113 關務特考三等 紡織工程(選試英文) 人造纖維與絲線加工學 考古題詳解

核心觀念

衣物保暖的基本原理，是在人體與低溫環境之間形成熱阻，減少人體熱量向外散失，使衣物內維持較溫暖的微氣候。熱量主要透過熱傳導、熱對流、熱輻射傳遞；人體也會因汗液蒸發而散失熱量。

可用熱阻概念表示衣物的隔熱效果：

$R=\frac{L}{kA}$

其中 $R$ 為熱阻，$L$ 為隔熱層厚度，$k$ 為材料熱傳導係數，$A$ 為熱傳面積。增加有效厚度、降低材料的熱傳導，通常能提高熱阻；但若空氣在衣物中大量流動，對流仍會帶走熱量。

解題方法：從熱量散失途徑說明

1. 降低熱傳導 纖維與纖維之間，以及衣物與人體之間，可保留許多空氣。空氣在不流動時熱傳導較弱，因此絨毛、刷毛、蓬鬆填充物及中空纖維等結構，能藉由固定空氣形成隔熱層。多層穿著也能增加衣物層間的靜止空氣。

2. 抑制熱對流 若冷空氣不斷穿過衣物，或衣物內暖空氣持續被風吹走，人體熱量便會加速散失。因此，衣物需要適當防風，並以纖維或織物結構限制空氣流動。外層衣物可減少風造成的強制對流；衣物過於寬鬆、透風時，保暖效果會下降。

核心觀念

本題考查人造纖維藉由改變纖維截面形狀或採用複合紡絲結構，賦予纖維特定外觀與性能的原理。十字型纖維屬於異形截面纖維；海島型纖維則是由兩種聚合物組成的複合纖維，兩者的結構與製造原理不同。

解題方法

作答時先分清兩者的分類依據：十字型看的是單根纖維的截面外形；海島型看的是複合紡絲中兩種成分的排列方式。接著說明各自的製法、主要特性與用途，並指出性能會受聚合物種類、纖度及後加工條件影響。

十字型纖維

**定義與製法：**十字型纖維是纖維橫截面呈十字形的異形截面纖維。紡絲時使用十字形噴絲孔，使熔體或紡絲液凝固後形成具有多個突出的臂狀部分之截面。

**特性：**十字形截面的凹凸輪廓會增加纖維與光線、空氣及液體接觸時的界面作用，因此常有較強的光線反射效果，呈現明亮、閃爍的光澤。多臂形狀也會增加比表面積，並在纖維間形成較多毛細空隙，有利於導濕、排汗與快乾；其蓬鬆感及覆蓋性亦可提升。實際效果仍受纖維排列、織物組織及後整理影響。

海島型纖維

**定義與製法：**海島型纖維是由兩種聚合物複合紡絲而成，其中一種聚合物形成連續的「海」相，另一種則以許多細小、彼此分離的「島」相分散於其中。紡絲後，經溶解除去海相，留下多根超細的島相纖維；

核心觀念

熔融指數（melt index, $MI$）是熱塑性高分子在規定的試驗條件下，熔體通過標準毛細管的流動能力指標。常用的定義是：將試樣置於熔融指數儀的料筒中，在指定溫度及荷重下，使熔體通過規定尺寸的毛細管，測量 $10$ 分鐘內擠出的質量。

常用單位為 $\text{g}/10\text{ min}$。$MI$ 值較大，表示在該試驗溫度與荷重下熔體較容易流動，表觀熔體黏度較低；$MI$ 值較小，則表示熔體較不易流動，表觀黏度較高。$MI$ 是依特定試驗條件測得的指標，不能脫離溫度、荷重等條件直接比較不同測試結果。

解題方法

作答分成兩部分：先交代測量方式與單位，再說明影響測值的因素。影響因素可分成「測試條件」與「高分子材料本身」兩類，並指出它們如何改變熔體流動性。

影響熔融指數的因素

• **試驗溫度：**溫度升高通常會降低熔體黏度，使流動較容易，測得的 $MI$ 通常增加。
• **施加荷重：**荷重增加會提高擠出壓力，使熔體擠出量增加，測得的 $MI$ 通常提高。

核心觀念

PVDF 中空纖維膜通常以非溶劑誘導相分離法（NIPS）成形：將 PVDF 溶於溶劑，經環狀噴絲孔擠出，同時由內管注入芯液；纖維進入凝聚浴後，溶劑與非溶劑互相擴散，紡絲液分成富含聚合物相與富含溶劑相。前者固化成膜骨架，後者移除後形成孔洞。

乾／濕式紡絲的纖維在噴絲頭與凝聚浴間會先通過一段氣距；濕式紡絲則直接進入凝聚浴。此題要掌握的主軸是：各因素如何改變紡絲液的流動與支撐能力、相分離速度及溶劑—非溶劑交換，進而影響中空纖維是否能穩定成形，以及皮層、孔洞與截面結構。

解題方法

依「紡絲液本身 → 相分離材料組合 → 凝固與牽伸條件」逐項分析。討論孔洞時，可用下列原則判斷趨勢：

• 相分離越快，越容易形成瞬時分相與指狀巨孔。
• 相分離越慢，通常較容易形成較均勻的海綿狀結構或較緻密皮層。
• 紡絲液黏度越高，通常越能抑制溶劑與非溶劑快速交換，並提供較好的纖維支撐；但黏度過高會使擠出困難。
• 成形性不只指孔洞多寡，也包括中空形狀穩定、壁厚均勻、無斷絲或塌陷，以及孔結構符合用途。

各因素對成形性的影響

一、紡絲液黏度

紡絲液黏度主要受 PVDF 濃度、分子量、溶劑與添加物影響。

黏度偏低時，液流容易擠出，但初生纖維的強度不足，進入凝聚浴前容易變形、斷裂或塌陷；相分離速度也較快，容易形成較大指狀孔、巨孔或不均勻截面。

適度提高黏度可增加聚合物鏈纏結與液流強度，使中空纖維較能維持形狀，並減緩溶劑—非溶劑交換，通常有助於形成較均勻、較細緻的孔結構。

黏度過高則會提高擠出阻力，使流量控制及中空壁厚控制變難，也可能造成噴絲不穩、表面缺陷或纖維斷裂。因此需在「足以支撐纖維」與「仍可穩定擠出」間取得平衡。

二、紡絲溫度

紡絲液溫度會改變黏度與鏈段活動性。溫度升高通常使紡絲液黏度降低、流動性增加，較容易擠出；但若液流過稀，初生中空纖維的支撐性會下降。溫度也會影響相分離動力學：擴散較快時，可能加快凝固與孔洞生長，改變皮層厚度、孔洞尺寸及截面形貌。

溫度偏低時，黏度較高、擠出阻力增加，且凝固或溶劑交換較慢，可能延長纖維未完全固化的時間。過高或過低都可能導致紡絲不穩與結構不均。因此應選擇能兼顧流動、相分離和固化速度的適當溫度；實際孔形仍須與凝聚浴溫度及紡絲液組成合併判斷。

三、溶劑

溶劑須能溶解 PVDF，並能與凝聚劑交換。常用溶劑包括 NMP、DMAc、DMF 等。溶劑與非溶劑的相容性及交換速率，會決定相分離快慢：