基于灰度评价的织物热红外辐射性能调控研究

寿霜霜　田伟　祝成炎

摘 要：为了调控织物热红外辐射性能，采用普通涤纶为经纱，镀银长丝和熔融纺丝制成的ZnO涤纶长丝为纬纱，通过交织的方法，改变织物组织、紧度和投纬比，制备了20块织物。采用灰度评价方法来量化评价织物的热红外辐射性能，探究3种参数对织物热红外辐射性能的影响。根据背景灰度范围，通过改变织物组织、紧度和投纬比来调控织物的热红外辐射性能。结果表明：改变织物组织可作为织物热红外性能的微调方式;改变织物紧度可作为对织物热红外性能的局部调控方式;改变织物投纬比可作为织物热红外性能的主要调控方式。

关键词：背景灰度;热红外辐射性能;红外成像;灰度调控

中图分类号：TS156

文献标志码：A

文章编号：1009-265X（2019）03-0043-07

Study on Regulation of Thermal Infrared Radiation Performanceof Fabrics Based on Gray Scale Evaluation

SHOU Shuangshuang， TIAN Wei， ZHU Chengyan

（National Engineering Lab for Textile Fiber Materials and Processing Technology，Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou 310018， China）

Abstract：In order to regulate the thermal infrared radiation performance of fabrics， in this paper， ordinary polyester was used as the warp and silver-plated filaments， and ZnO polyester filament made by melt spinning were used as the weft to prepare 20 pieces of fabrics using interweaving method and changing the fabric weaves， fabric tightness and fabric weft ratio. The gray scale evaluation method was proposed to quantitatively evaluate the thermal infrared radiation properties of the fabric， and the influence of three parameters on the thermal infrared radiation properties of the fabric was explored. According to gray scale range of the background， thermal infrared radiation properties of fabrics were regulated by changing the fabric weaves， fabric tightness and fabric weft ratio. The results showed that changing the fabric weaves could be used as a tiny regulation method for the thermal infrared properties of the fabric， changing the fabric tightness could be used as a local regulation method for the thermal infrared properties of the fabric， and changing the weft ratio of the fabric could be used as the main regulation method for the thermal infrared properties of the fabric.

Key words：background grayscale; thermal infrared radiation performance; infrared imaging; grayscale regulation

紅外辐射又称红外线，是指波长为0.78～1 000 μm的电磁波，它的物理本质是热辐射。红外热成像技术正是利用红外线的特性，根据目标本身和背景之间红外线辐射的差异从而得到红外热图像，使人眼能直接看到目标表面红外辐射的分布情况[1]。随着红外热成像技术被广泛应用到军事侦查中，使得各种军事目标受到全方位、全天候、多频谱和高精度地侦察，因此红外隐身技术在现代战争中显得尤为重要[2]。要实现在红外波段改变目标外形，使目标融于军事背景，就必须要使目标热像图的平均灰度和背景热像图的平均灰度相接近，否则整个目标灰度明显高于或低于背景灰度，易暴露目标。在现代军事战场中，军事背景往往是复杂多变，如灌木，草地，岩石，水面等。对于不同类型的军事背景，其红外特性不一样，这要求在不同军事背景下热红外隐身织物的热红外性能不同。目前对于热红外隐身织物基本都通过涂覆不同的低红外发射率涂料来实现不同军事背景的热红外隐身[3-6]。这种方法虽然能达到较好的热红外隐身效果且操作简单方便，但在实际应用中涂料涂覆大都应用于武器装备的红外隐身，很少应用于士兵的服装上，一方面是因为采用涂料涂层会造成涂层厚、密度大，使材料增重，影响织物的服用性能;另一方面热红外隐身服装的使用环境普遍较恶劣，涂料难免会脱落，因此热红外隐身涂料涂层的织物实用性较差、寿命短[7]。

为了实现不同军事目标的热红外隐身，同时改善热红外隐身织物的服用性能，本文采用普通涤纶为经纱，纬纱为镀银纱线和ZnO涤纶纱线的组合，通过交织的方法制备红外隐身织物，利用红外成像仪获取织物的红外热像图，由于缺少通过红外热像图量化评价织物的热红外辐射性能的方法，本文提出了灰度评价的方法来量化评价织物的热红外性能，并根据该方法探究了织物组织、织物紧度、原料投纬比对织物热红外性能的影响，根据不同背景的灰度确定了灰度调控范围，通过改变原料投纬、织物紧度、织物组织来调控织物的热红外辐射性能，并建立样卡，为制备不同背景的热红外隐身织物提供多种方案。

1 织物结构调控热红外辐射原理

目前运用最多的是成像探测方法，其中红外热像仪被广泛应用于目标的探测，红外热像仪是根据目标与背景的红外辐射强度的差异来侦视目标。根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律可知，物体在全波长范围内的红外辐射出射强度E为[8-9]：

E=εσT4（1）

式中：ε为物体的红外发射率;σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数;T为物体的绝对温度。

可见，物体的红外辐射出射度除很大程度上取决于物体的绝对温度，还取决于物体表面的红外比辐射率。红外热图像中的目标与背景红外辐射对比度C由二者红外辐射强度的差别决定[10]：

C=E0-EBEB（2）

式中：C为目标和背景的红外图像对比度;E0和EB分别为目标和背景的红外辐射出射度。

由此可知，特定背景条件下实现热红外隐身有效途径：调节目标表面的红外比辐射率，力求目标与背景之间的红外辐射强度相接近。同时根据不透明材料红外比辐射率与材料反射率满足以下关系：

ε=1-R（3）

式中：ε为红外比辐射率，R为反射率。

从式（3）可知对于不透明材料而言，材料表面反射率越高，红外比辐射率越低。一般金属具有较高的反射率，所以本文采用镀银纤维，由于其表面镀了一层金属银，可产生镜面反射，反射率较大，对红外线有良好的反射性，同时将镀银纤维织成的服饰穿在衣服里层能将人体向外发射的红外辐射反射回人体，减少红外辐射的传导。

红外线照射到织物上除了发生吸收、反射、透射还将发生散射，根据瑞利散射原理：当入射电磁波的波长远远大于物体的尺寸时，将发生瑞利散射，对红外线具有散射衰减作用。ZnO涤纶长丝是将PET切片与5%纳米氧化锌母粒混合后通过熔融纺丝的方法纺制而成。红外线波长为5～25 μm，纤维中纳米ZnO粒子的尺寸为纳米数量级，入射的红外线波长远远大于纳米ZnO粒子的尺寸，因此当红外线入射到ZnO涤纶长丝上时将发生瑞利散射，大量分布广泛、各向同性的散射波有利于红外线的衰减，降低红外辐射量[11]。

2 实 验

2.1 实验原料

经纱原料采用普通涤纶，纬纱原料采用锦纶镀银长丝、ZnO涤纶长丝。ZnO涤纶长丝是将聚酯切片与氧化锌母粒按一定比例混合通过熔融纺丝的方法制备而成。经纬纱线原料的基本参数如表1所示。

2.2 试样制备

采用不同的纬纱组合比例、织物紧度和组织，设计并试制了3大系列，共20块织物，分别为A、B、C组，其中A组为不同组织结构的试样，B组为不同经纬密的试样，C组为不同投纬比的试样，D为经纬纱都是普通涤纶的织物，作为比较组试样。织物的基本参数见表2。

2.3 灰度量化评价织物热红外性方法

实验仪器采用美国福禄克公司生产的Ti400型手持式红外成像仪。该红外成像仪能够输出红蓝模式和灰度模式的红外热像图。红蓝模式的红外热像图以不同颜色表示物体表面的热辐射量即物体表面的红外辐射量，人眼可以通过这种彩色的红外热像图直观观察物体表面的红外辐射分布情况，适合定性分析物体的热红外性能，但难以进行定量分析。灰度模式的红外热像图，通过不同的图像灰度表示物体表面的红外辐射量，可以通过图像的灰度来比较物体表面的红外辐射量。灰度是指黑白图像中点的颜色深度，其范围为0～255，白色为255，黑色为0[12]。当2块相邻区域灰度相差小于10～25个灰度级则人眼难以准确辨别图像的灰度级[13]。因此本文先计算出灰度模式的红外热像图的平均灰度值，再通过比较平均灰度值的大小，来量化评价织物的热红外辐射性能。平均灰度值小表示图像颜色深，物体表面的红外辐射量的少，物体的热红外辐射性能好;反之图像的平均灰度值大，表示图像颜色浅，物体表面的红外辐射量多，物体的热红外辐射性能差。

实验具体操作：实验在同一环境中进行，将试样置于手心中，人体的体温视为恒定。利用Ti400型热红外成像仪，将输出图片的模式设置为灰度模式，获得试样灰度模式的红外热像图。将红外热像灰度图导入Digieye软件，用选框工具选中样品区域，得出平均灰度值。通过比较平均灰度值来量化评价试样红外辐射强度大小。

3 结果与讨论

3.1 灰度值有效调控范围的确定

已有学者对灌木丛、湖面、草地等不同类型背景的红外热图像进行灰度直方图统计，结果表明灌木丛、湖面、草地等不同类型背景的红外热图像灰度值主要分布于20～100之间[14]。所以本文主要对平均灰度为20～100的织物进行研究。同时获取了普通涤纶织物试样和两种功能纱线交织织物的红外热像图，对比了两者的热红外辐射性能，如图1所示。

对比图1（a）与图1（b）可知，普通涤纶织物颜色与手掌灰度的颜色较为接近，两种功能纱线交织织物颜色明显加深。图1（b）的颜色明显比图1（a）的颜色深，表明图1（b）织物表面的红外辐射量比图1（a） 织物少，图1（b）织物的红外辐射性能较好。因此，采用ZnO涤纶长丝和镀银长丝组合使用为纬纱制备的试样能够降低织物的红外辐射强度，织物热红外辐射性能显著提高。将热像图导入Digieye软件，得到试样D的平均灰度值为184，已超过了背景的灰度范围，试样A6的平均灰度为69，介于背景灰度范围内。结合不同类型背景红外热像图的灰度分布，对于灰度值超过100的织物不进行研究，所以本文对普通涤纶织物不再進行讨论，主要针对经纱为普通涤纶，纬纱为镀银长丝和ZnO涤纶长丝的交织织物进行讨论。

3.2 织物组织对热红外辐射性能的调控能力

织物组织不仅能改变织物表面的纹路效果，同时能影响织物表面的光滑程度，进而影响红外光在织物表面的反射量，对织物的热红外辐射性能产生影响。本实验测试了8块不同组织织物的热红外辐射性能，其中C1-C2为平纹及平纹的变化组织;C3-C5为斜纹及斜纹的变化组织;C6-C8为缎纹及缎纹的变化组织。8块织物的红外热像图，如图2所示。

从图2可以看出，虽然试样C1-C8的组织各不相同，但其红外热像图的颜色深浅比较接近。不同织物的红外热像图的平均灰度值，如图3所示。

由图3可以看出，8个试样的红外热像图的平均灰度值范围为64～69，相差不大，说明试样的红外辐射量差异较小。但缎纹织物热像图的平均灰度值总体上要稍小于斜纹织物和平纹织物热像图的平均灰度值，表明缎纹织物的热红外辐射性能稍微强于斜纹和平纹织物。这可能是由于纬面缎纹能使更多的纬纱浮于织物表面，更多的锦纶镀银长丝和ZnO涤纶长丝浮于织物表面，使织物的热红外辐射性能提高。

缎纹的浮长较平纹和斜纹长，缎纹织物表面较光滑，斜纹次之，平纹表面较为粗糙，织物表面越光滑其反射越强，辐射的红外线相对少。综上所述，改变织物组织时，能实现的灰度调控范围为64～69，调控幅度小，所以通过改变织物组织，可作为织物热红外性能的微调方式。

3.3 织物紧度对热红外辐射性能的调控能力

织物的紧度影响红外光的透过率，红外光的透过率是织物热红外性能的重要影响因素。所以本文探讨了紧度对织物热红外辐射性能的影响。试样B1-B5的组织都为平纹组织，纬纱原料为ZnO涤纶长丝和锦纶镀银长丝，且投纬比都为4∶1，改变织物的经纬密，则织物的紧度也改变，B1-B5的紧度依次为50.60%、62.71%、71.65%、87.68%、90.75%。试样的红外热像图如图4所示。

观察图4中5个试样的红外热像图可以看出，红外热像图的颜色深浅从B1到B5颜色逐渐加深。绘制紧度与织物红外热图灰度值之间的关系图并对其进行拟合，拟合方程为：Y=171.995 07-1.743 59X+0.006 27X2，R2=0.987 96，如图5所示。

从图5的拟合曲线可以看出，随着织物的紧度增加，试样的红外热像图的平均灰度值呈减小趋势，且曲线呈逐渐平缓的趋势。随着织物紧度增大，织物的红外辐射量减小，热红外辐射性能增强。这是由于当织物的紧度增加时，织物的覆盖率也增加。对于紧度越大的织物，织物的红外线透过率减少。当织物的纬向覆盖率增大时，单位面积中锦纶镀银纱线和ZnO涤纶长丝的数量增加，有利于对红外线的反射。织物的紧度越大，织物的热红外辐射性能越好，但在实际生产中，紧度太大时打纬较困难，易造成织造困难和布面不清。因此织物紧度对提高织物热红外辐射性能有一定的限度。因此，改变织物紧度，能实现的灰度调控范围是64～100，其灰度调控范围与改变织物组织时相比较，范围明显增大，所以改变织物紧度可作为对织物热红外辐射性能的局部调控的方式。

3.4 纱线组合比例对织物热红外辐射性能的调控能力

为探究ZnO涤纶长丝和锦纶镀银长丝的不同比例对织物热红外辐射性能的影响，设计了不同的投纬比，依次为1∶1、1∶2、1∶3、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1，试样编号为A1-A7。其中试样组织都为平纹，纬密都为500根/10 cm。图6为试样A1-A7的红外热像图。

从图6可以看出：红外热像图的颜色从深到浅上依次为：A3、A2、A1、A4、A5、A6、A7。为具体研究ZnO涤纶长丝与锦纶镀银长丝的不同组合比例，对织物热红外辐射性能的影响。对ZnO涤纶长丝与锦纶镀银长丝组合比例变化时，可实现的红外调控范围，如图7所示。

随着试样的投纬比不同，织物的纬向原料中ZnO涤纶长丝和锦纶镀银长丝的含量发生改变。织物投纬比从5∶1变到1∶3，织物中ZnO涤纶长丝与锦纶镀银长丝的组合含量依次分别为90.4%/9.6%、88.2%/11.8%、84.9%/15.1%、78.9%/21.1%、65.2%/34.8%、48.4%/51.6%、38.5%/61.5%。从图7可以得出，改变锦纶镀银长丝和ZnO

涤纶长丝的含量，织物的热像图灰度值的变化范围为26～80。随着纬纱组合中锦纶镀银长丝含量的增加，红外热像图的平均灰度值呈下降趋势，表明随着纬纱组合中锦纶镀银长丝含量的增加，织物表面红外辐射量少，织物的热红外辐射性能最好。这是由于锦纶镀银长丝本身的反射率高，对红外线具有较强反射作用，能降低物体红外辐射量。同时ZnO涤纶长丝是在纺丝时加入少量的纳米ZnO粉体后得到的，根据瑞利散射原理，当入射电磁波的波长远远大于物体的尺寸时，将会发生瑞利散射[12]。红外线波长为5～25 μm，纤维中纳米ZnO粒子的尺寸为纳米数量级，入射的红外线波长远远大于纳米ZnO粒子的尺寸，因此当红外线入射到ZnO涤纶长丝上时将发生瑞利散射。此时大量分布广泛、各向同性的散射波将入射到镀银长丝上，这些红外线又会被反射，有利于红外线的衰减和反射，降低红外辐射量。但如果ZnO涤纶长丝含量过多，将产生过量的散射，导致红外辐射量增多，所以锦纶镀银长丝和ZnO涤纶长丝这两种纱线相互配合能产生更好的效果，在锦纶镀银长丝和ZnO涤纶长丝的比例为3∶1时，织物的热红外辐射性能较好。所以通过改变织物投纬比，改变织物中锦纶镀银纱线和ZnO涤纶长丝的的含量，能实现红外调控范围26～80，范围最大，所以通过改变投纬比可作为调控织物热红外性能的主要方式。

3.5 灰度调控方案的样卡建立

由于自然界中各种地物种类多且复杂，即使是同一类景物也随地区、季节和土壤干、湿程度的变化而改变，导致影响背景灰度的因素较多，建立灰度调控模型的意义不大，所以本文通过设计7种不同织物投纬比、同时在一种纬纱投纬比下有设计5种不同织物紧度，测试12种织物红外热像图的平均灰度值并作为样卡，建立样卡。通过样卡，可以对应找到针对不同背景灰度，通過改变织物投纬比或织物紧度中的1个或者两个参数设计1种到多种灰度调控方案，如图8所示。

通过图8可知，通过改变织物中锦纶镀银长丝与ZnO涤纶长丝的投纬比，调控范围可实现26～80，在每一种投纬比下可以变换不同织物紧度，织物的紧度不同其调控能力也不同，进一步扩大了灰度调控范围。先通过调节织物投纬比进行主要调控，然后在此基础上改变织物紧度，局部调控灰度范围。本文以织物投纬比1∶4为例，设计5种不同的织物紧度，当织物投纬比为4∶1时平均灰度为69，通过改变织物紧度，灰度调控范围可进一步实现64～100之间的变动，这样通过组合织物的投纬比和织物紧度这两个参数，灰度调控范围可实现64～100之间。

通过灰度调控的样卡，当灰度调控值确定时，可以通过图8的样卡，并根据服用性能、外觀要求等实际生产需要选择合适的方案设计织物织造参数，制备红外隐身织物。比如当背景的灰度值为80时，为了达到红外隐身效果，设计的织物要与背景的灰度值相近，在80左右，可以在图8的样本库中找到，方案1为当投纬比为5∶1时，织物的灰度值为80;方案2为选择织物投纬比为1∶4，改变织物紧度为60%左右，再通过变换织物组织进行灰度微调，也可实现灰度值在80左右。

4 结 论

a）保持织物紧度、织物投纬比相同，仅改变织物的组织，平均灰度值变化较小，灰度调控范围为64～69，调控幅度小，所以通过改变织物组织，可作为织物热红外辐射性能的微调方式。

b）保持织物组织、纬纱投纬比相同，仅改变织物的紧度时，随着织物紧度的增大，热红外辐射性能有所提高，可实现的灰度调控范围是64～100，调控范围较大，所以改变织物紧度可作为对织物热红外辐射性能的局部调控的方式。

c）保持织物组织、织物紧度相同，仅改变织物投纬比时，织物中ZnO涤纶长丝与锦纶镀银长丝的含量发生变化。随着纬纱组合中锦纶镀银长丝含量的增加，红外热像图的平均灰度值下降，能实现灰度调控范围为26～80，范围最大，所以通过改变投纬比，可作为调控织物热红外辐射性能的主要方式。

d）通过设计7种不同织物投纬比、同时在一种纬纱投纬比下设计5种不同织物紧度，将这12种织物作为样卡，建立样卡库。在明确灰度调控范围的情况下，通过样卡库，可以对应找到针对不同背景灰度，通过改变织物投纬比或织物紧度中的1个或者两个参数设计1种到多种灰度调控方案。

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