製造防彈背心必備的纖維「克維拉」,為何能夠強鋼勝鐵?

輕量、高強度的先進材料,不只是在科幻片中存在,也已被真實的應用於我們的生活中。像是應用於防彈背心的高強度纖維,看似柔軟,強度卻勝過鋼鐵。這樣不太合乎一般人認知的產物,是怎麼發明出來的呢 ?

高強度纖維救了無數人的性命。 圖/CBS Chicago

過往要製造盔甲等護具,能夠選用的材料不外乎金屬有機物,例如最為人熟悉的盔甲原料──鐵。但鐵最大的問題就是材料密度高 ( 7.86 g/cm3),若當成防彈衣材料相當笨重,造成著裝的人行動不便。

原子間的作用力非常強,若可以大面積有序的排列,就有機會提供足夠的強度,應用在防彈衣上。所以,如果選用有機物來製作呢?

有機物中之碳、氮、氧 為分子中常見的元素,就原子量而言,三者皆比鐵的重量還輕。問題在於,如何能夠讓這些「輕」的元素產生足夠的強度,想辦法讓原子排列形成化學鍵甚至排列成更大的分子呢?

材料的基礎:原子與分子間的作用力

討論如何調整的材料以製作盔甲之前,讓我們往回推一點點,認識所有材料的基礎:原子與分子間的作用力

1. 原子間的作用力──鍵結

原子與原子互相排列結合形成分子,原子間會有作用力穩定結構,這股將原子連在一起的力量稱為化學「鍵結」。鍵結可以細分為離子鍵金屬鍵共價鍵離子鍵存於正/負離子之間,金屬鍵存於金屬之間,共價鍵多存於有機物(非金屬)間。

有了鍵結之後,若要增加形成分子後整體結構的強度,則要依靠分子間的作用力

2. 分子間的作用力──凡德瓦爾作用力與氫鍵作用力

分子間的作用力有「凡德瓦爾作用力」與「氫鍵作用力」兩種。

凡德瓦爾作用力的成因是因為分子間各個原子的電子分布不均勻而產生電偶極(electric dipole),電偶極與電偶極之間所產生的吸引力,就是凡德瓦爾力。

另一種氫鍵作用力則是氫原子特有。當氫原子與氮、氧、氟排列(-N-H、-O-H、-F-H)形成共價鍵時,兩者會因為拉引電子的能力差異較大,導致電荷分佈不均勻而形成電偶極,電偶極間的吸引力稱為氫鍵。

氫鍵的強度(鍵能最大約為 200 kJ/mol,一般為 5-30 kJ/mol)大於凡德瓦爾作用力( < 5 kJ/mol),能有效穩定蛋白質結構,所以廣泛存在於自然界生物體之蛋白質中,像是我們人體的 DNA、蛋白質結構,都是靠氫鍵來穩定的。  

水分子因為局部極化造成分子間作用的氫鍵

既然自然界這麼多物質都是依賴氫鍵穩定結構,那麼我們是否可以師法自然,用氫鍵的原理來增加材料的強度,製造防彈衣呢?

這就是高強度纖維誕生的起點啦!

神奇纖維克維拉

克維拉(Kevlar)化學名為「聚對苯二甲酰對苯二胺」,化學式的重複單位是「-[-CO-C6H4-CONH-C6H4-NH-]-」。它是美國杜邦公司於1965年推出的一種芳香聚醯胺類合成纖維,由波蘭裔美國化學家斯蒂芬妮·克沃勒克發明。

發明克維拉的波蘭裔美國化學家斯蒂芬妮·克沃勒克。由 Science History Institute, CC BY-SA 3.0

克維拉有極佳的抗拉性能,抗拉伸強度為同等質量鐵的五倍之多,但密度僅為鋼鐵五分之一左右(克維拉密度為每立方公分 1.44 克;鋼鐵密度為每立方公分 7.86 克),因此 1970 年代初便開始被用於替代賽車輪胎中的部分鋼材,現在更被廣泛用於船體、飛機、自行車輪胎、軍用頭盔防彈背心等。

克維拉到底有什麼特別的?為何一個有機化合物的強度能高過鋼鐵五倍?

首先我們來看看克維拉的合成。它是由對苯二胺(para phenylene diamine )與對苯二甲醯氯(Terephthaloyl chloride)聚合後所形成的「聚對苯二甲酰對苯二胺」聚合物。

對苯二胺(para phenylene diamine )與對苯二甲醯氯( Terephthaloyl chloride)聚合後所形成的「聚對苯二甲酰對苯二胺」聚合物──克維拉(Kevlar)。 [4]

其中「苯環(六角形之環狀結構)」的結構剛性較強,而且是平面結構不能夠轉動,能為分子帶來一定程度的剛硬性。

並且在形成高分子聚合物後,每一個「對苯二甲酰對苯二胺基本單元」會與鄰近的「對苯二甲酰對苯二胺基本單元」形成四組氫鍵(如下圖所示),更大大提升了克維拉(Kevlar)的強度。這與自然界蛋白質結構穩定的原理相同,都是應用氫鍵增加穩定性及結構強度。

對苯二甲酰對苯二胺之基本單元會與鄰近之對苯二甲酰對苯二胺單元形成氫鍵。 [2]

高分子鏈段強度再增加

一個有分子間作用力的高分子若分散於溶液中,會呈現有如凌亂毛線球的展開狀態,所以當我們要將高分子做成纖維來紡織時,會先將高分子材料拉成纖維絲,使高分子部分順向延伸。(如下圖所示[2])

但如果是一個具有高度分子間作用力的高分子,將之分散於溶液中則仍然存在部分有序狀態,經過拉絲後則會使高分子內部有序區塊順向排列延伸。此一結果大幅增加了高分子的強度 > 15倍) [6],此一現象就好像高分子間彼此有作用力將分子與分子束縛住來增加整體受力強度而使物理性質提升。這樣形成的高強度纖維可以用來當成防彈衣的材料。(如下圖所示[2])

由於克維拉是有規則結構的高分子,而且高分子間的氫鍵又可促成特定的有序排列「結晶」[7],因此大大增強往後克維拉(Kevlar)拉成纖維後的物理性強度,也成就了它能抵禦子彈的強大能力。(如下圖所示[2])

(A)無序之高分子  (B)分子間作用力造鏈段有序排列之高分子

許多人類的發明靈感都來自於大自然,克維拉(Kevlar)所應用的原理,不過是高分子結構的特性罷了,卻創造出了這樣特殊且可以多樣化運用的高強度纖維。師法自然不只是回到原點,有時候也會成為新的起點。

蜘蛛網的強韌,也有一部分是因為高分子作用力喔! 圖/TRAPHITHO @Pixabay

參考資料 :

  • 文字編輯/翁郁涵

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關於作者

李赫

中央大學理學博士。為熱愛傳播知識與吸收知識的 作家/教育/研究學者。 對於居家設計與生活時尚亦有高度興趣 (FB作者專頁)。

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