107 專技高考高等考試 紡織工程技師 紡紗工程 考古題詳解

核心觀念

本題考查環錠細紗機（Ring Spinning Frame）之「改質與複合紡紗技術」，核心觀念聚焦於機構改造、鬚條運動幾何學及纖維複合包覆機制：

1. 賽洛式紡紗（Siro Spun Yarn，又稱雙粗紗紡紗、雙錠紡）：

• 機構原理：在傳統環錠細紗機上，將兩根具有定量間距（Spacing）的同向粗紗同時餵入同一個牽伸機構（Drafting system），經羅拉牽伸後，兩股鬚條自前羅拉鉗口輸出，在導紗鉤與錠子旋轉產生的單一加撚作用下，於前羅拉下方某「匯合點」（Convergence point）匯聚加撚成紗。
• 成紗原理：每根獨立鬚條在匯合點上方因假撚效應獲得部分預撚（Pre-twist），匯合後再受到真撚作用合股。該結構兼具單紗之細緻度與雙股線（Two-ply yarn）之外觀與物性，大幅減少表面毛羽並提高斷裂強度，達到「以紡代撚」之經濟效益。

2. 長纖維絲－短纖維棉之精紡式包芯紡紗（Filament/Cotton Core-spun Yarn）：

• 機構原理：以短纖維棉粗紗作為「皮紗（Sheath）」，長纖維長絲（如 Spandex 彈性絲或 Polyester/Nylon 高強長絲）作為「芯紗（Core）」。短纖棉粗紗走傳統三羅拉雙皮圈牽伸機構進行高倍牽伸；長長絲則由專屬的主動/被動式供絲機構與導絲定位器引入，繞過短纖主牽伸區，直接由前羅拉鉗口中央餵入。
• 成紗原理：短纖維鬚條自前羅拉鉗口輸出時形成加撚三角區（Spinning triangle），長絲位於三角區正中央作為骨架，藉由鋼領與鋼絲圈的旋轉加撚，短纖維旋轉包覆於長絲外圍，形成內芯為長絲、外層為純棉手感的複合包芯結構。關鍵在於長絲之張力控制（預牽伸倍數）與對中定位，以杜絕「露芯」（Core stripping）瑕疵。

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解題方法

此類機構問答題必須採取「圖文合一、結構與原理解構」的答題策略：

1. 機構示意圖：準確繪出給棉、牽伸、導入、加撚及捲繞系統之相對位置與走紗路徑，並明確標註關鍵零組件名稱。
2. 機構配置與運動分析：詳細剖析改造之特殊機構（如賽洛紡的雙孔喇叭口與間距隔距件；包芯紡之長絲供餵盤、預伸長滾輪與前羅拉導絲定位槽）。
3. 成紗幾何與作用力學：解釋纖維在鉗口外的加撚、匯集、包覆物理歷程，以及該機構對終端紗線物性的影響機制。

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詳細解說與機構圖

(一) 賽洛式紡紗（Siro Spun Yarn）

1. 機構示意圖

 [粗紗架 (雙粗紗筒管)]
 │ │
 ▼ ▼
 [雙孔集束器 / 分紗喇叭口]
 │ │
 後羅拉 (Back rollers) ○=○ (定距餵入)
 │ │
 中羅拉與皮圈 (Apron draft) ◎=◎
 │ │
 前羅拉 (Front rollers) ○=○ (鉗口處維持間距 d)
 \ /
 兩獨立單條獲部分預撚 \ / 加撚三角區 (Twisting Triangle)
 ▼
 匯合點 (Convergence point)
 │
 │ 賽洛複合紗 (Siro yarn)
 ▼
 [導紗鉤 (Pigtail guide)]
 │
 [鋼絲圈 (Traveler)] ──┐
 │ │ [鋼領 (Ring)]
 ▼ ▼
 [錠子 / 紗管 (Spindle/Bobbin)]

2. 機構改造與工作原理

• 供餵與牽伸機構： 在傳統細紗機後方粗紗架設置雙倍粗紗托架，每錠同時餵入兩根相同規格之粗紗。在後羅拉進口處配置專用的「雙孔喇叭口（Double-hole condenser）」，確保兩根粗紗在牽伸區內部平行運作、互不干擾，維持受控的中心距 $d$。
• 牽伸與輸出： 兩根粗紗經過傳統三羅拉長短皮圈牽伸機構進行均勻拉細，在到達前羅拉鉗口（Nip）引出時，依然保持平行的兩個獨立鬚條。
• 匯聚加撚機構： 由錠子與鋼絲圈高速旋轉給予撚度。由於兩鬚條輸出點分開，兩股鬚條自鉗口至下方匯合點呈現「V 字型」匯聚區。撚度向上傳遞時，受幾何角度限制，在匯聚點上方各自分支，對單獨鬚條施加微弱的預撚；隨後兩鬚條在匯合點互相搓撚、糾纏，最後結合成具有類似雙股線結構的單紗。
• 性能特點： 兩鬚條匯合時將邊緣擴散的短纖維緊緊夾持包裹在紗體核心，表面浮游纖維大幅減少，因而具備極低毛羽（降低 50% 以上）、耐磨耗性佳、強力高於同支數傳統單紗之優點。

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核心觀念

本題考核合成纖維後加工工程中「假撚加工紗」（False-Twist Textured Yarn）的機構構造與力學原理。核心觀念包含：

1. 假撚機構的六大核心單元：原紗供給、喂入羅拉、第一加熱器（熱箱）、冷卻區、假撚錠子（Pin Spindle）、引出羅拉與捲取機構。
2. 假撚的幾何與代數原理：固定長度紗條在兩端夾持下，中間給予旋轉加撚，上游與下游產生大小相等、方向相反的撚度（$+T$ 與 $-T$）；紗線持續運移時，穩態下通過加撚點後名義總撚度為零： $\Sigma T = T_{\text{上游}} + T_{\text{下游}} = (+T) + (-T) = 0$
3. 熱定型與捲曲記憶機制：熱塑性合成纖維（如聚酯 PET、聚醯胺 PA）在上游加撚狀態下，於玻璃化轉變溫度（$T_g$）與熔點（$T_m$）之間加熱，使非晶區高分子鏈重排鬆弛；接著在進入錠子前「充分冷卻」鎖定分子構型；最後經錠子解撚時，單絲內部產生扭曲內應力，張力鬆弛後自發形成立體螺旋捲曲。

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解題方法

本題為標準的「圖解申論題」，評分關鍵在於圖示的工整度、標註完整度與學理說明的條理性：

1. 第 (一) 子題（設備機構示意圖解）：

• 繪製由上至下（或由左至右）的連續式加工紗路圖。
• 務必明確畫出「冷卻區」（Cooling Zone）。考生常漏畫冷卻板，若未冷卻即進入錠子，高溫受撚纖維會在銷子摩擦下變形損壞，無法定型。
• 標明各單元之速度變數（如 $V_1$ 喂入速度、$V_2$ 引出速度），展現超餵率（Overfeed）或延伸概念。

2. 第 (二) 子題（加工原理示意圖解）：

• 建立「夾持—加撚—解撚」的三點力學模型（Feed Rollers A $\rightarrow$ Spindle C $\rightarrow$ Delivery Rollers B）。
• 分為「靜態假撚」與「連續運移假撚」兩階段推導，寫出撚度公式 $T = \frac{N}{v}$。
• 繪製微觀單絲截面或螺旋形態變化圖（平滑原絲 $\rightarrow$ 受熱扭曲 $\rightarrow$ 冷卻定型 $\rightarrow$ 解撚蓬鬆），使熱機械定型原理解析完整。

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選項分析

非選擇題，本題為高等考試專技技師之工程申論與機構繪圖題，無選項分析。

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解題技巧

1. 圖面繪製黃金法則：

• 考卷上以簡單線條、方塊、箭頭繪製，重點在「標註」（Annotation）而非藝術美觀。
• 務必標出：加撚區（Twist Zone, 存在撚度）與解撚後退撚區（Untwisted Zone, 殘留捲曲應力）。

2. 陷阱提示：

• 「錠子式」（Spindle / Pin Type）與「摩擦式」（Friction Disk Type）不同。錠子式內部具備一根橫向藍寶石或陶瓷銷（Pin），紗線在管內繞過銷子，利用管身高速轉動強制賦予 $1:1$ 轉數的真撚，繪圖時需凸顯細管與導紗銷（Pin）構造。
• 解釋原理時，切忌只寫「加撚又解撚」，必須強調「加熱解除應力 $\rightarrow$ 冷卻固定形變」之熱力學歷程，否則無法解釋為何解撚後紗線不會恢復原狀。

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【答案】

(一) 錠子式假撚加工製程（False-Twist Process）設備機構示意圖解

1. 製程設備機構示意圖

 [ 供紗架 (Creel) ]
 │
 [ 原紗筒管 (Supply Package, POY/FOY) ]
 │
 ▼
 ◎───◎ [ 第一給紗羅拉 / 喂入羅拉 (Feed Roller, V₁) ]
 │ │
 └───┘
 │ 
 │ ═════════════════════════════════ (加撚區起始)
 ▼
 ┌──────────┐
 │ │
 │ 加熱箱 │ [ 第一加熱器 (Primary Heater, T > Tg) ]
 │ (Heater) │
 │ │
 └──────────┘
 │
 ▼
 [ 冷卻板 ] [ 冷卻區 (Cooling Zone, T < Tg) ]
 │
 ▼
 │ █ │ [ 假撚錠子 (False-Twist Spindle) ]
 │ ─o─ │ (細管高速旋轉，內部帶有藍寶石導紗銷 Pin)
 │ █ │ 旋轉轉速：N (rpm)
 │ ═════════════════════════════════ (解撚點)
 ▼
 ◎───◎ [ 第二給紗羅拉 / 引出羅拉 (Delivery Roller, V₂) ]
 │ │
 └───┘
 │
 ▼
 [ 導紗器 ]
 │
 ▼
 ╭──────────╮
 │ 捲取筒子 │ [ 捲取機構 (Take-up Package / Winder, V₃) ]
 ╰──────────╯

核心觀念

本題考查紡織工程技師專業科目《紡紗工程》中「特殊紡紗與花式撚紗技術」的核心原理，重點涵蓋兩大知識體系：

1. 花式紗（Fancy Yarn）的幾何結構與組成要素：理解複合型花式線由「芯紗（Core yarn）」、「飾紗／效紗（Effect yarn）」及「固紗／紮紗（Binder yarn）」三者構成的機能分工與配置關係。
2. 中空錠子花式撚紗機構（Hollow Spindle Fancy Twisting System）：掌握利用中空錠子進行「一步法（One-step process）」包覆加撚的機構配置、紗線動態路徑（超餵機構 $\to$ 中空錠軸心穿紗 $\to$ 固紗旋轉包覆 $\to$ 引出捲取）及其與傳統環錠兩步撚紗法之機構差異。

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解題方法

此類「繪圖解說」題型為專技高考的高頻題，作答策略採取「圖文緊密對照法」：

1. 結構示意圖（第 (一) 小題）：以立體或縱向展開圖精確繪出「芯紗居中承重」、「飾紗超餵形成環／圈／波」及「固紗螺旋反向紮縛」之相對幾何位置，並以文字條列定義各組成紗線的機能與物性要求。
2. 機構示意圖（第 (二) 小題）：沿著「紗線運行軌跡」自上而下完整繪出中空錠花撚系統：

• 餵入機構（芯紗羅拉與飾紗超餵羅拉）
• 加撚與包覆機構（中空錠子、錠翼／導紗鉤、固紗筒子）
• 輸出與捲繞機構（引出羅拉、捲取導紗筒） 標記關鍵機構名稱及轉速／線速度向量，並輔以步序說明成紗之機械力學行為。

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解題技巧

1. 繪圖得分要件：

• 紗線路徑不可中斷或懸空，必須清晰穿過「中空錠的中心軸孔」。
• 務必在圖中特別標示「超餵（Overfeed）」關係：飾紗羅拉線速度 $V_{\text{effect}}$ 大於芯紗羅拉線速度 $V_{\text{core}}$，這是產生外觀花式效果的關鍵機械條件。

2. 考場常見盲點與扣分陷阱：

• 誤將中空錠機構畫成「傳統環錠（Ring twisting）」；中空錠的固紗筒子是安裝在旋轉中空軸外側，芯紗與飾紗是由軸心內穿過，而非由外部氣圈環繞。
• 漏畫固紗（紮紗），若無固紗，飾紗在織造或後整理時易產生滑動移位（Stripping back）。

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【答案】

(一) 花式紗（Fancy Yarn）的基本結構示意圖解

1. 結構示意圖

 固紗／紮紗 (Binder Yarn)：外層反向螺旋纏繞鎖定
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 ════════════════════════════════════════════════════ 芯紗 (Core Yarn)：承受軸向張力
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 ────╯ ╰────────╯ ╰────────╯ ╰──────────── 飾紗 (Effect Yarn)：超餵形成外凸飾圈

2. 組成要素機能解析

標準複合花式紗（以圈圈紗／結子紗為例）由以下三部分組成：

1. 芯紗（Core Yarn / Ground Yarn）：

• 機能：位於紗線幾何中心軸，提供整支紗線的機械強度、結構穩定性與剛性。
• 特性要求：通常採用強力高、延伸性適中之合股紗（如聚酯長纖或高強力棉紗），在加工過程中承受主要張力，其前進速度決定最終紗線的生產速度 $V_{\text{core}}$。

2. 飾紗／效紗（Effect Yarn）：

• 機能：產生花式紗之外觀特徵、手感與視覺效果（如圈圈、波紋、竹節、結子等）。

核心觀念

棉紡紗工程（Cotton Spinning Process）的核心任務，是將原始狀態下雜亂無章、相互糾纏且含有雜質的短纖維棉塊（原棉），依序透過開鬆（Opening）、除雜（Cleaning）、混合（Mixing）、梳理（Carding/Combing）、牽伸（Drafting）、加撚（Twisting）​與捲繞（Winding）​等單元操作，逐步加工成截面均勻、纖維平行順直且具備一定強力的連續線狀紡織品（紗線）。

依據原棉品質與目標成紗等級，棉紡主要分為兩大系統：

1. 普梳棉紗系統（Carded Cotton Spinning System）：適用於一般或中低支數棉紗，製程未經精梳工序。
2. 精梳棉紗系統（Combed Cotton Spinning System）：用於高支、高檔與高品質棉紗，於梳棉後加入精梳準備與精梳工序，專門排除短纖維（落棉）、棉結與殘留微細雜質，大幅提升纖維平行伸直度。

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解題方法

本題為專技高考紡織技師的經典申論題（佔 25 分）。作答關鍵在於：

1. 體系完整：不可僅寫普梳工程，必須將「普梳系統」與「精梳系統」並列或分支說明，以展現完整的專業架構。
2. 表格化呈現：考官批閱時著重於「工程先後順序」與「各階段產出物（半製品／成品）名稱」的一一對應。採用結構化表格列出：工程程序、英文名稱、主要使用機台、半製品／成品形態及其工程功能。
3. 名詞精確：半製品與成品的專業名詞須標準嚴謹（如：生條、精梳小捲、熟條、粗紗、管紗、筒子紗），不可使用口語或模糊描述。

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選項分析

本題為專業申論題，無選擇題之選項。針對工程設計評估時易產生的流程分歧與選用考量，進行對比分析：

• 普梳流程（Carded System）：開清棉 $\to$ 梳棉 $\to$ 併條（通常兩道） $\to$ 粗紗 $\to$ 細紗 $\to$ 絡紗。
• 分析：流程短、成本低、產量高，但成紗毛羽較多、強力較低、雜質短纖率較高，適用於中粗支紗（如 20s、30s）。
• 精梳流程（Combed System）：開清棉 $\to$ 梳棉 $\to$ 精梳準備 $\to$ 精梳 $\to$ 併條 $\to$ 粗紗 $\to$ 細紗 $\to$ 絡紗。
• 分析：梳棉後的生條必須經過「條捲／併捲」做成平整的小捲，方能餵入精梳機；精梳能排除 $12\% \sim 18\%$ 以上的短纖維，顯著提高紗線光澤、條乾均勻度（CV%）與拉伸強力，適用於細號高檔紗（如 40s、60s、80s 以上）。

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解題技巧

1. 工序記憶順序訣竅：「開、梳、[捲、精]、併、粗、細、絡」

• 「開」：開清棉
• 「梳」：梳棉
• 「捲、精」：精梳準備（小捲）與精梳（精梳條）
• 「併」：併條（生條轉熟條）
• 「粗」：粗紗
• 「細」：細紗（管紗）
• 「絡」：絡紗（筒子紗）

2. 常犯失分陷阱：

• 漏寫精梳準備：精梳機無法直接餵入梳棉條，必須先經條捲機（Sliver Lap Machine）或條併捲聯合機（Draw Lap / Lap Former）製成「小捲（Comber Lap）」。
• 混淆半製品稱謂：梳棉產出的條子為「生條（梳棉條）」，經過併條機均整後的條子稱為「熟條（併條條）」，細紗機落紗物為「管紗」，經絡筒後的最終包裝品為「筒子紗」。

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【答案】

棉紡紗工程之主要工程流程表、主要機械設備及其各階段產出之半製品（或成品）表列如下：

一、棉紡紗工程主要流程圖