111 關務特考三等 紡織工程 紡織機械學（包括應用原理、設備流程） 考古題詳解

核心觀念

本題考驗短纖棉紡（Cotton Spinning）中**併條工程（Drawing process）**的核心機械原理與工藝目的。併條機（Drawing Frame）位於梳棉（Carding）之後、粗紡（Roving）之前，主要任務在於改善前工序條子的條幹均勻度與纖維排列結構。其四大作用為：

1. 併合（Doubling）：消除短/長週期重量不勻，提升條幹均勻度。
2. 牽伸（Drafting）：將條子抽長拉細並使纖維沿軸向平行伸直（消除纖維鉤彎）。
3. 混合（Blending）：使不同成分或品質的纖維達到橫向與縱向的勻整混合。
4. 成條（Coiling）：將牽伸後的纖維網凝集成條並規律圈放於棉條罐內，便利後續工序退繞與輸送。

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解題方法

本題為申論題，解題切入點應針對「併合」、「牽伸」、「混合」、「成條」四大作用，分別從機械機構與物理機制、數學公式推導以及工藝效果三個層面進行系統化闡述：

1. 併合：引據統計學大數法則說明粗細不勻率的降低原理。
2. 牽伸：分析羅拉表面線速度差異所產生的摩擦力界與纖維伸直機制。
3. 混合：分析多條併合時截面與長度方向纖維分布的勻整化過程。
4. 成條：說明喇叭口集條、壓條羅拉壓實與圈條盤擺線運動的配合機制。

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選項分析

本題為申論題（非選擇題），無選項分析。以下針對題目要求之四大關鍵作用進行分項深度解析：

1. 併合（Doubling）的作用原理

• 機構與物理機制：將 6~8 條梳棉棉條同時並排餵入併條機牽伸區。
• 均勻原理（統計學大數法則）： 若餵入的各棉條其粗細不勻率均為 $CV_{\text{單條}}$，且各條之間的粗細變化互相獨立，則 $n$ 條棉條併合後的粗細不勻率 $CV_{\text{併合}}$ 為： $CV_{\text{併合}} = \frac{CV_{\text{單條}}}{\sqrt{n}}$
• 工藝效果：併合能有效抵銷與平滑化各單條棉條上的波峰與波谷（粗節與細節），極大程度消除梳棉工序所殘留的長週期重量不勻與片段不勻。

2. 牽伸（Drafting）的作用原理

• 機構與物理機制：利用 3~4 對轉速遞增的牽伸羅拉（Drafting Rollers）。前羅拉表面速度 $v_f$ 大於後羅拉表面速度 $v_b$。
• 牽伸倍數公式： $E = \frac{v_f}{v_b}$
• 工藝效果：
• 細度控制：由於併合使重量增加了 $n$ 倍，必須透過牽伸倍數 $E \approx n$ 將條子拉細，維持產出棉條適當的號數（線密度）。

核心觀念

織布機形成梭織物的「主運動」，係指完成一次引緯循環、使經緯紗交織成布的三項基本運動：

1. 開口運動（Shedding）
2. 引緯運動（Picking／Weft insertion）
3. 打緯運動（Beat-up）

三者依序協同作用，使經紗形成梭口、緯紗穿越梭口，最後將緯紗推至織口，形成梭織物的基本組織。其基本循環為：

$$\text{開口} \rightarrow \text{引緯} \rightarrow \text{打緯}$$

每完成一個循環，通常形成一條新的緯紗排列，織物長度增加一個緯紗間距。

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解題方法

本題應採「三大主運動逐項說明，再交代三者連續作用關係」的方式作答。重點不在列舉名稱，而在說明各運動的作用原理、主要機件及其對織物形成的貢獻。

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一、開口運動

1. 定義與作用

開口運動是使部分經紗上升、部分經紗下降，形成供緯紗通過的空間，稱為梭口（shed）。

經紗依織物組織要求，分為上層經紗與下層經紗：

$$\text{經紗分層} \rightarrow \text{形成梭口} \rightarrow \text{供緯紗通過}$$

若沒有開口運動，所有經紗位於同一平面，緯紗即無法穿入經紗之間。

2. 作用原理

經紗穿過綜絲的綜眼，綜框受到凸輪、偏心輪、提花機構或電子控制裝置的驅動，上下移動，使所控制的經紗分成兩組：

• 一組經紗上升；
• 另一組經紗下降。

兩組經紗之間形成梭口，梭口可依形狀分為：

• 開口梭口：梭口高度在整個引緯過程中大致保持；
• 閉口梭口：一梭完成後，經紗回到同一水平面；
• 半開口梭口：部分經紗保持位置，另一部分經紗移動。

不同織物組織須配合不同的綜框升降順序。例如平紋織常由兩組經紗交替升降，使經、緯紗以一上一下的方式交織。

3. 主要機件

開口運動的主要機件包括：

• 綜框；
• 綜絲；
• 綜眼；
• 凸輪、偏心輪、提花機構或電子選針控制系統；
• 經紗及其張力控制裝置。

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二、引緯運動

1. 定義與作用

引緯運動是將緯紗送入由開口運動形成的梭口，使緯紗由織物一側通過至另一側。

傳統梭織機以梭子攜帶緯紗，利用梭子的往復運動完成引緯，因此稱為梭織機。其作用可表示為：

$$\text{緯紗筒} \rightarrow \text{梭子攜紗} \rightarrow \text{穿越梭口}$$

2. 作用原理

當開口完成後，投梭機構將梭子加速，使梭子沿著筘座或胸梁上的梭道穿過梭口。梭子內部裝有緯紗管，緯紗隨梭子運動而被引入梭口。

梭子通過梭口後，緯紗即橫向配置於經紗之間。之後，梭子抵達另一側的箱座，完成一次引緯。

傳統投梭方式主要利用：

• 投梭棒；
• 投梭槌；
• 梭箱；
• 梭道；
• 制梭器；
• 梭子及緯紗管。

投梭時須控制梭子的速度與位置，使其能在適當時間通過梭口，並避免撞擊機件或造成緯紗斷裂。

3. 引緯運動的要求

良好的引緯運動應符合下列要求：

• 梭子能順利通過整個梭口；
• 緯紗張力適當且穩定；
• 投梭時間與開口時間配合；
• 梭子抵達對側後能安全制停；
• 不損傷經紗、緯紗及織口。

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三、打緯運動

1. 定義與作用

核心觀念

本題考查針織經編機如何將縱向排列的經紗，同時在機器全幅寬度上形成線圈，並由各主要機構協同完成成圈、移圈、牽拉與供紗。

經編的基本特徵如下：

1. 經紗由經軸供給，每一枚織針通常由一根或一組經紗餵入。
2. 多枚織針同時成圈，線圈主要沿布面縱向連結。
3. 導紗針除上下擺動外，還須沿織針排列方向作橫移，形成「墊紗運動」。
4. 導紗針在織針前方橫移形成跨針的墊紗，稱為「重疊」；在織針後方橫移形成連接線段，稱為「底墊」。
5. 各機構須保持正確的相位關係，否則會發生漏針、斷紗、線圈脫落或織物組織錯誤。

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解題方法

答題時可依「成圈三要素」及「輔助運轉機構」分層說明：

• 成圈機構：織針、沉降片、導紗針。
• 運轉與布面形成機構：送經機構、牽拉卷取機構。
• 安全與品質控制機構：停經及斷紗自停裝置、梳柵與傳動機構。

其中，織針負責形成線圈，沉降片負責控制舊線圈及布邊位置，導紗針負責把經紗墊到織針上；送經及卷取機構則維持紗線張力與織物密度。

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一、織針機構

織針是經編機的主要成圈元件，可採用舌針、複合針或鬍鬚針等型式。其作用是接取新紗、容納舊線圈，並將新紗彎曲成新的線圈。

其基本運動原理如下：

1. 上升運動 織針在凸輪、偏心機構或電子伺服機構控制下上升，使舊線圈下降至針桿或針舌以下，並在針鉤位置預備接取新紗。

2. 退圈運動 織針繼續上升，舊線圈由針鉤滑落至針桿，完成退圈，讓針鉤空出以承接新紗。

3. 吃紗與成圈 導紗針將經紗墊入針鉤內，織針隨後下降，使新紗彎曲成新線圈。

4. 閉口與脫圈 舌針依靠針舌關閉，或複合針由針舌、針芯共同完成閉口，使新線圈能穿過舊線圈。

5. 脫圈與回程 織針下降至成圈位置，新線圈從針鉤脫出並與前一縱列線圈相連，織針再回到下一循環的起始位置。

織針上下運動的快慢與行程，決定線圈長度、織物厚度及機器的最高運轉速度。

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二、沉降片機構

沉降片又稱沉降針，位於織針之間或織針前方，主要作用不是形成完整線圈，而是控制線圈與織物的位置。

其作用包括：

1. 壓住舊線圈 當織針上升時，沉降片壓住已形成的舊線圈，防止舊線圈被織針帶起。

2. 協助脫圈 織針下降時，沉降片提供反作用力，使新線圈能順利穿過舊線圈而脫離針鉤。

3. 控制織物平面 沉降片的前進、後退或上下運動，可支撐織物並控制成圈位置，維持針床與布面的相對距離。

4. 協助牽拉 沉降片與卷取機構配合，使織物保持適當張力，避免線圈鬆弛、浮紗或脫圈。

沉降片的運動必須與織針升降及導紗針墊紗動作配合。沉降片過早退出，容易造成舊線圈上升；過晚退出，則可能妨礙新線圈形成。

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三、導紗針與梳柵機構

導紗針安裝於梳柵上，每一枚導紗針穿入一根經紗，負責將經紗導向相應的織針。

導紗機構通常包含下列運動：

1. 擺動運動

導紗針繞梳柵軸心向織針前方或後方擺動，目的是使經紗位於織針鉤的正確位置。

• 向織針前方擺動，可將紗線帶到針鉤前方。
• 向織針後方擺動，可將紗線帶到針鉤後方。

2. 橫移運動

導紗針沿織針排列方向左右移動，稱為梳柵橫移或導紗針橫移。此運動決定經紗跨越幾枚織針，也就是決定墊紗數值及織物組織。

3. 重疊與底墊

導紗針的墊紗運動可分為：

• 重疊（Overlap）：導紗針在織針前方橫移，使紗線墊入針鉤，形成新線圈。
• 底墊（Underlap）：導紗針在織針後方橫移，把相鄰線圈連接起來，形成織物縱向及橫向的組織關係。

導紗針的運動可由花板鏈條、凸輪、偏心機構或電子控制伺服系統驅動。經編組織常以墊紗記號表示，例如：

$$1\text{-}0/1\text{-}2$$

其中數字表示導紗針相對於織針的移動位置，斜線表示前後往復的墊紗循環。墊紗記號不同，會形成平布、網眼、經絨或花式組織等不同織物。

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四、送經機構

送經機構負責從經軸連續供給經紗，並使每根經紗保持適當且均勻的張力。

核心觀念

乾噴－濕式紡絲（Dry-jet wet spinning）是結合「乾式紡絲」與「濕式紡絲」特點的溶液紡絲法。其基本原理為：

紡絲原液先由噴絲頭擠出，經過一小段空氣間隙，再進入凝固浴中，使高分子溶液逐漸凝固成絲。

與一般濕式紡絲不同，噴絲孔並不直接浸入凝固浴；與乾式紡絲不同，纖維並非主要靠溶劑揮發乾燥，而是進入凝固浴後，藉由溶劑與非溶劑的擴散交換完成凝固。

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解題方法：依紡絲流程說明

乾噴－濕式紡絲可依序分為「原液製備、噴出、空氣間隙、凝固、後處理」五個階段。

一、製備紡絲原液

先將高分子溶解於適當溶劑中，形成具有一定黏度、濃度及均勻性的紡絲原液（spinning dope）。

原液必須具備：

• 高分子充分溶解，不可有未溶物或凝膠。
• 黏度適當，使其能通過噴絲孔形成連續液流。
• 濃度足以使纖維在凝固後具有足夠強度。
• 經過過濾、脫泡，避免堵塞噴絲孔或造成斷絲。

紡絲原液由計量泵以穩定流量輸送至噴絲頭。

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二、由噴絲孔擠出

原液通過噴絲頭的多孔噴絲板，被擠出成許多細小液柱。噴絲孔的孔數、孔徑及排列方式，決定初生絲的根數與截面形狀。

噴出時，高分子鏈會受到剪切流動與伸長流動的影響，沿纖維軸向產生初步取向。

噴絲速度可表示為：

$$v_e=\frac{Q}{A}$$

其中：

• $v_e$：原液離開噴絲孔的平均速度
• $Q$：原液體積流量
• $A$：噴絲孔總截面積

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三、通過空氣間隙

噴絲頭與凝固浴液面之間保留一段空氣間隙，這是乾噴－濕式紡絲的主要特徵。

在空氣間隙中，初生液流會發生下列作用：

1. 伸長與牽伸 纖維受到牽引速度作用，液流被拉細，形成一定的牽伸比：

$$DR=\frac{v_w}{v_e}$$

其中：

• $DR$：牽伸比
• $v_w$：纖維進入凝固浴後的牽引速度
• $v_e$：原液離開噴絲孔的速度

2. 高分子鏈取向 高分子鏈沿纖維軸向排列，提高後續纖維的強度與模數。

3. 改善噴絲穩定性 空氣間隙可使噴絲流先自由伸長，再進入凝固浴，減少噴絲頭直接浸入浴液所造成的液面擾動、回流及纖維黏連。

空氣間隙不可過長。過長會造成液柱不穩定、擺動、斷裂或溶劑揮發過度；過短則不易發揮乾噴－濕式紡絲的取向與穩定作用。

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四、進入凝固浴並完成凝固

纖維液柱進入凝固浴後，發生溶劑與非溶劑的質量傳遞：

• 原液中的溶劑向凝固浴擴散。
• 凝固浴中的非溶劑向纖維液柱內擴散。
• 高分子濃度逐漸升高。
• 高分子鏈失去流動性，形成固態初生纖維。

此一過程可概括為：

$$\text{溶劑外擴散}+\text{非溶劑內擴散} \rightarrow \text{高分子析出或相分離} \rightarrow \text{纖維凝固}$$

凝固浴通常由高分子溶劑、非溶劑及其他調整成分組成。浴液的溫度、濃度、流速及酸鹼度，會影響凝固速度、纖維孔隙、皮芯結構與截面形狀。

凝固過快，容易形成緻密外皮，使內部溶劑不易逸出，造成皮芯差異、內部孔洞或強度不均；凝固過慢，則可能造成纖維黏連、變形及生產速度降低。

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五、凝固後的後處理

初生纖維離開凝固浴後，通常仍含有大量溶劑及凝固浴成分，必須進行後處理，包括：

1. 水洗或溶劑洗滌 移除殘留溶劑及凝固浴成分。

2. 牽伸 在濕態或乾態下提高分子鏈取向度，改善強度與伸度。

核心觀念

本題考查織物後整理中兩項改善手感與外觀的重要加工：

1. 柔軟整理（softening finish）：降低纖維與纖維、纖維與皮膚及纖維與機件間的摩擦阻力，使織物具有柔軟、滑爽、蓬鬆或細緻的觸感。
2. 定型整理（setting finish）：利用熱、濕氣、化學藥劑及外力，使纖維或紗線內部的應力重新分布，固定織物的尺寸、形狀及外觀，改善縮率、皺褶與平整度。

織物手感主要受下列因素影響：

• 纖維彎曲剛性與織物彎曲剛性；
• 纖維間及纖維表面的摩擦係數；
• 織物壓縮性、蓬鬆性與回彈性；
• 紗線結構、織物組織、密度及含濕率。

因此，柔軟整理偏重於「降低摩擦、增加滑動性及柔順性」，定型整理則偏重於「固定尺寸與形狀、穩定織物結構」。

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一、柔軟整理的原理

柔軟劑通常以浸軋、浸漬、噴灑或排液法施加於織物，再經烘乾及必要的焙烘，使柔軟劑沉積或吸附於纖維表面。

其主要作用原理如下：

1. 降低纖維表面摩擦

柔軟劑分子吸附在纖維表面，形成一層潤滑性薄膜，使纖維彼此間較容易滑動，降低：

• 纖維與纖維間的摩擦；
• 纖維與皮膚間的摩擦；
• 紗線內纖維間的摩擦。

當纖維容易相對滑動時，織物彎曲及揉折所需的力量降低，因此產生柔軟、順滑的手感。

2. 降低彎曲剛性

柔軟劑可使纖維表面具有潤滑作用，減少纖維相互牽制，使纖維及紗線較容易彎曲。織物的彎曲剛性下降後，懸垂性提高，手感即較柔順。

織物彎曲剛性可概念性表示為：

$$B \propto EI$$

其中 $B$ 為彎曲剛性，$E$ 為材料彈性模數，$I$ 為截面慣性矩。柔軟整理主要是降低纖維間的束縛及表面摩擦，使織物在實際彎曲時所需的有效阻力降低。

3. 改變纖維表面能與接觸狀態

部分柔軟劑具有長鏈烷基、脂肪酸酯或矽氧烷結構。這些疏水性鏈段朝向纖維外側排列，可形成低表面能的滑爽層，改善織物與皮膚接觸時的滑移感。

矽柔軟劑中的矽氧烷鏈具有較低的表面張力，能使織物產生滑、挺中帶柔及細膩等手感。

4. 增加蓬鬆性與壓縮回復性

柔軟劑可減少織物中纖維及紗線的黏著，使織物較容易被壓縮，也較容易恢復原狀。適當的柔軟整理能增加蓬鬆、豐滿及親膚感；用量過高則可能造成油膩、黏手或降低吸水性。

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二、常見柔軟劑及其作用特性

1. 陽離子型柔軟劑

纖維在水中通常帶有負電性，陽離子型柔軟劑容易被纖維表面吸附，因此具有良好的柔軟效果及耐洗性。

其特性為：

• 柔軟效果顯著；
• 能產生較好的滑爽及蓬鬆感；
• 適用於棉、嫘縈等纖維；
• 與陰離子型助劑及陰離子染料的相容性較差；
• 用量過多可能降低親水性及吸水性。

2. 非離子型柔軟劑

非離子型柔軟劑對電解質及染料的相容性較好，適用範圍廣，但一般柔軟效果不如陽離子型明顯。

3. 陰離子型柔軟劑

具有較好的親水性及抗靜電效果，適合要求吸水性的產品，但柔軟效果及纖維吸附性通常不如陽離子型。

4. 矽系柔軟劑

矽系柔軟劑可在纖維表面形成極薄且低摩擦的膜，具有：

• 高滑爽性；
• 柔軟與細膩手感；
• 良好懸垂性；
• 部分產品兼具彈性及蓬鬆效果。

胺基矽油對纖維具有良好親和性，但可能造成黃變；改性矽氧烷則可依用途調整親水性、滑爽性及耐洗性。

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三、定型整理的原理

定型整理是使織物在外力、溫度及含濕條件控制下，固定其尺寸與形狀。其基本流程可表示為：

$$\text{加熱或加濕} \rightarrow \text{施加張力及形狀控制} \rightarrow \text{保持} \rightarrow \text{冷卻或乾燥固定}$$