防彈纖維「凱夫拉爾」是如何煉成的？

用於製作防彈背心的超強纖維「凱夫拉爾」，重量輕且強度極大，其用途多達200多種。「凱夫拉爾」是美國女科學家斯戴芬妮·露易絲·廓萊克（Stephanie Louise Kwolek）發明的。2014年6月18日，90歲高齡的廓萊克因病辭世，在她辭世後的一周，凱夫拉爾防彈背心共售出了100萬件。

斯戴芬妮·廓萊克和研發凱夫拉爾的其他組員，自左至右：廓萊克，赫伯特·布萊茨（Herbert Blades），泡爾·W·摩根和小約瑟夫·L·里弗斯（Joseph L. Rivers, Jr.）

「凱夫拉爾」作為一種材料，優點是重量輕且強度極大，其用途包括網球拍、滑雪板、船體、飛機、繩索、電纜、輪胎、防彈背心和防彈頭盔等。

斯戴芬妮·廓萊克在杜邦公司的事業歷時40年。成功地創造出第一族具有卓越強度和剛度的合成纖維。最有名的就是她發明的該族超級合成纖維的第一個成員：聚對苯二甲醯對苯二胺——英文商標名為Kevlar（中譯「凱夫拉爾」），中文俗名芳綸。該族合成纖維被稱為芳香族聚醯胺纖維，簡稱芳醯胺纖維。杜邦公司董事長埃倫·庫爾曼（Ellen Kullman）說：「對於杜邦公司科學家斯戴芬妮·廓萊克的離世，我們大家都很悲痛。她是一位富有創造性、意志堅定的化學家，一名真正的女性科學先鋒。她合成的第一個液晶高分子聚合物催生了杜邦公司的凱夫拉爾，也照亮了她自己的輝煌職業生涯。」

廓萊克的早期生活和教育

廓萊克於1923年7月31日出生在美國賓夕法尼亞州西南部城市紐肯星頓的匹茲堡郊區，父母親是波蘭移民。她的父親強·廓萊克（John Kwolek）在她十歲的時候就去世了。強是名博物學家，孩提時代的廓萊克有機會與父親一起探索自然，他們常到自家附近的樹林和田野採集標本，用樹葉、野花、種子、草類植株充實剪貼簿並寫上有關說明。她把自己對科學的興趣歸因於她的父親，而把自己對時尚的興趣歸因於她的母親奈里·扎伊德爾·廓萊克（Nellie Zajdel Kwolek）。她母親起先是家庭主婦，後來出於養家需要成為一名職業女性。廓萊克從她母親那兒繼承了對女紅的熱愛。她曾一度認為自己也許會成為一名時裝設計師，但她母親警告她，如果幹那一行，很有可能要挨餓，因為她是那麼地追求完美。後來廓萊克對教書產生了興趣，又對化學和醫學產生了興趣。

1946年，廓萊克從卡耐基-梅隆大學女子學院畢業，獲得化學學位。她曾打算成為一名醫生，並希望能夠在與化學有關的領域謀個臨時工作以賺到足夠的錢去上醫學院。

「凱夫拉爾」煉成記

凱夫拉爾纖維的網眼效果

大學畢業後，廓萊克向杜邦公司申請一個化學崗位。她與海耳·查奇（Hale Charch）——手機防水工藝發明人，當時是杜邦公司研究主任——的面試是一次難忘的經歷。查奇告訴廓萊克他會在大約兩個星期後讓她知道是否會被錄用。廓萊克問他是否可以早些做出決定，因為她必須儘快答覆另一份工作要約。於是查奇就把秘書叫了進來，當著廓萊克的面口授了一份要約函，向她提供了杜邦公司在紐約州布法羅城的一個崗位。在杜邦公司，她所從事的聚合物研究是那麼有趣，那麼有挑戰性，以至她決定放棄了上醫學院的打算，而把化學作為自己的終生事業。從此她在杜邦公司一干就是40年。

1964年，廓萊克在努力尋找一種纖維來增強子午線輪胎的過程中，意外地發現了一種稀薄的乳白色聚合物溶液，就是這種溶液給她帶來了真正的希望。

在預期汽油短缺的情況下，廓萊克的研究小組開始尋找重量輕但強度高的纖維以便用於汽車輪胎。當時她一直在研究的聚合物——聚對苯二甲酸對苯二酯和聚苯甲醯胺——在200°C以上溫度熔紡的時候，在溶液中形成了液晶，產生了強度和剛度較弱的纖維。她新項目中的獨特技術和熔融縮聚過程把熔紡溫度降低到了0°C–40°C之間。

就如她在1993年的一次講話中所解釋的那樣：「溶液的黏度異常低，而且渾濁，一攪就變成乳白色並呈乳酪狀。以往的聚合物溶液通常是清澈的，半透明的，或多或少有著蜜糖的粘度。我製備的溶液看上去像有色散，但完全能通過細孔過濾器過濾。這是液晶溶液，但我在當時並不知道。」這種渾濁溶液通常被扔掉。然而，廓萊克說服操縱噴絲頭的技術員洽爾斯·斯嘜倫（Charles Smullen）來測試她的溶液。她驚訝地發現，在尼龍（聚醯胺纖維）會斷的情況下，這種新的纖維不會斷。凱夫拉爾的強度不但比尼龍高，而且是同等重量鋼的五倍。她的主管和實驗室主任都明白她的發現的重要性，聚合物化學這個新領域就在不久之後出世了。1971年，現代凱夫拉爾（芳綸纖維）被推出。廓萊克了解到通過熱處理能使這些纖維的強度變得更高。聚合物分子形狀像棒頭或火柴桿，其高度定向性給了凱夫拉爾非凡的強度。

凱夫拉爾纖維具有非凡的強度

實至名歸的榮譽和獎項

廓萊克因其在聚合物化學領域的工作獲得過眾多獎項。她因發現了凱夫拉爾而被杜邦公司授予拉瓦錫獎章，以表彰她所取得的傑出技術成就，她被讚譽為「堅持不懈的實驗者和行為模範，其對液晶聚醯胺的發現催生了凱夫拉爾的誕生。」截止2014年6月她去世之時，她依然是獲得這一殊榮的唯一女性僱員。

1980年，廓萊克獲得美國化學家聯合會頒發的化學先鋒獎，美國化學學會頒發的創意發明獎。1995年，廓萊克成為美國全國發明家名人堂113名入選者當中第四位女性。1996年，她獲得美國國家技術獎章。1997年，她獲得化學工業協會頒發的珀金獎章——這兩個獎項難得獎給女性。2003年，她入選美國國家婦女名人堂。

她曾擔任其他女性科學家的蒙導，並參與向青少年介紹科學知識的節目。廓萊克被引用最多的論文之一是與泡爾·W·摩根（Paul W. Morgan）合寫的「尼龍繩技法」，刊載於《化學教育雜誌》1959年4月號，第36期第182-184頁）。文章描述了如何用燒杯演示在常壓和常溫下進行凝集聚合——這個演示現在全美國教室里普遍使用。

廓萊克1986年從杜邦公司退休。在她生命的最後歲月里，她仍在為杜邦公司提供諮詢，為美國國家研究委員會和美國國家科學院提供服務。在她40年的研究科學生涯中，她申請並獲得過至少17項專利。

延伸閱讀：五花八門的防彈技術

經過近半個世紀的發展，如今的防彈科技已經發展得更為多元化，防彈功能也越來越強大。例如液體防彈技術——這種液體的成分含有大量懸浮在聚乙烯醇流體中的硬質納米級硅膠微粒，正常情況下該液體柔軟可變形，一旦接觸到子彈，液體就能瞬間變成一種硬質材料阻擋子彈穿過。

此外，由於近年來校園槍擊事件在美國頻發，俄克拉荷馬州一家安全產品公司不久前推出了一種易穿戴的防彈毯，以保護中小學生在槍戰中免遭生命威脅。這種防彈毯採用軍用材料設計，其中包含了高密度防彈塑料，可阻擋9毫米口徑手槍的子彈。

防彈元素目前也開始觸及時尚領域，一家瑞士的時裝公司今年3月開發出了一款可以防彈的時尚男士西裝。西裝的面料上加入防彈產品公司Croshield的技術，同樣能有效阻擋9毫米口徑以下的子彈。此外，西裝上還鑲嵌了多達1000餘顆黑色鑽石，總重量達到140克拉。這樣的鑽石防彈西裝自然價格不菲，達到了320萬美元，只有億萬富豪級的時尚達人才能消費得起。

為中小學生設計的防彈毯有望在校園中普及

（編譯：呂吉爾；主要內容來自《世界科學》雜誌）

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