防弹纤维“凯夫拉尔”是如何炼成的？
用于制作防弹背心的超强纤维“凯夫拉尔”，重量轻且强度极大，其用途多达200多种。“凯夫拉尔”是美国女科学家斯戴芬妮·露易丝·廓莱克（Stephanie Louise Kwolek）发明的。2014年6月18日，90岁高龄的廓莱克因病辞世，在她辞世后的一周，凯夫拉尔防弹背心共售出了100万件。
“凯夫拉尔”作为一种材料，优点是重量轻且强度极大，其用途包括网球拍、滑雪板、船体、飞机、绳索、电缆、轮胎、防弹背心和防弹头盔等。
斯戴芬妮·廓莱克在杜邦公司的事业历时40年。成功地创造出第一族具有卓越强度和刚度的合成纤维。最有名的就是她发明的该族超级合成纤维的第一个成员：聚对苯二甲酰对苯二胺——英文商标名为Kevlar（中译“凯夫拉尔”），中文俗名芳纶。该族合成纤维被称为芳香族聚酰胺纤维，简称芳酰胺纤维。杜邦公司董事长埃伦·库尔曼（Ellen Kullman）说：“对于杜邦公司科学家斯戴芬妮·廓莱克的离世，我们大家都很悲痛。她是一位富有创造性、意志坚定的化学家，一名真正的女性科学先锋。她合成的第一个液晶高分子聚合物催生了杜邦公司的凯夫拉尔，也照亮了她自己的辉煌职业生涯。”
廓莱克的早期生活和教育
廓莱克于1923年7月31日出生在美国宾夕法尼亚州西南部城市纽肯星顿的匹兹堡郊区，父母亲是波兰移民。她的父亲强·廓莱克（John Kwolek）在她十岁的时候就去世了。强是名博物学家，孩提时代的廓莱克有机会与父亲一起探索自然，他们常到自家附近的树林和田野采集标本，用树叶、野花、种子、草类植株充实剪贴簿并写上有关说明。她把自己对科学的兴趣归因于她的父亲，而把自己对时尚的兴趣归因于她的母亲奈里·扎伊德尔·廓莱克（Nellie Zajdel Kwolek）。她母亲起先是家庭主妇，后来出于养家需要成为一名职业女性。廓莱克从她母亲那儿继承了对女红的热爱。她曾一度认为自己也许会成为一名时装设计师，但她母亲警告她，如果干那一行，很有可能要挨饿，因为她是那么地追求完美。后来廓莱克对教书产生了兴趣，又对化学和医学产生了兴趣。
1946年，廓莱克从卡耐基-梅隆大学女子学院毕业，获得化学学位。她曾打算成为一名医生，并希望能够在与化学有关的领域谋个临时工作以赚到足够的钱去上医学院。
“凯夫拉尔”炼成记
大学毕业后，廓莱克向杜邦公司申请一个化学岗位。她与海耳·查奇（Hale Charch）——手机防水工艺发明人，当时是杜邦公司研究主任——的面试是一次难忘的经历。查奇告诉廓莱克他会在大约两个星期后让她知道是否会被录用。廓莱克问他是否可以早些做出决定，因为她必须尽快答复另一份工作要约。于是查奇就把秘书叫了进来，当着廓莱克的面口授了一份要约函，向她提供了杜邦公司在纽约州布法罗城的一个岗位。在杜邦公司，她所从事的聚合物研究是那么有趣，那么有挑战性，以至她决定放弃了上医学院的打算，而把化学作为自己的终生事业。从此她在杜邦公司一干就是40年。
1964年，廓莱克在努力寻找一种纤维来增强子午线轮胎的过程中，意外地发现了一种稀薄的乳白色聚合物溶液，就是这种溶液给她带来了真正的希望。
在预期汽油短缺的情况下，廓莱克的研究小组开始寻找重量轻但强度高的纤维以便用于汽车轮胎。当时她一直在研究的聚合物——聚对苯二甲酸对苯二酯和聚苯甲酰胺——在200°C以上温度熔纺的时候，在溶液中形成了液晶，产生了强度和刚度较弱的纤维。她新项目中的独特技术和熔融缩聚过程把熔纺温度降低到了0°C–40°C之间。
就如她在1993年的一次讲话中所解释的那样：“溶液的黏度异常低，而且浑浊，一搅就变成乳白色并呈乳酪状。以往的聚合物溶液通常是清澈的，半透明的，或多或少有着蜜糖的粘度。我制备的溶液看上去像有色散，但完全能通过细孔过滤器过滤。这是液晶溶液，但我在当时并不知道。”这种浑浊溶液通常被扔掉。然而，廓莱克说服操纵喷丝头的技术员洽尔斯·斯唛伦（Charles Smullen）来测试她的溶液。她惊讶地发现，在尼龙（聚酰胺纤维）会断的情况下，这种新的纤维不会断。凯夫拉尔的强度不但比尼龙高，而且是同等重量钢的五倍。她的主管和实验室主任都明白她的发现的重要性，聚合物化学这个新领域就在不久之后出世了。1971年，现代凯夫拉尔（芳纶纤维）被推出。廓莱克了解到通过热处理能使这些纤维的强度变得更高。聚合物分子形状像棒头或火柴杆，其高度定向性给了凯夫拉尔非凡的强度。
实至名归的荣誉和奖项
廓莱克因其在聚合物化学领域的工作获得过众多奖项。她因发现了凯夫拉尔而被杜邦公司授予拉瓦锡奖章，以表彰她所取得的杰出技术成就，她被赞誉为“坚持不懈的实验者和行为模范，其对液晶聚酰胺的发现催生了凯夫拉尔的诞生。”截止2014年6月她去世之时，她依然是获得这一殊荣的唯一女性雇员。
1980年，廓莱克获得美国化学家联合会颁发的化学先锋奖，美国化学学会颁发的创意发明奖。1995年，廓莱克成为美国全国发明家名人堂113名入选者当中第四位女性。1996年，她获得美国国家技术奖章。1997年，她获得化学工业协会颁发的珀金奖章——这两个奖项难得奖给女性。2003年，她入选美国国家妇女名人堂。
她曾担任其他女性科学家的蒙导，并参与向青少年介绍科学知识的节目。廓莱克被引用最多的论文之一是与泡尔·W·摩根（Paul W. Morgan）合写的“尼龙绳技法”，刊载于《化学教育杂志》1959年4月号，第36期第182-184页）。文章描述了如何用烧杯演示在常压和常温下进行凝集聚合——这个演示现在全美国教室里普遍使用。
廓莱克1986年从杜邦公司退休。在她生命的最后岁月里，她仍在为杜邦公司提供咨询，为美国国家研究委员会和美国国家科学院提供服务。在她40年的研究科学生涯中，她申请并获得过至少17项专利。
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经过近半个世纪的发展，如今的防弹科技已经发展得更为多元化，防弹功能也越来越强大。例如液体防弹技术——这种液体的成分含有大量悬浮在聚乙烯醇流体中的硬质纳米级硅胶微粒，正常情况下该液体柔软可变形，一旦接触到子弹，液体就能瞬间变成一种硬质材料阻挡子弹穿过。
此外，由于近年来校园枪击事件在美国频发，俄克拉荷马州一家安全产品公司不久前推出了一种易穿戴的防弹毯，以保护中小学生在枪战中免遭生命威胁。这种防弹毯采用军用材料设计，其中包含了高密度防弹塑料，可阻挡9毫米口径手枪的子弹。
防弹元素目前也开始触及时尚领域，一家瑞士的时装公司今年3月开发出了一款可以防弹的时尚男士西装。西装的面料上加入防弹产品公司Croshield的技术，同样能有效阻挡9毫米口径以下的子弹。此外，西装上还镶嵌了多达1000余颗黑色钻石，总重量达到140克拉。这样的钻石防弹西装自然价格不菲，达到了320万美元，只有亿万富豪级的时尚达人才能消费得起。
（编译：吕吉尔；主要内容来自《世界科学》杂志）
- 发表于 2014-12-12 00:00
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