112 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

本題考查三件事：棉紗英制支數的定重制定義、棉纖維在鹼液中的橫斷面膨潤變化，以及利用這種變化進行棉絲光加工的原理與方法。

棉紗英制支數

棉紗常用英制支數（English cotton count，$N_e$）表示細度，屬於定重制：以一磅重的棉紗為基準，紗長含有幾個 $840$ 碼，即為幾支。

因此，一磅棉紗長 $840$ 碼為 $1$ 支；長 $20\times840$ 碼為 $20$ 支。支數愈大，表示同重量下紗長愈長，紗也愈細。

解題方法：棉纖維橫斷面與鹼液膨潤

未處理的棉纖維是扁平、帶有天然扭轉的管狀纖維。其橫斷面通常呈不規則腎形或豆形，中央可見中腔（lumen）。浸入低濃度強鹼液時，纖維素吸液膨潤，細胞壁增厚，中腔縮小；橫斷面逐漸由扁平腎形變得較圓，纖維外形也較舒展。

橫斷面示意圖（非等比例）：

未處理棉纖維 浸入鹼液後膨潤
 ______ ______
 / \ / \
| __ | → | · |
 \______/ \______/

扁平腎形、中央中腔 較圓、細胞壁膨厚

圖中左側中央的空隙代表中腔；鹼液作用後，細胞壁膨潤，中腔變小，橫斷面趨於圓整。這是纖維在鹼液中產生膨潤的形態變化示意。

棉絲光加工的原理與方法

原理

核心觀念

黏液嫘縈（Viscose Rayon）是以天然纖維素為原料，經化學處理、溶解後再生而成的再生纖維素纖維。題目考查三件事：纖維素的親水性與吸濕性、黏液嫘縈的製造流程，以及各製程的化學作用與污染來源。

纖維素分子具有大量羥基（$-\mathrm{OH}$），可與水分子形成氫鍵。黏液嫘縈的分子結構較天然棉纖維鬆散，結晶度與分子鏈排列規整性較低，較多羥基能接觸水分子，因此吸濕性高。合成纖維如聚酯、聚丙烯通常缺少可形成氫鍵的親水基團，或結構緊密、疏水性較強，吸濕性較低。

解題方法

依「吸濕原因 → 原料處理與纖維素活化 → 黏膠製備 → 濕式紡絲與後處理 → 污染來源」依序作答。流程中要同時指出主要化學反應及污染物，特別注意二硫化碳與含硫副產物是黏液嫘縈製程的重要污染來源。

一、黏液嫘縈吸濕性較高的原因

1. 纖維素具有親水羥基 纖維素的基本重複單元含有多個羥基，能與水分子形成氫鍵，使水分子被纖維吸附。

2. 再生結構較易讓水分子進入 黏液嫘縈經溶解、凝固再生後，分子鏈排列通常不如高度結晶、規整的纖維緊密，非結晶區較多，水分子較容易進入纖維內部並接觸羥基。

3. 相較多數合成纖維，親水作用較強 聚酯等合成纖維的分子鏈缺少足量親水基團，且纖維結構緊密，水分子不易吸附或進入。因此，黏液嫘縈的平衡回潮率通常高於多數常見合成纖維。

二、黏液嫘縈製造流程與各階段化學作用

1. 原料準備與浸鹼（鹼纖維素製備）

以高纖維素含量的木漿或棉短絨漿為原料，浸入氫氧化鈉溶液，使纖維素膨潤並形成鹼纖維素。

可概略表示為：

此步驟使纖維素分子膨潤，增加後續反應的可及性。浸鹼後壓榨以去除多餘鹼液，並將鹼纖維素切碎。

2. 老成

鹼纖維素在控制條件下與空氣中的氧反應，使纖維素分子鏈發生氧化、斷鏈，降低聚合度與黏度，以利後續溶解及紡絲。

老成程度需控制；過度老成會使聚合度過低，影響纖維強度。

3. 黃化

將老成後的鹼纖維素與二硫化碳（$\mathrm{CS_2}$）反應，生成纖維素黃原酸鈉（cellulose xanthate）：

核心觀念

本題考查聚氨酯系彈性纖維的化學組成、彈性來源與製造方法。題幹中的 Elastane 是國際通用名稱；美國常稱 Spandex。這類纖維的主體是嵌段式聚氨酯—聚脲共聚物，中文常稱聚氨酯彈性纖維或彈性纖維。

其分子鏈由性質不同的鏈段組成：

• 軟鏈段：較柔軟、容易伸展，主要提供伸長能力。
• 硬鏈段：由氨基甲酸酯或脲基等結構形成，鏈間作用力較強，主要提供物理交聯與回復支點。

解題方法

先從分子結構說明伸度與回復率，再整理製造方法，最後比較各法的產業適用性。這樣能依序回答題目的三個重點：化學名稱、彈性機制、紡絲方法與優選方式。

高伸度與高彈性回復率的原因：

纖維未受力時，柔軟的軟鏈段呈捲曲或彎曲狀態。拉伸時，軟鏈段逐漸伸展、取向，因此纖維能有很大的伸長。外力移除後，軟鏈段傾向回到較無序、捲曲的狀態，產生回復力。

硬鏈段之間的氫鍵及其他分子間作用力形成物理交聯點，限制分子鏈滑移，並維持纖維結構。軟鏈段負責伸展與回縮，硬鏈段則協助定位與回復，兩者共同使纖維兼具高伸度和高彈性回復率。

紡絲方法與優選方式

聚氨酯彈性纖維可採用下列方法製造：

核心觀念

本題考的是合成纖維長纖原絲如何經假撚加工，形成具有蓬鬆性、彈性與類似短纖紗外觀的假撚紗。長纖原絲由多根連續纖維組成，表面平滑、纖維排列緊密，通常缺少捲曲與蓬鬆感；經假撚加工後，纖維在熱定形下取得捲曲形態，布料因而較柔軟、有彈性，也較具保暖與覆蓋性。

假撚的定義：先對紗線施加捻度，使纖維形成螺旋狀，再經加熱定形；之後解除所施加的捻度。紗線雖恢復無捻狀態，纖維仍保留熱定形所得的捲曲，形成蓬鬆且具彈性的紗線。

解題方法

依「原絲特性與加工需求 → 假撚作用原理 → 加工流程」作答。關鍵在於區分加工時暫時施加的捻度與成品留下的捲曲形態：假撚不是讓成品保留原有的捻度，而是利用捻曲狀態下的熱定形，使纖維在退捻後仍保有捲縮。

為何長纖原絲需要假撚加工

合成纖維長纖原絲通常具有連續、平直、光滑且排列緊密的特性。若直接使用，織物容易呈現平滑、緊實的長絲外觀，蓬鬆度、彈性及保暖性較不足，觸感也可能偏硬或偏冷。

假撚加工的主要目的如下：

• 增加蓬鬆與覆蓋性：使長絲形成捲曲及纖維間空隙，改善織物的豐滿感與覆蓋性。
• 提升彈性及伸縮回復性：纖維捲曲可在受力時伸展，卸除外力後再回復。
• 改善手感與外觀：使紗線及織物較柔軟，並呈現近似短纖紗的膨鬆、具紋理外觀。
• 增加保暖性：捲曲結構形成較多靜止空氣，減少熱量散失。
• 改善織物穿著表現：可減少長絲織物過於平滑、貼身或冰冷的感受，並增加服用舒適性。

加工原理

長纖紗通過假撚器時，紗線一側加捻、另一側退捻，因此捻度集中在加熱區段。紗線在受撚狀態下加熱，纖維因熱塑性而發生熱定形；冷卻後再解除捻度，紗線本體的淨捻度大致回復，但各單絲留下螺旋狀或波浪狀的捲曲。

核心觀念

本題考查棉與聚酯纖維的燃燒特性及對染料的親和性。漂白後的棉與聚酯外觀都可能呈白色，僅憑外觀不易區分；可用燃燒法作初步鑑別，再用染色反應確認。

解題方法

一、燃燒法

各取少量紗線，先移近火焰觀察，再放入火焰中，最後移開火焰觀察其燃燒與殘留物：

棉是纖維素纖維，燃燒後留下灰燼；聚酯是熱塑性合成纖維，受熱會軟化、熔融，冷卻後形成硬質熔融殘渣。以燃燒後的殘渣和熔融行為辨識，比單看氣味更可靠。

二、染色法