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      水性光學偽裝涂料的制備及應用

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      -->>水性光學偽裝涂料的制備及應用

      偽裝即用隱藏真貌展示假相的方法,使軍事目標、武器裝備的可見性減少到最低限度。偽裝涂料主要涂覆在地面軍用目標外表面,改變目標表面的光譜特性,消除、降低目標與背景光學特征的差別,提高目標與背景的融合性。根據偵察探測設備的工作波段,一般將偽裝涂料分為光學偽裝涂料、中遠紅外偽裝涂料和雷達波吸收涂料三種類型,其偽裝波段分別為:光學波段(可見光0.38~0.76 μm和近紅外0.76~1.5 μm)、中遠紅外波段(3~5 μm、8~14 μm)和雷達波段(厘米波、毫米波)。本項目研究課題是光學波段偽裝涂料。
       
      1 偽裝涂料的要求
      利用涂料實現光學隱身的基本要求是在可見光與近紅外波段內,涂層顏色最大可能地融入所處的環境背景(如植被,土壤,沙漠或者海洋等)中。由于背景的復雜多樣,通常要求采用各種顏色的涂料將目標涂覆成迷彩圖案的形式,以達到模糊、分割目標外形輪廓的效果,在可見光范圍內得以隱身。光學偽裝涂料還必須能使被涂裝的物體在紅外線的照射下得以隱形,這就要求涂層的光譜反射特性與背景一致。特別是光學偽裝涂料能模擬自然背景中物體的光譜反射曲線,使目標能有效地融入背景中。
      光學偽裝涂料應滿足以下幾點要求:
      (1)色彩與光譜反射特性與背景一致,實現目標表面與背景的同色同譜;
      (2)光澤為無光或平光涂料,60º光澤應在10以下;
      (3) 有優良的附著力、耐候性、耐腐蝕性、抗霉菌性。
       
      2 偽裝涂料的原材料選擇
      2.1 主成膜物的選擇
      研制水性偽裝涂料,關鍵是選擇符合環保要求的主成膜物。本文選擇水乳性樹脂即高聚物乳液作為偽裝涂料主成膜物。符合要求的乳液有乙醋乳液、醋丙乳液、苯丙乳液、純丙乳液、硅丙乳液、氟碳乳液等。根據水性偽裝涂料的基本要求以及成本考慮,對以下乳液作比較,見表1。
      不同乳液對產品性能的影響
      由表1可見,硅丙乳液綜合性能較好,但耐沖擊性較差且價格較高?紤]到戶外耐候性以及附著力的要求,選用玻璃化溫度較高的2#交聯型苯丙共聚乳液作為主要成膜物。結合防腐性要求,配以快干型且防腐性優異的硅丙乳液。經過試驗篩選,硅丙乳液比例占總乳液量的15%為宜。
      2.2 顏料的選擇
      顏料是影響涂層的可見光和近紅外性能的最主要因素。涂料的偽裝能力主要是通過顏料的選擇和顏料間的科學組合來實現。在可見光范圍內,顏料的選擇是使涂料中的顏料發生光的吸收、折射、反射作用后,可產生與背景一致的顏色,即實現模擬背景色彩的目的。而對于近紅外光譜區,偽裝涂料所用顏料,除滿足顏色要求外,還必須能產生與背景一致的反射光譜。因此,光學偽裝涂料必須具有與背景同色同譜的特性,即從可見光到近紅外光波長范圍內,使目標與背景具有近似相同的光譜曲線。
      對于防紅外偽裝涂料來說,許多在可見光范圍內用于配色的傳統顏料不能用于紅外偽裝涂料,單一顏料往往難以滿足要求。配制與自然背景一致的色調和光譜反射曲線的防紅外偽裝涂料時,必須選用適應的顏料并采用多種顏料的合理組合來實現。涂料中各組分顏料對漆膜反射率影響的程度又取決于各自的特性,如著色力、細度、光散射吸收能力以及百分含量等。
      普通的軍綠漆和綠色偽裝涂料很難做到與植被反射光譜較好的吻合,通過近紅外偽裝檢驗鏡就可以很清楚地分辨出。在檢驗鏡觀察下,植被的綠葉呈鮮紅色,而軍綠色油漆不變色,普通綠色偽裝涂料呈暗紅色。這是因為普通綠色偽裝涂料中多含有氧化鉻的緣故。氧化鉻綠(三氧化二鉻)是綠色的,并且具有與葉綠素相似的光譜反射特性(見圖1),所以成為早期防紅外偵察偽裝涂料的主要顏料。
      嫩樹葉和氧化鉻綠的光譜反射特性曲線
      從圖1還可發現氧化鉻綠在近紅外區的反射率不能急劇上升,所以單獨使用不能滿足相關要求。經實驗,添加其他鈦白粉、沉淀硫酸鋇等顏料之后,能夠配制出比較理想的偽裝涂料。另外,Cr-Co-Ti鍛燒混合物綠色素以及含Co的鍛燒混合物藍色顏料天蘭等,光譜性能非常好,而且因為是無機顏料,耐候性也非常好,可在配制涂料時按需要選擇。
      2.3 助劑的選擇
      試驗表明,多官能團烷氧基銨鹽分散劑可改善顏料漿的展現性、流變性和色強度,減少沉淀發生;而聚丙烯酸鈉分散劑對本試驗選用的幾種顏料均有較好的分散效果。經多次實驗,確定選用陰離子型烷氧基銨鹽和聚丙烯酸鈉為潤濕分散劑。由于不同顏料對分散劑的需求量也不同,故其用量必須在顏料確定后通過試驗來確定。
      成膜助劑能促進乳液中的聚合物粒子的塑性流動和彈性變形,使其能在較寬的溫度范圍內成膜,即能明顯降低聚合物的最低成膜溫度。但因成膜助劑的添加會使涂膜光澤度升高,某些常用成膜助劑如醇酯-12等更可較大提高涂膜光澤,這恰恰不是偽裝涂料所要求的性能。經多次比較試驗,本項目選用的成膜助劑為丙二醇苯醚。其他助劑如消泡劑、流平劑、增稠劑、防霉劑等必須認真篩選,確定其品種和用量。

      3 偽裝涂料的制備和檢測結果
      3.1 配方
      經過多次試驗,反復對比,確定防近紅外偽裝涂料的生產配方如下(質量百分比):
      苯丙乳液:38%~45%;硅丙乳液:7.6%~9.0%;顏填料:28%~36%;消光粉:5%~7%;分散劑:0.3%~0.5%;消泡劑:0.3%~0.5%;成膜助劑:2.0%~2.6%;增稠劑:0.5%~1.0%;防霉劑:0.5%~0.8%;去離子水:適量。
      3.2 工藝
      (1)將各種助劑、去離子水等混合均勻,在攪拌下加入各顏料、填料;
      (2)高速分散30 min以上,然后將以上漿料經砂磨機砂磨到規定細度;
      (3)在低速攪拌下加入苯丙、硅丙乳液以及增稠劑等助劑,繼續攪拌20 min,檢驗合格后出料。
      3.3 產品測試結果
      按照配方和工藝配制的中綠和翠綠兩種水性偽裝涂料,按GB/T 1765-1979制備漆膜,自然干燥7 d后,在紫外可見分光光度計上測量各自的光譜反射特性曲線,并和嫩樹葉的光譜反射特性曲線作對比,如圖2所示。
      中綠、翠綠和嫩樹葉的光譜反射特性曲線對比
      用紫外可見分光光度計測出的數值,經計算得到可見光亮度對比值Kv=0.077793,近紅外亮度對比值KN=0.013447,滿足了防近紅外偽裝涂料Kv≤0.1和KN≤0.2的要求。
      參照國防科工委頒布《防可見光近紅外溶劑型偽裝涂料規范》規定的主要技術指標,水性光學偽裝涂料的檢測結果如表2所示。表中增添“耐老化性能”一項,參照外墻乳膠漆相關標準規定測試。
      防近紅外偽裝涂料(中綠)技術指標及檢測結果
       
      4 結語
      隨著日趨先進的光電偵察技術的發展,研制降低目標光學特征的光學偽裝涂料成為現代防空的重要武器和手段。這就要求目標表面涂層與背景達到同色同譜、無光且涂層具有良好的耐老化性等理化指標。在保護環境的主流下,研制水性偽裝涂料成為方向。
      水性偽裝涂料選擇苯丙-硅丙復配乳液,根據顏料的光譜反射性選擇適宜顏料,篩選必備的助劑以及去離子水,制備成水性防可見光、近紅外偵察偽裝涂料。該涂料的主要技術性能均達到溶劑型光學偽裝涂料的規定,耐老化性超過乳膠漆規定指標,同時符合國家環保低VOC排放的規定要求。
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