仿植被可見(jiàn)光-近紅外反射光譜特征的分散染料印花織物制備及其性能

張典典，李 敏，關(guān) 玉，王思翔，胡桓川，付少海

(1.江蘇省紡織品數(shù)字噴墨印花工程技術(shù)研究中心，江蘇 無(wú)錫 214122；2.生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江南大學(xué))，江蘇 無(wú)錫 214122；3.國(guó)家先進(jìn)印染技術(shù)創(chuàng)新中心，山東 泰安 271000)

偽裝技術(shù)是一種通過(guò)將涂料、顏料或其它材料直接涂覆或粘貼在目標(biāo)表面，以減小目標(biāo)與背景之間波譜反射、輻射的特性差異，達(dá)到降低目標(biāo)顯著性和改變目標(biāo)外形的技術(shù)[1]，是對(duì)抗偵察和武器攻擊的有效手段和重要的作戰(zhàn)保障。合適的偽裝可以直接干擾信息的準(zhǔn)確性和及時(shí)性，提高武器裝備和士兵的生存概率，增強(qiáng)整體的戰(zhàn)斗力。隨著科技的發(fā)展，高光譜探測(cè)技術(shù)能夠同時(shí)獲取地物的幾何、輻射和光譜信息，已成為戰(zhàn)場(chǎng)偵察的一種重要手段[2-3]。傳統(tǒng)的仿植被偽裝在380～780 nm波段的可見(jiàn)光區(qū)域具有良好的偽裝能力，但在780～2 500 nm波段的近紅外區(qū)無(wú)法與植被背景光譜相匹配，出現(xiàn)“同色異譜”現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)比和分析多個(gè)波段的光譜信息，高光譜探測(cè)技術(shù)能夠準(zhǔn)確識(shí)別背景中的偽裝目標(biāo)，對(duì)目標(biāo)的生存十分不利[4]，因此，提高目標(biāo)在多波段的偽裝性能是偽裝領(lǐng)域亟需解決的問(wèn)題。

仿植被可見(jiàn)光-近紅外(Vis-NIR)偽裝通過(guò)減小目標(biāo)與植被背景在400～2 500 nm波段的反射光譜差異，從而降低目標(biāo)被識(shí)別的可能性。偽裝涂料[5]、偽裝染料[6-7]、仿生復(fù)合材料[8-10]、智能材料[4,11]是賦予目標(biāo)仿植被Vis-NIR偽裝性能的主要途徑。目前對(duì)于紡織品來(lái)說(shuō)，多利用葉綠素提取物、葉綠素銅鈉鹽、氧化鉻綠[12]、染料對(duì)其進(jìn)行印花或染色處理。其中，偽裝染料具有穩(wěn)定性高、對(duì)人體無(wú)刺激、服用性能好的優(yōu)勢(shì)。常用的偽裝染料包括還原染料[13]、活性染料、分散染料[14]，其中分散染料適用于滌綸織物的染色及印花。滌綸織物具有良好的斷裂和撕破強(qiáng)力，能夠滿足軍用紡織品的基本需求，但利用分散染料對(duì)其染色的過(guò)程中耗材種類多、工序復(fù)雜、效率低?？衫梅稚⑷玖现苯佑』ǎば蚝?jiǎn)單、固色快、生產(chǎn)效率高，適用于連續(xù)化、大批量生產(chǎn)；同時(shí)廢液廢料較少，相對(duì)環(huán)保。

基于此，本文通過(guò)分散染料直接印花的方式制備仿植被Vis-NIR反射光譜特征織物。首先，分析得到植被Vis-NIR反射光譜通道及8個(gè)特征要求。然后，研究分散染料種類及含量、染料復(fù)配種類及比例、織物規(guī)格及含水量對(duì)印花織物Vis-NIR反射光譜特征的影響。最后，通過(guò)對(duì)比印花織物與植被Vis-NIR反射光譜通道的關(guān)系，以及計(jì)算織物與葉片二者光譜曲線間的歐氏距離、光譜角、光譜相關(guān)系數(shù)分析印花織物的Vis-NIR偽裝性能。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料與儀器

材料：山茶、桂花、鵝掌柴、玉蘭、金絲桃、櫻花、櫸樹(shù)、銀杏、楓楊、桃、竹、香樟、構(gòu)樹(shù)、萬(wàn)年青葉片，均于2021年4月在江蘇省無(wú)錫市采集；機(jī)織青巖白織物(120 g/m2)、機(jī)織增白平桃織物(115 g/m2)、機(jī)織增白雙面印花磨毛織物(95 g/m2)、針織TM1820SLE織物(230 g/m2)、機(jī)織本白織物(240 g/m2)，均為市售純滌綸織物；分散藍(lán)NP-SBG、分散藍(lán)S-GL、分散藍(lán)RD-GL、分散深藍(lán)HGL、分散藏青S-2G、分散深藍(lán)S-3BG、分散艷藍(lán)2BLN、分散藍(lán)LF-B、分散藍(lán)ACE、分散黃E-GL，均為市售產(chǎn)品，浙江龍盛集團(tuán)股份有限公司；分散橙30，實(shí)驗(yàn)室自制；氫氧化鈉、無(wú)水碳酸鈉，分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；保險(xiǎn)粉(85%)，北京伊諾凱科技有限公司；增稠劑DM-5221G，無(wú)錫惠山德美化工有限公司；皂片，上海制皂廠。

儀器：Lambda 950型紫外-可見(jiàn)光-近紅外分光光度計(jì)(美國(guó)Perkin Elmer公司)；SW-12AII型耐洗色牢度試驗(yàn)機(jī)、Y571B型耐摩擦色牢度試驗(yàn)機(jī)(溫州大榮紡機(jī)標(biāo)準(zhǔn)儀器廠)；PM-500型磁棒印花機(jī)(廈門瑞比精密機(jī)械有限公司)。

1.2 印花織物的制備

分散體的制備：將分散染料均勻分散于去離子水中配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的分散體母液。在后續(xù)印花配方中，分散染料的含量均為分散體母液占印花漿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

印花漿的制備：按照總質(zhì)量為50 g配制印花漿，其中分散染料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為x%，增稠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%，去離子水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為(94-x)%，將其攪拌均勻成漿狀。

印花工藝：配制印花漿→印花(4 m/min)→預(yù)烘(80 ℃，10 min)→焙烘(180 ℃，2 min)→還原清洗(2 g/L氫氧化鈉，2 g/L保險(xiǎn)粉，浴比1:50，70 ℃，10 min)→水洗→烘干。

1.3 測(cè)試與表征

1.3.1 Vis-NIR反射光譜曲線測(cè)試

采用紫外-可見(jiàn)光-近紅外分光光度計(jì)在固體反射率測(cè)試倉(cāng)測(cè)試樣品的Vis-NIR反射光譜曲線。測(cè)試波長(zhǎng)范圍分別為300～780 nm、400～780 nm、400～2 500 nm，波長(zhǎng)間隔為10 nm。

1.3.2 “紅邊”斜率K720計(jì)算

采用印花織物反射光譜中720 nm處的光譜反射率斜率K720表征其“紅邊”斜率，其計(jì)算公式為

K720=(R730-R710)/2

式中，R730、R710分別為印花織物在730、710 nm波長(zhǎng)處的光譜反射率，%。

1.3.3 含水量計(jì)算

織物含水量W的計(jì)算公式為

式中：Ww為含水的濕態(tài)印花織物的質(zhì)量g；Wd為不含水的干態(tài)印花織物的質(zhì)量g。

1.3.4 偽裝性能評(píng)價(jià)

采用印花織物與植被Vis-NIR反射光譜曲線的歐氏距離、光譜角、光譜相關(guān)系數(shù)評(píng)價(jià)其Vis-NIR偽裝性能[15]。

歐氏距離(d)主要描述光譜向量間的亮度差異，以2個(gè)光譜對(duì)應(yīng)的2點(diǎn)之間的距離為相似度度量依據(jù)，計(jì)算公式為

式中：pi(i=1～n)為試樣光譜向量；qi(i=1～n)為參考標(biāo)準(zhǔn)光譜向量。

光譜角(θ)主要描述光譜向量間的矢量夾角，夾角越小，相似度越高，側(cè)重反映光譜曲線的幾何相似度，計(jì)算公式為

式中：p為試樣光譜向量；q為參考標(biāo)準(zhǔn)光譜向量。

光譜相關(guān)系數(shù)(r)主要描述點(diǎn)光譜值與光譜均值的關(guān)系，側(cè)重反映光譜曲線在測(cè)量波段內(nèi)的整體相似度，計(jì)算公式為

1.3.5 色牢度測(cè)試

耐皂洗色牢度：根據(jù)GB/T 3921—2008《紡織品 色牢度試驗(yàn) 耐皂洗色牢度》，采用耐洗色牢度試驗(yàn)機(jī)測(cè)定印花織物的耐皂洗色牢度。參照GB/T 250—2008《評(píng)定變色用灰色樣卡》、GB/T 251—2008《評(píng)定沾色用灰色樣卡》分別評(píng)定織物的變色、沾色牢度。

根據(jù)GB/T 3920—2008《紡織品 色牢度試驗(yàn) 耐摩擦色牢度》，采用耐摩擦色牢度試驗(yàn)機(jī)測(cè)定印花織物的耐摩擦色牢度。參照GB/T 251—2008評(píng)定織物的沾色牢度。

2 結(jié)果與討論

2.1 植被的Vis-NIR反射光譜特征

將采集的多種新鮮葉片清洗干凈，分別測(cè)試其Vis-NIR反射光譜，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果繪制植被Vis-NIR反射光譜通道，如圖1所示。以此光譜通道為參照標(biāo)準(zhǔn)，制備仿植被Vis-NIR反射光譜特征分散染料印花織物。由圖1分析得到植被Vis-NIR反射光譜通道8個(gè)特征要求，如表1所示。根據(jù)表內(nèi)要求評(píng)價(jià)分散染料印花織物的偽裝性能。

圖1 不同樹(shù)葉的Vis-NIR反射光譜曲線

表1 植被Vis-NIR反射光譜通道8個(gè)特征要求

2.2 藍(lán)色染料種類及含量與“紅邊”的關(guān)系

圖2示出質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為5%的不同分散染料印花織物在400～2 500 nm波段的反射光譜曲線。根據(jù)圖中光譜曲線的形狀，可將其分為A、B、C 3類。A類為分散藍(lán)NP-SBG、分散藍(lán)S-GL、分散藍(lán)RD-GL，三者的反射光譜曲線基本重合，反射峰位置在465.9 nm，“紅邊”起始位置在680.3 nm。B類為分散深藍(lán)HGL、分散藏青S-2G、分散深藍(lán)S-3BG，在400 nm出現(xiàn)最大值，未出現(xiàn)反射峰，“紅邊”起始位置在620.9 nm。C類為分散艷藍(lán)2BLN、分散藍(lán)LF-B、分散藍(lán)ACE，反射峰位置在428.7 nm，“紅邊”起始位置在635.1 nm。同一類型分散染料的光譜曲線基本相似，因此分別以分散藍(lán)NP-SBG、分散深藍(lán)HGL、分散艷藍(lán)2BLN為代表進(jìn)行研究。

圖2 不同藍(lán)色染料的反射光譜曲線

改變分散藍(lán)NP-SBG、分散深藍(lán)HGL、分散艷藍(lán)2BLN的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，測(cè)定其在300～780 nm波段的反射峰位置及反射率、“紅邊”起始位置，并計(jì)算“紅邊”斜率，結(jié)果如表2所示?？梢钥闯觯焊淖?nèi)玖腺|(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)印花織物反射峰位置無(wú)明顯影響，反射峰反射率隨染料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而降低；同時(shí)，隨染料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，分散藍(lán)NP-SBG印花織物的“紅邊”起始位置不變但斜率減小，分散深藍(lán)HGL和分散艷藍(lán)2BLN印花織物的“紅邊”起始位置發(fā)生紅移且斜率增大。

表2 300～780 nm波段的染料含量對(duì)印花織物反射光譜曲線的影響

“紅邊”波段要求為670.0～788.3 nm，如表1所示，1.0%分散藍(lán)NP-SBG就能夠達(dá)到此要求，并且“紅邊”位置不隨染料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的改變而發(fā)生變化，有利于復(fù)配后保持“紅邊”位置。此外，圖2顯示分散藍(lán)NP-SBG的反射峰值最大，與其它染料復(fù)配后仍然能夠達(dá)到仿植被所需反射率值。

2.3 染料復(fù)配種類及比例與“綠峰”的關(guān)系

根據(jù)減法混色原理，選擇合適的黃色染料與分散藍(lán)NP-SBG復(fù)配模擬“綠峰”波段。圖3(a)示出分散藍(lán)NP-SBG分別與分散黃E-GL、分散橙30按不同比例復(fù)配后印花織物在400～780 nm波段的反射光譜曲線?？梢钥闯觯?dāng)分散藍(lán)NP-SBG與分散黃E-GL復(fù)配時(shí)，增加黃色染料比例，反射峰位置向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，峰值反射率降低。印花織物與葉片相比其缺少紅光，在不增加染料種類的基礎(chǔ)上，選用分散橙30代替分散黃E-GL進(jìn)行復(fù)配。當(dāng)分散藍(lán)NP-SBG與分散橙30復(fù)配質(zhì)量比為3.0:0.6時(shí)，印花織物的反射峰位置在550 nm處，符合植被“綠峰”位置要求，但其“綠峰”反射率較高，因此需加入其它染料調(diào)節(jié)反射率。另外，相較于分散黃E-GL，分散橙30染料用量少，可節(jié)約成本。

根據(jù)表2可知，分散深藍(lán)HGL在可見(jiàn)光區(qū)反射率較低。圖3(b)為在“綠峰”位置不變的前提下，調(diào)整分散深藍(lán)HGL與分散藍(lán)NP-SBG、分散橙30復(fù)配比例后印花織物在400～780 nm波段的反射光譜圖?？梢钥闯?，加入分散深藍(lán)HGL后，印花織物在400～680 nm波段的反射率大幅降低；但“紅邊”斜率輕微減小，因此，需在保證織物同時(shí)滿足“綠峰”與“紅邊”的要求下，適量調(diào)整藍(lán)色染料的含量。當(dāng)分散藍(lán)NP-SBG、分散橙30、分散深藍(lán)HGL復(fù)配質(zhì)量比為2.5:2.0:1.1時(shí)，“綠峰”(550.3 nm，19.4%)、“紅邊”(687.7～780.0 nm，K720=7.7)滿足表1所示植被Vis-NIR光譜通道特征要求1～4。

圖3 不同印花織物在400～780 nm波段的反射光譜曲線

2.4 織物規(guī)格與“近紅外高原”的關(guān)系

圖4示出不同規(guī)格滌綸織物及含水前后印花織物(分散藍(lán)NP-SBG、分散橙30、分散深藍(lán)HGL的復(fù)配質(zhì)量比為2.5:2.0:1.1)的Vis-NIR反射光譜曲線。對(duì)比5種不同規(guī)格滌綸織物的光譜圖可知，本白滌綸織物在400～500 nm波段反射率呈上升趨勢(shì)，有利于“綠峰”的形成，但反射率最高。根據(jù)所用分光光度計(jì)的測(cè)試原理可知，照射在織物表面的光會(huì)發(fā)生反射、吸收和透射，其關(guān)系為：反射率(R)+吸收率(A)+透射率(T)=1?？椢镌胶瘛⒔M織結(jié)構(gòu)越緊密，光的透射率越低，反射率越高。本白滌綸織物面密度為240 g/m2，織物最厚，反射率最高，因此最終選擇機(jī)織本白滌綸織物為實(shí)驗(yàn)基布。對(duì)比含水前后印花織物的反射光譜可知，含水織物的“近紅外高原”反射率顯著降低，這是由于織物含水后對(duì)光的吸收、透射增強(qiáng)所致。

圖4 不同規(guī)格織物及印花織物的Vis-NIR反射光譜曲線

2.5 織物含水量與“水分吸收谷”的關(guān)系

圖5示出不同含水量下印花織物(分散藍(lán)NP-SBG、分散橙30、分散深藍(lán)HGL的復(fù)配質(zhì)量比為2.5:2.0:1.1)的Vis-NIR反射光譜曲線。可以看出，與不含水織物相比，含水織物在1 448.6、1 929.8 nm處出現(xiàn)2個(gè)吸收谷。隨含水量的增加，2個(gè)吸收谷位置不變、反射率值相應(yīng)降低，這表明織物含水是其光譜曲線中“水分吸收谷”形成的根本原因。當(dāng)含水量為120.9%時(shí)，該織物Vis-NIR反射光譜曲線“綠峰”(550.3 nm，11.4%)，“紅邊”(681.5～779.2 nm，K720=6.9)、“近紅外高原”(779.2～1 300.6 nm，52.5%～60.1%)、“水分吸收谷”(1 448.6 nm，15.9%；1 929.8 nm，6.4%)均滿足植被Vis-NIR反射光譜通道8個(gè)特征要求，可認(rèn)為該印花織物具有一定的Vis-NIR偽裝性能。

圖5 含水量對(duì)印花織物Vis-NIR反射光譜曲線的影響

2.6 印花織物的Vis-NIR偽裝性能

圖6(a)示出印花織物(分散藍(lán)NP-SBG、分散橙30、分散深藍(lán)HGL的復(fù)配質(zhì)量比為2.5:2.0:1.1，含水量為120.9%)的野外可見(jiàn)光偽裝性能，圖6(b)對(duì)比了該印花織物反射光譜與植被Vis-NIR反射光譜通道的關(guān)系。可知，將該印花織物放于綠植中不易被發(fā)現(xiàn)，具有良好的可見(jiàn)光偽裝性能。經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，其光譜曲線99.1%包含于植被Vis-NIR反射光譜通道內(nèi)。

圖6 印花織物的偽裝性能

通過(guò)公式計(jì)算印花織物與萬(wàn)年青葉片二者光譜曲線的歐氏距離、光譜角及光譜相關(guān)系數(shù)，結(jié)果如表3所示?？梢钥闯觯叩臍W氏距離為0.346，光譜角在400～780 nm波段為0.169°、在780～1 350 nm為0.009°、在1 450～1 780 nm波段為0.094°、在2 000～2 350 nm波段為0.107°，光譜相關(guān)系數(shù)為0.997，均高于GJB 1411A—2015《地地導(dǎo)彈武器裝備系統(tǒng)偽裝要求》中一級(jí)高光譜偽裝指標(biāo)要求，具有良好的全光譜仿植被偽裝性能。

表3 印花織物與萬(wàn)年青葉片光譜曲線的歐氏距離、光譜角及光譜相關(guān)系數(shù)

2.7 印花織物的色牢度

仿植被Vis-NIR反射光譜特征的分散染料印花織物耐洗色牢度和耐摩擦色牢度測(cè)試結(jié)果表明，該織物的褪色、沾色牢度，耐干摩擦、濕摩擦色牢度均為5級(jí)，整體色牢度性能優(yōu)異。

3 結(jié) 論

1)不同種類植被的綠葉具有相似的可見(jiàn)光-近紅外(Vis-NIR)反射光譜特征。選用合適的分散染料對(duì)滌綸織物直接印花可使其具備良好的仿植被Vis-NIR偽裝性能。

2)藍(lán)色分散染料的種類及含量是影響“紅邊”起始位置及斜率的關(guān)鍵，對(duì)于分散藍(lán)NP-SBG、分散藍(lán)S-GL、分散藍(lán)RD-GL染料，“紅邊”起始位置不隨染料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化而改變，但染料質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，“紅邊”斜率減?。粚?duì)于分散深藍(lán)HGL、分散藏青S-2G、分散深藍(lán)S-3BG、分散艷藍(lán)2BLN、分散藍(lán)LF-B、分散藍(lán)ACE染料，隨染料質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，“紅邊”起始位置紅移且斜率增大?？椢锖穸葴p小及含水量增大均能降低織物“近紅外高原”反射率?？椢锖瞧涔庾V曲線中“水分吸收谷”形成的根本原因，隨含水量增加，吸收谷位置不變，反射率降低。

3)仿植被Vis-NIR反射光譜特征的分散染料印花織物具有良好的偽裝性能和優(yōu)異的色牢度性能。當(dāng)分散藍(lán)NP-SBG、分散橙30、分散深藍(lán)HGL的復(fù)配質(zhì)量比為2.5:2.0:1.1，含水量為120.9%時(shí)，該印花織物的光譜曲線滿足植被Vis-NIR光譜通道8個(gè)特征要求；其與萬(wàn)年青葉片光譜曲線的歐氏距離為0.346，光譜角在400～780 nm波段為0.169°、在780～1 350 nm波段為0.009°、在1 450～1 780 nm波段為0.094°、在2 000～2 350 nm波段為0.107°，光譜相關(guān)系數(shù)為0.997，滿足GJB 1411A—2015中一級(jí)高光譜偽裝指標(biāo)要求。同時(shí)其褪色、沾色牢度，耐干摩擦、濕摩擦色牢度均為5級(jí)，整體色牢度性能優(yōu)異。