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意外的產物–克維拉

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林天送｜美國聖路易華盛頓大學化學系暨神經科學系

化學家常常要做很多實驗才能找到所要的產物，也就是把試料Ａ加上試料Ｂ，在不同實驗條件下（如溫度、壓力、pH 值、溶劑等）會產生不同的產物。在化學史上，就有許多產物是無意中發現的。本文介紹一個美國杜邦公司的著名產品—克維拉（Kevlar），它可製成高強度纖維。

小百科

克維拉是杜邦公司註冊的商標，學名是聚對苯二甲酸苯酯醯胺（poly paraphenylene terephthalamide）。它是帶有芳香族的塑膠纖維（芳香族是指帶有苯環的有機化合物），重複單位的化學式是〔—CO—C₆H₄—CONH—C₆H₄—NH—〕，醯胺基團以對位結構接在苯環上，是具有高強度、質輕、高穩定性、耐化學侵蝕性的人造纖維。普遍應用在防彈背心、防刺等身體防護方面，也廣泛應用於輪胎、輪船、輕便飛行器、海底電纜等。

靈機一動

斯蒂芬妮‧柯歐拉克（Stephanie Kwolek）是克維拉的發明者，1923 年出生於賓夕法尼亞州的紐肯辛頓（New Kensington）小鎮。她獲得卡內基技術學院（現為卡內基－梅隆大學（Carnegie–Mellon University））的化學學士學位後，1946 年進入杜邦公司當研究助理，1963年發明克維拉及其他纖維（美國專利第 3,094,511 號，3,380,969 號及 3,819,587 號）。

柯歐拉克在杜邦公司的工作是開發具有高強度的人造纖維，1960 年代有缺乏汽油的預測，因此她希望能研發出高強度的纖維來做汽車的輪胎，以節省汽油的消耗量。

1963 年是她進杜邦工作的第 17 年，有一天她在實驗室用芳香聚醯胺做有機聚合反應時，得到一種很不一樣的產品。一般聚合反應的產物是很透明而黏度高的溶液，這次卻是像牛乳般地混濁不清、也沒有什麼黏度的稀薄溶液。她想有可能是產物摻雜了別的雜質才會這樣，她先用簡單的過濾方法看看能否使溶液變清澈，但溶液仍然混濁。她原本要把那些混濁而黏度又低的溶液倒掉，但好奇下，就把它拿去抽絲並送到化驗室做物理性質測驗，尤其是她想要的強硬度。

測驗的結果是強硬度比當時所有的有機聚合物高10倍，她一時還不敢相信，以為是化驗室的人搞錯了。她再做一次實驗，把溶液再送去化驗，送回來的結果還是一樣。她還是沒有自信，也不敢告訴老闆。直到經過幾次的重複實驗證實她的結果，並經過化學分析發現這聚合物是聚對苯二甲酸苯酯醯胺，是當時具有最高硬度且質量輕的人造纖維。有了這些數據，她才正式向老闆及上層報告。1971 年杜邦公司就把這材料命名為 Kevlar，並開始上市販售。

廣泛用途

原先的計畫是想用克維拉來當汽車輪胎的材料。但那時候的輪胎都使用鋼絲做加強材料，如果改換克維拉，輪胎公司就得重新設計模型，改變所有的生產程序，不見得划算。因此輪胎公司並沒有採用克維拉。

杜邦公司於 1971 年成立一個團隊來開發克維拉的應用，結果找到二百多種用途。一個最著名的應用是防彈背心（bulletproof vests），由幾層的克維拉纖維組成。在引進克維拉之前也有人用金屬，如鉛、鋼鐵做防彈背心，但克維拉做的防彈背心輕便且效果好，一上市就大受軍警人員歡迎。一群有心人更成立克維拉存活者俱樂部（Kevlar Survivors Club），統計有多少人因為穿了克維拉防彈背心而逃過死神的手掌，到 2002 年已經超過 5 千人。

克維拉可以說是高科技的材料，它耐高溫，強硬度比鋼鐵高5倍，而質量比玻璃纖維（fiberglass）還輕。它的用途除防彈背心外、還包括保護手套、安全帽、消防隊用的衣服、汽車剎車墊、輪胎（汽車與腳踏車）、輪船、輕便飛行器、海底電纜、橋梁等。

擊掌回響

杜邦公司是美國首屈一指的化學公司，許多人造纖維都出自杜邦公司的研究室，如尼龍、達可龍、鐵氟龍等。杜邦聘用了很多化學博士，雖然柯歐拉克只有化學學士的學位，但她能在這種研究環境下工作，經過十多年的磨練也就相當於博士的訓練。此外，她對化學研究工作有熱忱，有好奇心、有「準備的心」，才能一而再地去化驗那非常不一樣的實驗產物。如果她當初把那以為含有雜質的實驗產物往垃圾箱丟，今天也不會有克維拉材料。

有一次她到克維拉存活者俱樂部演講。演講後，一位老婦人跑來向柯歐拉克致意並說：「我的丈夫是員警，妳曾經救了他一命。」柯歐拉克說這是她一生過得最愉快的一天。

她在杜邦公司工作了 40 年，申請到許多專利，如美國專利第 3,819,587 號是聚芳香族環碳聚碳酸纖維的專利。1995 年，被選入美國國家發明家名人堂。

深度閱讀

Brown, D.E. (2002) Inventing Modern America: from the Microwave to the Mouse, MIT Press, Cambridge, Mass., USA.

資料來源

《科學發展》2009年10月，442期，70 ~ 73頁

克維拉(2) 輪胎(4) 鐵氟(2)

意外的產物–克維拉

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