塑膠專欄
自增強纖維/功能型披覆纖維發展及應用
複合材料
自增強纖維/功能型披覆纖維發展及應用
財團法人塑膠工業技術發展中心 劉文傑 副研究員
摘要
功能型披覆纖維是指具有某些特殊的不同於一般纖維所固有的性能，利用不同材料之優點彌補單一純料纖維性能上的不足，以研發出具備功能性的纖維。目前常見的製程為化學改性紡絲、共押出複合紡絲及熱熔積層包覆紗等，利用高分子材料的特性，配合合適的加工製程，應用在民生工業、高機能纖維、高性能纖維、電致發光纖維及醫療材料等。現今異業結合帶來的產業創新效益逐漸被重視及開發，傳統紡織材料思維應與化工產業及電子產業做整合，突破新產品創新領域與產業的國際競爭力。
簡介
隨著現代社會需求強調多功能性、機能性及輕薄短小的產品設計及問世，帶給化工產業與其他異業整合的市場有很大的發展機會，如輕量化高強度纖維複材、電致發光纖維、高阻燃防火布料、高通量過濾材料等高值化產品。其中新產品的開發除了材料方面的突破之外，相對地製程端也必須要配合改良才能因應材料或設計需求。在高分子加工製程之中，熱熔積層包覆製程是製作功能型披覆纖維相當快速的成型方法，而且不需要任何溶劑，製程環保。十字模頭押出包覆製程屬於熱熔積層包覆製程其中一種，主要特色是導線通過十字模頭押出進行積層包覆動作，其中導線可以是任何形式的材料，如金屬絲、高分子複紗或單纖、碳纖維或玻璃纖維等，藉此賦予產品的功能性，生活中最典型的例子就是電線電纜的製作。十字模頭押出包覆製程在塑膠加工產業是常用的製程之一，為提高其製程應用價值，藉由新材料的導入可創造出更高價值的應用市場，以下介紹兩種未來具相當潛力的產品做為說明。
1.自增強高分子纖維
所謂自增強高分子材料指的是增強相和連續相都是具有相同化學組成的聚合物，若以纖維進行編織型態形成的補強板材特性具有質地輕、全熱塑性材質、不含玻璃纖維、高衝擊強度、可熱成型及耐磨損等，幾個常見的材料體系為PE（Polyethylene）、PP（Polypropylene）、PA（Polyamide）及PET（Polyethylene terephthalate）。自增強高分子材料屬於熱塑性複材之新興應用產業，在全球環保議題提倡下，自增強高分子材料的高回收效益及可再利用的特質引起廣泛討論，似乎是傳統纖維增強複合材料的最佳替代品。
自增強高分子纖維在市場上以PP材料應用最多，又以德國Curv®及荷蘭Pure®兩大品牌作為代表。Curv®的PP自增強材料是將PP熱熔、冷卻、切割，製出約1公分寬的細長薄板，再經過10-15次的延展，達到輕薄又堅韌，經過強化的材質用紡織的方式製成一大片具延展性的PP織物，以熱壓設備控制只有表面達到熔融狀態進行接著，達到板材成型目的，其中著名的Samsonite Curv®行李箱最具代表性。Pure®的PP自增強材料作法是採用兩種不同熔點的PP，以共押出的方式製作出芯鞘PP纖維，纖維編織完後堆疊熱壓，利用表面低熔點的PP進行熱壓合後，控制冷卻條件達到板材強度的提高。
塑膠中心利用十字模頭包覆製程製作PP自增強高分子纖維，補強材(紗線)與基材(樹脂)以熱熔積層包覆製程將低熔點的基材，包裹於高熔點的補強材上，形成芯鞘型自增強複合紗線。此製程特色是在於可縮短樹脂流動距離，增加其含浸程度，縮短加工時間，並藉由其熔點差異，擴大其加工視窗。此關鍵技術在於如何選擇高分子材料、控制芯鞘比例、製程參數配合及後端熱壓成型條件，才能發揮出高分子自我補強的效果，目前主要可應用之市場為袋包箱、車用補強材料及運動用品，藉由不同自增強高分子種類發揮出產品質輕、高強度、耐磨、低溫耐衝擊等特色。
2.電致發光纖維
穿戴電子發展日益蓬勃，藉由異業整合紡織與電子兩者關鍵技術能量，發展多功能化的智能服飾，是目前台灣產業積極投入的發展方向。現全球發光性纖維以蓄光纖維為主，但發光亮度不足，且受制於纖維直徑之材料使用量。LED纖維由台灣首先量產及商業化，但因LED顆粒大且會產生發熱，目前僅適用紗線包繞型邊條，可織造性差。因此新一代的發光纖維除了須提供發光的特性外，還必須能提供舒適、安全、柔軟的紡織品，其中電致發光纖維具有高的發光亮度，亮度柔和均勻並且不發熱，因此將是未來重要的發展趨勢。
電致發光主要原理為通過加在兩電極的交流電壓產生的電場，被電場激發的電子碰擊發光中心，而引起電子能階的遷躍，導致發光的一種物理現象，即電致發光現象。實際上電致發光纖維其結構組成主要有正負電極、介電層及發光層，每一層皆有其主要關鍵材料及作用。過去電致發光纖維所使用的方法為塗佈製程，並用熱固型PU(Polyurethane)作為基材，因為溶劑需要烘乾時間，因此整個塗佈製程生產速度無法提高。塑膠中心利用十字模頭積層包覆製程搭配熱塑TPU(Thermoplastic polyurethane)進行材料開發，目的在提升電致發光纖維整體的生產速度，並提升材料耐熱性及積層成型之製程限制，解決熔融押出製程之困難。
結論
功能型披覆纖維的開發是異業結合帶來的產業創新最佳例子，由製程的突破創造出新的材料系統，衍生出更多行業的研發需求，提高業者更穩健的技術能量。自增強高分子纖維及電致發光纖維只是功能型披覆纖維其中小部分的創新應用，未來產品的新趨勢逐漸朝向具有個人化、特色化與差異化，應布局於相關需求之產業，提升跨領域技術整合應用之產值。
財團法人塑膠工業技術發展中心 劉文傑 副研究員
摘要
功能型披覆纖維是指具有某些特殊的不同於一般纖維所固有的性能，利用不同材料之優點彌補單一純料纖維性能上的不足，以研發出具備功能性的纖維。目前常見的製程為化學改性紡絲、共押出複合紡絲及熱熔積層包覆紗等，利用高分子材料的特性，配合合適的加工製程，應用在民生工業、高機能纖維、高性能纖維、電致發光纖維及醫療材料等。現今異業結合帶來的產業創新效益逐漸被重視及開發，傳統紡織材料思維應與化工產業及電子產業做整合，突破新產品創新領域與產業的國際競爭力。
簡介
隨著現代社會需求強調多功能性、機能性及輕薄短小的產品設計及問世，帶給化工產業與其他異業整合的市場有很大的發展機會，如輕量化高強度纖維複材、電致發光纖維、高阻燃防火布料、高通量過濾材料等高值化產品。其中新產品的開發除了材料方面的突破之外，相對地製程端也必須要配合改良才能因應材料或設計需求。在高分子加工製程之中，熱熔積層包覆製程是製作功能型披覆纖維相當快速的成型方法，而且不需要任何溶劑，製程環保。十字模頭押出包覆製程屬於熱熔積層包覆製程其中一種，主要特色是導線通過十字模頭押出進行積層包覆動作，其中導線可以是任何形式的材料，如金屬絲、高分子複紗或單纖、碳纖維或玻璃纖維等，藉此賦予產品的功能性，生活中最典型的例子就是電線電纜的製作。十字模頭押出包覆製程在塑膠加工產業是常用的製程之一，為提高其製程應用價值，藉由新材料的導入可創造出更高價值的應用市場，以下介紹兩種未來具相當潛力的產品做為說明。
1.自增強高分子纖維
所謂自增強高分子材料指的是增強相和連續相都是具有相同化學組成的聚合物，若以纖維進行編織型態形成的補強板材特性具有質地輕、全熱塑性材質、不含玻璃纖維、高衝擊強度、可熱成型及耐磨損等，幾個常見的材料體系為PE（Polyethylene）、PP（Polypropylene）、PA（Polyamide）及PET（Polyethylene terephthalate）。自增強高分子材料屬於熱塑性複材之新興應用產業，在全球環保議題提倡下，自增強高分子材料的高回收效益及可再利用的特質引起廣泛討論，似乎是傳統纖維增強複合材料的最佳替代品。
塑膠中心利用十字模頭包覆製程製作PP自增強高分子纖維，補強材(紗線)與基材(樹脂)以熱熔積層包覆製程將低熔點的基材，包裹於高熔點的補強材上，形成芯鞘型自增強複合紗線。此製程特色是在於可縮短樹脂流動距離，增加其含浸程度，縮短加工時間，並藉由其熔點差異，擴大其加工視窗。此關鍵技術在於如何選擇高分子材料、控制芯鞘比例、製程參數配合及後端熱壓成型條件，才能發揮出高分子自我補強的效果，目前主要可應用之市場為袋包箱、車用補強材料及運動用品，藉由不同自增強高分子種類發揮出產品質輕、高強度、耐磨、低溫耐衝擊等特色。
穿戴電子發展日益蓬勃，藉由異業整合紡織與電子兩者關鍵技術能量，發展多功能化的智能服飾，是目前台灣產業積極投入的發展方向。現全球發光性纖維以蓄光纖維為主，但發光亮度不足，且受制於纖維直徑之材料使用量。LED纖維由台灣首先量產及商業化，但因LED顆粒大且會產生發熱，目前僅適用紗線包繞型邊條，可織造性差。因此新一代的發光纖維除了須提供發光的特性外，還必須能提供舒適、安全、柔軟的紡織品，其中電致發光纖維具有高的發光亮度，亮度柔和均勻並且不發熱，因此將是未來重要的發展趨勢。
結論
功能型披覆纖維的開發是異業結合帶來的產業創新最佳例子，由製程的突破創造出新的材料系統，衍生出更多行業的研發需求，提高業者更穩健的技術能量。自增強高分子纖維及電致發光纖維只是功能型披覆纖維其中小部分的創新應用，未來產品的新趨勢逐漸朝向具有個人化、特色化與差異化，應布局於相關需求之產業，提升跨領域技術整合應用之產值。