最成功的仿生學–人造纖維

 
2018/04/16 安大中 | 紡織產業綜合研究所     909

台灣的人造纖維科技舉世聞名,無論是運動大牌或戶外高檔,最愛採用的必定是Made in Taiwan的纖維和布料。製作出一件件兼具功能與時尚的精品,其中潛藏的纖維奧祕究竟是什麼?

 

仿生與仿真

人們對於衣著服飾的需求,隨著生活水平的提升而越來越精緻挑剔,早期講求基本的舒適與保暖,爾後開始重視外觀的美感、素材的手感,如今更趨向功能複合化、風格自然化、素材新穎化等實用性與感受性的多元訴求。長久以來,人造纖維領域致力於「仿生」製造與「仿真」效果,也就是模仿蠶寶寶吐絲成纖,模仿棉花、亞麻、蠶絲、羊毛等天然物種與生俱來的性質,創造可以不斷複製,同時賦予特殊功效的人造纖維產品,以滿足人們生活應用所需。

 

人造纖維追求的目標

在顯微鏡下觀察棉花,可見纖維的橫斷面是空腔的形狀,包藏的空氣正是它能夠保暖的原因。羊毛自然捲曲蓬鬆,是因為含有兩種蛋白質,稱為雙相結構;當溫度升高時,這兩種結構的收縮差異形成立體捲縮的型態,因此觸摸羊毛的時候,感覺格外舒適豐厚。

 

造物者的神奇加上人類的慧根,讓這些大自然的恩典可以變成衣服原料,長達千萬年之久。然而,隨著工業化的日新月異,以及地球資源的逐漸失衡,人造纖維在紡織應用上儼然多面向地替代了傳統天然纖維。時至今日,人造纖維的全球所占比率已經超越7成。

 

最廣泛使用的人造纖維材料是聚酯(polyester)和耐隆(nylon)兩種高分子,開發已超過半個世紀,至今人們仍然持續追求使它們逼近天然纖維細緻的質感、舒適的親膚性,並且發掘更進步的功能。

 

這些單純的目的背後其實隱藏著非常精密的高科技,例如:利用金屬製的噴絲孔取代蠶兒的口器,噴射出一絲絲比頭髮還細的纖維;在時速200公里的高張力作用下,引發材料結構的取向變化,操控它的拉張力與延展性;人造纖維的截面形狀可以是圓形、月形或中空;表觀可以是平直、捲曲或蓬鬆,就看使用上所企望的情境,但在製作上還是受限於紡絲工藝的進化程度。

 

這篇文章以科普方式訴說纖維的塑形與功用,因此不著墨於聚酯或耐隆材料複雜的分子結構、合成程序、結晶順向、紡絲動力學等理論闡述,純粹介紹當代進步的紡絲科藝能把塑膠原料變化成為各種異想的型態,而這些型態的巧思設計都有實際應用的目的。

 

吸溼排汗─異型纖維

人造纖維最常為人詬病的缺點是它遠不及棉、毛的吸水性質。因此當我們穿著活動時,汗水在皮膚與衣服中間形成揮之不去的水膜,令人感覺黏膩不舒適。解決的方法是設法把汗水迅速導引到衣服的表層,利用外界流動空氣的風乾效應來消除溼黏感,盡可能保持在活動穿著時乾爽的感受。

 

這種十字斷面的纖維,是把加熱熔融的高分子(通常是聚酯)流體如同壓麵條似地從十字形狀的噴絲孔擠壓出來,經過冷卻與延伸得到長寬各20微米左右的十字形纖維。

 

十字形纖維的作用在於眾多纖維集結成紗束的時候,降低了它們的充填密度,也就是在紗束之間讓出了更多的空隙,這些空隙沿著連續性纖維的表面,無異是一道道細小的毛細管。當這些纖維紗束織結成為衣服,穿在身上就有如安裝了許多細微的引水渠道。當人體發汗時,渠道發揮毛細虹吸作用,幫助汗溼往衣服外層奔竄,可以有效地保持微氣候(指皮膚與衣服間的空間溫溼度)舒適的程度。

 

由於人造纖維本身的疏水性,這種異型斷面纖維造就的吸溼排汗,嚴格來講是指物理性的「吸附」(adsorption),而非「吸收」(absorption)。若是穿著棉質衣服,水分會被棉花的纖維素分子抓牢,就不容易達到排汗快乾的目的了。

 

用於吸溼排汗的異型斷面纖維其實不限於十字形,也可以是三葉形(類似Y形)、雲形(類似W形)、月形(類似C形或U形)等。任何能夠形成紗束間眾多毛細空隙的幾何構造,都有導引汗溼的可行性,可以製成各式各樣的排汗衣,供應慢跑、球類、單車、登山等眾多穿著用途。

 

極致細化─海島纖維

纖維的細緻化一直是人造纖維發展的尖端課題,已經商品化的人造纖維究竟可以做到多細的程度呢?運用海島型複合紡絲工藝,就可以生產比頭髮還要細30倍的超細纖維。

 

所謂海島型,指的是在纖維的製造過程中,橫截面呈現如「海」與「島」的配列。之所以發展這種獨特的雙成分紡絲方法,原因是以現今的工藝技術難以一步到位地把高分子抽拉成小於5微米直徑的超細纖維,必須開發新的複合紡絲技術。

 

海島型複合紡絲技術是把眾多的「島」成分(通常是聚酯),先行包埋在另一種遇鹼易溶材料構成的「海」成分中,一起紡絲成為複合纖維。當這種複合纖維織成布料後,再使用微量的鹼配合染色過程把「海」成分溶除。於是,一根根微細的「島」便因為「海」的消失而獨立出來,成為比頭髮細上數十倍的超細纖維。這類運用海島型複合紡絲技術開發出來的超細纖維,慣稱為海島纖維,是當今人造纖維量化製程中,可以產製最細小纖維的製造工藝。

 

海島纖維的特點在於纖維細化所產生的柔軟手感、光澤變幻,以及織成布料的高覆蓋性和高比表面積所導致的豐盈效果與保水能力。它的主要應用是在仿麂皮布料系列的高價值服裝及家具用布,例如人造皮革、仿皮沙發等。

 

潔淨神器─分割纖維

與海島型異曲同工之妙的是分割型纖維,同樣是組配兩種高分子紡製複合纖維,差異在於經過微纖分裂後,留下的是「楔形」的超細纖維,而非海島纖維的「圓形」。分割纖維的變體型態較多,稱謂不盡相同,有以裂片、橘瓣等為名,歸納起來,其實都是描述「楔形」的複合超細纖維。

 

常見的材料組配是聚酯和耐隆,這兩種高分子具有互不相容的本質,經過複合成絲之後,在橫截面上間次地以輻射狀緊挨排列著。然而在熱延伸的加工階段,這兩種材料對熱的應力作用差異,足以產生所謂的裂纖現象,也就是沿著纖維軸向剝離形成微小的楔形纖維。就好像把蛋糕或披薩切割成若干三角形狀,切的瓣數愈多,分量就愈細小。

這種楔形微纖的幾何構型正適合擦拭潔淨用途,不論是器皿、家具、汽車等物品的清潔去汙,沐浴用的淨膚、拭乾與護髮,美妝保養的去角質潔淨,乃至鏡頭、珠寶的清潔保養,或在無塵室環境的精密擦拭,都能見到它應用的蹤跡。

 

分割纖維雖不及海島型的細度,然而因為是楔形,表面的摩擦膚觸效應與海島纖維相較更為明顯。在講究皮澀手感的織物應用方面,能夠發揮仿青苔布、仿桃皮布等特殊視覺與手感效果,因此在高貴的外著服裝、家具布料市場中,也常出現以分割纖維衍生的高價值商品。

 

伸縮彈性─捲縮纖維

 

回顧複合纖維的發展歷史,它的緣起是要模仿羊毛的天然鬈曲型態。前面提到過這是因為羊毛含有兩種蛋白質結構,當溫溼度變化時,會產生程度不一的收縮,因而造成外觀的螺旋捲縮型態。

 

人造纖維的手段同樣是運用複合紡絲技術,模擬羊毛的雙相結構,把兩種熱收縮性質不等的高分子以圓形並列或啞鈴並列等複合型式,配置於纖維的橫截面。當遇熱時,這兩種高分子產生不同的收縮率,於是沿著纖維軸向呈現立體的迴旋捲縮。適當地控制纖維的粗細程度,以及織造的組織設計細節,就可以不用嵌入彈性纖維,開創布料的自然伸縮彈性。

 

把纖維放入盛裝熱開水的杯中,瞬間取出就可從外觀辨別其捲縮效果。並列型複合纖維因捲縮而顯蓬鬆,且具有一定程度的伸縮回彈性,恰似羊毛一般予人豐厚的觸感。組配材質的收縮性差異決定了捲縮效果的優劣,收縮差異程度愈大,纖維的捲縮型態愈顯著。但這也意味著兩種高分子流變性質的差距,因而導致紡絲作業的難度。如何在高低收縮本質與紡絲作業效率上達到最適化,是這類型纖維產品成功的關鍵因素。

市面最負盛名的捲縮纖維商品是Lycra T400,採用的是兩種不同碳鏈構造的聚酯材料,藉啞鈴型並列複合紡絲製得。把Lycra T400依特定比例配織於布料內,可發揮有別於聚氨酯系彈性纖維的類橡膠緊繃彈感,轉而訴求輕柔舒彈調性,廣泛用在休閒服、牛仔褲等休閒時裝中。

就工業技術而言,人造纖維紡絲是最精密的塑膠加工;以科普角度來看,人造纖維無疑是仿生學的最佳典範。噴射紡絲如蠶寶,精緻細膩似皮毛,仿生仿真超能力,渾身解數天工巧。人造纖維科藝無遠弗屆,發於人文需求,展於精密科技,繁於設計應用,揚於生活脈絡。在這資通訊產業競爭爆炸的時代,回眸探望所謂的傳統產業的紡織纖維,何嘗不具有高科技的基因與發展潛能?!