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人造彈性纖維製造商製造彈性電纜線

only-perception
・2011/12/08 ・378字 ・閱讀時間少於 1 分鐘 ・SR值 484 ・五年級

日本公司旭化成纖維(Asahi Kasei Fibers)製造人造彈性纖維(spandex)與其他織品,將其對於可伸縮材料的知識應用在製造可伸縮彈性電纜線與 USB 纜線上。

旭化成的研究者原本是為了要連接人形機器人柔軟、有彈性的皮膚而設計出這種彈性線材,稱Roboden。如同研究者的解釋,人類皮膚可伸展 1.5 倍,而這種新纜線也一樣。這種接線能延伸機器人的運動,例如扭轉與迴轉,而不會失去其傳輸電力與資料的能力。

若製成電線或 USB 線,這種彈性纜線證明能有效減少家裡或辦公室中線材凌亂的情況。這種線材的外層是以彈性外皮製程,而螺旋狀的內部連線在拉扯時會展開(unspirals)。

這種彈性纜線的另一項應用會是可穿戴電子產品 — 也許是用在健康監測材料、可穿戴式太陽能板,以及具未來感的電子化服裝造型。

資料來源:PHYSORG:Spandex manufacturer makes elastic electrical cable[December 2, 2011 ]

轉載自only-perception 

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only-perception
153 篇文章 ・ 1 位粉絲
妳/你好,我是來自火星的火星人,畢業於火星人理工大學(不是地球上的 MIT,請勿混淆 :p),名字裡有條魚,雖然跟魚一點關係也沒有,不過沒有關係,反正妳/你只要知道我不是地球人就行了... :D

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巴黎時裝週:噴霧製衣,一體成形
胡中行_96
・2022/10/03 ・2083字 ・閱讀時間約 4 分鐘

2022 年 9 月 30 日,[1]在巴黎時裝週 2023 春夏大秀上,近乎全裸的超模 Bella Hadid 緩步走上伸展台。她氣定神閒地,任由與法國時尚品牌 Coperni 合作的科學家們,用噴槍將液態布料覆蓋在她身上。[2, 3]經剪刀裁去布邊,並劃出高衩,一件服貼簡約的雪白平口洋裝,當場完成,驚豔全場。[4]

巴黎時裝週 2023 春夏大秀上,噴霧製衣的現場表演。影/參考資料 4

時裝秀的科技時刻

英國品牌 Alexander McQueen 也曾於 1999 春夏系列時裝秀中,讓超模 Shalom Harlow 在緊湊高亢的音樂襯托下,接受二支機械手臂的顏料洗禮,演繹出時尚史上經典的噴墨洋裝。[5]不過,這兩次乍看雷同的科技嘗試,其實有根本上的差異:Alexander McQueen 的做法,是把洋裝當作畫布,透過機械手臂在上頭忘情揮灑。放蕩不羈的風格,使模特兒的皮膚上沾染不少墨水,帶著一縷淒美的頹喪。[5]然而,這次巴黎時裝週的白色洋裝製作,則是宛如迪士尼動畫《睡美人》的情節。噴槍就是設計師的魔杖,妙手一揮便幻化出成品,整個過程乾淨俐落。做完馬上走秀,都不怕沿路滴水。[4]

這款神奇的噴霧布料,是 Manel Torres 博士研發的 Fabrican。[3]

Alexander McQueen 1999 春夏系列服裝秀中,Shalom Harlow 與機械手臂演繹經典的噴墨洋裝。影/參考資料 5

Fabrican 噴霧的原理

來自西班牙的 Torres 博士,[6] 2003 年於英國倫敦創立 Fabrican 有限公司。他希望用皮膚般貼身的媒材,來製作衣服,並加速生產的流程。[7]一件 Fabrican 服飾的生成,從無到有約莫只要 9 到 15 分鐘,[1, 6]而且材質和顏色都有多元的選擇。[8, 9]無論是棉、毛、亞麻、尼龍或是奈米碳纖維等原料,[6, 9]加入特製的揮發性溶劑後,噴在人體上便會快乾成形。 [6]這種液態布料能做出一年四季的服飾,差別主要在於塗層的厚度。成品噴好後,不僅可以重複穿著和洗滌,也能以溶劑即刻還原再利用,[10]十分環保。

Torres 博士示範用 Fabrican 噴出T恤,女模表示會冷。影/參考資料 10

Fabrican 服飾的量產

Copern i 的二位品牌創辦人 Sébastien Meyer 與 Arnaud Vaillant ,在這次的巴黎時裝週開始前 6 個月,就已經緊鑼密鼓地和 Torres 博士,一起研究如何呈現這件白色洋裝。「我們不會因此賺錢」,回想秀場上的那一刻 Meyer 如是說:「但那是段美麗的時光 ── 一個創造情感的體驗。」[3]

以人工一件一件地噴出衣服,並不符合經濟效益,所以除了上述量身訂做的方法,Torres 教授還開發出適合工業化量產的模式。這個概念有點類似 Alexander McQueen 1999 春夏系列服裝秀的演出,不過要把那位面目驚恐,非常入戲的模特兒,換成冰冷的人體模型。如此一來,裝有噴槍的機械手臂以及負責運算的可程式邏輯控制器(programmable logic controller,簡稱PLC),便能以每秒 9 公尺的速度噴出原料,不眠不休無休地將已經設計好的服飾,精準地製作出來。由於針對不同產品,只要依照個別需求,微調程式或液態布料的成份,Fabrican 官網宣稱,這比起仰賴為數龐大的傳統機器,更適合剛起步的事業和開發程度較低的國家。[11]

Fabrican 的其他用途

此外,同樣的技術也能運用在汽車內裝,[11]以及醫療器材上。比方說,口罩、繃帶、藥物貼片、創傷敷料,[12]還有取代石膏的骨折固定器等。[13]比較出乎意料的是,據說 Fabrican 也有清除海洋汙染,例如:原油外洩等的功能,可惜相關的資訊不多。[14]看到如此萬用的布料科技,只能期望它無論如何都要打入一般市場,造福大眾。別像伸展台上的高級服飾,永遠那麼遙不可及。

Fabrican 可望取代醫療石膏。影/參考資料 13

延伸閱讀

蠶繭電池是綠能的未來?!

參考資料

  1. Testa J. (02 OCT 2022) ‘The Best Moment of Bella Hadid’s Life’. The New York Times.
  2. Yang R, Chen L, Chiang R, Tseng R.(01 OCT 2022)〈巴黎時裝周2023春夏秀場盤點!Coperni現場噴墨製衣、Balmain邀請傳奇巨星Cher壓軸走秀〉Harpers Bazaar.
  3. Maguire L. (01 OCT 2022) ‘A spray-on dress and a solid gold bag: Coperni goes after Gen Z with novelty and fun’. Vogue Business.
  4. iDest. (01 OCT 2022) ‘Bella Hadid Closing Coperni Spring 2023 Collection’. YouTube.
  5. Couture Daily. (13 JAN 2013) ‘Alexander McQueen spring/summer 1999’. YouTube.
  6. Sample I. (17 SEP 2010) ‘Spray-on clothing becomes a reality’. The Guardian.
  7. Fabrican History’. Fabrican Spray-on fabric. (Accessed on 02 OCT 2022)
  8. FannVideo Best. ‘New Spray-on Clothing Future Technology’. (28 MAY 2013) YouTube.
  9. Fabrican Technology’. Fabrican Spray-on fabric. (Accessed on 02 OCT 2022.)
  10. New Scientist. ‘Spray-on clothing could be the future of fashion’. (17 SEP 2010) YouTube.
  11. Industrial – Industrial Application’. Fabrican Spray-on fabric. (Accessed on 02 OCT 2022.)
  12. Healthcare – Innovation, choice and flexibility in healthcare’. Fabrican Spray-on fabric. (Accessed on 02 OCT 2022.)
  13. fabricanltd. (15 MAY 2012) ‘Spray-on arm cast. Fabrican Ltd’. YouTube.
  14. Environmental – Protecting our environment from seaborne spills’. Fabrican Spray-on fabric. (Accessed on 02 OCT 2022.)
胡中行_96
64 篇文章 ・ 23 位粉絲
曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。邀稿請洽臉書「荒誕遊牧」,謝謝。

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你想不到的大麻!取代棉花,更環保的纖維來源——《drawdown 反轉地球暖化100招》
聯經出版_96
・2019/02/25 ・1909字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 575 ・九年級

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編按:此為《drawdown 反轉地球暖化100招》最終章,作者提出一些「明日新亮點」,期待可以減緩全球暖化的現象。

大麻也有「工業用」?

將工業用大麻稱之為「明日新亮點」似乎有些奇怪,因為它被用於製作人類衣物的纖維,已長達數萬年的時間。它之所以被納入本文,不是因為它可以做什麼,而是因為它可以取代什麼。

1937 年,美國有效地禁止種植各種大麻,當時帶頭反對的新聞與紀錄片,以駭人聽聞的方式,述說大麻作為一種毒品如何滋生暴力與精神錯亂。因為人們對於麻繩或是其他工業用大麻製品感到舒坦,對神經起作用的其他品種(大麻的學名為 Cannabis sativa)就被命名為「marihuana」,這是一個墨西哥黑話,除了用來指涉它摧毀性的效果,也隱含了種族歧視。

今日,越來越多州批准休閒與醫療用大麻,工業用大麻卻因緝毒局拒絕同意,在美國仍被禁止栽種。在世界其他地方,大麻是具有許多用途的商品作物。與休閒或醫療用大麻相比,工業用大麻含有的大麻素微不足道

以大麻取代棉花,對社會、環境與氣候的影響更小

大麻的內皮與莖皮都含有長而強健的纖維,可以單獨被紡織,或是與亞麻及棉花結合後製作服飾。圖/聯經出版

數千年前,大麻因為其富含纖維的莖而受到注意。內皮與莖皮都含有長而強健的纖維,可以單獨被紡織,或是與亞麻及棉花結合後製作服飾。 1840 年代,人們開始使用木漿製作紙張;在此之前,紙張幾乎都是使用丟棄的大麻服裝製作而成。尋找廢棄布料的拾荒者,來回歐洲城市之間,撿拾街頭的廢棄物來貼補家用。這些破舊的衣物被賣至類似今日的回收中心,大麻被分類出來、清洗、紮綑後賣給造紙業者。

大麻生產強韌且永續的纖維。

用途涵蓋紙張、織品、繩索、縫隙填補、地毯與帆布(canvas)。「canvas」一詞源於「cannabis」(大麻,法語則為 canevas)。內皮是有價值的部位,被用於織品與繩索,每英畝產量在 800 至 2,400 磅之間,比棉花產量還高。兩種植物的影響差異也很可觀。棉花是世界上對環境最有害的作物,因為種植過程使用大量化學物質,並且相當倚賴化學燃料。棉花雖然僅占所有農地的 2.5 %,其每年的殺蟲劑使用量卻高達 16 %。

棉花是世界上對環境最有害的作物,因為種植過程使用大量化學物質,並且相當倚賴化學燃料。圖/Pixabay

當我們再把 2 萬人因為殺蟲劑中毒死亡、水質汙染、殺蟲劑引發的疾病,密集使用人工肥料與除草劑,以及因灌溉乾燥土壤導致的土壤鹽化等問題納入計算,你會發現這樣的一種作物對於社會、環境與氣候的影響。將近 1 %的溫室氣體排放來自棉花生產。一件白襯衫由農田至消費者手中的排放量是 80 磅的二氧化碳。

當大麻移除內皮後,剩下種子以及大麻屑(hurd)。大麻屑可以製造多種產品,包括纖維板、砌塊、隔熱材質、灰泥與粉刷。這種植物的多功能性讓某些人相信它是農業的萬靈丹。並非如此。大麻是一年生植物,所以必須輪耕使土壤恢復肥沃。不過它不需要像一般一年生作物那樣耕作。種植密集且成長快速的大麻,可以驅逐並遮蔽薊之類的雜草,因此發揮了除草劑的作用。此外也無需使用殺蟲劑。以當下價格計算,它的每英畝淨利是小麥的 2 至 3 倍。但是它需要不少的水,以及深厚且營養充沛的土壤,此外也不適合用來恢復退化的土地。

大麻對環境的益處很多,但是卻不便宜,至少在美國是如此。舉例而言,如果為了效率而使用打穀機收割大麻,將會破壞內皮纖維。雖然內皮用途多元,大麻纖維的成本將近木漿的 6 倍

以大麻取代棉花,希望能減少碳排放。圖/maxpixel

當大麻作為棉花的替代品時,才是它發揮改變作用的時候,其他用途則可支持它的經濟。當中國前最高領導人胡錦濤於 2009 年造訪中國的大麻加工商時,他懇求他們增加中國種植量至 200 萬英畝,藉此避免棉花的有害效果。成長端賴大麻織品的生產能否達到價格低廉、時尚與舒適。就纖維柔軟度而言,它不是棉花的對手,但是如果成本有競爭力,它確實可以取代世界一半的棉花,用於日常衣物的製作,例如牛仔褲、夾克、帆布鞋、帽子等,如此一來將對碳排放產生顯著影響。

註:傳統棉花種植使用大量殺蟲劑與除草劑,棉花種植面積占農業2.5%,但農藥用量卻占總量的16%;所使用的農藥毒性亦高,例如涕滅威。此外,將棉花製成服飾的過程中,也會使用各種化學物質,例如甲醛、氨、石化除垢劑、矽蠟、化學清洗劑等。

本文摘錄自《drawdown 反轉地球暖化100招》,2019 年 1 月,聯經出版

聯經出版_96
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聯經出版公司創立於1974年5月4日,是一個綜合性的出版公司,為聯合報系關係企業之一。 三十多年來已經累積了近六千餘種圖書, 範圍包括人文、社會科學、科技以及小說、藝術、傳記、商業、工具書、保健、旅遊、兒童讀物等。

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製造防彈背心必備的纖維「克維拉」,為何能夠強鋼勝鐵?
李赫
・2018/11/22 ・3263字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 565 ・九年級

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
李赫
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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)。