Le personnel travaillant dans des environnements extrêmes a besoin d’un équipement qui protège contre de multiples dangers. Actuellement, la protection contre les menaces thermiques et balistiques nécessite la combinaison de plusieurs matériaux hautes performances qui augmentent le poids et la complexité des équipements.
Les chercheurs de l’Université de Harvard, en collaboration avec le Soldier Center (CCDC SC) du Commandement du développement des capacités de l’armée américaine (CCDC SC) et West Point, ont développé un matériau nanofibreux léger et multifonctionnel qui peut protéger les utilisateurs des températures extrêmes et des menaces balistiques. La recherche est publiée dans la revue Matter.
Afin d’atteindre cet objectif pratique, les chercheurs devaient explorer le compromis entre la protection mécanique et l’isolation thermique, des propriétés ancrées dans la structure moléculaire et l’orientation d’un matériau.
Le Kevlar et le Twaron sont des produits commerciaux largement utilisés dans les équipements de protection et peuvent fournir une protection balistique ou thermique, selon la façon dont ils sont fabriqués. Le kevlar tissé, par exemple, a une structure cristalline très alignée et est utilisé dans les gilets pare-balles de protection. Les aérogels poreux en Kevlar, d’autre part, se sont révélés avoir une isolation thermique élevée.
«Notre idée était d’utiliser ce polymère de Kevlar pour combiner la structure tissée et ordonnée des fibres avec la porosité des aérogels pour créer de longues fibres continues avec un espacement poreux entre les deux», selon l’équipe. “Dans ce système, les fibres longues pourraient résister à un impact mécanique tandis que les pores limiteraient la diffusion de la chaleur.”
L’équipe de recherche a utilisé le Rotary Jet-Spinning par immersion (iRJS), une technique développée par Parker Disease Biophysics Group, pour fabriquer les fibres. Dans cette technique, une solution de polymère liquide est chargée dans un réservoir et expulsée à travers une petite ouverture par la force centrifuge pendant que l’appareil tourne. Lorsque la solution de polymère sort du réservoir, elle passe d’abord par une zone de plein air, où les polymères s’allongent et les chaînes s’alignent. Ensuite, la solution frappe un bain liquide qui élimine le solvant et précipite les polymères pour former des fibres solides. Comme le bain tourne également – comme de l’eau dans un essoreuse à salade – les nanofibres suivent le flux du vortex et s’enroulent autour d’un collecteur rotatif à la base de l’appareil.
En ajustant la viscosité de la solution de polymère liquide, les chercheurs ont pu faire tourner de longues nanofibres alignées en feuilles poreuses – fournissant suffisamment d’ordre pour se protéger des projectiles mais suffisamment de désordre pour se protéger de la chaleur. En environ 10 minutes, l’équipe a pu faire tourner des feuilles d’environ 10 sur 30 centimètres.
Pour tester les feuilles, l’équipe de Harvard s’est tournée vers ses collaborateurs pour effectuer des tests balistiques. Des chercheurs du CCDC SC à Natick, dans le Massachusetts, ont simulé l’impact des éclats d’obus en tirant de gros projectiles de type BB sur l’échantillon. L’équipe a effectué des tests en prenant en sandwich les feuilles de nanofibres entre des feuilles de Twaron tissé. Ils ont observé peu de différence de protection entre une pile de toutes les feuilles de Twaron tissées et une pile combinée de Twaron tissé et de nanofibres filées.
En testant la protection thermique, les chercheurs ont découvert que les nanofibres fournissaient 20 fois la capacité d’isolation thermique des Twaron et Kevlar commerciaux. Le Bureau du développement technologique de Harvard a déposé une demande de brevet pour la technologie et recherche activement des opportunités de commercialisation.
Source: https://news.harvard.edu/-29/06/2020