CN115746410B - 一种超吸水绿色叶片仿生薄膜及其制备方法 - Google Patents
一种超吸水绿色叶片仿生薄膜及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115746410B CN115746410B CN202211294242.7A CN202211294242A CN115746410B CN 115746410 B CN115746410 B CN 115746410B CN 202211294242 A CN202211294242 A CN 202211294242A CN 115746410 B CN115746410 B CN 115746410B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- green
- solution
- bionic
- super
- mixed solution
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000011664 nicotinic acid Substances 0.000 title claims abstract description 71
- 239000002250 absorbent Substances 0.000 title claims abstract description 33
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 17
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 claims abstract description 28
- 150000004676 glycans Chemical class 0.000 claims abstract description 25
- 229920001282 polysaccharide Polymers 0.000 claims abstract description 25
- 239000005017 polysaccharide Substances 0.000 claims abstract description 25
- 125000002887 hydroxy group Chemical group [H]O* 0.000 claims abstract description 23
- 229920002678 cellulose Polymers 0.000 claims abstract description 22
- 239000001913 cellulose Substances 0.000 claims abstract description 22
- 239000001056 green pigment Substances 0.000 claims abstract description 21
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 claims abstract description 19
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims abstract description 12
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 34
- 238000007710 freezing Methods 0.000 claims description 24
- 230000008014 freezing Effects 0.000 claims description 24
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 21
- KWGKDLIKAYFUFQ-UHFFFAOYSA-M lithium chloride Chemical group [Li+].[Cl-] KWGKDLIKAYFUFQ-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 17
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 15
- 229920002153 Hydroxypropyl cellulose Polymers 0.000 claims description 12
- 239000001863 hydroxypropyl cellulose Substances 0.000 claims description 12
- 235000010977 hydroxypropyl cellulose Nutrition 0.000 claims description 12
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 12
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 12
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- LUEWUZLMQUOBSB-FSKGGBMCSA-N (2s,3s,4s,5s,6r)-2-[(2r,3s,4r,5r,6s)-6-[(2r,3s,4r,5s,6s)-4,5-dihydroxy-2-(hydroxymethyl)-6-[(2r,4r,5s,6r)-4,5,6-trihydroxy-2-(hydroxymethyl)oxan-3-yl]oxyoxan-3-yl]oxy-4,5-dihydroxy-2-(hydroxymethyl)oxan-3-yl]oxy-6-(hydroxymethyl)oxane-3,4,5-triol Chemical compound O[C@H]1[C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](CO)O[C@H]1O[C@@H]1[C@@H](CO)O[C@@H](O[C@@H]2[C@H](O[C@@H](OC3[C@H](O[C@@H](O)[C@@H](O)[C@H]3O)CO)[C@@H](O)[C@H]2O)CO)[C@H](O)[C@H]1O LUEWUZLMQUOBSB-FSKGGBMCSA-N 0.000 claims description 9
- 229920002581 Glucomannan Polymers 0.000 claims description 9
- 229920002752 Konjac Polymers 0.000 claims description 9
- 238000001879 gelation Methods 0.000 claims description 9
- 229940046240 glucomannan Drugs 0.000 claims description 9
- 235000010485 konjac Nutrition 0.000 claims description 9
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 9
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 8
- TWRXJAOTZQYOKJ-UHFFFAOYSA-L Magnesium chloride Chemical compound [Mg+2].[Cl-].[Cl-] TWRXJAOTZQYOKJ-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 6
- 238000004108 freeze drying Methods 0.000 claims description 6
- 229910001510 metal chloride Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 238000005266 casting Methods 0.000 claims description 5
- UXVMQQNJUSDDNG-UHFFFAOYSA-L Calcium chloride Chemical compound [Cl-].[Cl-].[Ca+2] UXVMQQNJUSDDNG-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 3
- 239000001110 calcium chloride Substances 0.000 claims description 3
- 229910001628 calcium chloride Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910001629 magnesium chloride Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 abstract description 32
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 21
- 238000011835 investigation Methods 0.000 abstract description 3
- 239000000945 filler Substances 0.000 abstract description 2
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 abstract description 2
- 230000007774 longterm Effects 0.000 abstract description 2
- 239000002131 composite material Substances 0.000 abstract 1
- 239000010408 film Substances 0.000 description 54
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 36
- 241000196324 Embryophyta Species 0.000 description 34
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 24
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 22
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 19
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 15
- 230000003592 biomimetic effect Effects 0.000 description 11
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 7
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 239000001023 inorganic pigment Substances 0.000 description 6
- 239000000049 pigment Substances 0.000 description 6
- 238000000498 ball milling Methods 0.000 description 5
- 235000019804 chlorophyll Nutrition 0.000 description 5
- 229930002875 chlorophyll Natural products 0.000 description 5
- ATNHDLDRLWWWCB-AENOIHSZSA-M chlorophyll a Chemical compound C1([C@@H](C(=O)OC)C(=O)C2=C3C)=C2N2C3=CC(C(CC)=C3C)=[N+]4C3=CC3=C(C=C)C(C)=C5N3[Mg-2]42[N+]2=C1[C@@H](CCC(=O)OC\C=C(/C)CCC[C@H](C)CCC[C@H](C)CCCC(C)C)[C@H](C)C2=C5 ATNHDLDRLWWWCB-AENOIHSZSA-M 0.000 description 5
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 4
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 4
- 241001312219 Amorphophallus konjac Species 0.000 description 3
- 235000001206 Amorphophallus rivieri Nutrition 0.000 description 3
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 3
- 238000000701 chemical imaging Methods 0.000 description 3
- 239000000252 konjac Substances 0.000 description 3
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 description 3
- IEQIEDJGQAUEQZ-UHFFFAOYSA-N phthalocyanine Chemical compound N1C(N=C2C3=CC=CC=C3C(N=C3C4=CC=CC=C4C(=N4)N3)=N2)=C(C=CC=C2)C2=C1N=C1C2=CC=CC=C2C4=N1 IEQIEDJGQAUEQZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 3
- 238000000985 reflectance spectrum Methods 0.000 description 3
- UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N Iron oxide Chemical compound [Fe]=O UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004372 Polyvinyl alcohol Substances 0.000 description 2
- 239000012752 auxiliary agent Substances 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 239000003086 colorant Substances 0.000 description 2
- 238000004040 coloring Methods 0.000 description 2
- 239000003431 cross linking reagent Substances 0.000 description 2
- 238000003795 desorption Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 2
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000002329 infrared spectrum Methods 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 239000012860 organic pigment Substances 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 229920002451 polyvinyl alcohol Polymers 0.000 description 2
- 230000008719 thickening Effects 0.000 description 2
- 229920003169 water-soluble polymer Polymers 0.000 description 2
- 239000002028 Biomass Substances 0.000 description 1
- WGLPBDUCMAPZCE-UHFFFAOYSA-N Trioxochromium Chemical group O=[Cr](=O)=O WGLPBDUCMAPZCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241001464837 Viridiplantae Species 0.000 description 1
- 125000002777 acetyl group Chemical group [H]C([H])([H])C(*)=O 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 238000004220 aggregation Methods 0.000 description 1
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 1
- 239000003513 alkali Substances 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000010382 chemical cross-linking Methods 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 229910000423 chromium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- HWDGVJUIHRPKFR-UHFFFAOYSA-I copper;trisodium;18-(2-carboxylatoethyl)-20-(carboxylatomethyl)-12-ethenyl-7-ethyl-3,8,13,17-tetramethyl-17,18-dihydroporphyrin-21,23-diide-2-carboxylate Chemical group [Na+].[Na+].[Na+].[Cu+2].N1=C(C(CC([O-])=O)=C2C(C(C)C(C=C3C(=C(C=C)C(=C4)[N-]3)C)=N2)CCC([O-])=O)C(=C([O-])[O-])C(C)=C1C=C1C(CC)=C(C)C4=N1 HWDGVJUIHRPKFR-UHFFFAOYSA-I 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000018044 dehydration Effects 0.000 description 1
- 238000006297 dehydration reaction Methods 0.000 description 1
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 1
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 235000013305 food Nutrition 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 230000036541 health Effects 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 239000003999 initiator Substances 0.000 description 1
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910017053 inorganic salt Inorganic materials 0.000 description 1
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N iron Substances [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 239000011707 mineral Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 229920005615 natural polymer Polymers 0.000 description 1
- 231100000252 nontoxic Toxicity 0.000 description 1
- 230000003000 nontoxic effect Effects 0.000 description 1
- 231100000956 nontoxicity Toxicity 0.000 description 1
- 239000003973 paint Substances 0.000 description 1
- -1 phthalocyanine compound Chemical class 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 229940079841 sodium copper chlorophyllin Drugs 0.000 description 1
- 235000013758 sodium copper chlorophyllin Nutrition 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 1
- 239000012085 test solution Substances 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 230000005068 transpiration Effects 0.000 description 1
Landscapes
- Cultivation Of Plants (AREA)
Abstract
本发明属于高光谱仿生伪装技术领域，公开了一种超吸水绿色叶片仿生薄膜，其主要由羟基纤维素、多糖、吸湿性盐以及绿色颜料按质量配比为1∶(1‑8)∶(1‑9)∶(1‑5)混合配制成混合液后通过浇注法制备而成。本发明的超吸水绿色叶片仿生薄膜，以羟基纤维素和多糖为主体成膜材料，以吸湿性盐和绿色颜料为填料，有效解决了传统仿生伪装材料与绿色、植被背景易“同色”难“同谱”的技术难题，实现了与植物叶片的“同色同谱”以及与植被背景的长时匹配，可有效对抗高光谱侦察。本发明还公开了其制备方法，操作简单，成本低廉，绿色环保，适合产业化生产。
Description
技术领域
本发明属于高光谱仿生伪装技术领域，尤其涉及一种超吸水绿色叶片仿生薄膜及其制备方法。
背景技术
高光谱侦察的典型光谱范围为400～2500nm，其光谱分辨率可达5～10nm，传统的伪装技术和器材只能对抗全色和多光谱侦察，而无法对抗高光谱成像侦察。因此，亟需新的伪装技术和方法来提高军事目标在高光谱成像探测威胁下的伪装效能。植被作为伪装目标的常规背景环境，成为高光谱探测的重点。目前国内外先进的伪装器材已能实现与环境背景的“同色”，即伪装目标在400-1300nm具有与植物叶片相似的光谱特征，呈现与环境植被相同的绿色，但由于不含水，在1400-2500nm波段范围内，其不能表现植物叶片的水吸收带特征，无法实现精细光谱特征匹配的“同谱”，目前还没有合适的材料能够精准模拟植被的光谱反射特征。在可见光波段，国内外普遍采用人工颜料来模拟绿色植被背景的反射光谱特征，但人工颜料并非天然叶绿素，导致其在可见光区域的光谱特征与绿色植被的不完全一致。而人工提取的叶绿素离开叶片后，在光照下1天内就会分解，稳定性较差，尽管在短时间内可有效模拟植被的可见光特征，但无法实现与植被背景的全天时融合。现有专利、文献、资料报道的模拟植物叶片反射光谱特征的仿生材料虽然能大致模拟植物叶片的反射光谱特征，但材料的吸湿性能较差，水分含量无法长期保持，吸脱附周期短，不能长期维持可见-近红外反射光谱特征和有效对抗高光谱探测。
中国专利CN 106751275 A公开了一种有机仿生材料及其制备方法，此专利提出了以聚乙烯醇为主体成膜材料，以金属氯化物及染色剂为添加剂，交联剂及催化剂为助剂，采用铸膜法制备出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。但该材料体系对水分吸收带的模拟不够精准，且在1450nm和1930nm的水分吸收谷的反射率值分别高于20％和10％，整体反射率偏高，且没有有效的保水机制，该专利也未研究仿生材料保水性能，难以实现与植物叶片反射光谱特征的长时间匹配，有效对抗高光谱侦察。
因此，为解决传统仿生伪装材料与天然植被背景“同色不同谱”的伪装瓶颈问题，有必要提供一种既能实现与植物叶片达到“指纹级”精准模拟，又能保证与植被背景的全天时融合的有效对抗高光谱成像探测的新型仿生伪装材料体系。
为了评估所制备薄膜与绿色植被光谱相似程度，常用的光谱相关系数公式为：
式中xi和yi分别为被测物与参照物在光谱曲线中第i点处的光谱值，xi和/> yi分别为被测物与参照物的光谱均值。如果两谱线形状完全相同，γxy＝1，否则γxy<1，该公式侧重于评估两光谱在整个测量波长范围内光谱相似的程度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种超吸水绿色植被仿生薄膜及其制备方法，既能满足在可见光-近红外波段光谱反射特性与植物叶片太阳光谱反射特性相似，且在1450nm和1930nm的水吸收带反射率分别低于24％和9％，达到“指纹级”精准模拟，又能实现与植物叶片反射光谱特征的长时间匹配，从而达到高光谱伪装的目的。
本发明模拟植物叶片光谱反射特性的方法是：条件一：采用与植物叶片具有相似光谱反射特性的绿色颜料；条件二：利用吸湿性盐的强吸湿能力以及成膜主体材料(羟基纤维素与多糖通过相互协同作用形成的溶胶)的吸水能力共同模拟植物叶片的“近红外高原”(在780～1300nm的近红外区稳定地保持较高反射率，一般为40～60％；这也是植物叶片反射光谱曲线独有的特征，称为“近红外高原”)以及“水分吸收峰”(在1450nm和1930nm处呈现的两个明显的水分吸收谷)，基于这两个条件来模拟植物叶片的光谱反射特性。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种超吸水绿色叶片仿生薄膜，其主要由羟基纤维素、多糖、吸湿性盐以及绿色颜料按质量配比为1∶(1-8)∶(1-9)∶(1-5)混合配制成混合液后通过浇注法制备而成。
上述超吸水绿色叶片仿生薄膜中，优选的，所述羟基纤维素为羟丙基纤维素(HPC)，所述多糖为魔芋葡甘露聚糖(KGM)，所述吸湿性盐为金属氯化物，所述绿色颜料为绿色无机颜料、绿色有机颜料(绿色有机酞菁颜料)或绿色活体生物。
对比聚乙烯醇，羟丙基纤维素作为一种水溶性高分子，是通过天然纤维素改性得到的，无毒，无害，可再生，化学性质稳定。魔芋葡甘露聚糖也是一种水溶性高分子，具有良好的成膜性，它的水溶性脱水后可以形成透明度高和致密性高的薄膜，且魔芋葡甘露聚糖制备的薄膜力学性能较好，且具有耐酸碱性，比较稳定；魔芋葡甘露聚糖有较好的亲水性、凝胶性、增稠性、凝胶转变可逆性和成膜性，作为成膜主体材料时，不需要添加其它助剂。魔芋葡甘露聚糖的分子链具有一定的柔性，可以自发的形成螺旋结构，分子链上具有乙酰基，使基团间存在空间位阻，从而可以储存大量的水分子，有助于长时有效的模拟植物叶片的“水分吸收峰”。此外，由于魔芋葡甘露聚糖粘度较高，在较低的成膜液浓度下，就可以达到其他天然高分子成膜液浓度很高时的效果。魔芋葡甘露聚糖主要被用在医药，食品等领域，在仿生材料上的探究较少。两者都含有大量的羟基(-OH)，可通过羟基之间的相互作用，产生氢键，两个分子链相互缠结到一起，使羟丙基纤维素和魔芋葡甘露聚糖分子链之间的相互作用更强，两者制备的水溶性薄膜力学强度会有所提升。
绿色无机颜料：能较好的模拟绿色植被在可见光区550nm处的“绿峰”和680～750nm处的“红边”，此外，还可精准模拟绿色植被的近红外高原，具有超强的着色能力，较好的化学惰性和热稳定性。
绿色有机酞菁颜料：选用具有类叶绿素结构的染料分子作为绿色颜料，可精准模拟绿色植被在可见光区550nm处的“绿峰”和680～750nm处的“红边”。且有机酞菁颜料具有超强的着色能力，较好的化学惰性和热稳定性。
活体生物：一是取材简单；生物在进行合成代谢时，大都以随处可得的物质(如空气、水、植物和矿物质等)为原料，以阳光等为能源，不仅原料成本低，而且取之不尽。二是安全可靠；与传统绿色伪装涂料中使用的无机颜料相比，天然生物对环境无污染，对人体健康无毒性，可实现真正意义上的绿色环保。三是拟合程度高；活体生物含有与高等绿色植物几乎完全相同的天然叶绿素，从而具有与绿色植被精细光谱特征完全相匹配的“同谱”能力。
更优选的，所述金属氯化物为氯化锂(LiCl)、氯化钙(CaCl2)或氯化镁(MgCl)。
更优选的，所述绿色无机颜料为氧化铬绿(Cr2O3)或氧化铁绿(Fe2O3)。
更优选的，所述绿色有机颜料为叶绿素铜钠盐、有机酞菁类化合物。
更优选的，所述绿色活体生物为微藻。
本发明的超吸水绿色叶片仿生薄膜以羟基纤维素、多糖、吸湿性无机盐以及绿色颜料为主要材料通过漩涡混合方式(混合速度快、彻底、液体呈旋涡状能将附在管壁上的试液全部混均)充分混合配制成铸膜液，采用浇注法在培养皿中制备而成；绿色颜料保证仿生薄膜与植物叶片具有相似的颜色，模拟植物叶片的可见光光谱反射特性，基于羟基纤维素、多糖以及吸湿性盐的吸湿保水能力来模拟植物叶片的近红外光谱反射特性，从而实现“同色同谱”。
上述超吸水绿色叶片仿生薄膜中，优选的，所述超吸水绿色叶片仿生薄膜的厚度为100～1000μm。
基于一个总的发明构思，本发明还提供一种超吸水绿色叶片仿生薄膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)将吸湿性盐粉末加入到羟基纤维素溶液中，形成溶液A；
(2)将多糖粉末、绿色颜料加入到所述溶液A中，经过漩涡混合后得到混合液，迅速倒入到培养皿中；
(3)待所述混合液完成凝胶化过程，再室温静置一段时间后，进行冰箱冷冻处理；
(4)将所述冰箱冷冻处理后得到的混合液继续进行液氮冷冻处理，然后进行冷冻干燥，即得到所述超吸水绿色叶片仿生薄膜。
上述制备方法中，优选的，在步骤(1)中，所述羟基纤维素溶液的浓度为0.5wt％～5wt％(更优选为1wt％)；所述溶液A的pH值通过氢氧化钠或盐酸溶液来调节，控制所述溶液A的pH值为4-10。
上述制备方法中，优选的，在步骤(2)中，所述绿色颜料为绿色无机颜料时，需进行球磨，球磨后绿色无机颜料的平均粒径为300nm～500nm。
上述制备方法中，优选的，在步骤(3)中，所述凝胶化过程在2min内完成，所述室温静置时间为10min～30min(更优选为15min)，所述冰箱冷冻处理的时间为3-8h，所述冰箱冷冻处理的温度控制在0～-8℃(更优选为-4℃)。
上述制备方法中，优选的，在步骤(4)中，所述液氮冷冻处理是时间为2min～15min。
本发明的技术原理如下：其一，组成仿生薄膜的羟基纤维素和多糖均为可再生生物质，对环境友好，资源可重复利用；其二，羟基纤维素和多糖含有大量亲水基团(-OH)，这些亲水基团使其具有吸湿性、粘合性、成膜性、成胶性和增稠性等；其三，羟基纤维素和多糖的凝胶化过程可以通过氢键的自我聚集来实现，不需要添加任何化学交联剂或引发剂；其四，羟基纤维素和多糖形成的分层多孔结构可持续收集水分并释放水分，具有较好的吸脱附性能，具有较强的环境适应性能，可根据背景环境温度实时改变仿生薄膜自身的含水量，从而提高仿生薄膜的实时性和环境适应性；其五，吸湿性盐具有优异的吸湿保水性能，金属氯化物能够像固体一样吸收水蒸气，在高湿度下可发生液解，成为溶液吸收，具有极强的吸湿力，结合羟基纤维素和多糖形成的多孔结构使仿生材料具有良好的保水性。所有材料融合后能够精准模拟植物叶片的可见-近红外光谱反射特征，且能实现与植被背景的长时匹配。
在植物叶片的光谱特性方面，从图2和图5中可以看出仿生薄膜和植物叶片的接近程度方面，本发明仿生薄膜的近红外漫反射光谱不但在780～1300nm波段呈现高原平台形状，而且出现了位于980nm、1200nm、1450nm、1930nm处四个吸水带，与植物叶片的光谱特性一致。根据光谱相关系数计算，本发明仿生薄膜与植物叶片反射光谱的相似度超过0.9。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明的超吸水绿色叶片仿生薄膜，以羟基纤维素和多糖为主体成膜材料，以吸湿性盐和绿色颜料为填料，有效解决了传统仿生伪装材料与绿色、植被背景易“同色”难“同谱”的技术难题，实现了与植物叶片的“同色同谱”以及与植被背景的长时匹配，可有效对抗高光谱侦察。
2、本发明的超吸水绿色叶片仿生薄膜，既能满足在可见光-近红外波段光谱反射特性与植物叶片太阳光谱反射特性相似，且在1450nm和1930nm的水吸收带反射率分别低于24％和9％，达到“指纹级”精准模拟，又能实现与植物叶片反射光谱特征的长时间匹配，从而达到高光谱伪装的目的。
3、本发明的制备方法，操作简单，成本低廉，绿色环保，适合产业化生产。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是实施例1中仿生薄膜的实物图。
图2是本发明实施例1仿生薄膜及典型绿色植被的太阳光谱反射曲线的比较图。
图3是本发明实施例1仿生薄膜随吸湿时间变化的光谱反射曲线比较图，测量时采用带有积分球系统的分光光度计测量仿生薄膜的光谱反射率。
图4是实施例2中仿生薄膜的实物图。
图5是本发明实施例2仿生薄膜及典型绿色植被的太阳光谱反射曲线的比较图。
图6是本发明实施例2仿生薄膜随吸湿时间变化的光谱反射曲线比较图，测量时采用带有积分球系统的分光光度计测量仿生薄膜的光谱反射率。
图7是实施例3仿生薄膜及典型绿色植被的太阳光谱反射曲线的比较图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
实施例1：
一种超吸水绿色叶片仿生薄膜，其组成成分包括羟基纤维素、多糖、吸湿性盐以及绿色颜料；其中，羟基纤维素为HPC，多糖为KGM，吸湿性盐为LiCl，绿色颜料为微藻；HPC∶KGM∶LiCl∶微藻的质量配比＝0.1∶0.44∶0.64∶0.1。
上述超吸水绿色叶片仿生薄膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)将0.64g LiCl粉末加入到10mLHPC(1wt％)溶液中，形成溶液A，溶液A的pH值通过氢氧化钠或盐酸溶液调节至8.5；
(2)将0.44gKGM粉末加入到溶液A中，然后将0.1g微藻加入到溶液A中，经过漩涡混合得到混合液后，迅速倒入到培养皿中；
(3)上述混合液2min内完成凝胶化过程，然后室温静置15min后，放入冰箱(-4℃)进行冰箱冷冻处理3h；
(4)冰箱冷冻处理得到的混合液继续用液氮进行冷冻处理15min，然后将培养皿置于冷冻干燥机进行冷冻干燥24h，即得到超吸水绿色叶片仿生薄膜。
本实施例中得到的仿生薄膜的厚度为400μm，与植物叶片反射光谱的相似度超过0.9803。
本实施例中的仿生薄膜的实物图如图1所示，由图可知，仿生薄膜表面均匀，具有多层多孔结构。
图2是实施例1仿生薄膜及典型绿色植被的太阳光谱反射曲线的比较图。测量时采用带有积分球系统的分光光度计测量仿生薄膜的光谱反射率。如图2所示，在780～1100nm波段的近红外高原的反射率高于绿色植被，但其形状与绿色植被极其相似；在近红外1100～2500nm波段，其在1450nm、1930nm处表现出两个较深的水分吸收谷，反射率分别为27.72％和10.34％。综上所述，实施例2的仿生薄膜与典型绿色植被的反射光谱特征极其相似，根据光谱相似度计算，它与植物叶片的光谱相似度超过0.9803。
图3是实施例1仿生薄膜置于恒温恒湿箱中(温度：30℃，湿度：60％)随时间变化的反射光谱曲线；仿生薄膜在恒温恒湿箱中放置3h后，其在近红外1350～2500nm波段的1450nm以及1930nm处的两个水分吸收谷的高度显著降低，反射率分别为13.04％和5.66％，其与植物叶片的光谱相似度超过0.9967；放置12h后，其在1450nm以及1930nm处的反射率分别为5.2％和2.9％，其与植物叶片的光谱相似度超过0.9985；说明仿生薄膜可持续收集水分，具有良好的吸湿保水性能。
实施例2：
一种超吸水绿色叶片仿生薄膜，其组成成分包括羟基纤维素、多糖、吸湿性盐以及绿色颜料；其中，羟基纤维素为HPC，多糖为KGM，吸湿性盐为LiCl，绿色颜料为Cr2O3。HPC∶KGM∶LiCl∶Cr2O3＝0.1∶0.44∶0.64∶0.1。
上述超吸水绿色叶片仿生薄膜的制备方法包括以下步骤：
(1)将0.64g LiCl粉末加入到20mLHPC(1wt％)溶液中，形成溶液A，溶液A的pH值通过氢氧化钠或盐酸溶液调节至8.5；
(2)将0.1g Cr2O3加入到去离子水中，然后置于球磨罐中球磨2h，球磨后Cr2O3的平均粒径为425nm，得到分散均匀的Cr2O3；
(3)将0.44gKGM粉末加入到溶液A中，然后将步骤(2)得到的Cr2O3加入到溶液A中，经过漩涡混合得到混合液后，迅速倒入到培养皿中；
(4)上述混合液2min内完成凝胶化过程，然后室温静置15min后，放入冰箱(-4℃)进行冰箱冷冻处理8h；
(5)冰箱冷冻处理得到的混合液继续用液氮进行冷冻处理15min，然后将培养皿置于冷冻干燥机进行冷冻干燥24h，即得到超吸水绿色叶片仿生薄膜。
本实施例中的仿生薄膜厚度为400μm，与植物叶片反射光谱的相似度超过0.9910。
本实施例中的仿生薄膜的实物图如图4所示，由图可知，仿生薄膜表面均匀，具有多层多孔结构。
图5是实施例2仿生薄膜及典型绿色植被的太阳光谱反射曲线的比较图。如图5所示，在780～1100nm波段的近红外高原的反射率高于绿色植被，但其形状与绿色植被极其相似；在近红外1100～2500nm波段，其在1450nm、1930nm处表现出两个较深的水分吸收谷，反射率分别为27.72％和10.34％。综上所述，实施例2的仿生薄膜与典型绿色植被的反射光谱特征极其相似，根据光谱相似度计算，它与典型绿色植被的光谱相似度超过0.9910。
图6是实施例2仿生薄膜置于恒温恒湿箱中(温度：30℃，湿度：60％)随时间变化的反射光谱曲线；仿生薄膜在恒温恒湿箱中放置3h后，其在近红外1350～2500nm波段的1450nm以及1930nm处的两个水分吸收谷的高度显著降低，反射率分别为13.04％和5.66％，其与植物叶片的光谱相似度超过0.9965；放置12h后，其在1450nm以及1930nm处的反射率分别为9.72％和5.32％，其与植物叶片的光谱相似度超过0.9874；说明仿生薄膜可持续收集水分，具有良好的吸湿保水性能。
实施例3：
一种超吸水绿色叶片仿生薄膜，其组成成分包括羟基纤维素、多糖、吸湿性盐以及绿色颜料；其中，羟基纤维素为HPC，多糖为KGM，吸湿性盐为LiCl，绿色颜料为微藻；HPC∶KGM∶LiCl∶微藻的质量配比＝0.2∶0.88∶1.28∶0.2。
上述超吸水绿色叶片仿生薄膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)将1.28g LiCl粉末加入到20mLHPC(1wt％)溶液中，形成溶液A，溶液A的pH值通过氢氧化钠或盐酸溶液调节至7.0；
(2)将0.88gKGM粉末加入到溶液A中，然后将0.2g微藻加入到溶液A中，经过漩涡混合得到混合液后，迅速倒入到培养皿中；
(3)上述混合液2min内完成凝胶化过程，然后室温静置15min后，放入冰箱(-4℃)进行冰箱冷冻处理3h；
(4)冰箱冷冻处理得到的混合液继续用液氮进行冷冻处理5min，然后将培养皿置于冷冻干燥机进行冷冻干燥16h，即得到超吸水绿色叶片仿生薄膜。
本实施例中得到的仿生薄膜的厚度为380μm，与植物叶片反射光谱的相似度超过0.9895。
图7是实施例3仿生薄膜及典型绿色植被的太阳光谱反射曲线的比较图。如图7所示，在780～1100nm波段的近红外高原的反射率高于绿色植被，但其形状与绿色植被极其相似；在近红外1100～2500nm波段，其在1450nm、1930nm处表现出两个较深的水分吸收谷，反射率分别为12.1％和4.42％。综上所述，实施例3的仿生薄膜与典型绿色植被的反射光谱特征极其相似，根据光谱相似度计算，它与典型绿色植被的光谱相似度超过0.9895。
Claims (5)
1.一种超吸水绿色叶片仿生薄膜，其特征在于，其主要由羟基纤维素、多糖、吸湿性盐以及绿色颜料按质量配比为1∶（1-8）∶（1-9）∶（1-5）混合配制成混合液后通过浇注法制备而成；
所述羟基纤维素为羟丙基纤维素，所述多糖为魔芋葡甘露聚糖，所述吸湿性盐为金属氯化物，所述绿色颜料为微藻；
所述金属氯化物为氯化锂、氯化钙或氯化镁；
所述超吸水绿色叶片仿生薄膜的厚度为100~1000µm；
所述超吸水绿色叶片仿生薄膜的制备方法，包括以下步骤：
（1）将吸湿性盐粉末加入到羟基纤维素溶液中，形成溶液A；
（2）将多糖粉末、绿色颜料加入到所述溶液A中，经过漩涡混合后得到混合液，迅速倒入到培养皿中；
（3）待所述混合液完成凝胶化过程，再室温静置一段时间后，进行冰箱冷冻处理；
（4）将所述冰箱冷冻处理后得到的混合液继续进行液氮冷冻处理，然后进行冷冻干燥，即得到所述超吸水绿色叶片仿生薄膜。
2.一种如权利要求1所述超吸水绿色叶片仿生薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将吸湿性盐粉末加入到羟基纤维素溶液中，形成溶液A；
（2）将多糖粉末、绿色颜料加入到所述溶液A中，经过漩涡混合后得到混合液，迅速倒入到培养皿中；
（3）待所述混合液完成凝胶化过程，再室温静置一段时间后，进行冰箱冷冻处理；
（4）将所述冰箱冷冻处理后得到的混合液继续进行液氮冷冻处理，然后进行冷冻干燥，即得到所述超吸水绿色叶片仿生薄膜。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，在步骤（1）中，所述羟基纤维素溶液的浓度为0.5wt%~5wt%；所述溶液A的pH值通过氢氧化钠或盐酸溶液来调节，控制所述溶液A的pH值为4-10。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，在步骤（3）中，所述凝胶化过程在2min内完成，所述室温静置时间为10min~30min，所述冰箱冷冻处理的时间为3-8h，所述冰箱冷冻处理的温度控制在0℃~-8℃。
5. 根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，在步骤（4）中，所述液氮冷冻处理是时间为2 min ~15min。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211294242.7A CN115746410B (zh) | 2022-10-21 | 2022-10-21 | 一种超吸水绿色叶片仿生薄膜及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211294242.7A CN115746410B (zh) | 2022-10-21 | 2022-10-21 | 一种超吸水绿色叶片仿生薄膜及其制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115746410A CN115746410A (zh) | 2023-03-07 |
| CN115746410B true CN115746410B (zh) | 2024-04-09 |
Family
ID=85352602
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202211294242.7A Active CN115746410B (zh) | 2022-10-21 | 2022-10-21 | 一种超吸水绿色叶片仿生薄膜及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115746410B (zh) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106751275A (zh) * | 2016-12-25 | 2017-05-31 | 合肥昊泰新材料科技有限责任公司 | 一种有机仿生材料及制备方法 |
| CN109021305A (zh) * | 2018-07-12 | 2018-12-18 | 浙江理工大学 | 一种纤维素纳米晶增强羟丙基甲基纤维素/魔芋葡甘聚糖可降解水溶性包装薄膜的制备方法 |
| CN114485272A (zh) * | 2022-03-16 | 2022-05-13 | 电子科技大学 | 一种高光谱隐身仿生材料及其应用 |
-
2022
- 2022-10-21 CN CN202211294242.7A patent/CN115746410B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106751275A (zh) * | 2016-12-25 | 2017-05-31 | 合肥昊泰新材料科技有限责任公司 | 一种有机仿生材料及制备方法 |
| CN109021305A (zh) * | 2018-07-12 | 2018-12-18 | 浙江理工大学 | 一种纤维素纳米晶增强羟丙基甲基纤维素/魔芋葡甘聚糖可降解水溶性包装薄膜的制备方法 |
| CN114485272A (zh) * | 2022-03-16 | 2022-05-13 | 电子科技大学 | 一种高光谱隐身仿生材料及其应用 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| Constructing an Algae-based Biomimetic Artificial Leaf Device for CO2 Recycling and Solar Energy Harvesting;Wallace Adam Douglas;North Carolina State University;20191231;第1-118页 * |
| Scalable super hygroscopic polymer films for sustainable moisture harvesting in arid environments;Youhong Guo等;Nature Communications;第13卷(第01期);第1-7页 * |
| 基于光学和红外特征模拟的植物仿生材料设计制备;蒋晓军 等;光谱学与光谱分析;第35卷(第07期);第1835-1839页 * |
| 羟丙基纤维素/魔芋葡甘聚糖共混膜的制备及性能;庞冬梅 等;化工新型材料;第42卷(第07期);第65-67页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115746410A (zh) | 2023-03-07 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Eldin et al. | Development of cross linked chitosan/alginate polyelectrolyte proton exchanger membranes for fuel cell applications | |
| CN112900115B (zh) | 基于分散染料的可见光-近红外仿生光谱模拟材料及其制备方法 | |
| CN105175012A (zh) | 一种尖晶石型复合超细蓝色陶瓷颜料及其制备方法 | |
| CN106751275A (zh) | 一种有机仿生材料及制备方法 | |
| CN112662254B (zh) | 可见-近红外高光谱伪装涂料、其制备方法及其应用 | |
| CN102585572A (zh) | 一种热反射反射隔热无机复合材料及其制备方法和应用 | |
| CN105271174A (zh) | 具有强近红外吸收的超碳纳米点及其制备方法与应用 | |
| CN111559152A (zh) | 一种高光谱伪装材料及其制备方法 | |
| Ebnalwaled et al. | Developing novel UV shielding films based on PVA/Gelatin/0.01 CuO nanocomposite: On the properties optimization using γ-irradiation | |
| CN115746410B (zh) | 一种超吸水绿色叶片仿生薄膜及其制备方法 | |
| CN114485272A (zh) | 一种高光谱隐身仿生材料及其应用 | |
| Lu et al. | Self-driven super water vapor-absorbing calcium alginate-based bionic leaf for Vis-NIR spectral simulation | |
| CN111574733A (zh) | 一种高透明性紫外屏蔽膜的制备方法 | |
| Miao et al. | Mg-Al layered double hydroxides film coating for efficient biomimetic stealth | |
| CN109054540A (zh) | 一种红外线吸收材料的制备方法及可用于红外隐身的涂料 | |
| Kanno et al. | Biocompatible hydrogel from a green tide-forming Chlorophyta | |
| Miyafuji et al. | Photostable wood–inorganic composites prepared by the sol-gel process with UV absorbent | |
| TWI613240B (zh) | 高反射率隔熱組成物、其製備方法及隔熱材 | |
| CN106265172A (zh) | 一种原花青素白炭黑防晒剂 | |
| CN110219691A (zh) | 一种防治煤自燃的环保型复合阻化剂及其制备方法 | |
| DE102011103425A1 (de) | Wellenlängenselektiv reflektierende Beschichtung | |
| CN115287061A (zh) | 水溶性紫外吸收剂的制备方法、水溶性紫外吸收剂及其应用 | |
| CN115368789B (zh) | 一种仿绿色植被叶片高光谱涂层及其制备方法 | |
| CN111393078A (zh) | 高原气候专用的抗紫外耐候性好抗污隔热真石漆 | |
| CN114214847A (zh) | 一种含有可吸水透明涂层的可见光-近红外仿生光谱模拟材料及制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |