蔣曉軍， 王華林， 凌軍， 殷德飛

(陸軍工程兵科研一所， 江蘇 無錫 214035)

超吸水性控溫綠色偽裝織物的制備與性能研究

蔣曉軍， 王華林， 凌軍， 殷德飛

(陸軍工程兵科研一所， 江蘇 無錫 214035)

從控制目標(biāo)表面輻射溫度、模擬綠色植被光譜反射特性出發(fā)，借鑒植物葉片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過超吸水性樹脂進(jìn)行纖維原位聚合、綠色偽裝色水性色漿計算機(jī)配色的技術(shù)途徑，開發(fā)了超吸水性控溫綠色偽裝織物，試制了超吸水性偽裝樣網(wǎng)。經(jīng)測試：織物在380～1 800 nm波長范圍內(nèi)具有與綠色植物相似的光譜反射特性，能夠模擬綠色植物的水分吸收特征峰；通過水分的緩慢蒸騰降溫，超吸水性偽裝樣網(wǎng)在24 h內(nèi)可基本模擬植被的紅外輻射溫度，紅外熱圖與植被融合較好。實(shí)現(xiàn)了材料吸水保水的可調(diào)控，提高了材料的工程化應(yīng)用程度。

兵器科學(xué)與技術(shù)； 偽裝； 植物仿生； 超吸水性纖維； 水性色漿； 光學(xué)； 紅外

0 引言

綠色偽裝材料在可見光波段的綠色反射峰和780～1 300 nm的“近紅外高原”波段反射率的波動性，是分析和識別綠色偽裝材料的有效光譜特征[1]。綠色植物葉片的紅外發(fā)射率基本都在0.9以上，但在陽光長久照射下，由于植物的蒸騰作用帶走了葉片吸收的大部分熱量，降低了葉片表面輻射溫度而能保持較低的紅外輻射。

紅外偽裝材料不僅要能模擬背景的光譜反射特性，還要能模擬背景的紅外輻射特性。傳統(tǒng)的綠色紅外偽裝涂料主要通過摻入紅外高反射金屬顏料來降低紅外輻射強(qiáng)度，但由于金屬顏料、著色顏料之間的相容性與匹配性干擾，難以同時模擬綠色植被光學(xué)與紅外波譜特性。研究表明：要實(shí)現(xiàn)綠色偽裝材料與植物葉片相似的反射光譜和紅外輻射特征，材料應(yīng)具備3個基本條件：一是應(yīng)具有漫反射粗糙表面；二是具有疏松多孔結(jié)構(gòu)；三是內(nèi)部含有葉綠素和水[2]?；诜律鷮W(xué)原理和方法，通過研究植物的生命組織結(jié)構(gòu)和生理活動特征，為開發(fā)綠色植物仿生的新型紅外偽裝材料提供了創(chuàng)新思路。

楊玉杰等設(shè)計了一種4層復(fù)合的仿生偽裝材料，表層為具有粗糙表面的透明防水材料，第二層為包封葉綠素的高隔氧材料薄膜，第三層為封裝水的高隔水材料袋，底層為具有疏松多孔結(jié)構(gòu)的材料，與植物葉片的反射光譜特征相似度可達(dá)0.988 1，且經(jīng)過3個月日照后光譜特征不變[3]。蔣曉軍等在前期研究中，模擬植物的水分蒸騰作用，以聚乙烯醇作為材料成型物質(zhì)和水分吸脫附材料，以鉻綠、大分子黃等光學(xué)顏料作為著色劑，采用化學(xué)鑄膜方法制備了植物仿生偽裝薄膜，能較好模擬植被的光譜反射特性，且具有與綠色植物相似的紅外輻射日周期變化趨勢，與綠色植物的日平均輻射溫差為0.37 ℃，最大溫差0.9 ℃[4].

超吸水性樹脂是一種新型功能高分子材料，具有吸水容量大、速度快、保水能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，利用超吸水材料與基底材料進(jìn)行有效復(fù)合，能夠制備出模擬植物葉片的含水織物。水性色漿是顏料和水形成的穩(wěn)定分散體系，可以避免直接使用顏料所導(dǎo)致的著色力低、顏料消耗量大等一系列缺陷，進(jìn)而提高配色效率和準(zhǔn)確性，滿足配色多樣化需求。本文從控制表面輻射溫度、模擬綠色植被光學(xué)反射特性出發(fā)，在前期研究的基礎(chǔ)上，提出通過超吸水性樹脂進(jìn)行纖維原位聚合、綠色偽裝色水性色漿計算機(jī)配色的技術(shù)途徑，開發(fā)超吸水性控溫綠色偽裝織物的設(shè)計思路，力求實(shí)現(xiàn)材料吸水保水的可調(diào)控、克服天然葉綠素光穩(wěn)定性差等不足，實(shí)現(xiàn)材料的工程化應(yīng)用。

1 研究方法

1.1 超吸水性控溫綠色偽裝織物設(shè)計

借鑒植物葉片結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，超吸水性控溫綠色偽裝織物主要由支撐網(wǎng)眼布、超吸水材料層、超吸水材料保護(hù)層和表面?zhèn)窝b涂層組成“三明治”多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 超吸水性控溫綠色偽裝織物的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of super absorbent and temperature control green camouflage fabric

圖1中：支撐網(wǎng)眼布由高強(qiáng)度滌綸紡織而成，經(jīng)親水處理，主要用于附著超吸水材料、增強(qiáng)面料強(qiáng)力，模擬植物葉片中的葉脈；利用穿刺工藝在網(wǎng)眼布上附著疏松的長、細(xì)纖維并進(jìn)行親水性處理，采用化學(xué)聚合的方法，在纖維表面聚合超吸水樹脂用以模擬植物葉片的葉肉結(jié)構(gòu)；超吸水材料保護(hù)層為具有保護(hù)功能的透氣、透水功能膜，用以模擬植物葉片的上、下表皮結(jié)構(gòu)，阻止超吸水樹脂吸水膨脹后溢出、脫落，防止外部刮擦；表面?zhèn)窝b涂層的主要成分為水性偽裝色漿和透氣成膜材料等，可模擬植物光譜反射特性，保護(hù)內(nèi)層材料。

1.2 超吸水性樹脂的纖維原位聚合

常見的吸水樹脂，如丙烯酸鹽類、乙酸乙烯酯- 丙烯酸酯共聚物皂化物、聚乙烯醇- 無水馬來酸酐反應(yīng)物、淀粉- 丙烯酸鹽接枝聚合產(chǎn)物等，盡管具有較高的吸水倍率(100～1 500)，但普遍存在強(qiáng)度低、耐熱性差和涂料難以相容等不足。本文對丙烯酸鹽類樹脂進(jìn)行結(jié)構(gòu)改性制備超吸水樹脂，以其為對象制備超吸水性纖維(SAF)。丙烯酸鹽超吸水性樹脂為三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由樹脂分子鏈間的相互纏繞物理交聯(lián)和化學(xué)交聯(lián)形成，其吸水膨脹性由結(jié)構(gòu)中含有的大量親水基團(tuán)決定，如圖2所示。通過將聚合單體浸軋在基布纖維的微孔道中，以引發(fā)劑、交聯(lián)劑引發(fā)聚合反應(yīng)，使其包覆在纖維外部形成立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以提高吸水樹脂與纖維之間的作用力，從而提高織物纖維與樹脂之間的復(fù)合牢度，改進(jìn)穩(wěn)定性能，克服上述常見吸水材料的不足。聚合反應(yīng)過程如圖3所示。

1)按質(zhì)量百分比配制聚合反應(yīng)原液，其組成為：聚乙烯醇2%～8%，水55%～93%，水溶性單體4%～25%，引發(fā)劑0.01%～0.5%，交聯(lián)劑0.05%～0.5%，光穩(wěn)定劑0.04%～0.25%.

2)將洗滌和干燥后的基布浸泡在聚合反應(yīng)原液中，浸泡1～60 min，基布脫離滾輪后膨脹吸液，使聚合反應(yīng)液通過網(wǎng)眼布的疏松結(jié)構(gòu)吸附到網(wǎng)眼布內(nèi)部。

3)將浸泡后的基布取出軋去多余液體，置于50～90 ℃的烘箱或烘道內(nèi)進(jìn)行預(yù)聚合反應(yīng)，反應(yīng)時間0.5～2 h.

4)將預(yù)聚合反應(yīng)后的基布置于100～150 ℃的烘箱內(nèi)進(jìn)行交聯(lián)或干燥，時間20～80 min，干燥完成后得到超吸水性織物。

1.3 綠色偽裝水性色漿的計算機(jī)配色

基于減色法配色基本理論，通過分析綠色植被的光譜反射特征，確定綠色、紅色、黃色、紫色、白色的基礎(chǔ)色體系。充分發(fā)揮水性偽裝色漿光譜反射特性穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，分別選擇顏料綠、顏料紅、顏料黃、顏料紫4種有機(jī)顏料以及二氧化鈦顏料，制備了5種基礎(chǔ)色顏料水性色漿。利用計算機(jī)配色軟件，在限定色差條件下，通過目標(biāo)偽裝色與偽裝基礎(chǔ)色配方數(shù)據(jù)庫比對實(shí)現(xiàn)偽裝色計算機(jī)配色，其配色流程為：

1)建立偽裝色基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，錄入基礎(chǔ)色顏料水性色漿的光譜反射特性數(shù)據(jù)，積累水性偽裝色復(fù)配配方，根據(jù)需要擴(kuò)充偽裝色種類和數(shù)據(jù)；

2)通過手持式分光光度計獲取標(biāo)準(zhǔn)色板的目標(biāo)偽裝色光譜反射特性數(shù)據(jù)；

3)將測得目標(biāo)偽裝色與數(shù)據(jù)庫偽裝色的光譜特性進(jìn)行比對，通過明度差、紅綠色品差、黃藍(lán)色品差和色差等參數(shù)計算，給出由不同基礎(chǔ)色顏料水性色漿組成的初始配方，給出綠色偽裝水性色漿配方的優(yōu)化建議。

2 結(jié)果與分析

2.1 綠色偽裝水性色漿配方

以本文制備的5種基礎(chǔ)色顏料水性色漿開展了綠色偽裝水性色漿配制，獲得黃綠、深綠、中綠、翠綠4種顏色6個配方，結(jié)果見表1.

表1 綠色水性偽裝色漿的組成

6種綠色偽裝色水性色漿配方與國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB 1082—1991《偽裝網(wǎng)用顏色》相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)色的色差、可見光亮度對比、近紅外亮度對比分別為1.82～2.99，0.030～0.057和0.03～0.20.

2.2 超吸水性控溫綠色偽裝織物

將綠色偽裝水性色漿涂布在超吸水性織物表面，經(jīng)50 ℃烘箱烘干后即成超吸水性控溫綠色偽裝織物。在制備超吸水性織物過程中加入了光穩(wěn)定劑、紫外光催化劑等功能助劑。光穩(wěn)定劑選擇具有介孔結(jié)構(gòu)的納米二氧化硅，可大大提高超吸水聚合物與滌綸絲的結(jié)合牢度和SAF的吸水后強(qiáng)度。紫外光催化劑為2-羥基-4-甲氧基二苯甲酮-5-磺酸(UVa)，含有磺酸基團(tuán)和羥基，使其在水中具有極好的溶解性，但反應(yīng)活性低，不破壞聚合反應(yīng)體系的聚合過程；甲氧基二苯甲酮基團(tuán)對光、熱穩(wěn)定性好，無毒、無致畸性副作用且吸收效率高，是一種廣泛應(yīng)用的廣譜紫外線吸收基團(tuán)，可有效屏蔽紫外線，防止SAF在紫外線照射下分解。

2.3 吸水、保水性能表征

超吸水性控溫綠色偽裝織物的基布克質(zhì)量為136.9 g/m2，經(jīng)聚合反應(yīng)制備超吸水層、涂布表面涂層后，克質(zhì)量163.8 g/m2，增重26.9 g/m2. 經(jīng)吸水后質(zhì)量增至2 251.5 g/m2，吸水量為2 087.7 g/m2，吸水倍率為2 087.7/26.9 =77.6. 如圖4所示。

圖4 各步驟處理后的材料克質(zhì)量Fig.4 Material weight after processing

將樣品完全吸水后，放置在50 ℃的恒溫烘箱內(nèi)，測試保水率隨烘干時間的變化。由于纖維表面的自由水快速揮發(fā)，由圖5可知，初始時，多層復(fù)合超吸水材料的失水較快，隨著烘干時間的增長，材料的失水速度減緩，在5 h后仍可保水40%. 在同一實(shí)驗中，普通布基材料浸水后經(jīng)50 ℃恒溫1 h完全烘干。由此可見，超吸水材料在50 ℃下仍具有一定的水分，保水穩(wěn)定性良好。

圖5 保水率隨烘干時間的變化Fig.5 Water retention rate vs. drying time

2.4 光譜反射特性測試

采用HR1024野外光譜儀對比測試超吸水性控溫綠色偽裝織物(SAP)與針葉的光譜反射特性，采集波段為380～1 800 nm，結(jié)果如圖6所示。

圖6 超吸水性控溫綠色偽裝織物的可見光與 近紅外反射光譜曲線Fig.6 Visible and near infrared spectral reflectance curves of super absorbent and temperature control green camouflage fabric

由圖6可知，超吸水性控溫綠色偽裝織物具有與綠色植物相似的光譜反射特性，在650～750 nm的波長范圍內(nèi)，光譜反射率上升陡直，表現(xiàn)出明顯的“紅邊”特征，而普通偽裝網(wǎng)的上升區(qū)間放寬到650～830 nm，且上升緩慢，與針葉存在明顯的光譜差異。在780 nm后的近紅外波段，超吸水性控溫綠色偽裝織物的反射光譜不但呈現(xiàn)出“近紅外高原”平臺形狀，而且出現(xiàn)了位于970 nm、1 190 nm、1 440 nm和1 920 nm處的4個水分吸收帶[5-6]，較好地模擬了綠色植物的水分吸收特征峰。

2.5 紅外輻射特性測試

利用美國FLIR公司S65熱成像儀，對超吸水性控溫綠色偽裝織物進(jìn)行紅外熱圖成像，測試波段為8～14 μm(長波)。測試時間為2014年11月13日11:00時至11月14日10:00時；測試周期內(nèi)天氣晴，平均風(fēng)速小于1.5 m/s. 測試時，選取2塊超吸水性控溫綠色偽裝織物樣品，單塊面積0.5 m×1 m，在同一視場中放置于灌木叢上，每塊樣品右半部分噴水，左半部分不噴水，每隔1 h拍攝1張紅外熱圖，部分結(jié)果如圖7所示。

圖7 超吸水性控溫綠色偽裝織物的紅外熱圖Fig.7 Thermal infrared images of super absorbent and temperature control green camouflage fabric

由圖7可以看出，表面初始噴水的超吸水性控溫綠色偽裝織物在中午11:00至下午15:00時，由于太陽直接照射使水分緩慢蒸發(fā)帶走了大量的熱量，表面紅外輻射溫度與灌木叢十分接近。之后，隨著氣溫逐步降低、空氣濕度增大，織物開始自環(huán)境空氣中吸收水分；夜間，織物持續(xù)吸收水分，表面紅外輻射溫度明顯低于周圍灌木叢。表面初始未噴水的織物在中午11:00至下午15:00時，由于太陽直接照射使其表面紅外輻射溫度明顯高于灌木叢，但之后，織物開始自環(huán)境空氣中吸收水分，至17:00時其表面紅外輻射溫度與初始噴水的織物趨于相同，一直到次日8:00均保持水分，表面紅外輻射溫度明顯低于周圍灌木叢。這是因為超吸水性材料具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，纖維表面和內(nèi)部含有大量親水基團(tuán)(如—COONa等)，水分子進(jìn)入后會與親水基團(tuán)形成氫鍵，防止水分滲出，但微孔隙、微導(dǎo)管可保證水汽自由通過。

利用超吸水性控溫綠色偽裝織物制備了偽裝樣網(wǎng)，對超吸水樣網(wǎng)、普通樣網(wǎng)和植被背景的樹葉在24 h內(nèi)的紅外熱圖變化進(jìn)行觀察測量，如圖8所示。紅外輻射溫差變化情況如圖9所示。

由圖9可知，超吸水樣網(wǎng)通過水分的緩慢蒸騰降溫，可基本保持與植被相似的紅外低輻射特性，在觀察周期內(nèi)紅外輻射溫差不大于4 ℃. 在同一實(shí)驗中，普通樣網(wǎng)在強(qiáng)日光的照射下，紅外輻射溫度均明顯高于周圍植被，中午12:00時最大溫差約15 ℃。

圖8 偽裝樣網(wǎng)的可見光照相和紅外熱圖Fig.8 Visible and thermal infrared images of super absorbent camouflage net

圖9 超吸水性偽裝樣網(wǎng)與綠色植被的紅外輻射溫度對比Fig.9 Infrared radiation temperatures of super absorbent camouflage net and green vegetation

3 結(jié)論

從控制目標(biāo)表面輻射溫度、模擬綠色植被光學(xué)反射特性出發(fā)，借鑒植物葉片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，制備了由支撐網(wǎng)眼布、超吸水材料層、超吸水材料保護(hù)層和表面?zhèn)窝b涂層組成的超吸水性控溫綠色偽裝織物，試制了超吸水偽裝樣網(wǎng)。

1)選用丙烯酸鹽超吸水樹脂，將單體分散在溶液中，在滌綸基布纖維上直接聚合制備了超吸水性織物。應(yīng)用5種基礎(chǔ)色顏料水性色漿，應(yīng)用計算機(jī)快速配色軟件，獲得了黃綠、深綠、中綠和翠綠4類6種綠色水性偽裝色漿配方，與國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB 1082—1991《偽裝網(wǎng)用顏色》相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)色的色差、可見光亮度對比和近紅外亮度對比分別為1.82～2.99，0.030～0.057和0.030～0.20，滿足精確偽裝配色要求。

2)在超吸水性織物表面涂布綠色偽裝色水性色漿，制備出吸水控溫綠色偽裝涂層織物，吸水倍率77.6，在50 ℃恒溫烘干箱內(nèi)放置5 h后仍可保水40%；具有與綠色植物相似的光譜反射特性，能夠模擬綠色植物顏色和水分吸收特征峰；能夠吸收空氣中的水分并通過緩慢蒸騰，降低表面紅外輻射溫度；初始噴水可進(jìn)一步改善太陽光照條件下的紅外低輻射特性。

3)利用超吸水性控溫綠色偽裝織物制備的樣網(wǎng)，能夠在24 h日周期內(nèi)基本保持與植被相似的紅外輻射特性。

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Preparation and Performance Research of Super Absorbent and Temperature Control Green Camouflage Fabric

JIANG Xiao-jun， WANG Hua-lin， LING Jun， YIN De-fei

(The First Engineers Scientific Research Institute of Army, Wuxi 214035, Jiangsu, China)

For the purpose of surface radiation temperature control and simulation of green vegetation optical reflection characteristics, the structure characteristics of plant leaves and two technological approaches, such as in-situ polymerization by super absorbent resin and green camouflage water-based color paste by computer color matching, are used to develop a super absorbent temperature control green camouflage fabric, and manufacture a super-absorbent camouflage net. The fabric has the same spectral reflection characteristics as the green plants have in 380～1 800 nm, and can simulate the moisture absorption characteristic peak of green plants. The infrared radiation temperature of the super absorbent sample camouflage nets can be kept to be consistent with the that of vegetation within 24 hours through slow transpiration cooling of water, and the thermal infrared images are fused better with vegetation. The water absorption and keeping of the material can be adjusted and controlled. Thus, the degree of material engineering application should be improved.

ordnance science and technology; camouflage； plant bionics； super absorbent fabric； water-based color paste； optics； thermal infrared

2016-05-19

蔣曉軍(1974—)，男，高級工程師， 博士。E-mail：jxj0513@163.com

Q811.213； TB34

A

1000-1093(2017)02-0345-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.02.019