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工業技術研究院

材化所纖維組

黃泳彬

105年 11 月16日

奈米光熱粉體原理及纖維/貼膜應用

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簡報大綱

一.產業化目標與願景

二.產品說明：

(1)技術說明

(2)原型產品規格與特色

三.產業機會與市場需求分析

四.產業聯結布局

五.機會與挑戰

六.附件

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產業現況：1.針對機能性纖維高階產品所需之光、熱機能性奈米粉體尚無設計與製造能力，導致價格與來源受限於進口產品，影響下游新產品開發與投入先機。

2.欠缺機能性奈米粉體的改質、分散與奈米混摻加工等系統技術，導致高階下游產品開發不易，產業上下游連結能力受限。

能耐盤點：我國在機能性纖維應用能力強，已具市場開發與價值鏈創造的能力，國際知名品牌之機能性紡織品更多由我國提供。

研發重點：

透過奈米粉體設計與製造及粉體改質分散加工之技術平台能耐注入，加速機能性纖維的新品級產品開發與市場新機會。

改質分散與加工•粉體表面改質

•有機/無機混成複合

應用驗證評估

•塗佈、貼膜

•濕紡、熔紡

產業價值鏈:

粉體設計與製造•結構/型態設計

•粉體合成製程技術

紡織品應用

•衣著用服飾

•傢飾及產業用

一.產業化目標與願景(1)

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樣品製備與驗證實驗流程

產業化後續推動規劃

PET纖維紡絲

Acrylic纖維紡絲液相分散液

高分子分散

․光/熱粉體分散於溶液相․光/熱粉體濃度2040wt%

․光/熱粉體表面分散改質․光熱粉體分散於高分子

奈米光/熱粉體設計

關鍵技術 ․光/熱粉體分散於Acrylic高分子之溶液相․粉體分散於Acrylic纖維(濃度1.0 wt%)

․製成PET紡絲母粒(粉體濃度1030 wt%)․製成Nylon紡絲母粒(粉體濃度1030 wt%)․粉體分散於PET/Nylon纖維(粉體濃度1.0 wt%)

․光/熱粉體分散於塗佈/貼膜之溶液相․粉體分散於織物塗佈/貼膜層(粉體 0.2 0.5 o.w.f.)

Nylon纖維紡絲

1.透過機能性光熱粉體技術建立及紡織原型品開發，串連國內粉體、紡織產業，協助產業鏈加值與提升競爭力。

2.透過法人科專/業界科專/工業局等計畫推動產業鏈的整合、粉體設計、改質技術、摻混加工、廠化應用等基礎技術與實務，輔導國內產業提升創新研發的能力。

塗佈/貼膜製程

淺色透明寬吸收光域高吸收率

目前 未來透明導電窄吸收光域低吸收率

機能需求 MCL技術佈局 (近期1~4年)•低成本之光熱粉體開發: 利用有機/無機混成技術製備cost-effective共聚合原料之光熱保暖粉體。

•粉體分散在紡絲纖維材料之技術: 纖維紡絲製程之光熱粉體分散於濕紡纖維(例Acrylic)、熔紡纖維(例PET等)及塗佈貼膜等技術。

•產業佈局：上游粉體原料廠(例華懋、克萊恩等)；中游纖維紡絲廠(例南亞、東華等)；下游塗佈貼膜及服飾成品廠(例聚陽、南緯及儒鴻等)。

一.產業化目標與願景(2)

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UV-VIS-NIR spectrum

半導體High RGB

傳統導電氧化物Middle RGB

複合結構Doped導電氧化物 Low RGB

FTIR spectrum

How it work?半導體

Wavelength(nm)

T(%

)

傳統導電氧化物

2,500 7,000 25,000

100

0

Doping及價數調控

二.產品說明-技術說明

解決問題解析

•複合結構 Doped導電氧化物顆粒的表面電阻(RGB) 提升NIR吸收

•控制doping與價數，產出不同電阻之複合結構Doped導電氧化物顆粒 擴大吸收光域

機能粉體凝聚示意圖

Melt spinning

Inorganic particle

改質劑種類不適當

聚集微粒

(微粒) (微粒) (微粒)

改質劑種類正確用量偏低

普通分散良好分散

改質劑種類正確用量正確

Powder anchoring + solvent solubility parameter

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The「finish 」helps textiles of 「any color」better 「absorb the sun’s heat rays」. Solar+™ provides more warmth and can improve the body’s heat management.

國外市售商品: Schoeller® technology-Solar+®

7.5℃

11.5℃

High mountainclimber’s outwear.

二.產品說明-技術說明(續1)

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在纖維的内蕊部分添加特殊微粒子，具有吸收光發熱，導電功能的一种白色系亞克力纖維。其將太陽光和白熾燈等外界光能量快速的轉變為熱能量，使衣服内的溫度上升。

國外市售商品: COREBRID thermocatch

Test Device

7

二.產品說明-技術說明(續2)

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8

日本Omikenshi的 Solar Touch 嫘縈紡織品

添加碳化鋯粉體的纖維具有優異的吸收熱射線性能，但是因為其顏色是深黑色，導致應用受到了很大的限制及污染機台等問題。

二.產品說明-技術說明(續3)

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LaB6

紫色外觀

Claim1. A boride nanoparticle-containing fiber comprising boride nanoparticlesexpressed by the general formula XBm (wherein X is at least one or more elementsselected from La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Sr, Ca, andY) as a heat-absorbing component.

短纖針織布

PET(含LaB6)

擬太陽光燈

PBT(含LaB6)PAN(含LaB6&ZrO2)N6(含LaB6&ZrO2)PET(含PrB6&ZrO2)PET(含CeB6&ZrO2)PET(含LaB6&ZrO2)

PET

添加LaB6 (15wt%)的纖維具有優良的吸收熱射線性能。

二.產品說明-技術說明(續4)

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Japan Patent 2006-132042

Near-infrared absorption fiber and textile product using the same

添加Cs0.33WO3 (15wt%)的纖維具有優良的吸收熱射線性能。

The tungsten oxide fine particles are general formula MYWOZ. M elements are one or more kinds of elements chosen from among Cs, Rb, K, Tl, In, Ba, Li, Ca, Sr, Fe, and Sn.

PET(含Cs0.33WO3)

擬太陽光燈短纖針織布

PET(含Rb0.33WO3&ZrO2)

PET(含W18O49)

N6(含Cs0.33WO3)

PAN(含Cs0.33WO3)

PBT(含Cs0.33WO3)

PET

PET(含Rb0.33WO3)

二.產品說明-技術說明(續5)

WO3 加热时颜色变深。密度7.16。

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外界的紅外線(IR)熱，例如太陽光、火焰、燈光及人體等紅外線熱源，均會被光熱粉體(透明導電粉體)所吸收。

光熱粉體吸收IR熱的原理是因為粉體的plasma frequency(與其Free carrier 濃度相關)。

Free carrier吸收IR熱之後形成動能，並與Lattice撞擊而使得粉體產生熱。

此粉體的熱會傳導給周圍的纖維高分子而使得纖維及服飾紡織品變熱並讓穿著者有保暖的效果。

光熱粉體吸收太陽光、照明光、火焰及人體紅外線等存在於日常生活中的IR熱源而發熱

二.產品說明-技術說明(續10)

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12

把TCO材料添加在纖維的內部，可提升NIR在纖維內部行進的路徑長度(NIR滯留時間增加)並因此提升紡織品的溫度(下圖)。

入射IR 入射IR

即使在乾燥的狀態(無須出汗或水氣)也能發熱(市售吸濕發熱纖維須要有出汗或水氣才會有發熱的特性)。

二.產品說明-技術說明(續11)

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FTIR 波長範圍: 2,500 25,000nm (400 4000cm-1)

粉體功能 FTIR 平均吸收率(%)

Heat-Ray absorption 65%90%(依據不同的粉體添加量而有差異)

Traditional 10%

FTIR平均吸收率%= (100% -平均 T%)

人體熱radiation

range營火熱、燈光熱radiation range

工研院試驗產品

二.產品說明-技術說明(續12)

陽光熱radiation range

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吸收率(%)

波長(μm)

人體熱Radiation range

(812um)

白熾燈熱Radiation range

(5.57um)

火焰熱Radiation range

(23um)

TCO光熱粉體

纖維用TiO2粉體

市售遠紅外線粉體

纖維用尼龍 6粉體

TCO光熱粉體、TiO2、市售遠紅外線粉體及尼龍6的光譜吸收率比較(含火焰熱、白熾燈熱及人體熱的Radiation range)

TCO光熱粉體的光譜吸收率，遠高於其他3種粉體，因此具有較好的發熱效果

14

二.產品說明-技術說明(續13)

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Producing process

Heat-Ray absorption Nano-particles

Surfacemodification Master batch/Polymerization & Spinning

Powder

Heat-Ray absorption fiber

粉體粒徑 < 50nm 粉體均勻分散在纖維內

二.產品說明-技術說明(續15)

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絲導被磨平之後的紗線摩擦力將增加約5倍。

新絲導-摩擦力小 已磨耗絲導-摩擦力很大

研磨粉呈銳角且粒徑不均。

銅片磨耗儀之測試數據比較表。

T75/72 磨耗(20min.)

一般SD 1-2m

奈米微粒 2m

微米微粒 8-20m

儀器:德國Honigmann Abrasion meter 參數:100m/min.、張力12cN、初始位置20 m

二.產品說明-技術說明(續16)

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Textiles(PET針織布140g/m2)

TN-037之NIR平均吸收率(%)

Heat-Ray absorption 55%85%(依據不同的粉體添加量而有差異)

Traditional 50%

Diffuse Transmittance

Diffuse Reflection

TN-037之 NIRradiation range

(白色織物)

(微透光)

Transmittance

780 2,500nm

工研院試驗產品

TN-037之NIR平均吸收率合格基準須達55%以上

二.產品說明-技術說明(續17)

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Textiles(PET針織布140g/m2)

Temperature after lamp irradiation(起始溫度 23℃)

Heat-Ray absorption 42℃ 50℃(依據不同的粉體添加量而有差異)

Traditional 40℃

Thermocouple

Heat-RayLamp

Textile

奈米標章TN-037驗證規範(示意圖)

Irradiation energy distribution of heat-ray lamp

可見光 近紅外光(NIR)

TN-037之照光溫升合格基準須達2℃以上

工研院試驗產品

二.產品說明-技術說明(續18)

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Textiles Heat-ray absorption rate %

Heat-Ray absorption 70

Traditional 50

Relationship between 熱射線吸收率 and 溫度上升 of textiles

T of 熱射線吸收紡織品 = 1.4 x T of 傳統紡織品

織物吸收能量= Q &入射光(熱射線)能量 = W織物吸收入射光(熱射線)之後的上升溫度= T

Q70 W x 70 % = k T70

Q50 W x 50 % = k T50

T70/T50=70/50

T70 =1.4 x T50

二.產品說明-技術說明(續19)

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二.產品說明-原型產品規格與特色

粉體合成特用化學品

開發產品驗證與應用

上游 中游 下游

•戶外登山保暖外套(例Goretex..等)

•光/熱效率高 •高分子界面分散

粉體設計 分散相容

貼膜/塗佈纖維紡絲

(工研院)

織造版型

布料設計成衣服飾

•舒適、機能服飾 •光能發熱

本計畫

論述奈米化後所呈現的功能特性，包括：奈米性、有無奈米粉體的差異

中空發熱纖維規格T75/72且中空率25%的纖維(如左圖)。

由於此纖維壁厚度僅2.9μm，依照經驗值，微粒的聚集

(2次)粒徑須小於壁厚的5% (145nm=2.9μm x 5% )，纖維

才得以順利生產。但是由於粉體無法做到完全單顆分散

(無聚集)，因此若假設粉體聚集數量約23顆，則必須使

用粒徑 <50nm的奈米微粒，才得以順利生產中空發熱纖維。

產品製程說明

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技術 光熱粉體用途/價格 粉體特性比較

國外 -電子業用途-成本500元/kg布

-可見光高透明-導電性

ITRI -紡織業規格-成本<100元/kg布(平價)

-淺色-高IR吸收率

•本技術結合光熱粉體結構設計合成與製備技術、粉體界面改質分散於高分子的調控技術、光熱分析檢測技術，建立光熱檢測平台。

•載具規格應用案例說明:-光熱紗混紡成份:中空聚酯33%+4T聚酯17%+Tencel 37%+羊毛7%-布樣交織規格:40’s光熱紗交織spandex 6%;S/J結構;布重160g/m2

發熱衣(男圓領黑色、女立領米色及童裝)人體熱

Radiation range(812um)

白熾燈熱Radiation range

(5.57um)

火焰熱Radiation range

(23um)

吸收率

(%)

波長(μm)

ITRI

TiO2

遠紅外線

纖維

100

80

60

40

20

5 7.5 10 12.52.5

二.產品說明-原型產品規格與特色(續1)

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芯柔發熱衣ITRI

材質:天絲纖維 37%、聚酯 33%(光能發熱中空纖維)、聚酯 17%(4T異型斷面纖維)、羊毛 7%、彈性纖維 6%照光時間:10 min紅外線光與衣服的距離:50 cm

市售

材質:聚酯 65%、嫘縈 35%照光時間:10 min紅外線光與衣服的距離:50 cm

二.產品說明-原型產品規格與特色(續2)

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產品功能結構說明

母粒:聚酯、尼龍

混紡、織造、染整

通路：各大品牌通路及百貨門市

[無縫 & 一體成型 & 塑身]

吸熱纖維：添加機能粉體於纖維，在經由紡絲段及織造開發吸收熱射線紡織品

利用吸熱升溫的原理，吸收外界熱射線(日光熱、燈光熱及人體散發之體熱⋯)

可提升織物本身溫度，達到長效性的保暖。

腰線設計 圓編織造技術，無縫設計無勒痕 智慧版型開發，立體獨特凹凸織紋 側邊為中彈力織物加強修飾腰身

胸線設計 抓皺提胸設計，調整胸型集中拖高

腹部設計 腹部為高彈力織物，緊實腹部贅肉

[時尚 & 智慧版型]

橫編織造技術 智慧版型開發 時尚款式設計

不同組織設計

二.產品說明-原型產品規格與特色(續3)

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ITRI

材質:尼龍 95、彈性纖維 5%照光時間:10 min紅外線光與衣服的距離:50 cm

無縫保暖衣 市售

材質:尼龍44%、棉54%、彈性纖維2%照光時間:10 min紅外線光與衣服的距離:50 cm

二.產品說明-原型產品規格與特色(續4)

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獲利提升

織造/染整

投入織造及染整領域，期許達到「一加一大於三」的合作效應並達成供應鏈垂直整合

技術提升

產品多樣化

成衣成衣染整染整

原料紡絲

織造/染整成衣

投資上游紡絲設備並研發機能性紡絲母粒，向一條龍的生產模式邁進

成衣通路

產業鏈完整

三.產業機會與市場需求分析(1)

市場需求分析：

•國外知名運動品牌70%的機能性布料來自台灣。全球機能性紡織品的市場潛力約達600億美元/年，其中蓄熱紡織品預測將占有30億美元/年產值。

•保暖衣產品已在全世界逐漸推展開來，但是既有蓄熱粉體價格貴、蓄熱光域小、蓄熱效率差且無法分散於纖維，導致市場規模受到限制。

•本計畫的投入預期能創造機能性紡織品的新版圖。產業往上游轉型：

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具體策略:

整合國內紡織產業上中游的業者聯盟合作，共同研發特殊的機能性纖維與布料，加入特別研發的加工技術及版型技術，創造兼具【流行時尚】與【獨特機能】的高附加價值紡織品，共同開創產業新價值鏈。

價值主張:

研發並運用特殊的機能性素材，觸感舒適並可自由伸展，並開發兼具流行與機能訴求的服飾，以滿足消費者穿著舒適性的要求。

三.產業機會與市場需求分析(2)

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光/熱粉體產業鏈整合

Champion廠 國際品牌時尚運動服飾產業

未來需建構之產業聯結方式:

四.產業聯結布局(1)

Champion廠掌握市場訂單(規模需達年營業額100億以上) Champion廠商主導建構出未來產業連結方式

Strength:我國紡織產業合作鏈已具規模。

Weakness:上游原料例如光熱粉體需仰賴進口、價格偏高、光熱效率差及光域範圍窄小。

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奈米光/熱粉體技術佈局及產業鏈推廣

特化品廠及粉體分散廠濕紡溶液紡絲廠

開發具有光/熱功能的紡織/服飾產品:-應用塗料/貼膜(服飾、車輛及帳蓬等)。-濕紡溶液Acrylic纖維紡織品。

(外套、內衣、床被組)。

(Champion廠)成衣製造/行銷通路商

再生纖維素溶液紡絲

-Rayon

-Tencel

-粉體分散於製程之溶液內

高分子融紡-PET

-Nylon

-PP

-粉體分散於熔融的高分子

濕式紡絲(3rd~4th年)

1st2nd年產出 3rd4th年產出

粉體特性-蓄熱效率≧65%-粉體 100 nm

塗佈/貼膜紡織品:-粉體用量0.5wt%織物溫度高出3℃(高效率)

-可見光譜反射率差異低於對照樣 0.5%

粉體特性-蓄熱效率≧85%-粉體 60 nm

細丹濕紡纖維紡織品:-溫度高於對照樣5℃

-可見光譜反射率差異低於對照樣 0.1%(無色差)

濕紡溶液Acrylic纖維

推廣應用

防水透濕

PU貼合膜成衣設計

塗佈/貼膜(1st~2nd年)

紡紗/染色/整理及織布廠塗佈及貼膜廠

織造組織成衣設計

具體產業效益規畫補強紡織產業鏈弱勢環節，促成新產業鏈結。促進產業投資升級轉型至一條龍生產模式。成立國際品牌，創新時尚紡織品與拓展國際市場。保守估計保暖紡織品占有全世界5%的機能性紡織品市場，則換算金額高達30美元/年。

四.產業聯結布局(2)

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五.機會與挑戰

時尚品牌正往Function靠攏FashionBrands

Function Look/Sporty Look

Function +

Fashion

運動及戶外品牌往Fashion靠攏 Sports & OudoorBrands

Function +

Fashion

City Look/Sport style

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輕機能時尚: 1st2nd年載具(原型品)的應用情境-塗佈/貼膜

Viskin熱調節微膠囊Thermal storage microcapsules run in a crystalline snow pattern.

UNIQLO 鋁點反射

五.機會與挑戰(續1)

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Inner Al coating: Heat-reflection

金屬的導電系数愈高,反射率愈高。因此金屬反射膜材料大都使用高導電度的金、銀、鋁与銅等材料。

Columbia的Omni-Heat

五.機會與挑戰(續2)

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Columbia的Omni-Heat

五.機會與挑戰(續3)

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VSKIN產品特徵:

樹脂功能內加入儲熱儲冷微膠囊，針對運動或氣候條件改變下會進行吸放熱，在寒冷的天氣可預防體溫急劇降低，並且功能條能有效支撐運動選手的身體並協助提升運動表現。

VSKIN 熱調節微膠囊

五.機會與挑戰(續4)

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Power lines structurePower lines containing thermal storage microcapsulesrun in a crystalline snow pattern

VSKIN 熱調節微膠囊

五.機會與挑戰(續5)

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先依照奈米金屬氧化物保暖衣著用紡織品溫升特性(TN-037)的方法測試

測試方法：

將參考布置於右側半圓管上，待測樣品置於左側半圓管上，以175 W 紅外線燈照射10 分鐘，使用溫度控制系統使右側樣品溫度控制於46±0.2 ℃，十分鐘時以紅外線熱像儀量測測試樣品的表面溫度。

35

參考布待測樣布

紅外線熱相儀1.左圖及為紅外線熱像儀實際量測溫度，2.左上角顯示的為中心記號處之溫度，3.右側顯示為圖像中的溫度最高點與最低點的溫度。

五.機會與挑戰(續7)

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基重(g/m²)

照光試驗

1﹙℃﹚

照光試驗

2﹙℃﹚

照光試驗

3﹙℃﹚

照光試驗平均﹙℃﹚

照光溫差﹙℃﹚

熱像儀溫度℃

熱像圖熱像溫差℃

對照組(1)XKQTS0500A 236 40.6 40.6 40.6 40.6

3.1

38.5

4.9

實驗組(1)XKQTS0500A 236 43.3 43.7 44.0 43.7 43.4

對照組KJTS0074(2)

250 41.3 41.3 41.2 41.3

8.8

38.9

8.1

實驗組KJTS0074(2) 250 50.0 50.0 50.2 50.1 47.0

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基重(g/m²)

照光試驗

1﹙℃﹚

照光試驗

2﹙℃﹚

照光試驗

3﹙℃﹚

照光試驗平均﹙℃﹚

照光溫差﹙℃﹚

熱像儀溫度℃

熱像圖熱像溫差℃

對照組KJTS0074-P6 250 41.0 41.2 41.4 41.2

9.1

39.4

7.5

KJTS0074-P6實驗組

250 50.3 50.1 50.5 50.3 46.9

對照組KJTS0074-P7 250 40.9 41.0 41.0 41.0

9.6

40.3

7.0

實驗組KJTS0074-P7

250 50.4 50.6 50.7 50.6 47.3

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輕量保暖-mont-bell

輕量保暖-透濕防水膜

五.機會與挑戰(續9)

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Sample (Name) 保暖加工 (透明膜) 貼膜加工 (一般膜)

Irradiated time:10 min. 52.5℃ 44.1℃

Test:透明PU膜PU膜厚6umPU基重6g/m2

粉體佔PU重5wt%布重100g/m2

粉體佔布重0.3wt%照射NIR溫差8.4℃

結論:添加光熱粉的PU貼膜織物照射NIR溫差大

奈米粉體的應用情境-PU貼膜

五.機會與挑戰(續10)

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FY104~105計畫成果•本技術結合光熱粉體結構設計合成與製備技術：粉體合成及界面改質分散的調控技術、建立光熱分析檢測平台，達到光熱粉體的紅外線吸收達65%以上。光熱粉體應用於織物照射紅外光之溫度高於對照樣3℃。

•輔導申請A+整合型計畫：推動聚陽(成衣廠)通過A+整合型計畫並整合羽台(纖維廠)及東大盛(布料廠)形成上中下游研發能量，總計畫經費129,970千元，政府補助52,000千元，計畫補助金額創紡織業之新高，於2016年1月份開始執行，期程2年。

人體熱Radiation range

(812um)

白熾燈熱Radiation range

(5.57um)

火焰熱Radiation range

(23um)

吸收率

(%)

波長(μm)

ITRI

TiO2

遠紅外線

纖維

100

80

60

40

20

5 7.5 10 12.52.5

•光熱紡織品市場：近3年於國內大型超商等通路進行販售，總數量超過300萬件，營業額總和達12億元以上。

•推動工業局聯盟計畫：2016年輔導上下游共6家廠商，預計創造6千萬年產值。

•發熱衣:(由左至右)男圓領、女立領及童裝

•粉體紅外線吸收率(含市售粉體比較):

五.機會與挑戰(續11)

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奈米機能奈米機能微粒開發

改質劑種類及用量設計

熔融紡絲濕式紡絲

均質分散在液相

•有機及無機微粒•有機/無機混合結構

Air blowing

Take-up

Godet

Oil jet

BeamSpinnerets改質劑種類

及用量設計固相混合分散

熔融紡絲

固相混合分散液相均質分散混合分散在高分子

濕式紡絲

•亞克力•嫘縈

•聚酯•尼龍•聚丙烯

改質劑種類不適當

聚集微粒

(微粒) (微粒) (微粒)

改質劑種類正確用量偏低

普通分散良好分散

改質劑種類正確用量正確

應用案例

(2)反射NIR涼爽纖維

W300-奈米機能微粒改質纖維

(3)原液染色纖維

(4)原色抗靜電纖維

(1)吸收熱射線保暖纖維

附件

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Elmarco needless electrospinning

Air blowing electrospinning

Wetlaid nonwoven technology

Main research equipment

High performance functional paper

Nanofiber battery separator

Nanofiber based wound dressing and scaffold

Ultrafiltration nanofiber membrane

Nanofiber air filter

EMI and high heat conductive nonwoven

Core technology

Nanofiber coating Nanofiber nonwoven Nanocomposite fiber

Undertaking product and R&D

Progress nanofiber in satisfying the technological requirements of fiber industry

W300- Electrospinning nanofiber附件