智慧紡織中心

智慧紡織中心

智紡中心陳錦文博士研究員、分子系芮祥鵬教授

於107年3月在科技部高教深耕計畫之支持下，將原塗佈製程及塗佈材料研發中心，轉型為智慧紡織科技研發中心(以下稱智紡中心)，以智慧紡織科技為標的進行相關技術及產品的深度研發並協助台灣紡織業爭取未來近千億台幣的新市場為主要目標。智紡中心研究主軸包含:

智慧高分子材料研發(有機材料領域 50%)：含括
(1) 低溫熱可塑3-D織物複材:透氣且可多次使用護具(取代傳統石膏及鐵衣)

(2) 撥水耐洗染顏料

(3) 超臨界尼龍發泡

(4) 溫感型透氣調控紡織品(冬暖夏涼)。

軟性電子/織品複合布研發(電子領域 25%)：含括
於一般紡織物上，以表面貼合方式，與印刷好導電漿料線路之高分子複合膜結合，可將常用電子元件或感測器之功能再結合於印刷電子線路複合膜。
一般工業製程或成衣裁片時最佳選擇之人工智慧(AI)軟硬體開發。
智慧紡織品專門之貼合及塗佈等製造工藝研發(化工機械領域 25%)：藉由塗佈中心所建置及研發完成技術，對上述產品所需各種塗佈技藝做深入研究。包括
(1) 印刷塗佈(導電線線寬0.4 mm)；

(2) 浸潤塗佈(形狀記憶功能製作)；

(3) 點膠轉移塗佈(軟性電子/紡織品複合布之貼合)；

(4) 順向差速轉移塗佈(織物吸汗透氣功能強化)。

智紡中心開發之技術及智慧紡織新產品

圖一、智紡中心開發之技術及智慧紡織新產品

技術開發面向
以下對於智紡中心已開發的五項技術做簡單說明。
開發生質及不飽和聚酯系低溫熱可塑聚酯材料，利用共聚合改質技術研製本質型低熔點材料 (Tm=20-90℃)，利用塗佈技術應用於3D聚酯織物形成熱可塑形複合材料，而利用低熔點材料開發之紡織品，具有以下特點：1. 熔點範圍可調控性﹔2. 機械性質可以使用者需求進行調控﹔3. 材料高於熔點時屬於固-固相變化行為﹔4.無需溶劑加工處理素材，材料可以回收，並減少資源浪費﹔5.產品輕量化﹔6.避免微纖維脫落，造成環境汙染。其關鍵技術突破點為: 1. 聚酯共聚物配方設計及聚合的能力﹔2.控制交聯程度，會影響其材料機械性質﹔3.聚酯共聚物的配方比例會影響材料硬化時間與模數問題。最終目的在合成低熔點聚酯結合3D立體網布，開發醫療輔具取代石膏。此外，因材料熔點接近人體體溫，故可以延伸應用於相變化纖維。研究團隊經由塗佈低熔點聚酯於3D織物上，能夠有效地用較低的溫度進行材料塑形，能夠有效應用於複合材料。能夠有效精準掌握材料熔點範圍以及機械強度的調控技術，進而掌握固化時間及結晶形態轉變，以達到開發醫療輔具應用為目的。

圖二、低溫熱可塑3D織物複材指標

智紡中心開發具有耐洗、耐搓揉、耐刮磨、手感佳、疏水親水雙性及自我修復特性的織物與塑膠材料，其具有黏度低，流動性好，塗佈後，進行後交聯反應，達到高黏度，高強力的塗佈層。透過 N-異丙基丙烯醯胺 (NIPAM) 或DMAPS與甲基丙烯酸糠酯 (FMA) 或甲基丙烯酸羥乙酯 (HEMA) 合成得到具有LCST或UCST特性的溫敏型自我修復型共聚合物。此外，利用PDMS、MDI、TFB合成得到透明自我修復薄膜。織物經具有LCST溫敏型共聚物塗佈後，再經過溶劑與水的清洗，計算其耐洗率可達80 % 以上，其利用Diels-Alder反應進行共聚物的環套，利用其具有LCST溫敏型的特性來控制織物孔洞型狀的變化，控制溫度範圍介於10到50 oC之間。目前已開發具有自我修復的能力、耐洗、耐搓揉織布應用的高分子塗料，其特點為塗佈時具有黏度低、流動性好，及自我修復螢光水凝與透明型薄膜，具有表面或內部發生缺陷傷口時，有自我修復的能力，未來將持續開發用其它可逆反應系統的官能基並應用於智慧紡織品。

LCST溫敏型共聚物環套置物示意圖及SEM圖。

圖三、LCST溫敏型共聚物環套置物示意圖及SEM圖。

近年來在環保意識抬頭以及循環經濟的的概念逐步落實的情況下，鞋類的回收成為了一門非常重要的議題。然而鞋類在製造上為了追求舒適與造型，往往在材料的選擇上使用了不同種類的材料，特別是鞋面的纖維材料以及鞋底的發泡材料上有極大的差異，因而導致回收時需要進行額外的拆解程序而無法有效達成全鞋回收的目標，因此若能利用常用的鞋面材料進行發泡製程來製做成鞋底的部分，將對全鞋回收的實行上有莫大的助益。因此，本實驗研究開發新穎性聚醯胺共聚物，具有低熔點易於發泡以及良好的發泡成型穩定性之特性，可用於二氧化碳超臨界流體的發泡製程上，形成優異的發泡成形體，有效的克服傳統尼龍材料不易發泡的劣勢，這是在尼龍材料相關應用領域上的一重大突破。目前已經成功開發出新穎性聚醯胺共聚物，可藉由配方比例的調控得到一系列具有不同熱性質的樣品，並且可進一步透過二氧化碳超臨界流體發泡得到優異的發泡成形體，有效的克服傳統尼龍材料因為結晶度過高，對二氧化碳的傳導率低、溶解度差以及熔體強度不足等不利於超臨界流體發泡之因素，並且相較於市售尼龍彈性體PEBAX3533®之發泡成形體，有著發泡倍率佳以及不易塌陷等優勢，因此極具發展潛力。在未來規劃部分，我們將著重在合成配比以及發泡製程條件的優化，透過系統性的實驗設計，開發出兼具良好發泡特性及優異機械性質之發泡成形體，朝新穎性鞋材的開發方向持續精進。

LPA系列不同比例樣品之SEM結果

圖四、LPA系列不同比例樣品之SEM結果

研究團隊以包埋型顏料塗佈於織物上，並使織物在耐水洗的色牢度提升。此包埋型顏料的尺寸奈米化，使顏料能更均勻塗佈於織物表面，提高塗佈覆蓋效率，減少塗料的使用量。另外，包埋型顏料因包覆高分子材料於顏料周圍，透過此高分子使織物纖維與顏料之間有更佳的附著能力，進而提高耐牢度。目前已成功合成出目標設定的包埋型顏料，且顏料粒徑尺寸約100 nm，使用包埋顏料塗佈於織物上的耐洗率優於非包埋型的，且耐洗率優於 50 % 以上。下階段將包埋型顏料製程優化，且配製成數位印花所應用的墨水，即開發數位印花包埋型顏料墨水配方。

水相顏料分散液研磨前、後結果示意圖

圖五、水相顏料分散液研磨前、後結果示意圖

近十年來，穿戴式科技發展日新月異，提供更便捷的資訊服務，如健康指數及生活事務記錄，創造新的市場。然而，受限於導電技術與控制模組，過去智慧紡織模組用外接可拆卸方式為主，且電線與控制裝置佔用較大空間，讓穿戴式服飾應用在生活面仍有許多挑戰。傳統網印技術以X、Y平面與曲面為主，基材(聚醯亞胺Polyamide) Z軸為固定，而我們智慧紡織中心開發之柔性電路印刷技術，採用柔性基材(高尺寸安定性柔性織物)，除X、Y平面與曲面外，也可為對應Z軸有變因時之創新技術(圖五)。此技術可搭配藍芽物聯網(IOT)領域在智慧穿戴即時顯示警示及智慧穿戴生理感測之未來應用(圖六)。此技術在2019年12月榮獲未來科技展前瞻技術獎(圖七)。

創新性柔性電路印刷技術

圖六、創新性柔性電路印刷技術

未來應用意境圖

圖七、未來應用意境圖

得獎畫面

圖八、得獎畫面

產學合作開發面向
智紡中心從榮獲經濟部、科技部及教育部等補助計畫，整合近8年之學術研發成果，目前積極橫跨AI電子領域，將紡織結合異業開發新功能或新智慧布料的工作，由於持續的研發及開創嶄新的技術，因此吸引產業界或法人單位紛紛投入產學合作，部分公司更是成為長期合作的夥伴，如台化、富喬、南亞、中石化、永光、旭寬、台灣科德寶寶翎、固品塑膠、立大化工、三芳化學、工研院、紡綜所等公司。中心除了與國內外廠商進行產學計畫合作交流外，不定期舉辦一場業界講座及討論會，廣邀各界專家或學術單位之學者進行資訊交流，提供業界廠商媒合與技術合作機會，促進中心產、學界之永續發展。此外，智紡中心對於國內外的產學計畫，以中心現有研發技術為基礎，開拓更深入與更創新的技術以獲得業界的青睞，進而發展合作關係，藉由與各公司的產學合作，從中培育相關領域的人才，參與計畫的學生於畢業後，可無縫接軌產業界。

國際合作開發面向
智紡研究中心除了產學合作外，亦積極爭取與國際合作的機會，107年度有幸與美國PolyCore, LLC合作開發水性PU樹脂應用、英國投資之FORMOSA BP CHEMICALS CORPORATION進行透過AI學習模式分析合作計畫，並分別與澳洲Centre for Nanotechnology and Smart Materials 代表Mr. Braz Costas，及葡萄牙Center for Nanotechnology and Smart 代表Dr. Joselito Razal簽訂MOU以示合作誠意，未來將詳談合作內容(圖9)。

圖九、研究中心分別與澳洲Centre for Nanotechnology and Smart Materials(左下)、葡萄牙Center for Nanotechnology and Smart(右下)代表簽訂MOU以示雙方合作誠意。

將持續與美國PolyCore, LLC合作開發關於水性PU樹脂應用於耐磨織物上之塗層配方及製程，以及協助對方進行一系列樣品的打樣與檢測，未來將協助產線參數調整，有助於產品商品化。研究中心團隊不定期邀請國外學術單位來台，或中心計畫成員出國參與學術、技術等交流。研究中心計畫主持人芮祥鵬教授於108年9月上旬親自至美國拜訪標竿中心U MASS - LOWELL之ACMTRL (Advanced Composite Materials and Textile Research Laboratory)參訪，ACMTRL如同智紡中心一般，擁有全套高分子物性檢測設備，參觀雙螺桿壓出設備及模具製作，現場進行討論與交流(如圖10)，未來將有機會邀請該中心新聘之助理教授Jay Park團隊的博士後同仁，赴智紡中心交換研究3個月以上，深化智紡中心與國際研發團隊的技術交流與接軌。

標竿中心U MASS - LOWELL之ACMTRL參訪交流

圖十、標竿中心U MASS - LOWELL之ACMTRL參訪交流

除了參訪標竿中心ACMTRL之外，U Mass Lowell 近兩年在麻州州政府及美國國防部贊助下，於2019年 6月成立了U MASS - LOWELL之FDC (Fabric Discovery Center)，中心內部購置了最先進的針織機、橫邊織機、打樣機、排馬克機，甚至於機械手臂剪裁機等，硬體設備相當先進，智紡中心對於ACMTRL目前研發之螢光纖維布及消防衣水冷散熱服相當感興趣，研商未來合作機會。

研發成果得獎及衍生公司面向
智紡中心研發團隊累積多年研發成果，從塗佈研發中心至現在智慧紡織科技研發中心，有幸獲邀參加科技部舉辦未來科技展覽，並分別於2017年以「單向導濕技術」；2018年以「低溫熱可塑3D立體織織物」，以及今年2019年以「內崁式智慧紡織顯示模組」榮獲科技部頒發未來科技突破獎，中心歷年研究成果備受肯定。此外，研究中心已經於2018年10月成立資本額1.2億元之『台北智慧材料股份有限公司(TSM)』新創公司，今年2019年計畫主持人芮祥鵬特聘教授榮獲科技部頒布「學術創業先鋒」獎項，倍感殊榮及肯定。

圖11 圖11

圖11

圖十一、連續三年(左上)2017年;(右上)2018年;(下圖中間)2019年，以不同先進紡織技術，榮獲科技部未來科技突破獎，獲獎合影

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圖十二、智紡中心計畫主持人芮祥鵬特聘教授獲得科技部榮頒「學術創業先鋒」獎項

本校校辦企業TSM自2019年8月起，已完成量產線，可以實際量產各式厚度之「蜂巢低溫熱可塑板」。行銷方面已有專業團隊在負責，除了板材外，目前亦進一步開發醫用石膏繃帶，及急救或極限運動之固定低溫熱可塑繃帶，與保護繃帶等產品，此為世界首創，較目前3M之反應聚氨酯熱固型繃帶環保且具皮膚友善功效，未來商機樂觀以待。

圖13 圖13

圖十三、台北智慧材料股份有限公司(TSM)龍潭廠量產設備尚未裝機之現場圖

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圖十四、台北智慧材料股份有限公司(TSM)台北辦公室，設於北科大育成基地