綠色偽裝水基泡沫的制備與性能研究

王翔，袁建，蔣曉軍，盧言利，穆景陽

(1.63983部隊，江蘇 無錫 214035； 2.山東理工大學 交通與車輛工程學院，山東 淄博 255000)

0 引言

水基泡沫作為一種新型光電無源干擾材料，具有經濟、環(huán)保、無毒、易清洗、作業(yè)速度快等特點，以及一定的紅外偽裝和雷達偽裝性能，通過對野戰(zhàn)工事、機場跑道、坦克集群等目標快速實施水基泡沫遮蔽偽裝，能夠降低高技術偵察衛(wèi)星的探測識別精度，提高陸戰(zhàn)場目標的生存能力。但水基泡沫起泡力和穩(wěn)定性難以兼容、光學偽裝性能單一，限制了其在軍事偽裝領域的應用[1-2]。王鳳[3]采用十二烷基硫酸鈉和十二醇復配制備水基泡沫，研究了增稠劑、環(huán)境溫度、pH值對泡沫穩(wěn)定性的影響，結果表明水基泡沫在中性溶液、低溫環(huán)境下穩(wěn)定性最好。Fameau等[4]通過使用十二羥基硬脂酸和己醇胺鹽復配得到了超穩(wěn)溫度響應型泡沫，在溫度為20 ℃下得到了超穩(wěn)溫度響應型泡沫，并在相同溫度下放置6個月，體積無變化，但泡沫的起泡力較低。王翔等[5]通過正交試驗設計，研究了十二烷基硫酸鈉、十八烷基三甲基氯化銨等對水基泡沫起泡力和穩(wěn)定性的影響，確定了水基泡沫的組分、配比和制備工藝。蔣曉軍等[6]通過超吸水性樹脂進行纖維原位聚合、綠色偽裝色水性色漿計算機配色技術，開發(fā)了一種超吸水性控溫綠色偽裝織物，在380～1 800 nm波段具有與綠色植物相似的光譜反射特性，能夠模擬綠色植物的水分吸收特征峰。

本文針對水基泡沫起泡力和穩(wěn)定性難以兼容、光學偽裝性能單一等問題，在前期研究的基礎上，通過陰離子表面活性劑十二烷基硫酸鈉和陽離子表面活性劑十八烷基三甲基氯化銨復配，提高水基泡沫的穩(wěn)定性；通過偽裝著色劑配色模擬綠色植物的顏色和光譜反射特性，實現(xiàn)水基泡沫的可見光- 近紅外偽裝性能，進而開發(fā)一種高穩(wěn)定性的綠色偽裝水基泡沫，研究了溫度對綠色偽裝水基泡沫穩(wěn)定性的影響和水基泡沫的光學偽裝性能，分析了泡沫的穩(wěn)定性機理，開展了水基泡沫外場試驗驗證，以期實現(xiàn)水基泡沫的工程化偽裝應用。

1 實驗

1.1 實驗原料

實驗用原料如下：山西長治奧尼克合成化學有限公司生產的十二烷基硫酸鈉，山東福斯特化工有限公司生產的十八烷基三甲基氯化銨，國藥集團化學試劑有限公司生產的十二醇，宜興市興洋化工有限公司生產的丙二醇，北京恒卓通科技有限公司生產的瓜爾膠，上海永興實業(yè)有限公司生產的丙烯酸乳液，蘇州世銘有限公司生產的水性色漿。

1.2 綠色水基泡沫的制備

1.2.1 綠色偽裝著色劑

基于水基泡沫環(huán)保、無毒、臨時型偽裝等要求，選用有機顏料作為基礎色料。根據(jù)背景色樣的色調、亮度、飽和度和減法混色原理，選取紅色、黃色、藍色、紫色和白色作為基礎色系；根據(jù)有機顏料在可見光-近紅外波段的光譜反射特性，選取顏料紅、顏料黃、顏料藍、顏料紫和顏料白水性色漿，制備偽裝著色劑；稱取適量有機顏料水性色漿，比照標準顏色樣板調色并制備涂層；選取與標準顏色樣板顏色特征相近的涂層，計算有機顏料水性色漿的混合比；采用紫外/可見光/近紅外光光度計測試涂層的光譜反射特性，計算涂層與標準色的色差、可見光亮度對比和近紅外亮度對比；再次調比色，修正用色過程中出現(xiàn)的誤差，求出較準確的顏料配方。

1.2.2 水基發(fā)泡濃縮液

常見的發(fā)泡劑為十二烷基硫酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉等。其中十二烷基硫酸鈉是一種陰離子表面活性劑，易溶于水，起泡力高，但穩(wěn)定性差；十八烷基三甲基氯化銨是一種陽離子表面活性劑，易溶于水，能與多種表面活性劑或助劑配伍，協(xié)同效應好。本文發(fā)泡劑采用十二烷基硫酸鈉和十八烷基三甲基氯化銨，通過二者復配，提高水基泡沫的穩(wěn)定性。水基發(fā)泡濃縮液的制備如下：

將10 g十二烷基硫酸鈉溶解于去離子水中，配制發(fā)泡溶液；將15 g十八烷基三甲基氯化銨、3 g十二醇、0.5 g丙二醇溶解于去離子水中，配制穩(wěn)泡液。將發(fā)泡液和穩(wěn)泡液混合、攪拌均勻；在45～50 ℃條件下依次加入0.2 g瓜爾膠、5 g丙烯酸乳液，溶解后制得水基發(fā)泡濃縮液。

1.2.3 水基泡沫

利用水基泡沫產生裝置(見圖1)制備綠色水基泡沫。將水基發(fā)泡濃縮液和水按質量比1∶1混合，添加4%～10%綠色偽裝著色劑，攪拌混合均勻，加熱至45 ℃；調節(jié)氣液比為60∶1. 啟動電泵、發(fā)泡機，發(fā)泡溶液和壓縮空氣在發(fā)泡筒中發(fā)生物理反應，形成細密均勻的氣泡，從而在噴槍出口處制得偽裝水基泡沫。

圖1 水基泡沫產生裝置Fig.1 Aqueous foam generator

1.3 性能測試

泡沫的微觀形貌采用深圳市西派克光學儀器有限公司生產的HOMA-2000L金相顯微鏡進行表征；泡沫的穩(wěn)定性采用德國富奇公司生產的HC7057氣候試驗箱進行測試；偽裝著色劑的光譜反射特性采用美國Perkin Elmer公司生產的Lambda900紫外/可見光/近紅外光光度計測試，測試波段為380～1 100 nm；泡沫的光譜反射特性采用美國Spectra Vista公司生產的HR1024野外光譜儀進行檢測，測試波段為380～1 100 nm.

2 結果與討論

2.1 表征

采用金相顯微鏡分析了綠色偽裝水基泡沫的微觀形貌，如圖2所示。從圖2中可以看出，水基泡沫由大量氣泡聚集而成，氣泡間相互粘連、兼并；泡沫界面為閉孔蜂窩結構，形狀不規(guī)則，分別為五邊形、橢圓形、半球形等；尺寸大小不一，平均尺寸為0.9～2.5 mm.

圖2 水基泡沫的光學顯微鏡圖Fig.2 Optical micrograph of aqueous foam

2.2 水基泡沫的穩(wěn)定性能

采用發(fā)泡倍率即泡沫體積與構成該泡沫的泡沫溶液體積比值表征水基泡沫的起泡力，按照國家標準GB 15308—2006泡沫滅火劑規(guī)定的方法測試發(fā)泡倍率；采用持續(xù)時間即泡沫塌陷到厚度5 mm、覆蓋率80%的時間表征水基泡沫的穩(wěn)定性，利用德國富奇公司生產的HC 7057氣候試驗箱考核持續(xù)時間。

2.2.1 氣候模擬試驗

溫度、相對濕度、風等氣象條件是影響水基泡沫穩(wěn)定性的主要因素，其中溫度是決定性因素。本文在溫度-2～30 ℃、相對濕度60%條件下，研究不同溫度對發(fā)泡倍率和持續(xù)時間的影響，結果如圖3所示。從圖3中可以看出，隨著溫度的升高，發(fā)泡倍率逐漸增加，而持續(xù)時間逐漸降低，二者呈反比關系。在溫度從-2～30 ℃變化時，泡沫的發(fā)泡倍率為21～32倍，持續(xù)時間為73～185 h，實現(xiàn)了起泡力和穩(wěn)定性良好兼容，表明泡沫的穩(wěn)定性較高，這是因為陽離子和陰離子相互吸附，所形成的液膜具有致密的結構、較高的彈性和強度；瓜爾膠增強了液膜的疏水相互作用，使界面吸附層的機械強度提高，氣體擴散速度降低，進而減緩液膜的析液速度[7-8]。

圖3 環(huán)境溫度對泡沫發(fā)泡倍率和持續(xù)時間的影響Fig.3 Influence of ambient temperature on foaming ratio and duration of aqueous foam

2.2.2 外場試驗

2018年5月15日，在江蘇無錫開展了綠色偽裝水基泡沫野外穩(wěn)定性能驗證試驗，試驗條件：天氣晴到多云，溫度為23～33 ℃，相對濕度不大于85%，風速小于2.0 m/s，泡沫的發(fā)泡倍率為29倍，初始厚度為50 mm，如圖4所示。從圖4中可以看出，水基泡沫在野外放置20 h時，上部為疏松多孔結構干泡沫，下部為閉孔濕泡沫，平均厚度為12 mm，覆蓋率為99%，表明水基泡沫的有效時間不小于20 h，滿足臨時偽裝要求。

圖4 綠色偽裝水基泡沫的外場試驗Fig.4 Field experiment of green camouflage aqueous foam

2.3 水基泡沫的可見光- 近紅外偽裝性能

綠色水基泡沫的顏色是漸變的，無衡量標準，因此，采用偽裝著色劑的顏色和泡沫的光譜反射特性，表征綠色水基泡沫的光學偽裝性能。

2.3.1 偽裝著色劑的顏色

調色，制備深綠、中綠、翠綠和黃綠4種偽裝著色劑；分別將4種綠色偽裝著色劑涂覆在滌綸長絲布表面，置于烘箱烘干后即可得到綠色偽裝涂層。與標準色的色差、可見光亮度對比和近紅外亮度對比需滿足國家軍用標準GJB 1082—1991偽裝網(wǎng)用顏色對可見光- 近紅外的偽裝要求：1)色差不大于3L*a*b*，L*、a*、b*為色空間的坐標值；2)可見光亮度對比不大于0.1；3)近紅外亮度對比不大于0.2.

采用美國Perkin Elmer公司生產的Lambda900紫外/可見光/近紅外光光度計測試綠色偽裝涂層在380～1 100 nm波段的光譜反射率，根據(jù)(1)式～(6)式計算偽裝色與標準色的色差、可見光亮度對比和近紅外亮度對比[9]：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

經計算，偽裝著色劑的可見光- 近紅外偽裝指標如表1所示。從表1中可以看出，深綠、中綠、翠綠和黃綠4種偽裝著色劑與標準色的色差為2.13～2.29，可見光亮度對比為0.01～0.07，近紅外亮度對比為0.08～0.18，滿足國家軍用標準GJB 1082—1991偽裝網(wǎng)用顏色的要求。

表1 偽裝著色劑的光學偽裝性能

2.3.2 水基泡沫的光譜反射特性

采用美國Spectra Vista公司生產的HR1024野外光譜儀測試綠色偽裝水基泡沫和闊葉植物在波段380～1 100 nm的光譜反射特性。

圖5所示為水基泡沫成膜后0.5 h、2.0 h、4.0 h和6.0 h的反射光譜。從圖5中可以看出，在可見光波段，水基泡沫的光譜反射率相近；在近紅外波段，0.5 h時水基泡沫的光譜反射率較高，在2.0 h、4.0 h和6.0 h時水基泡沫的光譜反射率降低，但三者的光譜反射特征相近。這是因為水基泡沫剛成膜時含水率高，一段時間后泡沫含水率降低，且大量顏料附著在疏松多孔結構表面膜層中，對近紅外波進行衰減。表明水基泡沫表面成膜后，水基泡沫的反射光譜隨時間變化較少，可忽略不計。

圖5 水基泡沫在不同時間的反射光譜Fig.5 Reflectance spectra of aqueous foam at different times

圖6所示為綠色偽裝水基泡沫和闊葉植物在可見光和近紅外波段的反射光譜。從圖6中可以看出：闊葉植物在550 nm波長處出現(xiàn)反射峰，稱為綠峰，在680～780 nm波段，光譜反射率迅速上升，稱為紅邊，在780～1 100 nm波段，光譜反射率較高，稱為近紅外高原，在近紅外區(qū)990 nm波長處，出現(xiàn)水分吸收帶；綠色偽裝水基泡沫在530 nm波長具有綠色反射峰，在700～770 nm波段，光譜反射率急速升高，呈現(xiàn)紅邊特征，在780～1 100 nm波段，保持較高的光譜反射率，呈現(xiàn)近紅外高原特征，且在980 nm波長處呈現(xiàn)水分特征吸收峰[10-12]。根據(jù)光譜角度匹配(SAM)公式計算，綠色水基泡沫與綠色植物的光譜相似度為0.991 8，表明綠色水基泡沫和闊葉植物具有相似的光譜反射特征。

圖6 綠色水基泡沫與闊葉植物的反射光譜Fig.6 Reflectance spectra of green aqueous foam and broad-leaf plant

3 結論

本文針對水基泡沫氣泡力和穩(wěn)定性難以兼容、光學偽裝性能單一等問題，通過十二烷基硫酸鈉、十八烷基三甲基氯化銨復配和偽裝著色劑配色技術，制備了一種高穩(wěn)定的綠色偽裝水基泡沫。所得主要結論如下：

1) 水基泡沫為閉孔蜂窩狀結構，形狀不規(guī)則，大小不均，平均尺寸約為0.9～2.5 mm.

2) 氣候模擬試驗環(huán)境溫度為-2 ℃～30 ℃時，泡沫的發(fā)泡倍率為21～32倍，持續(xù)時間為73～185 h，實現(xiàn)了起泡力和穩(wěn)定性良好兼容；外場試驗環(huán)境溫度為23 ℃～33 ℃時，水基泡沫的持續(xù)時間不下于20 h，滿足臨時偽裝要求。

3) 試制了深綠、中綠、翠綠和黃綠4種偽裝著色劑，與標準色的色差為2.13～2.29，可見光亮度對比為0.01～0.07，近紅外亮度對比為0.08～0.18，滿足國家軍用標準GJB 1082—1991偽裝網(wǎng)用顏色對可見光- 近紅外偽裝的要求；在380～1 100 nm波段，闊葉水基泡沫與闊葉植物具有相似的光譜反射特征，光譜相似度為0.991 8，實現(xiàn)了可見光- 近紅外偽裝性能。