107 專技高考高等考試 紡織工程技師 染色工程（包括煉漂、染色與印花） 考古題詳解

核心觀念

本題旨在測驗考生對「紡織品數位噴墨印花（Digital Inkjet Printing）」於合成纖維代表——「聚酯纖維（Polyester, PET）」之加工技術路徑、染整物理化學機轉，以及其與「傳統印花（平網、圓網印花）」在工藝、經濟性、品質與環保面向之綜合比較。

涉及之核心理論與專業技術要點包含：

1. 聚酯纖維染色特性：高結晶度、無極性親水基團，玻璃轉移溫度 $T_g \approx 70 \sim 80^\circ\text{C}$，主要倚賴分子量小、疏水性的「分散染料（Disperse Dyes）」於高溫條件下向無定形區擴散上染。
2. 聚酯數位印花技術兩大主流路徑：

• 熱昇華轉印法（Dye Sublimation Transfer Printing）：氣相轉移擴散。
• 分散染料直接噴印法（Direct-to-Fabric Disperse Printing）：直接噴墨、高溫固色與後處理洗滌。

3. 印花評比維度：印前製版、打樣與生產週期、套色限制與漸層解析度、墨水／染料成本、滲透度與手感、廢水排放與能源耗損。

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解題方法

本題為典型的技術比較型申論題，答題架構應秉持層次分明、邏輯嚴謹之原則，切入點分為兩大部分：

1. 第一部分：詳述聚酯織物數位印花之應用技術 從技術原理、使用墨水、完整製程流程（前處理 $\rightarrow$ 印花 $\rightarrow$ 固色 $\rightarrow$ 後處理）分別剖析「熱昇華轉印技術」與「直接噴印技術」，並明確闡述其物理化學固色機轉。
2. 第二部分：數位印花與傳統印花之優缺點比較 從「生產彈性與前置作業」、「色彩表現與圖案精緻度」、「生產成本與經濟批量」、「牢度、手感與滲透性」、「綠色環保與節能減排」等維度系統性對比，文末以綜合對照表總結，展現專業答題格局。

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選項分析（非選擇題：各工藝技術方案之適用性評析）

本題為高等考試技師申論題，非選擇題。針對考題中聚酯數位印花所涉及之工藝途徑，其技術方案與傳統工藝之評析如下：

• 熱昇華轉印法（乾式製程）：適用於高聚酯含量（一般建議 PET $\ge 80\%$）之淺色或白色織物。優點為免水洗、線條邊界銳利、無廢水產生；缺點為厚重織物背面易露白、無法用於深色底布或天然纖維混紡比例過高之織物。
• 分散染料直接噴印法（濕式製程）：適用於旗幟、泳裝、厚重家紡或雙面穿透度要求高之聚酯布料。優點為得色濃艷、背面滲透性佳、手感柔軟；缺點為製程長，需進行印前上漿防滲化與印後高溫蒸烤及還原洗滌，會產生水污染與廢水處理需求。
• 傳統網版印花（平網／圓網）：適用於大批量、單色塊或特殊效果（如發泡、金銀粉、燙金）之量產。缺點為需分色開版、調漿耗料、起訂量（MOQ）門檻高、清版與洗網廢水量極大。

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解題技巧與常見失分陷阱

1. 切勿只寫「熱昇華轉印」而遺漏「直接噴印」：許多考生誤以為聚酯數位印花等同於熱昇華轉印。事實上，針對高穿透性需求的聚酯產品（如雙面旗幟、雪紡紗、厚重運動面料），分散染料直噴（Direct-to-Fabric）亦為工業界重要技術。
2. 固色機轉的物理化學細節：必須寫出溫度條件（轉印約 $190 \sim 210^\circ\text{C}$，蒸烤約 $170 \sim 180^\circ\text{C}$）以及聚酯纖維無定形區受熱自由體積（Free Volume）膨脹、染料昇華擴散固著的過程。
3. 直噴之「還原洗滌（Reduction Clearing）」不可遺漏：分散染料殘留於纖維表面會嚴重降低磨擦與水洗牢度，傳統與直噴製程中「保險粉（$\text{Na}_2\text{S}_2\text{O}_4$）＋ 燒鹼（$\text{NaOH}$）」的還原洗是拿分亮點。

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【答案】

一、數位印花在聚酯織物之應用技術

聚酯纖維（PET）具備強疏水性、無離子基團與高結晶度之特點，其數位噴墨印花目前以「分散墨水（Disperse Ink）」為核心，主要衍生為兩大應用技術路徑：

(一) 熱昇華轉印技術（Dye Sublimation Transfer Printing）

1. 技術原理： 使用壓電式噴墨印花機將水性熱昇華分散墨水噴印在經過特殊塗層處理的「熱轉印紙（Transfer Paper）」上形成鏡像圖案。經乾燥後，將轉印紙與聚酯織物緊密貼合，置於熱壓機或滾筒轉印機中加熱加壓（通常條件為 $190 \sim 210^\circ\text{C}$，時間 $20 \sim 40\text{ s}$）。
2. 固色機轉：

• 當溫度達到染料昇華點以上時，紙上的低／中能分散染料瞬間由固相昇華為氣相分子。
• 同時，高溫使聚酯纖維溫度超過其玻璃轉移溫度（$T_g \approx 70 \sim 80^\circ\text{C}$），無定形區的分子鏈運動加劇，微結構中的自由體積（Free Volume）顯著擴大。
• 氣態染料分子擴散進入纖維內部並溶解於聚酯非晶區；移開熱源冷卻後，纖維微結構重新閉合，染料分子被「凍結」並藉由凡得瓦力與氫鍵固著於纖維內。

3. 製程流程： 圖檔設計 $\rightarrow$ 噴墨印製轉印紙 $\rightarrow$ 熱壓轉印（$200^\circ\text{C}$ 前後） $\rightarrow$ 撕除廢紙 $\rightarrow$ 成品（無需水洗）。

(二) 分散染料直接噴印技術（Direct-to-Fabric Disperse Inkjet Printing）

1. 技術原理與特性： 直接將高純度、超微米化的分散染料墨水噴射至預先處理過的聚酯織物表面。此技術適用於要求高滲透性、色澤深濃或不適宜高溫壓平的織物（如厚重家紡、旗幟、天鵝絨、雪紡紗）。

核心觀念

本題評量色料結構化學及染整廢水工程的兩大核心知識：

1. Witt 發色理論（Witt's Chromophore-Auxochrome Theory）：由 Otto N. Witt 於 1876 年提出，為有機染料發色機制之古典基礎理論。核心概念涵蓋「色原體（Chromogen）」、「發色團（Chromophore）」、「助色團（Auxochrome）」之定義、功能及其在現代光化學中的 $\pi$ 電子共軛與電子躍遷（$\pi \rightarrow \pi^*$、$n \rightarrow \pi^*$）解釋。
2. 反應性染料（Reactive Dyes）之固著與水解競爭反應：反應性染料雖能與纖維素纖維形成共價鍵，但染色鹼性浴中同時存在「染料與纖維羥基之親核反應（固著）」與「染料與水中氫氧根離子之親核反應（水解）」的不可逆競爭，導致其固著率（Fixation rate）低於其他染料系統。
3. 高親水性染料廢水之脫色工程機制：因水解染料帶有多個磺酸基（$-\text{SO}_3\text{Na}$），溶解度極高且分子穩定，傳統重力沉降或常規生化處理不易去除，必須針對發色團（共軛雙鍵、偶氮鍵）之破壞或電荷中和沉澱來進行脫色（物化法、化學氧化法、生化厭氧還原）。

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解題方法

1. 第 (一) 子題：

• 採結構化分層闡述：首先界定 Witt 理論的體系構成，依序詳列「色原體」、「發色團」、「助色團」之精確定義與典型化學結構。
• 輔以現代光譜學觀念深化：說明發色團如何提供未飽和鍵以降低激發能階、助色團如何透過孤對電子共振（$p-\pi$ 共軛）引發深色位移（Bathochromic shift）與濃色效應（Hyperchromic shift），並提供水溶性與對纖維之親和力。

2. 第 (二) 子題：

• 殘餘量成因：從反應動力學與熱力學切入，列出「固著反應」與「水解副反應」之競爭關係式，點出水解染料失去反應活性、固著率（通常僅 $60\% \sim 80\%$）偏低之本質，並說明其結構具多個磺酸基導致高溶解度與不易竭染洗淨之特性。
• 主要脫色方法：依環境工程單元操作，分為「物化法（混凝沉澱、活性碳吸附、膜分離）」、「化學氧化法（Fenton 試劑、臭氧氧化、次氯酸鈉）」及「生物處理法（厭氧還原開環配合好氧分解）」，分別說明其脫色之化學／物理機制。

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解題技巧

1. 避免混淆關鍵名詞：

• 切勿將「助色團（Auxochrome）」誤記為染整加工用的「染色助劑（Auxiliaries）」。助色團是染料分子共價結構上的取代基（如 $-\text{OH}$、$-\text{NH}_2$）。
• 助色團可細分為「酸性助色團」（如 $-\text{OH}$、$-\text{SO}_3\text{H}$、$-\text{COOH}$）與「鹼性助色團」（如 $-\text{NH}_2$、$-\text{NHR}$、$-\text{NR}_2$），條列此分類可展現論述深度。

2. 反應式輔助得分：

• 說明反應性染料水解時，寫出通式：
• 固著：$\text{D-X} + \text{Cell-O}^- \rightarrow \text{D-O-Cell} + \text{X}^-$（或加成型式）
• 水解：$\text{D-X} + \text{OH}^- \rightarrow \text{D-OH} + \text{X}^-$
• 用反應式簡明扼要地證明水解染料失去與纖維鍵結之活性，是殘餘量最高的根本原因。

3. 脫色方法歸納法：

• 務必覆蓋「破壞發色基（化學氧化、厭氧破壞偶氮鍵）」與「物理相轉移（高分子沉澱、活性碳吸附）」兩大維度，切忌只寫單一方法。

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【答案】

(一) 色料物質之 Witt 發色理論

1876 年德國化學家 Otto N. Witt 提出發色理論，認為有機化合物之所以呈現顏色並具備染料特性，是由於分子結構中同時存在「色原體」、「發色團」與「助色團」三種基本結構單元：

1. 色原體（Chromogen）：

• 含有未飽和鍵的芳香族化合物（如苯、萘、蒽、偶氮苯等）為有機染料之母體結構。
• 具有延展的共軛電子系統，但本身通常無色或僅呈極淺微黃色，需引入特定官能基才能成為真正的發色物質。

2. 發色團（Chromophore）：

• 引進色原體中能促使其產生顯著顏色的未飽和官能基。
• 作用機制：發色團內含重鍵（雙鍵或三鍵），其未定域的 $\pi$ 電子降低了分子受光激發時的電子躍遷能量（主要為 $\pi \rightarrow \pi^*$ 及 $n \rightarrow \pi^*$ 躍遷），使最大吸收波長（$\lambda_{\max}$）紅移進入可見光光譜區（$400 \sim 700\text{ nm}$），使人眼觀察到其互補色。
• 常見發色團：
• 偶氮基（$-\text{N}=\text{N}-$）

核心觀念

本題評量角蛋白纖維（羊毛）之化學前處理與漂白機制，核心涵蓋三大觀念：

1. 羊毛蛋白質的化學結構與損傷耐受性：羊毛主成分為角蛋白（Keratin），含有高比例的胱胺酸（Cystine）雙硫鍵（$-\text{S}-\text{S}-$）。在還原劑作用下，雙硫鍵會被還原斷裂形成半胱胺酸（Cysteine）硫醇基（$-\text{SH}$），若反應條件過苛（特別是鹼性環境），會引發主鏈水解與交聯瓦解，造成強度大幅損失與氈化（Felting）。
2. 還原性漂白機制與發色團消色：還原漂白劑（如保險粉 $\text{Na}_2\text{S}_2\text{O}_4$）提供還原電位，將羊毛天然色素（類黑色素、膽紅素衍生物等）中的共軛雙鍵發色基團（Chromophore）還原成無色的隱色體（Leuco form）。此消色反應具有「可逆性」，暴露於光與空氣中易再氧化黃變（Photo-re-yellowing）。
3. 製程防護原理：包含「微酸性緩衝體系控制」、「重金屬離子螯合屏蔽」與「二段漂白組合配置」。

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解題方法

申論切入架構分為三大部分：

1. 漂白方法與藥劑選用：論述工業上常用的還原劑系統（以保險粉法為主，雕白粉及亞硫酸氫鈉法為輔）。
2. 漂白條件設定：量化列出浴比、藥劑濃度、pH 值、溫度與時間等具體工藝參數，並說明各參數之化學依據。
3. 實務作業應注意事項：針對纖維損傷、金屬污染、藥劑有效利用及漂白耐久性提出對應防範對策。

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一、 漂白方法

1. 保險粉（低亞硫酸鈉）浸漬漂白法（主推方法）

• 原理：利用連二亞硫酸鈉（$\text{Na}_2\text{S}_2\text{O}_4$）強大的還原力，在溫和條件下破壞色素發色團結構。
• 作業方式：採浸漬法（Exhaustion method），常於密閉式溢流染色機、絞紗染色機或浸漬槽中進行。

2. 亞硫酸氫鈉／偏亞硫酸氫鈉漂白法（溫和輔助法）

• 原理：利用 $\text{NaHSO}_3$ 或 $\text{Na}_2\text{S}_2\text{O}_5$ 在酸性水溶液中解離釋出亞硫酸（$\text{H}_2\text{SO}_3$），生成加成化合物達到消色效果，白度較低但手感相對柔軟。

3. 二段漂白法中的還原段（工業最高白度實務）

• 工藝路線：過氧化氫（$\text{H}_2\text{O}_2$）氧化漂白 $\rightarrow$ 水洗 $\rightarrow$ 保險粉還原漂白（Full Bleach）。此法兼具氧化漂白對色素之不可逆分解性與還原漂白之增白效果。

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二、 漂白條件（以保險粉浸漬法為基準）

工藝參數	實務設定條件	設定目的與化學依據
浴比（Liquor Ratio）	$1:20 \sim 1:30$	保證織物浸液均勻且避免過度機械摩擦導致縮絨氈化。
保險粉（$\text{Na}_2\text{S}_2\text{O}_4$）	$2 \sim 5\text{ g/L}$（或 $2 \sim 4\%\text{ o.w.f.}$）	足量提供還原電位，過量會增加羊毛二硫鍵之過度切斷風險。
穩定／螯合劑	焦磷酸鈉（TSPP）或 EDTA：$1 \sim 2\text{ g/L}$	螯合水中多價金屬離子（如 $\text{Fe}^{3+}, \text{Cu}^{2+}$），穩定還原浴。
pH 值	$5.5 \sim 6.5$（微酸性至中性）	羊毛等電點接近 $4.5 \sim 5.0$。微酸至近中性環境可防止鹼性水解；以醋酸（$\text{HAc}$）或磷酸鹽緩衝液調節。嚴禁在鹼性下還原。
溫度	$50 \sim 60^\circ\text{C}$	溫度低於 $45^\circ\text{C}$ 反應速率慢；高於 $65^\circ\text{C}$ 羊毛雙硫鍵水解速率劇增，強力大幅下降。
時間	$45 \sim 90\text{ 分鐘}$	確保還原反應完全平衡，避免超時浸泡造成羊毛損傷。

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三、 實務作業中應注意之事項

1. 嚴禁鹼性還原（嚴控 pH 範圍）

• 纖維素纖維常以「保險粉 $+$ 燒鹼」進行還原，但羊毛為蛋白質纖維，在鹼性條件下角蛋白二硫鍵極易水解斷裂：

核心觀念

本題考查聚醯胺纖維（Nylon，尼龍）與陰離子性染料（酸性染料）間之化學物理交互作用、染色工藝設定及現場工程控制。核心理論涵蓋：

1. 纖維化學結構與等電點特性：尼龍纖維具有兩性性質，分子鏈兩端帶有胺基（$-\mathrm{NH_2}$）與羧基（$-\mathrm{COOH}$），主鏈含有醯胺鍵（$-\mathrm{CONH}-$）。其等電點（Isoelectric Point）約在 $\mathrm{pH} \approx 5 \sim 6$。
2. 染著機構（Dyeing Mechanism）：

• 離子鍵（靜電引力）：在低於等電點的酸性條件下，末端胺基質子化成 $-\mathrm{NH_3^+}$，與酸性染料之磺酸基陰離子（$\mathrm{D-SO_3^-}$）形成離子鍵結合。
• 非極性凡得瓦力與氫鍵：當染料分子量增大或在中性浴條件下，非極性凡得瓦力與偶極、氫鍵成為主要結合力。
• 超當量吸附（Over-equivalent Adsorption）：強酸條件（$\mathrm{pH} < 2.5$）下醯胺鍵質子化，引發染料大量吸附並伴隨纖維水解脆化。

3. 染色座限制：尼龍的末端胺基含量（Amino End Groups, AEG）有限（約 $30 \sim 50\ \mathrm{mmol/kg}$），決定了離子結合型酸性染料的染色飽和值。

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解題方法

本題為標準的「工藝與物化原理整合申論題」，切入點應依題意架構化展開，切忌雜亂：

1. 分門別類：依親和力、分子量及適用 $\mathrm{pH}$ 值將酸性染料分為三類（強酸浴、弱酸浴、中性浴）。
2. 機理推導：以化學式表現質子化與離子鍵結合過程，並說明次級鍵之角色。
3. 數據具體化：給出實務上標準浸染條件（浴比、$\mathrm{pH}$、升溫曲線、持溫時間）。
4. 直擊現場核心問題：實務注意事項必須點出「阻隔效應（Blocking Effect）」、「條斑現象（Barré）」、「$\mathrm{pH}$ 滑動控制」及「後固色處理」。

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選項分析

本題為專技高考申論題，非選擇題，無選項可供拆解。各子要點在閱卷評分時之關鍵佔比與審題核心如下：

• 染料類別（佔比約 15%）：需依染色行為精確劃分三類，不可僅籠統寫「強酸性、弱酸性」，須包含分子量與牢度關聯。
• 染色機構（佔比約 25%）：必須包含末端胺基質子化化學式、離子結合、末端胺基飽和限制，以及非極性結合力。
• 染色方法、流程與條件（佔比約 30%）：需列出明確之昇溫曲線、助劑、浴比、溫度與時間數據。
• 實務注意事項（佔比約 30%）：必須明確回答阻隔效應（競染）與條斑產生機理與對策，此為判斷考生是否具備「技師級實務經驗」的關鍵鑑別點。

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解題技巧

1. 破除常見盲點：許多考生誤以為尼龍酸性染料染色「越酸越好」，實務上強酸會導致初染速率過快造成染花，甚至在 $\mathrm{pH} < 3$ 時破壞醯胺鍵導致強伸度崩跌。
2. 抓緊必考關鍵字：末端胺基（AEG）、均染型、縮絨型、阻隔效應（Blocking effect）、條斑（Barré）、$\mathrm{pH}$ 滑動劑（Acid donors）、單寧固色（Syntan）。
3. 繪圖思維：作答時若以升溫時間曲線圖輔助說明流程，層次分明且最易獲得高分。

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【答案】

酸性染料對尼龍（Polyamide）纖維之染色工藝詳述如下：

一、染料類別

酸性染料依分子結構、分子量大小、親和力高低以及染色所需之 $\mathrm{pH}$ 介質，主要分為三大類：

染料類別	分子結構與特性	適用染色 $\mathrm{pH}$	移染性（勻染性）	濕牢度
強酸浴酸性染料<br>（均染型，Leveling）	分子量小、磺酸基多（親水性強），對纖維直接親和力低。	$\mathrm{pH}\ 2.5 \sim 4.0$<br>（加硫酸或甲酸）	優（易移染修正）	較差（耐洗牢度低）
弱酸浴酸性染料<br>（半縮絨型，Milling）	分子量中等、磺酸基少，具中度親和力與疏水性。	$\mathrm{pH}\ 4.5 \sim 5.5$<br>（加醋酸／醋酸鈉緩衝）	中等	中至優
中性浴酸性染料<br>（超縮絨型／1:2金屬錯合）	分子量大、具芳香環疏水結構或含金屬原子，分子間凡得瓦力與氫鍵主導結合。	$\mathrm{pH}\ 6.0 \sim 7.0$<br>（加硫酸銨或醋酸銨）	差（初染速率快、不易移染）	極佳（耐光、耐洗優異）

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二、染色機構（Dyeing Mechanism）

酸性染料對尼龍的染著機制包含「離子結合」與「非極性分子間吸引力」兩大部分：

1. 離子鍵結合（靜電引力）： 尼龍纖維在水浴中，其末端胺基與羧基依溶液 $\mathrm{pH}$ 產生游離。當介質小於纖維等電點時，末端胺基質子化： $-\mathrm{NH_2} + \mathrm{H^+} \rightleftharpoons -\mathrm{NH_3^+}$ 此時，解離帶負電荷的染料磺酸基陰離子（$\mathrm{D-SO_3^-}$）藉由庫侖靜電吸引力，與纖維正電染座結合成鹽： $-\mathrm{NH_3^+} + \mathrm{D-SO_3^-} \rightleftharpoons -\mathrm{NH_3^+} \cdot \mathrm{^-O_3S-D}$

• 染色飽和值限制：離子鍵染著完全受限於纖維之末端胺基含量（AEG）。一般尼龍 6 或 6,6 之 AEG 僅約 $30 \sim 50\ \mathrm{mmol/kg}$，故酸性染料染深性有其物理上限。