翁小霞, 王 泉, 邵靈達, 金肖克, 祝成炎, 田 偉

(浙江理工大學 先進紡織材料與制備技術(shù)教育部重點實驗室,杭州 310018)

紅外探測技術(shù)是軍事戰(zhàn)場中應(yīng)用最為廣泛的偵查技術(shù),其具有分辨率高,探測能力強且不受環(huán)境約束,可晝夜連續(xù)工作。如今,紅外探測設(shè)備的空間分辨率已達到0.03 mrad[1],這對于軍事設(shè)備及戰(zhàn)場上士兵的隱蔽是一個極大的威脅。紅外隱身技術(shù)作為解決紅外探測問題的一種手段,能夠有效提升目標的戰(zhàn)場生存能力,因此受到各國科研人員的重視[2]。其中紅外隱身機織物的研究應(yīng)用能提高作戰(zhàn)服的服用性能,對提高軍事戰(zhàn)斗人員的存活概率與軍事設(shè)備在戰(zhàn)場上的隱蔽性大有裨益[3]。

近年來,對于紅外隱身織物的研究主要集中在涂層面料方面[4]。涂層面料對于紅外探測具有紅外隱身效果,其主要用在軍事武器的紅外隱身方面,在軍事服裝面料中應(yīng)用相對較少。由于涂層面料是將涂料直接涂覆在織物表面,而戰(zhàn)地環(huán)境普遍惡劣,涂料很容易因為摩擦而脫落,影響織物紅外隱身效果的耐久性[5]。

另一方面,由于涂料密度大,涂層厚重,使得織物質(zhì)量增大,不利于攜帶與活動,同時其服用性能也較差[6]。另外,對于紅外隱身織物的研究還有薄膜偽裝材料[7]、隔熱材料[8]及相變材料[9]等,但材料在實際應(yīng)用中,還要考慮目標適用的環(huán)境、溫度等因素。雖然壽霜霜[10]已對機織物的紅外隱身特性進行了研究,并改善了其服用性能,但還可進一步對織造參數(shù)與織物紅外隱身性能關(guān)系進行研究?？椢锝Y(jié)構(gòu)能確保其特性不因多次使用而降低,對織物耐用性能有一定的提高。本文基于紅外熱成像原理,設(shè)計了不同紗線原料、不同機織工藝的織物,分析了織物熱成像特性,根據(jù)人體皮膚鋪放織物后測得溫度與外界環(huán)境的輻射溫度差異評價織物紅外隱身效果,為后期紅外隱身織物的制備提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 原料選擇

根據(jù)基爾霍夫定律[11]與瑞利散射原理[12]可知:金屬的紅外發(fā)射率較低;納米顆粒對紅外線有散射作用,可減少紅外輻射強度,故選擇鍍銀錦綸長絲、ZnO滌綸長絲為原料。本文所用紗線原料及規(guī)格如表1所示。

表1 紗線基本性能Tab.1 Basic properties of yarn

1.2 織物設(shè)計與制備

紅外熱成像儀接收到的紅外輻射主要來自兩個方面:人體自身和織物表面。

人體自身的紅外輻射主要通過織物的孔隙向外傳遞,孔隙的多少和大小會影響紅外輻射向外傳遞的多少。而織物孔隙率是由孔徑的大小、分布和形狀決定的,它取決于纖維和紗線的性能及織物的結(jié)構(gòu)參數(shù),如織物組織、織物密度和紗線細度[13]等。本文從織物結(jié)構(gòu)參數(shù)出發(fā),通過設(shè)計不同緯紗密度和織物組織結(jié)構(gòu)來研究織物紅外隱身性能。

根據(jù)Stefan-Boltzmann定律[14]可知,織物表面紅外輻射的降低,可通過降低織物的表面發(fā)射率來實現(xiàn)。本文通過改變織物中鍍銀錦綸長絲和ZnO滌綸長絲的配比,研究紗線發(fā)射率和散射作用對織物表面紅外輻射的影響。

選用普通滌綸為經(jīng)紗,鍍銀錦綸長絲和ZnO滌綸長絲為緯紗。A組按織物中緯紗投緯順序和不同緯紗含量設(shè)計了7種織物規(guī)格,鍍銀錦綸長絲的緯紗含量占比分別為0、25%、33.3%、50%、66.7%、75%、100%。因為平紋的浮長較短,織物較為緊密,可阻擋部分紅外線的透過,故選擇平紋組織結(jié)構(gòu),測試各織物的紅外成像情況。B組按不同緯密設(shè)計織物,緊度按下式計算:

EW=dWPW

(1)

式中:dW為鍍銀錦綸長絲和ZnO滌綸長絲的平均直徑,cm;PW為緯紗密度,根/cm。

計算得試樣B1,B2,B3,A6的緊度分別為33.5%,67.05%,83.8%,97.6%;C組按不同織物組織結(jié)構(gòu)設(shè)計織物;D組選擇純普通滌綸織物作為空白對照組?？椢镌敿氃O(shè)計參數(shù)見表2。

表2 不同織物設(shè)計參數(shù)Tab.2 Design parameters of different fabrics

1.3 織物性能測試與表征

1.3.1 織物基本服用性能測試

基于本文為軍事背景下士兵作戰(zhàn)服裝的基礎(chǔ)性研究,織物應(yīng)輕便透氣,舒適性好。根據(jù)測試標準GB/T 20097—2006《防護服 一般要求》、GB/T 3820—1997《紡織品和紡織制品厚度的測定》、GB/T 4669—2008《紡織品 機織物單位長度質(zhì)量和單位面積質(zhì)量的測定》、GB/T 5435—1997《織物透氣性的測定》、GB/T 3923.1—2013《紡織品 織物拉伸性能 第1部分 斷裂強力和斷裂伸長率的測定(條樣法)》對織物進行厚度、平方米質(zhì)量、透氣性和拉伸斷裂性能進行檢測。

1.3.2 織物孔徑

不同織物由于經(jīng)緯紗原料、交織規(guī)律不同,所形成的孔徑也有差異。通過測試不同織物組織的孔徑,可研究不同孔徑大小對織物紅外隱身性能的影響。將待測織物根據(jù)儀器測試要求裁成規(guī)定大小,并使用Silwick潤濕液(美國PMI公司)將織物完全潤濕,利用PMI Capillary Flow Porometer孔徑測試儀(美國PMI公司)對織物孔徑進行測試,分析不同織物組織的織物孔徑大小。

1.3.3 織物熱成像性能

紅外隱身的原理主要是使得待測目標與周圍環(huán)境的紅外輻射特征相似甚至相同[15],中遠紅外的暴露癥候主要是溫度差異。在FLIR E5的熱成像系統(tǒng)中,將紅外熱成像圖導入FLIR Tools軟件,可測量紅外熱像圖上不同區(qū)域的輻射溫度。通過比較不同區(qū)域的輻射溫度差異,可得到織物紅外熱成像特性與紅外隱身效果,如圖1所示?？椢锛t外隱身性能可以通過手部鋪放織物后測得溫度與外界紅外輻射溫度之間的差異來表征,紅外輻射溫度差異越小,說明織物的紅外隱身效果越好。裁取面積為3 cm×3 cm的織物,將其置于手心中央位置,用熱成像儀垂直拍攝待測織物,測試同一組參數(shù)織物時保持熱成像儀與織物的距離基本不變,使得待測織物和外界環(huán)境均在熱成像圖中顯示,獲取熱成像圖。其中,本文獲取熱成像圖的外界條件為夏季夜晚,溫度為22～24 ℃。

圖1 紅外隱身性能評價方法Fig.1 Evaluation method forinfrared stealth performance

2 結(jié)果與分析

2.1 緯紗中鍍銀錦綸長絲含量對織物紅外隱身效果影響

圖2為不同鍍銀錦綸長絲含量下的織物熱成像圖,測試距離為10 cm。其中,圖2(a)是試樣D純滌綸織物的紅外熱成像圖,圖2(b)～(h)中織物鍍銀錦綸長絲占緯紗含量比例分別為0、25%、33.3%、50%、66.7%、75%、100%。

圖2 緯線中純滌綸與不同鍍銀長絲含量的織物紅外熱成像Fig.2 Infrared thermal imaging of fabrics with pure polyester and different content of silver-plated filament in weft

將所得到的A組織物熱成像圖導入FLIR Tools軟件,計算手部織物和外界環(huán)境的紅外輻射溫度差值,對得到的數(shù)據(jù)進行處理并擬合,得到手部織物與外界環(huán)境輻射溫度差與緯紗中鍍銀錦綸長絲含量的關(guān)系,曲線如圖3所示。其中,擬合方程為y=11.107 04x(-0.281 74),R2=0.960 09,R2表示曲線的擬合程度。

由圖3可知,當經(jīng)紗為普通滌綸,經(jīng)緯密為1 100×300根/10 cm,采用平紋組織織造不同鍍銀錦綸長絲緯紗含量的織物與外界環(huán)境的紅外輻射溫差變化幅度在4.5～3 ℃。已知,當目標與周圍環(huán)境的輻射溫差大于4 ℃時,輻射對比度將識別熱像中的目標[16],而純滌綸織物手部與外界環(huán)境的紅外輻射溫差為6.2 ℃,說明本文制備的織物紅外隱身性能優(yōu)于普通滌綸織物。同時可知,隨著織物中鍍銀錦綸長絲含量的增加,手部織物與外界的紅外輻射溫度差值整體呈下降趨勢。當鍍銀錦綸長絲緯紗含量為75%與100%時,手部織物與外界紅外輻射環(huán)境溫度差值較小,說明紅外隱身性能較強。這主要是由于鍍銀錦綸長絲的紅外發(fā)射率小于ZnO滌綸長絲的紅外發(fā)射率,紅外發(fā)射率越低,紗線的紅外輻射強度越低?？梢?其他條件一定時,織物中鍍銀錦綸長絲含量越高,織物中紅外發(fā)射率小的紗線越多,織物紅外隱身性能越好。同時對比緯紗為純ZnO滌綸長絲和純滌綸長絲織物的性能,發(fā)現(xiàn)ZnO滌綸長絲也能在一定程度上提高織物的紅外隱身效果。

圖3 緯紗中鍍銀錦綸長絲含量對織物紅外隱身效果的影響Fig.3 Effect of silver-plated nylon filament content in weft yarns on the infrared stealth effect of fabrics

由于織物A6和A7溫度差值相近,進一步比較其服用性能,具體測試結(jié)果見表3。由表3可知,織物A6的透氣性優(yōu)于純鍍銀織物A7,且織物A6更加輕便,服用性能更佳。綜合考慮織物紅外隱身性能及織物服用性能,故后續(xù)選擇鍍銀錦綸長絲與ZnO滌綸長絲投緯比例為3︰1的規(guī)格進行研究。

表3 織物服用性能對比Tab.3 Comparison of fabric wearing performance

2.2 緯向緊度對織物紅外隱身效果影響

根據(jù)A6的投緯比設(shè)計了B組織物,通過改變織物緯密,研究不用緯向緊度下的織物紅外熱成像性能。圖4為不同緯向緊度下的織物熱成像圖,測試距離為10 cm,圖5為不同織物緯向緊度下的織物紅外效果表征。其中,圖4(a)～(d)中織物緯向緊度分別為33.5%、67.05%、83.8%、83.8%。

圖4 不同織物緯向緊度下的織物熱成像Fig.4 Fabric thermal imaging of fabrics under different weft tightness

圖5 不同織物緯向緊度下的織物紅外效果表征Fig.5 Characterization of fabric infrared effect under different weft tightness

由圖5可知,當經(jīng)紗為普通滌綸,緯紗鍍銀錦綸長絲與ZnO滌綸長絲投緯比為3︰1,采用平紋組織織造不同緯向緊度的織物與外界環(huán)境的溫度差值在3.9～4.5 ℃。隨著織物緯向緊度增大,織物與外界的溫度差逐漸減小,當織物緯向緊度為97.6%時,鍍銀織物與外界的溫度差最小,說明織物的紅外隱身能力隨著織物緯向緊度的增加而提高。這主要是因為,當其他條件不變時,織物的緯向緊度增加導致織物的孔隙變小,人體的紅外輻射更不容易透出,減小了紅外輻射量,熱成像儀接收到的紅外輻射強度降低。同時,隨著織物緯向緊度增大,單位面積內(nèi)紗線數(shù)量增加,而ZnO滌綸長絲的增加導致紅外線向四周的散射增加[17],熱成像儀接收到的紅外輻射減少,故顯示織物紅外隱身性能提高。

2.3 組織結(jié)構(gòu)對織物紅外隱身效果影響

根據(jù)本文2.1、2.2章節(jié)結(jié)論,為進一步研究織物組織結(jié)構(gòu)對織物紅外隱身性能影響,設(shè)計了11組不同組織結(jié)構(gòu)的織物,其熱成像圖及所測試孔徑大小分別見表4與圖6,測試距離保持不變。

表4 不同織物組織下的織物孔徑Tab.4 Fabric bore diameter under different fabric weaves μm

從表4可知,不同織物組織下的織物孔徑大小有差異。其中,平紋組織孔徑最小,8/3緞紋組織孔徑最大,因為平紋織物在相同紗線循環(huán)數(shù)中交織次數(shù)最大,平均浮長最短。三原斜紋組織中,織物的孔徑隨織物的浮長而增大。

圖6 不同織物組織下的織物熱成像Fig.6 Fabric thermal imaging under different fabric weaves

圖7為不同孔徑織物紅外隱身性能的變化情況與擬合曲線,擬合方程為y=0.068 31x1.356 37,R2=0.921 63。

圖7 織物孔徑對織物紅外隱身性能的影響Fig.7 Influence of fabric bore diameter on infrared stealth performance of fabric

由圖7可知,當經(jīng)紗為普通滌綸,緯紗中鍍銀錦綸長絲與ZnO滌綸長絲投緯比為3︰1,經(jīng)緯密為1 100×300根/10 cm時,采用不同組織結(jié)構(gòu)織造所得織物孔徑不同,紅外隱身性能也不同。織物的孔徑越小,紅外隱身性能越好。平紋織物紅外隱身性能顯示優(yōu)于其他組織結(jié)構(gòu)織物。主要是因為相較于其他組織,平紋組織中經(jīng)緯紗線交織規(guī)律使得經(jīng)緯紗之間的孔隙最小,織物內(nèi)部最緊實,人體紅外輻射通過織物空隙透出最少[18],故熱成像儀所接收到的紅外輻射也最少。隨著織物平均孔徑的增大,織物與外界環(huán)境的輻射溫度差增大,表示織物紅外隱身性能減弱。

3 結(jié) 論

本文選用普通滌綸為經(jīng)紗,鍍銀錦綸長絲、ZnO滌綸長絲為緯紗,設(shè)計了21組不同規(guī)格的機織物,在環(huán)境溫度為22～24 ℃時,使用FLIR E5型熱成像儀獲取織物紅外熱成像圖,并對織物熱成像特性進行分析,對織物作用于人體皮膚時的紅外輻射溫度等進行測試,對其紅外隱身性能進行分析,得到如下結(jié)論。

1)孔徑大小對鍍銀錦綸長絲/ZnO滌綸長絲交織織物紅外隱身性能有較大影響,織物作用于人體時,與外界環(huán)境的輻射溫度差在3.0～7.7 ℃,隨著織物紅外織物孔徑的減小,與外界環(huán)境的輻射溫度差減小,織物的紅外隱身性能隨之提高。

2)當織物組織和織物經(jīng)緯密保持不變時,隨著織物中鍍銀錦綸長絲的含量增加,織物紅外隱身性能提高;當組織結(jié)構(gòu)和織物中經(jīng)緯紗排列不變時,隨著織物緊度增加,織物紅外隱身性能提高。

3)當選用普通滌綸為經(jīng)紗,鍍銀錦綸長絲和ZnO滌綸長絲投緯比為3︰1,經(jīng)緯密為1 100×300根/10 cm,采用平紋組織織造所得織物紅外隱身性能與服用性能較好。

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