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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:蕭沛宸
研究生(外文):HSIAO, PEI-CHEN
論文名稱:功能性保健護具之製備技術及其設計應用與特性評估
論文名稱(外文):Research on Manufacturing Technique of Functional Protective Gear and Its Design Application and Property Evaluation
指導教授:林青玫林青玫引用關係
指導教授(外文):LIN, CHIN-MEI
口試委員:邢文灝呂兆倉林兼民謝建騰林青玫
口試委員(外文):HSING, WEN-HAOLU, CHAO-TSANGLIN, JIAN-MINHSIEH, CHIEH-TENGLIN, CHIN-MEI
口試日期:2021-01-25
學位類別:博士
校院名稱:亞洲大學
系所名稱:數位媒體設計學系
學門:設計學門
學類:視覺傳達設計學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2021
畢業學年度:109
語文別:中文
論文頁數:129
中文關鍵詞:功能性複合包繞紗複合針織物護具產品設計
外文關鍵詞:Functionalcomposite yarncomposite knitted fabricdesigned protective gear product
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科技蓬勃發展為人們的生活帶來極大的便利性,但許多研究指出在使用電子通訊設備過程中,所產生的電磁波會危害生物體健康,因此為降低電磁波對人體的危害,本研究利用不鏽鋼絲(芯紗)與竹炭尼龍紗(包繞紗)運用電子包紗機,進行複合包繞紗上下(S、Z撚向)包繞加工,製成不鏽鋼/竹炭尼龍複合包繞紗,再將不鏽鋼/竹炭尼龍複合包繞紗(包繞紗),加入彈性絲(芯紗),運用轉筒式加撚包繞機進行第二次包繞加工處理,製成複合雙層結構的彈性包繞紗。將此雙層結構的彈性包繞紗,再增加竹炭尼龍紗做為面紗,結合吸濕排汗紗、氧化鋅抗菌紗與彈性紗做為底紗,利用全電腦自動縫合提花織襪機(緯編織機),製備複合電磁屏蔽/保溫/吸濕排汗/抗菌彈性針織物,接續進行複合針織物之機械性質與物性評估,測試包含最大斷裂強度與伸率、彈性回復率、剛軟性、電磁屏蔽效益、遠紅外線放射率、負離子含量、吸濕性能及抗菌性測試,最後求出最佳化複合功能性針織物,使具有多種功能性與永久抗電磁波之防護功能,並進行功能性保健護具設計應用。
本研究分為三階段進行,第一階段為複合包繞紗的製備,第二階段為複合針織物的製備,最後第三階段是複合針織物於護具的設計應用,綜合前兩階段結果顯示複合針織物之最大斷裂強度可達453.45 cN,最佳伸率為539.614 %,電磁屏蔽效益可達38.3 dB值。變化包繞數15 turns/cm之複合織物有最佳的透氣度數值,遠紅外線放射率效果均達0.8 ɛ以上,電磁屏蔽效益在織物經圈方向低頻區段278 MHz時可達49.19的dB值,屏蔽率達到99.99 %。均達到民生用途之20 dB以上的屏蔽效益數值。遠紅外線放射率在變化包繞數12 turns/cm的時候有較佳的放射率為0.84 ɛ,包繞數在12 turns/cm的織物有最佳的負離子含量為516 counts/cm3。
由上述研究結果得知,在改變包繞數12 turns/cm 可達到平均最佳的數值,故第三階段護具設計應用,在針織物組織設計部分,再利用最佳之複合包繞紗參數,進行變化織紋組織設計,分別為平紋、網紋1*1及網紋2*2的複合變化組織複合針織物織造與測試比較。
第三階段護具設計應用之變化組織測試結果顯示,平紋組織有最佳的負離子含量488 counts/cm3最佳彈性回復率81.56 %、76.16 %數值、經圈與緯圈方向時,均有最佳強力分別是453.45 cN強力與343.69 cN強力數值,及最佳伸率分別是539.61 % 伸率與555.23 % 伸率數值。網紋組織1*1有最佳的遠紅外線放測率0.86 ɛ,單層電磁屏蔽經圈方向最高達到57.35 dB值,雙層經圈方向最高到達44.13 dB值。網紋組織2*2有最佳透氣度10.11 cm3/s/cm2數值,彈性回復率在經圈方向有76.96 %的數值,單層電磁屏蔽緯圈方向最高達到41.59 dB值,雙層45゚/0゚最高達到45.16 dB值,雙層90゚/0゚最高達到32.98 dB值。
本研究在設計防護產品之防護腰帶及防護托腹帶兩種腰部防護用品,依照最佳測試數據之複合針織物 (平紋、網紋1*1、網紋2*2),進行護腰帶、托腹帶設計應用與製作,最後設計研發完成具電磁屏蔽/保溫/吸濕/抗菌/彈性時尚防護腰帶及托腹帶產品,使用時可達到兼具設計與多重防護及功能性的保健護具。

With the development of technology, the electronic communication equipment brings a lot of convenience to human life nowadays. However, electromagnetic waves have been proven that they may be harmful to human health in many studies; therefore, the electromagnetic shielding and electrostatic protection are necessary. The purpose of this study is to reduce the harm of electromagnetic waves to humans. First, stainless steel wires are used as the core and are wrapped in bamboo charcoal yarns along the S- and Z-direction with different wrapping counts via an electrical covering machine, thereby forming stainless steel (S)/bamboo charcoal (B) wrapped yarns. The wrapped yarns are then examined for tensile strength and elongation to obtain the optimal parameters. Next, S/B wrapped yarns (the wrap material) and spandex fibers (the core) are twisted at different twisting counts and twisting speeds into bi-layered elastic wrapped yarns via a rotor twister. Last, the bi-layered elastic wrapped yarns and bamboo charcoal yarns serve as the face yarns, while antibacterial yarns, cross-section wicking yarns, and spandex fibers are used as the ground yarns. A computer jacquard hose machine is used to form these materials into elastic, functional complex weft knits. The influences of wrapping counts on the mechanical and physical properties of the knits are tested in order to make the functional complex knits. The tests include maximum tensile strength elongation, elastic recovery, rigid flex, electromagnetic shielding effectiveness, far-infrared emissivity, negative ion content, moisture absorption and antibacterial properties. Finally, an optimized composite functional knitted fabric is found to have multiple functions and permanent electromagnetic wave protection functions, and the design and application of functional health care equipment are carried out.
This research is divided into three stages. The first stage is the preparation of composite wrapping yarn; the second stage is the preparation of composite knitted fabrics; the third stage is the design and application of composite knitted fabrics in protective gear. Summing up the first two stages, the results show that the maximum tensile strength elongation of the composite knitted fabric can reach 453.45 cN; the best elongation is 539.614 %, and the electromagnetic shielding effectiveness can reach 38.3 dB. The composite fabric with 15 turns/cm of wrap number has the best air permeability value. The far-infrared emissivity effect is above 0.8 ɛ. The electromagnetic shielding effectiveness can reach a dB value of 49.19 in the low frequency section of the fabric wale direction at 278 MHz, and the shielding rate can reach 99.99 %. Both reach the electromagnetic shielding effectiveness value of more than 20 dB, which is qualified to be used as standard commodities. When the wrapping number is changed to 12 turns/cm, the far- infrared radiation rate has better emissivity, which is 0.84 ɛ. And the fabric with the wrapping number of 12 turns/cm has the best negative ion content of 516 counts/cm3.
According to the above research results, the average best value can be achieved at the changing wrap number of 12 turns/cm. Therefore, in the third stage of the design and application of the protective gear, in the knitted fabric structure design part, the best composite wrapping yarn parameters are used to compare and test the weaving of the complex changing structure of composite knitted fabrics, which are respectively the plain weave, the net weave 1*1 and net weave 2*2 .
In the third stage, the test results of the changing structure of protective gear application and design show that plain weave has the best negative ion 488 counts/cm3; and the best elastic recovery rate is 81.56 %, 76.16 %. Its best strengths in the wale and course directions are 453.45 cN strength and 343.69 cN strength values, and the best elongation is 539.61 % elongation rate and 555.23 % elongation value. The net weave structure 1*1 has the best far-infrared emission rate of 0.86 ɛ. Its single-layer electromagnetic shield in the wale direction can reach the highest value of 57.35 dB, and the double-layer electromagnetic shield in the wale direction can reach the highest value of 44.13 dB. The net weave structure 2*2 has the best air permeability value of 10.11 cm3/s/cm2; the elastic recovery rate has a value of 76.96 % in the wale direction. Its single-layer electromagnetic shield is up to 41.59 dB in the course direction, and the double layer of 45゚/0゚ reaches the maximum value of 45.16 dB, and the double layer of 90゚/0゚ reaches the maximum value of 32.98 dB.
This research focuses on designing two kinds of waist protection products: protective belt and protective abdominal support belt. Based on the best test data of the composite knitted fabric (plain weave, net weave 1*1, net weave 2*2), the application and production of waist protection belt and abdominal support belt are proceeded. Finally, the research and development for designed fashionable protective belts and abdominal support belts with electromagnetic shield/heat preservation/moisture absorption/antibacterial/elastic are completed; the health protection gear can achieve both design and multiple protection and functional when used.

目錄
誌 謝 I
摘  要 II
ABSTRACT IV
第一章 緒論 1
1.1 研究背景與意義 1
1.1.1功能性護具之發展 2
1.1.2護具之功能與種類 3
1.1.3生物體之電磁效應 3
1.1.4不鏽鋼纖維 8
1.1.5竹炭纖維 9
1.1.6尼龍纖維 11
1.1.7吸濕排汗纖維 11
1.1.8氧化鋅抗菌纖維 12
1.1.9彈性纖維 12
1.2 文獻回顧 13
1.3 相關專利[85-86] 20
1.4 研究動機 27
1.5 研究目的 28
第二章 研究原理 30
2.1 包繞機構方法與原理 30
2.1.1電子包紗機 30
2.1.2轉筒式加撚包繞機 32
2.1.3包繞數之計算公式 33
2.2 針織物概述及織造原理 33
2.2.1緯編針織物 33
2.3 電磁波干擾與屏蔽原理 35
2.3.1電磁波干擾理論 35
2.3.2電磁波屏蔽原理 36
2.4 遠紅外線放射原理與作用 38
2.5 吸濕排汗原理 39
2.6 鋅離子抗菌原理 39
2.7 服裝人因工程 40
2.8 專有名詞解釋 43
第三章 研究方法 45
3.1 研究流程說明 45
3.2.1不鏽鋼/竹炭包繞紗之製備流程 45
3.2.2不鏽鋼/竹炭彈性包繞紗之製備流程 47
3.2.3不鏽鋼/竹炭/吸濕排汗/抗菌彈性針織物製備流程 49
3.2.4不鏽鋼/竹炭/吸濕排汗/抗菌彈性護具之製備流程 51
3.2 實驗材料 53
3.3 實驗參數 53
3.4 實驗中樣品之代號命名 54
3.5 實驗器材與設備 55
3.6 測試項目、方法與標準 56
3.6.1紗線強伸度測試 56
3.6.2針織物斷裂強伸度測試 56
3.6.3針織物彈性回復率測試 56
3.6.4電磁屏蔽測試 57
3.6.5遠紅外線放射率測試 58
3.6.6負離子含量測試 58
3.6.7透氣度測試 58
3.6.8厚度測試 59
3.6.9吸水性能測試 59
3.6.10抗菌測試(定性測試) 59
3.7 功能性保健護具之創新設計應用 60
第四章 結果與討論 62
4.1 複合功能性包繞紗與針織物於變化撚數下之特性評估 62
4.1.1不鏽鋼/竹炭包繞紗變化撚數對斷裂伸率之影響 62
4.1.2不鏽鋼/竹炭包繞紗變化撚數對斷裂強度之影響 63
4.1.3不鏽鋼/竹炭尼龍/彈性雙層包繞紗之變化撚數對斷裂伸率之影響 64
4.1.4不鏽鋼/竹炭尼龍/彈性雙層包繞紗之變化撚數對斷裂強度之影響 65
4.1.5 不鏽鋼/竹炭尼龍/彈性雙層包繞紗之變化撚數對複合彈性包繞紗之斷裂伸率影響 67
4.1.6 不鏽鋼/竹炭尼龍/彈性雙層包繞紗之變化撚數對複合彈性包繞紗之斷裂強度影響 68
4.1.7複合電磁屏蔽/保溫/吸濕排汗/抗菌彈性針織物在變化撚數對斷裂伸率之影響 70
4.1.8複合電磁屏蔽/保溫/吸濕排汗/抗菌彈性針織物之變化撚數對斷裂強力之影響 71
4.1.9複合電磁屏蔽/保溫/吸濕排汗/抗菌彈性針織物在變化撚數下對彈性回復率之影響 72
4.1.10複合電磁屏蔽/保溫/吸濕排汗/抗菌彈性針織物在變化撚數下對透氣度之影響 74
4.1.11複合電磁屏蔽/保溫/吸濕排汗/抗菌彈性針織物在變化撚數下對遠紅外線放射率之影響 75
4.1.12複合電磁屏蔽/保溫/吸濕排汗/抗菌彈性針織物在變化撚數下對負離子含量之影響 76
4.1.13複合電磁屏蔽/保溫/吸濕排汗/抗菌彈性針織物在變化撚數下對吸水性能之影響 77
4.1.14複合電磁屏蔽/保溫/吸濕排汗/抗菌彈性針織物在變化撚數下對抗菌效果之影響 78
4.1.15複合電磁屏蔽/保溫/吸濕排汗/抗菌彈性針織物在變化撚數下對厚度之影響 80
4.1.16複合電磁屏蔽/保溫/吸濕排汗/抗菌彈性針織物在變化撚數下之經圈方向對電磁屏蔽之影響 81
4.1.17複合電磁屏蔽/保溫/吸濕排汗/抗菌彈性針織物在變化撚數下之緯圈方向對電磁屏蔽之影響 82
4.1.18複合電磁屏蔽/保溫/吸濕排汗/抗菌彈性針織物在變化撚數下之雙層經圈方向對電磁屏蔽效益之影響 83
4.1.19複合電磁屏蔽/保溫/吸濕排汗/抗菌彈性針織物在變化撚數下之雙層緯圈方向對電磁屏蔽效益之影響 84
4.1.20 複合電磁屏蔽/保溫/吸濕排汗/抗菌彈性針織物在變化撚數下雙層45゚/0゚對電磁屏蔽效益之影響 85
4.1.21 複合電磁屏蔽/保溫/吸濕排汗/抗菌彈性針織物在變化撚數下雙層90゚/0゚對電磁屏蔽效益之影響 86
4.2功能性護具與設計應用 88
4.3複合針織物的織紋組織設計 90
4.3.1變化織紋組織對複合功能性針織物最大斷裂強度之影響 92
4.3.2變化織紋組織對複合功能性針織物最大斷裂伸率之影響 93
4.3.3變化織紋組織對複合針織物彈性回復率之影響 94
4.3.4變化織紋組織對複合針織物負離子濃度之影響 95
4.3.5變化織紋組織對複合針織物其遠紅外線之影響 96
4.3.6變化織紋組織對複合針織物其透氣度之影響 97
4.3.7變化織紋組織對複合針織物其抗菌性之影響 98
4.3.8變化織紋組織對複合功能性針織物經圈方向電磁屏蔽效益之影響 99
4.3.9變化織紋組織對複合功能性針織物緯圈方向電磁屏蔽效益之影響 100
4.3.10變化織紋組織疊層經圈方向0゚/0゚對複合功能性針織物其電磁屏蔽效益之影響 101
4.3.11 變化織紋組織疊層緯圈方向0゚/0゚對複合功能性針織物其電磁屏蔽效益之影響 102
4.3.12 變化織紋組織變化疊層45゚/0゚對複合功能性針織物其電磁屏蔽效益之影響 103
4.3.13 變化織紋組織疊層90゚/0゚對複合功能性針織物其電磁屏蔽效益之影響 104
4.4 功能性護具色彩應用 106
4.5 功能性護腰帶設計與構成 107
4.6 功能性托腹帶設計與構成 109
第五章 結論 112
第六章 建議 116
參考文獻 117

表目錄
表1.1 電磁輻射場的分類與來源[16] 6
表1.2 一般生活電器產生之電磁波頻率範圍[22-23] 7
表1.3 東和紡織抗菌消臭紗(氧化鋅系列)測試結果報告[42] 12
表2.1 dB值與屏蔽率對照表[95] 37
表4.1 複合彈性針織物之基本特性 69
表4.2 市面上的護腰帶、托腹帶產品自行整理列表[115-122] 89
表4.3 變化織紋組織複合針織物之基本特性 91
表4.4 變化組織複合針織物之抗菌性測試結果表面觀察圖 99
表4.5 複合功能性針織物之變化組織表面觀察圖 106

圖目錄
圖1.1竹炭縱斷面放大750倍孔隙圖[34] 10
圖2.1不鏽鋼/竹炭尼龍複合包繞紗示意圖 30
圖2.2 電子包紗機包繞加工示意圖 31
圖2.3 轉筒式撚線機包繞加工示意圖[87] 32
圖2.4 複合不鏽鋼/竹炭尼龍/彈性包繞紗示意圖 33
圖2.5 緯編織物示意圖[88] 34
圖2.6 針織織造吃針動作[89] 34
圖2.7 電磁波行進方向示意圖[93] 35
圖2.8 電磁波的反射與吸收之屏蔽效應 36
圖2.9 遠紅外線示意圖 38
圖2.10 人體骨骼測量基準點[111] 41
圖2.11 人體的運動範圍[110] 42
圖2.12 新文化式原型[113-114] 42
圖3.1 不鏽鋼/竹炭包繞紗之製備流程圖 45
圖3.2 不鏽鋼/竹炭彈性包繞紗之製備流程 47
圖3.3 不鏽鋼/竹炭/吸濕排汗/抗菌彈性針織物之製備流程圖 49
圖3.4 不鏽鋼/竹炭/吸濕排汗/抗菌彈性護具之製備流程圖 51
圖3.5 電磁屏蔽測試夾具示意圖 57
圖3.6 電磁波屏蔽效益測試樣本 57
圖3.7 遠場平面波電磁屏蔽效益測試系統 58
圖3.8 抗菌定性測試 59
圖4.1 不鏽鋼/竹炭尼龍包繞紗之包繞數對最大斷裂伸率的影響 62
圖4.2 不鏽鋼/竹炭尼龍包繞紗之之包繞數對最大斷裂強度的影響 63
圖4.3 不鏽鋼/竹炭尼龍/彈性雙層包繞紗之包繞數對最大斷裂伸率的影響 64
圖4.4 不鏽鋼/竹炭尼龍/彈性雙層包繞紗之包繞數對最大斷裂強度的影響 65
圖4.5 不鏽鋼/竹炭尼龍/彈性雙層包繞紗之包繞數對最大斷裂伸率的影響 67
圖4.6 不鏽鋼/竹炭尼龍/彈性雙層包繞紗之包繞數對最大斷裂強度的影響 68
圖4.7 不鏽鋼/竹炭尼龍/彈性/吸濕/抗菌複合針織物之包繞數對最大斷裂伸率的影響…………………………………………………………………………………..70
圖4.8 不鏽鋼/竹炭尼龍/彈性/吸濕/抗菌複合針織物之包繞數對最大斷裂強度的影響…………………………………………………………………………………..71
圖4.9 不鏽鋼/竹炭尼龍/彈性/吸濕/抗菌複合針織物之包繞數對彈性回復率的影響……………………………………………………………………………………..72
圖4.10 不鏽鋼/竹炭尼龍/彈性/吸濕/抗菌複合針織物之包繞數對透氣度的影響 74
圖4.11 不鏽鋼/竹炭尼龍/彈性/吸濕/抗菌複合針織物對遠紅外線放射率的影響 75
圖4.12 不鏽鋼/竹炭尼龍/彈性/吸濕/抗菌複合針織物對負離子含量率的影響 76
圖4.13 不鏽鋼/竹炭尼龍/彈性/吸濕/抗菌複合針織物對吸水性能的影響 77
圖4.14 不鏽鋼/竹炭尼龍/彈性/吸濕/抗菌複合針織物對金黃色葡萄球菌定性試驗的影響………………………………………………………………………………..78
圖4.15 不鏽鋼/竹炭尼龍/彈性/吸濕/抗菌複合針織物對厚度的影響 80
圖4.16 不鏽鋼/竹炭尼龍/彈性/吸濕/抗菌複合針織物經圈方向之包繞數對電磁屏蔽的影響 81
圖4.17 不鏽鋼/竹炭尼龍/彈性/吸濕/抗菌複合針織物緯圈方向之包繞數對電磁屏蔽的影響 82
圖4.18 不鏽鋼/竹炭尼龍/彈性/吸濕/抗菌複合針織物在包繞數下之雙層經圈方向對電磁屏蔽效益的影響 83
圖4.19 不鏽鋼/竹炭尼龍/彈性/吸濕/抗菌複合針織物在包繞數下之雙層緯圈方向對電磁屏蔽效益的影響 84
圖4.20 不鏽鋼/竹炭尼龍/彈性/吸濕/抗菌複合針織物在包繞數下之雙層45゚/0゚對電磁屏蔽效益的影響 85
圖4.21不鏽鋼/竹炭尼龍/彈性/吸濕/抗菌複合針織物在包繞數下之雙層90゚/0゚對電磁屏蔽效益的影響 86
圖4.22 複合針織物組織表面觀察圖(STEREOMICROSCOPIC IMAGES)(放大倍率:6X)-正面:(A) SB11/P1-CKF (B) SB11/P2-CKF (C) SB12/P1-CKF (D) SB12/P2-CKF (E) SB13/P1-CKF (F) SB13/P2-CKF 87
圖4.23 針織物組織示意圖(A) 網紋組織1*1 (B)網紋組織2*2 90
圖4.24 複合功能性針織物之變化組織對最大斷裂強度的影響 92
圖4.25 複合功能性針織物之變化組織對最大斷伸率的影響 93
圖4.26 複合功能性針織物之變化組織對彈性回復率的影響 94
圖4.27 複合功能性針織物之變化組織對負離子濃度的影響 95
圖4.28 複合功能性針織物之變化組織對遠紅外線放射率的影響 96
圖4.29 複合功能性針織物之變化組織對透氣度的影響 97
圖4.30 複合功能性針織物之變化組織對抗菌性(定性)的影響 98
圖4.31 複合功能性針織物經圈方向變化組織對電磁屏蔽效益的影響 99
圖4.32 複合功能性針織物緯圈方向變化組織對電磁屏蔽效益的影響 100
圖4.33 複合功能性針織物經圈方向變化組織其疊層0゚/0゚對電磁屏蔽效益的影響……………………………………………………………………………………101
圖4.34 複合功能性針織物緯圈方向變化組織其疊層0゚/0゚對電磁屏蔽效益的影響……………………………………………………………………………………102
圖4.35 複合功能性針織物之變化組織其疊層45゚/0゚對電磁屏蔽效益的影響 103
圖4.36 複合功能性針織物之變化組織其疊層90゚/0゚對電磁屏蔽效益的影響 104
圖4.37 護腰帶機械圖之側面與正面圖 108
圖4.38 功能性護腰帶-正面成品圖 109
圖4.39 功能性護腰帶-側面成品圖 109
圖4.40 托腹帶機械圖之側面與正面圖 111
圖4.41 實際穿著功能性托腹帶-正面成品圖 111
圖4.42 實際穿著功能性托腹帶-側面成品圖 111




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