超吸水性控温绿色伪装织物的制备与性能研究

蒋晓军， 王华林， 凌军， 殷德飞

(陆军工程兵科研一所， 江苏 无锡 214035)

超吸水性控温绿色伪装织物的制备与性能研究

蒋晓军， 王华林， 凌军， 殷德飞

(陆军工程兵科研一所， 江苏 无锡 214035)

从控制目标表面辐射温度、模拟绿色植被光谱反射特性出发，借鉴植物叶片的结构特点，通过超吸水性树脂进行纤维原位聚合、绿色伪装色水性色浆计算机配色的技术途径，开发了超吸水性控温绿色伪装织物，试制了超吸水性伪装样网。经测试：织物在380～1 800 nm波长范围内具有与绿色植物相似的光谱反射特性，能够模拟绿色植物的水分吸收特征峰；通过水分的缓慢蒸腾降温，超吸水性伪装样网在24 h内可基本模拟植被的红外辐射温度，红外热图与植被融合较好。实现了材料吸水保水的可调控，提高了材料的工程化应用程度。

兵器科学与技术； 伪装； 植物仿生； 超吸水性纤维； 水性色浆； 光学； 红外

0 引言

绿色伪装材料在可见光波段的绿色反射峰和780～1 300 nm的“近红外高原”波段反射率的波动性，是分析和识别绿色伪装材料的有效光谱特征[1]。绿色植物叶片的红外发射率基本都在0.9以上，但在阳光长久照射下，由于植物的蒸腾作用带走了叶片吸收的大部分热量，降低了叶片表面辐射温度而能保持较低的红外辐射。

红外伪装材料不仅要能模拟背景的光谱反射特性，还要能模拟背景的红外辐射特性。传统的绿色红外伪装涂料主要通过掺入红外高反射金属颜料来降低红外辐射强度，但由于金属颜料、着色颜料之间的相容性与匹配性干扰，难以同时模拟绿色植被光学与红外波谱特性。研究表明：要实现绿色伪装材料与植物叶片相似的反射光谱和红外辐射特征，材料应具备3个基本条件：一是应具有漫反射粗糙表面；二是具有疏松多孔结构；三是内部含有叶绿素和水[2]。基于仿生学原理和方法，通过研究植物的生命组织结构和生理活动特征，为开发绿色植物仿生的新型红外伪装材料提供了创新思路。

杨玉杰等设计了一种4层复合的仿生伪装材料，表层为具有粗糙表面的透明防水材料，第二层为包封叶绿素的高隔氧材料薄膜，第三层为封装水的高隔水材料袋，底层为具有疏松多孔结构的材料，与植物叶片的反射光谱特征相似度可达0.988 1，且经过3个月日照后光谱特征不变[3]。蒋晓军等在前期研究中，模拟植物的水分蒸腾作用，以聚乙烯醇作为材料成型物质和水分吸脱附材料，以铬绿、大分子黄等光学颜料作为着色剂，采用化学铸膜方法制备了植物仿生伪装薄膜，能较好模拟植被的光谱反射特性，且具有与绿色植物相似的红外辐射日周期变化趋势，与绿色植物的日平均辐射温差为0.37 ℃，最大温差0.9 ℃[4].

超吸水性树脂是一种新型功能高分子材料，具有吸水容量大、速度快、保水能力强等优点，利用超吸水材料与基底材料进行有效复合，能够制备出模拟植物叶片的含水织物。水性色浆是颜料和水形成的稳定分散体系，可以避免直接使用颜料所导致的着色力低、颜料消耗量大等一系列缺陷，进而提高配色效率和准确性，满足配色多样化需求。本文从控制表面辐射温度、模拟绿色植被光学反射特性出发，在前期研究的基础上，提出通过超吸水性树脂进行纤维原位聚合、绿色伪装色水性色浆计算机配色的技术途径，开发超吸水性控温绿色伪装织物的设计思路，力求实现材料吸水保水的可调控、克服天然叶绿素光稳定性差等不足，实现材料的工程化应用。

1 研究方法

1.1 超吸水性控温绿色伪装织物设计

借鉴植物叶片结构的特点，超吸水性控温绿色伪装织物主要由支撑网眼布、超吸水材料层、超吸水材料保护层和表面伪装涂层组成“三明治”多层复合结构，如图1所示。

图1 超吸水性控温绿色伪装织物的结构Fig.1 Structure of super absorbent and temperature control green camouflage fabric

图1中：支撑网眼布由高强度涤纶纺织而成，经亲水处理，主要用于附着超吸水材料、增强面料强力，模拟植物叶片中的叶脉；利用穿刺工艺在网眼布上附着疏松的长、细纤维并进行亲水性处理，采用化学聚合的方法，在纤维表面聚合超吸水树脂用以模拟植物叶片的叶肉结构；超吸水材料保护层为具有保护功能的透气、透水功能膜，用以模拟植物叶片的上、下表皮结构，阻止超吸水树脂吸水膨胀后溢出、脱落，防止外部刮擦；表面伪装涂层的主要成分为水性伪装色浆和透气成膜材料等，可模拟植物光谱反射特性，保护内层材料。

1.2 超吸水性树脂的纤维原位聚合

常见的吸水树脂，如丙烯酸盐类、乙酸乙烯酯- 丙烯酸酯共聚物皂化物、聚乙烯醇- 无水马来酸酐反应物、淀粉- 丙烯酸盐接枝聚合产物等，尽管具有较高的吸水倍率(100～1 500)，但普遍存在强度低、耐热性差和涂料难以相容等不足。本文对丙烯酸盐类树脂进行结构改性制备超吸水树脂，以其为对象制备超吸水性纤维(SAF)。丙烯酸盐超吸水性树脂为三维网络结构，由树脂分子链间的相互缠绕物理交联和化学交联形成，其吸水膨胀性由结构中含有的大量亲水基团决定，如图2所示。通过将聚合单体浸轧在基布纤维的微孔道中，以引发剂、交联剂引发聚合反应，使其包覆在纤维外部形成立体网络结构，以提高吸水树脂与纤维之间的作用力，从而提高织物纤维与树脂之间的复合牢度，改进稳定性能，克服上述常见吸水材料的不足。聚合反应过程如图3所示。

1)按质量百分比配制聚合反应原液，其组成为：聚乙烯醇2%～8%，水55%～93%，水溶性单体4%～25%，引发剂0.01%～0.5%，交联剂0.05%～0.5%，光稳定剂0.04%～0.25%.

2)将洗涤和干燥后的基布浸泡在聚合反应原液中，浸泡1～60 min，基布脱离滚轮后膨胀吸液，使聚合反应液通过网眼布的疏松结构吸附到网眼布内部。

3)将浸泡后的基布取出轧去多余液体，置于50～90 ℃的烘箱或烘道内进行预聚合反应，反应时间0.5～2 h.

4)将预聚合反应后的基布置于100～150 ℃的烘箱内进行交联或干燥，时间20～80 min，干燥完成后得到超吸水性织物。

1.3 绿色伪装水性色浆的计算机配色

基于减色法配色基本理论，通过分析绿色植被的光谱反射特征，确定绿色、红色、黄色、紫色、白色的基础色体系。充分发挥水性伪装色浆光谱反射特性稳定的优点，分别选择颜料绿、颜料红、颜料黄、颜料紫4种有机颜料以及二氧化钛颜料，制备了5种基础色颜料水性色浆。利用计算机配色软件，在限定色差条件下，通过目标伪装色与伪装基础色配方数据库比对实现伪装色计算机配色，其配色流程为：

1)建立伪装色基础数据库，录入基础色颜料水性色浆的光谱反射特性数据，积累水性伪装色复配配方，根据需要扩充伪装色种类和数据；

2)通过手持式分光光度计获取标准色板的目标伪装色光谱反射特性数据；

3)将测得目标伪装色与数据库伪装色的光谱特性进行比对，通过明度差、红绿色品差、黄蓝色品差和色差等参数计算，给出由不同基础色颜料水性色浆组成的初始配方，给出绿色伪装水性色浆配方的优化建议。

2 结果与分析

2.1 绿色伪装水性色浆配方

以本文制备的5种基础色颜料水性色浆开展了绿色伪装水性色浆配制，获得黄绿、深绿、中绿、翠绿4种颜色6个配方，结果见表1.

表1 绿色水性伪装色浆的组成

6种绿色伪装色水性色浆配方与国家军用标准GJB 1082—1991《伪装网用颜色》相应标准色的色差、可见光亮度对比、近红外亮度对比分别为1.82～2.99，0.030～0.057和0.03～0.20.

2.2 超吸水性控温绿色伪装织物

将绿色伪装水性色浆涂布在超吸水性织物表面，经50 ℃烘箱烘干后即成超吸水性控温绿色伪装织物。在制备超吸水性织物过程中加入了光稳定剂、紫外光催化剂等功能助剂。光稳定剂选择具有介孔结构的纳米二氧化硅，可大大提高超吸水聚合物与涤纶丝的结合牢度和SAF的吸水后强度。紫外光催化剂为2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮-5-磺酸(UVa)，含有磺酸基团和羟基，使其在水中具有极好的溶解性，但反应活性低，不破坏聚合反应体系的聚合过程；甲氧基二苯甲酮基团对光、热稳定性好，无毒、无致畸性副作用且吸收效率高，是一种广泛应用的广谱紫外线吸收基团，可有效屏蔽紫外线，防止SAF在紫外线照射下分解。

2.3 吸水、保水性能表征

超吸水性控温绿色伪装织物的基布克质量为136.9 g/m2，经聚合反应制备超吸水层、涂布表面涂层后，克质量163.8 g/m2，增重26.9 g/m2. 经吸水后质量增至2 251.5 g/m2，吸水量为2 087.7 g/m2，吸水倍率为2 087.7/26.9 =77.6. 如图4所示。

图4 各步骤处理后的材料克质量Fig.4 Material weight after processing

将样品完全吸水后，放置在50 ℃的恒温烘箱内，测试保水率随烘干时间的变化。由于纤维表面的自由水快速挥发，由图5可知，初始时，多层复合超吸水材料的失水较快，随着烘干时间的增长，材料的失水速度减缓，在5 h后仍可保水40%. 在同一实验中，普通布基材料浸水后经50 ℃恒温1 h完全烘干。由此可见，超吸水材料在50 ℃下仍具有一定的水分，保水稳定性良好。

图5 保水率随烘干时间的变化Fig.5 Water retention rate vs. drying time

2.4 光谱反射特性测试

采用HR1024野外光谱仪对比测试超吸水性控温绿色伪装织物(SAP)与针叶的光谱反射特性，采集波段为380～1 800 nm，结果如图6所示。

图6 超吸水性控温绿色伪装织物的可见光与 近红外反射光谱曲线Fig.6 Visible and near infrared spectral reflectance curves of super absorbent and temperature control green camouflage fabric

由图6可知，超吸水性控温绿色伪装织物具有与绿色植物相似的光谱反射特性，在650～750 nm的波长范围内，光谱反射率上升陡直，表现出明显的“红边”特征，而普通伪装网的上升区间放宽到650～830 nm，且上升缓慢，与针叶存在明显的光谱差异。在780 nm后的近红外波段，超吸水性控温绿色伪装织物的反射光谱不但呈现出“近红外高原”平台形状，而且出现了位于970 nm、1 190 nm、1 440 nm和1 920 nm处的4个水分吸收带[5-6]，较好地模拟了绿色植物的水分吸收特征峰。

2.5 红外辐射特性测试

利用美国FLIR公司S65热成像仪，对超吸水性控温绿色伪装织物进行红外热图成像，测试波段为8～14 μm(长波)。测试时间为2014年11月13日11:00时至11月14日10:00时；测试周期内天气晴，平均风速小于1.5 m/s. 测试时，选取2块超吸水性控温绿色伪装织物样品，单块面积0.5 m×1 m，在同一视场中放置于灌木丛上，每块样品右半部分喷水，左半部分不喷水，每隔1 h拍摄1张红外热图，部分结果如图7所示。

图7 超吸水性控温绿色伪装织物的红外热图Fig.7 Thermal infrared images of super absorbent and temperature control green camouflage fabric

由图7可以看出，表面初始喷水的超吸水性控温绿色伪装织物在中午11:00至下午15:00时，由于太阳直接照射使水分缓慢蒸发带走了大量的热量，表面红外辐射温度与灌木丛十分接近。之后，随着气温逐步降低、空气湿度增大，织物开始自环境空气中吸收水分；夜间，织物持续吸收水分，表面红外辐射温度明显低于周围灌木丛。表面初始未喷水的织物在中午11:00至下午15:00时，由于太阳直接照射使其表面红外辐射温度明显高于灌木丛，但之后，织物开始自环境空气中吸收水分，至17:00时其表面红外辐射温度与初始喷水的织物趋于相同，一直到次日8:00均保持水分，表面红外辐射温度明显低于周围灌木丛。这是因为超吸水性材料具有三维网状结构，纤维表面和内部含有大量亲水基团(如—COONa等)，水分子进入后会与亲水基团形成氢键，防止水分渗出，但微孔隙、微导管可保证水汽自由通过。

利用超吸水性控温绿色伪装织物制备了伪装样网，对超吸水样网、普通样网和植被背景的树叶在24 h内的红外热图变化进行观察测量，如图8所示。红外辐射温差变化情况如图9所示。

由图9可知，超吸水样网通过水分的缓慢蒸腾降温，可基本保持与植被相似的红外低辐射特性，在观察周期内红外辐射温差不大于4 ℃. 在同一实验中，普通样网在强日光的照射下，红外辐射温度均明显高于周围植被，中午12:00时最大温差约15 ℃。

图8 伪装样网的可见光照相和红外热图Fig.8 Visible and thermal infrared images of super absorbent camouflage net

图9 超吸水性伪装样网与绿色植被的红外辐射温度对比Fig.9 Infrared radiation temperatures of super absorbent camouflage net and green vegetation

3 结论

从控制目标表面辐射温度、模拟绿色植被光学反射特性出发，借鉴植物叶片的结构特点，制备了由支撑网眼布、超吸水材料层、超吸水材料保护层和表面伪装涂层组成的超吸水性控温绿色伪装织物，试制了超吸水伪装样网。

1)选用丙烯酸盐超吸水树脂，将单体分散在溶液中，在涤纶基布纤维上直接聚合制备了超吸水性织物。应用5种基础色颜料水性色浆，应用计算机快速配色软件，获得了黄绿、深绿、中绿和翠绿4类6种绿色水性伪装色浆配方，与国家军用标准GJB 1082—1991《伪装网用颜色》相应标准色的色差、可见光亮度对比和近红外亮度对比分别为1.82～2.99，0.030～0.057和0.030～0.20，满足精确伪装配色要求。

2)在超吸水性织物表面涂布绿色伪装色水性色浆，制备出吸水控温绿色伪装涂层织物，吸水倍率77.6，在50 ℃恒温烘干箱内放置5 h后仍可保水40%；具有与绿色植物相似的光谱反射特性，能够模拟绿色植物颜色和水分吸收特征峰；能够吸收空气中的水分并通过缓慢蒸腾，降低表面红外辐射温度；初始喷水可进一步改善太阳光照条件下的红外低辐射特性。

3)利用超吸水性控温绿色伪装织物制备的样网，能够在24 h日周期内基本保持与植被相似的红外辐射特性。

References)

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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

蒋晓军(1974—)，男，高级工程师， 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