弹性的工作方式gydF4y2Ba

这些抽屉里的松紧带看起来好像有过好日子。gydF4y2Ba

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弹性在今天是如此无处不在，以至于我们几乎不会再去想它。就像回形针和拉链一样，我们只是期待它能正常工作，而从未想过它是什么，它是如何制成的，或者在它出现之前人们是怎么做的。拿松紧带来说。实际上，取一双gydF4y2Ba内衣gydF4y2Ba(最好是干净的)从你的卧室里拿出来，仔细检查一下。你会注意到熟悉的带子延伸，然后是令人满意的弹跳动作，因为它回到了原来的形状。就像橡皮筋，但不是。当你把手放在橡皮筋上时，你碰到的是生橡胶。当你用弹力腰带做同样的事情时，你会碰到织物。gydF4y2Ba

信不信由你，今天如此常见的三角裤和平角裤，配有松紧带，直到20世纪30年代和40年代才被发明出来。在此之前，人们必须找到其他装置来固定内衣。gydF4y2Ba

怎么花了这么长时间?有些是时尚惯性——没坏就别修——但有些是工业需要。纺织制造商要么必须调整他们的操作来生产弹性材料，要么就得寻找能够以经济效益提供弹性材料的合作伙伴。不管怎样，制造松紧带和制造其他机织织物并没有什么不同。它需要一台织布机，这种机器可以让纵向的经线和横向的纬线交织在一起。在普通的机织织物中，这些线是由棉花或羊毛等天然纤维制成的纱线组成的。但在弹力纤维中，纱线是用天然或合成橡胶束在一起的。gydF4y2Ba

今天，自动化织布机处理织造过程，尽管其结果是一样的:可用于一系列服装的弹性织物。到目前为止，我们关注的是平角裤和三角裤中的弹力腰带，因为它们是一个方便的例子。但从胸罩、腰带到背带裤和松腰裤，弹力都无处不在。甚至是随手可得的电击绳，或者gydF4y2Ba蹦极gydF4y2Ba它的生命开始于一个纺织制造厂。gydF4y2Ba

把这些可拉伸的物品切开，你会发现一个共同的元素:细橡胶线或粗橡皮筋，就像你在办公室或厨房里使用的那样。有趣的是，橡皮筋并不是古老的发明。就像包含橡皮筋的腰带一样，橡皮筋是一个时髦的现代成功故事。gydF4y2Ba

这棵树让弹力裤成为可能!gydF4y2Ba

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在18世纪末和19世纪初，世界变得非常小。各种大小的船都载着水手，gydF4y2Ba海盗gydF4y2Ba和探险家到每一个大陆的异国港口。一路上，他们看到了奇怪的食物、矿物和其他自然材料，这是他们所访问的土地上的土著人民所知道的。他们在中美洲和南美洲发现的最奇怪的物质之一是gydF4y2Ba橡胶gydF4y2Ba这是印第安人“垂柳”一词的法语拼写。这里所说的木材是指橡胶树属的树木和灌木。当在橡胶树的树皮上做切口时，它们会渗出一种乳白色的物质，称为乳胶。南美印第安人发现，让乳胶挥发后，会产生一种柔韧、有弹性的材料，可以做成球状，用于斗篷，制成鞋子和瓶子。gydF4y2Ba

从中美洲和南美洲返回欧洲的水手们带来了一些原材料，以及由其制成的物品。著名的英国化学家约瑟夫·普里斯特利(Joseph Priestley)在18世纪末用这种物质做过实验，发现它能非常有效地擦掉铅笔上的记号。到1804年普里斯特利去世时，他所谓的“橡胶”在全世界都有很高的需求。风险资本家,gydF4y2Ba发明家gydF4y2Ba一夜暴富的阴谋者们争相将这种有弹性的防水材料转化为有用的商品和服装。不幸的是，橡胶在很窄的温度范围内都很稳定。gydF4y2Ba

有两个人在大西洋两岸工作，努力制造一种稳定的橡胶。其中一个是查尔斯·古德伊尔(Charles Goodyear)，一个体弱多病的商人，他在费城、纽约市和马萨诸塞州的沃本进行了实验。另一位是英国发明家托马斯·汉考克(Thomas Hancock)，他曾与查尔斯·麦金塔(Charles Macintosh)合作制造防水斗篷。汉考克还发明了一种方法，通过从橡胶瓶和未加工的橡胶块上切割薄片来制造简单的弹性螺纹。他对这一过程产生的大量废物感到沮丧，于是在1820年继续设计和开发咀嚼机——一种可以咀嚼和搅动橡胶碎片的机器，直到它们融合在一起成为一整片有用的材料。然而，即使是机智的汉考克也未能阐明在极端温度下稳定橡胶所需的化学步骤。gydF4y2Ba

1839年，固特异首先找到了金矿。通过用硫磺慢煮乳胶，他最终发现了一种将橡胶转化为几乎无限用途的耐用材料的方法。他把一些新橡胶寄给了他的妹夫，他的妹夫是一个纺织制造商，他立即看到了这种橡胶的潜力，将橡胶融入到男士衬衫中，创造出当时流行的褶皱效果。固特异还向英国橡胶公司寄去了样品。最终，一些零件到了托马斯·汉考克(Thomas Hancock)的手中，他对固特异的硫基制造技术进行了逆向工程。1843年，汉考克申请了gydF4y2Ba专利gydF4y2Ba这个过程，他现在称之为gydF4y2Ba硫化gydF4y2Ba这个名字来自罗马火神伏尔甘。gydF4y2Ba

现在，橡胶热潮终于可以真正开始了。新的公司出现了，橡胶产品——从鞋子到床单——充斥着市场。1845年，伦敦的斯蒂芬·佩里和托马斯·巴纳巴斯·达夫特从硫化橡胶管上切下窄环，发明了现代橡皮筋。今天，生产橡皮筋的过程与此大致相同。首先，工人们根据所需的弹性特性将乳胶与一系列化学物质混合，从而制造出橡胶。然后，他们挤压生橡胶化合物，使其形成一个长长的空心管。他们把这种橡胶套套在一种叫做心轴的圆管上，让材料暴露在高温高压下。这是gydF4y2Ba硫化过程gydF4y2Ba它可以固化橡胶，并无限期地稳定它。最后，他们从管子的末端切下狭窄的橡胶带，清洗和干燥，然后包装运输。gydF4y2Ba

橡胶线也是用同样的方法制作的，只是它们是从橡胶片而不是管子上切割下来的。这些天然橡胶条被送到纺织制造商那里，他们用天然纤维纱线编织出有弹性的线，制成有弹性的产品。一些制造商还使用合成弹性材料制成的线。gydF4y2Ba

氨纶:摇滚明星的朋友。1981年，大卫·李·罗斯(David Lee Roth)在费城的一场演出中与范·海伦(Van Halen)一起表演时，展示了他的弹力内衣。gydF4y2Ba

©Scott Weiner /Retna /Retna Ltd./CorbisgydF4y2Ba

把乳胶变成可用的橡胶可能是科学上最伟大的成就之一。但紧随这一突破而来的是另一项——合成或人造橡胶的发展gydF4y2Ba石油gydF4y2Ba和其他矿物质。这些工作大多发生在第二次世界大战期间和二战后，战时天然橡胶的短缺促使各国政府投资于相应的研发。gydF4y2Ba

所有这些研发导致了三种重要的合成材料:丁二烯橡胶，苯乙烯-丁二烯橡胶和乙烯-丙烯单体。所有这些材料都很柔软，具有高度的柔韧性和弹性，至少在理论上可以直接替代通常用天然橡胶制成的产品。然而，它们都缺乏同样的抗弯能力——能够承受无数次的弯曲周期而不损坏或恶化的能力——与它们的天然同类相比。虽然这些合成材料非常适合汽车gydF4y2Ba轮胎gydF4y2Ba在其他工业应用中，它们不太受纺织制造商的欢迎，他们仍然更喜欢从天然橡胶中切割的纤维。gydF4y2Ba

1959年，这一切都改变了，当时杜邦公司的两位化学家引入了一种由聚氨酯制成的合成纤维。聚氨酯是一种合成树脂，其中的聚合物单元由聚氨酯基团连接。大多数人都知道聚氨酯是涂料、清漆、粘合剂和泡沫的主要成分。但是，当聚合物被稀释，然后强行通过含有微小孔隙的金属板时，它会形成液体聚合物链，然后加热和干燥，形成固体纤维。杜邦公司的化学家称这些纤维为氨纶，公司将其新产品命名为莱卡，目标客户是“女士打底衣”的制造商。gydF4y2Ba

氨纶对纺织工业有一些有用的特性。纤维，通常是暗白色的，很容易接受染料。它们几乎不吸湿，在中等温度下机洗和干燥时保持稳定。但它们最吸引人的特点是极具弹性。氨纶纤维可以在不断裂的情况下被拉伸数百倍，并迅速恢复到原来的长度。这使它们成为一系列服装的理想选择，在这些服装中通常会搭配其他合成纤维，如尼龙，或天然纤维，如棉花。例如，一件典型的塑身内衣可能含有80%的尼龙，18%的氨纶和2%的棉花。gydF4y2Ba

当氨纶首次被引入市场时，它被用在了常见的服装中——胸罩、运动绑带和运动装备。今天，氨纶可能被认为是现代弹性材料，美国人购买的80%的衣服中都含有这种关键的结构材料[来源:gydF4y2BaPenalozagydF4y2Ba］．制造商将氨纶织成从内衣到外套的所有东西，包括将氨纶和棉花结合在一起的创新设计“睡衣牛仔裤”(pajamjeans)gydF4y2Ba牛仔布gydF4y2Ba创造出合身的、弯曲的裤子。gydF4y2Ba

我们如此喜爱的氨纶的性能是一些有趣的科学的直接结果。接下来，我们将从t台走向化学实验室。gydF4y2Ba

我们已经知道弹性材料可以拉伸并恢复到原来的形状，因为它含有橡胶纤维或类似橡胶的材料。但为什么橡胶一开始会有这种表现呢?科学家们现在知道橡胶属于一类化合物，叫做gydF4y2Ba弹性体gydF4y2Ba这是“弹性”和“聚合物”的混合体。聚合物分子看起来像是重复单位的长链。这些单体在整个分子长度上都是相同的，并通过强共价键连接在一起。在大多数聚合物中，碳原子构成了链的主干。gydF4y2Ba

有趣的地方就在这里。许多聚合物含有大而笨重的单体，这意味着分子的各个组成部分聚集在一起。这使得聚合物在室温下变得坚硬而不灵活。其他聚合物的亚基结合得非常好，在常温下形成晶体排列。这些聚合物为我们提供了塑料和树脂。然后是弹性体，它们的排列完全不同。在正常情况下，弹性体的长分子不规则地盘绕在一起，就像一群蜿蜒的蛇。当一个力作用在这些分子上时，它们会沿着被拉的方向变直。想象一下gydF4y2Ba蛇gydF4y2Ba突然对齐，伸展到全身，从头到尾。一旦力被释放，分子就会自发地回到它们正常的、盘绕的排列。gydF4y2Ba

这条分界线gydF4y2Ba塑料gydF4y2Ba聚合物和弹性聚合物是一种称为温度的聚合物gydF4y2Ba玻璃化转变温度gydF4y2Ba,或者TgydF4y2Ba_ggydF4y2Ba．极其灵活的分子的玻璃化转变温度在零下195华氏度(零下125摄氏度)的范围内。刚性或结晶分子的玻璃化转变温度可高达419华氏度(215摄氏度)。例如,TgydF4y2Ba_ggydF4y2Ba聚苯乙烯(用于泡沫聚苯乙烯)和聚甲基丙烯酸甲酯(用于有机硅)的温度是212华氏度(100摄氏度)。gydF4y2Ba

天然橡胶是一种叫做聚异戊二烯的聚合物。它是由异戊二烯的重复单元构成的，异戊二烯是一种由五个碳原子和八个氢原子组成的碳氢化合物。在长链形式下，聚异戊二烯可以形成四种三维形状之一，化学家称之为异构体。天然橡胶几乎完全由其中一种异构体组成，即顺- 1,4聚异戊二烯。gydF4y2Ba

正如我们已经注意到的，天然橡胶在相当狭窄的温度范围内都是稳定的。当异戊二烯分子开始冷却时，它会结晶。随着温度升高，它开始失去弹性。如果它与大气中的氧气和臭氧发生反应，分子就会在碳对碳双键处开始分解。在硫化过程中，聚异戊二烯与硫加热，使相邻的聚合物链通过硫原子连接在一起，形成一个松散的分子网络，克服了未经处理橡胶的所有缺点。gydF4y2Ba

你不需要知道这些来享受你的弹力衣服和配饰。话说回来，想想你腰带上的松紧带可能来自南美洲的丛林，或者你的塑身内衣Spanx应该归功于两位来自杜邦公司(DuPont)、携带口袋保护装置、携带高分子材料的化学家。gydF4y2Ba