107 專技高考高等考試 紡織工程技師 織物整理工程 考古題詳解

核心觀念

1. 熱塑性纖維熱定型的微觀物理機制：高分子結晶與非結晶結構在不同溫度區間之熱力學行為。定型溫度 $T_s$ 必須介於玻璃轉移溫度 $T_g$ 與熔點 $T_m$ 之間（$T_g < T_s < T_m$）。透過熱能破壞分子間次級鍵（氫鍵、凡德瓦力），使非晶區分子鏈運動並進行應力鬆弛（Stress Relaxation）；在張力導引下重排配向，並促進微晶生長（次結晶現象）與晶相重組；最後經由迅速冷卻將新微觀結構「凍結」，賦予織物尺寸安定性與抗皺性。
2. 異質複合纖維（PET / PU）的熱耐受矛盾：

• 聚酯（PET）：$T_g \approx 70\sim 80^\circ\text{C}$，$T_m \approx 255\sim 265^\circ\text{C}$，常態定型溫度需達 $180\sim 210^\circ\text{C}$ 始具備良好定型效果。
• 聚氨基甲酸酯彈性絲（PU / Spandex）：屬嵌段共聚物（硬段與軟段），耐熱性差，高於 $180\sim 190^\circ\text{C}$ 即易發生硬段熱裂解、軟段氧化變黃、彈性模數劇降與永久伸長變形。

3. 熱履歷對染色性與物性的制約：定型風速與溫場均勻度直接改變聚酯的微微晶結構與自由體積，進而影響分散性染料的擴散速率；過度受熱引發分散性染料「熱泳移（Thermal Migration）」及 PU 紡絲油劑／針織油的碳化污損。

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解題方法

1. 子題 (一) 原理解析切入點：

• 從高分子凝聚態物理的四個循序步驟切入：受熱活化與鍵結瓦解 $\to$ 應力鬆弛與形態重排 $\to$ 次結晶與新晶相構築 $\to$ 降溫凍結與結構固定。
• 輔以熱力學溫度條件（$T_g < T_s < T_m$）說明巨觀外型與微觀自由能最小化的必然關係。

2. 子題 (二) 實務製程與加工因素切入點：

• 採用「工藝五大要素」（溫度、時間、張力與超餵、工序配置、前處理油劑控制）為經度，以「織物物性（強力、彈性、手感、尺寸）」與「染色性能（染著量、勻染性、熱泳移牢度）」為緯度，形成結構完整的矩陣化剖析。

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選項分析

本題為申論與工藝分析題（非選擇題），無選項拆解。作答應以評分級距為導向，第 (一) 子題占 10 分，需重在微觀物理機制的層次完整度；第 (二) 子題占 15 分，需點出 PET/PU 混紡針織物在熱加工時的特殊衝突性（高溫定型與熱敏劣化的拉鋸），條列關鍵加工因素並分別論述其對「物性」與「染色」之後續影響。

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解題技巧

1. 破題關鍵公式與溫區：解答原理必寫 $T_g < T_s < T_m$；討論 PET/PU 時務必明確列出工藝溫度上限（通常控制在 $180\sim 190^\circ\text{C}$，嚴防超過 $195^\circ\text{C}$）。
2. 關鍵術語不可漏：非晶區（Amorphous region）、應力鬆弛（Stress relaxation）、超餵（Overfeed）、熱履歷均一性（Thermal history）、熱泳移現象（Thermal migration）、邊中溫差（$\Delta T \le 1\sim 2^\circ\text{C}$）。
3. 因果關係對應明確：

• 溫度高 $\to$ PU 降解黃變、彈性彈回率損失；PET 結晶度上升 $\to$ 染料上染率下降。
• 溫場不均 $\to$ 產生「邊中色差」與「橫條（Streakiness）」。
• 張力過大 $\to$ PU 潛變永久變形、手感硬化、針織物邊緣捲縮（Curling）。

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【答案】

(一) 織物熱定型（Heat Setting）之原理

織物熱定型主要應用於熱塑性合成纖維（如聚酯、聚醯胺等），其微觀物理機制與加工階段可分為以下四個過程：

1. 受熱活化與鍵結瓦解（分子熱運動啟動）： 熱定型加工溫度 $T_s$ 必須嚴格控制在纖維的玻璃轉移溫度 $T_g$ 與熔點 $T_m$ 之間，即： $T_g < T_s < T_m$ 當織物受熱高於 $T_g$ 時，高分子鏈段獲得足夠熱運動動能，分子間的次級鍵（凡德瓦力、偶極力、氫鍵）被削弱或暫時拆解，鏈段活動能力（自由體積）大幅增加。
2. 應力鬆弛與構型重排（巨觀形變消除）： 纖維在紡絲、牽伸、假撚、織造及染整加工過程中所積累的不均勻內部殘餘應力（Frozen-in Stresses），在非晶區（無定形區）鏈段自由運動下得以迅速釋放與鬆弛（Stress Relaxation）；同時在針板拉幅機（Stenter）施加的特定機械張力導引下，分子鏈段順應外力方向重新滑移、定向排列成平整平衡的幾何結構。
3. 次結晶與晶相重組（新熱力學平衡構築）：

核心觀念

本題測驗羊毛纖維物理化學結構對織物尺寸安定性（Dimensional Stability）的影響，以及染整加工中的「毛織物防縮整理（Shrink-resist Finishing）」原理與工藝。核心觀念包含：

1. 羊毛縮水的雙重機制：區分「弛緩縮水（Relaxation Shrinkage）」與特有的「氈縮（Felting Shrinkage）」。
2. 方向摩擦效應（Directional Friction Effect, D.F.E.）：表層角質鱗片（Scales）順逆方向摩擦係數差異（$\mu_2 > \mu_1$）造成的單向纖維棘輪移動（Ratcheting effect）。
3. 可水洗防縮技術原理：藉由消除或減弱 D.F.E.，主要分為「減量法（剝除／修圓鱗片）」、「增量法（樹脂披覆／點焊）」與「複合加工法（氯化－樹脂法，如 Chlorine-Hercosett 製程）」。

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解題方法

本題屬標準技術申論題，配分 25 分（10 分 + 15 分），解題應掌握「微觀機制 $\to$ 巨觀現象 $\to$ 對應加工解決方案」的邏輯架構：

1. 第 (一) 小題（10 分）：

• 破題點明水洗縮水包含「弛緩縮水」與「氈縮」，並強調氈縮是不可逆嚴重縮水的主因。
• 解析氈縮的三大核心要素：內部結構因素（表層鱗片結構與 D.F.E.、捲曲與回彈性）、介質環境（水分子之潤滑與膨潤作用、熱能、酸鹼度）、機械外力（動能引發纖維位移與糾結嵌合）。

2. 第 (二) 小題（15 分）：

• 採分類學架構，將防縮技術劃分為三大主流機制：減量法（氧化剝除／酵素法）、增量法（聚合物被覆／交聯點焊法）、複合加工法（氧化前處理＋低溫樹脂披覆法）。
• 逐一詳述各加工法的化學/物理原理、代表性化學品（如 NaDCC、蛋白酶、聚醯胺-環氧氯丙烷樹脂 Hercosett）及優缺點，展現專技高考要求的廣度與深度。

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選項分析

本題為專業申論問答題，無選擇題選項。評分主要依據論述之完整性、機制邏輯鏈之嚴密性以及工業實務製程之涵蓋率（評分要點對照如下）：

• 第 (一) 題評分要點：必須明確寫出「方向摩擦效應（D.F.E.）」及其物理意義、鱗片結構、水與外力攪動的角色，缺一者無法取得滿分級段。
• 第 (二) 題評分要點：必須涵蓋減量法、增量法與複合加工法（尤其 Chlorine-Hercosett 製程），僅寫出單一加工法者至多取得三分之一分數。

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解題技巧

1. 關鍵公式與指標表述：說明方向摩擦效應時，寫出反向摩擦係數 $\mu_2$ 與順向摩擦係數 $\mu_1$ 之關係，並定義方向摩擦係數差值或方向摩擦效應指數： $\text{D.F.E.} = \frac{\mu_2 - \mu_1}{\mu_2 + \mu_1}$ 防縮加工之根本目標即是使 $\text{D.F.E.} \to 0$。
2. 防縮三大流派記憶口訣：

• 「削平鱗片（減量／氧化）」
• 「包覆黏合（增量／樹脂）」
• 「先咬後包（複合／Chlorine-Hercosett）」

3. 避免常見陷阱：勿將棉織物的膨潤縮水與羊毛氈縮混為一談；棉織物縮水主因為應力釋放與纖維膨潤導致紗線屈曲度增加，而羊毛則是因為纖維單向位移導致糾結，兩者化學與物理本質截然不同。

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【答案】

(一) 羊毛織物水洗易縮水的原因

羊毛織物在常規水洗過程中發生尺寸收縮，主要由弛緩縮水（Relaxation Shrinkage）​與氈縮（Felting Shrinkage）​共同引起，其中以羊毛特有的「氈縮」為不可逆永久收縮之根本主因。其成因可細分為以下三個層面：

1. 纖維內在構造因素：方向摩擦效應（Directional Friction Effect, D.F.E.）與捲曲彈性

• 鱗片單向重疊排列：羊毛纖維表面覆蓋一層角質鱗片（Scales），其尖端朝向毛尖（Tip），根部朝向毛根（Root）。
• 摩擦力各向異性：逆鱗片方向（尖端至根部）滑動的摩擦係數 $\mu_2$ 顯著大於順鱗片方向（根部至尖端）的摩擦係數 $\mu_1$（即 $\mu_2 > \mu_1$）。
• 單向棘輪位移（Ratcheting Effect）：在外力擾動下，纖維只能沿著阻力較小的根部方向前進，無法後退。同時，羊毛具有豐富的三維立體捲曲（Crimp）與高彈性回復力，纖維在反覆位移過程中互相穿插穿梭，形成緊密的不可逆纏結。

核心觀念

本題考查纖維化學結構、織物物理形變機制以及染整化學中的「防縐整理（耐久壓燙整理，Durable Press Finish）」核心技術。涉及的主要觀念與反應機制如下：

1. 纖維素超分子結構與形變機制：棉纖維由 $\beta\text{-D-}$ 葡萄糖單元經 $\beta\text{-1,4-}$ 糖苷鍵聚合而成，分子鏈上富含羥基（$-\mathrm{OH}$），在無定形區與結晶區之間藉由分子間與分子內氫鍵維持構形穩定。
2. 共價交聯防縐原理：藉由雙官能基或多官能基交聯劑（樹脂前驅體或多元羧酸），在酸催化與熱固著條件下，與相鄰纖維素大分子鏈上的羥基發生醚化或酯化反應，形成共價交聯網狀結構，提供形變回復彈性。
3. 催化交聯機制與奈米光觸媒應用：

• 傳統金屬鹽催化劑（如路易斯酸 $\mathrm{MgCl_2}$、$\mathrm{Zn(NO_3)_2}$ 或次磷酸鈉 $\mathrm{NaH_2PO_2}$）藉由高溫熱活化配位催化交聯反應。
• 奈米二氧化鈦（$\mathrm{nano\text{-}TiO_2}$）光觸媒則利用紫外光照射產生電子－電洞對（$e^- / h^+$）與活性自由基，引發光化學催化交聯，並兼具功能性附加價值與潛在的光氧化降解效應。

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解題方法

本題為標準的論述與比較題，切入策略應條理分明、分層剖析：

• 第 (一) 小題（微觀結構與外力水合作用）：從「水分子進入無定形區破壞原始氫鍵」$\rightarrow$「外力造成大分子鏈相對滑移」$\rightarrow$「乾燥過程中在形變位置重建新氫鍵」的三階段物理化學歷程切入，論述其不可逆形變之成因。
• 第 (二) 小題（化學熱力學與彈性網狀交聯）：從交聯劑的官能基與纖維素羥基的共價網狀鍵結（Covalent Crosslinking）切入，說明共價鍵鍵能遠大於氫鍵，能限制分子鏈相對滑動並提供構形回復力（記憶效應）。
• 第 (三) 小題（催化機制、製程能耗、織物性能與環境效益之對比）：採取「對比分析架構」，從「催化反應條件（溫度／活化機制）」、「織物機械強力保留率」、「多功能附加價值（抗菌、抗 UV、自潔）」、「耐洗與纖維光脆化風險」、「加工成本與分散均勻性」等維度，逐項對比奈米 $\mathrm{TiO_2}$ 與傳統金屬鹽催化劑的優缺點。

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題意與配分剖析

本題為非選擇題（問答申論題），配分依序為 5 分、5 分、15 分：

• 第 (一) 題（5 分）：配分重點在於能否精準寫出「水分子對氫鍵的拆解」及「脫水乾燥後氫鍵於形變位置重組」的微觀化學機制。
• 第 (二) 題（5 分）：配分重點在於「共價鍵交聯（Crosslinking）」此一專有名詞，以及交聯網絡如何阻止分子鏈不可逆滑移。
• 第 (三) 題（15 分）：佔分比重最高，必須針對「奈米 $\mathrm{TiO_2}$ 光觸媒」與「傳統金屬鹽」分別詳列其優點與缺點，不可偏廢單一方；論述必須涵蓋加工物性、節能環保與纖維耐久性。

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解題技巧

1. 破題關鍵詞精準化：

• 第 (一) 題必備關鍵詞：無定形區（非晶區）、水分子溶脹、分子鏈滑移、氫鍵拆解與重組。
• 第 (二) 題必備關鍵詞：雙／多官能基、羥基醚化／酯化、共價交聯網絡、彈性回復。
• 第 (三) 題評分標準要求「對稱式對比」：建議以條列或表格形式並陳，區分「奈米 $\mathrm{TiO_2}$ 優缺點」與「常用金屬鹽優缺點」，並將催化溫度、強力損失、功能性與光脆化列為得高分的核心點。

2. 常見盲點與陷阱：

• 第 (一) 題切忌僅答「棉花吸水性太好所以會縮水或變縐」，未深入至晶區／非晶區及分子鏈鍵結層次將被嚴重扣分。
• 第 (三) 題常有考生忽略「奈米 $\mathrm{TiO_2}$ 的光氧化降解（光脆化）」，光觸媒若受到強日光長時間照射，其產生的強氧化性自由基（$\cdot\mathrm{OH}$）亦會攻擊纖維素主鏈，造成長期日曬下纖維強力衰退，這是作答時展現專業深度的關鍵加分項。

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【答案】

(一) 棉織物水洗後易縐的原因

棉纖維為天然纖維素纖維，水洗後易產生摺縐的微觀物理化學機制如下：

1. 水分子滲透與氫鍵拆解：棉纖維由結晶區與無定形區（非晶區）構成。水洗時，極性極強的小分子水易滲入分子鏈排列較鬆散的無定形區，使纖維發生顯著溶脹，並介入、切斷纖維素分子鏈間原有的分子間氫鍵（$\mathrm{Cell\text{-}OH \cdots HO\text{-}Cell}$）。
2. 外力作用引發分子鏈滑移：在洗衣機機械攪拌或外力擠壓搓揉下，失去氫鍵拘束的纖維素大分子鏈彼此發生相對位移與構形改變（塑性滑移）。

核心觀念

本題評量紡織機能性整理（Functional Finishing）中抗菌與防臭整理技術的原理與應用，屬於《織物整理工程》命題大綱中的「衛生與防護機能加工」範疇。

1. 臭味的產生根源與防臭途徑：

• 菌源臭氣（生物性產生）：人體汗液原本無味，但皮膚表面的常在菌（如表皮葡萄球菌、棒狀桿菌等）會分解汗液與皮脂中的蛋白質、胺基酸、脂肪酸（如異戊酸、乳酸），轉化為低分子量揮發性惡臭物質。
• 環境臭氣（物理/外來吸附）：煙味、油煙味、氨氣等外來揮發性有機物（VOCs）。
• 防臭機制分流：抑制微生物繁殖分解（抗菌防臭）、直接物理吸附、化學中和分解、分子微孔包結與感官芳香掩蔽。

2. 無機奈米金屬／金屬氧化物之抗菌機制：

• 奈米 $\mathrm{TiO_2}$：半導體光觸媒激發產生高氧化還原電位的活性氧物質（Reactive Oxygen Species, ROS）。
• 奈米銀（Nano-Ag）：銀離子釋放、親硫基結合（$-\mathrm{SH}$）、靜電吸附及破壞細胞壁膜通透性。

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解題方法

1. 第 (一) 子題切入點：

• 採「結構特性 $\rightarrow$ 觸媒／活性粒子生成反應 $\rightarrow$ 細胞破壞與臭味分解路徑」的三段論式架構，分別剖析 $\mathrm{TiO_2}$（光催化氧化）與奈米銀（離子釋放與蛋白質親和作用）。
• 須寫出光觸媒反應式與自由基生成機制，並強調「抗菌」如何衍生達到「防臭」效果。

2. 第 (二) 子題切入點：

• 防臭技術不可僅偏重單一手段，須從防臭的四大基本機制進行分類論述：

1. 抑制菌源防臭法（非金屬系抗菌整理）
2. 物理吸附消臭法（多孔隙材料）
3. 化學中和與催化消臭法（酸鹼反應與氧化還原）
4. 分子包結消臭法（主客體化學，如環糊精）

• 每類列舉代表性化學整理劑或工藝技術，以展現技術廣度與工業實用性。

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選項分析

本題為國家考試專業科目之申論題（非選擇題），無選項待分析。評分焦點在於機制反應式的正確性、專業術語精確度，以及防臭加工技術歸類的完整性。

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解題技巧

1. 機制對比法：

• 奈米 $\mathrm{TiO_2}$ 是間接氧化（依賴光能活化氧分子與水分子產生自由基，可直接分解臭氣有機分子）；
• 奈米銀是直接接觸／離子失活（不依賴光源，主攻菌體蛋白質硫醇基，以「抑菌」來「阻斷臭味產生」為主）。

2. 防臭技術條列標準：

• 考生易誤將防臭全部寫成抗菌，第 (二) 題要拿高分，關鍵在於補足非抗菌性消臭（化學中和、多孔吸附、環糊精包結）。

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【答案】

(一) 奈米二氧化鈦（$\mathrm{TiO_2}$）與奈米銀應用於織物抗菌及防臭加工的反應作用機制

1. 奈米二氧化鈦（$\mathrm{TiO_2}$）之作用機制

奈米 $\mathrm{TiO_2}$（主要採用銳鈦礦型 Anatase）屬於寬能隙半導體光觸媒材料（能隙 $E_g \approx 3.2\text{ eV}$），其機制為光催化氧化降解反應：

• 光生電子-電洞對激發： 當織物受到波長小於或等於 $387.5\text{ nm}$ 的紫外光或環境光照射時，價帶（Valence Band, VB）上的電子吸收光子能量，躍遷至導帶（Conduction Band, CB），在價帶留下具強氧化性的電洞（$h^+$），導帶則產生具強還原性的激發電子（$e^-$）： $\mathrm{TiO_2} + h\nu \rightarrow e^- + h^+$

• 活性氧物質（ROS）生成：

• 電洞與吸附於纖維表面的水（$\mathrm{H_2O}$）或氫氧根離子（$\mathrm{OH^-}$）反應，生成氧化電位極高的氫氧自由基（$\cdot\mathrm{OH}$）： $h^+ + \mathrm{H_2O} \rightarrow \cdot\mathrm{OH} + \mathrm{H^+}$

• 導帶上的電子將吸附於表面的氧分子（$\mathrm{O_2}$）還原為超氧陰離子自由基（$\cdot\mathrm{O_2^-}$），並可進一步轉化為過氧化氫（$\mathrm{H_2O_2}$）： $e^- + \mathrm{O_2} \rightarrow \cdot\mathrm{O_2^-}$

• 抗菌與防臭途徑：

• 抗菌作用：生成的強氧化性自由基（$\cdot\mathrm{OH}$、$\cdot\mathrm{O_2^-}$）直接攻擊細菌的細胞壁與肽聚醣層，造成細胞膜脂質過氧化（Lipid peroxidation），使細胞破裂、內含物外洩；進一步穿透至胞內氧化酵素與 DNA，導致微生物徹底死亡。

• 防臭作用：不同於一般抑菌劑，$\mathrm{TiO_2}$ 產生的自由基能直接將汗臭中的低分子有機物（如異戊酸、醋酸、氨氣、硫化氫、三甲胺等揮發性異味）進行非選擇性礦化分解，最終氧化為無臭無害的 $\mathrm{CO_2}$ 與 $\mathrm{H_2O}$。

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2. 奈米銀之作用機制