化學纖維的濫觴與榮景

 

國人對新竹米粉一定不會陌生，它的製作是把米磨成米漿，經壓乾脫水、製成米糰、蒸煮攪拌、掄成米片並捲綑後，再置入一台末端有許多小圓孔的高壓擠壓機，就形成纖細如絲的米粉。這樣的擠壓製麵工藝，相較於義大麵的製作確實有不同的意境，因為後者是透過不同的「擠壓方式」及「擠壓頭造型」，而產生斷面獨特且造型變化多端的麵種，例如：大眾熟悉的義大利麵、天使麵、通心粉、斜管麵、螺旋麵、車輪麵等。

 

1664年，英國知名物理、博物學、發明家，也是虎克定律的發現者羅伯特．虎克（Robert Hooke）首先提出，如果把黏度合適的液體經由一個末端是小口徑的設計（如蓮蓬頭），可凝結（congeal）產出絲狀纖維。這樣的概念一直到1889年於巴黎舉行的國際展覽會才由法國工程師Count de Chardonnet首次實現，並展出成品：硝化纖維素纖維，這項研究開啟了人類化學纖維生產的時代。

 

1894年英國科學家Charles Frederick Cross、Edward John Bevan、Clayton Beadle等人發明了纖維素纖維的製造方法，並於1905年由一家英國公司商業量產，1910年再轉由旗下的美國公司以縲縈纖維投入美洲生產。這類纖維在紡織領域上統稱為再生纖維（這類纖維尚包括大豆纖維、牛奶纖維、玉米纖維等蛋白質纖維）。

 

1924年，美國麻省理工學院的知名化學家Auther D. Little發明了更進步的方法，改以醋酸法製造纖維素纖維。但因其加工後的化學結構與原材料有異，另命名為醋酸纖維（多做為高級品牌服飾的內裡用，這類纖維尚包括三醋酸纖維），在紡織領域歸類為半合成纖維。

 

化學纖維製造

 

化學纖維共區分為4大類，分別是再生纖維、半合成纖維、合成纖維與無機纖維。依據高分子聚合物的特性，就其製造程序概分為溼式紡絲法，如纖維素纖維或彈性PU纖維的製造；乾式紡絲法，如壓克力纖維（俗稱人造羊毛）、壓克力難燃紗或彈性PU纖維的製造；熔融紡絲法，如尼龍纖維、聚酯纖維或聚烯烴纖維（如PE或PP纖維）的製造；溶劑紡絲法，如lyocell纖維（俗稱天絲棉）的製造等。

 

如前述擠麵機的原理，高分子聚合物經聚合成酯粒後，經高溫熔融並經精密擠壓羅拉與精密幫浦擠壓通過紡口後，隨後數十∕數百根高分子聚合物依重力順勢而下，再經數道延伸羅拉控制纖維細度捲取而成。這個製程整合了高分子黏彈學、熱力學、流體力學、空氣動力學、精密機械鑽孔加工、自動化控制等學門的科學，歷經研發人員數十載嘔心瀝血的研究才有今日的成績。

 

舉例而言，國內生產的A級聚酯纖維絲餅重量每個約10公斤，若其生產規格是75d∕36f（75d指纖維長9,000米的重量是75公克，36f指每根紗中有36根單纖細絲），紗線總長度將達1,200公里。紗線內又有36根單纖細絲，因此總長度更高達43,200公里，相較地球一圈僅40,076公里，後者相當於繞行了1.1圈。

 

75d∕36f的纖維到底多細呢？讀者可想像：在36根纖維中，每根的單纖細度約2丹尼，若與蠶絲相較，其細度約為2倍粗，大約是羊毛細度的1∕4～1∕8。化學纖維細度的追求一直是技術挑戰的重點，以目前國內技術而言，透過複合紡絲已經可以製造單纖直徑約0.3微米的聚酯纖維，相當於頭髮直徑（40～60微米）的1∕130～1∕200。另因應奈米紡絲技術的發展，目前已知有直徑20 nm（十億分的二十公尺）的超細纖維，如果把它從地球拉到月球，總重量才0.14公克。

 

防偽纖維

 

在介紹Logo纖維發展前，必須先感謝複合紡絲與紡口製造技術的突破發展。1960年代中期美國杜邦公司繼尼龍絲襪後又發表了「Cantrese」尼龍絲，專用於女性的褲襪。這項產品最大的特徵是利用兩組不同熱性質的尼龍高分子，透過兩組熔融式擠壓機，藉由各自計量泵，以並列型紡絲法使兩尼龍聚合物擠壓出具有如羊毛捲曲特性的尼龍纖維。

 

與熔電紡絲製程類似，差異在於多了一組獨立式高分子進料槽與擠壓羅拉。由此，這類把兩種高分子聚合物藉由相同紡嘴得出的纖維，在紡織領域上就稱為「複合絲」。這項發明由日本紡絲大廠發揚光大，隨後，台灣與韓國也相繼引進。

 

由複合紡絲加工衍生的4大系列產品家族，分別是並列型、芯鞘型、海島型及分割型，其最大的差異在於紡絲後纖維斷面不同。舉例而言，平日常穿的麂皮衣服∕皮鞋、廚房擦拭用的魔術毛巾、皮球等用品，就是用分割型或海島型纖維製造的；晶圓廠中穿著的無塵衣則是採用芯鞘型纖維以呈現抗靜電的特性。其實複合纖維的應用在日常生活中隨處可見。

 

紡口加工技術又是什麼呢？讀者可以想像生活在寒冷氣候的北極熊，其身上的毛髮除了像羽絨般地輕柔外，毛髮中段的顏色也由白轉黑，讓體熱不致散失太快。更重要的是觀察牠的毛髮，會發現其斷面形成如吸管般中空與半透明，這一結構讓北極熊的毛皮形成一個極佳的絕緣體，無怪乎牠們可以在攝氏零下50度的環境下生存。

 

換個場景，讀者如果要從事戶外活動，多數人都會穿著吸溼排汗衣。這種衣服的材質（多數是聚酯纖維）除了含水率低外，纖維斷面可透過十字型、狗骨頭型、楔型等不規則形狀，更增加纖維的蕊吸能力，繼而使汗水快速排除。上述兩幕景是否有些相似呢？

 

針對目前國內生產的衣著用纖維，每根纖維的細度已小於頭髮的1∕10。若再與眼鏡用擦拭布相較，其細度更低於1∕100。要生產如此的產品，紡口設計與機械鑽口技術也如毫雕般在在考驗著生產人員。但隨著科技的演進，目前這類精密加工技術已由傳統的精密鑽孔進步至微放電、雷射、同步輻射等應用的技術。

 

有鑑於仿冒品對於品牌衝擊的趨勢近年來不減反增，反而激發了防偽標籤市場的成長，防偽技術的解決方案更呈現百花齊放、百家爭鳴的盛況。美國一家公司曾就防偽纖維（logo fiber）的技術提出專利申請，其概念在於把各公司、組織等品牌識別符號或產品專用的商標，透過上述複合紡絲與客製化紡口設計，紡製在單纖纖維斷面上，同時滿足4個顏色的圖案設計。由於這類生產技術與設備相較於印刷設備更加昂貴，不易模仿，確實可杜絕假冒與偽造，有助於企業品牌形象的提升與價值的塑造。

 

纖維科技的發展實在一日千里，短短百年間，其伴隨著電腦科技、奈米材料、光電加工與自動化等技術快速地進展著。未來在IT與人工智慧的整合下，或許可以很快地進入另一個科技的新紀元。