绿色伪装水基泡沫的制备与性能研究

王翔，袁建，蒋晓军，卢言利，穆景阳

(1.63983部队，江苏 无锡 214035； 2.山东理工大学 交通与车辆工程学院，山东 淄博 255000)

0 引言

水基泡沫作为一种新型光电无源干扰材料，具有经济、环保、无毒、易清洗、作业速度快等特点，以及一定的红外伪装和雷达伪装性能，通过对野战工事、机场跑道、坦克集群等目标快速实施水基泡沫遮蔽伪装，能够降低高技术侦察卫星的探测识别精度，提高陆战场目标的生存能力。但水基泡沫起泡力和稳定性难以兼容、光学伪装性能单一，限制了其在军事伪装领域的应用[1-2]。王凤[3]采用十二烷基硫酸钠和十二醇复配制备水基泡沫，研究了增稠剂、环境温度、pH值对泡沫稳定性的影响，结果表明水基泡沫在中性溶液、低温环境下稳定性最好。Fameau等[4]通过使用十二羟基硬脂酸和己醇胺盐复配得到了超稳温度响应型泡沫，在温度为20 ℃下得到了超稳温度响应型泡沫，并在相同温度下放置6个月，体积无变化，但泡沫的起泡力较低。王翔等[5]通过正交试验设计，研究了十二烷基硫酸钠、十八烷基三甲基氯化铵等对水基泡沫起泡力和稳定性的影响，确定了水基泡沫的组分、配比和制备工艺。蒋晓军等[6]通过超吸水性树脂进行纤维原位聚合、绿色伪装色水性色浆计算机配色技术，开发了一种超吸水性控温绿色伪装织物，在380～1 800 nm波段具有与绿色植物相似的光谱反射特性，能够模拟绿色植物的水分吸收特征峰。

本文针对水基泡沫起泡力和稳定性难以兼容、光学伪装性能单一等问题，在前期研究的基础上，通过阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠和阳离子表面活性剂十八烷基三甲基氯化铵复配，提高水基泡沫的稳定性；通过伪装着色剂配色模拟绿色植物的颜色和光谱反射特性，实现水基泡沫的可见光- 近红外伪装性能，进而开发一种高稳定性的绿色伪装水基泡沫，研究了温度对绿色伪装水基泡沫稳定性的影响和水基泡沫的光学伪装性能，分析了泡沫的稳定性机理，开展了水基泡沫外场试验验证，以期实现水基泡沫的工程化伪装应用。

1 实验

1.1 实验原料

实验用原料如下：山西长治奥尼克合成化学有限公司生产的十二烷基硫酸钠，山东福斯特化工有限公司生产的十八烷基三甲基氯化铵，国药集团化学试剂有限公司生产的十二醇，宜兴市兴洋化工有限公司生产的丙二醇，北京恒卓通科技有限公司生产的瓜尔胶，上海永兴实业有限公司生产的丙烯酸乳液，苏州世铭有限公司生产的水性色浆。

1.2 绿色水基泡沫的制备

1.2.1 绿色伪装着色剂

基于水基泡沫环保、无毒、临时型伪装等要求，选用有机颜料作为基础色料。根据背景色样的色调、亮度、饱和度和减法混色原理，选取红色、黄色、蓝色、紫色和白色作为基础色系；根据有机颜料在可见光-近红外波段的光谱反射特性，选取颜料红、颜料黄、颜料蓝、颜料紫和颜料白水性色浆，制备伪装着色剂；称取适量有机颜料水性色浆，比照标准颜色样板调色并制备涂层；选取与标准颜色样板颜色特征相近的涂层，计算有机颜料水性色浆的混合比；采用紫外/可见光/近红外光光度计测试涂层的光谱反射特性，计算涂层与标准色的色差、可见光亮度对比和近红外亮度对比；再次调比色，修正用色过程中出现的误差，求出较准确的颜料配方。

1.2.2 水基发泡浓缩液

常见的发泡剂为十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠等。其中十二烷基硫酸钠是一种阴离子表面活性剂，易溶于水，起泡力高，但稳定性差；十八烷基三甲基氯化铵是一种阳离子表面活性剂，易溶于水，能与多种表面活性剂或助剂配伍，协同效应好。本文发泡剂采用十二烷基硫酸钠和十八烷基三甲基氯化铵，通过二者复配，提高水基泡沫的稳定性。水基发泡浓缩液的制备如下：

将10 g十二烷基硫酸钠溶解于去离子水中，配制发泡溶液；将15 g十八烷基三甲基氯化铵、3 g十二醇、0.5 g丙二醇溶解于去离子水中，配制稳泡液。将发泡液和稳泡液混合、搅拌均匀；在45～50 ℃条件下依次加入0.2 g瓜尔胶、5 g丙烯酸乳液，溶解后制得水基发泡浓缩液。

1.2.3 水基泡沫

利用水基泡沫产生装置(见图1)制备绿色水基泡沫。将水基发泡浓缩液和水按质量比1∶1混合，添加4%～10%绿色伪装着色剂，搅拌混合均匀，加热至45 ℃；调节气液比为60∶1. 启动电泵、发泡机，发泡溶液和压缩空气在发泡筒中发生物理反应，形成细密均匀的气泡，从而在喷枪出口处制得伪装水基泡沫。

图1 水基泡沫产生装置Fig.1 Aqueous foam generator

1.3 性能测试

泡沫的微观形貌采用深圳市西派克光学仪器有限公司生产的HOMA-2000L金相显微镜进行表征；泡沫的稳定性采用德国富奇公司生产的HC7057气候试验箱进行测试；伪装着色剂的光谱反射特性采用美国Perkin Elmer公司生产的Lambda900紫外/可见光/近红外光光度计测试，测试波段为380～1 100 nm；泡沫的光谱反射特性采用美国Spectra Vista公司生产的HR1024野外光谱仪进行检测，测试波段为380～1 100 nm.

2 结果与讨论

2.1 表征

采用金相显微镜分析了绿色伪装水基泡沫的微观形貌，如图2所示。从图2中可以看出，水基泡沫由大量气泡聚集而成，气泡间相互粘连、兼并；泡沫界面为闭孔蜂窝结构，形状不规则，分别为五边形、椭圆形、半球形等；尺寸大小不一，平均尺寸为0.9～2.5 mm.

图2 水基泡沫的光学显微镜图Fig.2 Optical micrograph of aqueous foam

2.2 水基泡沫的稳定性能

采用发泡倍率即泡沫体积与构成该泡沫的泡沫溶液体积比值表征水基泡沫的起泡力，按照国家标准GB 15308—2006泡沫灭火剂规定的方法测试发泡倍率；采用持续时间即泡沫塌陷到厚度5 mm、覆盖率80%的时间表征水基泡沫的稳定性，利用德国富奇公司生产的HC 7057气候试验箱考核持续时间。

2.2.1 气候模拟试验

温度、相对湿度、风等气象条件是影响水基泡沫稳定性的主要因素，其中温度是决定性因素。本文在温度-2～30 ℃、相对湿度60%条件下，研究不同温度对发泡倍率和持续时间的影响，结果如图3所示。从图3中可以看出，随着温度的升高，发泡倍率逐渐增加，而持续时间逐渐降低，二者呈反比关系。在温度从-2～30 ℃变化时，泡沫的发泡倍率为21～32倍，持续时间为73～185 h，实现了起泡力和稳定性良好兼容，表明泡沫的稳定性较高，这是因为阳离子和阴离子相互吸附，所形成的液膜具有致密的结构、较高的弹性和强度；瓜尔胶增强了液膜的疏水相互作用，使界面吸附层的机械强度提高，气体扩散速度降低，进而减缓液膜的析液速度[7-8]。

图3 环境温度对泡沫发泡倍率和持续时间的影响Fig.3 Influence of ambient temperature on foaming ratio and duration of aqueous foam

2.2.2 外场试验

2018年5月15日，在江苏无锡开展了绿色伪装水基泡沫野外稳定性能验证试验，试验条件：天气晴到多云，温度为23～33 ℃，相对湿度不大于85%，风速小于2.0 m/s，泡沫的发泡倍率为29倍，初始厚度为50 mm，如图4所示。从图4中可以看出，水基泡沫在野外放置20 h时，上部为疏松多孔结构干泡沫，下部为闭孔湿泡沫，平均厚度为12 mm，覆盖率为99%，表明水基泡沫的有效时间不小于20 h，满足临时伪装要求。

图4 绿色伪装水基泡沫的外场试验Fig.4 Field experiment of green camouflage aqueous foam

2.3 水基泡沫的可见光- 近红外伪装性能

绿色水基泡沫的颜色是渐变的，无衡量标准，因此，采用伪装着色剂的颜色和泡沫的光谱反射特性，表征绿色水基泡沫的光学伪装性能。

2.3.1 伪装着色剂的颜色

调色，制备深绿、中绿、翠绿和黄绿4种伪装着色剂；分别将4种绿色伪装着色剂涂覆在涤纶长丝布表面，置于烘箱烘干后即可得到绿色伪装涂层。与标准色的色差、可见光亮度对比和近红外亮度对比需满足国家军用标准GJB 1082—1991伪装网用颜色对可见光- 近红外的伪装要求：1)色差不大于3L*a*b*，L*、a*、b*为色空间的坐标值；2)可见光亮度对比不大于0.1；3)近红外亮度对比不大于0.2.

采用美国Perkin Elmer公司生产的Lambda900紫外/可见光/近红外光光度计测试绿色伪装涂层在380～1 100 nm波段的光谱反射率，根据(1)式～(6)式计算伪装色与标准色的色差、可见光亮度对比和近红外亮度对比[9]：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

经计算，伪装着色剂的可见光- 近红外伪装指标如表1所示。从表1中可以看出，深绿、中绿、翠绿和黄绿4种伪装着色剂与标准色的色差为2.13～2.29，可见光亮度对比为0.01～0.07，近红外亮度对比为0.08～0.18，满足国家军用标准GJB 1082—1991伪装网用颜色的要求。

表1 伪装着色剂的光学伪装性能

2.3.2 水基泡沫的光谱反射特性

采用美国Spectra Vista公司生产的HR1024野外光谱仪测试绿色伪装水基泡沫和阔叶植物在波段380～1 100 nm的光谱反射特性。

图5所示为水基泡沫成膜后0.5 h、2.0 h、4.0 h和6.0 h的反射光谱。从图5中可以看出，在可见光波段，水基泡沫的光谱反射率相近；在近红外波段，0.5 h时水基泡沫的光谱反射率较高，在2.0 h、4.0 h和6.0 h时水基泡沫的光谱反射率降低，但三者的光谱反射特征相近。这是因为水基泡沫刚成膜时含水率高，一段时间后泡沫含水率降低，且大量颜料附着在疏松多孔结构表面膜层中，对近红外波进行衰减。表明水基泡沫表面成膜后，水基泡沫的反射光谱随时间变化较少，可忽略不计。

图5 水基泡沫在不同时间的反射光谱Fig.5 Reflectance spectra of aqueous foam at different times

图6所示为绿色伪装水基泡沫和阔叶植物在可见光和近红外波段的反射光谱。从图6中可以看出：阔叶植物在550 nm波长处出现反射峰，称为绿峰，在680～780 nm波段，光谱反射率迅速上升，称为红边，在780～1 100 nm波段，光谱反射率较高，称为近红外高原，在近红外区990 nm波长处，出现水分吸收带；绿色伪装水基泡沫在530 nm波长具有绿色反射峰，在700～770 nm波段，光谱反射率急速升高，呈现红边特征，在780～1 100 nm波段，保持较高的光谱反射率，呈现近红外高原特征，且在980 nm波长处呈现水分特征吸收峰[10-12]。根据光谱角度匹配(SAM)公式计算，绿色水基泡沫与绿色植物的光谱相似度为0.991 8，表明绿色水基泡沫和阔叶植物具有相似的光谱反射特征。

图6 绿色水基泡沫与阔叶植物的反射光谱Fig.6 Reflectance spectra of green aqueous foam and broad-leaf plant

3 结论

本文针对水基泡沫气泡力和稳定性难以兼容、光学伪装性能单一等问题，通过十二烷基硫酸钠、十八烷基三甲基氯化铵复配和伪装着色剂配色技术，制备了一种高稳定的绿色伪装水基泡沫。所得主要结论如下：

1) 水基泡沫为闭孔蜂窝状结构，形状不规则，大小不均，平均尺寸约为0.9～2.5 mm.

2) 气候模拟试验环境温度为-2 ℃～30 ℃时，泡沫的发泡倍率为21～32倍，持续时间为73～185 h，实现了起泡力和稳定性良好兼容；外场试验环境温度为23 ℃～33 ℃时，水基泡沫的持续时间不下于20 h，满足临时伪装要求。

3) 试制了深绿、中绿、翠绿和黄绿4种伪装着色剂，与标准色的色差为2.13～2.29，可见光亮度对比为0.01～0.07，近红外亮度对比为0.08～0.18，满足国家军用标准GJB 1082—1991伪装网用颜色对可见光- 近红外伪装的要求；在380～1 100 nm波段，阔叶水基泡沫与阔叶植物具有相似的光谱反射特征，光谱相似度为0.991 8，实现了可见光- 近红外伪装性能。