111 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

本題考查人造纖維在製造、紡紗、織造、染整及最終使用時所需評估的主要纖維性質，以及各項性質所發揮的功能。答題時應依「外觀與形態、物理、機械、熱、化學、吸濕、電氣、光學及加工性能」分類說明。

人造纖維的性質並非只決定纖維能否製成紗線，也會影響：

• 紡紗時的可加工性與紗線品質。
• 織造、針織時的斷頭、摩擦及靜電。
• 染色、印花及後整理效果。
• 成品的強度、舒適性、耐久性與使用安全。

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解題方法

本題屬於申論型「列舉加說明」題，適合採用下列架構：

1. 先說明纖維性質是評估纖維性能與用途的依據。
2. 依性質分類逐項列出代表項目。
3. 說明每一項性質對加工或使用的功能。
4. 最後總結各性質彼此具有關聯，須依產品用途綜合評估。

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一、外觀與形態性質

1. 纖維長度

纖維長度包括短纖維的切斷長度及長纖維的連續長度。

其功能如下：

• 影響纖維間的抱合力。
• 影響紡紗時的成紗強度與毛羽。
• 長度較長時，通常可增加纖維間接觸與抱合，使紗線強度提高。
• 短纖維適合以棉紡、毛紡系統加工；長絲則可直接加工成長絲紗。
• 切斷長度及長度均勻性會影響紡紗穩定性與紗線均勻度。

2. 纖維細度

纖維細度表示纖維粗細，常以線密度表示，例如 dtex 或 denier。纖維線密度可表示為：

$$\text{denier}=\frac{\text{纖維重量（g）}}{\text{纖維長度（9000 m）}}$$ $$\text{dtex}=\frac{\text{纖維重量（g）}}{\text{纖維長度（10000 m）}}$$

其功能如下：

• 影響單位截面內的纖維根數。
• 在相同紗支下，細纖維可增加纖維根數，提升紗線均勻性及覆蓋性。
• 影響織物手感、柔軟性、光澤及透氣性。
• 細度不均會造成染色不均、條花及紗線粗細不勻。
• 過細纖維可能降低耐磨性及加工穩定性，故須依用途選擇。

3. 纖維截面形狀

人造纖維的截面形狀可藉由噴絲孔形狀及紡絲條件控制，例如圓形、三角形、扁平形、中空形及多葉形。

其功能如下：

• 改變纖維的光反射方式，控制光澤及消光效果。
• 影響纖維的手感、蓬鬆性及覆蓋性。
• 非圓形截面可增加毛細作用及吸水擴散能力。
• 中空截面可降低密度並提高保暖性。
• 截面形狀也會影響纖維的彎曲剛性、摩擦性及紡紗性能。

4. 捲曲性

捲曲性是纖維呈現波浪狀或螺旋狀彎曲的程度，常用捲曲數、捲曲率及捲曲回復率表示。

其功能如下：

• 增加纖維間的抱合力。
• 提高紡紗性、蓬鬆性及保暖性。
• 改善織物的彈性、回復性及豐滿手感。
• 捲曲不均會使紗線不均及織物外觀不良。
• 捲曲過度可能造成紡紗困難、毛羽增加及染色不均。

5. 表面摩擦性

表面摩擦性與纖維表面粗糙程度、油劑及捲曲狀態有關。

其功能如下：

• 適當摩擦力有助於纖維抱合及紡紗。
• 摩擦力過低時，纖維容易滑脫，紡紗強度降低。
• 摩擦力過高時，纖維容易糾纏、磨損及產生加工阻力。
• 影響纖維通過導紗器、針筒及織機的順暢性。

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二、物理性質

1. 密度與比重

密度是單位體積纖維的質量，會影響纖維及織物的重量感。

其功能如下：

• 決定相同體積下的重量。
• 低密度纖維可製成輕量、蓬鬆及保暖的織物。
• 影響纖維在水中或不同溶液中的分離與混合。
• 影響混紡比例計算及產品重量控制。

2. 長度收縮率

人造纖維受熱、受濕或受張力後，長度可能發生變化。收縮率可表示為：

$$\text{收縮率}(\%)= \frac{L_0-L_1}{L_0}\times100$$

其中 $L_0$ 為處理前長度，$L_1$ 為處理後長度。

其功能如下：

• 影響熱定形條件及加工尺寸穩定性。
• 收縮率差異可用於製造高蓬鬆或異收縮效果。
• 收縮不均會導致織物皺縮、歪斜、尺寸變化及外觀不良。
• 熱收縮性是聚酯、尼龍等熱塑性纖維加工時的重要控制項目。

3. 吸濕性與回潮率

吸濕性表示纖維吸收水分的能力。紡織上常使用回潮率：

$$\text{回潮率}(\%)= \frac{\text{含水纖維重量}-\text{乾燥纖維重量}} {\text{乾燥纖維重量}}\times100$$

其功能如下：

• 影響穿著舒適性、吸汗性及透濕性。
• 影響纖維重量、紡紗張力及電氣性能。
• 影響染料及助劑對纖維的吸附。
• 吸濕性低的纖維容易產生靜電，但通常具有較快乾燥的優點。
• 吸濕性較高的纖維通常舒適性較佳，但濕態強度、尺寸穩定性及乾燥速度須一併考量。

4. 含水率與水中膨潤性

含水率以纖維總重量為基準，與回潮率的分母不同：

$$\text{含水率}(\%)= \frac{\text{水分重量}}{\text{含水纖維重量}}\times100$$

水中膨潤性則表示纖維吸水後直徑或體積的增加程度。

其功能如下：

• 影響染色、洗滌及乾燥過程的尺寸變化。
• 影響纖維內部染料擴散及溶液滲透。
• 影響織物手感、膨鬆性及透氣性。
• 膨潤過大可能導致織物縮水及形態變化。

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三、機械性質

1. 強度

纖維強度可用斷裂強度表示，常見單位為 g/d 或 cN/tex。若以斷裂負荷與線密度表示：

$$\text{比強度}= \frac{\text{斷裂負荷}}{\text{纖維線密度}}$$

其功能如下：

• 決定纖維能否承受紡紗、織造及使用時的拉力。
• 影響紗線強度、織物耐久性及成品壽命。
• 高強度纖維適合工業用布、輪胎簾布、安全帶及高耐久產品。
• 應分別考慮乾態強度與濕態強度，因部分纖維吸水後強度會明顯變化。

2. 伸度

伸度是纖維斷裂時相對於原長度的伸長比例：

$$\text{伸度}(\%)= \frac{L_b-L_0}{L_0}\times100$$

其中 $L_b$ 為斷裂時長度，$L_0$ 為原始長度。

其功能如下：

• 影響纖維的柔軟性、延展性及加工耐受性。
• 適度伸度可降低紡紗及織造時的斷裂。
• 伸度過低時，纖維較脆，容易在加工中斷裂。
• 伸度過高時，可能造成紗線尺寸不穩、織物變形及加工控制困難。

3. 彈性與彈性回復性

彈性是纖維受力伸長後，除去外力能恢復原狀的能力。常見指標包括彈性回復率及殘留伸長。

其功能如下：

• 影響衣物的伸縮性、膝部及肘部回復性。
• 提高織物的抗皺性與穿著舒適性。
• 影響加工中的張力控制及織物尺寸穩定性。
• 彈性回復性不足時，產品容易產生永久變形。

4. 初始模數與剛性

初始模數表示纖維在小變形範圍內抵抗伸長的能力；模數越高，纖維通常越硬挺。

其功能如下：

• 影響織物的挺度、懸垂性及手感。
• 影響纖維彎曲、折皺及變形所需的力量。
• 高模數纖維適合要求尺寸穩定及挺括的產品。
• 低模數纖維通常具有較柔軟的手感。

5. 耐磨性與疲勞性

耐磨性是纖維抵抗摩擦損傷的能力；疲勞性是纖維反覆受力後維持性能的能力。

其功能如下：

• 決定衣物、襪類、地毯及工業織物的使用壽命。
• 影響織造時纖維通過綜絲、筘及導紗部位的斷裂情形。
• 耐磨性不足會產生起毛、起球、斷絲及織物破損。

核心觀念

本題旨在考驗考生對合成纖維「熔融紡絲（Melt Spinning）」原理與工業實務製程的理解。重點在於分析聚酯切片（PET）與尼龍切片（Nylon 6 / Nylon 6,6）兩種高分子材料在化學結構（酯基與醯胺基）、物理性質（含水率敏感度、結晶速率、回潮率、玻璃轉移溫度 $T_g$）之差異，以及這些差異如何直接決定兩者在預處理乾燥、熔融保護、冷卻固化、調濕（蒸汽處理）及拉伸定型等五大製程單元的具體設備配置與條件。

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解題方法

採用「流程圖繪圖法」與「多維度比較分析法」進行解題：

1. 繪圖劃分：分別繪出聚酯（PET）與尼龍（Nylon）熔融紡絲的系統流程圖，重點突出兩者在設備配置上的關鍵差異點（如 PET 的除濕乾燥塔、Nylon 的氮氣 $\text{N}_2$ 保護氣體入口與蒸汽調濕套管 Steam Conditioning Tube）。
2. 比較分析：從「高分子化學結構與前處理」、「熔融擠出與熱安定性」、「結晶速率與側吹風冷卻」、「後處理加濕與調濕」及「拉伸與熱定型」五個面向，深度說明原理與製程參數之差異。

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選項分析

本題為申論題（非選擇題），無選單選項。以下將本題解答的「五大關鍵製程比較節點」進行深入分析說明：

• 節點一：切片乾燥前處理與水份控制
• 聚酯（PET）：大分子主鏈含酯基（$-\text{COO}-$），在高溫熔融下對水份極度敏感，極微量水份即引發劇烈水解（Hydrolysis）導致大分子鏈斷裂、極限黏度（IV）陡降。因此乾燥要求極嚴格，含水率必須控制於 $0.003\%$ ($30\text{ ppm}$) 以下。
• 尼龍（Nylon）：含醯胺基（$-\text{NHCO}-$），水解敏感度低於 PET，含水率控制於 $0.06\% \sim 0.1\%$ ($600 \sim 1000\text{ ppm}$) 即可。但尼龍 6 切片含有 $8\% \sim 10\%$ 未反應的己內醯胺（Caprolactam）單體與低聚物，紡絲前需經熱水萃取洗滌。
• 節點二：熔融擠出環境與氣體保護
• 聚酯（PET）：熔點 $T_m \approx 255 \sim 265^\circ\text{C}$，紡絲溫度約 $280 \sim 300^\circ\text{C}$，高溫下熱安定性較佳。
• 尼龍（Nylon）：Nylon 6 熔點約 $215 \sim 225^\circ\text{C}$（紡絲溫度 $250 \sim 270^\circ\text{C}$）；Nylon 66 熔點約 $260 \sim 265^\circ\text{C}$（紡絲溫度 $280 \sim 295^\circ\text{C}$）。尼龍熔體對氧氣極度敏感，高溫下易發生熱氧降解與交聯反應（Crosslinking）產生凝膠，故螺桿料斗與擠出區必須通入高純度氮氣（$\text{N}_2$）保護。
• 節點三：分子間作用力與結晶固化
• 聚酯（PET）：苯環結構限制分子鏈旋轉，結晶速率較慢，側吹風冷卻風速需控制在 $0.3 \sim 0.6\text{ m/s}$，讓初生纖維維持較低結晶度以利後續拉伸。
• 尼龍（Nylon）：分子鏈間存在強烈氫鍵（Hydrogen Bonds），結晶速率極快、固化迅速，冷卻過程需精確控制吹風條件，防止過早結晶導致拉伸困難或斷絲。
• 節點四：後處理解濕與蒸汽調濕套管（Steam Conditioning Tube）
• 聚酯（PET）：疏水性高（標準回潮率約 $0.4\%$），冷卻固化後直接給油捲繞或拉伸，無須蒸汽加濕。
• 尼龍（Nylon）：親水性高（標準回潮率約 $4.5\%$）。剛擠出固化的初生絲為絕乾狀態，若直接暴露於大氣中會迅速吸收水份，導致 $T_g$ 從 $50^\circ\text{C}$ 降至室溫以下，引發物性與張力劇烈波動。因此冷卻甬道下方、給油前**必須配備蒸汽調濕套管（Steam Conditioning Tube）**進行強制加濕，使其達到吸濕平衡。
• 節點五：拉伸與熱定型條件
• 聚酯（PET）：$T_g \approx 70 \sim 80^\circ\text{C}$，拉伸時需加熱至 $80 \sim 100^\circ\text{C}$，熱定型溫度高達 $150 \sim 220^\circ\text{C}$ 以消除內應力並降低沸水收縮率。
• 尼龍（Nylon）：吸濕後 $T_g$ 降低，可於常溫或較低溫度（$60 \sim 90^\circ\text{C}$）拉伸，熱定型溫度為 $140 \sim 180^\circ\text{C}$。

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解題技巧

1. 閱卷給分關鍵：繪製製程流程圖時，必須明確標示出尼龍特有的「蒸汽調濕套管（Steam Conditioning Tube）」與「$\text{N}_2$ 氮氣保護入口」，以及聚酯特有的「除濕乾燥塔」，這三處是考官給分的重點指標。
2. 數據精確化：解答中寫出具體代表性數據（PET 含水率 $< 30\text{ ppm}$、回潮率 $0.4\%$；Nylon 含水率 $< 600 \sim 1000\text{ ppm}$、回潮率 $4.5\%$），可顯著提升解答的權威性。
3. 結構化呈現：內文說明後附上「比較總表」，便於閱卷老師迅速掌握答題脈絡與觀念完整度。

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【答案】

一、尼龍粒與聚酯粒紡絲製程流程圖

1. 聚酯粒（PET）熔融紡絲製程流程圖

[聚酯切片 (PET Chips)]
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 ▼
┌──────────────────┐
│ 除濕乾燥塔 │ (水分控制至 < 30 ppm / 0.003%)
└────────┬─────────┘
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┌──────────────────┐
│ 螺桿擠出機 │ (加熱熔融 280 ~ 300 ℃)
└────────┬─────────┘
 │
 ▼
┌──────────────────┐
│ 計量泵 & 紡絲包 │ (Gear Pump & Spin Pack / Spinneret)
└────────┬─────────┘
 │
 ▼
┌──────────────────┐
│ 側吹風冷卻甬道 │ (冷卻風速 0.3 ~ 0.6 m/s, 固化成絲)
└────────┬─────────┘
 │
 ▼
┌──────────────────┐
│ 給油裝置 │ (Oiling / Finish Application)
└────────┬─────────┘
 │
 ▼
┌──────────────────┐
│ 熱拉伸與熱定型 │ (拉伸輥 80 ~ 100 ℃, 熱定型 150 ~ 220 ℃)
└────────┬─────────┘
 │
 ▼
┌──────────────────┐
│ 捲繞機 │ (Take-up Winder)
└──────────────────┘

2. 尼龍粒（Nylon 6 / Nylon 6,6）熔融紡絲製程流程圖

核心觀念

假撚加工（False-Twist Texturing, FTT）是生產延伸加工絲（Draw Textured Yarn, DTY）的核心製程。其基本原理為：半延伸絲（POY）經過加撚、加熱軟化、冷卻定型後再進行解撚。由於紗線在扭曲狀態下完成了結晶與熱定型，解撚後纖維內部保留了螺旋狀蜷曲結構，從而賦予紗線高蓬鬆性與彈性。

假撚加工涉及四大關鍵控制變量：

1. 溫度（Temperature）：決定高分子鏈段的運動能力（介於玻璃轉移溫度 $T_g$ 與熔點 $T_m$ 之間）與熱定型程度。
2. 時間（Time）：即受熱與冷卻的接觸時間 $t = \frac{L}{V}$，確保紗線截面熱傳導達到平衡。
3. 張力（Tension）：由輥速比（延伸倍率 $DR$ 與超餵率 $OF$）控制，影響撚度傳遞穩定性與鬆弛收縮。
4. 撚度（Twist）：由假撚器轉速或摩擦盤速比（$D/Y$ 比值）決定，控制紗線蜷曲數量與彈性表現。

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解題方法

本題切入點分為兩大主軸：

1. 繪製並標註假撚加工設備機構流程圖：從原絲供給、第一餵絲輥、第一加熱器、冷卻板、假撚器、第二餵絲輥、第二加熱器、第三餵絲輥、上油裝置到捲取機構，依序完整展現紗線路徑（Yarn Path）。
2. 分項解析各機構之變量設定原理：將溫度、時間、張力、撚度四項條件對應至特定機構，闡述其熱力學與動力學設定依據及相互作用機制。

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一、假撚加工設備機構示意圖與標註

 【假撚加工設備機構與紗線路徑圖】

 [原絲筒子 (Feed Package)]
 │
 ▼
 [第一餵絲輥 (Input Roller, W1)] ────────┐
 │ │
 ▼ │
 [第一加熱器 (Primary Heater)] │
 │ ├─【假撚與熱定型區】
 ▼ │ (高張力 T1)
 [冷卻板 (Cooling Plate)] │
 │ │
 ▼ │
 [假撚器 (False Twister)] │
 │ │
 ▼ │
 [第二餵絲輥 (Intermediate Roller, W2)] ┘ (延伸倍率 DR = W2 / W1)
 │
 ▼
 [第二加熱器 (Secondary Heater)] ───────┐
 │ ├─【鬆弛熱定型區】
 ▼ │ (低張力 T2, 超餵 OF)
 [第三餵絲輥 (Delivery Roller, W3)] ────┘ (超餵率 OF = (W2 - W3) / W2)
 │
 ▼
 [上油裝置 (Oil Applicator)]
 │
 ▼
 [捲取機構 (Take-up Winder)] (捲取張力 T3)

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二、各機構條件設定之原理說明

1. 第一加熱器（Primary Heater）與冷卻板（Cooling Plate）

• 設定條件：溫度 $T_1$、加熱時間 $t_1$、冷卻時間 $t_c$。
• 設定原理：
• 溫度 $T_1$：設定於纖維的玻璃轉移溫度 $T_g$ 以上、熔點 $T_m$ 以下（以聚酯 PET 為例，約 $190^\circ\text{C} \sim 220^\circ\text{C}$）。高溫能破壞高分子無定形區的次級鍵（如氫鍵、凡得瓦力），使大分子鏈段具備流動性與可塑性，以承受假撚器傳遞的高撚度而不斷絲。
• 加熱時間 $t_1 = \frac{L_h}{V}$（$L_h$ 為加熱器長度，$V$ 為加工速度）：紗線必須在加熱器內停留足夠時間，使紗絲心層與外層達到熱平衡。時間過短會導致熱定型不充份（產生長節斑點、染色不均）；時間過長則造成聚合物熱降解與強度下降。
• 冷卻板原理：紗線離開加熱器進入冷卻板，在維持扭轉狀態下將溫度降至 $T_g$ 以下。分子鏈在扭曲形態下重新結晶固化，確保去撚後仍能保持螺旋蜷曲形貌。

2. 假撚器（False Twister）

• 設定條件：撚度（Twist, $T$）、假撚速比（$D/Y$ ratio）。
• 設定原理：
• 假撚原理：假撚器賦予紗線旋轉力矩。假撚器上游（加熱區與冷卻區）產生正加撚（$+\text{Twist}$），紗線通過假撚器下游自動進行解撚（$-\text{Twist}$）。紗線總撚數維持為零，但纖維已被「記憶」為螺旋狀態。
• 撚度設定公式：理論撚度與紗線細度（Denier, $D$）成反比： $T \propto \frac{1}{\sqrt{D}}$ 細旦絲（Fine Denier）需設定較高撚度以確保蓬鬆度；粗旦絲則適度降低撚度以防斷頭。
• 摩擦盤速比（$D/Y$）：若採用摩擦盤式假撚器，盤表面速度 $D$ 與紗線前進速度 $Y$ 的比值（$D/Y$）通常設定於 $1.5 \sim 2.2$。$D/Y$ 過高易造成毛絲與磨損，$D/Y$ 過低則撚度不足。

3. 第一餵絲輥（W1）與第二餵絲輥（W2）區間

• 設定條件：加工張力 $T_1$、延伸倍率（Draw Ratio, $DR$）。
• 設定原理：

核心觀念

本題旨在考查紡織工程中「吸濕速乾（Moisture-Wicking and Fast-Drying）」衣著的功能性機制，以及在《人造纖維與絲線加工學》領域中，如何從聚合物材料、纖維微觀幾何形態與絲線加工條件進行纖維選用。

核心物理原理包含：

1. 毛細管芯吸效應（Capillary Wicking Effect）： 液態汗水在纖維溝槽與間隙中的自發性傳導行為，由 Washburn 方程式描述： $x^2 = \frac{\gamma r \cos\theta}{2\eta} t$ 其中 $x$ 為水分移動距離，$\gamma$ 為液體表面張力，$\theta$ 為固液接觸角（潤濕角），$r$ 為毛細管等效半徑，$\eta$ 為液體動態黏度，$t$ 為時間。毛細管壓力 $P_c$ 可表示為： $P_c = \frac{2\gamma \cos\theta}{r}$
2. 比表面積擴散蒸發（Surface Evaporation Mechanics）： 液態水鋪展面積越大，單位時間內吸收體表與環境潛熱氣化的速率越高。
3. 非膨潤性導濕（Non-swelling Transport）： 水分僅留存於纖維表面與絲束間隙，而不進入高分子結晶區或非晶區內部造成溶脹。

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解題方法

本題為關務特考三等《人造纖維與絲線加工學》之申論問答題，解題切入點應嚴格區分為兩大核心面向：

1. 吸濕速乾在衣著之應用原理：從「液態水傳遞（毛細芯吸與單向導濕）」與「氣態水蒸發（大面積鋪展與潛熱散失）」雙重階段作物理學解釋。
2. 人造纖維之選用條件：從「纖維截面形態」、「纖維細度」、「聚合物物性與親疏水平衡」、「絲線加工結構」四個工程維度提出明確的材料與加工選用標準。

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選項分析

本題為申論問答題，無單選或複選選項。以下方針針對題目兩大問項進行系統化結構論述與分析：

（一）吸濕速乾在衣著之應用原理

1. 毛細芯吸與液態汗水傳輸（Capillary Wicking）：

• 當人體運動出汗時，液態水接觸織物表面。若纖維表面潤濕性良好（接觸角 $\theta < 90^\circ$，使 $\cos\theta > 0$），毛細管壓力 $P_c$ 為正值。
• 人造纖維間的空隙及纖維內部的縱向微溝槽形成無數微小的毛細管，產生強大的芯吸拉力，將汗水迅速自皮膚表面抽離並傳導至織物外層。

2. 擴散鋪展與速乾蒸發（Spreading and Rapid Evaporation）：

• 汗水傳導至織物外層後，藉由異型截面溝槽與細纖維網狀結構快速向四周擴散，使原本集中於皮膚的液滴轉化為極薄的水膜。
• 水分蒸發速率正比於液體暴露的比表面積。擴散後表面積成倍增加，大幅提升水分子氣化散逸至大氣的效率；同時帶走體表蒸發熱（Latent Heat），達到乾爽涼適的效果。

3. 單向導濕與防逆流機制（Push-Pull Differential Transport）：

• 利用織物內層（接觸皮膚面）與外層（面對大氣面）的孔隙與親疏水梯度。
• 內層採粗孔隙或微疏水纖維（接觸角大，保水力低），外層採細孔隙或親水改質纖維（孔徑小，$r_{\text{out}} < r_{\text{in}}$，依 $P_c \propto 1/r$ 產生外層大於內層的毛細壓力差）。汗水自內層被「推（Push）」出並被外層「拉（Pull）」吸，防止汗水逆流回皮膚。

（二）在人造纖維的選用條件

1. 纖維截面形態（Cross-sectional Shape）：

• 選用條件：必須選用異型截面纖維（Profiled / Shaped Cross-section Fibers），如十字形（Cross-shape）、Y字形、W字形、三葉形或 Coolmax 型四溝槽截面。
• 作用機制：異型截面沿纖維軸向形成連續的微細溝槽，比傳統圓形截面增加 $20\% \sim 40\%$ 的比表面積，並提供高密度的毛細管通道，極大化芯吸效應與擴散速度。

2. 纖維細度與形貌（Fiber Fineness）：

• 選用條件：優先選用**細旦絲（Fine Denier）或超細纖維（Microfiber，單絲細度