为什么凯夫拉®如此坚固?同时又如何如此轻便?

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杜邦院士,化学家弗拉德克·加巴拉解释说。

凯夫拉®是一种芳香族聚酰胺(aramid)家族中的有机纤维,它结合了高强度、轻便、舒适和保护功能。在同等重量的基础上,凯夫拉®的强度是钢的五倍,并提供可靠的性能和坚固的强度。这种独特的属性组合确保执法人员、惩教人员和军人能够免受多种形式的伤害,包括子弹、刀、弹簧刀和弹片。事实上,凯夫拉®服装迄今为止已挽救了近3000名执法人员的生命。

杜邦公司于1965年发现了凯夫拉®。在此之前,科学家们知道原子之间的化学键非常强,但研究人员无法将这些分子排列成大的结构(相对于分子的大小)来利用这种强度。使用基于“轻元素”——如碳、氮、氢和氧——而不是“重元素”(如铁)的有机聚合物,具有轻质结构的优势。例如,凯夫拉®纤维的密度为每立方厘米1.4克,而铁的密度为每立方厘米7.9克。为了实现凯夫拉®的强度和刚度,有机纤维内的分子链需要完全伸展并完美对齐,使其坚固、硬挺和耐用。如此高的对齐度并不容易实现。凯夫拉®纤维基于聚对苯二甲酰对苯二胺,这是一种刚性分子,可以更容易地实现完全伸展或笔直的链构型。


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此外,这些刚性分子甚至会在溶液中排列。这种溶液被称为液晶,这强调了它们良好的组织性。聚对苯二甲酰对苯二胺分子表现得像未煮过的意大利面,而其他刚性较小的分子表现得更像煮过的意大利面。因此,分子的性质使得更容易实现所需的对齐结构。此外,聚对苯二甲酰对苯二胺能强烈抵抗高温和火焰。凯夫拉®在高温下仍能提供强度,可防止高达 800 华氏度的热危害。

这种不寻常的特性组合使凯夫拉®可用于广泛的应用,例如防弹背心、防切割手套以及防爆和阻燃屏障。凯夫拉®还提高了运动装备的性能。这方面的应用包括几乎不会漏气且防穿刺的自行车轮胎;最大限度提高跑步者能量输出的跑鞋;更轻且更耐损坏的船只;以及能承受强风和盐水的耐用轻型船帆。

最初发布于 2002 年 9 月 30 日。

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