109 關務特考三等 紡織工程 人造纖維與絲線加工學 考古題詳解

核心觀念

本題考查假撚加工紗中，單絲因捻回與熱定形形成的殘留扭矩，以及單絲在紗束截面內的排列模型。假撚加工時，絲束先受撚、加熱定形，再解撚；絲束外觀上的捻回大致消失，但單絲仍保有捲曲與殘留扭矩。單絲的捲曲方向和位置會影響絲束的扭矩平衡、伸縮性與蓬鬆性。

下列模型可用三個特徵比較：

1. 捲曲方向是否沿絲長反轉：區分扭結模型與反轉螺旋模型。
2. 單絲在紗束截面中的位置是否隨絲長移動：區分反轉螺旋與移動螺旋模型。
3. 紗束內部與外層的螺旋半徑是否不同：構成雙半徑螺旋模型。

圖中 $z$ 為紗線軸向，$r$ 為單絲中心線至紗束軸線的距離；$+$、$-$表示相反的螺旋方向。

解題方法與各模型

作圖時先畫紗束軸線，再畫單絲中心線，標示其捲曲方向、沿軸向是否反轉，以及半徑是否固定。比較時要分清楚「方向反轉」與「位置遷移」：前者是單絲螺旋手性改變，後者是單絲繞紗束軸線的位置改變。

一、扭結模型（Snailing model）

單絲呈扭結或局部盤繞形態，捲曲集中在局部區段；單絲不是沿整段絲長維持規則、固定半徑的單一螺旋。可將它視為局部捲曲造成殘留扭矩的簡化表示。

紗束軸線 z ─────────────────────→
單絲中心線 ~~~◎~~~~~~◎~~~~
 局部扭結

其重點是「局部扭結」，不像反轉螺旋模型那樣清楚呈現沿軸向交替的螺旋段。扭結分布不均時，局部扭矩也不均。

二、反轉螺旋模型（Reversing model）

單絲以紗束軸線為中心形成螺旋，但沿絲長方向會由一種螺旋方向反轉為相反方向。可用螺旋曲線的方向改變表示：

軸向 z ─────────────────────────→
單絲 + + + + + | - - - - -
 反轉區

理想化地說，反轉區兩側的扭矩方向相反，因而能呈現扭矩的局部抵銷。其核心辨識點是「螺旋方向沿長度反轉」，而不是單絲在截面內持續繞行遷移。

三、移動螺旋模型（Migrating model）

單絲仍呈螺旋狀，但其在紗束截面中的位置會隨絲長改變：單絲由紗束內部向外層移動，或由外層向內部移動。換言之，螺旋半徑 $r$ 不是固定值，而是隨軸向位置 $z$ 改變。

核心觀念

「絲捲加工」（Texturing）是將原本平滑、平行且蓬鬆性較低的連續長纖維紗，經機械或熱處理造成永久或半永久的捲曲、彎曲、圈結或蓬鬆結構，使紗線具有較大的體積與伸縮性。

加工目的包括：

• 增加蓬鬆性與覆蓋性：改善織物的厚實感、遮蔽性與保暖性。
• 改善觸感與外觀：使布面較柔軟、較不滑冷，並呈現類似短纖紗的外觀。
• 賦予伸縮性與回復性：提升服用舒適性，常用於襪品、針織衣料等。
• 改善吸濕、染色與耐磨表現：紗線結構較開放，通常比平滑長纖紗更容易吸收水分，表面也較不易產生滑移感。

本題以捲曲紗的剩餘力矩分類。含力矩紗鬆弛時有沿自身軸線旋轉、扭結或糾纏的傾向；不含力矩紗則不具有明顯的自發扭轉傾向。

解題方法

先依加工時是否以「假撚」造成長絲螺旋狀捲曲，判斷是否容易留下力矩，再列出相應的加工法：

1. 含力矩性捲曲紗：代表方法是假撚加工。紗線先受捻、加熱定形，再解捻；捻度雖被解除，熱定形後的長絲仍保有螺旋捲曲，因而留下剩餘力矩。
2. 不含力矩性捲曲紗：以擠壓、彎折或織物形狀定形等方式形成捲曲，不靠假撚留下螺旋結構。代表方法包括填塞箱法、齒輪壓皺法、針織—退織法及熱刀邊捲曲法。

加工方法與示意圖

一、含力矩性：假撚法（False-twist method）

假撚法使紗線在加熱區處於高捻狀態，經冷卻定形後再解捻。加工後的單絲保有螺旋形捲曲，鬆弛時可能產生扭結或紗線自捲現象。

送紗
 │
 ▼
[加熱器] ── [冷卻區] ── [假撚器] ──► 卷取
 ←── 加熱區內有捻度 ──→
 加捻後再解捻
成紗：具有螺旋捲曲，且有剩餘力矩

假撚器設在紗路上，對加熱區一側的紗線造成暫時捻度；熱定形及冷卻後，紗線通過假撚器並解捻，形成具有彈性的螺旋捲曲紗。實務上可用摩擦式假撚器等設備連續加工。

二、不含力矩性：填塞箱法（Stuffer-box method）

核心觀念

本題考查聚合物鏈的組成方式與立體排列。判斷時要分清兩個層次：

• 均聚合物與共聚合物：看聚合鏈由幾種單體形成，屬於「組成」的分類。
• 立體規則性：看鏈上側基或立體中心沿主鏈的空間排列，屬於「立體結構」的分類。

因此，立體規則性不是與均聚合物、共聚合物互斥的另一種組成分類；均聚合物或共聚合物都可能具有立體規則排列。

解題方法與分類

一、均聚合物（Homo-polymer）

由一種單體聚合而成，鏈上重複單元的化學組成相同，常以 $[-A-]_n$ 表示。

例如聚乙烯由乙烯單體聚合而成，聚丙烯由丙烯單體聚合而成。均聚合物的分類重點是單體種類只有一種；它仍可因聚合物鏈的排列方式、分子量或立體規則性不同而呈現不同性質。

二、共聚合物（Co-polymer）

由兩種或兩種以上不同單體共同聚合而成。若以兩種單體 $A$、$B$ 為例，常見排列如下：

1. 無規共聚合物（random copolymer） $A$、$B$ 沿主鏈以不規則次序排列，例如 $-A-A-B-A-B-B-A-$。單體分布不呈固定週期。

2. 交替共聚合物（alternating copolymer） 兩種單體大致依序交替排列，例如 $-A-B-A-B-A-B-$。

3. 嵌段共聚合物（block copolymer） 相同單體先形成一段，再接上另一種單體形成的區段，例如 $-A-A-A-B-B-B-$。不同區段可具有不同的物理或化學特性。

核心觀念

彈性纖維（elastane，亦稱 spandex）主要是嵌段式聚氨酯脲纖維。其分子由柔軟的長鏈段與較硬的鏈段構成：柔軟鏈段受力時伸展，卸載後回復；硬鏈段則形成物理交聯點，限制分子鏈滑移，提供回復力與尺寸穩定性。

製造時通常先製備聚氨酯預聚物，再以擠出紡絲、溶劑移除、凝固或鏈延長反應等方式，使聚合物形成連續細絲。四種紡絲法的主要差異，在於纖維離開噴絲孔後，是靠溶劑蒸發、凝固浴、冷卻固化，或化學反應形成固態纖維。

解題方法

作答時可依序說明每一種方法的四項內容：

1. 紡絲原料的狀態：聚合物溶液或熔體。
2. 絲條如何固化：蒸發、凝固、冷卻或反應。
3. 製程優點：設備、速度、溶劑使用及纖維品質。
4. 製程限制：溶劑回收、乾燥能耗、速度或聚合物耐熱性。

一、乾式紡絲法（Dry Spinning）

原理與製程： 將聚氨酯脲聚合物溶於適當溶劑，形成紡絲原液，經計量泵送入噴絲頭。絲條進入加熱紡絲甬道後，溶劑受熱蒸發並被抽走，聚合物濃縮、固化成絲。固化後的長絲再經導絲、牽伸或假撚等處理，並可與其他長絲合併捲繞。

優點：

• 不必讓聚合物承受熔融溫度，適合熱敏感的彈性聚合物。
• 成絲速度快，連續化及大量生產容易。
• 工業化成熟，產品品質與製程穩定性佳，是彈性纖維的重要製造方法。

缺點：

• 需要大量有機溶劑；溶劑回收、排氣與防爆設備增加成本。
• 溶劑蒸發需要熱能，甬道的溫度、風量與絲條停留時間須妥善控制。
• 若乾燥或溶劑回收不完全，可能造成殘留溶劑及環境負荷。

二、濕式紡絲法（Wet Spinning）

原理與製程： 將聚合物配成紡絲溶液，經噴絲孔直接擠入凝固浴。凝固浴使溶劑與非溶劑交換，或使溶劑擴散逸出，聚合物因而析出並凝固成絲。絲條離開凝固浴後，通常還須洗滌、牽伸、乾燥及捲繞。

優點：

• 不需以熱空氣蒸發溶劑來固化絲條，適合不宜經高溫處理的聚合物。
• 可藉由溶劑、凝固浴組成及浴溫調整凝固速度與纖維結構。
• 能處理無法熔融紡絲的聚合物溶液。

缺點：

• 絲條在液體中受到阻力，紡絲速度通常較慢。
• 溶劑與凝固浴的交換、洗滌及乾燥步驟較多，製程控制較複雜。
• 廢液處理、溶劑回收及設備維護會增加成本。
• 凝固不均可能造成纖維截面或結構不均，影響纖維性質。

三、熔融紡絲法（Melt Spinning；題目所稱 Melting Spinning）