111 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

本題考查長纖複合假撚的設備配置，以及利用兩種長纖的熱收縮差異，形成包芯或包覆結構。假撚器在加熱區下游對紗條加撚，捻度向上游傳至加熱器，使長纖在受捻狀態下熱定形；紗條離開假撚器後，捻度解除，但捲曲與蓬鬆形態保留下來。

題目沒有指定纖維種類、紗線規格及熱處理條件，因此熱收縮率沒有唯一數值。以下設定一組可作答的設計條件，並以同一測試條件下量得的收縮率作示範。

熱收縮率定義為：

其中 $L_0$ 為加熱前標距，$L_1$ 為加熱後冷卻、無張力狀態下的標距。

機構示意圖

高收縮長纖筒子 ─ 張力器 ─ 餵紗羅拉 ─┐
 ├─ 合紗 ─ 加熱器 ─ 冷卻區 ─ 假撚器
低收縮長纖筒子 ─ 張力器 ─ 餵紗羅拉 ─┘ │
 ↓
 輸出羅拉
 │
 捲取羅拉／筒子

假撚器可採摩擦式假撚器。紗條在餵紗羅拉與假撚器之間受撚、加熱定形；經假撚器後，紗條退捻，捲取端取得蓬鬆、具捲曲的複合紗。

解題方法與製紗原理

1. 兩種長纖合紗並假撚。 將高收縮長纖與低收縮長纖分別餵入，合併後送經加熱器，在受撚狀態下加熱，再經假撚器退捻。熱處理使兩種長纖在各自的熱收縮特性下定形。

2. 利用收縮差形成包芯效果。 設定高收縮長纖為收縮核心，低收縮長纖為外層。退捻、放鬆後，高收縮長纖縮短並趨向紗體中心；低收縮長纖相對較長，沿高收縮長纖外圍形成螺旋包覆。兩者的收縮差越大，通常越容易形成明顯的內外層差異。

3. 示範熱收縮率設定。 例如選用高收縮聚酯長纖與低收縮尼龍 6 長纖，將加熱器設定為 $190^\circ\mathrm{C}$，並以相同的無張力熱處理條件測試。假設實測結果分別為：

核心觀念

1. 紗線支數與單纖細度定義：

• 英制棉支（$Ne$）：定重制單位，指 1 磅重的紗線在公定回潮率下長度有幾個 840 碼。紗線丹尼數與英制支數的換算關係為： $D = \frac{5315}{Ne}$
• 丹尼數（Denier, $d$）：定長制單位，指 $9000\text{ m}$ 長度的纖維重量為若干公克。
• 馬克隆值（Micronaire, $M$）：棉纖維細度與成熟度的綜合指標，其實用物理意義等於每英吋棉纖維的微克數（$\mu\mathrm{g}/\mathrm{in}$）。棉纖維支數 $Ne_C$ 與馬克隆值 $M$ 的標準換算關係為： $Ne_C = \frac{15000}{M}$ （若轉換為單纖丹尼數 $d_C$，則 $d_C = \frac{45}{127} M \approx 0.354 M$）。

2. 混紡紗斷面纖維根數計算原理：

• 成紗斷面總纖維數 $N$ 為各組成纖維根數之和，即 $N = N_T + N_C$。
• 各纖維成分在紗斷面中的根數，與該成分的重量百分比成正比，與單纖細度成反比： $N_i = \frac{P_i \times D_{\text{yarn}}}{d_i} = P_i \times \frac{Ne_i}{Ne_{\text{yarn}}}$ 其中 $P_i$ 為混紡重量百分比，$d_i$ 為單纖丹尼數，$Ne_i$ 為單纖等效英制支數。

解題方法

步驟一：整理已知條件

• 成紗支數：$Ne = 50$
• 混紡比例：T/C $40/60$（聚酯短纖佔 $40\%$、棉纖維佔 $60\%$）
• 聚酯短纖規格：$1.5\text{ 英吋} \times 1.2\text{ denier}$（長度 $1.5\text{ in}$，細度 $d_T = 1.2\text{ denier}$）
• 斷面總纖維根數限制：$N \ge 80$ 根

步驟二：計算成紗總丹尼數及聚酯纖維斷面根數（$N_T$）

成紗 $Ne50$ 之總細度換算為丹尼數： $D_{\text{yarn}} = \frac{5315}{50} = 106.3\text{ denier}$

聚酯成分分配到的細度重量： $D_T = 106.3 \times 40\% = 42.52\text{ denier}$

聚酯單纖細度 $d_T = 1.2\text{ denier}$，求得斷面聚酯纖維根數： $N_T = \frac{D_T}{d_T} = \frac{42.52}{1.2} = 35.43\text{ 根}$

步驟三：求得棉纖維所需之最少斷面根數（$N_C$）

為確保成紗斷面總纖維數至少達到 80 根： $N_C \ge N_{\text{total}} - N_T = 80 - 35.43 = 44.57\text{ 根}$

核心觀念

本題考查針板式梳棉機的纖維轉移路徑、主要工作隔距的設定原理，以及原棉與聚酯短纖在梳理強度上的差異。梳棉機藉由刺輥開鬆纖維，錫林與蓋板梳理纖維，道夫從錫林凝聚並轉移纖維，剝輥再把道夫上的纖維剝取下來。

隔距是相鄰針布齒尖或工作表面之間的最短距離，應依纖維長度、纖度、原料含雜、產量、針布狀況及機台精度調整。下列數值為常見機台的起始設定範圍，實際值以機型與針布製造商的規格為準；不可把隔距理解成所有機台通用的固定值。

解題方法

先按纖維行進順序畫出機構，再逐一標出相鄰工作點的隔距。設定原則可概括為：梳理作用區要足以分梳纖維，轉移作用區要利於纖維交接；纖維較長、較粗或較易受損時，隔距適度放大。

針板式梳棉機側視示意

 蓋板（循環針板）
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 ╱ 錫林—蓋板梳理區 ╲
 ╱ 隔距逐段調整 ╲
刺輥（開鬆） → ○ ── g₁ ── ◎ 錫林 ── g₂ ── ◉ 道夫 ── g₃ ── ○ 剝輥
 纖維沿錫林表面移送 →

圖中只標示纖維流向；各機件的旋轉方向依機型配置而異。$g_1$ 至 $g_3$ 分別表示刺輥—錫林、錫林—道夫、道夫—剝輥隔距。

各機構隔距、作用與設定原理

核心觀念

1. 條併混紡（Sliver Blending）原理： 在併條機上將不同纖維原料之生條（Carded Sliver）同時餵入，藉由併合（Doubling）與牽伸（Drafting）使兩種纖維混合並伸直平行。
2. 整數筒數與定量調節： 併條機餵入之總筒數（併合數 $D$）必須為整數。當目標混紡比例無法直接以整數筒數整除時（如 $8 \times 65\% = 5.2$ 筒），工藝上採取「選取最接近的整數分配筒數，再藉由調整各組分生條之定量（重量）」來達成精確的混紡比例。
3. 牽伸倍數與併合數設計慣例： 紡紗工程中，為使前後工序生產平衡、維持條子定量穩定，併條機之總牽伸倍數（Total Draft, $E$）標準設計原則為等於或近似於併合數（$E \approx D$）。若無特殊工藝要求，常規設計取 $E = D$。
4. 基本計算公式：

• 總牽伸倍數： $E = \frac{\text{餵入總重量}}{\text{輸出重量}} = \frac{\sum W_{\text{in}}}{W_{\text{out}}}$
• 混紡重量比（以聚酯 $T$、棉 $C$ 為例）： $\frac{\text{聚酯總餵入重}}{\text{純棉總餵入重}} = \frac{N_T \times W_T}{N_C \times W_C} = \frac{65}{35}$ 其中 $N_T, N_C$ 為分配筒數，$W_T, W_C$ 為單筒生條重量（$\mathrm{gr}/6\ \mathrm{yd}$）。

解題方法

步驟一：設計第一道併條之聚酯／棉分配筒數（$N_T, N_C$）

第一道併條機設備為 8 筒併合（總併合數 $D_1 = 8$），理論筒數分配為：

• 聚酯理論筒數：$8 \times 65\% = 5.2$ 筒
• 棉理論筒數：$8 \times 35\% = 2.8$ 筒

由於餵入筒數必須為整數，應選取最接近整數：

• 聚酯分配筒數 $N_T = 5$ 筒
• 純棉分配筒數 $N_C = 3$ 筒

工藝合理性說明：若選用 $6:2$ 分配，聚酯與棉的條子重量差距過大，在牽伸區中會造成握持力與摩擦力場分佈極不均勻，引發嚴重的牽伸波與條乾不勻；選用 $5:3$ 分配時，兩種生條定量極為接近，牽伸運轉最為穩定。

步驟二：設計第二道與第一道併條之總牽伸倍數（$E_2, E_1$）

1. 第二道併條總牽伸倍數（$E_2$）：

• 第二道併條併合 8 筒（$D_2 = 8$），最終產出混紡熟條定量 $W_2 = 420\ \mathrm{gr}/6\ \mathrm{yd}$。
• 依標準工藝設計，為使第一道熟條定量與第二道熟條定量一致（$W_1 = W_2 = 420\ \mathrm{gr}/6\ \mathrm{yd}$），第二道總牽伸倍數設計為等於併合數： $E_2 = D_2 = 8.0$

2. 第一道併條總牽伸倍數（$E_1$）：

• 第一道併條同樣為 8 筒併合（$D_1 = 8$），輸出之頭道熟條定量為 $W_1 = 420\ \mathrm{gr}/6\ \mathrm{yd}$。

核心觀念

本題為紡紗工程品質管制與紗線結構分析的經典核心考題，涵蓋兩大重點：

1. 不均勻度試驗儀（如 Uster Tester）檢驗原理與量測指標：

• 電容檢驗原理（Capacitance Method）：利用高頻平行極板電容器，藉由纖維與空氣介電常數（Dielectric Constant, $\varepsilon$）之差異，將紗條通過極板時的質量變異轉換為電容變化量 $\Delta C$ 及電氣訊號。
• 測試項目：包含平均不均勻度（$U\%$、變異係數 $CV\%$）、紗瑕／紗疵指數（IPI：薄節 Thin places、厚節 Thick places、棉結 Neps）、頻譜圖（Spectrogram）、變異長度曲線（$B(L)$ 或 $V(L)$ 曲線）、毛羽指數（Hairiness, $H$）等。

2. 紗線結構與極限不均勻度理論（Martindale 極限理論）：

• 根據馬丁代爾（Martindale）理想短纖紗極限不均勻度公式： $CV_{lim} = \frac{100}{\sqrt{n}} \sqrt{1 + 0.0001 \times CV_d^2}$ $U\% \approx \frac{CV\%}{1.25} = 0.8 \times CV\%$ 其中 $n$ 為紗線橫截面內平均纖維根數，$CV_d$ 為纖維直徑（細度）變異係數。截面纖維根數 $n$ 越少、纖維自身變異越大，則 $U\%$ 越高。
• 長纖絲 vs. 短纖紗：長纖絲（如假撚加工絲）由連續單絲組成，截面纖維根數沿軸向恆定，無短纖維牽伸波與端頭移轉問題，均勻度遠優於短纖紗。

解題方法

第一部分：不均勻度試驗儀之測試原理

1. 電容轉換機制： 試驗儀感應頭由一對平行金屬極板組成電容器。當極板間介質全為空氣時，電容值固定；當紗條以等速連續通過極板間隙時，由於紡織纖維之介電常數（$\varepsilon_r \approx 2 \sim 5$）遠大於空氣（$\varepsilon_r \approx 1$），極板間之電容變化量 $\Delta C$ 正比於兩極板有效長度（通常為 $8\text{ mm}$）內之紗條瞬時質量： $\Delta C \propto m(t)$
2. 訊號處理與積分： 電容信號轉化為高頻電壓波動信號，經前置放大、濾波並送入微處理器運算，即時繪製質量變異圖（Diagram），並積分求得相對平均偏差率 $U\%$ 或變異係數 $CV\%$。

第二部分：不均勻度試驗儀之測試項目

1. 不均勻度指標：

• 平均絕對偏差率 $U\%$： $U\% = \frac{1}{\bar{x} \cdot L} \int_0^L |x(t) - \bar{x}| \, dt \times 100\%$
• 變異係數 $CV\%$： $CV\% = \frac{\sigma}{\bar{x}} \times 100\%$ （常態分佈下，兩者理論換算關係為 $CV\% \approx 1.25 \times U\%$）。

2. 阻礙性紗疵（Imperfections, IPI 指標，通常以每 $1000\text{ m}$ 出現次數計算）：

• 薄節（Thin places）：斷面質量低於平均值 $-50\%$（或 $-40\%, -30\%$）。
• 厚節（Thick places）：斷面質量高於平均值 $+50\%$（或 $+35\%$）。
• 棉結／毛粒（Neps）：極短長度（約 $1\text{ mm}$）內質量超過 $+200\%$（或 $+140\%, +280\%$）。

3. 波長與週期性分析（Spectrogram, 頻譜圖）： 利用傅立葉轉換（FFT）將質量波分解為波長分佈曲線。若圖形出現「煙囪效應」（機械峰），代表牽伸羅拉偏心、齒輪嚙合不良或皮圈磨損；若出現平緩凸起，則代表牽伸波（Drafting wave）。
4. 變異長度曲線（Variance-Length Curve, $V(L)$ / $B(L)$ 曲線）： 評估外變異 $CB(L)$ 與內變異 $CV(L)$ 隨截取長度變化的規律，用以診斷前紡工序（併條、粗紗）的長片段不均勻。
5. 毛羽指標（Hairiness）： 透過附加之光學檢測系統測量，以 $H$ 值表示（定義為長度 $1\text{ cm}$ 紗條表面凸出纖維之總累積長度）。

第三部分：三種紗線之 $U\%$ 值大小比較與推導

將三種不同定長制與定重制番手統一換算為國際通用公制線密度 $\text{tex}$（或丹尼 $\text{denier}$），並比較其結構特性：

1. 細度換算：

• 尼龍假撚加工絲（Nylon DTY）70 denier： $\text{線密度} = 70 \text{ denier} = \frac{70}{9} \approx 7.78 \text{ tex}$
• 棉紗 $Ne 60$： $\text{線密度} = \frac{590.5}{60} \approx 9.84 \text{ tex} \quad (\approx 88.58 \text{ denier})$
• 羊毛紗 $Nm 100$：