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水性光学伪装涂料的制备及应用

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-->>水性光学伪装涂料的制备及应用

伪装即用隐藏真貌展示假相的方法,使军事目标、武器装备的可见性减少到最低限度。伪装涂料主要涂覆在地面军用目标外表面,改变目标表面的光谱特性,消除、降低目标与背景光学特征的差别,提高目标与背景的融合性。根据侦察探测设备的工作波段,一般将伪装涂料分为光学伪装涂料、中远红外伪装涂料和雷达波吸收涂料三种类型,其伪装波段分别为:光学波段(可见光0.38~0.76 μm和近红外0.76~1.5 μm)、中远红外波段(3~5 μm、8~14 μm)和雷达波段(厘米波、毫米波)。本项目研究课题是光学波段伪装涂料。
 
1 伪装涂料的要求
利用涂料实现光学隐身的基本要求是在可见光与近红外波段内,涂层颜色最大可能地融入所处的环境背景(如植被,土壤,沙漠或者海洋等)中。由于背景的复杂多样,通常要求采用各种颜色的涂料将目标涂覆成迷彩图案的形式,以达到模糊、分割目标外形轮廓的效果,在可见光范围内得以隐身。光学伪装涂料还必须能使被涂装的物体在红外线的照射下得以隐形,这就要求涂层的光谱反射特性与背景一致。特别是光学伪装涂料能模拟自然背景中物体的光谱反射曲线,使目标能有效地融入背景中。
光学伪装涂料应满足以下几点要求:
(1)色彩与光谱反射特性与背景一致,实现目标表面与背景的同色同谱;
(2)光泽为无光或平光涂料,60º光泽应在10以下;
(3) 有优良的附着力、耐候性、耐腐蚀性、抗霉菌性。
 
2 伪装涂料的原材料选择
2.1 主成膜物的选择
研制水性伪装涂料,关键是选择符合环保要求的主成膜物。本文选择水乳性树脂即高聚物乳液作为伪装涂料主成膜物。符合要求的乳液有乙醋乳液、醋丙乳液、苯丙乳液、纯丙乳液、硅丙乳液、氟碳乳液等。根据水性伪装涂料的基本要求以及成本考虑,对以下乳液作比较,见表1。
不同乳液对产品性能的影响
由表1可见,硅丙乳液综合性能较好,但耐冲击性较差且价格较高。考虑到户外耐候性以及附着力的要求,选用玻璃化温度较高的2#交联型苯丙共聚乳液作为主要成膜物。结合防腐性要求,配以快干型且防腐性优异的硅丙乳液。经过试验筛选,硅丙乳液比例占总乳液量的15%为宜。
2.2 颜料的选择
颜料是影响涂层的可见光和近红外性能的最主要因素。涂料的伪装能力主要是通过颜料的选择和颜料间的科学组合来实现。在可见光范围内,颜料的选择是使涂料中的颜料发生光的吸收、折射、反射作用后,可产生与背景一致的颜色,即实现模拟背景色彩的目的。而对于近红外光谱区,伪装涂料所用颜料,除满足颜色要求外,还必须能产生与背景一致的反射光谱。因此,光学伪装涂料必须具有与背景同色同谱的特性,即从可见光到近红外光波长范围内,使目标与背景具有近似相同的光谱曲线。
对于防红外伪装涂料来说,许多在可见光范围内用于配色的传统颜料不能用于红外伪装涂料,单一颜料往往难以满足要求。配制与自然背景一致的色调和光谱反射曲线的防红外伪装涂料时,必须选用适应的颜料并采用多种颜料的合理组合来实现。涂料中各组分颜料对漆膜反射率影响的程度又取决于各自的特性,如着色力、细度、光散射吸收能力以及百分含量等。
普通的军绿漆和绿色伪装涂料很难做到与植被反射光谱较好的吻合,通过近红外伪装检验镜就可以很清楚地分辨出。在检验镜观察下,植被的绿叶呈鲜红色,而军绿色油漆不变色,普通绿色伪装涂料呈暗红色。这是因为普通绿色伪装涂料中多含有氧化铬的缘故。氧化铬绿(三氧化二铬)是绿色的,并且具有与叶绿素相似的光谱反射特性(见图1),所以成为早期防红外侦察伪装涂料的主要颜料。
嫩树叶和氧化铬绿的光谱反射特性曲线
从图1还可发现氧化铬绿在近红外区的反射率不能急剧上升,所以单独使用不能满足相关要求。经实验,添加其他钛白粉、沉淀硫酸钡等颜料之后,能够配制出比较理想的伪装涂料。另外,Cr-Co-Ti锻烧混合物绿色素以及含Co的锻烧混合物蓝色颜料天兰等,光谱性能非常好,而且因为是无机颜料,耐候性也非常好,可在配制涂料时按需要选择。
2.3 助剂的选择
试验表明,多官能团烷氧基铵盐分散剂可改善颜料浆的展现性、流变性和色强度,减少沉淀发生;而聚丙烯酸钠分散剂对本试验选用的几种颜料均有较好的分散效果。经多次实验,确定选用阴离子型烷氧基铵盐和聚丙烯酸钠为润湿分散剂。由于不同颜料对分散剂的需求量也不同,故其用量必须在颜料确定后通过试验来确定。
成膜助剂能促进乳液中的聚合物粒子的塑性流动和弹性变形,使其能在较宽的温度范围内成膜,即能明显降低聚合物的最低成膜温度。但因成膜助剂的添加会使涂膜光泽度升高,某些常用成膜助剂如醇酯-12等更可较大提高涂膜光泽,这恰恰不是伪装涂料所要求的性能。经多次比较试验,本项目选用的成膜助剂为丙二醇苯醚。其他助剂如消泡剂、流平剂、增稠剂、防霉剂等必须认真筛选,确定其品种和用量。

3 伪装涂料的制备和检测结果
3.1 配方
经过多次试验,反复对比,确定防近红外伪装涂料的生产配方如下(质量百分比):
苯丙乳液:38%~45%;硅丙乳液:7.6%~9.0%;颜填料:28%~36%;消光粉:5%~7%;分散剂:0.3%~0.5%;消泡剂:0.3%~0.5%;成膜助剂:2.0%~2.6%;增稠剂:0.5%~1.0%;防霉剂:0.5%~0.8%;去离子水:适量。
3.2 工艺
(1)将各种助剂、去离子水等混合均匀,在搅拌下加入各颜料、填料;
(2)高速分散30 min以上,然后将以上浆料经砂磨机砂磨到规定细度;
(3)在低速搅拌下加入苯丙、硅丙乳液以及增稠剂等助剂,继续搅拌20 min,检验合格后出料。
3.3 产品测试结果
按照配方和工艺配制的中绿和翠绿两种水性伪装涂料,按GB/T 1765-1979制备漆膜,自然干燥7 d后,在紫外可见分光光度计上测量各自的光谱反射特性曲线,并和嫩树叶的光谱反射特性曲线作对比,如图2所示。
中绿、翠绿和嫩树叶的光谱反射特性曲线对比
用紫外可见分光光度计测出的数值,经计算得到可见光亮度对比值Kv=0.077793,近红外亮度对比值KN=0.013447,满足了防近红外伪装涂料Kv≤0.1和KN≤0.2的要求。
参照国防科工委颁布《防可见光近红外溶剂型伪装涂料规范》规定的主要技术指标,水性光学伪装涂料的检测结果如表2所示。表中增添“耐老化性能”一项,参照外墙乳胶漆相关标准规定测试。
防近红外伪装涂料(中绿)技术指标及检测结果
 
4 结语
随着日趋先进的光电侦察技术的发展,研制降低目标光学特征的光学伪装涂料成为现代防空的重要武器和手段。这就要求目标表面涂层与背景达到同色同谱、无光且涂层具有良好的耐老化性等理化指标。在保护环境的主流下,研制水性伪装涂料成为方向。
水性伪装涂料选择苯丙-硅丙复配乳液,根据颜料的光谱反射性选择适宜颜料,筛选必备的助剂以及去离子水,制备成水性防可见光、近红外侦察伪装涂料。该涂料的主要技术性能均达到溶剂型光学伪装涂料的规定,耐老化性超过乳胶漆规定指标,同时符合国家环保低VOC排放的规定要求。
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