115 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

本題考查人造纖維中高分子鏈段、微晶及非晶區的順向程度，以及如何測量這種結構排列。順向度是指高分子鏈或結晶微晶的長軸，相對於纖維軸方向排列的程度；順向度愈高，排列愈集中在纖維軸方向。

常用 Hermans 順向因子表示排列程度：

其中 $\theta$ 是分子鏈或微晶長軸與纖維軸的夾角，$\langle\cos^2\theta\rangle$ 是整體平均值。完全平行於纖維軸時，$f=1$；三維隨機排列時，$f=0$。此因子描述的是平均排列狀態，不能直接等同於結晶度。

解題方法：由排列結構推論性質

答題時先交代順向度的定義，再沿著「結構排列改變 → 性質變化」說明。纖維拉伸會使分子鏈和微晶朝纖維軸排列；沿軸方向較易由鏈段承受拉力，鏈間作用也更能傳遞應力，因此力學性質通常隨順向度增加而改變。接著說明這些變化會受聚合物種類、結晶度、熱定型與測試方向影響，避免把趨勢寫成沒有例外的定律。

順向度增加對纖維性質的影響

1. 強度增加 分子鏈較平行纖維軸，受力時能沿鏈方向承載，鏈間也較能傳遞應力，因此纖維軸向的拉伸強度或強度通常提高。若順向度過高而缺少足夠的鏈間連結，強度的增加可能趨緩，不能只由順向度判定強度。

2. 初期模數與剛性增加 纖維軸向拉伸時，較少需要先克服鏈段捲曲、旋轉或滑移，初期模數通常上升。材料的力學性質因而呈現更明顯的方向性，軸向與橫向的性質差異增大。

3. 斷裂伸度通常降低 未順向排列的鏈段可在受力時轉向、伸展；順向度較高時，這類可供變形的餘裕減少，因此斷裂伸度通常下降，纖維也較容易呈現僵硬或脆化的傾向。

4. 熱收縮與尺寸穩定性受製程影響 拉伸造成的鏈段排列若未經適當熱定型，纖維受熱時可能回復至較捲曲的狀態，產生熱收縮。熱定型可使排列與結晶結構較穩定，降低後續收縮。因此，順向度增加不必然代表熱收縮一定增加或一定減少，還須看殘留應力與熱定型條件。

5. 染色與化學處理可能較不易深入 高順向度常伴隨鏈段排列緊密，若同時使非晶區的自由體積或可接近性降低，染料或化學藥劑較難擴散，染色速率可能下降。實際染色性仍取決於纖維種類、染料親和性、結晶度及纖維處理條件。

6. 須與結晶度區分 順向度描述排列方向；結晶度描述結晶區所占比例。拉伸可能同時提升順向度與誘發結晶，但兩者並非同一性質，也不一定同步變化。

纖維順向度的測試原理與方法

1. 雙折射法（birefringence）

**原理：**分子極化率具有方向性。分子鏈愈沿纖維軸排列，平行與垂直方向的折射率差通常愈大。雙折射定義為：

核心觀念

本題考查芳香族聚醯胺纖維的化學結構、聚合與紡絲方式，以及結構如何決定性質與用途。Kevlar 與 Nomex 同屬芳香族聚醯胺（aramid），但芳香環的連接位置不同：

• Kevlar：對位芳香族聚醯胺（para-aramid），聚合物為聚對苯二甲醯對苯二胺，英文縮寫 PPTA，重複單元可表示為 $[-\mathrm{NH}-p\text{-}\mathrm{C_6H_4}-\mathrm{NHCO}-p\text{-}\mathrm{C_6H_4}-\mathrm{CO}-]_n$。
• Nomex：間位芳香族聚醯胺（meta-aramid），聚合物為聚間苯二甲醯間苯二胺（PMIA），重複單元可表示為 $[-\mathrm{NH}-m\text{-}\mathrm{C_6H_4}-\mathrm{NHCO}-m\text{-}\mathrm{C_6H_4}-\mathrm{CO}-]_n$。

兩者皆有芳香環與醯胺鍵，具有耐熱、阻燃等特性；但對位結構較線性、規整，有利於鏈段取向和緊密堆積，故 Kevlar 以高強度、高模數見長。間位結構鏈段較彎折，Nomex 的突出特點是耐熱阻燃及尺寸穩定，強度與模數低於 Kevlar。

解題方法

依「單體與反應 → 紡絲與纖維結構 → 性質 → 用途」分別說明兩種纖維，最後比較對位與間位結構的差異。聚合物結構說明的是纖維性能的來源；製造方法則須交代聚合、製備紡絲液、成形及後處理等主要步驟。

一、Kevlar 的製造方法

1. 低溫溶液縮合聚合 以對苯二胺（$p$-phenylenediamine, PPD）與對苯二甲醯氯（terephthaloyl chloride, TCl）為單體，在極性醯胺類溶劑中進行低溫溶液縮合聚合，生成高分子量 PPTA，並副產氯化氫：

實際反應中，每形成一個醯胺鍵即脫除一分子 HCl。聚合物經中和、分離與洗滌後，再製成紡絲原液。

2. 濃硫酸液晶紡絲 PPTA 難以用一般溶劑溶解，通常溶於濃硫酸製成高濃度紡絲液。剛直鏈狀分子在適當濃度下形成向列型液晶相，分子已具有一定取向。紡絲液由噴絲頭擠出，經短空氣隙進入凝固浴，採乾噴濕紡（air-gap wet spinning）。空氣隙中的流動使分子鏈進一步沿纖維軸排列；凝固浴使纖維成形，隨後抽出硫酸並中和、洗滌、乾燥。

3. 後處理與取向 透過張力下熱處理等程序提升取向及結晶程度，再依需求製成長絲、短纖或不同模數等級。纖維內高度取向、結晶區與分子間作用力共同賦予 Kevlar 優異的軸向力學性能。

核心觀念

延伸比（draw ratio）是纖維在紡絲後的延伸加工中，纖維被拉長的程度，用來表示延伸前後的長度比。若延伸前、後的纖維速度分別為 $V_1$、$V_2$，在穩定加工且無滑移時：

其中 $L_1$、$L_2$ 分別為延伸前、後的標距長度。延伸比大於 1，代表纖維受到拉伸；例如延伸比為 4，表示纖維長度約增加至原長的 4 倍。

延伸比也可用延伸前、後的線密度表示。若質量守恆且加工過程中纖維截面均勻，則線密度與長度成反比：

因此，延伸比提高時，纖維通常變長、線密度降低。

解題方法：由分子鏈取向說明性質變化

回答本題可先說明延伸比的定義，再以「延伸使分子鏈沿纖維軸向取向」為主軸，連結到纖維的機械、熱學與染色性質。紡絲所得的初生纖維，分子鏈與微晶常未充分沿纖維軸向排列；適度延伸會使鏈段伸展、排列方向趨於一致，並促進結晶或提高結晶區的完善程度。

延伸比對人造纖維性質的影響

• 強度通常提高：分子鏈沿纖維軸向排列後，受力時較能沿鏈方向傳遞負荷，纖維的拉伸強度通常增加。

核心觀念

本題考查兩種捲縮來源的差異：一般假撚絲（DTY）的捲縮主要由假撚加工造成；雙成分假撚絲則同時利用假撚熱定形，以及雙成分纖維內部的差異收縮，形成較豐富的捲曲與彈性。

雙成分纖維（bicomponent fiber）是將兩種成纖聚合物以特定截面配置，紡成同一根單絲。常見截面包括並列型（side-by-side）、偏心皮芯型（eccentric sheath-core）、同心皮芯型及海島型。用來發展自發捲曲的纖維，通常採並列型或偏心配置，使兩成分的收縮差能轉化為纖維彎曲。

兩成分熱收縮率不同時，可用下式表示其差異：

其中，$S_A$、$S_B$ 分別代表兩種成分的熱收縮率。熱處理後，收縮較大的成分受到收縮較小成分牽制，兩者產生不平衡的內應力，使單絲朝一定方向彎曲、捲曲。假撚加工則再於長絲束中形成熱定形的螺旋捲曲。

加工原理與方法

1. 製備雙成分未加工絲 將兩種聚合物分別熔融或溶解，經複合紡絲板導入同一噴絲孔，形成並列型或偏心皮芯型單絲。兩成分須具備適當的熱收縮差與相容性，並能維持穩定的界面結合。

2. 牽伸與假撚加工 未牽伸絲或部分取向絲（POY）經牽伸後進入假撚區。假撚器使絲束在加熱器前方獲得暫時性高撚度，長絲受撚而形成螺旋狀排列。

3. 加熱定形與冷卻 長絲在受撚狀態下通過加熱器，熱塑性聚合物軟化，絲束中的螺旋變形及雙成分收縮差所引發的內應力得以發展。離開加熱區後先冷卻，使變形固定。

4. 解除假撚並捲取 長絲通過假撚器後，暫時施加的撚度解除；但加熱定形的捲曲仍保留。雙成分的差異收縮又使單絲產生彎曲與三維捲曲，最後捲取成雙成分假撚加工絲。

可將成品捲曲概念化為兩種作用的合成：

實際捲曲形態會受聚合物組合、截面配置、收縮差、牽伸倍率、假撚度及熱處理條件影響。