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穿著的科技:機能性紡織品

102/07/09 瀏覽次數 20156
「機能」(function)一詞源於日本,因此可以理解機能性紡織品始於日本各化纖大廠。早先強調新素材產出新機能,經常是先有相關纖維機能技術,再尋找新機能性應用。

紡織品的「機能性」是什麼呢?坊間所稱機能性的紡織品繁雜,而且總是集「多機能於一身」,包含抗起毬、富彈性、免熨燙、抗靜電、抗菌消臭,到吸溼排汗、抗紫外線、遠紅外線、抗電磁波、防蚊、維他命保溼、負離子等機能,產品包羅萬象。

時勢所趨,機能的程序設計應以機能賦予在後,而期待目的在先。或者說「先期待人類的需求,然後賦予機能的供給」,才會符合消費市場的價值,倘一頭就栽進機能的標的開發,未必能滿足市場所求。

機能性纖維的主流趨勢

淋漓盡致的「機能」設計,是多面向考量的,例如了解「人」需求的機能、兼顧「環境」影響的機能、所形成「穿著」的機能,因此要考量人體的產熱、環境的作用因素,甚至織物的傳遞。

機能關係到人的本身以及人的生活環境,包含舒適的、健康的機能,包含休閒的、運動的機能,包含安全的、防護的機能,也包含醫療的、生理的機能。明顯有別於以物為標的的「功能性紡織品」,又稱為產業用紡織品。雖然最近常有文獻報導把醫療、防護或環保領域的紡織品稱為機能性紡織品,但大體上這類紡織品仍以衣著的舒適與保健性追求為主流。

從產品的演進不難觀察出,機能訴求多源於纖維原料段的賦予,而非終端產品,且技術工程深度高。然而,除了以細長素材來思索纖維之外,其實材料機能綜觀可由三個方向來表現:素材—有機素材、無機素材等,纖維—圓形纖維、異形纖維等,構造—中空、海島、均一、不均一等。

從以上最基礎的機能元素,展開舒適的、健康的或安全的領域應用。以舒適為例,人體對舒適性的要求不外乎二個層面。一是心理層面的滿足,這機能集中於科技感或天然感素材的開發。二是生理層面的創造,這機能集中在吸溼、吸水、高透溼高防水性、吸溼快乾、保水、防水、蓄熱保溫、抗菌防臭等機能開發。當然,心理層面涉及流行、個人主觀喜好。而生理層面的舒適感,必須取得「皮膚」的客觀信賴。

為迎合流行風尚,新合纖的目標也應改變,這意味著需要有新的纖維素材,才能滿足新的市場機能。消費者由於高度注重新合纖的舒適性,因此這種新合纖被界定為第二代新合纖,它伴隨著休閒時尚潮流而來。

例如仿麻新合纖的產品,特點是無縐折、手感柔和、有亞麻的天然纖維手感與涼爽感。在手感與視覺上,它與具有女性化感的第一代新合纖產品有差異,所採用的材料(纖維)與製程也有所不同。第二代新合纖已呈現對機能的要求,也導入機能性的纖維素材(如吸水性纖維或表面處理賦予高吸溼功能)的運用,並運用加工技術使織物表面具有特性。

流行趨勢顯示,近幾年來不屬於以往分類的新合纖材料不斷增加,如高保暖、輕質、高吸水性、快乾、防紫外線、遠紅外線、彈性等纖維,陸續加入新纖維的行列。最近新合纖的機能需求,有兩大主要發展方向:追求感官的盡善盡美的纖維素材,例如呼吸性纖維—最接近天然纖維的屬性與新織物結構的無盡訴求;追求具有功能性和靈敏性的纖維素材,如伸張彈性、輕質、快乾等特性。

非染彩的美麗機能

對於纖維、織物的顏色與光澤,科學家的焦點都集中在發色、深色、光澤、消艷、不透明等技術的開發。關鍵的染色整理加工技術,長久以來也一直是研究的重點,尤以聚酯纖維染色性的研究,一直圍繞在分散性染料無法顯現鮮明色彩,而必須使用高溫高壓染色製程的困擾。另外,環保問題也是染色整理加工技術不得不深思熟慮的一環。

近幾年,對於纖維顏色的觀念,最大的變革要屬利用纖維的結構設計,賦予顏色機能的新纖維。這概念之所以被重視,是因為不需要染色整理,沒有顏料,是不需大量水、熱等的低碳製程,因此是十足環保的機能性紡織品。這類產品的創意來自摩爾福蝶(Morpho)翅膀上的色彩是鱗片微細構造形成的,因而利用鱗片型的紡絲製程與紡口設計,配合特殊聚合物和特殊紡絲製程開發出Morphotex®纖維。

值得一提的是,Morphotex®纖維似金屬色的調和透明感,並無法藉由傳統染色製程獲得。由於運用的概念來自於自然界的生物體,因此也可說是一種「生物擬態纖維」,或者稱為「光干涉纖維」。

最早把光干涉纖維商品化的公司是日本日產汽車公司,大膽地把它應用在汽車的鋼板著色上,讓汽車呈現出光鮮亮麗的金屬光澤。可以想像,不但取代了昂貴的傳統汽車用顏料烤漆,又可以解決使用顏料所帶來的環境汙染問題。自1993年起,日產汽車公司與Tanaka kihinzoku kogyo K.K.、帝人公司共同合作,經7年努力,3家公司合作研發成功的夢幻纖維被命名為Morphotex®纖維。

Morphotex®纖維是由PET和polyamide層交互堆積排列而成,每一層的厚度約0.07 μm,共有61層,這些多層部分是屬於長纖維的中心區域,外層則由聚酯包覆而成。至於選擇61層則是經過理論計算而得,屬於關鍵技術之一。

發色機構就是由這些特殊周期性的薄片排列構造所構成,其機能是讓反射光互相干涉,重複的尺寸近似於可見光的波長,形成亮麗色彩。目前,光干擾纖維可產生藍紫、藍、綠和紅4種似金屬色調和透明的顏色,顏色的改變可由觀察角度不同獲得(例如由藍紫到藍,或從綠到紅)。

可調節的溫度機能

接著介紹一種關於溫度的新機能材料–相變化材料(phase change material, PCM),它能在特定溫度區間內改變微觀的物質態,溫度也隨之變化(放熱與吸熱的變化)。

把相變化材料複合於纖維內或披覆在織物上,可以緩和環境溫度在急遽變化時對人體的衝擊。這機能被「植入」紡織品中,用來與皮膚表面進行熱的吸收、儲存、傳遞、釋放等循環的運作。這機能材料至少需要有兩種技術,除了一種相變化材料的技術開發外,另必須輔以把相變化材料包埋在微米膠囊中的包覆技術,這膠囊以數微米的球狀存在與群聚。

相變化材料可以開發出具多種記憶溫度(例如攝氏24、28、31、37度),以及開發特殊PU系做為膠囊用殼材,也就能製造微膠囊化的相變化環保材料。相變化材料膠囊的設計對於環境非常重要,例如設計出的熱焓值高達200  J/g(足以讓同重量的水升溫近50度)。

相變化材料應用在衣著上,經人工氣象室的微氣候溫溼度評估得知,含有相變化材料的產品可大幅吸收人體產生的熱量,降低衣服內微氣候溼度10%、降低皮膚溫度2度與減少人體25%的流汗量。這表示相變化材料應用於紡織品,能發揮溫度調節的作用,而大大增加穿著者的舒適度。

研究顯示,假設人的體表溫度(31度)以及在三層式相變化材料紡織品的穿著下,從室內(攝氏18度)走到寒冷的戶外(0度),出到戶外時會瞬間溫降,但測得人體的體表溫度仍然維持在30度。換言之,相變化材料在瞬間扮演了「緩衝」的角色,讓人有足夠的時間調節與適應環境的「衝擊」。

超越極限的運動機能

低流阻織物經常出現於突破競賽極限的應用,例如2000年澳洲夏季奧運的鯊魚裝,構想來自模仿鯊魚皮的微細組織,也算是一種仿生技術的衍生應用。

泳賽選手在水中前進時,會因波阻力、渦阻力、摩擦阻力、飛沫等使阻力增加,速度因而變慢,若能單純地減低各項阻力因素就可讓速度變快。而穿著泳衣可以「彈性塑形」而減少阻力,泳衣材質與組合也關係4大阻力,例如泳衣的各部位版片縫線縫邊所形成的微小凸起條邊,在水中行進時都會造成漩渦,使人體的阻力值增加2~5%。

鯊魚裝的原理是利用流場的控制以有效減低阻力。流場控制的方法很多,其中之一是表面結構減阻法。在適當的位置上製造微小的流線淺溝,這些淺溝會改變貼近物體表面的流體行為,以及其邊界層中原有的結構與速度分布,因而減少摩擦阻力。

而減少摩擦阻力的方法有:泳衣拉伸強度增加,可以為泳者最佳化塑形;泳衣具適度伸縮性,不妨礙肌肉運動;防止水從纖維表面進入;使泳衣中的水可順暢排出;泳衣質料輕薄貼近皮膚;使表面光滑以減小摩擦阻力。

實力伯仲的泳者,若能降低泳衣的阻力,必然形成勝負的關鍵因素。從流體力學的角度,人體的結構流阻很高,尤其是頭、顎、臀部等處的阻力特別大。在水中若能使其愈接近「流線型」,愈能提高速度。

為滿足泳者對速度的追求,國外的泳衣製造業者也致力開發新一代泳衣,有廠商推出以超輕、低阻、防水、快乾的服裝材料製成的泳衣,帶動了全球以超音波熔接工法(無縫線接合法)而產生低阻結構。此外,泳衣上使用的特殊鑲條流線設計,可把泳者的身體塑成流線形,減少游泳時的阻力。

NASA Langley Research Center的流體力學與熱力學專業,是此款泳衣研發中重要的分析與設計基礎,嚴謹與精確的表面摩擦力風洞測試,顯見一種專業運動機能來自廣度與深度的工程技術。使水和皮膚的抵抗力最小化,再加上全套泳衣以無縫版型接合而成,沒有一處縫合,因此可以完全緊貼在人體上減少靜態水阻。業者不斷研發,品質日益精進,泳者穿上最新型的泳衣,只需少量的能量就增加5%的吸氧量,瞬間提升游泳速度。

高機能紡織品是全球紡織工業的主流指標,主因是上游產業「規模大、門檻高」,中游產業「變化大、周邊多」,以及下游產業「超機能、重品牌」,形成了一條以機能為體系的價值鏈。由於關聯產業帶動能力強,因此經常帶給消費者無限的驚喜,例如:非染彩的美麗機能、跨領域的互動機能、超越紀錄的運動機能。
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