竹炭粉末應用於尼龍不織布上噴塗加工及其機 能性之研究
Health care effect of spray method for bamboo charcoal on Nylon non-woven process
顏明賢、洪明樂、林煥鈞 崑山科技大學高分子材料系
摘要
本研究主要以竹炭粉末為材料，分別利用矽烷偶合劑、樹脂 為加工助劑，將竹炭粉末以高壓噴塗的方式使竹炭粉末平均 分散且黏著於尼龍不織布的表面上，進而探討其表面結構、
遠紅外線蓄熱保溫性、負離子及抗菌性等性質。由實驗結果 得知，竹炭粉末經加入矽烷偶合劑加工後可改善其竹炭尼龍 不織布的分散性。在遠紅外線蓄熱保溫性測試方面，經鹵素 燈照射加工前與加工後竹炭尼龍不織布表面溫差分別為 4.52℃與 16.43℃其溫差隨竹炭濃度之增加而有增加的趨勢 且具有遠紅外線的效果。在負離子濃度測試方面，竹炭尼龍 不織布所釋放之負離子濃度會隨竹炭粉末濃度增加而越 佳，但增加幅度不大。在抗菌測試方面，竹炭尼龍不織布之 抑菌值>2.0，其表示有抗菌和殺菌效果。
關鍵字：竹炭粉末、噴塗法、尼龍不織布、遠紅外線蓄熱保 溫、負離子
Abstract
This study deals with health care characteristics includes surface structure, far infrared ray, negative ion and deodorizing finish for Nylon non-woven process using spray method on bamboo charcoal with silane coupler and resin treatment. The dispersion on bamboo charcoal processed Nylon non-woven tends to improve with the silane coupler. Regarding warm keeping ability, the temperature difference on the surface of processed non-woven fabrics after exposed to a halogen lamp was between 4.52~16.43℃, 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 anti-bacteria finish effect which the anti-bacteria finish exhaust restrain bacteria value >2.0 tends to enhance slightly with increase in the concentration of bamboo charcoal.
Key Words：bamboo charcoal powder, spray, Nylon non-woven, far infrared ray keep warm ability, negative ion
一、 前言
近年來有許多報導指出，竹炭具有優異之吸附能力、
調濕性、抗菌性、抗電磁波、除臭性、遠紅外線及負離子效 果等多重功能，近年來已在市場上造成風潮[1]。而目前市 面上也有販售許多竹炭製品，例如竹炭枕頭、竹炭床墊、竹 炭襪與竹炭鞋墊等多種保健用品。
竹炭(Bamboo charcoal)是以四年以上的老竹為材料，以 高溫炭化而成，其炭質的結構非常致密、比重大、孔隙多、
礦物質含量非常豐富。由於竹炭含有非常多的孔隙，因此具 有很強的吸附分解能力，以及抗菌、調節溼度和消除臭味等 功能，對硫化物、氮化物、苯、甲醇等有害化學物質能發揮 吸收、分解異臭和消臭的作用[2-5]。
離子是電子和空氣中的分子碰撞所產生，而科學家將 帶有正電的分子稱為正離子，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[6-7]。
紅外線是一種光線，也是一種電磁波。紅外線之波長比可見 之紅光還長，肉眼是無法看見，但身體能感受它的溫熱效 應。當任何物體溫度，在絕對溫度(攝氐負二七三度)以上，
都會放出紅外線 隨著溫度之高低、物體成份之不同，發出 之紅外線波長也不一樣。而人體之表面溫度大約是攝氐 32 度，所以人體表面一直在發射波長為十幾微米之紅外線[8]。
不織布(Non-woven)又稱為非織物，是指纖維不以傳統 經緯方式，將纖維於同一平面上由四面八方各角度射出交叉 而成，其較於傳統的織布，具有較佳之材料物性，同時其生 產過程，可由原料抽纖到成品一氣呵成，節省了傳統織布、
抽成纖維再編織之過程，生產成本更為低廉[9]。
本研究加工方法採噴塗法，乃使用二流體之噴槍。依 噴頭的噴流特性，可以簡單將噴槍分成兩種，分別是單靠液 壓噴霧的「單流體」及混和液體與氣體的「二流體」兩種。
而噴槍品質的優劣，主要是在穩定的噴流量下，從噴霧角 度、粒子大小、噴霧形狀這三項因子來評估，一般以噴嘴噴 量公差與噴角公差不超過±5°以及噴霧粒子的大小，作為評 估的標準。噴槍出氣的穩定度影響了噴霧的濃淡分佈品質 [10-11]。
有鑑於此，本研究以噴塗法竹將炭粉末粘著於尼龍不 織布上，嘗試用矽烷偶合劑苯基三乙氧矽烷(PTES)對竹炭粉 末進行加工來改善粘著性。進而提升尼龍不織布的機能性，
藉以探討加工不織布之物性及遠紅外線、負離子及抗菌等性 能，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.竹炭粉末：(景天科技，粒徑大小：小於 80μm)。 2.Nylon 熱熔不織布：(基重 150g/m²)。
3.聚丙烯酸甲脂樹脂：(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.磨擦強度試驗機 (Shimadzu)。
3.拉伸強度試驗機 (Alphaten 400)。
4.掃描式電子顯微鏡 (SEM，Jeol 5610)。
5.紅外線熱像測溫儀 (Thermovision)。
6.負離子測試儀 (ITC-201A)。
7.熱焙機。
2-3 實驗方法
2-3-1 竹炭粉末對尼龍不織布進行加工 1.以水和樹脂調和成 20 g/L 的樹脂溶液。
2.將尼龍不織布，浸漬於水性樹脂濃度為 20g/L 之混合 液中，浸處時間為 10 分鐘。
3.再置入熱壓定型機中，以 100℃的溫度至時間 150 秒，
烘烤預先加工布使其稀釋過後之黏著劑先固定其加 工布上。
4.取出後，調製濃度為 30.0g/L 之竹炭和純水混合液置 入噴槍桶內以 S 字型噴塗，將噴塗的量固定為 25ml，
在加工布的正面噴塗完畢，時間設定為 30 秒。
5.噴塗完後直接放置針板上，進行溫度為 100℃，時間 為 150 秒之熱壓定型處理，等待取出後，馬上置收密 封袋中待測。
6.再以 10g/L 的竹炭重複 1、2、3、4、5 步驟。
2-3-2 以 PTES 對竹炭粉末進行加工
將 20 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。
2-3-3 PTES 竹炭粉末對尼龍不織布進行加工 1.以水和樹脂調和成 20 g/L 的樹脂溶液。
2.將尼龍不織布，浸漬於水性樹脂濃度為 20g/L 之混合 液中，浸處時間為 10 分鐘。
3.再置入熱壓定型機中，以 100℃的溫度至時間 150 秒，
烘烤預先加工布使其稀釋過後之黏著劑先固定其加 工布上。
4.取出後，調製濃度為 30.0g/L 之 PTES 竹炭和 40%乙醇 水溶液置入噴槍桶內以 S 字型噴塗，將噴塗的量固定
為 25ml，在加工布的正面噴塗完畢，時間設定為 30 秒。
5.噴塗完後直接放置針板上，進行溫度為 100℃，時間為 150 秒之熱壓定型處理，等待取出後，馬上置收密封 袋中待測。
6.再以 10g/L 的 PTES 竹炭重複 1、2、3、4、5 步驟 2-4 物性測試
將加工後之尼龍不織布，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.磨擦強度：
取 3 ㎝×22 cm 之試片固定於摩擦強度試驗機上，以 2 ㎝×6 cm 試片各方面摩擦，測量試片被破壞時之摩擦次數。
3.抗拉強度：
分別切取經向及緯向試片，試片長度 150 mm，試片寬度 35 mm，使用定速緊張型拉力試驗機，夾距 127 mm、拉 伸速度 30mm/sec。
4.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非織物以掃描式電子 顯微鏡觀察其表面結構。
5.透氣性測試: JIS L1096-1999 8.27.1A 壓力差:125Pa,面 積:38cm²
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 JIS L1902-1998定量法 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 NH3之消臭性能
參照日本 JAFET 之消臭性能評價試驗方法:將 10×10 cm²樣 品，置入含有 3L-100ppm 初始濃度氣體之 5L-Tedlar 袋中，
再以檢知管測定濃度變化
消臭率(%)=(空白試樣的殘留濃度-試樣的殘留濃度)/空白試 樣的殘留濃度×100%
三、結果與討論
3-1 加工尼龍不織布表面結構
竹炭粉末應用於尼龍不織布之加工布，經由電子顯微鏡 觀察期表面結構。由圖一為 SEM 600 倍下未加工的尼龍不 織布之表面結構，發現除了有少許灰塵外可以看出纖維並沒 有別的粘附物。圖二為竹炭濃度 30g/L 的竹炭加工不織布與 圖三為竹炭濃度 30g/L 的 PTES 竹炭加工不織布為 SEM 600 倍的不同竹炭粉末加工尼龍不織布，其纖維與纖維間的灰色 薄膜為樹脂,且竹炭粉末分布黏附於纖維
上，但因尼龍不織布的纖維間縫隙小，經噴塗後顆粒較小的 竹炭粉末被壓進縫隙內，且看出竹炭粉末分佈表面的情形。
3-2 不同竹炭粉末濃度對尼龍不織布柔軟度的影響
將不同濃度之竹炭粉末與 PTES 竹炭加工之尼龍不織 布以柔軟度試驗機進行柔軟度測試，而測出之伸懸長度越 大，其柔軟度就越差；反之則越好。從表 1 結果得知，很明 顯未加工的尼龍不織布比加工後者來的柔軟，原因推知有樹
脂存在，當樹脂填入纖維間的縫隙時會使伸懸長度增加，而 因為在噴塗過程時會將一些竹炭壓入纖維間的縫隙中，而竹 炭本身非常堅硬再加上樹脂使得伸懸長度增加很多，所以柔 軟度為最差。
3-3 不同竹炭粉末濃度對尼龍不織布耐磨擦強度的影響 將不同濃度之竹炭粉末與 PTES 竹炭加工之不織布磨 擦強度試驗機進行耐磨擦強度測試，而耐磨擦強度越高表示 越不容易磨擦受損，磨擦了三千次都沒有多大的影響，從表 2 結果得知，只有竹炭加工不織布有些許竹炭脫落，而矽烷 竹炭加工不織布則較沒有，這是因為竹炭本身並沒有官能基 團，而加入 PTES 後能使竹炭更有效的黏附在樹脂上。
3-4 不同竹炭粉末濃度對尼龍不織布抗拉強度的影響 將不同濃度之竹炭粉末與 PTES 竹炭加工之不織布拉 伸強度試驗機進行拉伸強度測試,拉伸強度越好表示能承受 的拉力越好，從表 3 結果可推知加工後的不織布的抗拉強度 提升了很多，其主要是因為樹脂黏附在纖維間而使抗拉強度 提升，而竹炭似乎對抗拉強度沒有太大的影響，所以四種加 工尼龍不織布的抗拉強度都差不多。
3-5 經 PTES 加工對尼龍不織布遠紅外線蓄熱保溫性的影響 尼龍不織布經 PTES 加工前後之遠紅外線蓄熱保溫性 的比較，從表 4 結果得知，尼龍不織布在用鹵素燈照射前，
尼 龍 不 織 布 表 面 溫 度 為 27.44℃ ， 照 射 後 表 面 溫 度 為 31.96℃，其之間的溫差為 4.52℃，溫差相差並不大表示原 布的蓄熱保溫性不好，而來看竹炭濃度分別為 30g/L 與 10g/L 其測得結果溫差為 12.54℃與 12.39℃，這也證明竹炭 可增加蓄熱保溫性，且竹炭濃度增加蓄熱保溫性越好。而 PTES 加工不織布的竹炭濃度分別為 30g/L 與 10g/L，其測 得結果溫差為 16.43℃與 12.62℃，很明顯都高於未加 PTES 的竹炭加工尼龍不織布，證明 PTES 有助於蓄熱保溫性的提 升。
3-6 經 PTES 加工對尼龍不織布負離子的影響
尼龍不織布經 PTES 加工前後之負離子濃度的比較，從 表 5 結果得知，其原不織布測得結果平均為 340 Ions /ml，
而來看竹炭濃度分別為 30g/L 與 10g/L 其測
得結果為 586 Ions /ml 與 512 Ions /ml，這也證明竹炭可增加 負離子生產，且竹炭濃度增加負離子產量越多，而 PTES 加 工不織布的竹炭濃度分別為 30g/L 與 10g/L，其測得結果為 547 Ions /ml 與 498 Ions /ml，可推知添加 PTES 的竹炭加工 不織布加工時因竹炭表面被 PTES 所覆蓋，所以產生負離子 濃度不如未添加 PTES 的竹炭加工不織布。
3-7 不同竹炭粉末濃度對尼龍不織布抗菌性能之影響 將不同濃度之竹炭粉末藉由樹脂黏著於尼龍不織布表 面上，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。從表 6 結果得知，未加 PTES 的竹 炭加工尼龍不織布比較好，而 PTES 竹炭加工尼龍不織布較 差，主要因為竹炭之所以會抑制菌種生長是因為竹炭的吸濕 性，它會調節空氣中的水分子，使空氣保持一定的乾燥度來 達到抑菌的效果，而加工時竹炭表面被 PTES 所覆蓋，導致 竹炭吸濕性變差。
3-8 不同竹炭粉末濃度加工對尼龍不織布透氣性的影響 不同濃度之竹炭粉末藉由樹脂黏著於尼龍不織布表面 上，評估其透氣性效果。因實驗使用材料尼龍不織布基重 150g/m²，故其透氣性基本上較為不佳，加工後情況更為不 好，從表 7 可看出來，原布之透氣性為 45.0 c.c/cm²/sec，而 10g/L 的竹炭加工不織布透氣性為 22.8 c.c/cm²/sec，PTES 竹 炭加工不織布透氣性為 20.4 c.c/cm²/sec，證明加工後透氣性 會因為樹脂添加而降低，而 PTES 竹炭加工不織布也會使透 氣性下降。
3.9 不同竹炭粉末濃度加工對尼龍不織布消臭性能的影響 不同濃度之竹炭粉末藉由樹脂黏著於尼龍不織布表面
上，評估對臭氣氨氣體之除臭效果。尼龍本身的吸濕性能就 很好，從表 8 中可看到原尼龍不織布的消臭率就達到 31%，
而竹炭加工不織布的消臭率則最高達到 86%，而 PTES 竹炭 加工不織布的消臭率則最高達到 70%。
四、結論
本文應用竹炭粉末於尼龍不織布進行機能性加工。經由 實驗結果可得到下列結論：
1.未加工尼龍不織布之表面結果呈現光滑整潔的情形，而加 工過之尼龍不織布的表面結構可看出竹炭粉末形成分散 或團聚的現象。
2.經鹵素燈照射加工前與加工後竹炭尼龍不織布表面溫度 溫差分別為 4.52℃與 16.43℃，由此得知竹炭尼龍不織布 具有遠紅外線蓄熱保溫性。
3.利用 PTES 加工對尼龍不織布遠紅外線蓄熱保溫性並不會 有太大的影響。
4.竹炭尼龍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 加工後的竹炭負離 子和抗菌效果會變差。
5.經由加工後之竹炭尼龍不織布之消臭性，會隨著添加竹炭 量之增加而越佳。
6.利用竹炭加工後的尼龍不織布的透氣性，並不會因為添加 竹炭上去而顯著的變差，故應能配合於過濾材等透氣性能 之需求。
參考文獻
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六、圖表
圖一 未加工之尼龍不織布之 SEM 圖(600 倍)
圖二 竹炭 30g/L 之尼龍不織布的 SEM 圖(600 倍)
圖三 PTES 加工竹炭 30g/L 之尼龍不織布的 SEM 圖(600 倍)
表 1：不同竹炭粉末濃度加工對不織布柔軟度的影響 柔軟度(cm) 樹脂
(g/L)
樣品種 類
竹炭粉
末(g/L) MD CD 原布 -- 72.3 81.6 ABN 30 79.5 78.4 ABN 10 66.7 68.4 SBN 30 85.2 88.1 20
SBN 10 80.2 83.7 註：MD 為經向 CD 為緯向 A=聚丙烯酸甲酯樹脂，B=竹炭，
N=尼龍不織布，S=矽烷偶合劑(PTES)
表 3：不同竹炭粉末濃度加工對不織布抗拉強度的影響 樹脂
(g/L)
樣品種 類
竹炭粉 末(g/L)
抗拉強度 ( kgf/mm²)
-- 原布 -- 6.7
ABN 30 11.4 ABN 10 11.6 SBN 30 11.4 20
SBN 10 11.3
註：A=聚丙烯酸甲酯樹脂，B=竹炭，N=尼龍不織布，S=
矽烷偶合劑(PTES) 表 2：不同竹炭粉末濃度加工對不織布耐摩擦的影響
摩擦次數(次) 樹脂(g/L) 樣品種
類
竹炭粉
末(g/L) 1000 次 2000 次 3000 次
原布 原布 -- 無 起毛球 起毛球
ABN 30 竹炭少量脫落 竹炭些許脫落 竹炭大量脫落
ABN 10 無 竹炭少量脫落 竹炭少量脫落
SBN 30 無 竹炭少量脫落 竹炭少量脫落
20
SBN 10 無 無 竹炭少量脫落
註：A=聚丙烯酸甲酯樹脂，B=竹炭，N=尼龍不織布，S=矽烷偶合劑(PTES) 表 4：經 PTES 加工對尼龍不織布遠紅外線蓄熱保溫性的影
響
特定熱源與條件下之表面 溫度(℃) 表溫(℃) 樹脂
(g/L)
樣品種 類
竹炭粉 (g/L)
a* b*
溫度差 (℃) -- 原布 -- 27.44 31.96 4.52 ABN 30 25.16 37.70 12.54 ABN 10 26.34 38.73 12.39 SBN 30 25.57 42.00 16.43 20
SBN 10 25.43 38.05 12.62 註：a*為照射前溫度 b*為照射後溫度 A=聚丙烯酸甲酯樹
脂，B=竹炭，N=尼龍不織布，S=矽烷偶合劑(PTES) 表 5：經 PTES 加工對尼龍不織布負離子的影響
負離子濃度(Ions /ml) 樹脂
(g/L) 樣品種類 竹炭粉
末(g/L) MAX MIN AVG -- 原布 -- 400 232 340
ABN 30 631 541 586 ABN 10 582 496 512 SBN 30 607 515 547 20
SBN 10 552 459 498 註:室溫:22℃,溼度:52% RH, Mobility:1.3
A=聚丙烯酸甲酯樹脂，B=竹炭，N=尼龍不織布，S=矽烷偶 合劑(PTES)
表 6：不同竹炭粉末濃度加工對不織布抑菌性能的影響 檢 測 結 果 樹脂
(g/L)
樣品 種類
竹炭粉末
(g/L) 植菌濃度 Ma Mb MC 抑菌值 殺菌值
-- 白棉布 -- 0.8E+5 1.5E+4 3.9E+6 -- -- -- 原布 -- 0.8E+5 -- -- 4.8E+3 2.9 0.5 ABN 30 0.8E+5 -- -- 9.6E+2 3.6 1.2 20
SBN 30 0.8E+5 -- -- 1.9E+3 3.3 0.9
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 2.4。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: 不同竹炭粉末濃度加工對不織布透氣性的影響
檢 測 項 目 檢 測 方 法
樹脂(g/L) 樣品種類 竹炭粉末
(g/L) 透氣性(c.c/cm²/sec)
-- 原布 -- 45.0
ABN 10 22.8
20 SBN 10 20.4
JIS L1096-1999 8.27.1A 壓力差:125Pa,面積:38cm²
註：A=聚丙烯酸甲酯樹脂，B=竹炭，N=尼龍不織布，S=矽烷偶合劑(PTES)
表 8：不同竹炭粉末濃度加工對不織布消臭性能的影響 對臭氣氨之消臭性能
0hr 24hr
樹脂(g/L) 樣品種類 竹炭粉末 (g/L)
臭氣氨之 初使濃度(ppm)
臭氣氨之 殘留濃度(ppm)
對臭氣氨之 消臭率(%)
-- 空白 -- 100 83 --
-- 原布 -- 100 57 31
ABN 30 100 12 86
ABN 10 100 30 64
SBN 30 100 25 70
20
SBN 10 100 39 53
註：A=聚丙烯酸甲酯樹脂，B=竹炭，N=尼龍不織布，S=矽烷偶合劑(PTES)
