107 專技高考高等考試 紡織工程技師 紡織品檢驗 考古題詳解

核心觀念

本題評量考生對「產業用／高功能性高分子纖維（High-Performance Fibers）」的化學組成、結構特性、物理機械極限及其特殊成形製程的掌握程度。

1. 高功能性纖維定義範疇： 相較於一般民生衣著用纖維，高功能性纖維通常具備超高拉伸強度（High Tenacity）、超高拉伸模數（High Modulus）、高耐熱／阻燃性（Thermal Stability/Flame Resistance）或高度耐化學腐蝕等極端物理化學特質。
2. 分子結構與力學性能關聯： 高性能之達成依賴「高分子主鏈剛性（Rigid-rod backbone）」或「高結晶度與超高分子鏈完全伸展配向（Extended-chain Crystals）」，使外力能直接由強固的共價鍵（Covalent Bonds）承載，而非由凡得瓦力承載。
3. 特種成形加工原理： 此類聚合物因熔點高於熱分解溫度或分子量極大而無法使用傳統熔融紡絲（Melt Spinning），必須採用特種加工途徑，如：乾噴濕紡（Dry-Jet Wet Spinning / 液晶紡絲）、前驅體熱轉化法（Precursor Pyrolysis）、凝膠紡絲超倍熱拉伸法（Gel Spinning & Ultra-drawing）。

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解題方法

本題為申論題，答題策略應採取「標準定義＋微觀結構機制」輔以「系統化製程單元工序（原料 $\to$ 紡絲／成形 $\to$ 熱處理／後加工）」切入。

選取在學術與國家考試中最具代表性、製程工序完備且評分標準明確的三大高功能性纖維：

1. 對位聚芳醯胺纖維（p-Aramid Fiber，如 Kevlar®）：剛性棒狀分子與溶致性液晶紡絲代表。
2. 聚丙烯腈基碳纖維（PAN-based Carbon Fiber）：前驅體固相氧化與高溫碳化熱轉化代表。
3. 超高分子量聚乙烯纖維（UHMWPE Fiber，如 Dyneema®）：柔性鏈解纏結凝膠紡絲與超倍配向代表。

每一纖維依序標明「定義與關鍵物性」及「逐步加工製程與反應控制條件」，使閱卷委員能清晰檢視得分要點。

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選項分析

本題為專技高考之申論題，非選擇題，故無選項分析。在國家考試評分架構中，本題配分重點為：

• 各纖維定義與化學特徵（佔 40%）：是否精確說明高分子結構、剛性鍵結構、結晶性及具體物性數值（如抗張強度、耐溫性）。
• 製程工序完整性（佔 60%）：是否包含溶液/膠體配製、特種紡絲手法、溶劑萃取/凝固、以及決定高性能的熱處理/延伸條件。

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解題技巧

1. 避免混淆「機能性」與「功能性」： 切勿舉例「吸濕排汗聚酯纖維（如 Coolmax）」或「抗菌防蟎纖維」，此類多屬一般衣著機能改性；高考「高功能性纖維」標準考點聚焦於極致物性之構造材料型纖維（High-Performance Industrial Fibers）。
2. 答題關鍵字精準命中：

• 芳綸：溶致性液晶（Lyotropic Liquid Crystal）、硫酸溶劑、乾噴濕紡、空氣段拉伸（Air-gap stretching）。
• 碳纖維：PAN 原絲、預氧化／穩定化（$200^\circ\text{C}\sim 300^\circ\text{C}$，梯形環狀化）、碳化（$1000^\circ\text{C}\sim 1500^\circ\text{C}$，脫非碳元素）、石墨化。
• UHMWPE：重均分子量 $M_w > 10^6\text{ g/mol}$、半稀薄溶液、凝膠紡絲（Gel Spinning）、十氫萘溶劑、超高倍熱拉伸（解纏結並形成伸直鏈晶體）。

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【答案】

一、對位聚芳醯胺纖維（Poly-p-phenylene terephthalamide, PPTA）

1. 定義 對位聚芳醯胺纖維（商品名如 Kevlar®、Twaron®）是由「對苯二甲醯氯（TPC）」與「對苯二胺（PPD）」縮聚而成的芳香族聚醯胺化合物。因其苯環均為對位（1,4-位）連結，分子鏈呈現高度剛性棒狀結構（Rigid-rod conformation），且分子間具強大的氫鍵交聯，具備超高拉伸強度（$\ge 20\text{ g/d}$）、超高拉伸模數（$\ge 500\text{ g/d}$）、優良耐熱阻燃性（極限氧指數 $\text{LOI} \approx 29$，分解溫度大於 $500^\circ\text{C}$）且無明顯熔點。

2. 加工製程

• 低溫溶液聚合：以 N-甲基吡咯烷酮（NMP）／氯化鈣（$\text{CaCl}_2$）體系為溶劑，在低溫（$0^\circ\text{C}\sim 10^\circ\text{C}$）下進行 PPD 與 TPC 的縮聚反應，製得高分子量 PPTA 聚合物，經中和、水洗、乾燥沉澱。

核心觀念

本題旨在測驗考生對「複合彈性紗線（Composite Elastic Yarn）」中彈性包覆紗線（Covered Yarn）​之基本學理與工程應用掌握度，核心觀念包含：

1. 複合結構原理：以高彈性長絲（如 Spandex / Elastane）為中心「芯絲（Core yarn）」，外層包覆非彈性長絲或短纖紗（Covering yarn），結合彈性回縮與外包纖維之外觀、手感、吸濕及染色特性。
2. 包覆成形結構：依照外包纖維結合至芯絲的方式與幾何排列，區分為單包覆（Single Covered Yarn, SCY）、雙包覆（Double Covered Yarn, DCY）與空氣包覆（Air Covered Yarn, ACY）。
3. 終端機能設計：藉由彈性伸長率（Elongation）、彈性回復率（Elastic recovery）及外包覆保護層之耐磨抗疲勞特性，應用於貼身、運動、醫療壓力與彈性織物。

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解題方法

本題為標準的專業申論題，答題架構應分為三層次切入：

1. 定義界定：明確定義「彈性包覆紗線」，並點出芯絲在加工時處於「預先牽伸（Drafted / Pre-stretched）」之張力狀態，外包絲纏繞或結合後，回縮形成彈性結構。
2. 結構剖析：將基本結構拆解為「芯層（Core）」與「包覆層（Sheath）」，進一步依加工工藝深入論述 SCY（單層螺旋）、DCY（雙層反向螺旋平衡扭矩）及 ACY（氣流網絡交絡）之結構差異，展現專業深度。
3. 典型產品歸納：按織物結構與機能領域分類條列（如襪類、內著、運動泳裝、醫療保健等），並說明所用包覆紗類型的搭配邏輯。

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選項分析

本題為申論題，非選擇題，無個別選項。閱卷評分點主要分配於：

• 名詞定義（約佔 30%）：是否精準點出「芯絲與包覆絲的組成」、「加工張力狀態」及「複合機能互補」。
• 基本結構說明（約佔 40%）：是否說明同心核殼構造，並清楚區分 SCY、DCY、ACY 之成形機制及撚度／扭矩平衡特性。
• 典型產品列舉（約佔 30%）：產品舉例是否具代表性、是否涵蓋高彈力至輕度彈力的不同實務領域。

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解題技巧

1. 名詞勿混淆（防踩陷阱）： 切勿將「包覆紗（Covered Yarn）」與「包芯紗（Core-Spun Yarn）」混為一談。

• 包覆紗（Covered Yarn）：利用機械螺旋纏繞或壓縮空氣交絡，芯絲通常為長絲，外層亦多為長絲（如 Nylon、Polyester），包覆層呈螺旋線圈狀或網絡交絡狀。
• 包芯紗（Core-Spun Yarn）：在環錠紡紗（Ring spinning）等傳統短纖細紗機上，將預牽伸芯絲餵入前羅拉中央，由短纖維粗紗包覆加撚而成，外層纖維呈加撚抱合狀態。

2. 提及工程參數：說明結構時，若能寫出「牽伸倍率（Draft Ratio，通常約 $2.5 \sim 4.5$ 倍）」與「S/Z 撚向平衡（Torque Balance）」，為奪取高分的關鍵記號。
3. 圖文並茂策略：考場若時間充裕，可輔以「單包（單一螺旋）、雙包（內外反向交叉螺旋）、空包（間歇交絡結點）」之簡易幾何示意圖。

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【答案】

一、何謂彈性包覆紗線（Covered Yarn）

彈性包覆紗線是以高彈性長絲（通常為聚氨酯彈性纖維，即 Spandex / Elastane，如 Lycra）作為芯絲（Core Yarn），在外加張力予以牽伸（Drafting）的狀態下，於芯絲外圍以非彈性的短纖紗或化學纖維長絲（如尼龍 Nylon、聚酯 Polyester、棉等）作為包覆絲（Covering Yarn），藉由機械螺旋纏繞或高壓氣流交絡包覆所製成的複合結構紗線。

核心觀念

本題測驗「新型聚酯類合成纖維」的分子設計原理與物化檢驗特性，核心在於掌握化學結構與纖維性能的關聯性（Structure-Property Relationship）。

1. ECDP（常壓易染陽離子可染聚酯纖維）：探討利用共聚第三單體（含磺酸基之間苯二甲酸鹽）與第四單體（聚二元醇柔性鏈段）進行化學改質，改變聚酯分子間作用力與結晶結構，達到常壓低溫吸附陽離子染料的機轉。
2. PEN（聚萘二甲酸乙二酯纖維）：探討以剛性較大的「萘環」取代傳統 PET 的「苯環」，對高分子鏈剛性、耐熱性（玻璃轉移溫度 $T_g$）、拉伸強度與阻隔性造成的物理性能躍升。
3. PTT（聚對苯二甲酸丙二醇酯纖維）：探討伸長鏈段由偶數碳（PET 之二亞甲基）變更為奇數碳（三亞甲基 $-\text{CH}_2\text{CH}_2\text{CH}_2-$），其特殊構型對纖維回彈性、柔軟性及低溫染色性的影響。

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解題方法

本題屬申論題型，答題時應採用材料科學標準架構「分子結構式 $\rightarrow$ 微觀物理化學機轉 $\rightarrow$ 宏觀性能及優缺點」逐步鋪陳：

1. 化學結構式繪製與表述：清楚交代聚合物的主鏈重複單元、官能基、鏈段異構物（如 PEN 萘環之 2,6-位取代；PTT 之三亞甲基；ECDP 之含磺酸鈉鹽基團）。
2. 性能闡述：由結晶度、玻璃轉移溫度（$T_g$）、熔點（$T_m$）、分子鏈柔順性出發，連結到力學、染色、熱學與化學抗性。
3. 優缺點條列化：將各纖維與通用聚酯（PET）作橫向對比，條理分明。

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各項纖維深度剖析

一、ECDP 纖維（Easy Cationic Dyeable Polyester，常壓陽離子可染聚酯）

• 化學結構特徵： ECDP 是以常規 PET（聚對苯二甲酸乙二酯）為基礎的多元元無規共聚物。在聚酯分子主鏈中導入第三單體「5-磺酸基間苯二甲酸二乙二醇酯鈉鹽（SIPM 或 5-SSIPA）」作為陽離子染色基座，並常導入第四單體「聚乙二醇（PEG）或脂肪族二元酸／二元醇」作為柔性鏈段。
• 主重複單元（PET 單元）： $-[\text{CO}-\text{C}_6\text{H}_4-\text{CO}-\text{O}-\text{CH}_2\text{CH}_2-\text{O}]_x-$
• 陽離子可染單元（改質間苯二甲酸酯單元）： $-[\text{CO}-\text{C}_6\text{H}_3(\text{SO}_3\text{Na})-\text{CO}-\text{O}-\text{CH}_2\text{CH}_2-\text{O}]_y-$
• 柔性擴鏈單元（降 $T_g$ 與開孔單元，如聚乙二醇段）： $-[\text{CH}_2\text{CH}_2\text{O}]_z-$
• 性能機轉： 引進龐大的間苯二甲酸環與親水性強的極性磺酸基（$-\text{SO}_3^-\text{Na}^+$），破壞了原本 PET 規整的結晶排列；配合柔性聚醚鏈段的加入，顯著降低了聚合物的玻璃轉移溫度（$T_g$ 降至約 $60\text{--}65^\circ\text{C}$）並增大無定形區的自由體積，使陽離子染料（鹼性染料）可在常壓（$100^\circ\text{C}$ 或以下）下快速擴散並以離子鍵結合。
• 優點：

1. 可在常壓沸染（$\le 100^\circ\text{C}$）條件下完成染色，不需高溫高壓設備或載體，大幅節省染色能源。
2. 色澤極為鮮豔飽和，且具優良之耐洗與日曬牢度。
3. 能與羊毛、真絲等不耐高溫的天然纖維同浴混紡混染，避免羊毛高溫水解劣化。
4. 抗起毛球性較常規 PET 佳（因共聚後分子強度適度降低）。

• 缺點：

1. 纖維強力與初期彈性模數比一般 PET 下降約 10%～20%。
2. 耐鹼性與耐熱水解性略遜於常規 PET，後整理加工需注意 pH 值。
3. 製造成本較一般聚酯高。

二、PEN 纖維（Polyethylene Naphthalate，聚萘二甲酸乙二酯）

• 化學結構特徵： 由 2,6-萘二甲酸（2,6-NDA）或其二甲酯（2,6-NDC）與乙二醇（EG）經縮聚反應而得。
• 重複結構式： $-[\text{CO}-\text{C}_{10}\text{H}_6-\text{CO}-\text{O}-\text{CH}_2\text{CH}_2-\text{O}]_n-$ （其中 $-\text{C}_{10}\text{H}_6-$ 為對稱的 2,6-取代萘環）
• 性能機轉： 以剛性大、共軛共平面性更廣的雙環「萘環」取代原本 PET 的單一「苯環」，分子鏈剛性（stiffness）大增，分子鏈內旋轉受阻，因而大幅提升耐熱性、熱變形溫度與氣體阻隔能力。
• 優點：

1. 耐熱性極高：玻璃轉移溫度 $T_g \approx 120\text{--}125^\circ\text{C}$（遠高於 PET 之約 $75^\circ\text{C}$），熔點約 $265\text{--}270^\circ\text{C}$，高溫尺寸穩定性極佳。
2. 力學性能優越：拉伸模數與強度高於 PET，高溫收縮率極低。
3. 絕佳的氣體阻隔性：對氧氣、二氧化碳及水氣的阻隔性約為 PET 的 4 至 5 倍。
4. 紫外線阻隔率優異：萘環的共軛體系可完全吸收 380 nm 以下之 UV 光，耐光老化性佳。
5. 優異的耐化學品性及耐放射線性。

• 缺點：

1. 原料單體（2,6-萘二甲酸）合成難度高、精製成本昂貴，整體纖維成本高。
2. 染色困難：分子堆砌緻密且 $T_g$ 高，染料分子難以滲入擴散。
3. 分子鏈剛性過強，韌性稍降，耐重複彎折疲勞性較低。

三、PTT 纖維（Polytrimethylene Terephthalate，聚對苯二甲酸丙二醇酯）

• 化學結構特徵： 由對苯二甲酸（TPA）或對苯二甲酸二甲酯（DMT）與 1,3-丙二醇（1,3-PDO）經縮聚反應製得。
• 重複結構式：

核心觀念

本題評量考生對「紡織品功能性整理加工（Textile Functional Finishing）」與「物化檢驗評估」之整合能力。考點涵蓋四大經典整理技術的微觀作用機制、化學藥劑與加工工藝、織物性能變化，以及在《紡織品檢驗》中對應之國家標準與測試評定指標：

1. 絲光加工（Mercerization）：纖維素纖維的濃鹼膨潤結晶轉化（Cellulose I $\rightarrow$ Cellulose II）、微觀形態圓整化及光澤／強力提升。
2. S.R. 加工（Soil Release Finish）：疏水性合成纖維表面親水化改質，利用水化屏障降低油污界面張力，達到易洗淨與抗再污染目的。
3. 防水加工（Waterproof & Water-repellent Finish）：撥水（表面能降低，維持透氣孔隙）與防水（連續薄膜封閉阻隔水壓）的機理差異。
4. 防縐加工（Crease-Resistant Finish，原試題文字辨識常作防絹加工）：纖維素無定形區之交聯架橋（Cross-linking）反應，賦予分子鏈彈性回復力，以及強力衰退與游離甲醛的檢驗權衡。

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解題方法

針對專技高考申論題，採「工藝原理 $\rightarrow$ 化學藥劑與工藝 $\rightarrow$ 物性改變 $\rightarrow$ 檢驗標準」四維度結構展開，切合《紡織品檢驗》命題慣例：

• 先釐清名詞定義與微觀機制，展現纖維物理與化學底蘊。
• 列出代表性化學助劑與處理條件（如濃鹼濃度、交聯劑種類、低表面能化合物）。
• 緊扣物化檢驗法規與測試標準（如鋇活性值、AATCC 油污釋放評級、靜水壓、折痕回復角），凸顯本科目專業特色。

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選項分析

本題為專業科目申論題（非選擇題），無選項需逐一排除。以下針對四項加工之核心要素進行橫向對比解析：

整理方法	適用纖維	核心反應／物理機制	關鍵加工藥劑與條件	核心檢驗標準與指標
絲光加工	棉、麻等纖維素纖維	濃鹼膨潤使結晶型態轉化，轉曲消失、截面呈圓形	$18\%\sim 25\%$ $\text{NaOH}$（$28^\circ\sim 30^\circ\text{Bé}$），施加張力處理	鋇活性值（BAN）（ASTM D6964 / AATCC 89）、光澤度、強力測定
S.R. 加工	聚酯（PET）、尼龍（PA）等合纖	賦予表面親水水化層，洗滌時水分子滲入剝離油污	親水性嵌段共聚物（PEG-PET）、親水氟素助劑	油污釋放評級（AATCC 130，1～5級）、抗再沉積率
防水加工	全棉、合纖及混紡織物	1. 撥水：低表面能化，$\theta > 90^\circ$<br>2. 防水：薄膜物理孔隙封閉	氟碳樹脂（C6/C4）、有機矽烷、石蠟金屬乳液、PU/ePTFE 膜	噴淋撥水度（AATCC 22 / ISO 4920）、耐水壓（AATCC 127 / ISO 811）
防縐加工	棉、黏液嫘縈等纖維素纖維	羥基間形成共價交聯網絡，抑制分子鏈滑移	二羥甲基二羥基伸乙基脲（DMDHEU）、酸性催化劑焙烘	折痕回復角（CRA）（ISO 2313）、外觀平整度（SA）（AATCC 124）、游離甲醛

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解題技巧

1. 名詞辨析與避坑：

• 「S.R.」代表 Soil Release（易去污），切忌與「S.P.（Soil Proof / Soil Repellent，防污／拒污）」混為一談。S.R. 的精髓在於「洗滌時容易脫落」，而非「乾燥時完全不沾污」。
• 題目第 4 項之「防絹加工」為考選部試題歷年字型辨識／排版之常見勘誤（「縐」字被辨識或排版為「絹」），即紡織工程整理領域之四大經典整理——「絲光、防污、防水、防縐（防皺，Crease-Resistant）」。作答時應以「防縐（防皺）加工」為骨幹完整申論，並註明字型辨識原由，兼顧嚴謹性。

2. 答題結構化評分點：

• 閱卷委員批改標準極度看重「檢驗方法」。敘述每一種加工時，結尾務必明確寫出「評估指標」（如：鋇值、AATCC 130、靜水壓 $\text{mmH}_2\text{O}$、折痕回復角 CRA），分數即可顯著拉開差距。

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【答案】

一、絲光加工（Mercerization）

1. 加工原理： 主要針對棉、麻等天然纖維素纖維。在施加張力狀態下，使用低溫或室溫之濃氫氧化鈉（$\text{NaOH}$）水溶液浸軋處理，並在維持張力下水洗去鹼。濃鹼會滲入纖維無定形區使纖維劇烈劇膨潤，分子鏈間氫鍵斷裂，結晶結構由原來的「纖維素 I（Cellulose I）」重排轉化為熱力學更穩定的「纖維素 II（Cellulose II）」。
2. 微觀形態與物理性質變化：

• 外觀與光澤：棉纖維天然中腔縮小，斷面由腎形扁平帶狀變為圓形，縱向天然轉曲（Convolutions）消除，表面平滑度大幅提高，使光線的鏡面反射率增加，呈現絲綢般的柔和光澤。
• 強力提升：因微纖結構排列更加定向，應力分佈更趨均勻，纖維斷裂強度提升約 $15\%\sim 30\%$。
• 吸色性增強：無定形區比例增加，纖維素反應性羥基（$-\text{OH}$）可及度提高，染料（活性、直接染料等）吸著率與上染深度顯著提升。

3. 典型工藝條件：

• 燒鹼濃度：$18\%\sim 25\%$（約 $28^\circ\sim 30^\circ\text{Bé}$）。
• 溫度與時間：常溫（$15^\circ\text{C}\sim 25^\circ\text{C}$），浸漬作用時間約 $30\sim 60\text{ s}$，伴隨機械張力定型及逐級溫水洗滌去鹼。

4. 檢驗與評估指標：

• 鋇活性值（Barium Activity Number, BAN）（依 ASTM D6964 / AATCC 89）：測定未絲光棉與絲光棉吸附氫氧化鋇之當量比值。未絲光棉 BAN 定義為 100；良好絲光加工之織物 BAN 數值應落於 $125\sim 160$ 之間（通常達 130 以上判定為完全絲光）。

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二、S.R. 加工（Soil Release Finish，易去污加工）

1. 加工原理： 聚酯（PET）、尼龍（PA）等合成纖維因疏水性強且易產生靜電，在穿著中極易吸附油脂性污垢（人體皮脂、油滴），且在水洗過程中水分子難以潤濕纖維表面，油污牢固附著難以去除，甚至引發洗滌液中污垢再沉積。