115 關務特考四等 紡織工程(選試英文) 紡織纖維學概要 考古題詳解

核心觀念

本題考查常見合成纖維的聚合物重複單元與結構如何影響纖維特性。解題時先辨認主鏈上的官能基與取代基，再連結分子間作用力、結晶性及吸濕性等性質：

• 主鏈含酯基 $-\mathrm{COO}-$、醯胺基 $-\mathrm{CONH}-$ 或氨基甲酸酯基 $-\mathrm{NHCOO}-$，分子鏈間作用力較強，通常有較好的強度。
• 聚烯烴主鏈以碳、氫為主，缺少親水官能基，通常吸濕性低、耐化學性佳。
• 含極性基團的纖維較容易與水或染料作用；高結晶性與分子鏈取向則有助於提高強度、耐熱性及尺寸穩定性。

以下以常見纖維級聚合物為例。化學式方括號內為重複單元；纖維的實際性能會隨聚合物種類、結晶度、牽伸與熱處理而改變。

解題方法與各纖維結構、特性

1. 聚酯（Polyester，典型為 PET）

重複單元：

$$\left[-\mathrm{OCH_2CH_2OCOC_6H_4CO}-\right]_n$$

PET 為聚對苯二甲酸乙二酯，主鏈含酯基，苯環使鏈段較剛硬。纖維強度與耐磨性佳，抗皺、尺寸穩定性好，吸濕性低、快乾；一般耐稀酸性佳，但強鹼可能使酯鍵水解。疏水性使其染色較不易，常以分散染料染色。

2. 聚醯胺（Polyamide，尼龍）

聚醯胺是一類聚合物，常見代表為尼龍 6 與尼龍 6,6。

• 尼龍 6： $\left[-\mathrm{NH(CH_2)_5CO}-\right]_n$
• 尼龍 6,6： $\left[-\mathrm{NH(CH_2)_6NHCO(CH_2)_4CO}-\right]_n$

主鏈含醯胺基，可形成氫鍵，因此強度、耐磨性與韌性佳，且有良好彈性回復性。聚醯胺吸濕性高於聚酯，吸水後尺寸與性能會受影響；耐鹼性通常良好，強酸則會破壞醯胺鍵。

3. 聚丙烯腈（Polyacrylonitrile，PAN；壓克力纖維主要成分）

重複單元：

$$\left[-\mathrm{CH_2CH(CN)}-\right]_n$$

側基腈基 $-\mathrm{CN}$ 極性強，分子鏈間作用力較大。壓克力纖維質輕、蓬鬆、保暖，耐日光與耐候性佳，外觀及觸感常用來仿羊毛；吸濕性低，靜電與起毛球問題較需留意。纖維級壓克力聚合物可含其他共聚單體，故不一定是純 PAN。

4. 聚丙烯（Polypropylene，PP）

重複單元：

$$\left[-\mathrm{CH_2CH(CH_3)}-\right]_n$$

側基甲基使其具立體規則排列時可結晶。PP 密度低，是常用纖維中質輕者；吸濕性極低、乾燥快，耐酸鹼及多種化學品，耐磨性也佳。其缺點是染色不易、耐熱與耐日光性有限，常須添加穩定劑。

5. 聚乙烯醇（Polyvinyl alcohol，PVA）

重複單元：

$$\left[-\mathrm{CH_2CH(OH)}-\right]_n$$

側基羥基可形成氫鍵，提供一定強度並提高親水性；PVA 纖維可具良好吸濕性與強度。耐水性取決於聚合度、醇解度及熱處理：一般未充分處理的 PVA 對熱水較敏感，經縮醛化或熱處理後可改善耐水性。PVA 通常由聚醋酸乙烯酯等前驅聚合物水解製得，因乙烯醇單體本身不穩定，並非直接將乙烯醇單體聚合。

6. 聚氯乙烯（Polyvinyl chloride，PVC）

重複單元：

$$\left[-\mathrm{CH_2CHCl}-\right]_n$$

核心觀念

本題考查纖維素經乙醯化製成醋酸纖維素的化學反應，以及醋酸纖維的紡製方式與用途。醋酸纖維素是以天然纖維素為原料，將其葡萄糖單元上的部分羥基（$-\mathrm{OH}$）轉化為乙酸酯基（$-\mathrm{OCOCH_3}$）所得的半合成纖維素衍生物。

纖維素每個無水葡萄糖單元有 3 個羥基。依乙醯化程度，可形成三醋酸纖維素或二醋酸纖維素；紡織用醋酸纖維常指經部分水解、取代度約為 2 的二醋酸纖維素。取代度（degree of substitution, DS）是每個無水葡萄糖單元平均被乙醯化的羥基數，範圍為 0 至 3。

解題方法與反應式

解題時先寫出纖維素羥基的乙醯化反應，再交代三醋酸纖維素的部分水解，最後說明醋酸纖維素溶液的紡製及應用。

1. 乙醯化反應

纖維素經醋酸活化後，以醋酸酐為乙醯化劑，濃硫酸作催化劑，在醋酸介質中反應。以纖維素重複單元表示，其完全乙醯化反應可寫為：

$$\mathrm{Cellulose(OH)_3 + 3(CH_3CO)_2O \xrightarrow[\text{醋酸}]{\text{濃硫酸}} Cellulose(OCOCH_3)_3 + 3CH_3COOH}$$

此反應將纖維素羥基上的氫以乙醯基取代，生成三醋酸纖維素。反應時使用醋酸酐作乙醯化劑，醋酸作溶劑或反應介質，硫酸作催化劑；纖維原料通常為高純度纖維素，如棉絨或木漿。

以重複單元分子式表示，完全乙醯化的總反應亦可寫為：

$$\mathrm{(C_6H_{10}O_5)_n + 3n(CH_3CO)_2O \rightarrow (C_{12}H_{16}O_8)_n + 3nCH_3COOH}$$

2. 水解熟成

核心觀念

本題考查聚丙烯腈（PAN）前軀體纖維經熱處理轉變為碳纖維時的化學結構演變。核心流程是：先把可熔融、線型的 PAN 分子轉變成耐熱的梯形結構，再於惰性氣氛中除去非碳元素，形成以碳為主的亂層石墨微晶結構。

PAN 的重複單元可簡寫為：

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

其中側鏈的腈基（$\mathrm{-C\equiv N}$）是後續環化反應的重要位置。製程主要分為穩定化（氧化）、碳化，以及視需求進行的石墨化。

解題方法：依序說明結構變化與反應

1. PAN 線型前軀體

紡絲後的 PAN 纖維具有取向排列的線型分子鏈，腈基沿主鏈分布。此時纖維仍屬熱塑性材料，若直接高溫處理，容易軟化、熔融或分解，因此須先穩定化。

2. 穩定化：線型鏈轉為梯形耐熱結構

將 PAN 纖維在空氣或含氧氣氛中緩慢加熱，常見溫度約為 $200\sim300\,^\circ\mathrm{C}$。此階段的主要反應包括：

• 環化（cyclization）：相鄰腈基反應，形成含氮共軛環狀結構；原本線型的分子鏈逐步轉為梯形聚合物（ladder polymer）。
• 脫氫（dehydrogenation）：移除部分氫，增加分子骨架的共軛程度。
• 氧化（oxidation）：氧進入結構，形成含氧官能基，並促進鏈間交聯。
• 交聯與芳構化（crosslinking and aromatization）：使分子鏈彼此連結，增強結構穩定性。

核心觀念

吸濕排汗機能性織物的目的，是使汗液迅速離開皮膚表面，並沿織物移動至外層，再藉由較大的蒸發面積散逸到周圍空氣中，以降低皮膚的濕黏感。其作用可分為「液態汗水的吸收與傳導」及「汗水的擴散與蒸發」兩個階段。

需區分「吸濕」與「吸水」：吸濕通常指纖維吸收水蒸氣，與纖維的親水性及回潮率有關；排汗機能則主要指液態汗水在紗線與織物中的傳導、擴散及蒸發。吸濕性高不必然代表排汗快，若水分留在織物內而不易擴散、乾燥，仍會有濕重與黏膩感。

解題方法

作答宜依汗液的移動路徑說明作用原理，並帶出材料、紗線與織物結構如何共同形成水分傳輸效果：

1. 汗液由皮膚側進入織物 皮膚產生的汗液先接觸貼身層。纖維表面的親水性、紗線間隙與織物毛細孔隙，會影響液態水的潤濕與吸收。表面較易潤濕的材料或結構，有助汗液進入纖維集合體及毛細通道。

2. 藉毛細作用傳導汗液 紗線內纖維間、紗線間以及織物組織形成的細小孔隙，構成毛細通道。汗液受毛細力作用沿通道移動；通道的尺寸、連續性與分布會影響傳導速度及方向。纖維截面、紗線結構、織物密度與組織設計，都可用來調整毛細傳導效果。

3. 由內側向外側轉移並擴散 機能性織物常利用內外層不同的親水性或毛細結構，建立水分由皮膚側移向外側的傳輸梯度。汗水到達外層後，再沿較大的織物表面擴散，使水分分散成薄層或較大的濕潤面積，增加與空氣接觸的範圍。

核心觀念

本題考查以纖維的形態、尺寸、密度、光學性質及熱學性質等物理特徵進行鑑別。物理鑑別通常不會只依賴單一觀察，而是先用顯微鏡觀察外觀，再以密度、折射率或熱性質等方法交叉判斷。混紡纖維或外觀相似的纖維，尤其需要多種方法配合。

解題方法

可依序從以下物理特徵鑑別：

1. 外觀與顯微鏡觀察 觀察纖維的長短、粗細、縱向形態及橫截面形狀。棉纖維縱向常呈扁平帶狀並有天然轉曲，橫截面近似不規則腎形；羊毛表面有鱗片，縱向呈捲曲；蠶絲表面較平滑，橫截面近似三角形；麻纖維縱向可見節狀橫節，橫截面形狀不規則。合成纖維則常具有較規則的縱向表面與截面，例如一般圓形截面的聚酯纖維。

2. 長度與細度測定 天然短纖維通常可由纖維長度分布及細度特徵輔助辨認；化學纖維則常可製成連續長絲，也可切成定長短纖維。單靠長度不能確定纖維種類，但可先區分長絲與短纖維，並縮小判斷範圍。

3. 密度測定 以密度梯度管或液體浮沉法比較纖維密度。纖維置入已知密度的液體中，若下沉，表示纖維密度較大；若上浮，表示纖維密度較小。再將測得密度與已知纖維特性比對，可作為鑑別依據。例如聚酯纖維密度通常高於聚丙烯纖維；聚丙烯纖維密度低於水，通常會浮於水面。