110 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

本題在考紡絲流體受拉伸時，絲流為何會斷裂，以及兩種主要破壞機理的差異：

1. 內聚破壞（cohesive fracture）：絲流受到軸向拉伸，當拉伸應力超過流體本身可承受的強度，絲流便在內部發生破裂。
2. 毛細破壞（capillary break-up）：表面張力傾向縮小絲流的表面積，使原本近似圓柱的絲流產生粗細起伏；細處持續變細，最後斷裂並形成液滴。

兩者的關鍵差別在於：內聚破壞由軸向拉伸力超過流體內聚承載能力所致；毛細破壞則由表面張力造成的圓柱絲流不穩定所致。

解題方法與機理圖解

一、內聚破壞力

絲流在紡絲過程中受到牽伸，軸向拉伸力傳遞至流體內部。若流體的黏彈性或內聚強度不足以承受此拉伸，絲流會在局部形成頸縮，接著由內部斷裂。

軸向牽伸力 F 軸向牽伸力 F
 ← →
 ────────────────╲ ╱────────────────
 ╲____╱
 斷裂處
 ←── 內部承載能力不足 ──→

可用拉伸應力表示外加負荷：

$$\sigma_{\mathrm{ext}}=\frac{F}{A}$$

其中 $F$ 為軸向拉伸力，$A$ 為絲流截面積。當局部拉伸應力超過流體可承受的內聚強度時，便發生內聚破壞。絲流速度或牽伸力過大、流體強度不足時，這種斷裂較容易發生。

二、毛細破壞

液體表面具有表面張力 $\gamma$，會傾向減少表面積。圓柱絲流若有微小的粗細起伏，較細處受到表面張力作用後會進一步縮小，液體往較粗處集中，起伏逐漸放大，最後形成液滴與細頸並斷裂。

核心觀念

半結晶高分子纖維由排列規則、堆積緊密的結晶區，以及排列較紊亂、自由體積較大的非結晶區組成。結晶度是結晶相占整體試樣的比例，可用質量分率或體積分率表示；兩種分率不可混用。不同測定方法所反映的結構特徵不同，因此測得數值可能略有差異。

解題方法

本題先從「結晶區較緊密、分子鏈活動受限、較不易被水或試劑接近」說明結晶度對性質的影響；再依各測定方法所量測的物理量，說明如何由測值推估結晶與非結晶的比例。

（一）結晶度增加對纖維性質的影響

1. 密度通常增加：結晶區分子排列緊密，單位體積所含質量較大。
2. 強度與初始彈性模數通常增加：分子鏈排列較規則，鏈間作用及負荷傳遞較有效。
3. 伸長度與柔軟性通常下降：非結晶區較容易發生分子鏈滑移與伸展；其比例下降時，纖維變形能力減弱，脆性可能增加。
4. 吸濕、吸水與染料吸收通常降低：結晶區自由體積較小，水分子及染料較難進入；非結晶區則是主要的吸收位置。
5. 耐熱性、尺寸安定性及抗化學作用能力通常提高：分子鏈活動受限，熱或溶劑較不易使結構鬆動。

上述是一般趨勢；實際機械性質亦受分子量、取向、結晶大小與缺陷等因素影響。

（二）六種結晶度測定方法

1. 密度法

結晶區密度通常高於非結晶區，因此可由試樣密度推算結晶比例。設試樣、完全非結晶及完全結晶聚合物的密度分別為 $\rho$、$\rho_a$、$\rho_c$。

體積分率結晶度為：

$$X_{c,v}=\frac{\rho-\rho_a}{\rho_c-\rho_a}$$

若要換算成質量分率結晶度：

$$X_{c,w}= \frac{\rho_c(\rho-\rho_a)} {\rho(\rho_c-\rho_a)}$$

測得試樣密度後，代入已知的兩相密度即可計算。此法須有適當的完全結晶及完全非結晶密度參考值，且孔隙、添加物與溫度都會影響結果。

2. X 光法

結晶區會產生尖銳、明確的繞射峰；非結晶區則呈現較寬廣的散射背景。將繞射圖中結晶峰與非結晶散射分離，積分其強度，估算結晶比例：

$$X_{c,X}=\frac{I_c}{I_c+I_a}$$

其中 $I_c$ 為結晶峰積分強度，$I_a$ 為非結晶散射積分強度。實際分析常須扣除背景，並考慮纖維取向造成的繞射強度差異。

3. 紅外線輻射吸收光譜法

結晶區與非結晶區的分子振動環境不同，特定紅外吸收帶的強度或峰形會隨結晶狀態改變。選取具結晶敏感性的吸收帶，測量其吸光度或吸收峰比值，再以已知結晶度試樣建立校正關係，推算未知試樣的結晶度。

核心觀念

本題考查高分子纖維在外力作用下的黏彈性，以及兩種基本時間依存變形：

• 應力緩和（Stress relaxation）：保持纖維的應變（伸長量）固定，觀察所需應力如何隨時間變化。高分子鏈逐漸移動、重新排列，使內部應力逐漸降低。
• 蠕變（Creep）：保持施加於纖維的應力固定，觀察應變如何隨時間變化。高分子鏈在持續負荷下逐漸移動，使伸長量增加。

這兩者都是黏彈性材料的時間依存反應，但控制條件互為相反：應力緩和固定應變，蠕變固定應力。

解題方法與理論說明

以「外力條件固定什麼」作為切入點，分別畫出應力—時間與應變—時間曲線，並說明分子鏈移動造成的變化。

一、應力緩和

將纖維迅速伸長至指定應變 $\varepsilon_0$，之後保持伸長量不變。初始時分子鏈受到拉伸，所需應力較大；隨時間經過，分子鏈逐漸滑移、轉動及重新排列，鏈段承受的負荷減少，因此維持該固定應變所需的應力下降。

應力 σ
 │\
 │ \
 │ \
 │ \____
 │ \____
 └────────────── 時間 t
 固定應變 ε₀

以線性黏彈性材料的鬆弛模數表示：

$$E(t)=\frac{\sigma(t)}{\varepsilon_0}$$

其中 $\varepsilon_0$ 固定，$E(t)$ 與應力 $\sigma(t)$ 隨時間下降。單一鬆弛時間的簡化模型可寫為：

$$\sigma(t)=\sigma_0 e^{-t/\tau}$$

$\sigma_0$ 為初始應力，$\tau$ 為鬆弛時間。實際高分子纖維具有多種鏈段與鬆弛時間，曲線通常呈逐漸下降，而非單一指數完全描述。

二、蠕變

核心觀念

本題比較以 Spandex（彈性纖維）為芯的彈性紗，重點在於外包纖維的形態、固定方式、加工機械與成紗外觀。作答時要分清楚：

• 包覆紗（covered yarn）：以預先製成的長絲紗或短纖紗包住受牽伸的 Spandex 芯紗。
• 噴氣包覆紗（air-covered yarn, ACY）：以壓縮空氣使 Spandex 與包覆長絲在局部交纏，不形成連續螺旋包覆。
• 短纖包覆紗：以短纖維在紡紗過程中包覆 Spandex，成紗外觀與手感近似短纖紗。
• 合股撚線彈性紗（ply-twisted elastic yarn）：將 Spandex 與一根或多根紗併合後加撚，藉捻回將各紗束合成一體。

Spandex 加工時須先受牽伸，再與包覆紗併合。牽伸比可表示為：

$$\text{牽伸比}=\frac{\text{輸出速度}}{\text{Spandex 供給速度}}$$

牽伸比提高時，Spandex 的伸長程度增加；卸除張力後，Spandex 回縮，使外包層相對變得較鬆。

解題方法

依序比較「芯紗如何送入、外層如何形成、需用何種設備、外觀呈現何種結構」。單包覆與雙包覆是連續螺旋纏繞；噴氣包覆是空氣交絡；短纖包覆是在紡紗過程中形成纖維鞘層；合股撚線則是將紗線併合加撚。考場繪圖可用中心線表示 Spandex，再以螺旋線、交絡點或短纖毛羽呈現外層差異。

各種製法與外觀比較

一、單包覆紗（Single covering, SCY）

**製造過程：**Spandex 芯紗先牽伸，通過空心錠子或包覆機的導紗機構；一根包覆紗由旋轉錠子供給，連續螺旋纏繞在芯紗外，再經輸出羅拉牽引並捲取。包覆紗通常為尼龍、聚酯等長絲，也可使用短纖紗。

**外觀：**只有一層、單一方向的螺旋包覆。未包覆區域較容易在受拉或磨耗時露出 Spandex；單向加撚也較容易帶有扭矩。

縱向示意： ////// ////// ////// 包覆紗
 =================== Spandex 芯

二、雙包覆紗（Double covering, DCY）

**製造過程：**Spandex 芯紗牽伸後，先由第一根包覆紗以一個方向螺旋包覆；再由第二根包覆紗以相反方向包覆。兩層常採 S、Z 相反捻向，以平衡紗線扭矩。

**外觀：**芯紗外有兩層交叉方向的螺旋包覆，遮蔽較完整，結構較穩定，表面較均勻。相較單包覆，Spandex 較不易外露，製程也多一道包覆工序。

縱向示意： ////// ////// ////// 外層：一方向
 \\\\\\ \\\\\\ \\\\\\ 內層：反方向
 =================== Spandex 芯

三、噴氣包覆紗（Air covering, ACY）

**製造過程：**牽伸中的 Spandex 芯紗與一根或多根長絲包覆紗同時送入噴嘴；壓縮空氣使兩者產生間歇性纏結或交絡，隨後輸出、捲取。其結合點沿紗線長度分布，但外層不是由錠子連續螺旋纏繞而成。