納米二氧化硅涂料印花雪地偽裝織物的制備及其性能表征

李月榮，周 嵐，馮新星，陳建勇，張建春

(1.浙江理工大學(xué)先進(jìn)紡織材料與制備技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙 江杭州 310018;2.浙江理工大學(xué)生態(tài)染整技術(shù)教育部工程研究中心，浙江 杭州 310018;3.總后勤部軍需裝備研究所，北京 100010)

納米二氧化硅涂料印花雪地偽裝織物的制備及其性能表征

李月榮1，周 嵐2，馮新星3，陳建勇1，張建春3

(1.浙江理工大學(xué)先進(jìn)紡織材料與制備技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙 江杭州 310018;2.浙江理工大學(xué)生態(tài)染整技術(shù)教育部工程研究中心，浙江 杭州 310018;3.總后勤部軍需裝備研究所，北京 100010)

針對我國適合單兵作戰(zhàn)的雪地偽裝材料匱乏、服用雪地偽裝材料鮮有研究以及現(xiàn)有的雪地偽裝材料制作工藝復(fù)雜等問題，采用納米SiO2作為白色印花顏料，通過涂料印花工藝制備了一種兼具雪地偽裝與紫外線防護(hù)性能的滌綸織物，探討了顏料與黏合劑對印制織物雪地偽裝性能的影響，并對該織物的服用性能進(jìn)行了測試。結(jié)果表明:印制織物在紫外區(qū)(300～400nm)的反射率可達(dá)到80%以上，透過率達(dá)到5%以下，紫外線防護(hù)系數(shù)高達(dá)300，有較好的雪地偽裝效果和紫外線防護(hù)性能，且具有良好的白度、手感、透濕性、耐皂洗性和色牢度。

二氧化硅;涂料印花;反射率;雪地偽裝防護(hù);紫外線防護(hù)

隨著各種偵測技術(shù)的發(fā)展，雪地作為主要作戰(zhàn)背景之一，對雪地偽裝材料的要求愈加嚴(yán)格。目前國內(nèi)外現(xiàn)有的雪地偽裝材料有偽裝涂料［1］、偽裝纖維［2］、偽裝網(wǎng)［3］以及白色紫外線熒光染料，多用于車輛、槍支以及大型軍用器械偽裝，存在耐久性差、制備工藝繁復(fù)、對基底材料要求高等問題，而對單兵作戰(zhàn)的雪地偽裝和防護(hù)紡織材料的開發(fā)鮮有報(bào)道［4］。

有專利指出二氧化鈦、三氧化銻、氧化鋅、硫化鋅等在可見光區(qū)域內(nèi)有較高反射率，而在紫外區(qū)域反射率較低［5］。具有無定形結(jié)構(gòu)的球形納米二氧化硅其直徑在1～100nm的范圍內(nèi)，不僅粒徑小、比表面積大、對紫外光反射和吸收能力強(qiáng)，而且強(qiáng)度高、韌性高、穩(wěn)定性好，已被廣泛應(yīng)用于涂料［6－7］、膜材料［8］、紡織品［9］以及復(fù)合材料［10］各種領(lǐng)域。

本文基于不同種類白色顏料的反射率性能，選取了一種納米二氧化硅作為印花顏料，綜合考慮印制織物的反射率、透過率、紫外線防護(hù)系數(shù)(UPF)、透濕性、手感等性能，應(yīng)用涂料印花技術(shù)開發(fā)了一種兼具雪地偽裝與紫外線防護(hù)性能的功能性滌綸織物。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

白色顏料:納米二氧化硅(平均粒徑50nm)、納米氧化鎂(平均粒徑30nm)、納米氧化鋁(平均粒徑30nm)、納米二氧化鋯(平均粒徑30nm)、納米二氧化鈦(金紅石型，平均粒徑25nm)，均購自杭州萬景新材料有限公司。

黏合劑:APF101、SOF-APF(上海譽(yù)輝化工公司);839A(佛山奕美化工);TF320、TF321A(杭州傳化涂料有限公司);海立柴林(巴斯夫股份公司)。

增稠劑:海藻酸鈉(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)。

織物:平紋滌綸織物，經(jīng)緯紗線密度為9.2、18 tex，面密度為 108.54 g/m2。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

JJ-1型精密增力電動攪拌器;MINIMDF/767型磁棒印花機(jī);TYPE DHE型萬能焙烘機(jī);Lambda 900型紫外-可見分光光度儀;掃描電子顯微鏡(FESEM);UV-2000F紡織品抗紫外因子測試儀;DatacolorR600型測色配色儀;Nucybertek Phabromet智能風(fēng)格儀;Instron 2365型強(qiáng)度測試儀等。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 涂料印花色漿的制備

常溫條件下，將一定密度白色顏料、黏合劑、海藻酸鈉和去離子水混合，在2000～5000 r/min的轉(zhuǎn)速下攪拌1～2 h，制成具有一定流動性的涂料印花色漿，具體配方見表1。

表1 涂料印花色漿制備配方Tab.1 Formula of slurry for printing

1.3.2 涂料印花工藝

通過磁棒印花機(jī)，將上述白色涂料印花色漿均勻印制到滌綸織物上，在80℃的烘箱預(yù)烘5 min，再于60℃焙烘3 min，即得到印制織物。

1.4 性能測試與表征

1.4.1 反射率測試

采用Lambda 900型紫外-可見分光光度儀(美國Perkin Elmer公司)測定印制織物在300～400nm紫外區(qū)的反射率。

1.4.2 紫外線防護(hù)性能表征

采用UV-2000F型抗紫外因子測試儀(美國藍(lán)菲光學(xué)公司)，根據(jù)GB/T 18830—2002《紡織品 防紫外線性能的評定》測定織物的UPF值和在320～420nm紫外區(qū)的透過率。

1.4.3 SEM表面形貌分析

采用ULTRA55型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)觀察印制前后滌綸織物的表面形態(tài)。

1.3.4 服用性能測試

應(yīng)用Datacolor 600測色配色儀測試印制前后織物的白度;按照GB/T 12704.1—2009《紡織品織物透濕性實(shí)驗(yàn)方法》，應(yīng)用YG601-Ⅰ/Ⅱ型電腦式織物透濕儀測試印制前后織物的透濕性;應(yīng)用PhabrOmeter智能風(fēng)格儀(Nucybertek公司)測試印制前后織物手感;按照GB/T 3923.1—1997《紡織品織物拉伸性能第1部分?jǐn)嗔褟?qiáng)力和斷裂伸長率的測定》，應(yīng)用Instron 2365型強(qiáng)度測試儀測試印制前后織物的拉伸性能;參照GB/T 8629—2001《紡織品-紡織試驗(yàn)用家庭洗滌和干燥程序》，測試印制后織物的耐皂洗性能;采用棉和粘膠織物作為貼襯織物，參照GB/T 3921—2008《紡織品 色牢度試驗(yàn) 耐皂洗色牢度》和GB/T 3920—2008《紡織品 色牢度試驗(yàn)?zāi)湍Σ辽味取?，測試印制后雪地偽裝織物的耐水洗和耐干濕摩擦色牢度。

2 結(jié)果與討論

2.1 織物的雪地偽裝性能研究

2.1.1 顏料對織物雪地偽裝性能的影響

本文實(shí)驗(yàn)分別選用納米二氧化硅、納米氧化鎂、納米氧化鋁、納米二氧化鋯和納米二氧化鈦?zhàn)鳛橛』伭?，其他條件相同時，以顏料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，SOF-APF型黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%配制印花漿料，分別測試不同種類黏合劑印制織物在300～400nm波段的反射率，結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同種類的納米顏料粒子印制織物的反射率曲線Fig.1 Reflectivity curves of different kinds of nano pigment particles

已有研究表明，只有當(dāng)模擬物在紫外區(qū)反射率達(dá)到70%以上，才有可能在紫外線相機(jī)的偵測下呈現(xiàn)雪地背景相似的顏色，達(dá)到雪地紫外偽裝的效果［1］。由圖1可看出，以不同化學(xué)組成的納米粒子作為白色顏料，其印制織物的紫外線反射率曲線完全不同。其中，納米二氧化鈦和納米二氧化鋯印制織物在300～380nm波段的反射率均在40%以下;納米氧化鎂印制織物在340～400nm波段的反射率高于90%，而在300～320nm波段的反射率均在40%以下，甚至低至15%左右;納米三氧化二鋁印制織物雖然在300～320nm和380～400nm波段的反射率在70～90%之間，但在320～370nm波段的反射率低于70%，均不滿足雪地偽裝材料對反射率的要求。但是，納米二氧化硅印制織物在300～400nm波段內(nèi)具有高達(dá)90～100%的反射率，歸因于納米二氧化硅本身具有的高反射率。由此可知，各種不同種類的白色顏料印制織物之間的反射率存在很大差異，與顏料本身的光學(xué)性能有關(guān)，后續(xù)研究均采用該種納米二氧化硅顏料作為研究對象。

在其他實(shí)驗(yàn)條件一定的情況下，確定SOF-APF型黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，改變納米二氧化硅顏料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 2%、4%、6%、8%、10%、12%、14%，測試印制滌綸織物在300～400nm波段的反射率，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同用量的二氧化硅顏料對印制織物反射率的影響Fig.2 Influence of different concentrations of SiO2pigment on reflectivity of printed fabrics

由圖2可知，印制織物的紫外線反射率均高于滌綸織物原樣，且隨著涂料中納米二氧化硅顏料用量的增加，印制滌綸織物的紫外線反射率呈上升趨勢。其中，當(dāng)納米二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到10%以上時，在300～400nm范圍內(nèi)，印制織物的紫外線反射率均在70%以上。這是由于隨著印花漿料中納米二氧化硅顏料的增加，覆蓋在織物表面的顏料隨之增加，織物被顏料遮蓋得更好，印制織物表現(xiàn)出顏料的光學(xué)性能，反射率上升。但是，進(jìn)一步增加納米二氧化硅用量，印制織物的反射率增幅變小，因?yàn)闈{料中顏料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到一定值后，顏料對印制織物表面的遮蓋程度達(dá)到了一極限值，印制織物已完全顯示了顏料的光學(xué)性能，從而顏料的增加并不能使印制織物的反射率大幅上升，并且當(dāng)顏料質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到14%以上時，所配制的漿料呈黏稠狀，幾乎無流動性，難以用于印花實(shí)驗(yàn)，因此，涂料色漿中二氧化硅顏料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在10%為宜。

2.1.2 黏合劑對織物雪地偽裝性能的影響

在其他實(shí)驗(yàn)條件一定的情況下，選取市面上常見的幾種黏合劑(質(zhì)量分?jǐn)?shù)定為10%)，分別在不加顏料和添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的顏料時印制滌綸織物，測試其反射率值，結(jié)果如圖3、4所示。

從圖3可知，在不加二氧化硅顏料的情況下，印制織物在300～320nm波段的反射率比滌綸織物原樣略高，在320～340nm波段比滌綸織物原樣略低，而在340～400nm波段則與滌綸織物原樣相似?？傮w來說，在不加顏料時，印制織物的反射率曲線與滌綸織物原樣差異不大，這是因?yàn)檫x用的黏合劑為市面上常用的復(fù)合型黏合劑，其成分、性能大致相同，且本身反射率較低，與原織物相似，所以在測試波段不會顯著改變滌綸織物的紫外線反射率。

圖3 不加顏料時黏合劑對印制織物反射率的影響Fig.3 Influence of different adhesives on fabric reflectivity without pigment

圖4 加顏料時黏合劑對印制織物反射率的影響Fig.4 Influence of different adhesives for fabric reflectivity with pigment

由圖4可知，當(dāng)在漿料中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的納米二氧化硅顏料后，印制織物的反射率曲線較圖3有顯著改變，說明色漿中的二氧化硅顏料明顯影響了印制織物的反射率。在相同的二氧化硅顏料用量下，經(jīng)SOF-APF型、TF320型、TF321型黏合劑印制后的滌綸織物反射率達(dá)到了70%以上，其中，SOF-APF型黏合劑印制織物的反射率超過了85%，說明各種黏合劑和二氧化硅顏料之間的相容性存在一定差異，這會在一定程度上影響印制織物的紫外線反射率。相對而言，SOF-APF型黏合劑與二氧化硅顏料之間有較好的相容性，印制織物的反射率最好。

在其他實(shí)驗(yàn)條件一定的情況下，研究不同黏合劑對印制織物手感的影響，結(jié)果見表 2。采用PhabrOmeter織物風(fēng)格儀測試織物在小應(yīng)力下的物理力學(xué)性能，根據(jù)其測試原理可知:硬挺度值越大，織物手感越硬;光滑度值越大，織物越光滑;應(yīng)力-應(yīng)變曲線的面積則反映了織物通過測試環(huán)時需要的能量，曲線的面積越小，表明織物通過測試環(huán)所需的總能量越小，織物的整體手感越好。

表2 不同的黏合劑對印制滌綸織物手感影響的相對值Tab.2 Effects of different kinds of adhesive on hand feeling of polyester fabric

由表2可知，印制后滌綸織物的硬挺度增加，光滑度和懸垂性降低，應(yīng)力-應(yīng)變曲線面積增大，手感差于原織物。其中，型號為SOF-APF的黏合劑印制織物的手感最接近原織物。結(jié)合圖3和圖4的分析可知，在同等條件下，SOF-APF型黏合劑印制的滌綸織物的反射率相對最高，因此，后續(xù)實(shí)驗(yàn)均使用SOF-APF型黏合劑用于涂料配方，改變其用量，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別定為5%、10%、15%、20%、25%，測試印制滌綸織物的反射率值，結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同用量的SOF-APF型黏合劑對印制滌綸織物反射率的影響Fig.5 Effects of different concentrations of SOF-APF adhesive on reflectivity of printed polyester fabrics

由圖5可看出，隨著涂料配方中黏合劑用量的增加，印制滌綸織物反射率明顯降低。結(jié)合圖3可知，黏合劑本身在紫外線波段的反射率相對較低，因此，隨著黏合劑用量的增加，雖然有助于提高顏料粒子對織物的黏附性，但是過高的黏合劑用量顯然增加了涂料的成膜厚度，遮蓋了納米二氧化硅粒子本身良好的紫外線反射性能，使得印制織物反射率明顯下降，且過高的黏合劑用量也會嚴(yán)重影響印制織物的手感、透濕性、拉伸強(qiáng)度等服用性能。

綜上所述，當(dāng)涂料配方中顏料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，SOF-APF型黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時，印制織物的紫外線反射率較高，在紫外線及可見光區(qū)能達(dá)到較好的雪地偽裝性能。以此配方印制雪地偽裝滌綸織物，繼續(xù)探討印制織物其他性能。

2.2 織物的紫外線防護(hù)性能研究

表3示出雪地偽裝滌綸織物的UPF值及透過率TUVA值，相對于滌綸織物原樣，雪地偽裝織物的UPF值明顯增加，且在UVA波段的紫外線透過率顯著降低，具有良好的紫外線防護(hù)性能。

表3 雪地偽裝滌綸織物的UPF及TUVA值Tab.3 UPF and TUVAvalues of snow camouflage polyester fabrics

圖6示出印制前后滌綸織物的紫外線透過率曲線?？梢钥闯觯椢镌?50～320nm波段內(nèi)的透過率低于10%，但在320～400nm的波段內(nèi)反射率逐漸升高，且透過率值在10%以上，無紫外線防護(hù)效果;而印制后織物在整個250～400nm波段內(nèi)的透過率都低于5%，幾乎無紫外線透過，歸因于印制織物的紫外線反射率極高(90% ～97%)，且納米二氧化硅粒子本身對紫外光也有良好的吸收作用。

圖6 雪地偽裝織物的紫外線透過率曲線Fig.6 Ultraviolet transmittance curve of snow camouflage fabric

2.3 表面形貌分析

圖7示出印制前后滌綸織物的掃描電鏡照片。從圖7(a)、(b)可知，原織物表面經(jīng)緯紗交織，紗線間存在明顯的空隙;從圖7(c)、(d)可見，印制后的織物表面形成了一層印花薄膜，覆蓋在織物表面，這也解釋了2.2中印制雪地偽裝滌綸織物的紫外線防護(hù)性能。印制前，由于滌綸織物的紗線間有一定的空隙，當(dāng)紫外線照射在織物上，會從紗線交織的空隙中透過，導(dǎo)致織物的紫外線反射率較低，紫外線透過率高;印制后，在黏合劑的作用下，納米二氧化硅顏料粒子填充在滌綸織物的紗線和纖維的空隙處，黏附在織物表面連續(xù)成膜，賦予織物較高的紫外線反射性和較低的透過性。

圖7 滌綸原樣織物與雪地偽裝織物的SEM表面形貌Fig.7 SEM surface morphology of original polyester fabric and snow camouflage polyester fabric.(a)Original fabric(×50);(b)Original fabric(×200);(c)Snow camouflage fabric(×50);(d)Snow camouflage fabric(×200)

2.4 織物的服用性能研究

為評價印制織物的服用性能，進(jìn)一步研究了印制前后滌綸織物的白度、透濕性、手感、拉伸性能、耐皂洗性能以及耐水洗和耐干濕摩擦色牢度，結(jié)果如表4～6、圖8、9所示。

表4 印制前后滌綸織物的白度和透濕性Tab.4 Whiteness and moisture permeability of polyester fabrics before and after printing

表5 印制前后織物的手感性能指標(biāo)Tab.5 Handle index of polyester fabrics before and after printing

由表4、5可知，相對于滌綸織物原樣，印制后的雪地偽裝織物白度增加，硬挺度略有增加，而透濕率、光滑度和懸垂性略有降低。印制后，白色的納米二氧化硅顏料不僅覆蓋在滌綸織物表面，更填充了紗線和纖維間的空隙，在織物表面形成了相對比較連續(xù)的白色膜狀結(jié)構(gòu)，有助于提高織物白度，但在焙烘過程中，黏合劑在印制織物表面形成一層“網(wǎng)狀薄膜”，織物厚度略有增加，織物組織間的微小空隙被填充，限制了氣流和水氣的通過，并在一定程度上約束了織物中紗線和纖維的相對移動，故易造成印制織物變硬、變厚，手感和透濕率略有下降。

表6 雪地偽裝織物的色牢度Tab.6 Color fastness of polyester fabric after printing級

圖8 印制前后滌綸織物的拉伸強(qiáng)度曲線Fig.8 Tensile strength curves of polyester fabrics before and after printing.(a)Warp-wise;(b)Filling-wise

圖9 水洗前后印制滌綸織物的反射率曲線Fig.9 Reflectivity curves of printed polyester fabrics before and after soaping

由圖8可知，相對于滌綸織物原樣，印制后的滌綸織物的經(jīng)向和緯向的拉伸強(qiáng)度都有明顯的增加。這歸因于印制織物拉伸時，其基布和黏合劑薄膜共同承擔(dān)外力，且黏合劑填充于織物表面的空隙并滲透到表層纖維間，在拉伸時彌補(bǔ)了滌綸長絲中纖維斷裂的不同時性，因此，印制后雪地偽裝織物的拉伸強(qiáng)度有所增加。

從圖9可看出，未經(jīng)皂洗的印制織物的反射率達(dá)到了90%以上，經(jīng)過5次皂洗后，印制織物的反射率雖有所降低，但仍然保持在80%以上，說明印制所得的滌綸織物具有耐久的雪地偽裝功能。

由表6可知，該雪地偽裝織物的耐水洗和耐摩擦色牢度等級均在4級以上，具有良好的色牢度。

3 結(jié)論

納米二氧化硅顏料粒子對紫外光具有良好的反射性能，當(dāng)色漿中納米二氧化硅顏料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，SOF-APF型黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時，通過涂料印花工藝印制的織物的紫外反射率可達(dá)90%以上，紫外透過率低于5%，UPF值可達(dá)300以上，即印制織物兼具雪地偽裝與紫外防護(hù)功能，并具有良好的服用性能。

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Preparation and performance characterization of nano-SiO2printed fabric with snow camouflage protective properties

LI Yuerong1，ZHOU Lan2，F(xiàn)ENG Xinxing3，CHEN Jianyong1，ZHANG Jianchun3
(1.Key Laboratory of Advanced Textile Materials and Manufacturing Technology，Ministry of Education，Zhejiang Sci-Tech University，Hangzhou，Zhejiang 310018，China;2.Engineering Research Center for Eco-Dyeing and Finishing of Textiles，Ministry of Education，Zhejiang Sci-Tech University，Hangzhou，Zhejiang 310018，China;3.The Quartermaster Research Institute of General Logistics Department，Beijing 100010，China)

Aiming at the short supply and little study on snow camouflage materials，and the complicated technical process of existing materials，a new kind of polyester fabric having snow camouflage and UV protective properties was prepared by pigment printing technology，in which the nano-SiO2particles were used as the white pigment，and the effects of pigments and binders on the snow camouflage properties were investigated，and some of the wear ability of the fabric have been tested as well.The results showed that the printed polyester fabrics had reflectance over 80%in the UV region at 300－400nm and had transmittance value less than 5%，and the UV protection value was up to 300，and all the values indicated that the printed polyester fabric has good snow camouflage and UV protective properties.In addition，the printed fabrics had good whiteness，hand feeling，moisture permeability，soaping fastness and color fastness.

SiO2;pigment printing;reflectance;snow camouflage protection;UV protection

TS 194.2

A

10.13475/j.fzxb.20140602607

2014－06－11

2014－09－23

北京市科委項(xiàng)目(Z131100003213015)

李月榮(1989—)，女，碩士生。主要研究方向?yàn)檠┑孛圆蕚窝b織物。馮新星，通信作者，E-mail:xinxingfeng@hotmail.com。