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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

出版日期:

正方形 Icon 創新之鑰 Innovation

創新纖維穿上身 乾爽舒適好自在

文/王秀芳 攝影/鄒福生

在我們日常的衣著中,常採用一些化學纖維,
有種化學纖維比棉更保暖、質輕、不易吸水,
卻很少用在服裝上,反而拿來做繩索── 它就是PP纖維。
為了讓PP纖維的優點能發揚光大,工研院研發了獨步全球的技術,
改善其缺點:不易上色,令其成為化纖界的創新材料

印 象中,棉質的衣服穿起來最舒適、保暖,也是人們選擇貼身衣物時的首選材質。但是成衣、紡織業界都知悉,聚丙烯(以下簡稱PP)纖維具有很好的絕熱性,且比重輕,可浮在水面上,是比棉更佳的保暖材質;但是PP纖維並未被服裝界廣泛採用,主要是由於PP不易染色的特性,所以應用大多侷限在內衣類,實際使用PP纖維的大宗反而是繩索!

環保節能材質

PP纖維布大約有20年的發展歷史,期間,全球化纖業也一直不斷尋求方法,期以改變它不易上色的特性。而可染PP在2007年年底在工研院完成實驗室驗證,成為全球首例的可染PP,這個計畫歷經六年時間、更替了八位計畫主持人,可說是得來不易的創新成果。工研院材料與化工研究所纖維與生物材料研究組組長陳中屏說,「可染PP是個前仆後繼,更是典型的失敗為成功之母的計畫!」

PP是提煉石油時的副產品之一,它是塑膠袋原料;做成纖維,就成為布的原料。陳中屏說,PP纖維除了輕、薄、保暖的特性,因其主要成分是碳與氫,燃燒後只剩二氧化碳與水,不會產生毒氣,而且製造時的溫度較低,節省能源,是項環保節能的產品。

雖然PP纖維擁有許多優勢,但因其化學特性之故,染料易於被水洗掉,所以一直很難打進繽紛的成衣時尚殿堂。陳中屏回憶2000年開始的PP改質研究計畫,當時工研院研究團隊希望研發出新的材料,讓時裝設計師能有新的材質進行設計,進而創造新商機;而且當時全球有許多相關的研究,都希望將PP改質成為易上色,但都無法達成!

改質技術突破染色障礙

「我們採用『PP接枝改質』的方式,改變其化學微結構,讓它在與其他材料混紡成為布料後,在布料階段可以染色,不會形成太大的色差,」陳中屏進一步解釋,其實PP在纖維染色部分,已研發完成,但是布料可染色卻是難以達成,而且可染色的PP纖維,每批產品間有很大的色差問題,原因可能來自出廠的時間不同,不同製造商等等,變數太多。

此外,因為布料無法上色,與其他材料混紡之後,顏色就無法變化。若能達成PP在布料階段染色,就可以隨著設計師的需求,做染色變化,而且因為是布料染色,色差問題較易控制,而此階段的染色作業,對工廠而言,也較單純,如此一來, PP的應用面就更廣了。「目前工研院的PP改質結果是全世界最好,而且是屬於技術困難度較高的連續長纖!」陳中屏很有自信地說。

在實驗室的桌面上,擺滿了可染PP的布料樣品,顏色繁多,有黃的、藍的……,還有一款是廠商提供可做為風衣布料的樣品。在展示的同時,陳中屏口中還不忘一一敘述其優點:比傳統纖維(聚酯纖維)輕30~40%,也比水輕,可以漂浮在水面;不易吸水,流汗時,衣服不會濕答答,鎖定高階應用市場……。但提起可染PP的研發歷程,陳中屏嘆了口氣,他指出,做這個計畫要有鍥而不捨的精神,因為相關的研究,自規劃到研發完成,更換了數批人馬,期間更曾因計畫主持人離職,而中斷了兩年。最後是在目前擔任機能性纖維研究室主任的許智偉博士手中,才完成研發。

「這項計畫的困難度在於溝通,因為可染PP牽涉到化學與染色兩方面的專業人才,兩個截然不同的專業領域,常會以自我角度思考問題,使得無法找出癥結所在。」以管理者的角度,陳中屏道出計畫的難處。為了解決雙方的專業堅持,陳中屏必須扮演仲裁者的角色,檢驗每個環節,找出癥節所在,以證據說話,解決雙方的僵持。

2006年中,許智偉接下可染PP的計畫主持人職務,陳中屏對於許智偉的表現非常肯定。許智偉是以國防役進入工研院,雖然是研究團隊中年紀最輕的,卻展現了卓越的研發成果,「若是換成別人當計畫主持人,這個計畫或許就不是現在的樣子,」陳中屏笑著說。

找出提升改質率關鍵

工研院研發的可染聚丙烯不僅可做布染,從技術面來看,還是屬於困難度較高的連續長織,改善結果可說是目前化纖領域內的最佳。
工研院研發的可染聚丙烯不僅可做布染,從技術面來看,還是屬於困難度較高的連續長織,改善結果可說是目前化纖領域內的最佳。

陳中屏與許智偉一同回憶可染PP的研發歷程:2007年底實驗室完成驗證、2008年尋找染料,找廠商打樣、2009年則將重心放在由廠商打樣自己的樣品,研發團隊則為輔助角色。二個人現在雖然已能輕鬆面對,不過當時接下計畫主持人的許智偉,心情其實是忐忑不安,他說,那時的心情只有「很怕」兩個字,告訴自己只能硬著頭皮做!

2007年年初,研發團隊終於達到將PP改質的目的。許智偉表示,能在不到一年的時間找到方法,主要是從前人留下的資料中發現了關鍵,也就是改質率的提升。由於PP的特殊化學性質,在未達到改質之前,一些特性就失效了,了解問題關鍵,便以工程方面技巧解決。陳中屏比喻說,這種技巧如同是10毫克的藥丸才能治病,但事實上,人體只需要1毫克的藥丸,而其他9毫克是要保護1毫克藥丸能達到之處,而團隊的工程方法就是用一種東西去保護改質,保持PP的化學特性。

工研院 - 創新纖維許智偉說,找到了改質的方法,接著就是染色問題。因為分散性染料需要攝氏130度或140度以上的溫度才能上色,有些PP無法耐熱,因此還需要找出適合的PP材質,之後要將適合的PP材質,找出其染色條件,符合上述種種要求後的改質PP才能做成纖維。

雖然陳中屏所負責的纖維與生物材料研究組,研究計畫涵蓋廣泛,衣著織物、工業纖維、襪子、面膜,甚至導尿管都在其中,且於兩年前才接觸PP改質計畫,不過陳中屏卻對這個材料寄望頗深。他有個夢想,若是世界上能廣泛應用這種材質,希望它們都是Made in Taiwan!

纖維實力又一章 中空纖維膜淨 水一滴不漏

人或許可以三天不吃飯,但是一天沒喝水可不行!因為人體有70%是由水所組成,其重要性可見一斑。但是「乾淨」的水卻得來不易,為了喝到「好」水,廠商研發出琳瑯滿目的濾水機,供民眾選擇,例如RO逆滲透淨水器、電解水機……,但是其中的關鍵零組件──濾芯,卻一直掌握在日本、德國廠商的手中,台灣根本缺乏自主的能力。

工研院材料與化工研究所研發成功的中空纖維膜量產製程技術,讓台灣在濾芯的研發、製造上取得了自主權。材化所纖維與生物材料組組長陳中屏表示,中空纖維膜可過濾不同大小的顆粒,最高的等級可以做到奈米過濾(Nanofiltration)等級,更可貴的是,不會浪費水資源,相較RO過濾的水只有留存1/3至1/4可飲用,其餘的水大都排至下水道,中空纖維膜濾過的水皆可飲用,只留下雜質顆粒,更為環保。

如此環保的材質,台灣廠商為何遲遲未著手研發?陳中屏指出,因為市場的關係,最初中空纖維多製成洗腎機的透析膜,屬於醫療器材的應用範疇,市場小,因而令廠商卻步。

中空纖維膜就像將咖啡濾紙捲成圓柱狀,因此不管水從何處來,都可以過濾處理。陳中屏說,中空纖維膜的原料為聚碸高分子材料,其為人工合成物添加硫化物,特性即是易產生微孔,同時具有極佳的機械強度,因此近年來常被應用於液體過濾,水過濾便是其一。

微孔孔洞大小的控制、水的通量是中空纖維濾芯的主要兩項研發主軸。「目前工研院的技術可達到100個奈米的超微過濾等級,但較之國際先進大廠的技術,能以較低的進水壓力,仍有很好的過濾效果,我們在孔洞以及水的通量技術上將繼續深化,這也是我們目前努力的方向,」陳中屏說。

陳中屏表示,工研院約在10年前開始研發中空纖維膜技術,而於4、5年前引進試量產設備,已跳脫實驗室階段,目前可做小型量產,同時出貨給廠商。(王秀芳)

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