112 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

本題考查生質聚醯胺的單體來源與縮合聚合，以及聚醯胺重複單元如何影響熔點、纖維強力和染色性。

Nylon 5,6（PA56）由 1,5-戊二胺與己二酸縮合而成。「5,6」分別表示二胺與二酸的碳原子數。PA56 與 Nylon 6,6（PA66）都含有醯胺鍵，可在分子鏈間形成氫鍵；兩者的差異主要來自亞甲基數目、鏈段排列對稱性，以及結晶與纖維加工結構。

解題方法

先追蹤生質原料如何轉成 PA56 的兩種單體，再寫出聚合反應；比較性質時，則由重複單元的結構推論分子間作用力、結晶堆積和染料可進入性。

一、生質 Nylon 5,6 的製備

PA56 的單體是 1,5-戊二胺（又稱屍胺，cadaverine）與己二酸（adipic acid）。

1. **由生質原料製得賴胺酸：**以糖質生質原料經微生物發酵，製得 L-賴胺酸。
2. **賴胺酸脫羧製得戊二胺：**利用賴胺酸脫羧酶，使 L-賴胺酸脫去一分子二氧化碳：

3. **取得己二酸：**己二酸可由生質原料經微生物或生物製程取得；若要使聚合物達到全生質來源，二酸也須採用生質來源。
4. **成鹽及縮合聚合：**將戊二胺與己二酸按等莫耳比例混合，形成尼龍鹽，再加熱進行縮合聚合，並移除反應生成的水。反覆單元可表示為：

實際製程會透過控制溫度、壓力及排水，使縮合反應持續進行並提高聚合度。

二、PA56 與 PA66 的結構及性質比較

兩者的重複單元可寫成：

核心觀念

本題以蜘蛛的**大壺狀腺牽引絲（major ampullate silk，常稱 dragline silk）**為例，考查兩件事：一是蛋白質的分子與微細結構如何共同帶來高強度與高韌性；二是如何運用基因工程、仿生紡絲及材料設計，製備人工蜘蛛絲。

強度表示纖維抵抗拉伸破壞的能力；韌性則是纖維斷裂前吸收能量的能力，等於拉伸應力—應變曲線下的面積。兩者並不相同：只有強而不具延伸性的纖維，仍可能脆裂；只有容易延伸但承載力低的纖維，也不具高強度。

一、蜘蛛絲微細構造與高強度、高韌性的原因

1. 蛋白質序列形成硬、柔相間的分子結構

牽引絲主要由蜘蛛絲蛋白（spidroin）構成，代表性蛋白包括 MaSp1 與 MaSp2。其胺基酸序列具有重複區段，組成與結構彼此配合：

• 丙胺酸（alanine）及甘胺酸—丙胺酸（Gly-Ala）序列容易形成緊密排列的反平行 β-摺板結晶區。
• 富含甘胺酸的區段較柔軟，可形成無定形結構及 β-turn 等構形，使蛋白鏈保有活動空間。
• MaSp2 中的**脯胺酸（proline）**有助形成具彈性的轉角結構，增加纖維延伸與能量吸收能力。

2. β-摺板奈米結晶提供高強度

纖維中的 β-摺板結晶尺寸極小，並分散在柔性的無定形蛋白質基質中。結晶區內蛋白鏈排列緊密，具有大量分子間氫鍵，形成類似物理交聯點的作用，能限制蛋白鏈滑移，提升纖維的抗拉強度與剛性。

3. 無定形區提供延伸與能量耗散

受拉時，柔性無定形區可先展開、伸直，並發生分子鏈取向與構形改變。結晶區間的蛋白鏈則可逐步滑移或重新排列，氫鍵亦可逐步斷裂、重組。這些機制能分散應力、延後裂縫擴展，使纖維在斷裂前仍能承受較大變形，提升延伸性與韌性。

4. 奈米結晶與基質形成階層式網絡

微細結晶區如同網絡中的節點，柔性蛋白鏈則如連接節點的鏈段。此種硬、柔相間的奈米複合結構，可同時承受外力並逐步耗散能量：結晶區負責承載，無定形區負責變形與吸能。因此蜘蛛絲兼具強度與韌性，而非只靠單一成分或單一結構。

5. 紡絲形成的取向與纖維形態進一步提升性能

蜘蛛在吐絲過程中，利用絲腺內的濃縮、酸鹼與離子環境變化，以及絲管中的剪切與牽伸，使蛋白質分子逐漸排列、組裝並固化。蛋白鏈沿纖維軸向排列，提升軸向承載能力；纖維表層與內部的結構差異，也有助於保護纖維、抑制缺陷擴大。天然絲的優異性能來自蛋白質序列、階層結構與紡絲製程共同作用。

二、仿生蜘蛛絲的重要技術

1. 重組蜘蛛絲蛋白的基因工程與發酵製程

先分析蜘蛛絲蛋白的基因與胺基酸序列，再將相關基因導入大腸桿菌、酵母菌或其他表現系統，使微生物製造重組蜘蛛絲蛋白。經發酵培養、蛋白質回收與純化後，可取得人工紡絲的原料。

核心觀念

空氣膨捲加工紗（Air Textured Yarn, ATY）是以噴嘴高速氣流使連續長絲彼此分離、迴圈與纏結，形成具有蓬鬆、毛羽及類似紡紗外觀的加工紗。其主要結構可概括為：部分長絲形成膨鬆的表面迴圈，部分長絲在紗芯或紗束中纏結，提供束縛與穩定性。

與一般加工紗相比，ATY 的特色應從紗結構及其帶來的性能說明。一般假撚加工紗主要藉長絲的捲曲或螺旋狀變形增加蓬鬆度；ATY 則以表面迴圈、毛羽與長絲纏結形成較接近短纖紗的外觀和手感。

解題方法

第一小題先由「紗體由哪些結構單元組成」切入，再連結到外觀、手感及使用性能；第二小題則逐一說明四項加工參數如何改變長絲在噴嘴中的分離、迴圈形成及纏結程度，並指出其對紗線品質的影響。

變形超喂率通常指送入噴嘴的長絲速度相對於牽引速度的超量，可表示為：

其中 $V_f$ 為送入速度，$V_d$ 為牽引速度。超喂率增加，代表送入噴嘴的長絲相對較多，長絲較容易鬆弛並形成迴圈；但過高會使紗體過度鬆散、結構不均。

一、ATY 與一般加工紗的結構特點

1. 表面迴圈與毛羽較明顯 ATY 長絲在氣流作用下形成不規則的表面迴圈、弧圈及毛羽，紗體外觀較蓬鬆，具有類似短纖紗的表面特徵。

2. 具有紗芯與表層的結構差異 紗束中部分長絲纏結成較穩定的核心，部分長絲伸出並形成表面迴圈。表層提供蓬鬆與覆蓋效果，內部纏結則維持紗體整合性。

3. 長絲間以纏結形成束縛點 ATY 不是只靠單一長絲的捲曲維持形態，而是藉長絲互相交錯、纏結形成結點。因此紗束具有一定抱合力，通常不易像未加工的平滑長絲紗般滑散。

4. 外觀與手感較接近短纖紗 表面迴圈與毛羽使其具有較柔軟、蓬鬆、溫暖的觸感，遮蔽性也較好；一般假撚加工紗則較呈現長絲整束捲曲的外觀，表面通常較平滑、規則。

5. 蓬鬆性與覆蓋性較佳 迴圈結構增加紗體體積，織物較易呈現豐厚感，並能遮蔽織物底層或改善透視感。

6. 伸縮性表現與假撚紗不同 ATY 的主要特徵是迴圈、纏結及蓬鬆，而非以假撚捲曲提供彈性。其伸長與回復特性須依原絲種類及加工條件而定，不能只以「加工紗」一概視為具有相同的彈性。

二、加工參數對 ATY 品質的影響

1. 變形超喂率

超喂率直接影響進入噴嘴的長絲量及其鬆弛程度。

• 超喂率提高：長絲相對於牽引速度更充裕，較易被氣流分離並形成表面迴圈，通常使紗體蓬鬆度、體積及覆蓋性增加。
• 超喂率過低：長絲較緊，迴圈形成不足，紗體較平滑、蓬鬆度低，類短纖紗的外觀不明顯。
• 超喂率過高：長絲過度鬆弛，容易造成迴圈過大、分布不均、毛羽過多或局部鬆圈；紗體結構穩定性與外觀均勻性可能下降，也可能增加加工中的斷頭或瑕疵。

核心觀念

本題考查纖維材料在拉伸試驗中的應力–應變曲線，以及下列物理性質：

• 初始模數（initial modulus）
• 彈性限度與降伏
• 塑性變形與分子鏈取向
• 延伸率、強度及斷裂特性
• 纖維的脆性、韌性與可延伸性

應力與應變定義如下：

其中 $\sigma$ 為應力、$F$ 為拉伸力、$A_0$ 為原始截面積。

其中 $\epsilon$ 為應變、$\Delta L$ 為伸長量、$L_0$ 為原始長度。

曲線初始直線段的斜率為初始彈性模數：

斜率越大，表示纖維越剛硬；斷裂前應變越大，表示纖維的延伸性越佳。

解題方法

依圖一由左至右判讀纖維受力過程：

1. 原點至 A：主要為可恢復的彈性變形。
2. A 至 Y：纖維開始出現非線性變形，並逐漸接近降伏。
3. Y 至 D：發生降伏及塑性延伸，分子鏈開始滑移、解纏與取向。
4. D 至 B：分子鏈取向增加，纖維產生應變硬化，最後於 B 點斷裂。

圖二則以曲線的三項特徵判斷纖維：

• 初始斜率：判斷剛性或初始模數。
• 曲線高度：判斷強度。
• 斷裂位置：判斷斷裂伸長率。
• 是否具有降伏平台：判斷塑性變形、拉伸取向及應變硬化。

一、圖一各點的物理意義

A 點：彈性限度或比例限度

A 點以前，應力與應變大致呈線性關係，纖維的變形主要為彈性變形。卸除外力後，纖維大致可以恢復原來的長度。

A 點表示纖維開始偏離完全線性彈性行為的界限，亦可視為彈性變形與非彈性變形的分界附近。超過 A 點後，纖維會開始產生較明顯的永久變形。

Y 點：降伏點

Y 點為降伏點或屈服點，表示纖維內部開始發生顯著的分子鏈滑移、解纏、重排及塑性變形。

此時應力達到局部最大值，之後曲線下降或進入較低且平坦的區域。纖維若在 Y 點後卸載，通常無法完全恢復原長度，而會留下永久伸長。

D 點：拉伸取向或應變硬化階段的起始特徵點

D 點位於降伏平台或拉伸區域之後，代表纖維內部的分子鏈已逐漸完成滑移與取向，並開始呈現較明顯的取向強化及應變硬化。

在 D 點以後，若要使纖維繼續伸長，需要增加應力，因為分子鏈排列較整齊，抵抗進一步變形的能力提高。因此曲線由近似水平逐漸向上彎曲。

B 點：斷裂點

B 點為纖維在拉伸過程中的最終斷裂點。

B 點所對應的應力為斷裂強度或斷裂應力：

B 點所對應的應變為斷裂伸長率：

斷裂伸長率可用百分率表示為：

二、圖二各曲線所代表的纖維特性

（a）高模數、低伸長率的脆性纖維

圖（a）的曲線初始斜率很大，表示初始模數高、纖維剛硬；斷裂前的應變很小，且幾乎沒有明顯的降伏或塑性變形。

此類纖維受力後主要呈現彈性變形，超過承受能力後即突然斷裂，屬於高剛性、低延伸、脆性較高的纖維。

代表例子為玻璃纖維。

其特性包括：