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环保性纤维素材


三、環保性纖維素材 (一) 環保性 Lyocell/Tencel * 纖維 生物可分解性之合成纖維(PET 或 Nylon)或纖維素纖維等環保性素材,將是 21 世紀受歡迎之原料, 然前者仍在開發階段,尚未成熟,暫不討論。新製程 NMMO Process 之 Lyocell/Tencel 由於縮短製程(為一 般之 1/8)、低污染性、生物可分解性,且黏液嫘縈之三大不利物化性(

收縮率、強力與染色性)獲得改善, 若經開發功(機)能性之素材(如東洋紡 Tafran 難燃纖維,富士紡 Chitopoly 抗茵防臭纖維),或改變斷面形 狀(如英國 Viloft 中空膨脹纖維),勢必是 21 世紀最具潛力之環保性產品。其製程如圖 6 所示, 而提昇之 物化性則如表 1 所示。

目前國外亦有研究 Bacteria System 之生產方式,產量約為一般嫘縈產量之 20%,若他日產量能繼續 提昇時,此法又將是明日之星。 有關市場應用與潛力,已逐步擴大中。除衣著外,在不織布、特殊紙與工業用途上,亦倍受矚目, 如圖 7 所示。

生物可分解性聚乳酸纖維「Lactron」 (二) 生物可分解性聚乳酸纖維「Lactron」 聚乳酸纖維「Lactron」係以玉米等澱粉所獲得之乳酸經縮聚合而成,使用 後被廢棄時亦可藉土壤等之微生物分解成水和碳酸氣,不會污染地球環境,係 完全自然循環型之生物可分解性纖維;同時利用植物之光合作用,亦會降低地 球環境之碳酸氣,如圖 8 所示。 聚乳酸之鏈狀模型如圖 9 所示。可由(1)原料乳酸直接進行脫水縮聚合而製 成之直接聚合法,與(2)製造乳酸 2 分子之脫水環狀二聚合物之丙交酯,然後開 環聚合而製成之間接聚合法兩種,如圖 10 所示。

聚乳酸纖維因呈高結晶性、高配向性,故具有高耐熱性與高強度,可 利用一般熔融紡絲法製成,亦可製得各種長、短纖維製品,適用於針、梭 織物。但不耐鹼劑,無法進行鹼減量加工。當廢棄時,微生物分泌加水分 解酵素,將纖維表面之高分子鏈切斷,生成低分子化合物;纖維中之非結 晶部份先行分解,如圖 11 所示,纖維中發生裂痕孔洞,表面呈現侵蝕縐

紋,最後變成水及 CO2。一般而言,約經 1~2 年即可完全分解完成,不會污染大地,係生物可分解型 之環保性纖維。

(三) 環保性中空纖維膜 目前被廣泛利用于醫療與環保性素材之中空纖維膜,乃是依微粒大小,利用中空纖維之中空與多孔 特性,藉各種過濾或逆滲透法過濾之,如圖 12 所示。中空纖維膜之多孔性則如圖 13 所示。其用途可使 用在血液透析、血液分離、純水製造、海水淡化、污染氣體分離與污染有毒之液/固體分離等,亦可環縮 有用物質回收利用而達到環保之目的,其海水淡化原理與利用中空纖維膜製造透過水與濃縮水之過程, 如圖 14 與 15 所示。

(四) 防止大氣污染用環保性纖維 1. 燃燒廢氣之過濾袋 如圖 16 所示,使用纖維濾袋,將燃燒廢氣之微粒煤塵,予以高效率地收集分離之。一般過濾袋是 在戴奧辛較少且較低溫(200℃以下)運轉下始能進行作業。而垃圾焚化爐之集塵裝置,乃是藉電氣集塵機 處理後,再經濾袋集塵機收集之。

濾袋用纖維,須具耐熱性與耐化學藥劑性,如玻璃纖維、側位芳香族聚 醯胺、聚醯亞胺與聚苯硫等纖維。 2. 空氣淨化用靜電纖維

利用極細聚烯烴纖維之靜電力,將大氣中之帶電次微粒子,予以收集,使空氣淨化之,如圖 17 所 示,具有低壓力損失,高凝集效率,且容易更換清淨,適用于空氣淨化之過濾器。 3. 交通用空氣濾清與溶劑回收用活性碳纖維 一般利用 PAN、Rayon 與 Pitch 系等纖維,在惰性氣體下,行熱分解形成 碳材料,再在高溫及含活性氣體下進行活化形成活性碳纖維。亦即經過穩定 化、碳化與活化工程後,纖維具有高比表面積 1000~1600M2/g,與多微孔(5 ~100Ao)構造等特性,如圖 18 所示,係一種優異且多用途之吸附材。可廣泛 地應用於氣相或液相之吸附,其用途有 (1)溶劑回收利用,(2)有害煙霧或氣 體之去除,(3)冷藏庫或任何住屋之脫臭,(4)淨水,(5)防毒面罩與醫療衛生材等。 (五) 防止海洋油污用纖維 當油輪事故或其他原因,造成原油或其他油類污染大海時,可使用如耐隆織物之隔油牆,以阻止油 污之擴散,亦可使用如 PP 纖維、木棉纖維、天然棉之不織布,或亞克力系、低架橋密度聚合纖維等油 吸附材,由於質輕浮於水,又充分吸附油污,故可有效地降低海洋之污染程度,而保持生態環境,如圖 19 所示。

四、環保性冷漿產品與技術 德國 Chimitex 公司開發之 Chimgel 類冷漿是一種高粘度高濃度之漿料,其 主要成份為 PVA 與 CMC 之高分子聚合物,呈中性或微酸性,市販者有固成份 20%、25%與 30%三種,在室溫下即可進行上漿,一般上漿率僅需 2~6%,節省 漿料,退漿容易(70~80℃),污水量少,故有節省能源與減少污染之優點,是一 種環保性冷漿。 冷漿設備如圖 20 所示,經紗層 1 通過兩組以上之漿紗裝置,並以某角度與 上漿羅拉工作切線接觸兩面上漿,使經紗得到需求之上漿率,同時使紗線毛羽 貼伏 在漿羅拉 3 與上漿羅拉 2 之 Nip length 與供漿嘴之輸出量來控制供給漿液 。 量,而多餘流下之漿液 5 回流到給漿系統循環使用。 如圖 21 所示為冷漿漿紗機,上漿後之經紗層可經由紅外線(非接觸式)或烘

乾滾筒(接觸式)進行烘乾。亦可搭配整經機使用,或設計多組冷漿設備分區乾燥,以應高密度織物織造 之。

另,供給長纖絲與短纖紗之冷漿成份不盡相同。 (一) 長纖冷漿主要是潤滑油,其成份是高分子油劑,或者以揮發性溶劑與高分子化合物、油劑混合而成, 上漿率為傳統漿料之 50%即可,且不須烘乾設備。 (二) 短纖冷漿則仍屬高分子漿料,主要成份為聚烯類,包含聚乙烯醇與聚乙二醇之漿料,或天然蛋白質 共聚合物等,其上漿率 6.5%時,可達傳統漿料 13%之效果。 五、環保性印染新技術 印花染整是賦予成品布價值與生命最重要之工程,關係著成品布之外觀手感與功(機)能性。然而它 也是環境污染之來源,影響生活環境與人類健康。因此,21 世紀之染整工程,著重在環保清潔性之加工 技術,如染料、漿料、助劑與能源之回收利用等。印花技術亦朝環保減廢方向努力,如噴墨無版印花加 工。整理 方面,亦開發水性分解性樹脂(如 PU 樹脂),以減少環 染,茲將介紹三種新技術如后。 境污 ( 一) 超 利 色固著 性,如(1) 度低,輸 烘乾,是 超 流體狀態,如圖 22 所示。 臨界二氧化碳染色技術 用超臨界二氧化碳流體(31.1℃,73.8bar)將染料溶解染 於聚酯纖維上之技術稱之。亦即利用超臨界流體之特 溶解度與極性可變性,(2)擴散性高,質傳性佳,(3)黏 送性佳,(4)表面張力小,貫穿性好等外,不必水洗與 一種無廢水、省能源之染色加工技術。 臨界狀態,乃是物質在某一溫度與壓力時產生氣液相

超臨界二氧化碳之染色法如圖 23 所示,首先將布料、染料置入,再打入液態 CO2 升溫升壓至 130℃, 300bar,同時將染料溶解,並進入聚酯纖維或布染色槽染色,染完色後逐漸分批降壓與降溫至原來之 25℃,64bar,此時回收 CO2 後取出纖維或紗布。

目前利用超臨界流體分離咖啡因等技術已商 業化多年,惟應用在染色技術上仍處研發階段。 應用此法染色之技術仍有許多影響因素待探討, 染色之素材亦有限制,尤其是天然纖維之染色, 尚無法突破。然而,由於此法之優點多,且是無 廢水、廢氣、省能源之加工法;又是減少 CO2 產 生量,對臭氧層或許有正面之彌補功能,預期是 21 世紀科學家們突破後較佳之染色技術。 (二) 噴墨無版印花技術 「Wonder Print」系統乃係 Kanebo 公司結合自 身之設計能力、染整技術、Canon 公司之泡沫噴射 技術與東伸工業印染機械技術之最先進且可商業 化之噴墨無版印花技術。 由於該製程僅為前處理→Wonder Print→發色 →洗淨→成品,無須製圖與網版之過程,無感光 劑、尿烷樹脂、強酸與網版之污染,且無色糊, 節省能源,減少廢水量,僅為原來之 1/10,因此, 具(1)環保減廢,(2)縮短製程,節省人力,(3)交期 快,僅約二星期,達到快速反應之目的,(4)生產 成本降低,極具競爭力,是一項劃時代之環保印 染新技術。 泡沫 賦予熱 收縮,由噴 (1)非接觸 機型小 原色加上 連續無限 機台小,佔 (三) 電漿 電漿 electrons)與 1. 電漿加工之原理 噴射原理乃是被埋入極小噴嘴孔之微加熱器,在瞬間 源,使其呈高溫而發生氣泡,然後利用此氣泡之膨脹、 嘴孔噴出油墨滴而進行印染,如圖 24 所示。其特色為 式,適用素材範圍大,(2)高解析度,可達 400dpi,(3) 巧,且每一噴頭有 256 個噴嘴孔,可印染高速化,(4)4 α 基準原色,可表現 1,670 萬種色,(5)布幅寬 160cm, 長印染,(6)循環尺寸無限制,目前可達 160×360cm,(7) 地空間小,可數台併排使用。 加工(Plasma 加工(Plasma Treatment) 乃是離子化氣態,由正負電荷離子、游離自由基(free 中性粒子(neutral species) 所組成。

在固體表面經短時間電漿(電離氣體)撞擊而 產生高能量游離自由基,再利用其反應性進行表 面架橋層之形成、表面技術化或產生表面官能 基,以完成物體表面之改質與修飾等加工技術, 如圖 25 與 26 所示。包含了三個反應機制,為: (1) 電子碰撞所造成之分子離子化及分裂。 (2) 氣態之化學反應。 (3) 表面相之化學反應。

為了維持放電,必須有離子化之發生以維持電漿之存在,亦必須有電子進行導入氣體之分裂,以產 生電中性之分子片斷與高化學活性之游離自由基。氣相反應通常是失掉所產生游離自由基之反應機制, 更是帶電離子再結合之機制。在處理物之表面所發生之反應機制相當複雜,通常難以定量,其游離自由 基、離子及其他粒子撞擊待處理物表面後造成植入、濺射、蝕刻或同時兼具數種之效果。 2. 電漿在紡織染整加工技術之應用 (1) 親水性加工 親水性乃包括吸水、吸濕、透濕、放濕與保水等機構,依實際需求而有所差異。然纖維親水化後, 必須保有一般原有之特性,如力學特性、物化性、耐熱性、染色性與手感等,否則無實用性。茲將電漿 親水性加工處理之方法,說明如下: * 藉氧及含氧有機氣體利用電漿進行 OH、COOH 等接枝。

* 利用電漿進行親水性單分子之聚合或接枝。 * 將親水性材料如聚乙二醇前處理後,利用電漿固著於纖維上。 上述尷 k 之親水化雖較簡易,但會隨時間而降低,故須于聚合物之 Tg 點時以高溫做電漿處理,藉 以內部親水化或于纖維表面作架橋構造以達降低分子運動性。而實用上以穠 k 較普遍,如美國 SAC 公司 之親水性聚酯,就是藉親水性單體之電漿接枝聚合而成,而賦予纖維表面之耐久性親水化與制電性。 (2) 防水加工 電漿處理之防水加工,不僅具有耐久之防水性,且保有原纖維之手感,此為一般化學樹脂加工所無 法達成之優點,其加工方法為: * 將防火劑塗敷後,藉電漿處理作架橋固定之。 * 使硅酮化合物或氟系化合物等疏水性化合物之電漿,聚合皮膜形成之。 * 藉著 CF4、C2F6 等氟系單體之電漿,將基材之 H 改變成 F 之方法。 (3) 染色性之改良加工 一般採下列方法改良之: * 藉著各種氣體的電漿處理,進行 OH、COOH、CO 與 NH2 基接枝,作為染色基用,然仍屬表面改質, 未能深入染色位置,故未能完全改善染色性。 * 藉著電漿處理,使在纖維之表面形成比染料分子更小網洞的架橋構造,以抑制染料脫離與褪色現象。 * 對於棉織物做電漿處理,係將纖維表面之腊質除去與部份表面處理,如同一般之精練處理,可提高染 色性。 (4) 深色化加工 藉低溫電漿將纖維表面蝕刻之方法,產生許多孔洞而增加光之散射。如氧電漿中令活性氧使纖維表 面被氧化形成凹凸痕,此蝕刻部份是由纖維的一次構造與高次構造來決定。聚酯纖維軸向垂直之微小凹 凸蝕孔之大小形態,可由電漿加工劑之調整來控制,而蝕孔之入口較狹窄,裏面較寬廣,進入微網洞之 光不易折射到外部,故可應用於聚酯濃染超黑布料之加工。 (5) 防縮加工 藉電漿處理使羊毛纖維之鱗片表層親水化之,使在水中浸泡時各鱗片不致氈合,具有尺寸安定性, 且其鱗片形狀依舊,此點與一般之化學性防縮加工不同。然後以反應性硅彈性體系柔軟劑整理加工之, 則得豐厚彈性手感。 (6) 光干擾發色性加工

利用肥皂之泡膜或水面上的油膜(透明之薄膜)會產生美麗的干擾彩虹色紋現象,將 TiO2/Ti 藉電漿照 射在纖維表面形成疊層薄膜塗敷,造成寶石般之光干擾發色,使布面纖維亮麗,有如液晶之發色效果, 適用於女裝等用料。 (7) 難燃性加工 首先將棉纖維物經浸滲磷系化合物後,藉電漿固定於纖維上,有卓越之難燃性。適用於室內裝飾、 寢具及產業資材。 (8) 電漿之環保性與高科技性 藉低溫電漿之纖維加工,雖有部份進入實用階段,但仍有許多待鑽研解決之處。然而,其潛在優點, 卻受到矚目,值得繼續研發探討之,茲整理如下: * 加工素材應用之限制少。 * 係在無水與溶解狀況下加工,不產生廢氣與廢水之污染。 * 僅對紡織品表面之特性與構造加以改質,對纖維物化性影響不大。 * 可開發各種高功能與高機能之高科技紡織品。 故吾人期待兼具環保性與高科技性之電漿纖維加工能帶給 21 世紀人類新的展望與期許。

六、環保性不織布與特殊布種 一般而言,不織布可分為耐久類(Durables)與用後丟棄類 (Disposables)兩種;且皆可利用(一)針軋法(Needle Punch),(二)紡黏法 (Spunbonded),(三)噴網法(Spunlaced),(四)熔噴法(Melt-Blown),及(五) 流體成網法(Wet-Laid,Air-Laid)等形成不織布,如圖 27 所示為較傳統但 產量最大之針軋法及其原理;圖 28 與 29 所示分別為最近興起之紡黏 法與熔噴法之製造原理。而其產品之用途十分廣泛,且用量日增,尤

其是大地土木用地工不織布、水質處理(溶劑回收)不織布、空氣濾材不織布、農業園藝用不織布等環保 性不織布之需求量較大。 另,不透水布材,如塗敷(coating)、貼合(laminating)不織布,或 ECB(Ethylene Copolymer Bitumen)、 EVA(Ethylene Vinyl Acetate)、HDPE(High Density Polyethylene)不透水布等,結合皂土(Clay),不怕刺穿,遇 水自動修補,可利用在人工湖、垃圾掩埋場等。 其他如長短纖紗或布,經回收利用製成不織布,亦有環保價值。又為保護稀有珍貴動物,可開發仿 虎、豹之毛皮或麂皮之不織布,而拯救瀕臨絕種之動物,裨以維護生態環境,謹摘要報導如下:

(一) 大地土木用不織布 1. 不透水布與皂土布等特殊布 地下鐵、隧道、地下公路、污水處理池、水庫、 灌溉水道、垃圾掩埋場、游泳池……等,其所需之不 透水布,必須具備耐化學性、耐久性、延伸性、耐光 性與溫度適應性,如 SUPREME 之 ECB、EVA 與 HDPE

等不透水布。如圖 30 及 31 所示,即為利用不織 布與不透水特種布所設計施工之隧道與人工湖 (Man-made-Lake)。另外,尤以垃圾掩埋場更是注 重污水滲出污染地下水等問題,除了利用不透水 特種布外,須加一層特殊皂土布,以防布刺穿、 裂漏時,遇水自動膨脹修補而阻水,如 BENTOMAT 皂土布,其特殊黏土于上下二層 P.P. 纖維布內,遇水膨脹 15 倍以上,自動凝固形成一 道防水牆,而達到防水阻水之效果。目前已有結 合 HDPE 不透水布與皂土布,形成優良防水滲透

結構,可利用在諸多土木建築工事上,如圖 32 所示。

2. 土木工程用濾水布 河海堤岸、道路、機場、排水渠、植生護坡、 拋石或軍事用途等,須用吸水性低、高強力、透 水性佳、抗化學性、不易腐霉或蟲蝕之土木用濾 水材,裨利排水,並防止土石流失,以維護路基 等結構力,如 Quline 與 Ladelon 等工程不織布。如 圖 33 與 34 所示為道路與堤岸土木工程用之濾水 不織布。

3. 蜂巢與加勁格網布 由高密度 PE 製成之蜂巢格網布,具抗紫外線劑、抗老化、抗化學性、高延伸性、抗拉強力佳,且 鼠、蟲不蝕,適用於強固路基、護坡植生、重力擋土牆、圳道內面施工、停車場、人工湖等,如圖 35 所示為禹峰公司之護坡植生蜂巢格網布(Frank Cellweb),可有效地握持土石,不致流失,破壞土表環境。 另由強力聚酯纖維束編織成網目加勁網布,再浸漬 PVC 護膜,具有強化土木工程結構之功能,並產 生連瑣性互補作用,可補強軟弱的道路路基,並增加土壤穩定性,可適用於加勁土牆、土堤、橋台、隔 音牆、邊坡滑動修復等工程,如圖 36 所示為 Raugrid 土壤加勁網之旋工情形。

(二) 水質過濾用不織布 將一般或特效不織布過濾材,經多重過濾污水、雨水或化學廢水成乾淨水進入消防池,裨以維護水 質與環境衛生,如圖 37 與 38 所示。然若具毒性或欲製純水時,則宜用中空纖維膜或活性碳化不織布過 濾,裨以維護環保與安全保障。

(三) 空氣過濾用不織布 一般冷氣機空調用或噴漆室空氣清淨時,使用不織物過濾網,過濾進氣與排氣,以保有潔淨之空氣, 如圖 39 與 40 所示。于海邊,亦可過濾鹽份,以防機械腐蝕。但若屬揮發性溶劑或具有毒性之化學氣體

時,則宜用能吸附之活性碳不織物為佳。工廠空氣過濾或無塵室清淨時,亦可用不織布濾袋或特殊靜電 吸塵不織布過濾之。

(四) 農業園藝用不織布 農耕用種植槽、樹種與花種移植袋、土堤與假山造景袋、有機廢棄物之堆肥袋,綠化防風牆,皆可 使用不織布,並可重覆使用之。若用纖維素纖維或玉米纖維,則可經生物分解而無環境污染之後遺症。 如圖 41 所示為水耕用吸水性不織布,可採用天然或纖維素纖維為之。

另,美國 Proseed 公司之 BLUEPRINT 植生氈為自然植物纖維之不織布,利用強力有彈性及無毒之 水溶膠膠合而成之草氈,可完全自然腐化,形成有機肥;同時,亦可含有草種或花種(18 種)之草氈與花 氈兩種,如圖 42 所示。故可綠化美化高爾夫球場、校園、社區、路邊、邊坡等,並有防止土壤流失等 功能。

(五) 纖維廢棄物回收利用之不織布 長短纖維、紗、布與成衣等廢棄物,經篩選分類後,進行切割、開纖、成網、針軋與形成不織布, 可作毛毯、地毯、墊片等各項用途,而達到回收利用再資源化之目的。 (六) 仿麂皮不織布 將超細纖維,利用如紡黏或熔噴法形成不織布,再經多道水性 PU 與磨剪毛等加工後,形成酷似麂 皮之不織布,其外觀與味道亦可仿製,並且柔軟度與手感甚佳,可代替瀕臨絕種之珍貴動物之毛皮,而 發揮了保育動物之功能。 (七) 噪音防止用不織布 利用吸音纖維材,藉針軋、紡黏、噴網、熔噴法形成不織布,再經多層重合設計,強化噪音吸收阻 隔作用,以降低噪音分貝。適用於工廠隔音牆,道路車輛噪音之吸收,裨以減少噪音污染,並維護居家 環境之寧靜。 七、結論 (一) 地球環境已遭破壞,如臭氧層破洞,溫室效應與各種污染,勢必影響自身與爾後世代子孫,故必須 結合各國政府協力合作,制定法律與政策,並開發各項環保技術,確實實施改善,才能擁有安全、健康、 潔淨之環境。 (二) 纖維產業專家學者為盡環保之一份心力,陸續開發了大氣/水質污染防止纖維、高性能再生/再利用 纖維製品、美化大地/土壤安定之地工織物等,其省資源、省能源與生物可分解性之纖維技術,對綠化地 球與保育生態環境有其貢獻度,並祈望環保性纖維技術未來能更上一層樓。 (三) 環保性新纖維製品預期是 21 世紀主導纖維市場之主要產品之一,其需求量將日益擴大。


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