紡織基礎知識-(四)棉纖維、合成纖維與高性能纖維-常見纖維與高性能纖維介紹

聚酯纖維

聚酯高分子(Polyester Polymer)之合成與紡絲工程簡述如下:

一、聚酯分子的合成
聚對苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene Terephthalate, PET)係一種聚酯高分子,聚酯的合成有兩種方式:
(一)直接反應(Direct Reaction)
二元酸(Diacid)與二元醇(Diol)直接反應,此反應為典型的費歇爾酯化反應(Fischer Esterification),即由對苯二甲酸(Para-Terephthalic Acid, PTA)與乙二醇(Ethylene Glycol, EG)合成聚對苯二甲酸乙二醇酯。
 
(二)酯交換聚合反應(Transesterification Reaction)

酯交換聚合法合成PET首由J.R. Whinfield及J.T. Dickson發明,係由二元酯(Diester)與二元醇(Diol)相互反應後失去小分子生成聚酯的縮聚反應,如由乙二醇與對苯二甲酸二甲酯(Dimethyl Terephthalate, DMT)合成PET。

 
DMT可由對二甲苯(p-xylene)氧化而得對苯二甲酸再酯化成DMT或在甲醇(Methanol)存在之狀況下以鈷觸媒(Cobalt Catalyst)將對二甲苯氧化成DMT。
二、聚酯纖維製程(直接反應法)簡介
圖1 聚酯纖維製程
 
以上流程詳述如圖2,纖維之物理性質如表1。
圖2 聚酯纖維製程
耐隆6纖維

耐隆6(Nylon 6, PA6)纖維是以己內醯胺(Caprolactam)為單體開環聚合(Ring-opening Polymerization) 再經熔融紡絲而成。耐隆6係因其原料單體已內醯胺內含有6個碳而得名,其物理性質詳見表1。

一、己內醯胺之化學構造式
(Caprolactam)
二、Nylon 6之合成(開環聚合)

化學結構中   為醯胺基(Amido Group)。

 
耐隆6.6

耐隆6.6(Nylon6.6, PA6.6)係由己二酸(Adipic Acid)及己二胺(Hexamethylene Diamine)聚合而成,因兩種原料均含有6個碳原子,故稱為耐隆6.6。耐隆6.6的聚合方式係採酸催化縮合聚合(Acid Catalyzed Condensation Polymerization),其化學反應如下,物理性質詳見表1。

耐隆4.6

耐隆4.6(Nylon4.6, PA4.6)係荷蘭DSM公司(DSM Fiber Intermediates)所開發,商品名為Stanyl PA4.6。1993年DSM提供PA4.6之切片(Chip)由日本Unitika公司紡絲,後因故合作中斷。1996年起由AKZO Nobel公司紡絲並予商業化,1998年起大力推向市場。

一、PA4.6之化學構造
耐隆4.6化學名為聚四亞甲基-己二醯二胺(Polytetra-methylene Adipamide)是由1,4-diaminobutane(1,4-二胺基丁烷)和己二酸縮合聚合(Polycondensation)而成。其化學結構式如下:
 
二、P A4.6、PA6.6、PA6之化學結構式比較
 

三、不同織物之物性比較

表1 不同纖維之物理性質比較
材質性質
PA4.6
PA6.6
PA6
PET

熔點(Melting Point)

283
258
216
255

比熱(Specific Heat)

at 20℃*1
J/g°K
1.6
1.6
1.5
1.0
at 100℃
J/g°K
2.4
2.3
2.2
1.0
at 200℃
J/g°K
2.8
2.4
2.7*4
1.3
熱容量

(Heat Capacity)*2

J/g
771
620
507
303

揚氏模數(Young's Modulus at R.T. )*3

g/d
34
46
37
90
結晶溫度

(Crystallization Temp.)

251
229
166
95
玻璃轉移點

(Tg at 65% R.H.)

82
74
60
60

熔化焓(Melt Enthalpy)

J/g
73
68
63
117
密度(Density)
g/cm3
1.17
1.14
1.13
1.36
沸水縮率(B.W.S.)

(15min x 100℃)

%
3.4
5.3
1.0
熱風縮率(H.A.S.)

(15min x 160℃)

%
0.9
3.0
7.0

含水率(Moisture Content at 65% R.H.)

%
4.5~5.0
3.5~4.0
4.0~4.5
註:1.比熱與融點決定融解一特定織物之總熱量。
      2.熱容量(Heat Capacity)為溫度自20℃升高到融點溫度之熱量(即熔融之總能量)。
      3.840d/144f(Unitika,Techtextil Frankfurt所提之數據)PA4.6較PA6.6具柔軟性。
      4.PA6開始軟化熔融
 
圖3 不同纖維在不同溫度下之熱容量比較
 
四、PA 4.6之用途
(一)汽車安全氣囊布(Air Bag Fabrics)。
(二)各類傳動皮帶。
(三)過濾布(Filter Fabrics)。
(四)耐磨布(Abrasion Resistant Fabrics)如:背包(Back Packs)、賽車服(Motocycle Clothing)、運動服、鞋類等。
(五)輪胎簾子布(Tyre Cord)。
(六)縫線(Sewing Thread)。
 
PTT彈性纖維

PTT(Polytrimethylene Terephthalate)即聚對苯二甲酸丙二醇酯係屬於芳香族聚酯(Aromatic Polyesters),於1941年由英國曼徹斯特卡利科印刷油墨公司(Caligo Printing Ink Co.)之J.R. Whinfield 和J.T. Diskson兩位科學家利用三甲基二醇(Trimethylene Glycol)或稱1,3-丙二醇(1,3-Propanediol, PDO)與對苯二甲酸(PTA)或對苯二甲酸二甲酯(DMT)在乙醚中合成。美國Shell化學(Shell Chemicals)公司於1995年5月9日宣布將PTT成功的商業化應用到地毯及紡織品領域,品名為Corterra®

PTT由合成到商業化歷時50年,主要是由於PDO價格過於昂貴。1996年起Shell公司以新的製造技術生產的PDO合成PTT,新技術以環氧乙烯(Ethylene Oxide, EO)單一步驟(One Step)合成PDO,故價格較為低廉,產品商業化更有利。第一座PDO工廠座落於美國路易斯安那州。DuPont於2000年進入PTT市場,商品名Sorona®3GTTM,其1,3-Propanediol是由生物催化發酵(Bio-catalysed Fermentation)而成,故又稱Bio-PDO,杜邦於2006年開始生產Bio-PDO聚合體。

一、Corterra® PTT纖維高分子聚合體之合成

(一)PTT之化學結構式
(二)PDO單體之合成
1.舊法
丙烯醛(Acrolein)經水化合(Hydration)繼之氫化(Hydrogenation)而成。
                             (Acrolein)                                       (3-hydroxypropionaldehyde)                                     (PDO)
 
2.新法
此法係以環氧乙烯與合成氣(CO/H2, Syn Gas)經連續氫醯化反應(Hydroformylation)而成。
 
3. PTT之聚合反應

   

 
4.物理性質
PTT融點為225℃~230℃,遠低於PET,但很接近Nylon 6,PTT纖維因分子呈Z型鏈狀結構,故具有很好的彈性。各種熱可塑高分子的物理性質(參見表2)。 
表2 不同熱可塑高分子化合物之物性
          
單位
PET
PTT
PBT

Tensile Strength

強度
MPa
72.5
67.6
56.5

Flexural Modulus

彎曲模數
GPa
3.11
2.76
2.34

Specific Gravity

比重
1.40
1.35
1.34

Melting Point

融點
255
225~230
228
Tg
玻璃轉移點
70~80
45~65
25
 
Sorona® 3GT™纖維高分子聚合體之合成

杜邦Sorona® 3GT™的化學結構式與Corterra®是一樣的,所謂3GT是源於1,3 Propanediol (PDO, 3G)族的聚合體之通稱。為由玉米澱粉發酵成葡萄糖、甘油以至於bio-PDO單體再與TPA(或DMT)合成Sorona®聚合體之流程(參見圖4)。bio-PDO的合成較一般PDO的合成減少40%的能源耗用。在美國聯邦貿易委員會(The U.S. Federal Trade Commission)修訂的「紡織纖維製品鑑別法(Textile Fiber Products Identification Act)」中,在「聚酯纖維」的定義中新增由PTT聚合體製成的纖維屬名為triexta, Sorona®係採用可再生原料製造的triexta纖維。

資料來源:DuPont
圖4 Soronaâ聚合體之合成流程
 
三、PTT纖維之染色方法
(一)使用分散性染料(Disperse Dyes)
(二)最適染色條件:100~120℃Í45min,Sorona®纖維可在100℃染色。
 
PBT彈性纖維

PBT纖維即聚對苯二甲酸丁二酯纖維(Polybutylene Terephthalate Fiber)與PET及PTT都是屬於芳香族聚酯(Aromatic Polyesters),PBT纖維於1960年代問世。PBT係由丁二醇(1,4 Butylene Glycol, 1,4-butanediol)與對苯二甲酸聚合而成,為第一種應用於工程熱塑性(ETP, Engineering Thermoplastic)材料,其特性如表1.8,爾後,被廣泛用於彈性衣料。其化學構造式如下:

PBT與由乙二醇及對苯二甲酸聚合而成的PET在化學的結構上很類似,由PET之化學結構式可以看出其較PBT之單體少兩個甲基(-CH2),較PTT少一個甲基。
一、PBT聚合體之合成
PBT在塑鑄(Molding)時,結晶速率(Rate of Crystallization)很快且短,為因其玻璃轉移點僅20~25℃故隨溫度變化會造成模數(Modulus)之快速損失。
 
二、PBT纖維之彈性與染色注意事項
PBT較PET結構多兩個甲基(Methylene, -CH2),分子間有較低的凝聚力,故PBT比PET較具彈性,PBT纖維目前廣泛用於彈性織物,其染色使用之染料為分散性染料,為確保彈性,加工溫度與張力控制很重要。
 
聚丙烯纖維

聚丙烯纖維((Polypropylene Fiber, P.P. Fiber)係由丙烯(Propylene)聚合紡絲而成,聚丙烯係以石油裂解的丙烯為原料,其特性為低回潮率、低比重及耐化藥性,分子式為(C3H6)X。以聚丙烯纖維織成之紡織品具輕量、舒適、保溫與濕度管理(Moisture Management)機能。聚丙烯分子主要成份為碳、氫,燃燒時不產生有毒氣體。聚丙烯可由丙烯以齊格勒-納塔法聚合(Zieglar-Natta Polymerization)或有機茂金屬催化聚合(Metallocene Catalysis Polymerization)而成。

 
一、聚丙烯之物性
表3 聚丙烯物性
項目
單位
數值
融點(m.p.)
~160
玻璃轉移點(Tg)
-17
密度(Density)
g/cm3
0.85(非晶, Amorphous)
0.95(結晶, Crystalline)
 
一般聚丙烯纖維無法染色,美國FiberVisions公司已成功商品化可染性(Dyeable)聚丙烯纖維。
 
二、主要用途
(一)地毯(Floorcoverings)。
(二)工業用途(Industrial Use):捕魚網(Fishing Nets)、建築用網(Nets for Construction)。
(三)汽車工業(Automotive Industry):汽車內裝。
(四)環保材料:如遠東紡織公司生產P.P.高吸油性熔噴不織布(Nonwoven Fabrics)係具有疏水性及微多孔化之超細纖維製成,可吸附本身重量為26倍之浮油。
(五)衣著類:內衣(Underwear)、泳衣(Swimsuits)、襪子(Socks)。
 
()纖維

碳(素)纖維(Carbon Fiber, CF)又稱石墨纖維(Graphite Fiber),係指含碳量為90%以上的高強度、高模數纖維,於1959年美國Union Carbide發展出嫘縈系碳素纖維,1965年日本大阪工業技術試驗進藤昭男教授所首先開發出聚丙烯腈系碳素纖維,日本群馬大學大谷杉郎教授則於1965年開發出瀝青系碳素纖維。

一、碳素纖維的種類
碳素纖維大分如下三類:
(一)聚丙烯腈系(PAN系, Polyacryonitrile, 亞克力系)。
(二)瀝青系(Pitch系):以石油瀝青、煤瀝青或氯乙烯瀝青為原料製成。
(三)嫘縈系(Rayon系):使用粘液嫘縈(Viscose Rayon)為原料。
 
二、碳素纖維之製造例
(一)PAN系碳素纖維製造流程 (以東邦帝人(Toho Tenax)公司製程為例)
1.以亞克力纖維做為前驅纖維(Precursor)製造流程
資料來源:Toho Tenax
圖5 亞克力纖維(前驅纖維)製造
 
2.碳素纖維的製造
資料來源:Toho Tenax
圖6 PAN系碳素纖維製造流程

碳素纖維的關鍵技術在於前驅纖維,其技術又與溶劑的選擇有關,東邦帝人公司PAN系碳素纖維採用氯化鋅(ZnCl2)水溶液溶劑。PAN系碳素纖維的領導廠商日本東麗公司則採用二甲基碸((CH3)2SO, DMSO)為溶劑的製程,三菱嫘縈公司則採用二甲基乙醯胺溶劑(CH3CON(CH3)2, DMAc)。PAN系碳素纖維的碳化溫度因各廠技術不同而異,東洋紡公司之碳化溫度則為1,000~2,000℃,石墨化(黑鉛化)溫度為2,000~3,000℃。

(二)瀝青系碳素纖維製造流程

資料來源:Monika Kannadaguli Haoming Rong

圖7 瀝青系碳素纖維製造流程
 
三、各種材料之比強度與比彈性率(參見圖8)
資料來源:岩井作弥         
圖8 各種材料之比強度與比彈性率
 
四、碳素纖維之性質
(一)比重:1.7~2.0。
(二)彈性率高(200~650 GPa)。一般而言,600 GPa以上可稱為超高彈性率,350~600 GPa為高彈性率,280~350 GPa為中彈性率,200~280 GPa為標準彈性率型。
(三)高強度(3~7 GPa,300~700Kgf/mm²)。
(四)高耐疲勞強度。
(五)具優良之耐磨性、潤滑性。
(六)熱膨脹係數小,尺寸安定性佳。(PAN系碳素纖維較瀝青系略高)
(七)具良好熱傳導性。(2009年3月25日,日本東洋紡與Polymatech公司共同發佈開發出1,200W/m•°K高熱傳導率之瀝青系碳素纖維)
(八)耐熱性優。
(九)耐藥品性優。
(十)不生鏽。
(十一)人體適合性優。
(十二)具導電性。
(十三)具電磁波遮蔽性。
(十四)良好之X光透過性。
 
五、碳素纖維之用途
(一)運動、休閒
1.釣竿:1970年初即有碳素纖維強化塑膠(CFRP)製成之商品。

2.高爾夫球桿(Golf Club):1972年初由美國Shakespeare公司開發。

3.球拍:1974年由美國Chemold Products公司開發。
 
(二)航太工業
1.飛機
(1) 1960年:軍用飛機。
(2) 1970年:小型飛機採用。
(3) 1980年:民航機採用。
(4) 1985年:A310垂直尾翼採用,此後一連串垂直水平尾翼採用,美國波音B777採用東麗T800 H/3900-2為垂直水平尾翼地板樑(Floor Beam)之一次構造材料。2.人造衛星
人造衛星,日照部分與背日部份溫差達300℃,故尺寸安定性要非常好,否則會型變,因應人造衛星逐漸大型且輕量化之趨勢及內部散熱的需要,故可用有高熱傳導之碳素纖維。
 
(三)土木建築:鋼筋替代、耐震補強材。
(四)風力發電機風扇葉片。
(五)腳踏車、車輛。
(六)電子、電器與工業器材。
(七)壓力容器。
 
芳香族聚亞胺纖維

芳香族聚亞胺纖維(Aromatic Polyimide Fiber)係一種熱安定性、不燃性(Non-flammable)的高性能難燃纖維。奧地利Lenzing公司的Lenzing P84及日本Toyobo公司的Toyobo P84都屬之。Lenzing公司的P84於1985年商業化生產,物性參見表4。

一、Lenzing P84高分子之合成與紡絲

芳香族聚醯亞胺(Polyimide, PI)係由芳香族雙酐(Aromatic Dianhydride, BTDA)及芳香族二異氰酸鹽(Aromatic Diisocyanates)混合物經過縮合聚合(Polycondensation)而成之高分子量化合物。芳香族聚醯亞胺的化學合成如下:

將聚合物溶於強極性之有機溶劑如DMSO(Dimethyl Sulfoxide, 二甲基亞碸)、DMF(Dimethylformide, N, N-二甲基甲醯胺)或NMP(1-Methyl-2-Pyrrolidone, N-甲基吡咯烷酮)中經過濾後以乾式紡絲(Dry Spinning)。Lenzing P84係用DMF溶劑之乾式紡絲。

 
 
 
二、P84之物性
表4 Lenzing P84物性
項目
單位
數值
細度
Fiber       Titre
dtex
2.2
強度
Tenacity
cN/tex
35~38
伸度
Elongation
%
33~38
彈性率(模數)
Modulus
cN/tex
3.6
熱收縮

Thermo Shrinkage at 250

%
< 1
比重

Specific Gravity

1.41
玻璃轉移點
Tg
315
限氧指數
LOI
% O2
36~38
一般而言,在25℃之50% H2SO4條件時Polyimide較Aramids有較佳之耐酸性。
 
三、用途
(一)防護衣、防護手套;
(二)耐高溫過濾袋;
(三)耐磨布料。
 
高性能難燃纖維-Teijinconex®
日本Teijin公司之Teijinconex®與杜邦公司Nomex®特性類似為間位芳香族聚醯胺(Meta Linked Aromatic Polyamide),係由間苯二胺(meta-Phenylene Diamine, MPDA)及間苯二醯氯(Isophthalayl Chloride, IPC)反應而成之聚間二苯間苯二甲醯胺(Poly-meta-Phenylene Isophthalic Amide, MPIA)。Teijinconex®的合成:
 
 
一、Teijinconex®短纖維製程
圖9 Teijinconex®製程
二、Teijinconex®短纖維物性
表5 Teijinconex® 短纖維之物性       
細度

Fiber Titre

d
0.8~5
強度
Strength
g/d
4.5~7.1
伸度
Elongation
%
25~40
熱收縮(300℃)

Heat Shrinkage at 300

%
3.5
融點

Melting Point

0F
752~806
玻璃轉移點
Tg
270
裂解溫度

Degradation Temp.

400
限氧指數
LOI
% O2
29~32
耐藥性

Chemical Resistant

 
高性能防彈級纖維Twaron®
Teijin公司的Twaron®高性能有機纖維屬於對位芳香族聚醯胺纖維(para-Aramid Fiber)的一種,與杜邦公司的Kevlar®類似。其化學合成方法如下:
一、Twaron®長纖維製程
資料來源:Teijin
圖10 Twaron®長纖維製程
 
二、Twaron®纖維物性
表6 Twaron®之物性
項目
單位
內容
密度
Density
g/cm3
1.44
分解溫度

Decomposition Temp.

500
強力
Strength
MPa
2,800
彈性率

Modulus of Elasticity

GPa
80
斷裂伸度

Elongation at Break

%
3.5
熱阻抗撕裂強度

Temp. Resistance Tear Strength(48hrs, 200℃)

%
90
熱收縮

Heat Shrinkage

(Air, 4min, 160℃)

%
0.1
燃燒特性(限氧指數)

Flammability (LOI)

% O2
29
 
NOMEX®纖維與其他高性能防火纖維
Nomex®係美國杜邦公司在1960年代研發出來的高性能防火材料(參見表7)。Nomex®的化學名稱為間位芳香族聚醯胺(meta-Aromatic Polyamide, m-Aramid),其化學結構式如下:
 

Nomex®ⅢA纖維則是具有92% Nomex®,5% Kevlar®,3%導電碳黑(Conductive Carbon Black)的Nomex®ⅢA纖維。Nomex®ⅢA因含有Kevlar®,分解溫度可達550℃左右。

表7 不同纖維的限氧指數比較
纖維種類
限氧指數 (%)
間位芳香族聚醯胺
Nomex®
29~32
聚四氟乙烯
Teflon®
95
聚對苯硫醚

PPS Fiber

40
聚苯并咪唑

PBI Fiber

40
 

其他重要的防火纖維很多,如中國大陸煙臺氨綸公司的間位芳香族聚醯胺纖維紐士達â、法國Kermel公司的Kermel®芳香族聚醯胺纖維、美國Celanese Fiber公司的PBI纖維(Polybenzimidazole Fiber, 聚苯并咪唑纖維)、杜邦公司的Teflon纖維(Polytetrafluoroethylene Fiber, 聚四氟乙烯纖維)、Kynol公司的Kynol®纖維(Polyphenol-aldehyde Fiber, 聚酚醛纖維)、英國Victrex plc公司之聚醚醚酮纖維(Polyetheretherketone Fiber, PEEK)及聚對苯硫醚纖維(Poly-p-Phenylene Sulfide Fiber, PPS Fiber)等。

 
杜邦Kevlar®纖維
1965年,杜邦公司科學家Stefany Kwolek發明Kevlar®纖維,它具有與同重量的鐵5倍的強力(參見表8)。Kevlar®因為輕量且有超高的強度及繞曲性(Pliancy),故用途十分廣泛。
一、Kevlar®的化學合成
Kevlar®成份的化學名為聚對苯二甲醯對苯二甲胺(Poly-para-Phenylene Terephthalamine)是對位芳香族聚胺(para-Aromatic Polyamide, p-Aramid),由對苯二胺(PPD)及對苯二(甲)醯二氯合成,以液晶紡絲法紡絲而成,其化學結構式如下:
(p-Aramid)

 

表8 Kevlar®與其他材料之物性比較
材料物性

Kevlar® 29

Kevlar® 49

電子級玻纖

E-glass Fiber

鋼絲

Steel Wire

碳纖

Carbon Fiber

比重

(Specific Gravity)

1.44
1.45
2.54
7.85
1.75
拉伸強度

Tensile Strength(kg/mm2)

300
300
(245)
200
(360)
拉伸模數

Tensile Modulus(kg/mm2)

7,320
11,100
(7,000)
20,000
(23,500)
斷裂伸度

Elongation at Break(%)

3.6
2.4
4.0
1.1
1.5
註:括號( )為樹脂浸漬長纖維束(Impregnated Resin Strands)之性質值
 
二、Kevlar®的應用
(一)防切割及人員防刺戳盔甲(Stab Resistance of Personal Body Armor, NIJ 0115.00)
(二)防彈背心(Bullet Proof Vest)、防彈頭盔、防彈面具與防彈板等近年之防彈布料有由傳統梭織布改為單向層(UD層, Uni-directional Layer)配合0˚/90˚交疊貼合層(Crossply Laminates)(參見圖11)而成的趨勢,輕量且有較佳的能量分散與防彈效果。防彈效果可以用子彈測V50值來決定,所謂V50就是以選定的子彈(Named Projectile)射擊靶材(Target Material)時,子彈穿透的估計概率為0.5時的平均彈速。容許的最低V50BL(彈道極限(Ballistic Limit, BL))速度(參見圖12)的決定方法是在125ft/sec的彈速差異範圍(Velocity Spread)內,6顆子彈中有3顆子彈部份穿透(Partial Penetrations, PPs),另3顆子彈完全穿透(Complete Penetrations, CPs)的平均彈速或在150ft/sec的彈速差異範圍內10顆子彈有5顆子彈部份穿透,另5顆子彈完全穿透的平均彈速,V50的值越高防彈效果越好。
                                         圖11 UD層之Crossply貼合示意圖                                              圖12 V50 BL
 
(三)航太設備
1.波音767(Boeing 767)客機複合材;
2.太空梭(Space Shuttle)複合材。
 
(四)其他用途

1.繩索與光纖電纜(Fiber Optics Cable)

2.防護衣(Protective Clothing)與賽車服(Motorcycle Racing Suits) ;

3.高爾夫球桿、網球拍(Tennis Rackets)

 
超高分子量聚乙烯纖維Dyneema®

1979年荷蘭DSM公司(DSM Dyneema B.V.)的研究員Pennings開發出高性能聚乙烯纖維,此高性能聚乙烯纖維即超高分子量聚乙烯纖維(Ultra High Molecular Weight Polyethylene Fiber, UHMWPE Fiber),同年,DSM公司以獲得專利的凝膠紡絲法(Gel Spinning)製造此種高性能聚乙烯纖維,1990年在荷蘭Heerlen工廠開始商業化生產。

DSM公司將其發展出的超高分子聚乙烯纖維命名為Dyneema®,Dyneema®纖維的平行順向度(Parallel Orientation)高於95%,結晶度(Crystallinity)為85%,是當今全世界強力最大的纖維。Spectra®則係由DSM公司之子公司Stamicarbon授權美國Allied Signal製造之UHMWPE纖維。UHMWPE屬於聚烯烴(Polyolefin)的一種,是由極長的聚乙烯鏈在同一個方向排列構成的,化學結構式如下:

一、Dyneema®的製造流程概要

資料來源:Fiber, Vol.54, No.1 (1998)
                                                                                                圖13 Dyneema®製造流程

 Dyneema®纖維係以凝膠紡絲的方式製造而成,非常精準加熱的UHMWPE凝膠由計量幫浦壓出經過紡絲孔(或稱紡嘴, Spinneret),經過紡嘴的絲通過空氣後在水浴(Water Bath)冷却。超倍延伸,去除絲中的殘留溶劑得到很高的分子順向性(Molecular Orientation)而使得此條絲獲致極高的拉伸強度(Tensile Strength)。
二、Dyneema®纖維的物性
(一)不同原絲規格的物性比較
        表9 物性比較
性質
單位
Dyneema®原絲規格物性值
SK60
SK65
SK75
SK76
密度(Density)
g/cm3
0.97
0.97
0.97
0.97
強度(Tenacity)
g/den
32
35
40
42
拉伸強度(Tensile Strength)
GPa
2.7
3.0
3.4
3.6
比彈性率(Specific Modulus)
g/den
1025
1100
1250
1350
彈性率(Modulus)
GPa
89
95
107
116
斷裂伸度

(Elongation at Break)

%
3.5
3.6
3.8
3.8
回潮率(Moisture Regain)
%
none
none
none
none
 
1.不同規格Dyneema®絲的用途
(1)Dyneema® SK60/SK65
漁網(Fishing Nets)、繩索(Cordage)、防護衣、耐衝擊(Impact-resistant)補強複合材等。
(2)Dyneema® SK75
強度較SK60為高,特殊設計之高性能、輕量化之繩索等用途。
(3)Dyneema® SK76
此纖維具有最高的能量吸收(Energy Absorption)與快速的震波分散(Shock Wave Dissipation)作用,適合做為防彈素材,如防彈背心(Bulletproof Vest)、防彈盔甲(Body Armor)。
2.醫療級縫線用途

DSM Dyneema公司以Dyneema Purity為商標推出整型外科縫線(Orthopedic Sutures),首座生產設備座落於美國北卡羅來納州格林維爾(Greenville)。

3.2006年6月,DSM Dyneema公司商業化生產超強之Dyneema HB26超高分子量聚乙烯單向複合材(Unidirectional Composite),作為防爆裝甲車輛(Armouring Mine Protected Vehicles)之用途。

 
三、Dyneema®纖維一般物性
        表10 Dyneema®物性
性質
單位
物性(值)
回潮率(Moisture Regain)
%
None
耐酸、鹼(Resistance to Acid、Alkali)
Excellent
可耐大部份化學藥品(

Resistance to Most Chemicals)

Excellent
抗紫外線

Very Good

融點(Melting Point)
144~152

熱傳導(沿纖維軸向)Thermal Conductivity (Along Fiber Axis)

W/m°K
20
電阻(Electrical Resistance)
Ohm
>1014
介電常數(Dielectric Constant) (22℃, 10GHz)
2.25
介電強度(Dielectric Strength)
KV/cm
900
用途:除了前述之用途外,Dyneema®有很低的介電常數,對電磁波振幅的影響幾可忽略,可做飛機雷達遮蔽罩等。
 
抗靜電紗(Anti-Static Yarn)
一、常見的抗靜電纖維
目前市售抗靜電織物常用的導電紗如下:
(一)Barnet公司:NEGA-STAT®(Polyester Base);
(二)Shakespeare公司:RESISTAT®
(三)KB Seiren公司:Belltron®
 
二、導電纖維斷面與抗靜電現象
(一)Barnet 公司的NEGA-STAT®
Barnet公司的 NEGA-STAT®導電紗的斷面(參見圖14~15),其抗靜電效果為強而密集的場力將靜電誘導(參見圖16~17)進入原絲中心之導電碳黑,再利用傳導(參見圖18)作用將靜電消除。
                                         圖14 Nega-Stat®P190斷面                                                   圖15 Nega-Stat®P210斷面    
圖16 Nega-Stat®纖維靜電誘導現象

                     

(測試設備:High Frequency Generator Electro-Technic Products Inc Model BD-10AS)
圖17 Nega-Stat®布料靜電誘導現象     圖18 Nega-Stat®布料靜電傳導現象
 
靜電的中和方式係透過下列三種機制達成:
1.誘導(Induction)
2.傳導(Conduction)
3.電暈放電(Corona)
抗靜電布料之靜電消除主要以誘導及傳導的方式達成。
(二)Shakespeare公司的RESISTAT®
Shakespeare公司的導電絲係以化學的方式在耐隆的表面充滿導電性碳微粒(Electrically Conductive Carbon Particles)(參見圖19),依丹尼數及纖維數不同其電阻的範圍為103Ω/cm~ 108Ω/cm。
圖19 Resistat®斷面
 
(三)日本KB Seiren公司 Belltron®
KB Seiren公司的Belltron®的各型抗靜電絲其斷面與特性如表11,抗靜電絲係利用導電碳黑微粒(Conductive Micro Carbon Black Particle)與改質聚酯(或耐隆6)混練後,再經複合紡絲噴嘴與聚酯(或耐隆6)紡絲成複合雙成份纖維而成,聚酯導電紗之斷面說明如下(參見圖20)。
 
A:導電碳黑層(Conductive Layer)改質聚酯(Modified Polyester)混練入導電碳黑微粒
B:非導電層(Non Conductive Layer)
圖20 Belltron®斷面
 
 
 
 

表11 日本KB Seiren公司之Belltron®抗靜電絲系列斷面與電阻值

資料來源:KB Seiren,Ltd
 
三、抗靜電特性分類
(一)纖維導電性分類(AATCC Test Method 84-1995)
1.導電性:105Ω•cm(含)↓;
2.靜電消散:105~109Ω•cm;
3.抗靜電:109~1014Ω•cm;
4.絕緣性:大於1014Ω•cm。
(二)織物抗靜電性質(AATCC Test Method 76-1995)
1.導電性:105Ω•cm或更小;
2.抗靜電:105~1012Ω•cm;
3.絕緣性:大於1012Ω•cm。
 
四、抗靜電紗應用於無塵衣布料之測試項目
(一)通塵捕集效率(Particle Hold-out Efficiency),即須檢測捕塵效率(Filtration Efficiency)及壓損(Pressure Drop)。
(二)表面電阻(Surface Resistance)。
(三)靜電消散時間(Static Decay Time)。
(四)摩擦帶電壓(Friction-charge Electrostatic Potential)。
(五)透氣性與透濕性。
如製成無塵衣可用漢克滾筒測試(Helmke Drum Test)並以塵埃粒子計數器(Particle Counter)測試發塵量(Linting),且發塵量必須合乎耐洗要求。
 
竹炭纖維與竹碳機能性纖維
2006年至2007年之間,台灣竹炭纖維(Bamboo Charcoal Fiber)的發展與應用十分耀眼,的確為紡織業帶來不少商機,紡織業與學術研究機構在這個領域的成就令人激賞。

竹炭纖維之竹材大都以孟宗竹、桂竹為主,竹材經高溫(600~800℃)炭化、搗碎、研磨成粉末,製成母粒(Masterbatch),在原絲製造工程中與原絲主成份(Fiber-forming Material)融熔紡絲,亦可製成短纖棉(Staple),經紡紗後可織成各式各樣紡織品(參見圖21)。如為強化或增加竹炭纖維性能,則可在竹炭粉末中加入必需之性能陶瓷粉末高溫(1,200℃)鍛燒再製成機能性母粒紡絲。

 
一、竹炭纖維的製造流程
圖21 竹炭機能性纖維製造流程
 
二、竹炭機能性纖維布料的功能性
基本上竹炭因具有微多孔的結構(參見圖22),故有很強的吸附與消臭性能。竹碳母粒的製造中可因加入不同機能的添加劑而增加(或增強)特性(Additive for Enhanced Performance),竹炭機能性纖維布料的功能性很多,包括調濕性、抗靜電性、產生負離子、能釋放遠紅外線具有蓄熱保溫、促進新陳代謝作用,竹炭機能性纖維的功能性因各廠商所強調的功能性不同而有所不同的添加物,如要有抗菌性則必須添加如奈米銀等之陶瓷粉末,要增強其抗靜電性亦可添加適量導電性奈米材料。

圖22 竹碳粉SEM圖(x1500倍)

 
竹炭機能性(指含機能性添加劑)纖維布料功能之測試項目如下:
(一)抗靜電電性(Anti-static Property)

測試竹炭機能性纖維布料的摩擦帶電壓(Friction Charged Electrostatic Potential(JIS L1094-1996 B)),如摩擦帶電壓小於1000伏特則具良好之抗靜電性。

(二)抗菌性(Antibacterial Test):竹炭母粒如混練奈米銀等金屬或具抗菌性之金屬氧化物時有抑菌性。

1.靜菌活性值(Bacterostasis Activation Index(JIS L1902)):大於2.2。

2.平行畫線法(AATCC-147-2002):不長菌。
 
(三)氨消臭性(NH3 Deodorizing)(日本JAFET消臭性能評價,檢知管法):氨消臭率大於70%則表示具有良好的消臭性。
(四)負離子產生(Minus-ion, Friction Method)(ITC-201A,20℃Í65% R.H.摩擦法)。
(五)遠紅外線放射率(Far Infrared Ray Emissivity):測試布表面溫度設定在55±2℃,以遠紅外線分光放射光譜儀測試,掃頻後讀取3~14μm波長之放射強度,求得布料之放射率。一般具有遠紅外線放射效果的竹炭機能性纖維布料之平均放射率大於0.80。
(六)假人阻熱試驗(Thermal Insulation Test with Manikin):竹炭機能性纖維布料(測試樣)與對照組(Blank)比較阻熱保溫效果。
三、竹炭機能性纖維布料之抗靜電現象
竹炭抗靜電機能性纖維布料有很好的抗靜電效果,一般具有抗靜電效果的竹炭機能性纖維布料其摩擦帶電壓小於1,000伏特。而不含導電性添加劑竹炭纖維之布料則無顯著之抗靜電效果。具抗靜電效果的服飾在較低相對濕度(乾燥)的外在環境中於穿著上有較好的舒適性。