壓吸法行竹炭粉末於聚丙烯不織布機能性加工 及其性質之研究
Health care effect of spray method for bamboo charcoal on PP non-woven process
顏明賢、徐士元、莊振孟 崑山科技大學高子材料系
摘要
本研究主要利用竹炭粉末為加工材料，以矽烷偶合劑 與樹脂為加工藥劑，再以壓吸法製程的方式使竹炭粉末均一 分散且黏著於聚丙烯不織布的表面上，進而探討其表面結 構、分散性、遠紅外線蓄熱保溫性、負離子及除臭抗菌性等 物性。在遠紅外線蓄熱保溫性測試方面，原聚丙烯不織布本 身的蓄保溫只有 2.67℃但隨竹炭濃度 10 g/L 和 20 g/L 加工 過後的蓄熱保溫分別可達到 5.35℃和 8.01℃，可發現竹炭聚 丙烯不織布之溫差隨竹炭濃度增加而增加的趨勢且具有遠 紅外線的效果。而在負離子濃度測試方面，竹炭聚丙烯不織 布釋放之負離子個數會隨著竹炭濃度增加而越佳，而除臭方 面，消臭性隨竹炭粉末濃度之增加而越佳，消臭率最高可達 63%。然而在物性檢測上，加入竹炭粉末對聚丙烯織物的物 性影響不大，而添加樹脂濃度對柔軟度會有降低之趨勢。
關鍵字：竹炭、聚丙烯不織布、遠紅外線蓄熱保溫、負離子、
除臭
Abstract
This study deals with health care characteristics includes surface structure, far infrared ray, negative ion and deodorizing finish for PP non-woven process using padding method on bamboo charcoal with silane coupler and resin treatment. The dispersion on bamboo charcoal processed PP non-woven tends to improve with the silane coupler. Regarding warm keeping ability, the temperature of PP non-woven was 2.67 ℃ ; otherwise, the temperature difference on the surface of processed non-woven fabrics after exposed to a halogen lamp was between 5.53~8.01℃, indicating the warm keeping ability of the fabrics tends to increase following an increase of bamboo charcoal concentration and containing the far infrared ray ability. Similarly, in negative ion effect which the release negative ion quantity of process non-woven tends to elevate with slightly increase in the concentration of bamboo charcoal.
In the deodorizing finish effect which the deodorizing finish exhaust 63% tends to improve slightly with increase in the concentration of bamboo charcoal. In soft finish effect which the soft finish tends to reduce slightly with increase in the concentration of resin. The physical properties of PP non-woven processed with bamboo charcoal were no effect vigorously.
Key Words：bamboo charcoal powder, PP non-woven, far infrared ray keep warm ability, negative ion, deodorizing finish 一、 前言
由於竹炭內部的孔隙分布極廣，這些大小孔徑不一的 微細孔道具有超強的吸附能力，以及抗菌的和消除臭味等功 能，對硫化物、氮化物、甲醇、苯、酚等有害化學物質發揮 吸收、分解異味和消臭的作用。竹炭還可能吸濕乾燥，調節 濕度，當周圍環境濕度較大的時候，可以吸收水分，但當周 圍環境乾燥時，反而能夠釋放水分。另外竹炭還能產生適合 人體吸收的遠紅外線，具有溫熱效應，可以讓身體保溫及促 進末稍血液循環，因此具有養生保健的功效，還可以增加空 氣中有益健康的負離子，使空氣更加清新乾淨[1-5]。
負離子是電子和空氣中的分子碰撞所產生，而科學家 將帶有電的分子稱為離子，而帶有負電荷的分子就稱為負離 子，在大氣中有許多帶電細微粒子，我們稱這些帶電細微粒 子為『空氣離子』，當空氣受到由天然發出的放射線，或受 到大能量的宇宙線，甚至由太陽射出的紫外線等照射後，均
可能形成分別包含正離子與負離子的細微粒子。對人體細胞 而言，最重要的是新陳代謝，細胞的新陳代謝是指從血液中 獲得養分，然後將老化的廢物排出。若血液中的負離子由正 離子和負離子所組成，近代醫學界研究證明，正離子多為帶 正電的礦物離子和大氣中的氮、氧等正離子及有機體與水的 複合正離子。因此，負離子與人體健康關係密切，細胞內外 的電子作用會對人體有重大的影響[6]。
紅外線是電磁波的一種，波長比可見光長，紅外線波 長在 0.75 微米~1000 微米之間，在電磁波的分類上由於其在 可見紅光之外，故稱其為紅外線。依波長大小更區分成近紅 外線(0.75 微米~1.5 微米)、中紅外線(1.5 微米~4.0 微米)、遠 紅外線(4.0 微米~1000 微米)[7]。遠紅外線纖維則是一種具 有優良保健醫療功能、熱效應功能的新型紡織材料，它是能 將人體自身外發散的熱量吸收，並能再放出人體最需要的 4.0 微米~14 微米波長的遠紅外線，藉以促進人體新陳代謝 的纖維。紅外線則是物理線，也是生育光線。特徵是具有強 烈的溫熱作用，而且被廣泛地運用在醫學治療上，而紅外線 是在所有太陽光中，它最能夠深入皮膚和皮下組織，促進血 液迴圈，使身體保持一定溫度，促進新陳代謝，排除體內毒 素[8]。
有鑑於竹炭具有蓄熱保溫、殺菌、負離子等多功能性，
本研究藉著壓吸製程法[9]，配合添加不同竹炭之濃度及分 散劑與黏著劑之間的影響，進行竹炭粉末於聚丙烯不織布的 加工。進而探討聚丙烯加工不織布遠紅外線蓄熱保溫、負離 子、抗菌除臭、柔軟度等物性，進而評估其在保健功能上的 效益。
二、實驗
2-1 材料與藥品
1.聚丙烯不織布(基重 30g/m²)。
2.竹炭粉(景天科技，粒徑大小：小於 80μm)。
3.聚丙烯酸甲酯樹脂：(克萊思，AL-500BN，固成份 40%)。
4.矽烷偶合劑(Acros，Phenyl triethoxysilane；PTES) 5.乙醇(濃度 95%)
2-2 實驗設備
1.柔軟度試驗機 (Inteco，45 度傾斜)。
2. 拉伸強度試驗機 (Alphaten 400)。
3. 掃描式電子顯微鏡 (SEM，JSM-6700F Field Emission Scanning Electron Microscoe)。
4. 電鍍機(JEOL JFC-1600 AUTO FINE COATER) 5. 負離子測試儀 (ITC-201A)。
6. 熱壓定型機 7. 壓吸機 2-3 實驗方法
2-3-1 樹脂對不織布加工
1.首先將聚丙烯不織布剪裁成 46cm × 46cm 之大小。
2.將聚丙烯不織布，浸漬於水性樹脂濃度為 20g/L 之混合液 500 ml 中，浸處時間為 5 分鐘。
3.再置入熱壓定型機中，以熱處溫度 100℃處理時間 50 秒，
使加工液預先固定於加工布上。
4.再浸漬於竹炭濃度 10g/L 之加工液中，以轉速 10.0rpm 的 速度及壓力 0.5 ㎏/ m2的二浸二壓法方式進行壓吸。
5.壓吸後，放置熱壓定型機中後以溫度為 100℃，時間為 50 秒進行加工，等待取出後，馬上置收密封袋中待測。
6.再以 20g/L 的竹炭重複 1、2、3、4、5 步驟。
2-3-2 PTES 對聚丙烯不織布加工
1.將聚丙烯不織布浸泡在竹炭樹脂濃度 20g/L 之混合液 500 ml 混合溶液中，再置入熱壓定型機中，以熱處溫度 100℃
處理時間 50 秒後取出。
2.將 10 g/L 竹炭與水混合在溫度為 90℃下加熱攪拌 40 分 鐘，隨之停止加熱，加入 PTES 5g/L 攪拌 20 分鐘，過濾 竹炭將其烘乾，得 PTES 竹炭粉末。
3.將 PTES 竹炭粉末濃度 10 g/L 加入 40%乙醇水溶液進行均 勻攪拌分散，隨之再加入樹脂濃度 20 g/L 調製成 PTES 浸 漬溶液。
4.將聚丙烯不織布浸泡在 PTES 浸漬溶液中。壓力 0.5 ㎏/ m2 的二浸二壓法方式進行壓吸。
5.壓吸後，放置熱壓定型機中後以溫度為 100℃，時間為 50 秒進行加工，等待取出後，馬上置收密封袋中待測。
6.再以 20g/L 的竹炭重複 1、2、3、4、5 步驟。
2-4 物性測試
將加工後之聚丙烯不織布，依下列之標準，分別做物性的測 試。
1.柔軟度：
依 CNS12915 一般織物試驗法 6.19.1 節剛軟度檢驗之。
2.抗拉強度：
依 CNS5610 不織物試驗法第 4.3.2 切條法試驗之。
3.掃描式電子顯微鏡(SEM)之觀察：
將不同濃度之竹炭粉末與樹脂加工之不織物以掃描式電 子顯微鏡觀察其表面結構。
2-5 遠紅外線蓄熱保溫性測試
1.熱源：500W 鹵素燈。2.熱源距離：100cm。
3.照射時間：10min。4.測試方法：
以 500W 鹵素燈在距離試樣 100cm 處照射，使用紅 外線熱像測溫儀(Thermovision)在距離 50cm 處取得熱影 像，分析試樣表面溫度，即可獲得試樣的升溫效果，以評 定遠紅外線功能。
2-6 負離子性測試
1.測試箱尺寸：300mm*200mm*200mm。
2.測試方法：
將樣品置入測試箱內，以負離子測試儀測試箱內之負離 子濃度、溫度及溼度。
2-7 抗菌性測試
1. 菌種：金黃色葡萄球菌
2. 測試方法：依 JIS L 1902：2002 定量檢驗 2-8 消臭性能測試
1.參照日本 JAFF 之消臭性能評價試驗法檢驗。
檢知管法：將 10 ㎝*10 ㎝之樣品，置入含有 3L-100ppm 初使濃度氣體之 5L-Tedlar 袋中，在以檢知管測定濃度 變化。
2.消臭率(%)＝(空白試樣值－試樣值) / 空白試樣值 × 100%。
2-9 透氣性測試
1.參照 JIS L1096-1999 8.27.1.A 壓力差：125Pa，面積 38cm2 去做測試。
2.檢驗結果單位為(c.c/cm2/sec) 三、結果與討論
3-1 未加工與加工聚丙烯不織布的表面結構
竹炭粉末應用於聚丙烯不織布之加工布，經由電子顯 微鏡觀察其表面結構。由圖一得知未加工聚丙烯不織布不同 倍數下之表面結構，圖中可看出其纖維的表面呈現光滑整潔 的 情 形 。 而 圖 二 至 圖 三 為 樹 脂 黏 著 劑 壓 吸 之 竹 炭 濃 度 10g/L、竹炭濃度 20g/L 布表面上的結構。圖四與圖五乃經 PTES 加工後之聚丙烯不織布的表面結構可看出，圖中不同 倍數下可看出竹炭粉末分佈的情形，PTES 加工後之竹炭粉 末易形成團聚的現象黏著於纖維表面，而相對的使用樹脂加 工竹炭粉末較不易聚集。
3-2 不同竹炭粉末利用 PTES 加工對聚丙烯不織布柔軟度的 影響
以樹脂為粘著劑調配不同的濃度之竹炭粉末與使用 PTES 加工後之聚丙烯不織布進行柔軟度測試，其柔軟度越 好則伸懸長度越小。由表 1 的實驗結果得知，加工過之聚丙 烯不織布其柔軟度比未加工聚丙烯不織布還要差，由此可知 利用 PTES 加工比未加工的聚丙烯不織布之柔軟度有不良的 影響。另外，加入不同濃度之竹炭粉末後，因為竹炭粉末只
是附著在纖維的表面上，所以對聚丙烯不織布的柔軟度影響 不大。
3-3 不同竹炭粉末及樹脂濃度對聚丙烯不織布抗拉強度的影 響
將不同竹炭粉末濃度加工之聚丙烯不織布進行抗拉強 度的測試，由表 2 的實驗結果得知，加工後的聚丙烯不織布 比未加工聚丙烯不織布強度高，使用樹脂粘著劑加強不織布 之抗拉強度，推知樹脂增強纖維間之互相纏結之效應有關 [10]。而相同的樹脂比例下，聚丙烯不織布之抗拉強度不會 隨著竹炭濃度增強。竹炭粉末對不織布之抗拉強度無太大影 響。
3-4 不同竹炭粉末濃度加工對不織布透氣性的影響 將竹炭粉末藉由樹脂使之黏著於聚丙烯不織布的表面 上進行透氣性的測試，由表 7 結果得知，對於聚丙烯不織布 的透氣性來說影響不是很大。未加工聚丙烯不織布透氣性為 258.8(c.c/cm2/sec)，而添加 10g/L 竹炭配比之聚丙烯不織布 為 231.2(c.c/cm2/sec)，且添加 20g/L 竹炭配比之聚丙烯不織 布為 228.6(c.c/cm2/sec)。在不同比例濃度下，透氣性差別不 大，反觀未加工不織布與隨著濃度升高透氣性降低，可推知 壓吸法影響其透氣性質。
3-5 利用 PTES 加工對聚丙烯不織布遠紅外線蓄熱保溫性的 影響
將竹炭粉末藉由樹脂使之黏著於聚丙烯不織布的表面 上進行遠紅外線蓄熱保溫性的測試，由表 4 的實驗結果得 知，使用鹵素燈照射後，利用 PTES 加工對聚丙烯不織布遠 紅外線蓄熱保溫性的並沒有多大的差異性，而使用鹵素燈照 射不織物表面前後的溫差，竹炭濃度 10g/L 和 20g/L 加工過 後的蓄熱保溫，上升的溫度在 5.35 ~℃ 8.01℃間，溫度最高 可達 8.01℃，最低溫度為 5.35℃。由此可知，當竹炭粉末添 加的量越高，聚丙烯不織布之遠紅外線蓄熱保溫性也越佳。
3-6 不同竹炭粉末濃度對聚丙烯不織布負離子濃度的影響 將竹炭粉末藉由樹脂使之黏著於聚丙烯不織布的表面 上，使其具有釋放負離子的作用。由表 5 的實驗結果得知，
原聚丙烯不織布之負離子濃度有 212 Ions /ml，此乃空氣中 所釋放之負離子。而在不同竹炭粉末濃度 10g/L 及 20g/L 下，添加的竹炭粉末濃度越高，則釋放之負離子濃度也越 多，但增加的幅度不大。
3-7 不同竹炭粉末濃度對聚丙烯不織布抗菌性能之影響 將竹炭粉末藉由樹脂使之黏著於聚丙烯不織布的表面 上進行抗菌性能的測試，依據日本纖維製品新機能評價協議 會(JAFET)之抗菌標準，抑菌值>2.0 表示測試樣本有抑菌效 果，殺菌值>0 表示測試樣本有殺菌效果。由表 6 得知，抗 菌效果使用樹脂效果最佳，使用 PTES 加工後會有防撥水的 功能，使其抗菌效果受到影響。抗菌檢測需要在布表面上培 養金黃色葡萄球菌，PTES 加工後表面上是屬於疏水性，使 得金黃色葡萄球菌無法滲透不織布生長其抗菌效果不佳。
3-8 不同竹炭粉末濃度對聚丙烯不織布消臭性能之影響 竹炭由樹脂黏著於聚丙烯不織布表面上，評估其對臭 氣氨氣體之除臭效果。由表 7 的實驗結果得知，未加工聚丙 烯不織布及竹炭粉末濃度 10g/L 與 20g/L 時其氨氣體的殘留 濃度各為 71 ppm、52 ppm 與 33 ppm，由此可知除臭率分別 為 21%、42%與 63%，竹炭加工聚丙烯不織布對氨氣體的消 臭效果會隨竹炭粉末濃度之增加而越佳。
四、結論
本文研究利用壓吸法添加竹炭粉末應用於聚丙烯不織布 之機能性加工。經由實驗結果得知如下之結論：
1. 遠紅外線蓄熱保溫性測試結果，發現竹炭聚丙烯不織布 製品之表面溫度上升在 5.35 ~℃ 8.01℃間，且蓄熱保溫 性隨竹炭濃度的增加而越佳。
2. 利用 PTES 加工聚丙烯不織布對遠紅外線蓄熱保溫性並
不會有太大的影響。
3. 竹炭聚丙烯不織布之負離子及抗菌效果會隨竹炭粉末 濃度之增加而越佳，但會因加入利用 PTES 加工後的負 離子含量和抗菌效果會變差。
4. 竹炭聚丙烯不織布之柔軟度會因壓吸加工與 PTES 加工 後而變差。
5. 未加工聚丙烯不織布之表面結構呈現光滑整潔的情 形，而 PTES 加工過竹炭聚丙烯不織布的表面結構可看 出竹炭粉末形成團聚的現象黏著於纖維表面。
6. 當竹炭添加的量越大，其消臭率隨之竹炭量增加而增加。
7. 竹炭粉末對聚丙烯不織布之抗拉強度影響不大。
五、參考文獻
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六、圖表
圖一 未加工之聚丙烯不織布 SEM 圖(x600)
圖二 竹炭 10g/L 壓吸之聚丙烯不織布 SEM 圖(x600)
圖三 為竹炭 20g/L 壓吸之聚丙烯不織布 SEM 圖(x600)
圖四 為利用 PTES 加工後的竹炭 10g/L 壓吸之聚丙烯不織 布 SEM 圖(x600)
圖五 為利用 PTES 加工後的竹炭 20g/L 壓吸之聚丙烯不織 布 SEM 圖(x600)
表 1：不同竹炭粉末利用 PTES 加工對聚丙烯不織布柔軟度 的影響
布種 竹炭粉末(g/L) 平均(cm)
原布 -- 6.43
ABP 10 5.43
ABP 20 7.13
ABSP 10 6.23
ABSP 20 7.96
A=聚丙烯酸甲酯樹脂，B=竹炭，P=聚丙烯織物，S=矽烷偶 合劑(phenyl triethoxy； PTES)
表 2:不同竹炭粉末與樹脂濃度加工對聚丙烯不織布撕裂強 度的影響
樹脂
(g/L) 樣品種類 竹炭粉 末(g/L)
抗拉強度 ( kgf/mm²)
-- 原布 -- 1.28
ABP 10 2.49
ABP 20 2.67
ABSP 10 2.38 20
ABSP 20 2.54
表 3：不同竹炭粉末濃度對聚丙烯不織布透氣性的影響
檢測項目
竹炭粉末
(g/L) 試驗試驗結結果果 (c.c/cm2/sec)
原布 -- 258.8
ABP 10 223311..22
ABP 20 228.6
ABSP 10 226.7 ABSP 20 215.4 表 4：利用 PTES 加工對聚丙烯不織布遠紅外線蓄熱保溫性的影響
檢測項目 特定熱源與條件下之表面溫度(℃)
布種 竹炭粉末濃度(g/L) 表溫(℃) a* 表溫(℃) b* 溫度上升(℃)
原布 -- 28.09 30.76 2.67
ABP 10 27.06 32.41 5.35
ABSP 10 23.53 30.19 6.66
ABP 20 28.77 35.21 6.44
ABSP 20 23.57 31.58 8.01
註：a*=照射前溫度，b*=照射後溫度
A=聚丙烯酸甲酯樹脂，B=竹炭，P=聚丙烯織物，S=矽烷偶合劑(phenyl triethoxy；PTES) 表 5：不同竹炭粉末濃度對聚丙烯不織布負離子濃度的影響
布種 竹炭粉末
(g/L)
Max (Ions/ml)
Min (Ions /ml)
Avg (Ions /ml)
溫度 (℃)
溼度 (RH)%
大氣壓力 (hpa)
原布 -- 248 193 210 22 52 1008
ABP 10 582 504 511 22 52 1008
ABP 20 619 540 587 22 52 1008
ABSP 10 530 461 482 22 52 1008
ABSP 20 536 474 496 22 52 1008
A=聚丙烯酸甲酯樹脂，B=竹炭，P=聚丙烯織物，S=矽烷偶合劑(PTES)
表 6：利用 PTES 加工對聚丙烯不織布抗菌性能的影響 檢測項目 試驗結果
白棉布 原布 ABP ABSP 試驗方法
植菌濃度 0.8 E+5 0.8 E+5 0.8 E+5 0.8 E+5
Ma 1.5 E+4 -- -- --
Mb 3.9 E+6 -- -- --
Mc -- 2.5E+5 0.7 E+2 1.6 E+3 細菌成長活
性值 2.4 -- -- --
抑菌值 -- 1.2 4.7 3.3
金黃色葡萄 球菌(ATCC
6538P)
殺菌值 -- <0 2.3 0.9
JIS L1902-2002
註：Ma=未加工樣 0 小時立即沖刷後菌數；Mb=未加工樣 18 小時後菌數；Mc=加工樣 18 小時培養後菌數。
細菌成長活性值=logMb-logMa，細菌成長活性值>1.5 表示實驗有效。
依據日本纖維製品新機能評價協議會(JAFET)之抗菌標準，抑菌值>2.0 表示測試樣本有抑菌效果，殺菌值>0 表示測試樣 本有殺菌效果。
表 7：不同竹炭粉末濃度對聚丙烯不織布消臭性能的影響
試驗結果 試驗方法
檢測項目 竹炭粉末
(g/L) NH3初始濃度 (ppm)
NH3殘留濃度 (ppm)
NH3消臭率(%)
空白樣品 -- 100 90 ---
原布 -- 100 71 21
ABP 10 100 52 42
ABP 20 100 33 63
註 1
註 1：照日本 JAFET 之消臭性能評價試驗方法:將 10x10 ㎝2樣品，置入含有 3L-100ppm 初始濃度氣體之 5L-Tedlar 袋中，再 以檢之管測定濃度變化
註 2：消臭率(%)=(空白試樣的殘留濃度)/空白試樣的殘留濃度 x100%
