紙纖維之含水率測定，諸如核子波(Loos，1965)、核磁共振技術(NMR)(Karras & Rahkamaa，1971；Magnusson et al., 1972)等，除了特殊樣品之外，一般很少利用這些特殊技術進行含水率測定。

2.萃取物(Extractives)測定
木材中的萃取物指的是可溶於極性或非極性溶劑成分，雖然僅佔木材化學組成份的極少部分，但其含括之成分種類甚廣，主要包括萜類、類木質素(lignans)、黃酮類(flavonoids)及其他芳香族化合物(aromatics)、脂肪、腊、脂肪酸、醣類極少數無機物等。Fengel & Wegener(1984)將不同的溶劑所能得到的木材萃取物簡要整理如下：

萃取溶劑	水蒸氣蒸餾	醚類萃取	醇類萃取	冷水/熱水萃取
主要萃取物	萜類	脂肪酸類	有色物質類	部分碳水化合物及無機物

雖然依溶劑的不同極性可將上述不同類別的萃取物分離出，然而實際上藉由不同的溶劑仍可能得到同樣的物質，例如單寧雖然是熱水萃取時的主要萃取物，但在進行醇苯萃取時也可能得到，萃取物與溶劑間鮮少呈現單一且絕對的關係。Browning於1967年所著之"Methods of Wood Chemistry"一書中對溶劑與萃取物提出許多詳細的例子。木材萃取物含量的測定法可參閱Tappi T12 os-75、ASTM D 1105-56、CNS 4713等檢測標準。

同樣地在Browning之著作中，亦將傳統的萃取物的分離、定量與鑑定技術做了一詳盡介紹，傳統的技術包括了結晶法、皂化法、UV及IR光譜技術、濾紙色層層析或薄層層析技術等；隨著儀器分析技術的進步，當前的化合物鑑定技術包括高效液相層析技術(HPLC)、氣象層析質譜技術(GCMS)、超臨界液體層析技術(SFC)、傅立葉紅外線光譜(FTIR)、碳-13核磁共振(¹³C NMR)等均應用於木材萃取物之定量與鑑定工作(王秀華，2002)。

3.無機物(灰份)的測定
將木材於高溫氧化後所殘留者，即為無機物，又稱為灰份(ash)，約佔了總成份的0.2~0.5%，但是通常熱帶木材的灰份含量較高。木材中的無機物種類亦多，較常見的包括鉀、鈣、鎂等，熱帶材多含有矽，這些無機物在木材中常以結晶的方式出現(如下圖)。木材灰份含量的測定法可參閱Tappi T15 os-58、ASTM D 1102-56、CNS 3084等檢測標準。

印度紫檀中的結晶物

4.全纖維素(holocellulose)含量
全纖維素(holocellulose)指的是纖維素及半纖維素的總稱，最早由Ritter以及Kurth兩人使用氯進行去木質素反應(delignification)後，將所得殘留物命名之。由於纖維素、半纖維素、木質素等三者於組構細胞壁時彼此緊密相聚，所以在進行去木質素反應時須使用較劇烈之化學處理，或多或少，都會有部分木質素還殘留於全纖維素中；或是部分的纖維素、半纖維素隨著去木質化反應而產生降解，因此要得到100%絕對的全纖維素幾乎不太可能。
一般在實驗室中多以下面兩種方法進行全纖維素之製備：

(1)	經醇苯萃取後之木粉再進行氯化反應後，以含有有機鹼類之熱酒精溶液萃取詳細方法可參閱ASTM D 1104-56、CNS 3085等檢測標準)。這個構想即Ritter和Kurth二人在1933年提出者，後來又經過Van Beckum & Ritter(1937)、Thomas(1945)、Timell & Jahn(1951)、Kurth & Swelim(1963)等人以多種方法修正。
(2)	以酸性亞氯酸鹽溶液進行去木質素，此法最早由Jayme(1942)以及Wise et al.(1946)等提出。酸性亞硫酸鹽法中一般可採用的二氧化氯(chlorine dioxide)或及亞氯酸鈉進行之，取不含萃取物(extractives)的木粉在70~80℃下，與pH 4的亞氯酸鈉溶液反應3~5小時，而通常針葉材要再多1小時。

5.纖維素與半纖維素的分離
全纖維素可依對鹼的溶解情形而分成α-纖維素、β-纖維素、γ-纖維素等三種，三者之定義如下：

(1)α-纖維素	不溶於17.5%氫氧化鈉之部分。
(2)β-纖維素	可溶於17.5%的氫氧化鈉溶液中，但經過酸性與中性溶液中和後產生沉澱之部分。
(3)γ-纖維素	可溶於17.5%的氫氧化鈉溶液中，但經過酸性與中性溶液中和後不會產生沉澱。

α-纖維素這個詞最早是由Cross及Bevan於1912年提出，當時他們以不溶於強鹼者稱之。而以17.5%氫氧化鈉作為試藥的方法則是Jentgen(1911)進行纖維素粘度試驗時的用藥，後來經過其他學者的試驗與研究，成為目前漿紙工業上判斷纖維品質的依據之一，相關標準請參閱Tappi Standard T203 os-74、ASTM Standard D1103-60等。
藉由半纖維素與纖維素對鹼液溶解性的差異可先將半纖維素分離出，以鹼性溶液萃取後加入醋酸中和後可得到半纖維素，再以中性溶液如乙醇等則可沉澱出更多的半纖維素。連續以鹼性溶液萃取後殘餘的固形份即為纖維素。

纖維素

纖維素(cellulose)是構成植物細胞壁結構的主要物質，亦是自然界中非常重要的有機物，根據統計，植物界中纖維素的總含量約為26.5×10¹⁰公噸(李堅，2002)。纖維素在植物界中的分布相當廣泛，自低等的細菌、鞭毛藻以至於草本及木本植物均可見；而纖維素的含量則因不同植物體而有所差別，由1,000-1,500個葡萄糖單體(glucose)以β1-4鍵結相連而成之長鏈狀高分子結構物。
纖維素的元素組成：C=44.44%，H=6.17%，O=49.39%，化學實驗式為(C₆H₁₀O₅)n，其中n為聚合度，一般高等植物纖維之聚合度為7,000~15,000。

半纖維素

半纖維素(hemicellulose)是另外一種存在植物細胞壁中的多醣類，它的結構與組成和纖維素不同，由多種醣類(基)聚合而成，諸如半乳糖(galactose)、樹膠醛醣(阿拉伯醣)(arabinose)、葡萄糖(glucose)、甘露醣(mannose)、木醣(xylose)等。與纖維素長鏈狀(線性)結構相形下，半纖維素的結構則是平面狀的結構，其主分子鏈短，分枝多。木材中半纖維素的主要聚合醣類包括：聚木醣(xylan)、聚葡萄甘露醣(glucomannan)以及聚樹膠醛乳糖(arabinogalactans)。

木質素

木質素(lignin)是非晶體的高分子化合物，主要組成份為芳香族化合物(aroma compound)，其真正結構尚未充分了解，但已知為三次元網狀結構，基本構成單體為苯基丙烷(phenyl propane)。

萃取成分

萃取成分(extractives)又稱為抽出成分或抽提物，是指木材中可被醇類、醚類、丙酮、二氯甲烷等溶劑分離出的可溶物質，廣義的解釋，水可溶成分亦可算在內；換言之，凡不屬於纖維素、木纖維素、木質素的木材成分皆可稱為萃取物。木材中主要的萃取物包括：單寧、樹脂、樹膠、萜類(精油)、色素、脂肪、生物鹼、蠟等等。

樹皮化學

樹皮(bark)是木材加工時最大宗的廢料，近半個世紀以來，樹皮利用已成為重要的研究工作，也是節省資源的做法之一。過去，樹皮利用以物理加工為主，現在更發展至化學加工利用並商品化，單寧膠合劑即為最好之例。

~ 參考文獻~　

王秀華 (2002) 木材化學及其應用。台北，國立編譯館。
Browning, B. L. (1967) Methods of Wood Chemistry. Vol. I. Intersci. Pub., New York.
Fengel, D. & G. Wegener (1984) Wood Chemistry, Ultrastructure, Reactions. Walder de Gruyter, Berlin.
Loos, W. E. (1965) Forest Prod. J., 15(3):102-106.
Karras, M. & E.Rahkamaa (1971) Pap. Puu. 53: 653-655.
Magnusson, H., L. Eriksson & L. O. Andersson (1972) Svensk Papperstid. 75: 619-622.