CN106751275A - 一种有机仿生材料及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种有机仿生材料及制备方法，有机仿生材料由以下重量份的组分制成：聚乙烯醇为1‑8份；金属氯化物1‑7份；染色剂2‑6份；交联剂为2‑9份；催化剂为5‑6份。有机仿生材料能够同时模拟植物叶片蒸腾以及光谱反射特性，可以模拟植物外观、光谱反射从而达到兼具红外、光谱成像伪装和林地背景可见光伪装的目的。

Description

一种有机仿生材料及制备方法
技术领域
本发明属于红外、光谱成像伪装和林地背景可见光技术领域，特别涉及一种有机仿生材料及其制备方法。
背景技术
伪装就是采取措施来隐蔽自己、迷惑敌人。伪装的实质是模拟自然特性，消除或缩小目标与所处环境背景之间以及真假目标之间的差异，保证与自然状态融合为一体。红外伪装就是利用屏蔽、低发射率涂料、热抑制等措施，降低或改变目标的红外辐射特征，实现对目标的低可探测性。但试验表明，常规红外伪装涂料和材料采用的红外发射率控制技术尚不能保证全天时伪装。由于材质和结构的原因，它们的热惯量与植被背景不匹配，在野外条件下升温和降温均很快，与植被背景的红外辐射特性存在显著差别，极易被红外探测器发现。在应对高光谱成像侦察技术方面，国内外普遍采用的某伪装绿、伪装黑材料均能够满足300-1100nm 波段范围内具有与植被背景相似的反射特征。而在1400-2500 nm 波段范围内，由于植被有水的吸收峰特征，目前还没有合适的材料能够模拟植被的光谱反射特征。
目前很多学者针对植物叶片的仿生大都简单的模仿叶片表面的结构特征或者是组成成分。大自然不仅赋予植物形形色色的结构以及组成特征，还赋予了它们生命特征。蒸腾作用是植物的一项最重要的基本生理活动。水分以水蒸气的形式从生物体表面散失到大气的过程成为蒸腾作用。值得注意的是蒸腾作用给植物叶片带来冷却的作用，白天太阳光照射到叶片表面，大部分能量转化为热能，蒸腾作用的蒸发潜热会带走部分能量，降低叶片表面温度。所以要想模拟真实叶片的热特征，仅简单模拟叶片的结构以及组成是不可能实现的，必须要模拟植物的蒸腾作用。吸附材料在高湿度下能吸附空气中的水蒸气/水，低湿度下会脱附水蒸气/水。吸附材料脱附水蒸气/水这一性质可以用于模拟植物叶片的蒸腾作用。
所以通过上述分析可以看出，为了模仿植物叶片的热特征，不仅需要考虑叶片的表面结构特征还需要考虑其蒸腾作用，利用仿生材料的脱附性能模拟植物叶片的蒸腾作用，使仿生材料与真实叶片的温差较小。在植物叶片的光谱特性方面，色素以及水是影响叶片光谱反射率的主要因素，有机仿生材料中的颜料以及吸湿材料能够保证仿生材料模仿植物叶片的光谱反射特性。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明设计了一种能够同时模拟植物叶片蒸腾以及光谱反射特性的有机仿生材料。
本发明模拟植物蒸腾作用的方法是：采用一种以聚乙烯醇和金属氯化物为载体的有机仿生材料，利用材料夜晚吸附空气中的水蒸气/水、白天脱附水蒸气/水这一性能来模拟植物蒸腾作用。
本发明模拟植物叶片光谱反射特性的方法是：采用与植物叶片具有相似光谱反射特性的颜料，同时利用吸湿材料吸附水蒸气/水的能力保证有机仿生叶片中有一定量的水，基于这两个条件来模仿植物叶片的光谱反射特性。
所述有机仿生材料由溶液铸膜法，以聚乙烯醇水溶性高分子、金属氯化物、L-苹果酸（交联剂）、醋酸（催化剂）以及氧化铬绿为主要材料制备而成。主要是基于聚乙烯醇与金属氯化物的吸脱附来模拟叶片的蒸腾作用，加入交联剂和催化剂是为了增强膜材料的机械性能进而避免膜吸湿之后的过度溶胀，氧化铬绿是深绿色的颜料，保证有机仿生材料与植物叶片具有相似的颜色以及光谱反射特性。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案:
一种有机仿生材料，其特征在于，机仿生材料由以下重量份的组分制成：聚乙烯醇为1-8份；金属氯化物1-7份；染色剂2-6份；交联剂为2-9份；催化剂为5-6份。
进一步地，所述金属氯化物指吸湿性较强的无机盐。
进一步地，所述无机盐为氯化锂或氯化钙。
进一步地，所述交联剂为L-苹果酸或食用苹果醋。
进一步地，所述催化剂为醋酸。
进一步地，所述染色剂为氧化铬绿或草丝黄。
一种有机仿生材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）称取各组分原料，将1-8份聚乙烯醇加入250mL去离子水中溶解，制成聚乙烯醇溶液；
（2）将1-7份金属氯化物、 2-9份交联剂，5-6份催化剂，2-6份染色剂溶于上述聚乙烯醇溶液中，在温度为60-90℃的条件下，经过交联反应5-6小时，制成铸膜液；
（3）将步骤（2）中的铸膜液取出，置于烘箱中加热至70-100℃、1-1.5h促使聚乙烯醇交联再将抽真空脱泡后平铺于定制板上；
（4）将定制板置于恒温恒湿箱中加热，温度40℃、湿度45%、加热时间16h，得到片状有机仿生材料。
进一步地，所述步骤（1）中溶解具体步骤为边加热边搅拌，温度为40～100℃，直至聚乙烯醇全部溶解为止。
进一步地，所述步骤（3）中，铸膜液抽真空脱泡具体包括：将铸膜液置于抽滤瓶或真空烘箱中抽真空后，置于室温下密封静置，时间为18-24h。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
仿生材料中加入的交联剂和催化剂的作用是两者共同促使聚乙烯醇发生交联反应。氧化铬绿是深绿色颜料，保证有机仿生材料与植物叶片具有相似的颜色以及光谱反射特性。金属氯化物是具有吸湿性的，在有机仿生材料中添加金属氯化物可以保证复合材料能够吸湿，能够适应恶劣环境。铸膜液经过密封静置过程是为了防止铸膜液中的水分流失。所有材料融合后具有光谱反射性能，红外和邻近红外的光谱都可以被反射。
本发明中的有机仿生材料制备而成有机仿生植株，栽种在桂花树丛中如图1所示，进行有机仿生植株与桂花树的红外热像图测试，测量时采用红外热像仪采集记录仿生植株与桂花树的红外热像图，测量的时间间隔为1小时，由图2可以看出，有机仿生植株与桂花树融为一体，实现对目标的低可探测性。
一天内有机仿生材料与桂花树叶片的温度变化如图3所示，可以看出机仿生材料桂花树叶片的温度变化曲线基本重合，说明了本发明的有机仿生材料的表面结构特征和蒸腾作用相近，使仿生材料与真实叶片的温差较小。在植物叶片的光谱特性方面，有机仿生材料中的颜料以及吸湿材料能够保证有机仿生材料模仿植物叶片的光谱反射特性，有机仿生材料和植物的接近程度对比，从图4中可以看出本发明的有机仿生材料与普通植物叶片类似，能够模拟植物外观，同时，该有机仿生材料具有光谱反射特性，达到红外、光谱成像伪装、林地背景可见光伪装。
由此可见，本发明有机仿生材料具有模拟植物外观、光谱反射从而达到兼具红外、光谱成像伪装、林地背景可见光伪装的作用。
附图说明
图1是由有机仿生材料制备而成有机仿生植株。
图2是典型时刻有机仿生植株与桂花树的红外热像图，测量时采用红外热像仪采集记录仿生植株与桂花树的红外热像图，测量的时间间隔为1小时。
图3是一天内有机仿生材料与桂花树叶片的温度变化。
图4是有机仿生材料与真实叶片（桂花树以及樟树叶片）的光谱反射特性，测量时采用带有积分球系统的分光光度计测量真实叶片以及有机仿生材料的光谱反射率。
具体实施方式
下述实施例是对于本发明内容的进一步说明以作为对本发明技术内容的阐释，但本发明的实质内容并不仅限于下述实施例所述，本领域的普通技术人员可以且应当知晓任何基于本发明实质精神的简单变化或替换均应属于本发明所要求的保护范围。
实施例1
（1）按重量份称取各组分原料，将1份聚乙烯醇加入250mL去离子水中溶解，边加热边搅拌，温度为40℃，直至聚乙烯醇全部溶解为止，制成聚乙烯醇溶液；
（2）将1份氯化锂、 2份L-苹果酸，5份醋酸，2份氧化铬绿溶于上述聚乙烯醇溶液中，在温度为60℃的条件下，经过交联反应5小时，制成铸膜液；
（3）将步骤（2）中的铸膜液取出，置于烘箱中加热至80℃、1h促使聚乙烯醇交联再将抽真空脱泡后平铺于定制板上，抽真空脱泡具体包括：将铸膜液置于抽滤瓶或真空烘箱中抽真空后，置于室温下密封静置，时间为18h；
（4）将定制板置于恒温恒湿箱中加热，温度40℃、湿度45%、加热时间16h，得到片状有机仿生材料。
实施例2
（1）按重量份称取各组分原料，将4份聚乙烯醇加入250mL去离子水中溶解，边加热边搅拌，温度为80℃，直至聚乙烯醇全部溶解为止，制成聚乙烯醇溶液；
（2）将3份氯化锂、 6份L-苹果酸，5.5份醋酸，4份氧化铬绿溶于上述聚乙烯醇溶液中，在温度为75℃的条件下，经过交联反应5.5小时，制成铸膜液；
（3）将步骤（2）中的铸膜液取出，置于烘箱中加热至90℃、1.2h促使聚乙烯醇交联再将抽真空脱泡后平铺于定制板上，抽真空脱泡具体包括：将铸膜液置于抽滤瓶或真空烘箱中抽真空后，置于室温下密封静置，时间为21h；
（4）将定制板置于恒温恒湿箱中加热，温度40℃、湿度45%、加热时间16h，得到片状有机仿生材料。
实施例3
（1）按重量份称取各组分原料，将8份聚乙烯醇加入250mL去离子水中溶解，边加热边搅拌，温度为40℃，直至聚乙烯醇全部溶解为止，制成聚乙烯醇溶液；
（2）将7份氯化锂、9份L-苹果酸， 6份醋酸， 6份氧化铬绿溶于上述聚乙烯醇溶液中，在温度为90℃的条件下，经过交联反应6小时，制成铸膜液；
（3）将步骤（2）中的铸膜液取出，置于烘箱中加热至100℃、1.5h促使聚乙烯醇交联再将抽真空脱泡后平铺于定制板上，抽真空脱泡具体包括：将铸膜液置于抽滤瓶或真空烘箱中抽真空后，置于室温下密封静置，时间为24h；
（4）将定制板置于恒温恒湿箱中加热，温度40℃、湿度45%、加热时间16h，得到片状有机仿生材料。
实施例4
（1）按重量份称取各组分原料，将5份聚乙烯醇加入250mL去离子水中溶解，边加热边搅拌，温度为100℃，直至聚乙烯醇全部溶解为止，制成聚乙烯醇溶液；
（2）将5份氯化钙、 7份食用苹果醋，5份醋酸，5份草丝黄溶于上述聚乙烯醇溶液中，在温度为80℃的条件下，经过交联反应6小时，制成铸膜液；
（3）将步骤（2）中的铸膜液取出，置于烘箱中加热至100℃、1.5h促使聚乙烯醇交联再将抽真空脱泡后平铺于定制板上，抽真空脱泡具体包括：将铸膜液置于抽滤瓶或真空烘箱中抽真空后，置于室温下密封静置，时间为23h；
（4）将定制板置于恒温恒湿箱中加热，温度40℃、湿度45%、加热时间16h，得到片状有机仿生材料。

Claims (9)

1.一种有机仿生材料，其特征在于，有机仿生材料由以下重量份的组分制成：聚乙烯醇为1-8份；金属氯化物1-7份；染色剂2-6份；交联剂为2-9份；催化剂为5-6份。
2.根据权利要求1所述的有机仿生材料，其特征在于，所述金属氯化物指吸湿性较强的无机盐。
3.根据权利要求2所述的有机仿生材料，其特征在于，所述无机盐为氯化锂或氯化钙。
4.根据权利要求1所述的有机仿生材料，其特征在于，所述交联剂为L-苹果酸或食用苹果醋。
5.根据权利要求1所述的有机仿生材料，其特征在于，所述催化剂为醋酸。
6.根据权利要求1所述的有机仿生材料，其特征在于，所述染色剂为氧化铬绿或草丝黄。
7.一种有机仿生材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）按重量份称取各组分原料，将1-8份聚乙烯醇加入250mL去离子水中溶解，制成聚乙烯醇溶液；
（2）将1-7份金属氯化物、 2-9份交联剂，5-6份催化剂，2-6份染色剂溶于上述聚乙烯醇溶液中，在温度为60-90℃的条件下，经过交联反应5-6小时，制成铸膜液；
（3）将步骤（2）中的铸膜液取出，置于烘箱中加热至70-100℃、1-1.5h促使聚乙烯醇交联再将抽真空脱泡后平铺于定制板上；
（4）将定制板置于恒温恒湿箱中加热，温度40℃、湿度45%、加热时间16h，得到片状有机仿生材料。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中溶解具体步骤为边加热边搅拌，温度为40～100℃，直至聚乙烯醇全部溶解为止。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中，铸膜液抽真空脱泡具体包括：将铸膜液置于抽滤瓶或真空烘箱中抽真空后，置于室温下密封静置，时间为18-24h。
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