日常生活中的高分子聚合物 從植物和動物衍生而來 已被使用了好幾個世紀 這些材料包括木材、橡膠、棉花、羊毛 皮革及線……等等 除此外 天然的高分子 如：蛋白質、酵素、澱粉和纖維素 也在生物體上扮演非常重要的角色 現在的科學研究已可確定這些材料的單體與聚合物分子結構 進而仿效自然界合成與改良高分子 許多常用的塑膠、橡膠和纖維材料都屬於合成聚合物 以往要製造盔甲等身體護具 所用的材料就是堅硬的金屬 例如：鐵 但鐵的密度高達7.86 g/cm³ 做成的盔甲十分笨重 造成執行任務時行動不便 利用高分子技術開發出強韌、輕薄的纖維材料 能有效抵禦子彈是科學家努力的方向 人造的芳香族聚醯胺類纖維（又稱芳綸） 是目前常見的高強度纖維 芳綸具有高強度、高抗衝擊性 良好的減震性能和耐熱性 因此應用範圍廣泛 如：克維拉纖維或特威隆纖維…… 其中克維拉纖維有極佳的抗拉性能 抗拉伸強度為同等質量鋼鐵的五倍之多 但密度僅為鋼鐵五分之一左右 自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 克維拉纖維是由對苯二胺（para phenylene diamine） 與對苯二甲醯氯（Terephthaloyl chloride）脫去HCl 聚合後所成的聚合物 聚合物中的苯環結構剛性較強 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 且高分子間的作用力 又可促成特定的有序排列「結晶」 形成有規則結構的高分子 因此大大增強克維拉纖維的物理性強度 也成就了它能抵禦子彈的強大能力 有機物原子間利用共價鍵形成穩定的分子 但若要增加形成分子後整體結構的強度 分子間的作用力則是一個重要的關鍵 畫面上是著名的高強度纖維的巨型分子結構片段 包含克維拉纖維、諾梅克斯纖維與蜘蛛絲 虛線部分的作用力是讓這些纖維強度大增的關鍵 請由圖中纖維巨型分子結構片段判斷 虛線的作用力為何種作用力？ 答案是：氫鍵 長鏈的高分子聚合物間形成的分子間氫鍵（如畫面虛線所示） 使分子有規則的排列 更大大提升了強度 原理與自然界蛋白質的結構穩定相同 都是應用氫鍵增加穩定性及結構強度 接下來我們來看pH值、熱穩定性 照光對克維拉纖維的影響 第一 pH值對克維拉纖維的影響 芳綸纖維除了高強度外 溶劑、燃料、潤滑劑、鹽水 真菌或細菌也不會對這類纖維造成太大傷害 但強酸和強鹼除外 如：當克維拉纖維接觸強酸、強鹼時則會發生降解 而造成纖維強度損失 實驗發現 在中性 pH = 7條件下 將克維拉纖維於溫度65°C下 暴露200多天後 纖維長絲的強度幾乎保持不變 而當pH 值偏離 7 越遠 纖維強度損失率就越大 研究也發現 溫度越高、濕度越大、暴露時間越長 也會讓降解越嚴重、纖維強度損失越多 將克維拉纖維置於強酸與強鹼中 會發生某種反應 而造成克維拉纖維的毀損 若將此纖維放置在pH 3 的溶液中 請參考克維拉纖維的化學結構 推測纖維毀損後可能的產物為何？ 克維拉纖維為芳香族聚醯胺纖維 因此在酸性條件下水解 可得到以下結構 將克維拉纖維放置於不同pH 值的環境下 測量在 154 °C的飽和水蒸氣下 暴露 16小時後的纖維強度保留率 可得到不同pH值與纖維強度保留率的關係圖 請大家根據實驗數據圖 選出在此條件下哪一個pH值下會有最大的纖維強度保留率？ 第二 克維拉纖維的熱性能 芳綸纖維加熱到427°C左右時 會開始熱分解 但不會熔化 芳綸家族的克維拉纖維加熱也有相同的分解現象 在升溫速率10°C/分鐘的測試下 克維拉纖維在空氣中的熱分解溫度為427°C ~ 482°C 而在氮氣中約538°C 但此纖維的熱分解溫度與測試時的升溫速率 暴露的時間長度都有關 利用熱重分析儀測試 即可藉由分析重量與溫度或時間變化曲線 獲得不同條件與不同纖維的熱分解溫度 熱穩定性……等許多重要的材料特性數據 下圖為某系列的克維拉纖維 在空氣中以升溫速度 10°C/分鐘測試時 得到的熱重分析圖 隨著溫度升高 重量會因為失水立即減少 但曲線大致上仍相對平坦 直至分解時重量才會明顯減輕 請大家觀察圖形的數據 推測出此系列克維拉纖維的主要熱分解溫度約為多少°C？ 第三 紫外線對克維拉纖維的影響 芳綸家族的克維拉纖維也對紫外光敏感且抵抗力差 未保護的克維拉紗線長時間暴露在紫外線下 會從黃色變色為棕色 長時間暴露在紫外線下會造成機械性質耗損 耗損程度則取決於波長、曝光時間 輻射強度和產品幾何形狀 但若放在室內光線下 則可維持機械性質不會降解 特定波長的光要使克維拉纖維降解 必須滿足兩個條件： 1. 光能被聚合物吸收 2. 光具有足夠的能量來破壞化學鍵 畫面表示克維拉纖維的吸收光譜以及太陽光譜 由圖可知 要特別注意這兩條曲線的重疊區域的波長範圍 在戶外活動時 沒有被保護的克維拉纖維 可以吸收重疊區域波長範圍的光 而造成纖維的降解 在人造光源中（如：常用的白熾燈泡、日光燈） 或經過窗戶玻璃過濾的太陽光 僅會產生少量的此波長的光線 但為避免可能的損害 紗線保存不要放在日光燈源30公分內 或靠近窗戶的地方 請大家對照圖中克維拉纖維的光吸收圖與太陽光譜圖的重疊區域 試找出下列選項中 哪些範圍的光波長容易讓纖維損傷？ 看完影片的介紹 同學們是不是學會了呢？ 我們效仿自然界蛋白質結構穩定的原理 應用氫鍵增加穩定性及結構強度 而開發出了高強度的纖維材料 為了製造更好的防彈材料 能確保穿戴者安全 又能提高行動機動性 促進科技不斷推陳出新 研究人員發現 將少量克維拉纖維加入奈米碳管中並調整適當比例 也能使纖維間形成分子間作用力 此作用力可不斷破壞並再次形成 當物體高速穿入 則可藉著作用力破壞與再度形成的動態過程消耗大量能量 以抵擋衝擊 提供更大的剛硬度 這些新輕質材料的性能提升 能更有效擋高速子彈與太空碎片 也能提供我們更安全的生活