114 關務特考四等 紡織工程(選試英文)科別 紡織纖維學概要 考古題詳解

核心觀念：羊毛纖維的雙相異構

羊毛纖維的皮質層主要由兩種性質不同的皮質細胞構成：正皮質（orthocortex）與副皮質（paracortex）。在細毛羊毛中，兩者常沿纖維截面並列成兩個半部，分界沿纖維長軸呈螺旋狀延伸，形成不對稱的雙相結構，稱為雙相異構現象（bilateral structure）。

兩相在結構與組成上有差異：正皮質的含硫交聯通常較少，較容易受化學藥劑作用；副皮質的含硫蛋白及胱胺酸二硫鍵較多，交聯較密，對化學作用較具抵抗性。細毛羊毛中，正皮質通常位於捲曲波的凸側，副皮質則位於凹側。

解題方法：由兩相差異推導性能

作答可分成兩步：先說明兩相的排列與性質差異，再分別推導其對物理性能與化學性能的影響。關鍵因果關係是：兩側吸濕膨潤、伸長及收縮反應不一致，形成內部應力，因而使纖維彎曲並產生天然捲曲。

一、對物理性能的影響

1. 形成天然捲曲 正皮質與副皮質在吸濕後膨潤程度、縱向尺寸變化及彈性反應不同；兩相沿截面不對稱排列時，差異會造成纖維內部應力，使纖維朝一側彎曲，形成羊毛特有的天然捲曲。正皮質通常在捲曲波凸側，副皮質在凹側。

2. 提高蓬鬆性與保暖性 捲曲使纖維間形成較多空隙，增加纖維集合體的厚度與蓬鬆度；空隙中可滯留空氣，因此有助於隔熱保暖。

3. 改善彈性與回復性 兩相的差異反應和羊毛角蛋白的彈性共同作用，使羊毛受力變形後具一定回復能力；捲曲也有助於織物維持豐滿手感。

二、對化學性能的影響

1. 化學反應性不均 正皮質交聯較少、結構較易受藥劑接近，通常較容易膨潤及受化學藥劑作用；副皮質因二硫鍵交聯較多，通常較耐化學攻擊。鹼處理時兩相反應差異尤其明顯，可能使捲曲減弱，甚至發生曲率反轉。

核心觀念

本題比較兩種以化學處理改變纖維或織物性質的加工。答題時要先分清加工對象：絲光加工主要作用於棉等纖維素纖維；減量加工主要作用於聚酯纖維。兩者都常使用氫氧化鈉，但纖維反應、加工目的及成品效果不同。

解題方法

依序說明各加工的纖維對象、處理方法、作用功效，並補充其作用原理與加工控制重點。比較兩者時，尤其要指出：絲光是使纖維素纖維膨潤並改善光澤、染色性；減量則是使聚酯纖維表面受控水解、減少纖維重量並改善手感與懸垂性。

一、絲光加工

**纖維對象：**以棉纖維及棉織物為主，也可用於麻等纖維素纖維。

**加工方法：**將棉紗或棉織物浸入高濃度氫氧化鈉溶液中處理，再充分水洗、中和。加工時可採張力絲光或無張力絲光；若在纖維受鹼膨潤時施以張力，並在張力下水洗，能減少收縮並提高光澤。常見設備包括鏈式絲光機及紗線絲光機。

**作用原理與功效：**濃鹼使棉纖維膨潤，纖維截面較趨圓、表面較平滑，並使纖維素結構及光線反射狀態改變。主要效果如下：

1. **增加光澤：**張力下絲光可使織物表面較平整，產生持久的絲樣光澤。
2. **提高染色性：**纖維膨潤及結構改變後，染料較易進入纖維，染色速度及染色深度通常提高。
3. **改善尺寸穩定性：**適當張力控制可減少後續洗滌或加工時的收縮。
4. **提升部分機械性質：**纖維結構較均勻，通常有助於提高強度，並改善織物外觀。

絲光品質受鹼液濃度、溫度、處理時間、張力及水洗是否充分影響；鹼液殘留會妨礙後續加工。

二、減量加工

**纖維對象：**主要為聚酯纖維，尤其是聚酯長絲織物；聚酯與棉混紡品也可進行鹼處理，但須考量棉纖維同時受到絲光作用。

核心觀念

本題考查兩種聚醯胺纖維的分子結構、聚合反應、纖維成形方式，以及結構如何造成性能差異。

Nylon 6 是脂肪族聚醯胺，主鏈較柔軟，通常以熔融紡絲製成；Kevlar 是芳香族聚醯胺，主要成分為聚對苯二甲醯對苯二胺（PPTA），分子鏈剛直、耐熱，通常以液晶溶液進行乾噴濕紡。

解題方法

依「單體與聚合 → 紡絲及後處理 → 結構與性能對照」作答。寫出聚合反應時，指出反應類型及副產物；比較性能時，將芳香環、鏈段柔順性、分子間氫鍵與取向度連結到強度、模數、伸長性及耐熱性。

一、Nylon 6 的聚合與纖維製備

聚合反應

Nylon 6 的單體是 ε-己內醯胺（ε-caprolactam）。工業上常以水引發的開環聚合製備：先由水促使己內醯胺開環，形成胺基與羧基端基，再經縮合形成聚醯胺鏈。重複單元可寫為：

總反應可概略表示為：

此反應稱為開環聚合；水在工業製程中可作為引發開環的介質，聚合過程的實際機構包含開環與後續縮合步驟。

纖維製備

聚合所得 Nylon 6 熔體經脫揮、切粒後，將切片乾燥，再加熱熔融，以計量泵送至噴絲頭。熔體由噴絲孔擠出，冷卻固化成絲；之後進行牽伸，使分子鏈沿纖維軸向排列，並視用途施以熱定形、上油及捲取。此法為熔融紡絲，不需溶劑及凝固浴。

二、Kevlar 的聚合與纖維製備

聚合反應

Kevlar 為芳香族聚醯胺，其聚合物是 PPTA，單體為對苯二胺（p-phenylenediamine，PPD）及對苯二甲醯氯（terephthaloyl chloride，TCl）。兩者經低溫溶液縮合聚合，生成醯胺鍵並放出氯化氫：

工業製程會使用鹼等方式中和生成的氯化氫。PPTA 主鏈含有對位排列的苯環與醯胺鍵，鏈段剛直且規整。

纖維製備

PPTA 熔點高於其熱分解溫度，不能像 Nylon 6 一樣以一般熔融紡絲成形。製得的高分子先溶於濃硫酸，配成具有液晶性質的紡絲液，再經噴絲頭擠出，通過空氣隙進入凝固浴，形成纖維；

核心觀念

人造複合纖維是將兩種以上聚合物以不同方式配置在同一根纖維截面中，再經複合紡絲製成的纖維。各成分可在後續加工中保留、分離或去除，藉此取得單一聚合物纖維不易同時具備的細度、手感或機能。

依截面配置與分離方式，常見類型如下：

• 並列型（side-by-side）：兩種聚合物並列於纖維截面兩側；若兩成分收縮率不同，纖維會產生捲曲，可用於仿毛或彈性蓬鬆纖維。
• 皮芯型（sheath-core）：一種聚合物包覆另一種聚合物，形成外皮與芯層；可利用芯層提供強度、外皮提供染色性或表面機能。
• 海島型（islands-in-the-sea）：許多「島」成分分散在連續的「海」成分中；去除海成分後，島成分分離成極細纖維。
• 分割型（split-type）：不同聚合物以扇形或楔形區塊交替排列；經水流、機械或化學處理後，各區塊沿長度方向分裂成較細纖維。

解題方法

題目同時問複合纖維的分類，以及擦拭潔淨用途仿桃皮布所用的纖維。作答時先列出複合紡絲的主要截面型態，再依用途辨認其所需特性：擦拭布需要柔軟細緻的表面與較大的比表面積，以利貼合細微表面、吸附或帶走污物；仿桃皮布則需要細微纖維形成類似桃皮的短絨表面。符合這些需求的是海島型超細纖維。

適用類型及原因

核心觀念

異型斷面纖維是利用噴絲板上不同形狀的噴絲孔，使聚合物熔體或溶液經噴出、冷卻凝固後，形成非圓形截面的纖維。噴絲孔形狀決定基本截面輪廓；實際成形仍會受熔體黏度、表面張力、冷卻及牽伸條件影響。

本題要掌握三種截面的噴口幾何設計，並說明其如何改變纖維表面積、截面慣性、空氣含量與光線反射，進而帶來不同功能。

解題方法

依「噴口設計 → 成形截面 → 結構效果 → 纖維特性與用途」逐種說明。描述噴口時要區分實心異型孔與中空孔：前兩者以異型輪廓形成實心纖維；中空纖維則須用環狀或多段弧形噴口，讓聚合物包圍芯部空間。

各種斷面的紡口設計與特性

一、十字型斷面

**紡口設計：**噴絲孔設計成十字形，由中央交會區及向外伸出的四個臂部構成。熔體通過後形成實心十字形截面。

**特性：**十字形具有凹槽與突出臂部，與相同截面面積的圓形纖維相比，通常有較大的表面積，且臂部間凹槽可形成毛細通道，有利於水分沿纖維表面擴散與傳輸，因此適合吸濕排汗、快乾等用途。截面凹凸也會改變光線反射與散射，使纖維或織物呈現較佳光澤、遮蔽或外觀效果。凹槽亦可增加纖維間的空氣滯留，改善蓬鬆與保暖感。

二、四角型斷面

**紡口設計：**噴絲孔採四角形或近似方形輪廓，熔體凝固後形成實心四角形截面。實際設計可調整角部尖銳程度及邊長比例，以控制截面外觀與功能。

**特性：**四角形的角部使周邊輪廓較圓形纖維複雜，增加表面反射與散射，能改善光澤、遮蔽性及織物外觀。纖維在織物中排列時，角部也會影響纖維間接觸與空隙形態，可使織物呈現較乾爽、蓬鬆的觸感。