Wetenschappers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben een nieuwe manier ontwikkeld om de hoogwaardige vezels te onderzoeken die worden gebruikt in moderne kogelvrije vesten. beschreven in de Journal of Polymer Science , het onderzoek kan helpen het vertrouwen te vergroten in de kleding die militaire eenheden beschermt, politiediensten en publieke figuren van geweervuur. Het kan ook leiden tot de ontwikkeling van nieuwe, lichtere materialen voor kogelvrije vesten in de toekomst.

Hoogwaardige polymeervezels worden al meer dan 40 jaar gebruikt in ballistische toepassingen. traditioneel, deze vezels worden samengeweven tot een stof en vervolgens 15-20 keer gelaagd om een ​​vest te maken met een dikte van ongeveer 6 tot 13 millimeter (een kwart tot een halve inch). Hoewel effectief bij het stoppen of vertragen van kogels, gebruikers hebben deze vesten soms gevonden, die onder of over kleding worden gedragen, om zwaar en volumineus te zijn - vergelijkbaar met het dragen van 15 tot 20 shirts tegelijk op een warme zomerdag. Velen willen een comfortabeler alternatief.

Het testen van zachte kogelvrije vesten was een grote zorg omdat de inzet van een nieuw soort vezel - waarvan men aanneemt dat het superieur is aan het vorige materiaal - in 2003 onverwachts faalde, met de dood van een politieagent tot gevolg. Dat en andere incidenten leidden tot een terugroepactie in 2005 van enkele van de vesten die met het nieuwe materiaal waren gemaakt.

Hoewel de prestaties van deze vesten superieur waren toen ze vers uit de doos en in onberispelijke staat waren, later bleek uit tests dat de mechanische eigenschappen van de vezels in de vesten na een paar maanden normaal dragen achteruit gingen. De nieuwe vesten werden uiteindelijk volledig van de markt gehaald en de fabrikant werd aangeklaagd door het ministerie van Justitie (DOJ).

Het DOJ schakelde NIST in om het probleem te helpen evalueren en te bepalen waarom deze vesten faalden. Als het meetlaboratorium van het land, NIST-onderzoekers zijn bijzonder gekwalificeerd om manieren te ontwikkelen om zowel de vezels als hun uiteindelijke achteruitgang te karakteriseren.

"De vezels in deze ballistische toepassingen kunnen niet falen [in het veld], punt uit, " zei Gale Holmes, een materiaalonderzoeker bij NIST. "Maar vroeger we hadden geen manier om te weten of ze in de loop van de tijd veranderden, omdat mensen ze droegen en gebruikten."

De ideale mechanische eigenschappen voor deze vesten en andere uitrusting omvatten een combinatie van hoge stijfheid, grote treksterkte, en een aanzienlijke spanning-tot-mislukking om de impact van de kogel te absorberen. Uit het eerste werk van Holmes bleek dat de natuurlijke plooien en vouwen die een vest normaal gesproken tijdens gebruik tegenkomt, leidde tot een aanzienlijke verslechtering van deze kritische mechanische eigenschappen, vooral in vochtige omgevingen.

Terwijl de achteruitgang van de mechanische eigenschappen vanzelfsprekend was, wat ontbrak was een analytische techniek om de structurele of chemische verschillen in de vezels te karakteriseren die hun prestatieverlies zouden verklaren. Hoewel er geen materiaal is dat onder alle omstandigheden volledig "kogelvrij" kan zijn, onderzoekers wilden een manier om materialen te karakteriseren voor hun variërende vermogen om de impact van een kogel te verminderen, vooral na gebruik in het veld.

De karakteriseringsmethode die door Holmes en Christopher Soles van NIST werd geselecteerd, maakte gebruik van een intense positronenbundelfaciliteit bij de PULSTAR-kernreactor van de North Carolina State University.

De positron-annihilatie-levensduurspectroscopie (PALS)-techniek biedt een beeld op moleculair niveau van de structuur van materialen. Het is gebruikt voor het testen van materialen in andere sectoren, inclusief poreuze membranen en halfgeleiderisolatoren. Voor dit werk, positronen werden in ballistische vezels geïnjecteerd en stelden onderzoekers in staat om te bepalen of er holtes zijn ontstaan ​​tijdens het vouwen op een schaal van minder dan 5 nanometer.

PALS gebruiken, Holmes en Soles ontdekten dat holteniveaus zeer gevoelige indicatoren zijn voor schade aan de vezels na het vouwen; een grotere populatie holtes betekent een grotere kans op vezelfalen. Het team vermoedde eerder dat het creëren van lege ruimtes een cruciaal onderdeel was van mechanische degradatie, maar de röntgenverstrooiingsmetingen met een kleine hoek die in het verleden waren gebruikt, waren meestal minder gevoelig voor holtes kleiner dan 5 nanometer en bleken niet doorslaggevend te zijn. De kritieke schade deed zich voor op veel fijnere lengteschalen.

"Het stelde ons in staat om veranderingen in de vezels te karakteriseren die je met andere technieken niet kunt zien, "Zei Holmes. "We waren tijdens ons onderzoek verrast hoe gevoelig de techniek was."

"Voordat, we hadden niet echt een goede manier om te onderscheiden waarom sommige materialen braken tijdens vouwtests en andere niet, "zei Soles. "Dit is de eerste materiaalkarakteriseringstool die inzicht geeft in waarom sommige materialen kunnen worden gevouwen en toch hun sterkte behouden."

De resultaten kunnen dienen als een ontwerpcue voor diegenen die nieuwe alternatieven voor de huidige kogelvrije vesten willen ontwikkelen. Het kan ook helpen bij het verfijnen van de hoeveelheid vezels die momenteel voor deze producten worden voorgeschreven, zorgen voor meer comfortabele vesten.