29 juni 2020 (Nanowerk NieuwsSinds de Eerste Wereldoorlog is de overgrote meerderheid van de Amerikaanse gevechtsslachtoffers niet het gevolg van schotwonden, maar van explosies. Tegenwoordig dragen de meeste soldaten een zwaar, kogelvrij vest om hun romp te beschermen, maar een groot deel van hun lichaam blijft blootgesteld aan het willekeurige doel van explosieve fragmenten en granaatscherven. Het ontwerpen van apparatuur om ledematen te beschermen tegen de extreme temperaturen en dodelijke projectielen die gepaard gaan met een explosie is moeilijk geweest vanwege een fundamentele eigenschap van materialen. Materialen die sterk genoeg zijn om bescherming te bieden tegen ballistische dreigingen kunnen niet beschermen tegen extreme temperaturen en omgekeerd. Als gevolg hiervan bestaat een groot deel van de huidige beschermende uitrusting uit meerdere lagen van verschillende materialen, wat leidt tot omvangrijke, zware uitrusting die, als deze op de armen en benen wordt gedragen, de mobiliteit van een soldaat ernstig zou beperken. Nu hebben onderzoekers van de Harvard Universiteit, in samenwerking met het US Army Combat Capabilities Development Command Soldier Center (CCDC SC) en de United States Military Academy in West Point, een lichtgewicht, multifunctioneel nanovezelmateriaal ontwikkeld dat dragers kan beschermen tegen zowel extreme temperaturen als ballistische schokken. gevaren. Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Materie (“para-aramidevezelplaten voor gelijktijdige mechanische en thermische bescherming in extreme omgevingen”). “Toen ik in Afghanistan aan het vechten was, zag ik uit de eerste hand hoe kogelvrije vesten levens konden redden”, zegt senior auteur Kit Parker, hoogleraar bio-ingenieur en toegepaste natuurkunde van de Tarr-familie aan de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS). ) en een luitenant-kolonel in de United States Army Reserve. “Ik zag ook hoe zware kogelvrije vesten de mobiliteit konden beperken. Als soldaten op het slagveld zijn de drie belangrijkste taken bewegen, schieten en communiceren. Als je één daarvan beperkt, verminder je de overlevingskansen en breng je het succes van de missie in gevaar.” “Ons doel was om een multifunctioneel materiaal te ontwerpen dat iemand die in een extreme omgeving werkt, zoals een astronaut, brandweerman of soldaat, zou kunnen beschermen tegen de vele verschillende bedreigingen waarmee ze worden geconfronteerd”, zegt Grant M. Gonzalez, een postdoctoraal onderzoeker bij SEAS en eerste auteur van het artikel. Om dit praktische doel te bereiken, moesten de onderzoekers de wisselwerking tussen mechanische bescherming en thermische isolatie onderzoeken, eigenschappen die geworteld zijn in de moleculaire structuur en oriëntatie van een materiaal. Materialen met een sterke mechanische bescherming, zoals metalen en keramiek, hebben een zeer geordende en uitgelijnde moleculaire structuur. Dankzij deze structuur kunnen ze de energie van een directe klap weerstaan en verdelen. Isolatiematerialen hebben daarentegen een veel minder geordende structuur, waardoor de warmteoverdracht door het materiaal wordt verhinderd.
De lege ruimte tussen de nanovezels beperkt de warmtediffusie. (Afbeelding: Grant Gonzalez/Harvard SEAS) Kevlar en Twaron zijn commerciële producten die veelvuldig worden gebruikt in beschermende uitrusting en die ballistische of thermische bescherming kunnen bieden, afhankelijk van de manier waarop ze worden vervaardigd. Geweven Kevlar heeft bijvoorbeeld een sterk uitgelijnde kristallijne structuur en wordt gebruikt in beschermende kogelvrije vesten. Van poreuze Kevlar-aerogels is daarentegen aangetoond dat ze een hoge thermische isolatie hebben.
"Ons idee was om dit Kevlar-polymeer te gebruiken om de geweven, geordende structuur van vezels te combineren met de porositeit van aerogels om lange, doorlopende vezels te maken met een poreuze tussenruimte", zegt Gonzalez. “In dit systeem zouden de lange vezels bestand zijn tegen mechanische schokken, terwijl de poriën de warmtediffusie zouden beperken.” Het onderzoeksteam gebruikte immersion Rotary Jet-Spinning (iRJS), een techniek ontwikkeld door Parker's Disease Biophysics Group, om de vezels te vervaardigen. Bij deze techniek wordt een vloeibare polymeeroplossing in een reservoir geladen en door middel van middelpuntvliedende kracht door een kleine opening naar buiten gedrukt terwijl het apparaat draait. Wanneer de polymeeroplossing uit het reservoir schiet, gaat deze eerst door een gebied met open lucht, waar de polymeren langer worden en de ketens op één lijn liggen. Vervolgens komt de oplossing in een vloeistofbad terecht dat het oplosmiddel verwijdert en de polymeren neerslaat om vaste vezels te vormen. Omdat het bad ook ronddraait – zoals water in een slacentrifuge – volgen de nanovezels de stroom van de draaikolk en wikkelen zich rond een roterende collector aan de onderkant van het apparaat.
Door de viscositeit van de vloeibare polymeeroplossing af te stemmen, waren de onderzoekers in staat lange, uitgelijnde nanovezels tot poreuze vellen te spinnen – wat voldoende orde bood om te beschermen tegen projectielen, maar voldoende wanorde om te beschermen tegen hitte. In ongeveer 10 minuten kon het team vellen van ongeveer 10 bij 30 centimeter groot spinnen.
Om de platen te testen, wendde het Harvard-team zich tot hun medewerkers om ballistische tests uit te voeren. Onderzoekers van CCDC SC in Natick, Massachusetts simuleerden de impact van granaatscherven door grote, BB-achtige projectielen op het monster af te schieten. Het team voerde tests uit door de nanovezelvellen tussen vellen geweven Twaron te klemmen. Ze constateerden weinig verschil in bescherming tussen een stapel van allemaal geweven Twaron-vellen en een gecombineerde stapel van geweven Twaron en gesponnen nanovezels.
“Dankzij de mogelijkheden van de CCDC SC kunnen we de successen van onze vezels kwantificeren, specifiek vanuit het perspectief van beschermende uitrusting voor oorlogsstrijders”, aldus Gonzalez.
“Academische samenwerkingen, vooral die met vooraanstaande lokale universiteiten zoals Harvard, bieden CCDC SC de mogelijkheid om geavanceerde expertise en faciliteiten in te zetten om onze eigen R&D-capaciteiten te vergroten”, zegt Kathleen Swana, onderzoeker bij CCDC SC en een van de auteurs van het artikel. . “CCDC SC biedt in ruil daarvoor waardevolle wetenschappelijke en op soldaten gerichte expertise en testmogelijkheden om het onderzoek vooruit te helpen.” Bij het testen op thermische bescherming ontdekten de onderzoekers dat de nanovezels twintig keer zoveel warmte-isolatievermogen boden als commerciële Twaron en Kevlar.
"Hoewel er verbeteringen mogelijk zijn, hebben we de grenzen van wat mogelijk is verlegd en zijn we begonnen het veld in de richting van dit soort multifunctioneel materiaal te bewegen", aldus Gonzalez.
“We hebben laten zien dat je zeer beschermend textiel kunt ontwikkelen voor mensen die in gevaar werken”, aldus Parker.
