Bamboo Knowledge Base
竹知識庫Bamboo characteristics(3-2)
field：Info. Sharing / Date：2018-01-25
林曉洪 屏東科技大學 木材科學與設計系
參、竹材之性質
一、竹材之一般特徵
與一般的木材比較，竹材具有以下七項之特徵(馬子斌，1982；吳順昭、王秀華，1976)：
(一) 竹材中空有節，主幹通直。
(二) 無生長輪或年輪，縱斷面上不若木材有區分明顯之徑斷面與弦斷面。
(三) 竹材無橫向組織，故其劈裂抵抗力小。
(四) 竹材近表皮之維管束排列緊密，且維管束周圍含有韌皮纖維，故材質強韌，其彈性及抗彎強度均比木材者大。
(五) 竹材近表皮之外層硬度最大，故具堅硬強韌之性質。
(六) 竹材之收縮，依不同部位而異，且變化顯著。一般而言，其收縮率比木材小。
(七) 竹材與他種植物比較時，纖維較細長且含較多量之α-纖維素，為製漿造紙之優良原料。
二、竹材之外觀構造
竹類植物之器官包括竹稈之節間、竹節、稈基、稈柄及地下莖，根、枝與葉。竹材在形態上，中空有節，其中空部分吾人稱之為髓腔，周圍的壁稱為竹稈壁，由外而內在加工利用上分別稱之為竹青、竹肉及竹簧(圖1)。各部位區分特徵如次述：
(一) 竹青：位於竹稈壁之最外層，細胞形體小，生長密實，細胞壁比率高且高度木質化，因內含葉綠素，故使竹稈外觀呈綠色。由於質地堅硬，外表富含矽及蠟質，硬磨且光滑，是極佳竹製編織藝品之原料。
(二) 竹肉：屬於竹稈壁中間層之構造。其由維管束組織（輸導組織、纖維細胞）及基本薄壁組織等所構成，為竹壁之主要部分。橫斷面上之維管束形體由小而大，從竹稈壁外側往內側增加，且均勻散生於基本組織中，縱向平行排列，在節間中無橫向組織溝通。由於缺乏形成層，故竹稈直徑無法每年加粗。
圖1.竹材之組織剖析圖
(三) 竹簧：竹稈壁之內側部位，由十數層長軸在弦向之鬆散細胞構成，由於細胞壁木質化程度高，故硬度高，也具有較脆之特性。竹簧層因居竹稈壁之內側，故顏色呈淡黃白色，其厚度也因竹種而異，然最厚者亦僅1~2 mm。其為製漿時紙漿纖維之主要部分。
(四) 竹衣：竹黃內壁上，亦即髓腔之周圍，尚被覆一層薄膜，此構造由變形之細胞壁層，扁平化且上下左右彼此堆疊排列而成。此層韌性佳，又名為笛膜。
三、竹材之解剖性質
竹材的節間細胞全為縱向排列，缺少如木材具有徑向分佈之薄壁細胞和射線細胞。王菊華(1999 )研究顯示：竹材中纖維細胞約占細胞總重之50～60%，其餘爲薄壁細胞、石細胞、導管和表皮細胞等。纖維平均長度隨品種而異，多在1.5 ~ 2.00 mm之間，寬度0.015～0.018 μm，纖維細胞壁較厚，腔徑小，纖維壁上明顯具有節狀加厚。顯微境下觀察竹材纖維彎曲狀。薄壁細胞和石細胞大小形狀相似，較為均勻，多呈枕形和腰鼓形，桿狀較少，惟石細胞較多。竹材導管較大，長度一般介於120～130/Lm之間，兩端開口，端壁平直或呈傾斜。電顯下觀察，竹材纖維有2種基本結構，即細胞壁較厚纖維和較薄纖維，薄層爲近橫向排列，厚層爲近軸向排列，與纖維軸纏繞角度呈30～40°。以超薄切片的高錳酸鉀染色觀察，薄層著色較厚較深，表示薄層之木質素含量較厚層者高。謝榮生等人(1990)曾探討國產15種單稈竹及10種叢生竹進行解剖研究顯示，兩類竹材之維管束其纖維冠、纖維束及早成木質素管細胞在組織構造上差異頗大。單稈竹僅具纖維冠纖維細胞，而叢生竹則具纖維冠外亦包含纖維細胞束。單稈竹纖維長均低於2 mm，而叢生竹平均大於2 mm；單稈竹薄壁細胞層數目8~12層，叢生竹3~8層。周仕強(1992)以光學顯微鏡和電子顯微鏡觀察慈竹及黃竹二者之平均纖維長度約2 mm，其以帶狀薄壁纖維較多。纖維細胞壁平均值差異不大，壁腔比約1：3。稈部纖維比例以上部>中部>下部。吳順昭、謝榮生 (1990)探討9種自中南美引進竹材(軔竹、青皮竹、大耳竹、花眉竹、變葉竹、馬來巨草竹、條紋巨草竹、南美刺竹及烏魯竹)之構造顯示，竹壁橫向維管束以中部最大；維管束尺寸與離第節間數及竹壁厚度成極著相關。薄壁組織由基部往梢部遞減，而纖維與輸導組織則相反。此以六種臺灣常見竹材之竹炭顯微結構圖為例說明竹材之微觀構造(圖2 )。(許玲瑛、李文昭，2011)。
圖2.六種臺灣常見竹材之竹炭顯微結構圖(許玲瑛、李文昭，2011)
四、竹材微觀結構與力學性質之關係
本質上竹材因具備強度高、彈性佳、性能穩定及密度小之優異特性，使得竹材之比強度和比剛度優於木材和鋼鐵等建材，故被廣泛應用於建築工程。竹材之內部構造決定其性能，亦即竹材的微觀結構與力學性質間具有重要之相關性。竹材主要係由具有載重作用之纖維厚壁細胞和傳遞載重之薄壁細胞所組成，其之所以具有優異的比強度和比剛度，主要因其厚壁細胞纖維排列整齊所致。某些竹材之超微結構具有層狀次生壁結構，層狀紋理由不同纖維走向之交互寬窄層組成。此種層狀竹壁結構在竹壁周圍的纖維上表現十分明顯，對竹材的抗彎強度具有重要之貢獻，而薄壁細胞纖維則無層狀紋理。
與其他植物比較之，竹另一重要之生長特徵為節間生長。一般而言，竹材組織結構比木材簡單，維管束和竹稈呈平行排列，因此其抗劈裂性高，適合彎曲加工。竹材之劈裂和切割等加工性均優於木材，約針葉材2倍。竹材單位面積內之維管束數量、纖維束排列方向及纖維本身的強度均為影響竹材強度之重要因素。竹材外皮層、維管束鞘、基本組織及內皮層對密度及抗壓強度均有顯著之影響，當外皮層及維管束鞘增加時，密度亦會增加；基本組織及內皮層增加，密度減少。竹材之抗拉強度分別為針葉材4倍及闊葉樹材2倍。
五、竹材之物理及機械性質
(一) 物理性質
1. 比重
比重為決定竹材力學性質之重要因素，主要取決於纖維之含量、直徑及細胞壁厚度等因素。一般竹材比重隨纖維含量增加而增加。中國大陸產之竹種居全球之冠，比重分布值範圍亦甚廣，較低者如粉單竹（Bambusa chungii）0.50，慈竹（Neosinocalamus affihis）0.46；較高者如孟宗竹（毛竹）0.81及剛竹（Phyllostachys sulphurea cv. Viridis）0.83等竹類。
一般而言，竹稈比重分布以基部最大，越往上部越小。此以大陸產10種竹種之2年生為例，叢生竹之實質比重較之散生竹者大，絕乾比重亦大於散生竹。絕乾比重之變化則由基部至梢部、自內到外遞增，而孔隙度變化則與之相反，即從基部至梢部遞減。竹材基本比重與纖維長度具有顯著之相關性，與纖維體積比、壁腔比和長寬比間也有顯著之相關性，而與纖維寬度、壁厚度及纖維含量則無顯著相關性。
呂兆良(1986)研究指出，竹材基本比重與纖維長度具有顯著之相關，與纖維體積比、壁腔比和長寬比間亦有顯著相關，而與纖維寬度、壁厚及纖維含量則無顯著相關。
杜複元(1992)探討浙江省10個竹種2年生竹材之實質比重、絕乾密度和孔隙度，顯示叢生竹實質比重較之散生竹者大1. 4%，絕乾密度也大於散生竹。絕乾密度之變化從基部到梢部、從裏到外遞增，而孔隙度變化則反之，由基部到梢部遞減。竹材基本密度與纖維長度兩者具有顯著之相關性，與纖維體積比量、壁腔比和長寬比間具顯著之相關性，而與纖維寬度、壁厚度及纖維含量無顯著相關。竹材密度和竹材竹稈部位、竹齡、立地條件及竹種有關，竹稈上部和竹壁外側密度大，而基部和竹壁內側密度小。竹材密度隨竹齡之增加而提高。當立地條件佳，竹子生長快，維管束密度低，竹材的密度亦低。
呂錦明、劉哲政（1982）曾探討孟宗竹之稈壁厚度，顯示在稈基部者最厚，離地越高越薄，節間隨高度上升而增長，至中段附近又會隨高度上升而變短之趨勢。依竹種而言，比重依序為桂竹0.90、孟宗竹0.81、麻竹0.72、長枝竹0.70、綠竹0.51、刺竹0.47；竹材容積比重分別為桂竹0.47、孟宗竹0.46、麻竹0.40、長枝竹0.35、綠竹0.29、刺竹0.27。各年生竹稈含水率以基部為高，向上則漸減。
唐讓雷(1990)研究國產6種重要竹材指出，竹材比重與竹稈部位、竹齡、立地條件及竹種等因子有關。竹稈上部和竹壁外側比重較大，基部和竹壁內側比重較小；竹材比重隨年齡增長而不斷提高和變化。當立地條件佳時，竹子生長亦快，維管束比重低，則竹材比重也低；反之立地條件差，竹子生長慢，竹材比重大；生長於降雨少、氣溫低地區之竹類其比重較大；而降雨多、溫度高之地區竹類其比重亦較小。吳順昭(1974)研究指出，竹材比重在生長3~4年間逐漸達到最大值。
2. 收縮膨潤性
竹材的收縮異方性以弦向收縮率最大、徑向次之、軸向最低，此與木材相似。若以部位而言，弦向收縮則以竹壁外側最大，中央部位次之，而內側最小。縱向收縮則與弦向之結果相反。
竹材維管束中之導管水分散失後會產生收縮現象，惟其收縮率較木材者小。乾燥後之竹材吸水性很大，吸水使之形體體積膨脹，導致強度降低。由於竹材的乾燥是竹材加工業者利用時不可或缺之重要工程，因此竹材在乾燥時應了解其乾燥相關技術及竹材之組織與構造，以免乾燥過程中發生各種乾燥缺點，而影響其品質。竹壁外側的維管束細小且數量多，而內側維管束大而少，使得竹材乾燥時易發生劈裂。一般竹材乾燥多採用自然乾燥法為之。
3. 含水率
新伐採竹材之含水率受竹齡、部位及伐採季節之影響甚大。一般而言，竹含水率隨竹齡之增加而下降，一年生竹材不論基部和梢部均可達120-140%，然而節之部位含水率較低。大陸曾對孟宗竹含水率進行研究顯示，一年生可達135%，二~三年生91%，四~五年生82%，六~七年生降為77%。以三~四年生之孟宗竹為例，竹稈不同高度含水率之差異漸趨明顯，且由基部往梢部降低，基部75 ~ 100%，中段55~65%，梢部約45~50%。表1為台灣數種經濟竹材其平均生材含水率於不同年齡之變化(谷雲川、王益真，1990 )。
表1 臺灣產經濟竹材平均生材含水率(谷雲川、王益真，1990 )
竹種
一年生
二年生
三年生
桂竹
47.4
42.8
38.8
麻竹
69.7
55.0
41.0
刺竹
66.6
45.9
42.2
長枝竹
56.7
44.1
38.8
孟宗竹
43.7
41.1
36.6
綠竹
61.3
48.7
47.9
竹變
63.9
52.0
38.8
竹稈壁橫向含水率以竹內腔部位最高，而竹表皮側最低。孟宗竹竹稈壁內側部位含水率105.4%、中央部位102.8%及外側（竹青）部位大幅降至36.74%。一年中，因季節性不同，伐採竹之含水率差異甚大，孟宗竹於夏季含水量最高為70.4%，冬季最低59.3%，春秋季各為60.1%及66.5%。在乾濕季異常明顯之地區，竹稈含水率之差異可達100%以上，尤其在竹稈梢部之含水率變化，大於竹稈中央及基部。
不同竹種在同一生育地，其含水率亦有差異，主要歸因於細胞組成比率不同所致。竹種組織鬆軟、導管直徑大及基本薄壁組織比例較多且體積較大者，其含水率會較高。另叢生竹類含水率會稍高於單稈竹類。
(二) 機械性質
竹材重要之力學性質爲順紋抗拉強度和彈性模數、順紋抗壓強度和彈性模數及順紋剪切強度和順紋靜曲強度和彈性模數等。竹材之力學強度隨含水率增高而降低，但當竹材處於絕乾狀態時，因質地變脆，強度反而下降。竹材上部比下部之力學強度大，竹壁外側比內側力學強度大。毛竹節部抗拉強度比節間低1/4，其他力學性質均比節間高，主要因為節部維管束分佈彎曲不齊，受拉時易破壞。竹材力學強度一般隨竹齡增長而提高，但當竹材老化變脆時，強度反而下降。立地條件越好，竹材力學強度越低，小徑材比大徑材力學強度高，有節全竹比無節竹段之抗壓強度和抗拉強度高，全竹劈開後之彎曲承載能力比全竹低，氣乾試樣之壓縮強度、抗拉強度、彈性模數和破裂模數比新鮮試樣高，竹壁外側之破裂模數較高，而彈性模數並無改變。
據葉民權(2011)引自依吳順昭教授之分析報告指出，若以抗彎強度及抗彎彈性模數為設計目的時，桂竹及刺竹在竹齡3年以後即可達最大值；麻竹及孟宗竹在竹齡4年以後強度較佳，而長枝竹在竹齡5年後強度較佳。若以抗壓強度為設計目的時，各竹種在竹齡3年即能達到作為柱材之用途。而不同竹種之間其機械強度亦有差異，其中桂竹及長枝竹有較優良之機械性質，孟宗竹次之，此可作為竹種應用於結構用材的選擇。
竹材強度性質隨竹齡及竹桿高度部位而變異，竹材之強度於竹齡顯示，約3~5年達最高，視竹種而異。一般而言，竹材之比重與強度由上稈部向下稈部遞減。相同比重，竹材具有高於木材強度之特性，竹節對一般強度性質有負面之影響，然而在縱向剪力方面，則有增強之效果，說明竹節對竹材原桿剛性之重要性。
相同比重之木竹材強度比較，如表2所示。(唐讓雷，1989)。唐讓雷亦曾研究國產6種經濟竹材(孟宗竹、桂竹、長枝竹、麻竹、刺竹及綠竹)，於不同竹稈高度【竹桿之1/3高度(1/3h) ，1/2高度(1/2h) 和2/3高度(2/3h)】，進行取材後，測定其比重，縱向纖維壓縮強度及靜曲抗彎強度等性質顯示，竹材之比重與強度，均在上桿部有最高值，除極少數者外，竹材之強度隨竹材高度之降低而下降，此種發展趨勢與林木直幹內之分布呈極大之差異。一般林木在樹幹內之分佈，隨樹高增加而強度或比重呈下降之變異。
表2相同比重之木竹材強度比較(唐讓雷，1989)
材料
比重
強度性質(kgf/cm2)
壓縮強度
破壞模數(MOR)
彈性模數(MOE)
木材
竹材
0.6
0.8
0.6
0.8514
686
591
893954
1‚367
1‚085
2‚092118‚110
157‚500
78‚192
172‚565
楊德新等人(2013)曾就國產4年生之孟宗竹材進行不同高度之密度與抗彎強度試驗，結果亦發現隨著竹稈高度增加，其密度由700 kg/m3升至900 kg/m3以上，而抗彎強度則由126.8 Mpa提升至152.9 Mpa；抗彎彈性模數則由10.7 Gpa增至12.3 Gpa。顯示，竹稈高度強度之變異性。另竹材之抗彎強度、抗壓強度值於生長3-5年間會達最大值，此與林木性質顯現極大之差異，同密度下之木竹材強度而言，竹材亦相對具有較佳之抗壓強度與抗彎強度。
Ibrahim(1995)研究顯示，竹齡對竹材之物理和機械性質影響甚鉅。竹齡越大， 強度亦越大。一般而言，竹齡與竹材之機械強度關係密切。竹材維管束為竹材之 重要組成部分。而維管束由許多厚壁纖維細胞組成，為影響竹材機械性質之重要指標。