紡織基礎知識-(五)染色、印花、整理加工-紡織品之機能性加工

前言
本文根據2009年9月全球最具知名度的法國巴黎Premiére Vision(第一視覺)紡織展發表的功能標(Performance Codes)分類將布料之機能性加工做扼要之說明:
 
機能性加工的種類
一、負責任的生產(Responsible Production)

布料的生產(製造)係基於對環境負責的(Environmentally Responsible)及/或整合公平貿易原則(Fair Trade Principles)並尊重勞工(Human Labour)。

二、防風(Wind-proof)
布料經由織造、浸漬(Impregnation)或薄膜貼合加工而有阻風(Blocking Wind)性質者。
三、耐氯(Chlorine Resistant)
使用特殊藥劑或染料使該布料做成的衣著可以耐游泳池水,避免氯水污染(Chlorine-water Stains)及耐氯漂白。
四、自然伸縮性(Naturally Stretch):
將不含彈性體(Elastane)的布料在經向、或緯向或經緯兩向拉伸後可以完全恢復者。此種布料的彈性係由紗本身機械性的回縮或以化學處理方式達成。
五、單向伸縮性(Mono-stretch)
將布料由經向或緯向拉伸後可以完全恢復原狀者,使用彈性體、加工絲或紗本身有自然彈性者。
六、雙向伸縮性(Bi-stretch)
布料之經向及緯向拉伸後均可恢復原狀者,此種布料係使用彈性體、加工絲或紗本身有自然彈性者。
七、免燙(Easy-care)
布料於經常性家庭使用(Domestic Use)時,易於整理免燙。
八、快乾(Fast Drying)
布料因原絲特性、組織結構(Structure)且/或撥水處理(Hydrophobic Treatment)而可快速乾燥者。
九、撥水(Water-repellent)
布料之整理加工可使其防止水、油之滲透亦可防污者。
十、防水(Water-proof)
布料可阻止水穿透者。
十一、透濕防水(Breathable-waterproof)
布料可阻止液態水滲入,但可排出汗水。
十二、透氣性(Breathing)
布料可自身體吸收濕氣(Wicking Humidity)排到外面。此種布料係利用紗且或組織結構的特性而有些效果,會使得皮膚與衣服之間維持乾燥的微氣候(Dry Microclimate)。
十三、塗佈加工(Coating)
在布料的表面上塗佈特殊物質(如亞克力膠)而賦予布料特殊性質者。
十四、薄膜(Membrane)貼合
用一種很薄的合成薄膜貼合於布料上,能防水、防風但可透氣者。
十五、多層(Multi-layer)
布料係由二種或以上不同特性之原料結合而成。
十六、雙面(Double Face)
布料表、裡有不同之外觀,各有不同機能。
十七、氣候的(Climatic)
布料具有控制紗線的溫度的特性,可以保護身體免受外界太冷或太熱氣候條件的影響。
十八、保暖的(Thermal)
布料具有調節 紗線的溫度的特性,可以維持在皮膚與外套之間乾燥且溫暖的微氣候(Micro-climate)避免身體受寒。
十九、絨頭織物(Fleece)
雙面針織布料單面或雙面起毛者。
二十、防污(Stain-resistance)
可避免布面沾污的整理加工布料。
二十一、抗紫外線(Anti-UV)
布料經由機能性整理加工可以避免人的皮膚受到紫外線(UV Rays)的傷害,紫外線防護係數(UPF)須達30以上。
二十二、抗菌(Anti-bacterial)
布料以化學處理的方式避免由汗水導致的細菌的滋長。
二十三、高阻抗(High-resistance)
布料使用高強力紗而可耐撕裂(Tearing)且或耐磨(Abrasion)。
二十四、反射性(Reflecting)
布料可反射光線,包括螢光(Fluorescents)、磷光(Phosphorescents)和再歸反射(Retroreflective)。
 
整理加工之原理與技術
紡織品之機能性整理加工種類繁多,以下僅列舉數例做簡要之說明。
一、高密度組織防水(High-density Weave Structure Waterproof)
利用織物組織緊密度,使織物不需經防水加工就能達到500mmH2O以上的耐水壓,優點為無膠、輕量、舒適性好且環保。
二、防絨加工(Downproof)
通常用於羽絨服面料,目前市面上的羽絨服填空物主要是樹酯棉和鵝絨。羽絨服的面料極輕,常用規格有70D/48F、50D/216F、40D/72F、30D/72F、20D/24F等,條數依組織不同而不同。如使用70丹尼絲,平紋布之經緯密為280條/吋以上,斜紋布之經緯密為300條/吋以上,多臂(Dobby)織物更高;使用40丹尼絲時,平紋布之經緯密為300條以上,斜紋布之經緯密為330條/吋以上。
三、壓光(Calendaring, Glaze)
壓光工程之壓光溫度通常在150~190℃之條件下進行,主要為使布面產生亮度。
四、撥水加工(Water Repellent Finishing)

撥水就如同在佛教裡象徵聖潔的蓮花(Lotus Blossom)的葉子(參見圖1),蓮葉的表面有特殊的結構,不被濡溼不污染,即所謂的蓮花效應(Lotus Effect)。1997年,首由德國Wilhelm Barthlott及C.Neinhuis兩位教授以金蓮(Tropaeolum)深入研究此一現象。臨界表面張力(Critical Surface Tension)係指固體表面相對厭水(Water-hating)或親水(Water-loving)的性質,低的臨界表面張力表示該物體單位面積的表面能量(Surface Energy)低;織物與液體的表面吸收能量(Surface Absorption Energy)較液體內能量(Inner Energy)為小時,則具有撥水效果。布料以氟碳化合物處理時,因氟素撥水劑含有三氟甲基官能基(Trifluoromethyl groups, -CF3),-CF3的臨界表面張力很低(6mN/m),所以水(73mN/m)及油(20~35 mN/m)無法使布料的表面濕潤。

攝自雲科大,「雲,那裡」蓮花池
圖1 蓮花
(一)蓮花效應

以掃瞄式電子顯微鏡觀察蓮葉發現具有三度空間的細微結構(Microstructures)中含有無數個乳凸體(Bulges),每個乳凸體表面是一個含有無數奈米尺寸的臘質晶體(Wax Crystals)之奈米結構(Nanostructure)(參見圖2)。

圖2 蓮葉的奈米結構SEM圖
 
水滴到蓮葉表面,可以看到水滴與具有微細結構的蓮葉表面之間,有很大的接觸角(Contact Angle)(參見圖3),優越的撥水防污機能被稱為蓮花效應。
 
圖3 蓮葉的接觸角
 
(二)布料撥水現象
在紡織品的表面賦予低於水的表面張力72mN/m的物質(如氟碳化合物),即可使紡織品表面獲致撥水效果(參見圖4)。由布面的濕潤狀態,可評價布料撥水效果的好壞。
圖4 布料撥水現象
(三)撥水性能的評價
1.楊氏方程式
以楊氏方程式(Young’s Equation)計算液體滴在固體表面時固體表面與液滴切線的夾角(接觸角),接觸角的大小表示撥水效果的良窳(參見圖5)。楊氏方程式:

                        γLV Í cosθ=γSV-γSL

式中:θ:接觸角
γLV:空氣與水之界面張力(Interfacial Tension)
γSL:固體與水之界面張力
γSV:固體與空氣之界面張力
圖5 接觸角與張力的關係
評價:θ=0:完全濕潤(Complete Wetting)
0<θ<90:弱濕性(Incipient Wetting)
90<θ<180:弱撥水(Incipient Hydrophobicity)至最佳撥水(Optimum Hydrophobicity)
 
2.噴淋測試(Spray Test)

以AATCC Test Method 22-1996 Spray Test測試織物之撥水性時,如果其等級為100(Spray Test Rating 100)表示該面積無任何一處是沾濕的(Sticking&Wetting),等級為0則表示完全濕潤、完全無撥水效果,100(ISO 5)與0等級之間有90(ISO 4)、80(ISO 3)、70(ISO 2)、50(ISO 1)四個等級。

 
3.動態接觸角(Contact Angle)的量測
動態接觸角可用「水滴形狀分析儀(Drop Shape Analysis)(參見圖6)」量測。動態接觸角θ(參見圖7),愈大表示撥水性愈好。

圖6 水滴形狀分析儀

圖7 動態接觸角

 
五、透濕防水加工(Breathable Waterproof Finishing)
所謂透濕防水,簡單的說就是人穿著的衣服具有防止雨水滲入而人體發生的汗氣可以排出的機能,無論晴雨或運動休閒穿著透濕防水衣服能使人保持舒適狀態。
(一)雨水、汗氣(水蒸氣)的直徑與透濕防水機能的關係(參見圖8)。
一般微多孔透濕防水膜的孔徑大約0.2~10微米,汗氣能透過微多孔排放到空氣中,但水氣、雨滴無法滲透過微多孔,故具有防水透濕功能。汗、水氣及雨滴的直徑如下:
汗氣(Perspiration Vapor):0.0004μø
霧氣(Mist):100μø
毛毛細雨(Drizzle):500μø
中雨(Rain):1,000~2,000μø
豪雨(Downpour):3,000μø
圖8 防水透濕性能示意圖
(二)透濕防水織物(加工)的種類例
1.直接塗佈(Direct Coating)織物
(1)乾式(Dry System)
u親水型(Hydrophilic)透濕防水PU膠塗佈加工。
v微多孔型(Microporous)透濕防水PU膠塗佈加工。
(3)濕式(Wet System):微多孔型透濕防水PU膠塗佈加工。
2.透濕防水膜貼合織物
(1)親水型:親水型透濕防水膜貼合加工(如Sympatex®)。

(2)微多孔型:膨體聚四氟乙烯(e-PTFE膜, Polytetrafluoroethylene Film)及PU微多孔型透濕防水膜貼合加工(如Abletex®圖9(A)、(B))。

3.織物組織防水:利用高密度組織緊密的結構,不必上膠而有透濕防水效果。

圖9 透濕防水膜貼合布斷面(A)及薄膜微多孔(B) (Abletex® FTC)

(三)常用透濕度評價方法
1.透濕度程度之簡易比較試驗
簡易測試防水透濕布料之透濕性好壞可將布料蓋住密封在內有熱水圓筒,視水蒸氣逸出情形(參見圖10),圖左顯示透濕性較差,圖右則表示透濕性較佳。
圖10 透濕性比較
2.正杯法(The Upright Cup Test,JIS L 1099A1)
正杯法即氯化鈣乾燥劑法,用於檢驗微多孔拒水型塗佈織物(Microporous Hydrophobic Coating Fabrics)和貼合織物之透濕性。
 
3.倒杯法(The Inverted Cup Test,JIS L1099 B1)
倒杯法即醋酸鉀吸濕法,用於檢驗親水型膜(Monolithic Hydrophilic Films)或e-PTFE透濕膜貼合織物之透濕性。
(四)出汗熱板系統測試法:濕氣阻抗法(Water-vapor Resistance)
出汗熱板試驗係以皮膚模型(Skin Model)模擬質、能(熱)在皮膚之傳輸狀態,亦即模擬皮膚的舒適度。出汗熱板試驗設備略圖(參見圖11)。汗水熱板實驗以Ret值表示透濕度之高低,低的Ret值表示具有較高的透濕性,反之,則表示較低的透濕性。

  

(a)環境條件:溫度=35℃、濕度=40%RH、風速=1m/s±0.05 m/s
(b)假設條件:外界環境35℃,40% RH,內部35℃飽和蒸氣壓,維持被測物內部飽和蒸氣壓的熱能維持量(W)。

圖11 Ret出汗熱板測試設備略圖

 
防水透濕紡織品的生理效應(Physiological Effects)可在穩定的狀態下以紡織品「出汗熱板(Sweating Guarded-Hotplates, SGHP)」亦即熱阻與濕阻測試熱板測試,此測試方法係依據ISO 11092:1993(E)和ASTM F1868標準測試紡織品的熱阻(Thermal Resistance)以Rct表示和濕阻(Water-Vapor Resistance)以Ret表示。熱阻的定義是物質的兩面的溫度差除以在熱流方向上每單位面積的熱流量(Resultant Heat Flux)。濕阻的定義是物質的兩面的水氣壓力差(Water-Vapor Pressure)除以熱流蒸發方向中每單位面積蒸發的熱流量(Resultant Evaporative Heat Flux),出汗熱板Ret亦即布料和空氣層產生的蒸發傳遞阻力,單位為m2•Pa/w。出汗熱板Ret之測試結果公式如下:

Pm:在測試溫度之下熱板表面的水蒸氣壓力, Pa (Pascal)。

Pa:空氣中的水蒸氣壓力, Pa。         A :熱板測試部份的面積, m2

H:加熱器輸出功率, Watts。     △He:加熱器的校正項(Correction Term)

Ret0:設備常數(Apparatus Constant), m2•Pa/w。
出汗熱板Ret值與透濕性能(舒適性)對照表參見表1:

表1 Ret與透濕性大小(Resistance to Evaporation)

性能(透濕性)
Ret(m2–Pa/Watt)

很好(Excellent Breathability)

0<Ret≦6
好(Good Breathability)
6<Ret≦13

透濕性差(Poor Breathability)

13<Ret≦20

不透濕(Not Breathability)

Ret>20
 

(五)出汗熱假人系統(Sweating Thermal Manikin System)

以出汗熱假人系統(參見圖12)評價布料及衣著之乾熱阻抗(Dry Thermal Resistance, Rct)及蒸發阻抗(Evaparative Resistance, Ret)的方法無論在學術研究與實務上頗受重視。以美國Measurement Technology Northwest公司的出汗熱假人測試功能系統(假人共分26個區段(Zone))(參見圖13),做簡要說明。
 
圖12 出汗熱假人系統(FTC)
資料來源:Measurement Technology Northwest/FTC
圖13 出汗假人測試功能系統
1.出汗熱假人Rct之計算公式
Rct : m2µ℃/W
Tskin:區段平均溫度(Zone Average Temp. )(℃)
Tamb:環境溫度(Ambient Temp.)(℃)
Q/A:單位面積熱流量(Area Weighted Heat Flux)(W/m2)
2.出汗熱假人Ret之計算公式
Ret:m2µPa/W
Psat:皮膚溫度時的飽和蒸氣壓(Saturation Vapor Pressure at Skin Temp.(Pa)
Pamb:環境溫度時的蒸氣壓(Ambient Vapor Pressure at Ambient Temp.(Pa)
Q/A:單位面積熱流量(Area Weighted Heat Flux)(W/m2)
3.保溫值(clo value)之計算式: clo = 6.45 Í Rct
 
六、吸濕快乾織物與加工
一般合成纖維具疏水性,不易吸收汗水,而純棉具有良好的吸水特性,能夠迅速吸收汗水,但由於棉纖維有較高的表面極性(Polarity),一旦與水分子接觸之後不易脫離,造成身體濕黏不適應,為棉最大的缺點。經緯向均以異型斷面合成纖維或異型斷面合成纖維與棉纖維交織等布料具有高透氣性、迅速吸收皮膚上的汗水並將之導至衣服表面快速乾燥的功能,能使穿著者感覺到清涼、乾爽與舒適。棉織品因為抱水率高,有接觸冷感,而以合成纖維織造之快乾布料則無此缺點。吸濕快乾的現象可用「Y型」斷面聚酯纖維織造之布料為例圖解說明如下(參見圖14)。
圖14 吸濕快乾示意圖
 
纖維的液態水流量可以下列公式計算,也可以看出影響濕氣輸送性質(Moisture Transport Properties)的因素。
式中:Q:液態水流量 d :纖維斷面與直徑   γ:液•氣表面張力
θ:液體與固體表面接觸角   α:纖維加撚角度  
η:液體粘度   n:纖維根數    ℓ:纖維長度 
纖維的吸濕性(Moisture Absorbing)也可以用後整理的方式將具有親水基(Hydrophilic Group),如羥基(-OH)、羧基(-COOH)等的化學藥劑透過浸漬或壓吸的方式加強其吸濕的功能。吸濕快乾性能的評價一般有下列三項:
(一)吸濕高度(Vertical Wicking);
(二)擴散速率(Absorbency Rating);
(三)乾燥時間(Drying Time)。
 
七、抗紫外線加工(Ultraviolet Rays Cut Finishing)

根據澳洲/紐西蘭標準(AS/NZS 4399:1996)對於太陽光(紫外線)防護織物(Sun Protective Clothing)的定義是個人衣著(包括成衣、帽子、襪子、鞋子等)對太陽紫外線輻射(Solar Ultraviolet Radiation)有防護效果者稱之。紫外線之波長範圍為100~400nm。

(一)紫外線的種類
紫外線共分三類,到達地球的紫外線大部分為UVA,少量為UVB,但UVB對人類之皮膚、眼睛之危害較UVA為大,是皮膚致癌主因。UVC則是非常危險的紫外線,對眼睛、皮膚危害極大,但未達到地球前在上大氣層已被吸收。
(二)紫外線對人類皮膚的穿透力
不同波長紫外線對皮膚穿透力不同,對皮膚刺激性也不同(參見圖15)。波長越短產生的電磁波能量越強,對敏感的細胞組織刺激越強烈。
                                                                                             
資料來源:JTN Monthly Feb. 1998
                                                                          圖15 紫外線對皮膚的穿透力
 
(三)影響UVR(Ultraviolet Radiation)程度的因素

所謂UVR即指太陽紫外線輻射(Solar Ultraviolet Radiation)的波長在100~400 nm的輻射線稱之。影響UVR強度的因素如下:

1.太陽高度(Sun Height)。
2.地理位置(Geographical Position):如澳洲紫外線危害最嚴重。
3.雲層覆蓋(Cloud Cover)。
4.臭氧層(Ozone Layer):臭氧層濃度降底1%,UVB穿透力增加2%,致癌機會增加0.5~5%。
5.散射(Scattering)。
6.環境(Environment):海邊、沙灘、雪地(參見圖16)等高反射環境會增強UVR。
7.高度(Altitude):大約距離地面每增高300公尺,UVR增加4%。
 
作者攝於瑞士Zurich至Locarno途中, 2004/5/20
圖16 高山與雪地會增強UVR
 
(四)影響織物紫外線遮蔽效果的因素
1.材質(Substrate)。
2.織物之組織與結構。

3.顏色及色深度(Color Depth):色布比未染色的布有較好的紫外線遮蔽效果,而顏色愈深遮蔽率愈好。

4.含濕量(Moisture Content):含濕較高的衣服,具有較高紫外線穿透性。
5.織物的表面處理。
(五)紫外線防護係數

紫外線防護係數(Ultraviolet Protection Factor, UPF)係指未防護皮膚(Unprotected Skin)之平均有效UVR照度(UVR Irradiance)與以試驗布料防護之平均有效UVR照度之比值。針對防曬衣料(Sun Protection Clothing),澳洲輻射實驗室(Australian Radiation Laboratory, ARL)發展出針對布料之UPF防護等級系統(UPF Rating System)(表1.18),UPF為Ultraviolet Protection Factor之簡稱,即紫外線防護係數的意思。

UPF之計算:

Eλ:太陽分光照射量(Solar Spectral Irradiance)

Bλ:相對紅斑分光效應(Relative Erythemal Spectral Effectiveness)

Tλ:織物之分光透過率(Spectral Transmittance)

△λ:測試波長間隔(Wavelength Step in nm)

λn(n=1,n=2):測試波長(Wave Length)。

UPF:λ1 = 280nm, λ2 = 400nm

UVA:λ1 = 315nm, λ2 = 400nm

UVB:λ1 = 280nm, λ2 = 315nm

Eeff:無防護狀態下,皮膚所接受的平均有效紫外線量(The Average Effective UVR Irradiance for Unprotected Skin)。
E’:有防護織物時皮膚所接受到的平均有效紫外線(The Average Effective UVR Irradiance For The Skin When It Is Protected)。
UPF的等級及UVR遮蔽率之對照表參見2。

表2 UPF等級及紫外線遮蔽率AS/NZS 4399-1996

分類
UPF等級
UVR遮蔽率 (%)
最高(Maximum)
50+
98 ­
非常高(Very High)
30~49

96.7 ~ 98

高(High)
20~29

95 ~ 96.6

中等(Moderate)
10~19

90 ~ 94.9

(六)紫外線防護布料之加工方法
紫外線防護布料加工方式大致有三種:
1.原絲型:於紡絲工程中混練入無機奈米陶瓷粉末,如二氧化鈦、氧化鋅(ZnO)及氧化矽(Si O2)等。
2.浸漬或壓吸法。
3.塗佈法。
使用的藥劑可分無機系紫外線散亂劑及有機系紫外線吸收劑,有機系紫外線吸收劑如苯酮(Benzophenone)、水楊酸酯(Salicylate)、苯併三唑(Benzotriazole)、氰基丙烯酸酯(Cyanoacrylates)等。
 
八、遠紅外線蓄熱保溫健康衣料
肉眼可見的光線波長範圍為0.4~0.75μm。在紅色光之外的就叫紅外線,遠紅外線(Far Infrared Ray)是指波長從4.0~1,000μm的電磁波(表1.19),其中4.0μm到14μm之間的遠紅外線稱為生育光線(Biogenetic Rays)。
(一)紅外線纖維布料的功能
在纖維製程中混練入具有遠紅外線放射功能之陶瓷粉末(Ceramics),這種纖維製成的衣服吸收外界(或人體)能量後可放射出波長為4~14μm的電磁波,經由水分子振動後產生之熱效應,使皮下深層溫度上升,微血管擴張,促使細胞表面的水活化進而改善血液循環,加強新陳代謝,使組織活化達到保溫與健康活力的功效。
表3 不同光線之波長範圍
紫外線
0.2~0.4μm
可見光線(紫~紅)
0.4~0.75μm
近紅外線
0.75~1.5μm
中紅外線
1.5~4.0μm
遠紅外線
4.0~1,000μm
 
遠紅外線蓄熱保溫(Warmth Retaining)衣著的功能主要來自兩種方式:

1.吸收外界放射出的熱量(External Emitted Heat)

2.由人體輻射出的遠紅外線熱量。
在寒冷的環境溫度下,主要為反射來自人體的體溫達到保暖的效果。
(二)由人體輻射出的生育光線

韋恩定律(Wien’s Law)即韋恩位移定律(Wien’s Dispeacement Law)說明黑體(Black Body)反射的最大波長與其溫度成反比:

式中:λmax:最大波長(Peak Wavelength)
T:黑體絕對溫度(°K)

b:韋恩位移常數(Wien’s Displacement Constant)

                上式可簡化為:
人體的溫度在36~37℃之間,以此溫度可計算出人體放射出的波長在9.35μm至9.38μm之間:
此波長屬於生育光線,具有生理活性,遠紅外線衣著吸收此波長後,可再放射出使人體細胞活化。
 
(三)具有遠紅外線放射性的材料
1.氧化金屬
氧化鋯(ZrO2)、氧化鋁(Al2O3)、氧化鈦(TiO2)、氧化矽(SiO2)、氧化鐵(Fe2O3)、氧化鎂(MgO)及氧化銅(CuO)等。
2.非氧化金屬
碳化鋯(ZrC)、碳化矽(SiC)等。
(四)遠紅外線機能的評價
1.平均升溫
檢測紅外線放射率的波長範圍:8~12μm。

(1)方法:以360Kcal/HR¬M2鹵素燈在45度方向,距離1公尺處,照射5分鐘,使用SAT 6800熱像儀(FTC RD026),測量遠紅外線布料與對照組(Blank)平均升高溫度(參見圖17)。

(2)結果:平均升溫為1~2℃(平均升溫視遠紅外線陶瓷粉末之含量不同而不同)
2.放射率(Emissivity):0.8↑(一般商品有效之遠紅外線放射率)                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      
3.血流速度
根據研究結果,穿著遠紅外線織品較一般織品可使人體血流(灌注)量(Blood Perfusion)增高,促進血液循環改善人體健康。
圖17 遠紅外線布料與對照組比較
 
九、抗菌防蟎(Against House Dust Mites & Microbes)布料
根據報導,有25%的過敏症(Allergy)係由家塵蟎(House Dust Mite)所引起。蟎本身及其排泄物(Excretion)都含有過敏原(Allergens)會引起氣喘(Asthma)、濕疹(Eczema)、鼻炎(Rhinitis)等相關疾病。而50%的氣喘病(Asthmatic Disease)是由家塵蟎所引起。塵蟎最適合的繁殖條件為溫度25~35℃,相對溼度60~80% R.H.,台灣的氣候頗適合家塵蟎的滋長。
(一)解決家塵蟎的問題之方法
1.高密度梭織物或針織物(Tight Woven or Knitted Fabric):防止蟎蟲的滲透及其排泄物(Excretions)的滲出。
2.殺蟎藥劑(Mite Killing Agent)的使用:如DDT等,但因毒性極強,禁止使用。

3.塵蟎忌避方式(Protection Against Dust Mites):使用無毒天然物質(Non-toxic Nature Substance)如印度鳳仙花(Indian Balsam)及一種歐洲產的越橘(Whortleberry)提煉出來的無毒苯甲酸甲酯(Benzyl Benzoate)。

4.切斷塵蟎的食物鏈(Food Chain):除去細菌和菌蕈(Fungi),這些都會使皮膚屑(Skin Squads)成為塵蟎可以消化的食物。
(二)防蟎技術的應用
1.地毯(Floor Covering)
2.家飾織物:如裝飾布料(Upholstery Fabrics)、床墊(Mattress)等。
 
十、抗近紅外線偵測(Anti NIR Detection)迷彩布料
抗近紅外線(近紅外線波長範圍:0.75~1.5μm)叢林迷彩印花布料是將布料染色並印上迷彩的基本顏色淺綠、深綠、棕、卡其、橄欖及黑色等(參見圖18),其顏色反射波長與環境融合達到匿跡欺矇效果。
(一)抗近紅外線偵測原理概要
 
資料來源:FTC
圖18 抗近紅外線迷彩服
 
抗近紅外線迷彩布料(Anti-NIR Camouflage Fabrics)的設計圖案(Pattern)依使用此種布料之天然環境(Natural Surroundings)之不同而異,叢林迷彩的圖案顏色包括:淺綠(Pale Green)、深綠(Dark Green)、卡其(Khaki)、橄欖(Olive)及黑色(Black)等。迷彩布料大都應用在軍事用途,有叢林迷彩、沙漠迷彩、海洋迷彩等,各種顏色對近紅外線的反射率(Reflectance)與圖案設計依使用之環境有不同的設計,而顏色則須在染料、顏料的處方調製上配合。一般迷彩印花顏色(Camouflage Printing Shades)之抗近紅外線偵測適合的波長範圍在700nm至1,400nm之間,不同顏色的波長範圍與反射率依不同的需要而不同,當然因應軍事觀測儀(Observation Instrument)的不同其適用波長的範圍也不同。
(二)泥土與綠葉在近紅外線波段之反射率(IR-Reflectance of Natural Objects)
由圖19可以看出泥土(Soil)與綠葉(Green Leaf)在紅外線波段的反射率。偽裝欺敵的抗近紅外線迷彩服上的顏色需與其背景有類似的反射率。
圖19 泥土、綠葉在紅外線波段之反射率
 
十一、二氧化鈦光觸媒紡織品

自然界中二氧化鈦(Titanium Dioxide, TiO2)的結晶型態有銳鈦礦(Anatase)、金紅石(Rutile)與板鈦礦(Brookite),其中銳鈦礦用來做為光觸媒(Photocatalyst),因其光催化活性(Photocatalystic Activity)較強。二氧化鈦光觸媒的紡織品具抗菌、消臭能力。

(一)二氧化鈦光觸媒之光催化機制
二氧化鈦是一種半導體(Semiconductor),銳鈦礦型二氧化鈦之能量距(Energy Gap)為E=3.2eV,因價電子帶具有高氧化電位(Oxidation Potential)VVB=3.2eV,故可在紫外線(波長<390 nm)照射下,將有機分子(Organic Molecule)氧化。有機化合物中的碳-碳鍵(C-C Bonds)可在346.1 nm的波長下破壞,碳-氧鍵(C-O Bonds)則在小於334.4 nm的波長下斷裂,至於碳-氫鍵(C-H Bonds)則可在波長小於289.7 nm的紫外線被破壞。           

二氧化鈦光觸媒係使用銳鈦礦型二氧化鈦,藉由320~390nm光域之紫外線激發,將價電子(Valence Electron)從價電子帶(Valence Band)激發至傳導帶(Conductivity Band),形成電子(e-)與電洞(h+)的電子電洞對(Electron-Hole Pair),此狀態稱為半導體的光激發態(photo-excitation State),電洞具有很強的氧化力,可將其表面的水份子氧化成氫氧自由基(Hydroxyl Free Radical, µOH)與氫氣能將有機化合物破壞分解,而達到殺菌除臭的效果。負電子則與氧分子反應形成過氧陰離子(Superoxide Anion)。

二氧化鈦光激化所需的光波長為:
 

 

資料來源:陳永欽,高科技紡織品創新之策略與實務
圖20 TiO2光觸媒光催化作用示意圖
氫氧自由基的能量很高(參見表4)能有效分解有機物。
表4 氫氧自由基與有機化合物鍵能比較
化學鍵
能量(Kcal/mol)
化學鍵
能量(Kcal/mol)
˙OH
120
N-H
93
O-H
111
C-C
87
C6H5-H
110
C-O
84
C6H5-CH3
110
C-Cl
81
C-H
99
C-N
73
(二)光觸媒抗菌加工紡織品的性能評價
1.日本纖維評價技術協議會於2007年10月1日起受理申請光觸媒加工紡織品認證標誌(SEK光觸媒抗菌加工標誌),根據光觸媒抗菌加工纖維製品認證基準(JEC V301)對於「光觸媒抗菌加工」的定義為:「利用光觸媒的效力,抑制纖維上細菌的增殖(Amplication)效果」稱之。試驗方法與評價基準如下:
(1)試驗方法:JIS R1702 (微細陶瓷粉末-光照射下之光觸媒抗菌加工製品之抗菌性試驗方法、抗菌效果)之玻璃密著法。300~380nm光域之紫外線放射照度(L):0.01mW/cm2,試驗布照射(培養)時間8小時。

(2)培養後生菌數測定法(Total Plate Count):平板計數培養基法(Plate Count Agar, PCA Difco)測定菌落數。

(3)試驗菌種:金黃色葡萄球菌(Staphylococcus Aureus ATCC 6538P)
      肺炎桿菌(Klebseiella Pneumoniae NBRC 13277)
(4)評價基準
SL=MBL-ML≧2.0   &
DS=(MBL-ML)-(MBD-MD)≧1.0

SL:紫外線照射條件(L)下之靜菌活性值(Bacteriostasis Activation Index)。

DS:光觸媒抗菌加工纖維製品之光照射效果。
L:試驗之紫外線照度(mW/cm2)。
MBL:紫外線照射條件(L)下之標準布照射8小時後之3個生菌數(Live Bacteria Count)之常用對數值的平均值。
ML:光觸媒抗菌加工之試驗片,在紫外線照射條件(L)下照射8小時後之3個生菌數之常用對數值的平均值。
MBD:標準布置於暗處8小時後之3個生菌數之常用對數值的平均值。
MD:光觸媒抗菌加工布置於暗處8小時後之3個生菌數之常用對數值的平均值。
(5)試驗成立條件
FBL=MBLMBA>0  &
FBD=MBDMBA>0

 FBL:紫外線照射條件(L)試驗後之增殖值, FBD:於暗處試驗後之增殖值。

MBA:標準布之試驗菌接種後之3個生菌數之常用對數值的平均值。
2.亞甲基藍(Methylene Blue)呈色法:亞甲基藍退色。
3.氨(NH3)消臭性。
4.靜菌活性值(JIS-L1902-1998)抑菌性試驗:靜菌活性值2.2以上。
5.抑菌圈(Halo Test, Bacteria-free Zone)顯示抑菌性及平行劃線法AATCC-147(參見圖21);圖右光觸媒加工布料顯示不長菌,未加工布料則明顯長菌。

  

                                                                       未加工布料                                光觸媒加工布料
                                                                                                                         使用菌株:金黃色葡萄球菌
圖21 TiO2光觸媒抗菌測試抑菌性
 
十二、負離子(Minus ion)紡織品
德國物理學家菲力普–萊納德博士(Philip Lenard, June 7, 1862-May 20, 1947)於1892年率先研究將水滴以空氣動力解體產生電荷分離,此現象被稱為萊納德效應(Lenard Effect),在學術上證明負離子有益身體,所謂負離子係指帶負電荷的水微粒子,瀑布濺起水霧與空氣激烈摩擦產生大量負離子故萊納德效應又稱為瀑布效應(Waterfall Effect)(參見圖22),負離子為帶電的水微粒子,自然界中存在的正負離子比例約1.0:1.2。
正離子存在的型式:H3O+(H2O)n,NH4+(H2O)n
負離子存在的型式:O2-(H2O)n,CO4-(H2O)n
(一)負離子的發生方式
負離子的來源可分非放射型與放射型兩種,產生的方式如下:
1.學反應:如二氧化碳溶入濕氣中產生正、負離子
2.電暈放電(Corona)、電子線(Electron Beam)
3.天然電氣石(Tourmaline)
4.Lenard效應(瀑布與空氣激烈擦撞,水滴正離子化,周圍空氣負離子化)
5.天然放射線礦物
(二)產生負離子的材料特性

1.壓電性(Piezo-electric)材料:如電氣石、苦土(Bitter Earth)

2.熱電性(Thermo-electric)材料:如電氣石
3.磁電性(Magneto-electric)材料:如氧化鉻(Chromic Oxide, Cr2O3)具壓電、熱電性的電氣石如:
j A14B6O15•4NaH2A13Si3O12
k A14B6O15•2H3A13Si3O12•2Mg6Si3O12
 
                                                                        資料來源:紡拓會提供
圖22 瀑布之Lenard效應
 
可產生負離子的紡織品近年來頗受消費者的青睞,此乃負離子可以使人恢復疲勞,促進新陳代謝,神清氣爽之故,此外身處森林之間、瀑布附近亦有益人體健康是大家所熟知的。
 
十三、電磁波遮蔽織物(Electromagnetic Wave Shielding Fabrics)
由於電腦、通訊、家電技術與產品消費市場的快速成長,電磁波充滿整個天空,如何避免電磁波對人體的危害是當今一個重要的課題,日常生活用品如手機(Mobile Phone)、電腦、影印機、微波爐以及大哥大基地台、高壓電線等,都會造成人體健康的傷害。目前已經證實在電磁波下暴露超過一定強度和時間會影響人體神經、血液、生殖、免疫系統等。根據1999年6月17日加拿大多倫多大學研究小組報告,電磁波較多的地方小兒罹患白血病的機率較一般地區高出2~4倍。1993年瑞典等北歐三國研究調查,受到2mG以上電磁波輻射影響,易患白血病的機會是正常人的2.1倍,易患腦傷的是正常人的1.5倍(摘自1996.3出版sapio雜誌)。
所謂電磁波干擾(Electromagnetic Wave Interference, EMI)簡單的說就是指電子儀器設備在正常的操作狀態下受到其本身或是外來電磁雜訊的干擾使得該儀器設備無法正常運作或遭到破壞,為避免電磁波的干擾,電磁屏蔽材料(EM Shields)的發展相當重要。一般可用電磁波吸收與電磁波反射的方式隔絕電磁波的干擾。市面電磁波遮蔽織物常見的有金屬紗導電織物(參見圖23)及以無電解電鍍(Electroless Plating)技術製造的導電布(Conductive Fabrics)(參見圖24),本節 以無電解電鍍導電布做概要性說明。
 

 

        圖23 金屬紗織物                                    圖24 無電解電鍍銅、鎳布料之SEM圖
(一)織物之無電解電鍍、銅鎳工程概要
以連續式無電解電鍍(Electroless Plating)方法在織物表面鍍上銅、鎳而成的導電布在工業用之電磁波遮蔽材的應用十分廣泛。Electroless Plating一辭係由Brenner及Riddell在1947年首度提出。簡言之,以氧化(Oxidation)、還原(Reduction)的方式,不藉由外加電流(Electric Current)在水媒介質(Aqueous Medium)中使銅、鎳等金屬沈積於聚酯或耐隆織物表面的技術稱為無電解電鍍。織物無電解電鍍銅、鎳的流程概述參見表5。
表5 織物無電解電鍍銅、鎳的流程
工程序
工程(中文)
工程(英文)
主要化學藥劑
1
胚布
Grey Cloth
2
退漿精練

Desizing and Scouring

NaOH、界面活性劑
3
定型
Setting
4
表面粗化

Surface Etching

NaOH
5
水洗
Water Rinse
6
預浸

Pre-dip (Activation)

HCl、NaCl
7
活化

Activation (Catalyzation)

HC1、NaC1、PdC12(氯化鈀, Palladium Chloride)、SnC12(氯化亞鍚, Stannous Chloride)
8
水洗
Water Rinse
9
速化

Post-activation (Acceleration)

HBF4(氟硼酸, Fluoboric Acid)
10
水洗
Water Rinse
11
無電解電鍍銅

Electroless Copper

CuSO4•5H2O、HCHO、NaOH、EDTA-2Na、安定劑(Stabilizer)
12
水洗
Water Rinse
13
小活化
Activation
HC1、PdC12
14
水洗
Water Rinse
15
無電解電鍍鎳

Electroless Nickel

NiSO4•7H2O、NH3•H2O、乳酸(C3H6O3)、Na3C6H5O7•2H2O(檸檬酸鈉、Sodium Citrate)、NaH2PO2•H2O(次磷酸鈉, Sodium Hypophosphite)
16
水洗
Water Rinse
17
烘乾
Dry
 
(二)主要化學反應
1.活化反應:高負電荷的鍚鈀膠體,穩定提供反應所需的鈀觸媒。

2.速化反應:剝除活化劑沈積在表面的鍚殼,露出所需要的鈀觸媒,以利於銅的催化反應。

3.無電解電鍍銅(Electroless Copper)

     

4.無電解電鍍鎳(Electroless Nickel)

 

(三)其他金屬(合金)之無電解電鍍
1.Gold Plating(鍍金) (Polyester(內層)/Ni/Cu/Au (外層)):表層鍍99.9%純金,耐腐蝕性及導電性較其他金屬好,裝飾性優。
2.Silver Plating(鍍銀) (Polyester(內層)/Ni/Cu/Ag(外層)):提高電磁波屏蔽效果,具抗菌性。
3.Tin Plating(鍍錫)(Polyester(內層)/Cu/Sn(外層)):環保導電布,不含鎳。
4.Tin & Nickel Alloy Plating(鍍錫、鎳合金) (Polyester(內層)/Ni/Cu/Sn+Ni(外層)):防止指紋(Finger Print)等污染、透光性較好。
5.Nickel & Cobalt Alloy Plating(鍍鎳、鈷合金)(Polyester(內層)/Ni/Cu/Ni+Co(外層)):可有效遮蔽電場波(Electric Field Waves)與磁場波(Magnetic Field Waves)。
 
(四)電磁波遮蔽(效)率與計算
電磁波的遮蔽率(Shielding Effectiveness, SE)(參見圖25),可用電磁衰減量分貝(dB)表示,不同dB值對應的遮蔽率參見表6。就導電織物的遮蔽率而言,織物結構、鍍層的金屬種類、鍍層厚度等都會影響遮蔽率。電磁波的頻率越高,較薄的導電布遮蔽率越低;金屬鍍層的厚度越厚,遮蔽率越好;理論上,導電金屬如金、銀、銅、鎳及不鏽鋼等適合於電場遮蔽,而磁性材料如鐵、鈷及矽鋼合金等適合用於磁場遮蔽。
1.對電場而言

 

式中 Ei:入射電場強度(Volts/m)
        Et:穿透電場強度(Volts/m)
 
2.對磁場而言

式中 Hi:入射磁場強度(amps/m)
        Ht:穿透電磁場強度(amps/m)

 
3.對功率而言

式中 Pi:輸出功率(Watts/m2)
        Pt:接收功率(Watts/ m2)

圖25 電磁波遮蔽現象示意圖
 
表6 dB值對應的遮蔽率
dB值
遮蔽率(%)
0 ~10
90

10 ~ 30

90 ~ 99.9

30 ~ 60

99.9 ~ 99.9999

60 ~ 90

99.9999 ~ 99.9999999

90 ~ 120

99.9999999 ~ 99.9999999999