搞懂竹材物理及機械性質，創新開發竹複合材料 - 農業知識入口網

竹為單子葉被子植物及禾本目禾本科多年生常綠植物，枝幹挺拔修長，四季青翠，莖木質多節，中空外堅，一生開花1次。除南極洲、歐洲外，其他各大洲均可發現第四紀冰河時期後的鄉土竹種。主要生長在北緯46°至南緯47°之間的熱帶、亞熱帶和暖溫帶，從平地到海拔4,200公尺高山都可見其蹤跡；因竹性畏寒忌旱，僅少數竹種適應寒帶，在臺灣主要分布於南投縣、嘉義縣、臺南市等地。

竹材組織剖析(文／林曉洪　製圖／邱柏綱)

竹器官包括根、枝、葉，以及竹稈之節間、竹節、稈基、稈柄及地下莖。形態為中空有節，中空部分稱為髓腔，周圍的壁稱為竹稈壁，加工利用上由外而內分別稱為竹青、竹肉及竹簧。

竹材優於木材7特點，各部位皆有用
無論根、莖、稈、枝、葉、筍、籜等各部位均可使用，昔日農業時期經常作為日常生活用具，包含橋梁、家具、工藝品、日用品、造紙、編織、建築材料、作物生長支柱及棚架等。

與一般木材相較，竹材具有7類特徵，《臺灣竹材之構造研究》提到，竹材中空有節，主幹通直；無生長輪或年輪，縱斷面上不若木材有明顯徑斷面與弦斷面；無橫向組織，故其劈裂抵抗力小；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大；近表皮之外層硬度最大，故具堅硬強韌性質；竹材收縮依不同部位而異，且變化顯著，通常收縮率比木材小；與他種植物比較時，纖維較細長且含較多量α -纖維素，為製漿造紙的優良原料。

比強度、比剛度高，加工性優於其他木材
竹材因具備強度高、彈性佳、性能穩定及密度小等優異特性，比強度、比剛度優於木材、鋼鐵等建材，故被廣泛應用於建築工程，其微觀結構與力學性質間具有重要相關性。

竹材主要由具有載重作用的厚壁細胞、傳遞載重的薄壁細胞所組成，由於厚壁細胞排列整齊，所以具有優異的比強度、比剛度。再者，部分竹材的超微結構具有層狀次生壁結構，由不同纖維走向的交互寬窄層組成，在竹壁周圍纖維十分明顯，在抗彎強度上具重要貢獻，而薄壁細胞纖維則無層狀紋理。

另一重要生長特徵為節間生長，組織結構比木材簡單，維管束、竹稈平行排列，因此抗劈裂性高，適合彎曲加工。單位面積維管束數量、纖維束排列方向及纖維本身強度，均為影響竹材強度的重要因素。此外，外皮層、維管束鞘、基本組織、內皮層對密度、抗壓強度均有顯著影響，當外皮層、維管束鞘增加，密度亦會增加；基本組織、內皮層增加，密度則減少。

物理性質與強度相關，
比重、收縮性、含水率為影響要素
比重為決定竹材力學性質的重要因素，在相同體積之下，重量主要取決於纖維含量、直徑及細胞壁厚度等因素，通常比重與纖維含量無顯著相關性。中國竹種居全球之冠，比重分布值範圍亦甚廣，較低者如粉單竹0.50、慈竹0.46；較高者如孟宗竹0.81、剛竹0.83。

一般而言，竹稈比重分布以基部較小，越往上部越大。以杜複元《竹材密度的研究》探討中國浙江省10種2年生竹為例，叢生竹的實質比重較散生竹大，絕乾比重亦大於散生竹。絕乾比重變化則由基部至梢部、自內而外遞增，孔隙度變化則與之相反，即從基部至梢部遞減。呂兆良《台灣產竹材微細構造之研究》中指出，竹材基本比重與纖維長度、纖維體積比、壁腔比、長寬比具有顯著相關性，而與纖維寬度、壁厚度、纖維含量則無顯著相關性。

唐讓雷在《竹材之強度性質》研究臺灣6種重要竹材，指出比重與竹稈部位、竹齡、立地條件、竹種等因子有關。竹稈上部、竹壁外側比重較大，基部、竹壁內側比重較小；比重隨竹齡增長而不斷提高和變化。當立地條件佳時，竹生長亦快，維管束比重低，則竹材比重也低；生長於降雨少、氣溫低地區，竹材比重較大，反之比重較小。

竹材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；縱向收縮則與弦向結果相反。

維管束中的導管水分散失後，會產生收縮現象，惟其收縮率較木材小。乾燥竹材吸水性很大，吸水使體積膨脹，導致強度降低。由於乾燥是竹材加工必要步驟，因此應了解乾燥相關技術及竹材組織與構造，以免乾燥過程引發各種乾燥缺點。竹壁外側維管束細小且數量多，而內側維管束大而少，使竹材乾燥時易發生劈裂，一般乾燥多採用自然乾燥法。

相同比重木材／竹材強度比較(文／林曉洪　製表／邱柏綱)

臺灣經濟竹種孟宗竹、桂竹、長枝竹、麻竹、刺竹及綠竹，取材不同竹稈高度為三分之一、二分之一、三分之二，測定比重，縱向纖維壓縮強度、靜曲抗彎強度等性質顯示，竹材比重、強度均在上稈部呈最高值，除極少數者外，竹材強度隨竹材高度降低而下降。此種發展趨勢與林木直幹分布呈極大差異，一般林木隨樹高增加而強度或比重呈下降變化。

新採伐竹材含水率受竹齡、部位及採伐季節影響甚大。一般而言，含水率隨竹齡增加而下降，1年生竹材不論基部、梢部均可達120％～140％，然而節部含水率較低。中國曾對孟宗竹含水率進行研究，1年生可達135％，2～3年生91％，4～5年生82％，6～7年生降為77％。谷雲川、王益真〈台灣竹材製漿之回顧與展望〉提及臺灣產經濟竹材平均生材含水率，比較桂竹、麻竹、刺竹、長枝竹、孟宗竹、綠竹、竹變後發現，1年生最高為麻竹69.7、2年生最高為麻竹55.0、3年生最高為綠竹47.9。

在同一生育地，其不同竹種含水率各異，主要歸因於細胞組成比例不同。竹種組織鬆軟、導管直徑大、基本組織比例較多且體積較大者，含水率較高；叢生竹類含水率亦稍高於單稈竹類。

要提高力學強度，先判斷竹稈高度及竹齡
竹材重要力學性質為順紋抗拉強度、彈性模數、順紋剪切強度、順紋靜曲強度等。其力學強度隨含水率增高而降低，當處於絕乾狀態時，因質地變脆，強度反而下降。竹材上部比下部力學強度大，竹壁外側比內側力學強度大。例如，孟宗竹節部抗拉強度比節間低四分之一，其他力學性質均比節間高，主要因為節部維管束分布彎曲不齊，受拉時易破壞。

再者，力學強度一般會隨竹齡增長而提高，但當老化變脆時，強度反而下降。立地條件越好，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抗壓強度、抗拉強度高，全竹劈開後彎曲承載能力比全竹低，氣乾試樣壓縮強度、抗拉強度、彈性模數、破裂模數皆比新鮮試樣高，竹壁外側破裂模數較高，而彈性模數並無改變。

葉民權《竹屋設計》提及吳順昭教授分析，若以抗彎強度、彈性模數為設計目的時，桂竹、刺竹在竹齡3年後即可達最大值；麻竹、孟宗竹在竹齡4年後強度較佳，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，各竹種在竹齡3年即能達到柱材用途。而不同竹種機械強度亦有差異，其中桂竹、長枝竹較優良，孟宗竹次之，此可用於選擇結構用材。

竹材強度隨竹齡、竹稈高度部位而異，竹齡約3～5年達最高強度，視竹種而異。一般而言，竹材比重、強度由上稈部向下稈部遞減。但竹節對一般強度性質有負面影響，在縱向剪力方面則有增強效果，說明竹節對竹材原稈剛性的重要性。

建議未來竹材研究應集中幾個層面，細探微細力學性質；纖維超微結構特徵；細胞壁層狀紋理與密度關係；生物物理與生物力學研究；不同層面物理力學性質研究；纖維素、半纖維素及木素分布對竹材加工之影響研究。應用方面可朝向生物精煉、精緻炭化、精品開發、與其他異材結合研製複合材，改善性質、提升產品用途，朝向較高附加價值產品開發設計。藉由科技改善提升本質，未來仍具諸多開發新產品及應用範圍。

文․ 攝影／林曉洪　屏東科技大學木材科學與設計系教授
豐年6808