織物用水性多波段偽裝印花涂料的研究與應(yīng)用

唐繼海，鄭紅川，楊騏，石浩，冉洪武，李希

（1.西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039；2.重慶嘉陵華光光電科技有限公司，重慶 400700）

隨著各種先進(jìn)偵察系統(tǒng)及精確打擊武器系統(tǒng)的相繼問世及各種高技術(shù)手段的綜合應(yīng)用，地面武器裝備及固定軍事實(shí)施面臨紅外導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星、超高分辨率光學(xué)偵察衛(wèi)星、高空無人偵察機(jī)、空間軌道飛行器等偵察裝備的全天候、全天時(shí)、多頻譜的偵察威脅。偽裝帳篷、偽裝服、偽裝器材等織物類偽裝器材具有使用方便、工藝穩(wěn)定、易于批量生產(chǎn)、可實(shí)現(xiàn)多頻譜偽裝功能等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于軍事裝備與設(shè)施，可改變形體特征，顯著降低與背景的紅外、可見光等目標(biāo)特性差異，是提高其戰(zhàn)場生存能力、充分發(fā)揮作戰(zhàn)效能的有效技術(shù)手段，世界各國均將偽裝器材研制作為裝備偽裝防護(hù)領(lǐng)域重點(diǎn)研究的方向[1―3]。

現(xiàn)役的印染織物類偽裝材料，如篷布、偽裝服等，隱身性能方面只具有可見光、近紅外隱身性能，不具備熱紅外隱身性能；或只具備熱紅外隱身性能，而不具備可見光、近紅外隱身[4―7]。為了降低偽裝織物的可探測性和被打擊概率，紡織品類偽裝材料必須向可見光、近紅外、紅外兼容隱身的方向發(fā)展。在織物類迷彩實(shí)現(xiàn)形式上，一般采用圓網(wǎng)印花的方式在織物表面進(jìn)行迷彩印染。目前采用較多的方式有染料印染和涂料印染兩種。然而，要實(shí)現(xiàn)紅外偽裝，通常要使用到高反射低吸收功能的紅外低發(fā)射率顏料，此類顏料多為片狀金屬粉，從原理上來說并不適用于染料印染方式[8―9]。基于這個(gè)原因，本文采用涂料印花工藝，將印花粘合劑、增稠劑、紅外低發(fā)射率顏料、近紅外高反射顏料、著色顏料、分散劑等配制成印花涂料，通過圓網(wǎng)印花工藝在滌棉混紡織物上制備了可見光/近紅外/熱紅外兼容偽裝印花織物，并對印花織物的偽裝性能和各項(xiàng)理化性能進(jìn)行了表征。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 水性多波段偽裝印花涂料的制備

根據(jù)林地型背景需要，將印花粘合劑、紅外低發(fā)射率顏料、近紅外高反射顏料、著色顏料、分散劑等按一定配比攪拌均勻，配制成符合多波段偽裝要求的綠色 1、綠色2、土色 1、土色 2四色印花涂料，其中紅外低發(fā)射率顏料按一定梯度添加，從而使四色印花涂層發(fā)射率形成一定的梯度，最后加入增稠劑，調(diào)節(jié)印花涂料的黏度為80～90 dPa·s。

1.2 多波段偽裝織物的制備

采用圓網(wǎng)涂料印花工藝，在圓網(wǎng)印花機(jī)上將四色印花涂料印染在滌棉混紡織物上。具體印花工藝步驟如下：基布縫頭→水洗/溢流（除油）→濕布定型→圓網(wǎng)印花（烘干溫度90 ℃）→焙烘（160～180 ℃，2 min）→驗(yàn)布。圓網(wǎng)印花后織物外觀如圖1所示。

圓網(wǎng)印花刮刀或磁棒壓力參數(shù)設(shè)置要適中，過低的壓力易導(dǎo)致印花涂層漏印，過高的壓力易導(dǎo)致印花涂層過厚，影響印花質(zhì)量。焙烘溫度不宜超過180 ℃，否則會破壞印花涂層，影響印花涂層色牢度。

1.3 測試與表征

織物涂層的微觀形貌采用 Quanta 200型環(huán)境掃描電鏡（荷蘭，F(xiàn)EI儀器公司）進(jìn)行表征?？椢锿繉拥目梢姽馍畈捎?CM-2600d分光式測色儀（日本，柯尼卡美能達(dá)）進(jìn)行表征?？椢锿繉拥慕t外反射率光譜曲線采用 lambda 950UV/Vis/NIR分光光度計(jì)（美國，PE儀器公司）進(jìn)行表征?？椢锿繉拥募t外性能采用IR913A紅外熱像儀（武漢高德公司）在典型背景環(huán)境中測試熱紅外圖像進(jìn)行表征。其他織物涂層理化性能采用相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行表征。

2 結(jié)果與討論

2.1 印花涂層微觀形貌分析

為了研究涂層表面的微觀形貌，本文對滌棉混紡織物圓網(wǎng)印花前后進(jìn)行了環(huán)境掃描電鏡分析，結(jié)果見圖2。從圖2a可以看出，在100倍放大倍數(shù)下，涂料印花前滌棉混紡織物表面纖維呈經(jīng)緯向有序排列，纖維表面光滑且無任何雜質(zhì)，經(jīng)緯向纖維交錯(cuò)處有微孔。從圖2b可以看出，在100倍放大倍數(shù)下，涂料印花后滌棉混紡織物纖維表面已被一層均勻連續(xù)的涂層所覆蓋，不再有任何纖維裸露，經(jīng)緯向纖維交錯(cuò)處的微孔也被涂層覆蓋。從圖2c可以看出，在5000倍放大倍數(shù)下，涂層中高反射、低吸收功能的無機(jī)片狀金屬顏料均勻分布其中，正是由于這些片狀金屬顏料的存在，增加了涂層對熱紅外光譜的反射，降低了涂層的紅外發(fā)射率[10―11]。

2.2 偽裝性能

2.2.1 可見光波段偽裝

偽裝織物在可見光波段（0.38～0.78 μm）實(shí)現(xiàn)偽裝的條件是，迷彩顏色與環(huán)境背景相似，置于背景中后目標(biāo)難以與背景區(qū)分。在可見光條件下，本文設(shè)計(jì)了四種印花迷彩斑塊，分別為深綠色、淺綠色、褐土色、黃土色，其中，深綠色、淺綠色用來模擬綠色植被和灌木，褐土色、黃土色用來模擬裸露地表的土壤和砂石。為了研究印花后織物的可見光偽裝性能，將印花后滌棉混紡織物置于具有綠色植被、裸露地表的林地型區(qū)域，并在300 m距離下對目標(biāo)織物實(shí)施了可見光成像，如圖3所示。從圖3可以看出，印花后滌棉混紡織物的可見光顏色、迷彩斑塊分布與背景極其相似，在遠(yuǎn)距離下難以與背景區(qū)分開，具有較好的融合效果。而且探測距離越遠(yuǎn)，印花后滌棉混紡織物與林地型背景越難以區(qū)分，即印花后滌棉混紡織物被探測概率越小。表1為滌棉混紡織物印花后各色斑 CIE1976L*a*b*勻色空間坐標(biāo)值，從表1中可以看出，四色顏色色差均滿足環(huán)境背景使用要求。可見，印花后滌棉混紡織物在可見光波段實(shí)現(xiàn)了偽裝。

表1 迷彩印花后滌棉混紡織物迷彩顏色色差Tab.1 The color difference of polyester-cotton blended fabrics coated with the multichannel camouflage printing coating

2.2.2 近紅外波段偽裝

偽裝織物在近紅外波段（0.4～1.2 μm）偽裝的條件是，與植物、土壤等環(huán)境背景光譜反射特性實(shí)現(xiàn)同色同譜。圖4為深綠色、淺綠色、褐土色、黃土色的近紅外光譜反射曲線分別與樹葉、土壤的特征反射光譜的對比。從圖 4a可以看出，樹葉在0.40～0.70 μm波段的光譜反射率比較低，其中，在0.55 μm 處具有典型葉綠素的綠色反射峰；在0.70～0.78 μm波段光譜反射率急劇上升，且譜帶位置與斜率基本一致；在0.78～1.20 μm波段，光譜反射率維持在較高的位置。深綠色和淺綠色在 0.55 μm出現(xiàn)了綠色反射峰，在0.70～0.78 μm波段光譜反射率急劇上升，在0.78～1.20 μm波段光譜反射率維持在較高的位置，與樹葉的近紅外光譜反射特性趨勢較一致。其中，深綠色的近紅外特征光譜反射曲線與樹葉的反射特性曲線較吻合；而淺綠色的近紅外特征光譜反射曲線與樹葉的反射特性曲線略有差異，這是因?yàn)闇\綠色中含有高反射低吸收功能的無機(jī)金屬顏料，在1.2 μm以后波段的反射率略高[12―13]。從圖 4b可以看出，土壤與樹葉的近紅外特征反射曲線明顯不同，在0.55 μm不再出現(xiàn)綠色反射峰，在0.70～0.78 μm波段光譜反射率不再是急劇上升的趨勢。而印花后織物表面褐土色和黃土色斑塊的近紅外光譜反射曲線與土壤的反射特性曲線較吻合。可見，印花后滌棉混紡織物四種迷彩斑塊特征光譜反射率基本滿足近紅外偽裝的要求。

2.2.3 熱紅外波段偽裝

林地型背景中的樹木、灌木、草地、土壤、砂石等，由于紅外輻射能量的差異，在紅外熱像儀下呈明暗相間的斑塊分割。紅外發(fā)射率是材料表面單位面積的輻射能力和同一溫度相同條件下黑體的輻射能力之比。偽裝織物在熱紅外波段（8～14 μm）實(shí)現(xiàn)偽裝的條件是，各迷彩顏色紅外發(fā)射率形成一定的梯度，從而在熱紅外成像儀下形成熱紅外斑塊分割，達(dá)到與背景有效融合的效果[14―16]。為了檢驗(yàn)印花后滌棉混紡織物的紅外偽裝實(shí)際效果，將偽裝織物置于植被、土壤并存的背景中。采用 IR913A紅外熱像儀，對偽裝織物進(jìn)行可見光和紅外對比拍攝，拍攝距離為 20 m，環(huán)境溫度為 30 ℃。圖 5為印花后滌棉混紡織物在環(huán)境背景中的可見光和紅外熱像圖。從圖 5a可以看出，可見光圖下印花后滌棉混紡織物和采用具有可見光/近紅外功能的迷彩涂料噴涂的涂層樣板被放置在植被背景下，它們的可見光迷彩斑塊顏色能較好地模擬周圍環(huán)境顏色，達(dá)到了較好的可見光偽裝效果。從圖5b可以看出，無紅外偽裝效果的普通迷彩樣板在紅外成像下沒有紅外分割效果，且紅外斑塊亮度比四周環(huán)境高，紅外輪廓、形狀特征明顯，沒有紅外偽裝性能。相比之下，可見光/近紅外/熱紅外兼容偽裝印花織物在紅外成像下形成有效梯度分割，且與背景較好融合，起到了很好的紅外偽裝效果。這是因?yàn)?，四種印花涂層斑塊中含有不同含量的高反射、低吸收功能的無機(jī)片狀金屬顏料，能夠不同程度地降低印花涂層的紅外發(fā)射率，并使涂層間發(fā)射率形成一定梯度，從而不同程度地抑制自身的紅外輻射，達(dá)到熱紅外斑塊分割分割的效果。

2.3 理化性能測試

印花織物各項(xiàng)理化性能測試結(jié)果見表2。由表2可知，印花織物斷裂強(qiáng)力、撕破強(qiáng)力較普通織物高，印花涂層摩擦色牢度、日曬色牢度較好，達(dá)到了實(shí)際應(yīng)用的要求。由于多波段偽裝印花涂料中采用的顏料多屬無機(jī)顏料，能夠有效解決織物涂層老化變色問題，提高織物耐光老化能力，人工氣候老化達(dá)到800 h，預(yù)計(jì)戶外使用壽命能達(dá)到3 年左右[17―18]。

表2 偽裝織物理化性能測試結(jié)果Tab.2 The physicochemical properties of the multichannel camouflage fabrics

3 結(jié)論

1）將印花粘合劑、增稠劑、紅外低發(fā)射率顏料、近紅外高反射顏料、著色顏料、分散劑等按一定比例，可配制成可見光/近紅外/熱紅外兼容偽裝印花涂料。

2）由于含有高反射、低吸收功能的無機(jī)金屬顏料，導(dǎo)致淺綠色的近紅外特征光譜反射曲線與樹葉的反射特性曲線略有差異，在1.2 μm以后波段的反射率略高。

3）多波段偽裝印花涂料中采用無機(jī)顏料，能夠有效解決織物涂層老化變色問題，提高織物耐光老化能力。