111 關務特考四等 紡織工程 紡織纖維學概要 考古題詳解

核心觀念

本題是依「製造纖維所使用的原料來源與化學加工方式」區分四大類化學纖維。判斷重點有二：

1. 原料是否來自天然高分子。
2. 天然高分子在製程中是「重新溶解再生」，還是已經「化學改質」；若原料為低分子化合物經化學反應聚合，則屬合成纖維。

四類纖維的基本關係如下：

類別	原料來源	主要製法	代表纖維
再生纖維	天然高分子物質	溶解後再生，化學主體大致未改變	嫘縈
半合成纖維	天然高分子物質	先化學改質，再紡製成纖維	醋酸纖維
合成纖維	石油、天然氣、煤等所得低分子原料	聚合反應製成高分子，再紡絲	聚酯纖維
無機纖維	無機物質	熔融、碳化、拉絲或其他無機材料製程	玻璃纖維

解題方法

作答時先指出四類纖維的共同分類依據，再依序說明「原料來源」、「製造方式」、「化學結構特徵」及「代表纖維」。其中最容易混淆的是再生纖維與半合成纖維，應以天然高分子是否發生化學衍生化反應作為區分標準。

一、再生纖維（regenerated fiber）

1. 原料來源

再生纖維以天然高分子為原料，主要包括：

• 植物來源的纖維素，例如木材紙漿、棉短絨。
• 動物來源的蛋白質，例如酪蛋白、蠶絲蛋白。

2. 製造特徵

天然高分子本身通常難以直接熔融紡絲，因此先以適當溶劑溶解，製成紡絲溶液，再經濕式紡絲或乾式紡絲，使高分子重新析出、凝固成纖維。

其核心是「溶解—紡絲—再生」：

$$\text{天然高分子} \rightarrow \text{溶解或形成可紡溶液} \rightarrow \text{紡絲} \rightarrow \text{再生纖維}$$

在此過程中，天然高分子的基本化學結構大致保持不變，主要是物理狀態與形態重新組織。

3. 代表例：嫘縈（rayon）

嫘縈通常以纖維素紙漿為原料。以黏膠法製造時，纖維素先經鹼化與二硫化碳處理形成黏膠溶液，再擠入酸性凝固浴，使纖維素重新析出，形成黏膠嫘縈。

嫘縈的原料是天然纖維素，最後所得纖維仍以纖維素為主要化學成分，因此屬於再生纖維。

二、半合成纖維（semi-synthetic fiber）

1. 原料來源

半合成纖維同樣以天然高分子為原料，最常見的是纖維素。

2. 製造特徵

天然高分子先經化學反應改質，使其轉變為新的高分子衍生物，再利用熔融或溶液紡絲製成纖維。因此，半合成纖維雖然源自天然高分子，但其化學結構已經受到改變。

與再生纖維的差異如下：

• 再生纖維：天然高分子主要經溶解、再生，化學骨架大致不變。
• 半合成纖維：天然高分子先經酯化、醚化等化學反應，形成高分子衍生物。

3. 代表例：醋酸纖維（cellulose acetate）

醋酸纖維以纖維素為原料，利用醋酸酐等試劑使纖維素的羥基發生乙醯化反應，形成纖維素醋酸酯，再溶解於適當溶劑中進行乾式紡絲。

纖維素的部分羥基可表示為：

$$\text{Cellulose--OH} \rightarrow \text{Cellulose--OCOCH}_3$$

由於纖維素已轉變為纖維素醋酸酯，化學結構不再是原來的纖維素，所以屬於半合成纖維。

三、合成纖維（synthetic fiber）

1. 原料來源

合成纖維的原料不是天然高分子，而是由石油、天然氣或煤化學工業取得的低分子化合物，例如：

• 二元醇
• 二元酸
• 己二胺
• 丙烯腈
• 苯乙烯類單體

2. 製造特徵

低分子單體先經聚合反應形成高分子，再經熔融紡絲、乾式紡絲或濕式紡絲製成纖維。常見聚合反應包括加成聚合與縮合聚合。

一般流程為：

核心觀念

本題考查三種常用合成纖維的：

1. 英文學名與纖維簡稱。
2. 聚合物的重複單元。
3. 單體結構與聚合反應類型的判讀。

判寫分子結構式時，重點是畫出高分子鏈中反覆出現的「重複單元」，並以 $n$ 表示聚合度。

解題方法

判斷合成纖維結構時，可依纖維名稱拆解：

• 「丙烯腈」含有乙烯基與腈基 $-CN$，進行加成聚合。
• 「醯胺」含有醯胺鍵 $-CONH-$，屬聚醯胺類。
• 「對苯二甲酸乙二酯」由對苯二甲酸與乙二醇縮合形成，含有芳香環與酯鍵 $-COO-$。

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（一）聚丙烯腈纖維

英文全名與簡稱

• 英文全名：Polyacrylonitrile fiber
• 簡稱：PAN fiber

核心結構

丙烯腈單體為：

$$\mathrm{CH_2=CH-CN}$$

其雙鍵進行加成聚合，形成聚丙烯腈：

$$n\mathrm{CH_2=CH-CN} \longrightarrow \left[-\mathrm{CH_2-CH(CN)-}\right]_n$$

主要聚合纖維分子結構式為：

$$\boxed{\left[-\mathrm{CH_2-CH(CN)-}\right]_n}$$

解題技巧

PAN 的辨認關鍵是側鏈上的腈基 $-CN$。聚合後，碳碳雙鍵消失，主鏈變成：

$$-\mathrm{CH_2-CH}-$$

而 $-CN$ 留在第二個碳原子上作為側基。不可將 $-CN$ 誤畫入主鏈，也不可保留單體的 $C=C$ 雙鍵。

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（二）聚醯胺纖維

英文全名與簡稱

• 英文全名：Polyamide fiber
• 簡稱：PA fiber

聚醯胺纖維的代表品種為 Nylon，常見種類包括 Nylon 6 與 Nylon 6,6。因此答題時宜列出聚醯胺的通式，並以代表性尼龍結構說明。

代表性結構一：尼龍 6

尼龍 6 的重複單元為：

$$\boxed{\left[-\mathrm{NH-(CH_2)_5-CO-}\right]_n}$$

可由 $\varepsilon$-己內醯胺開環聚合製得，其結構中的主要特徵為醯胺鍵：

$$-\mathrm{CO-NH}-$$

代表性結構二：尼龍 6,6

尼龍 6,6 的重複單元為：

$$\boxed{\left[-\mathrm{NH-(CH_2)_6-NH-CO-(CH_2)_4-CO-}\right]_n}$$

其原料為六亞甲基二胺與己二酸，經縮合聚合形成：

$$n\mathrm{H_2N-(CH_2)_6-NH_2} + n\mathrm{HOOC-(CH_2)_4-COOH}$$

生成尼龍 6,6，並脫去水分子。

解題技巧

聚醯胺的判斷重點是主鏈含有大量醯胺鍵：

$$-\mathrm{CONH}-$$

題目只寫「聚醯胺纖維」時，英文名稱與簡稱應寫成 Polyamide fiber、PA fiber；結構式則以 Nylon 6 或 Nylon 6,6 作為代表。若只畫一種，建議優先畫尼龍 6，並註明尼龍 6,6 亦為常見聚醯胺纖維。

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（三）聚對苯二甲酸乙二酯纖維

英文全名與簡稱

核心觀念

本題考查紡織纖維及紗線的線密度表示法。線密度可依計算基準分為：

1. 定重制（固定重量制）：固定紗線重量，計算其長度。
2. 定長制（固定長度制）：固定紗線長度，計算其重量。

題目所稱「公定回潮率」，是指依各種纖維規定的標準回潮率調整重量後，再進行線密度計算。因此，定重制及定長制中的重量，原則上均採用公定回潮率下的公定重量。

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（一）定重制與定長制之應用差異及單位含義

1. 定重制與定長制主要應用纖維的差異

定重制

定重制以固定重量為基準，觀察在該重量下所包含的長度，常用於：

• 棉纖維及棉紗
• 毛纖維及毛紗
• 麻纖維及其他短纖紗

這些纖維通常需經過紡紗程序，由許多短纖維集合形成紗線，因此以「一定重量中含有多少長度」表示粗細較為方便。

定重制的數值越大，表示固定重量中所含長度越長，代表紗線越細。

定長制

定長制以固定長度為基準，觀察該長度所具有的重量，常用於：

• 蠶絲
• 人造絲
• 尼龍、聚酯、嫘縈等長纖維絲
• 長纖維紗及化學纖維單絲

長纖維絲具有連續長度，以一定長度的重量表示其粗細，較能直接反映纖維或絲的線密度。

定長制的數值越大，表示固定長度的重量越大，代表紗線越粗。

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2. 定重制的英制單位：英制棉紗支數 $Ne$

英制棉紗支數通常以 $Ne$ 表示，定義為：

在公定回潮率下，1 磅重量的紗線中，含有多少個每個長度為 840 碼的紗絞。

公式為：

$$Ne=\frac{L(\text{yd})}{840\times W(\text{lb})}$$

其中：

• $Ne$：英制棉紗支數
• $L$：紗線長度，單位為碼
• $W$：紗線重量，單位為磅
• 840 碼：一個英制棉紗支數紗絞的規定長度
• 1 磅：定重制的固定重量

若紗線重量為 1 磅，長度為 840 碼，則：

$$Ne=1$$

若 1 磅紗線可紡成 30 個 840 碼的紗絞，則為 30 支，即 $30Ne$。因此，$40Ne$ 比 $20Ne$ 細。

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3. 定重制的公制單位：公制支數 $Nm$

公制支數通常以 $Nm$ 表示，定義為：

在公定回潮率下，每 1 公克紗線所具有的公尺數。

公式為：

$$Nm=\frac{L(\text{m})}{W(\text{g})}$$

也可表示為：

每 1 公斤紗線所具有的公里數。

因此：

$$1Nm=1\text{ m/g}=1\text{ km/kg}$$

例如，$Nm=40$ 表示 1 公克紗線長 40 公尺，或 1 公斤紗線長 40 公里。

英制棉紗支數與公制支數的換算關係為：

$$Nm=1.693Ne$$

因此：

$$Ne=\frac{Nm}{1.693}$$

公制支數和英制棉紗支數一樣，數字越大表示紗線越細。

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4. 定長制的英制單位：丹尼數 Denier，簡稱 $D$

丹尼數是定長制的英制單位，定義為：

在公定回潮率下，每 9,000 公尺纖維或紗線的重量克數。

公式為：

$$D=\frac{W(\text{g})}{L(\text{m})}\times 9000$$

例如，9,000 公尺長的纖維重 75 公克，則：

$$D=75$$

即為 75 丹尼。

丹尼數特別常用於蠶絲、人造絲及合成纖維長絲。由於固定長度為 9,000 公尺，重量越大，表示纖維或紗線越粗。

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5. 定長制的公制單位：特克斯 $tex$

特克斯是定長制的公制單位，定義為：

核心觀念

本題考查「纖維燃燒試驗」的初步鑑定方法。不同纖維因化學組成及熱分解產物不同，燃燒時會呈現特有的：

1. 氣味；
2. 燃燒後灰燼或熔珠的顏色；
3. 灰燼的形狀、硬度與是否容易捏碎。

天然蛋白質纖維主要含角蛋白，燃燒時會產生類似毛髮的氣味；纖維素纖維燃燒時類似紙張；合成纖維則常熔融、收縮，形成硬質熔珠。

解題方法

依序從「氣味」及「灰燼顏色與狀態」兩方面判斷。答題時應同時寫出燃燒特徵，不能只寫氣味，亦不能將熔融後的硬珠誤稱為一般灰燼。

各種纖維燃燒特徵

纖維種類	燃燒氣味	灰燼顏色與狀態
羊毛	燃燒毛髮、羽毛或角蛋白的氣味	黑色、脆硬的不規則焦炭狀物，容易捏碎
聚酯纖維	帶有芳香性、甜味或化學藥品氣味	黑色至深褐色硬質熔珠，通常呈圓形或不規則硬珠狀，不易捏碎
聚醯胺纖維	類似芹菜燃燒的特殊氣味，亦帶有化學氣味	灰白色至褐黃色硬質熔珠，熔珠堅硬，不易捏碎
聚丙烯腈纖維	強烈、刺鼻的辛辣化學氣味	黑色、脆硬且多呈不規則形狀的熔珠或焦塊，通常不易捏碎
黏膠纖維	類似紙張或木材燃燒的氣味	灰白色至灰黑色、細軟蓬鬆的灰燼，呈絮狀，容易捏碎

逐項說明

1. 羊毛

羊毛屬蛋白質纖維，主要成分為角蛋白，燃燒時會產生類似燒焦毛髮或羽毛的氣味。燃燒後形成黑色焦炭狀灰燼，質地脆弱，輕壓即容易碎裂。

2. 聚酯纖維

核心觀念

本題考查纖維、紗線抵抗拉伸外力的能力，重點包括：

1. 短纖紗的加撚對纖維間抱合力、纖維受力方向及紗線強度的影響。
2. 纖維拉伸試驗中，試樣長度（規定長度、夾距）對測得強度與伸度的影響。
3. 強度須區分斷裂負荷、斷裂強度及比強度；伸度則須區分絕對伸長量與斷裂伸長率。

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（一）撚數與紗線強度的關係

1. 撚數不足時：增加撚數可提高紗線強度

短纖紗中的纖維長度有限，必須藉由加撚使纖維彼此纏結、壓緊，增加纖維間摩擦力與抱合力。因此，當撚數偏低時：

• 纖維間容易滑移；
• 紗線結構鬆散；
• 外力作用時，纖維不能充分共同承擔負荷；
• 紗線容易因纖維抽拔、滑脫而斷裂。

此時增加撚數，能使纖維排列較緊密，並提高纖維間的法向壓力與摩擦阻力，使更多纖維共同承受拉力，故紗線強度隨撚數增加而上升。

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2. 適當撚數時：紗線強度達到最大

紗線存在一個最適撚數。達到此範圍時，纖維間抱合力足夠，纖維滑移受到抑制，且纖維仍能以較有利的方向承受紗線軸向拉力，因此紗線強度最高。

可用概念式表示：

$$T \uparrow \quad \Rightarrow \quad F_{\text{摩擦}} \uparrow$$

但此關係只在撚數尚未超過最適範圍時成立。

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3. 撚數過高時：增加撚數反而降低紗線強度

撚數超過最適值後，紗線強度會下降，原因如下：

（1）纖維傾斜角增加

加撚後，纖維不再平行於紗線軸線，而是以螺旋狀排列。撚數越高，纖維與紗線軸線的夾角 $\theta$ 越大，纖維本身承受的拉力中，能轉化為軸向拉力的部分越少。

軸向有效分力可概念性表示為：

$$F_{\text{軸向}} \propto F_{\text{纖維}}\cos^2\theta$$

當 $\theta$ 增大時，$\cos^2\theta$ 減小，故纖維強度無法充分發揮。

（2）纖維承受額外的斜向應力

高撚使纖維受到較大的彎曲、扭轉與壓縮作用，拉伸時纖維的受力狀態較不利，容易提早斷裂。

（3）紗線過度緊密

撚數過高會使紗線內部壓縮加劇，降低纖維在拉伸時重新調整受力的能力；局部不均、纖維彎曲等缺陷的影響也會更加明顯。

因此，撚數與紗線強度並非單純的正比關係，而是呈現「先增加、達到最大值、再下降」的關係：

$$\text{撚數不足} \ \xrightarrow{\text{增加撚數}}\ \text{強度上升} \ \xrightarrow{\text{最適撚數}}\ \text{強度最大} \ \xrightarrow{\text{繼續增加}}\ \text{強度下降}$$

4. 解題技巧與常見陷阱

判斷撚數對強度的影響時，必須同時掌握兩個相互作用的因素：

• 低撚區：主要受纖維間滑移控制，增加撚數有利。
• 高撚區：主要受纖維傾斜及有效軸向分力減少控制，增加撚數不利。