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凯夫拉防弹纤维——“偶然间”的发明拯救数千人生命

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Kevlar凯夫拉——美国杜邦公司研发的一种高强度芳纶纤维2014-11-28 16:57:19来源:评论:0点击:

关于凯夫拉

凯夫拉(Kelvar)是美国杜邦公司用于其芳香聚酰胺纤维(简称“芳纶”)产品上的注册商标,该种纤维于1965年推出,发明者是波兰裔美国女化学家的斯蒂芬妮·克沃勒克(Stephanie Kwolek)。20世纪70年代初,这种高强度的材料被首次用在商业用途上,用于替代赛车轮胎中的部分钢材,后来被用于制造防弹背心。

凯夫拉具有优越的高强度性能,它不会像钢铁一样与氧气和水发生锈蚀,所以,凯夫拉现在被广泛用在多个领域,如船体、飞机、自行车轮胎、军用钢盔、防弹背心等。凯夫拉具有极佳的抗撕拉性能,其强度为同等质量钢铁的5倍,而密度仅为钢铁的五分之一左右(凯芙拉密度为每立方厘米1.44克;钢铁密度为每立方厘米7.859克)。鉴于此,它也被用于制造可以承受高冲击的鼓面。当作为一种编织材料使用时,凯夫拉又可以作为水下系泊缆绳使用或用于其他水下作业。

在20世纪70年代,Akzo发明了一种与凯夫拉相似的名叫Twaron(特威隆)的纤维,两者的化学结构大致相同,此纤维于1986年开始进行商业生产,Teijin(帝人)是Twaron现在的制造商。

历史

聚对苯二甲酰对苯二胺(Poly-paraphenylene Terephthalamide)是凯夫拉品牌的材料原名,凯夫拉是由波兰裔美国女化学家斯蒂芬妮·克沃勒克(Stephanie Kwolek)在杜邦公司工作期间发明的。1964年,她的团队在寻找一种轻量级新型强力纤维用于制作轮胎,当时她一直使用的是聚合物材料,但制作过程中意外地合成了一种独特的质地轻薄的乳状溶液。

凯夫拉发明者:波兰裔美国女化学家斯蒂芬妮·克沃勒克(Stephanie Kwolek)

该溶液“浑浊,搅拌时呈乳白色,粘度低”通常会被扔掉,但Kwolek说服了一位负责运行喷丝头的技术人员Charles Smullen,协助她一起把这种溶液放进了喷丝头中。测试的结果令人惊讶,纤维并没有像尼龙那样断裂。Kwolek的导师和实验室主任意识到这一意外发现的意义和重要性,认识到高分子化学一个新的领域将迅速兴起。到1971年,现代凯夫拉纤维问世。然而,Kwolek并没有参与凯夫拉应用领域的研发。

凯夫拉纤维的特性

1.永久的耐热阻燃性。

2.永久的抗静电性。

3.永久的耐酸碱和有机溶剂的侵蚀。

4.高强度、高耐磨、高抗撕裂性。

5.遇火无熔滴产生,不产生有毒气体。

6.火烧布面时布面增厚,增强密封性,不破裂。

应用领域

凯夫拉凭借多种优良的特性,被广泛应用在多个领域,包括防护领域和音乐领域及其他用途方面:

1.护甲——凯夫拉是个人护甲的重要组成部分,产品有战斗头盔、弹道口罩、防弹背心。

子弹打过的凯夫拉头盔

2.个人防护——凯夫拉被用于生产手套、衣袖、夹克、皮套裤和其他衣服,可保护用户免受割伤、磨损和高温等危险。它制成的基础防护装备往往比传统材料制成的装备更轻更薄。

凯夫拉纤维制成的头盔可以帮助吸收手榴弹爆炸碎片

3.运动器材——凯夫拉可用作自行车轮胎内衬,摩托车安全服(尤其填充在肩膀和手肘部位),滑翔伞悬挂线的主要材料之一;击剑行业中可用于制作防护夹克、马裤、胸甲等,甚至用在高性能赛艇的船帆上。

凯夫拉纤维是一种很受欢迎的划艇材料

4.鞋子——随着科技的进步,耐克首次使用凯夫拉制作鞋子,是为了减少鞋子顶部的弹性。

5.乐器——凯夫拉被用在鼓膜制作上,以及音响设备、弦乐器、木管乐器芦苇制作方面。

6.其他用途——包括制作不粘煎锅、缆绳、电缆护具、刹车片等,还可用在发电、伸缩接头和软管、建筑施工、海军涡轮机和风力涡轮机等多方面,甚至曾被摩托罗拉RAZR家族和Droid Maxx用来作为智能手机的背面板。

凯夫拉材质的系泊缆绳

21世纪,凯夫拉层压薄板与钢、铝板的复合装甲,不仅已广泛应用于坦克、装甲车、防弹衣,而且用于核动力航空母舰及导弹驱逐舰,使上述兵器的防护性能及机动性能都得到改观。同时,凯夫拉与碳化硼等陶瓷的复合材料是制造直升飞机驾驶舱和驾驶室的理想材料。据试验,它抵御穿甲子弹的能力比玻璃和钢装甲好得多。

凯夫拉制成的防弹衣

另外,为了提高战场人员的生存能力,人们对避弹衣的研制越来越重视。"凯夫拉"材料还是制造避弹衣的理想材料。据报道,用"凯夫拉"材料代替尼龙和玻璃纤维,在同样情况下,其防护能力至少可增加一倍,并且有很好的柔韧性,穿着舒适。用这种材料制作的防弹衣只有2~3公斤重,穿着行动方便,所以已被许多国家的警察和士兵采用。

据国外媒体上周末报道,美国著名女化学家、“防弹纤维之母”斯蒂芬妮·克沃勒克于当地时间 6 月 18 日在美国特拉华州一家医院因病去世,享年 90 岁。克沃勒克在 1964 年发明了凯夫拉防弹纤维,该纤维作为制作防弹衣的关键材料沿用至今。据统计,自上世纪 70 年代开始,凯夫拉防弹装备至少挽救了 3000 名美国执法人员的生命。而在克沃勒克去世当天,凯夫拉防弹衣刚好卖出第 100 万套。

“偶然间”的发明拯救数千人生命

斯蒂芬妮·克沃勒克1923年7月31日出生于美国匹兹堡,她的父母都是来自波兰的移民,父亲在她10岁时去世。1946年,克沃勒克从卡内基美隆大学的化学专业毕业,加入了美国化工巨头杜邦公司,直至1986年退休,任职长达40年。她一生获得多项奖项,包括1995年进入美国发明家名人堂。

年轻时的克沃勒克并非志在化工行业,而是希望能成为医生。她本来计划在杜邦公司工作一段时间,攒够学费就去学医。但在这个过程中,她渐渐爱上了这份事业。

克沃勒克在杜邦实验室中制成了凯夫拉纤维

有趣的是,凯夫拉防弹纤维的发明纯属偶然。1964年,克沃勒克在研究一种轮胎材料时意外合成了一种质地轻薄的乳状溶液。经过改进后,该溶液被制成了一种强度比钢还大5倍的纤维,杜邦公司将其命名为凯夫拉纤维。在克沃勒克生前的一次采访中,她回忆道,当时她发现了一种新的溶剂,能够把高分子聚合物溶解成更轻更稀的溶液。然后她说服了一位心存疑虑的同事,协助她一起把这种溶液放进了喷丝头中,制成了凯夫拉纤维。“这种纤维非常坚韧,抗拉伸能力比之前所有的纤维都要强上许多倍。”

克沃勒克生前的同事瓦斯塔回忆称,由于这种纤维太过强力,当时杜邦实验室特地开发了新的设备来测试凯夫拉纤维的拉伸极限等各项数据。“杜邦当时以尼龙和涤纶为主打,但测试尼龙材料的设备根本不是凯夫拉纤维的对手。”

在意识到凯夫拉纤维的价值后,科学家们将它运用在了防弹科技中,并达到了预期中的防弹效果。凯夫拉纤维制成的防弹衣可以抵御住9毫米口径枪支的子弹不被其穿透(当然仍有可能被子弹的冲击力撞断几根肋骨)。根据美国国家司法协会统计,自上世纪70年代投入量产至今,凯夫拉防弹设备已经挽救了至少3000名执法人员的生命。杜邦公司与国际警察局长协会( International Association of Chiefs of Police)还为这些大难不死的英雄成立了“幸存者俱乐部”,这一举措大大提升了全世界执法机构对于凯夫拉防弹设备的需求量。此外,在战场上,凯夫拉防弹背心和头盔更是每个士兵不可缺少的标配。根据统计,在伊拉克战争和阿富汗战争中,都分别有上百位美军士兵因为凯夫拉防弹设备而逃过死神的魔爪。

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