CN111286562A - 一种以皮革为基材的红外隐身材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种在常温红外大气窗口8‑14μm下，具有低发射率而且温度得以控制的红外隐身皮革材料。其特点是利用家畜动物的皮制成的天然皮革作为基础材料，在其表面涂覆低发射率金属材料，或将天然皮革脱水处理加入相变材料后，再涂覆低发射率金属材料，制备具有发射率低、温度可控、柔软可折叠、可穿戴的红外隐身材料。另外，本发明专利可通过调控涂层金属种类和配比制备兼具红外隐身和雷达隐身双重功能的皮革材料。

Description

一种以皮革为基材的红外隐身材料及其制备方法
技术领域
本发明属于功能材料的研究领域，具体涉及一种以皮革为基材制备具有红外隐身功能材料的方法。
背景技术
红外热成像技术是目前军事领域尤为重要的侦查手段之一，主要利用目标的热辐射成像进行侦查，具有夜间探测性能优良、抗干扰能力强、可适应各种复杂作战环境等特点。基于上述原因，亟需开发红外隐身材料来提高武器装备和作战士兵的战场生存能力和突防能力。
根据Stefan-Boltzmann定律M = σεT4可知，物体的红外辐射强度M由目标温度T和红外发射率ε共同决定[田乃林. 红外隐身方法与材料的发展. 红外隐身涂料的研究进展.化工进展, 2201, 21, 283-286.]。目前，已见报道的红外隐身材料主要通过其表面覆盖红外低发射率的高反射率材料以此降低表面的红外发射率ε实现红外隐身[郦江涛, 姜卫陵,赵云峰. 红外隐身涂料的研究进展. 宇航材料工艺, 2000, 5, 15-18. 余慧娟, 徐国跃,沈轩, 邵春明. 8～14 μm波段低发射率涂料的制备与优化研究. 兵器材料科学与工程,2008, 31, 49-52.]。但根据Stefan-Boltzmann定律可知，物体的红外辐射强度M还与材料表面温度T的4次方成正比，即材料温度的升高会急剧增大物体的红外辐射强度M。因此，除了降低物体表面红外发射率ε外，制备高性能红外隐身材料还需降低材料的热传导，使其在反射大量外界热辐射能量后，自身温度不会因高温目标的热传导而产生变化，保证其红外热辐射与背景红外热辐射一致，从而实现优良的红外隐身效果。目前，该类新型红外隐身材料的制备仍然极具挑战。
发明内容
本发明专利主要是针对上述问题，提供一种在常温红外大气窗口8-14 μm下，具有低发射率而且温度得以控制的红外隐身皮革材料。其特点是利用家畜动物的皮制成的天然皮革作为基础材料，在其表面涂覆低发射率金属材料，或将天然皮革脱水处理加入相变材料后，再涂覆低发射率金属材料，制备具有发射率低、温度可控、柔软可折叠、可穿戴的红外隐身材料。另外，本发明专利可通过调控涂层金属种类和配比制备兼具红外隐身和雷达隐身双重功能的皮革材料。
为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：
方案一：
一种以皮革为基材的红外隐身材料的制备方法，包括如下步骤：
（1）取天然牛皮皮革，以皮革表面积计算，将2-20 mg/cm2的金属粉体（MP）分散在非反应的溶剂中，搅拌得到分散液A；
（2）将皮革涂饰剂作为粘合剂，分散在非反应的溶剂中，搅拌得到分散液B；
（3）对步骤（1）与（2）中得到的分散液A与B混合搅拌均匀得到分散液C；
（4）将步骤（3）所得分散液C均匀地喷涂在皮革表面，干燥后，即得具有红外隐身性能的皮革/MP复合材料。
方案2：
一种以皮革为基材的红外隐身材料的制备方法，包括如下步骤：
（1）取铬鞣后的天然牛皮皮革，在有机溶剂中多次脱水后，将质量为铬鞣皮革湿重的10-30%相变材料与铬鞣皮革湿重的100%丙酮混合均匀，然后与脱水后的皮革一同置入制革工艺采用的转鼓内，50℃下转动4 h，得到吸附了相变材料的天然皮革；
（2）取步骤（1）得到的吸附了相变材料的天然皮革，以皮革表面积计算，将2-20 g/m2的金属粉体（MP）分散在非反应的溶剂中，搅拌得到分散液A；
（3）将皮革涂饰剂作为粘合剂，分散在非反应的溶剂中，搅拌得到分散液B；
（4）对步骤（2）与（3）中得到的分散液A与B混合搅拌均匀得到分散液C；
进一步的，所述金属粉体包括三氧化二铋、氧化锌、二氧化钛、二氧化硅、银包铜、铁氧体中至少一种。
进一步的，所述非反应的溶剂包括乙醇、丙酮和去离子水。
进一步的，所述粘合剂的固含量为30%，且分散液B中粘合剂的总固含量的质量为金属粉末（MP）的0.6-3.0倍。
进一步的，所述粘合剂包括具有透明性的聚丙烯酸酯类和聚氨酯类。
进一步的，所述相变材料为石蜡。
在此需要特别指出，根据基尔霍夫定律可知，材料的透过率τ、反射率r、发射率ε的关系可以用τ+ r+ ε=1表示。而本发明选用的皮革基材是一种不透明的固体材料，其对红外光波的透过率τ接近于零，因此，以皮革为基材制备的红外隐身材料的反射率r和发射率ε的关系近似于r+ ε≈1。
由此可知，与传统红外隐身材料相比，本发明以皮革作为基材，制备的红外隐材料，具有如下优点：
1、本发明专利通过在皮革表面，以皮革涂饰剂为粘合剂，涂覆一层具有高反射特性的金属粉末（MP），提高隐身材料皮革/MP对红外光波的反射率r，从而降低对外界的红外辐射吸收，减小自身红外发射率ε，从而降低自身红外辐射辐射强度，实现红外隐身；
2、本发明专利选用的皮革主要由皮胶原纤维高度编织形成的一种具有多层级纤维结构的固体材料，皮胶原纤维主要是由纳米微原纤维自组装形成的微米尺度的胶原纤维束（直径7~10 μm），这种从纳米到微米的自组装结构为吸附储存相变材料提供了良好的结构基础；
3、皮胶原纤维的胶原分子中含有大量的疏水区，可吸附储存大量的相变材料，而且有效地防止相变材料相变后的泄漏，无需人为再进行化学接枝来获得吸附基团，因而不仅缩短了制备周期，提高了生产效率，降低了制备成本，还避免了现有技术使用表面活性剂和催化剂所带来的诸多问题；
4、本发明专利选用的皮革主要成分是皮胶原纤维，皮胶原纤维是一种结构蛋白，是由多种氨基酸构成的具有三股螺旋结构的天然高分子，胶原的分子肽链之间具有大量的氢键，从而使皮胶原分子具有较大的热容量（~2.0 J K-1 g-1），而且多级纤维编织结构赋予皮革具有较高的孔隙率，因此皮革具有较低的热导率。由此可知，当皮革遮盖于高温目标时，热量从高温目标向皮革传导的较慢，因此，皮革自身温度受来自高温目标的热量而造成的温变较小，保证其红外热辐射与背景红外热辐射一致，从而实现优良的红外隐身效果；
5、本发明专利选用的皮革主要由皮胶原纤维高度编织形成的一种具有多级纤维结构的固体材料，而且具有柔软、机械强度高的特性，因此，以皮革作为基材制备的红外隐身材料皮革/MP，其独特的多级纤维结构可对透射到其内部的红外光波进行多级漫反射和散射，进一步降低发射率ε；
6、天然皮革基材中含有至少12%的水分，而水的比热容较大，因而使天然皮革具有较大的热容量。因此，以天然皮革为基材制备的红外隐身材料遮盖高温物体时，天然皮革可吸收由高温物体辐射的大量热量，而且其本体温度无明显升高，从而有效地降低高温物体的红外热辐射强度，实现高温物体红外隐身效果；
7、天然皮革主要来自牛、羊、猪等动物的皮，是一类来源广泛的高分子材料。
附图说明
图1实施例1所制备皮革/铁氧体Leather/FeOX复合材料在室温下的FT-IR全反射光谱图；
图2热源与实施例1所制备皮革/铁氧体Leather/FeOX复合材料红外热成像图；
图3 实施例2所制备皮革/银包铜粉Leather/Cu@Ag复合材料在室温下的FT-IR全反射光谱图；
图4 热源与实施例2所制备皮革/银包铜粉Leather/Cu@Ag复合材料红外热成像图；
图5 热源与实施例3所制备皮革/氧化铋Leather/Bi2O3复合材料红外热成像图；
图6实施例4所制备皮革/氧化锌Leather/ZnO复合材料在室温下的FT-IR全反射光谱图；
图7 热源与实施例4所制备皮革/氧化锌Leather/ZnO复合材料红外热成像图；
图8 热源与实施例5所制备皮革/二氧化钛Leather/TiO2复合材料红外热成像图；
图9 热源与实施例6所制备石蜡/皮革/二氧化硅P/leather/SiO2复合材料红外热成像图；
图10 热源与实施例7所制备皮革/银包铜/铁氧体Leather/Cu@Ag/FeOX复合材料红外热成像图；
图11 实施例7所制备皮革/银包铜/铁氧体Leather/Cu@Ag/FeOX复合材料在室温下的实测雷达波反射率图；
图12 实施例8所制备石蜡/皮革/银包铜/铁氧体P/leather/Cu@Ag/FeOX复合材料的DSC图；
图13 热源与实施例8所制备石蜡/皮革/银包铜/铁氧体P/leather/Cu@Ag/FeOX复合材料红外热成像图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，但本发明的内容不仅限于实施例中所涉及的内容，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述本发明的内容做出一些非本质的改进和调整。
实施例1
取面积为20×20 cm的牛皮皮革，将4 g（理论喷涂量为10 mg/cm2）的铁氧体FeOX粉末分散于300 mL的丙酮中配置溶液A；将固含量为30%的聚氨酯粘合剂（聚氨酯粘合剂总固含量与FeOX粉质量比为0.6:1混合）与150 mL的丙酮混合配置溶液B；将溶液A与溶液B混合均匀后，在室温条件下喷涂于所取牛皮皮革表面，干燥，即得到具有红外隐身性能的皮革Leather/FeOX。通过傅里叶红外光谱仪测试可知，Leather/FeOX可反射至少80%以上的波长为8-14 μm的红外波（波数为1250-714 cm-1），如图1所示。由此可知，Leather/FeOX对热红外线具有强反射性，从而减少热吸收，降低自身的红外辐射强度。将Leather/FeOx放置在32 oC的热源（加热板）上（图2a），经红外热成像仪观察Leather/FeOx的热辐射温度，如图2b所示，Leather/FeOx的温度为16.4 oC，接近环境温度。通过测试其在8-14 μm的红外发射率外0.70。因此，Leather/FeOx可完全屏蔽热源的红外辐射强度，使热源实现红外隐身。
实施例2
取面积为20×20 cm的牛皮皮革，将8 g（理论喷涂量为20 mg/cm2）的银包铜Cu@Ag粉末分散于600 mL的丙酮中配置溶液A；将固含量为30%的聚氨酯粘合剂（PU总固含量与Cu@Ag粉质量比为3:1混合）与150 mL的丙酮混合配置溶液B；将溶液A与溶液B混合均匀后，在室温条件下喷涂于所取牛皮皮革表面，干燥，即得到具有红外隐身性能的皮革Leather/Cu@Ag。通过傅里叶红外光谱仪测试可知（图3），Leather/FeOX对8-14 μm（波数1250-714 cm-1）波段的红外波具有较强的反射，反射率高于80%。由此可知，Leather/Cu@Ag可通过反射大部分热红外线，减少热吸收，降低其红外辐射强度。将Leather/Cu@Ag放置在32 oC的热源（加热板）上（图4a），经红外热成像仪观察Leather/Cu@Ag的热辐射温度，如图4b所示，Leather/Cu@Ag的温度为16.3 oC，接近环境温度。通过测试其在8-14 μm的红外发射率外0.26。因此，Leather/Cu@Ag可完全屏蔽热源的红外辐射强度，使热源实现红外隐身。
实施例3
取面积为20×20 cm的牛皮皮革，将4 g（理论喷涂量为10 mg/cm2）的氧化铋Bi2O3粉末分散于300 mL的丙酮中配置溶液A；将固含量为30%的聚氨酯粘合剂（PU总固含量与Bi2O3粉质量比为0.6:1混合）与150 mL的丙酮混合配置溶液B；将溶液A与溶液B混合均匀后，在室温条件下喷涂于所取牛皮皮革表面，干燥，即得到具有红外隐身性能的皮革Leather/Bi2O3。将Leather/Bi2O3放置在32 oC的热源（加热板）上（图5a），经红外热成像仪观察Leather/Bi2O3的热辐射温度，如图5b所示，Leather/Bi2O3的温度为16.1 oC，接近环境温度，因此，Leather/Bi2O3可完全屏蔽热源的红外辐射强度，使热源实现红外隐身。
实施例4
取面积为20×20 cm的牛皮皮革，将4 g（理论喷涂量为10 mg/cm2）的氧化锌ZnO粉末分散于300 mL的丙酮中配置溶液A；将固含量为30%的聚氨酯粘合剂（PU总固含量与ZnO粉末质量比为0.6:1混合）与150 mL的丙酮混合配置溶液B；将溶液A与溶液B混合均匀后，在室温条件下喷涂于所取牛皮皮革表面，干燥，即得到具有红外隐身性能的皮革Leather/ZnO。通过傅里叶红外光谱仪测试可知（图6），Leather/ZnOs对8-14 μm（波数1250-714 cm-1）波段的红外波的反射率高于92%。由此可知，Leather/ZnO可通过反射大部分热红外线，减少热吸收，降低其红外辐射强度。将Leather/ZnO放置在32 oC的热源（加热板）上（图7a），经红外热成像仪观察Leather/ZnO的热辐射温度，如图7b所示，Leather/ZnO的温度为16.1 oC，接近环境温度，因此，Leather/ZnO可完全屏蔽热源的红外辐射强度，使热源实现红外隐身。
实施例5
取面积为20×20 cm的牛皮皮革，将8 g（理论喷涂量为20 mg/cm2）的二氧化钛TiO2粉末分散于600 mL的丙酮中配置溶液A；将固含量为30%的聚氨酯粘合剂（PU总固含量与TiO2粉末质量比为2:1混合）与150 mL的丙酮混合配置溶液B；将溶液A与溶液B混合均匀后，在室温条件下喷涂于所取牛皮皮革表面，干燥，即得到具有红外隐身性能的皮革Leather/TiO2。将Leather/TiO2放置在32 oC的热源（加热板）上（图8a），经红外热成像仪观察Leather/TiO2的热辐射温度，如图8b所示，Leather/TiO2的温度为15.7 oC，接近环境温度，因此，Leather/TiO2可完全屏蔽热源的红外辐射强度，使热源实现红外隐身。
实施例6
取面积为20×20 cm的牛皮皮革，在制革工艺采用的转鼓内经过无水乙醇与丙酮多次脱水后，加入石蜡（P）（质量为皮革湿重的30%）与600 mL的丙酮溶液，在50 oC下继续转动4h，得到吸附石蜡的相变皮革P/leather；将8 g（理论喷涂量为20 mg/cm2）的二氧化硅SiO2粉末分散于适量的丙酮中配置溶液A；将固含量为30%的聚氨酯粘合剂（PU总固含量与SiO2粉末质量比为1.5:1混合）与150 mL的丙酮混合配置溶液B；将溶液A与溶液B混合均匀后，在室温条件下喷涂于所取牛皮皮革表面，干燥，即得到具有红外隐身性能的皮革P/leather/SiO2。将P/leather/SiO2放置在32 oC的热源（加热板）上（图9a），经红外热成像仪观察P/leather/SiO2的热辐射温度，如图9b所示，P/leather/SiO2的温度为15.7 oC，接近环境温度，因此，P/leather/SiO2可完全屏蔽热源的红外辐射强度，使热源实现红外隐身。
实施例7
取面积为20×20 cm的牛皮皮革，将4 g（理论喷涂量为10 mg/cm2）的银包铜Cu@Ag与铁氧体FeOX粉（Cu@Ag与FeOX的质量比为1:1）分散于300 mL的丙酮中配置溶液A；将固含量为30%的聚氨酯粘合剂（PU总固含量与总金属粉末质量比为0.6:1）与150 mL的丙酮混合配置溶液B；将溶液A与溶液B混合均匀后，在室温条件下喷涂于所取牛皮皮革表面，干燥，即得到具有红外隐身性能的皮革Leather/Cu@Ag/FeOX。将Leather/Cu@Ag/FeOX放置在32 oC的热源（加热板）上（图10a），经红外热成像仪观察Leather/Cu@Ag/FeOX的热辐射温度，如图10b所示，Leather/Cu@Ag/FeOX的温度为15.7 oC，接近环境温度。通过测试其在8-14 μm的红外发射率外0.52。因此，Leather/Cu@Ag/FeOX可完全屏蔽热源的红外辐射强度，使热源实现红外隐身。另外，通过矢量网络分析仪实测Leather/Cu@Ag/FeOX的雷达波反射率（图11），Leather/Cu@Ag/FeOX对2-18 GHz雷达波的反射损耗值RL高达-32 dB，且在13-18 GHz的反射损耗值RL均超过-10 dB。因此，Leather/Cu@Ag/FeOX兼具雷达隐身和红外隐身的双重功能。
实施例8
取面积为20×20 cm的牛皮皮革，在制革工艺采用的转鼓内经过无水乙醇与丙酮多次脱水后，加入石蜡（P）（质量为皮革湿重的10%）与100 mL的丙酮溶液，在50 oC下继续转动4h，得到吸附石蜡的相变皮革Leather/FA；将4 g（理论喷涂量为10 mg/cm2）的银包铜Cu@Ag与铁氧体FeOX粉（Cu@Ag与FeOX的质量比为1:1）分散于600 mL的丙酮中配置溶液A；将固含量为30%的聚氨酯粘合剂（PU总固含量与总金属粉末质量比为0.6:1）与150 mL的丙酮混合配置溶液B；将溶液A与溶液B混合均匀后，在室温条件下喷涂于所取牛皮皮革表面，干燥，即得到具有红外隐身性能的皮革P/leather/Cu@Ag/FeOX。经DSC图可知（图12），P/leather/Cu@Ag/FeOX在~32 oC出现吸热峰，~23 oC出现放热峰，由此可知P/leather/Cu@Ag/FeOX在高温环境（温度高于32 oC）中可通过吸收热量，减缓温度升高，降低红外热辐射强度，达到良好的红外隐身效果。将P/leather/Cu@Ag/FeOX放置在32 oC的热源（加热板）上（图13a），经红外热成像仪观察P/leather/Cu@Ag/FeOX的热辐射温度，如图13b所示，P/leather/Cu@Ag/FeOX的温度为15.7 oC，接近环境温度，因此，P/leather/Cu@Ag/FeOX可完全屏蔽热源的红外辐射强度，使热源实现红外隐身。

Claims (8)

1.一种以皮革为基材的红外隐身材料,其特征在于，该材料是由如下方法制得：利用家畜动物的皮制成的天然皮革作为基础材料，并在基础材料表面涂覆低发射率金属材料制得；或将天然皮革脱水处理加入相变材料后，再涂覆低发射率金属材料制得。
2.一种如权利要求1所述红外隐身材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
（1）取天然牛皮皮革，以皮革表面积计算，将2-20 mg/cm2的金属粉体（MP）分散在非反应的溶剂中，搅拌得到分散液A；
（2）将皮革涂饰剂作为粘合剂，分散在非反应的溶剂中，搅拌得到分散液B；
（3）对步骤（1）与（2）中得到的分散液A与B混合搅拌均匀得到分散液C；
（4）将步骤（3）所得分散液C均匀地喷涂在皮革表面，干燥后，即得具有红外隐身性能的皮革/MP复合材料。
3.一种如权利要求1所述红外隐身材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
（1）取铬鞣后的天然牛皮皮革，在有机溶剂中多次脱水后，将质量为铬鞣皮革湿重的10-30%相变材料与铬鞣皮革湿重的100%丙酮混合均匀，然后与脱水后的皮革一同置入制革工艺采用的转鼓内，50℃下转动4 h，得到吸附了相变材料的天然皮革；
（2）取步骤（1）得到的吸附了相变材料的天然皮革，以皮革表面积计算，将2-20 g/m2的金属粉体（MP）分散在非反应的溶剂中，搅拌得到分散液A；
（3）将皮革涂饰剂作为粘合剂，分散在非反应的溶剂中，搅拌得到分散液B；
（4）对步骤（2）与（3）中得到的分散液A与B混合搅拌均匀得到分散液C；
（5）步骤（4）所得分散液C均匀地喷涂在皮革表面，干燥后，即得具有红外隐身性能的相变材料/皮革/MP复合材料。
4.根据权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于：所述金属粉体包括三氧化二铋、氧化锌、二氧化钛、二氧化硅、银包铜、铁氧体中至少一种。
5.根据权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于：所述非反应的溶剂包括乙醇、丙酮和去离子水。
6.根据权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于：所述粘合剂的固含量为30%，且分散液B中粘合剂的总固含量的质量为金属粉末（MP）的0.6-3.0倍。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述粘合剂包括具有透明性的聚丙烯酸酯类和聚氨酯类。
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述相变材料为石蜡。
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