防可见光近红外光氟碳伪装涂料的研制

防可见光近红外光氟碳伪装涂料的研制

尤欣敏1,徐海涛2,赵志刚1 高雯霞2
(1.南京工业大学,江苏南京210009;2.常州佳尔科仿真器材公司,江苏常州213111)

0 前言
随着科学技术的发展和武器装备的现代化,从目视侦察发展到成像侦察,近红外照相、热红外成像、微光夜视、雷达成像、多光谱成像和激光探测等侦察探测手段相继问世,并迅速发展。目前,越来越多的光电侦察仪器遍布陆、海、空立体空间,大量携带可见光、红外光、电视摄影、摄像和遥感设备的光电侦察设备被应用于现代战场的各个角落。面对全方位、多层次、多频段、多手段的光电侦察,如何防备重要建筑如桥梁、大坝、仓库、营房、指挥所、雷达站及地面武器系统等军事目标免遭打击,已成为一个十分重要的问题。目前,常采取多种伪装或隐身方式,如天然隐蔽、伪装涂料、吸波涂料、诱饵等。其中,伪装涂料因成本较低、施工便利、对目标外形适应性强而广泛应用,日益成为现代防空的必选材料。在重要设施和建筑、军用装备和器材的涂装保护上具有广阔的应用前景。伪装即用隐藏真貌展示假相的方法使军事目标和武器装备的可见性减少到最低限度。它可以直接干扰和破坏敌方获取信息的准确性和及时性,降低敌方的侦察探测的效果和制导攻击的命中率,从而提高目标生存能力。伪装的理念源于仿生,伪装涂料主要涂覆在军用目标外表面,改变目标表面的光谱特性,并消除、降低目标与背景光学特征的差别,提高目标与背景的融合性。防可见光、近红外光侦视的伪装涂料可用来对抗紫外照相、近红外照相、微观夜视和电视制导等。氟碳涂料以含氟树脂为主要成膜物质,它的主要特点是树脂中引入的氟元素电负性大,含有大量的F—C 键,在受热、光(包括紫外线)的作用下,F—C 键难以断裂,显示出超强的耐候性、耐热性及耐化学介质腐蚀性能,优于聚氨酯、有机硅、丙烯酸树脂等涂料,户外有长达20 年的应用数据。以氟碳树脂为主成膜物制伪装涂料可延长涂料的使用寿命,增强对目标物的保护功能。

1 伪装涂料的原理和要求
1.1 伪装涂料的原理
利用涂料实现光学隐身的基本要求是在可见光与近红外波段(0.4~1.5 μm)内,涂层颜色最大可能地融入所处的环境背景(如植被、土壤、沙漠或海洋等)中,由于背景的复杂多样,通常要求采用各种颜色的涂料将目标涂覆成迷彩图案的形式,以达到模糊、分割目标外形轮廓的效果,在可见光范围内得以隐身。如欲使被涂装的物体在近红外线的照射下得以隐形,这就要求涂层的光谱反射特性与背景一致,才能有效地模拟自然背景中物体的光谱反射曲线,即实现目标表面与背景的同色同谱,达到降低目标显著性或歪曲、分割目标外形轮廓的目的。在通常情况下,防红外侦察的伪装涂料的重点是叶绿素伪装,要求防红外伪装涂料在可见光和近红外的范围内,不仅颜色与环境相似,还要求涂料与天然叶绿素有近似或相同的反射程度,即两者有近似相同的光谱曲线。
1.2 伪装涂料的主要技术特性
1.2.1 耐候性、耐热性及附着力
伪装涂料主要应用于野外作业的装备,使用环境恶劣,尤其在阳光强烈直射、高风沙地区或沿海地区。为使涂料对目标物有更好的保护功能,伪装涂料不但需要良好的附着力,而且必须具有优良的耐候性、耐热性和耐腐蚀性。
1.2.2 亮度对比与色差
防可见光、近红外伪装涂料必须在0.4~1.5 μm 光谱区内具有与环境背景近似或相同的反射程度和极低的红外线吸收率。伪装技术指标中最重要的是亮度对比与色差,实践表明,当目标与背景之间的亮度对比不大于0.2 时,该目标的可探视的概率极低。因而伪装涂料要求色差ΔE≤3、可见光亮度对比Kv≤0.1、近红外光亮度对比KN≤0.2。
1.2.3 光泽度的确定
红外线是没有颜色的色彩差异,它发现目标的依据是其和背景的亮度差别。因此,研制防红外线侦视涂料的主要任务是设法减少或消除目标与背景间的亮度差别,这就要求涂层表面效果与背景协调,尽量避免镜面反射[4],所以60°光泽选择在10 以下。
1.3 研制氟碳伪装涂料采用的技术路线
(1)选择适宜类型的三氟氯乙烯与多种烷基乙烯基醚(酯)的共聚物———氟碳树脂为主要成膜物,以使涂料具有优异的耐候性、耐热性和耐腐蚀性[5]。
(2)筛选多种颜料并科学配比、合理组合,以使涂层满足目标表面与背景的同色同谱的要求,达到光学隐身的目的。
(3)选择特种助剂和共混改性剂,以使涂膜具有良好的附着力,并保证综合理化性能达到使用要求。

2 原材料的选择
2.1 主要成膜物质的选择
国内已研制和生产的伪装涂料有丙烯酸树脂漆、醇酸树脂漆、过氯乙烯树脂漆、环氧树脂漆等,鉴于本项目研制的伪装涂料要求具有良好的耐老化性和优良的耐热性,故选用常温固化的氟碳树脂为涂料的主成膜物。目前市场上的FEVE氟碳树脂主要为三氟氯乙烯与烷基乙烯基酯的共聚树脂和四氟乙烯与烷基乙烯基酯(醚)的共聚树脂,耐热性较好。我们通过试验选择树脂的类型和生产厂家。
测试用涂膜制备:在打磨成St3 级的马口铁板上刷涂涂料1 道,涂膜厚度为60~80 μm。将试样放入电热鼓风干燥箱中,其中1# 为丙烯酸树脂漆,2# 为三氟氯乙烯-乙烯基酯共聚物漆,3# 为四氟乙烯-乙烯基醚共聚物漆。恒温8 h 取出试样,分别测试其热损失量和光泽、颜色变化情况。
2.1.1 树脂的恒温热空气老化试验
不同温度下FEVE 氟碳涂料的热空气老化恒温质量损失见表1。
表1 不同温度下涂料的热空气老化质量损失 %

从表1 可以看出,150 ℃时,3 种涂料的损失质量均在1%~2%,基本相同,说明分子链结构都未发生破坏;200 ℃时,3种涂料损失质量均有所增大,说明分子结构均发生较明显变化,其中3# 涂料的损失质量最小,2# 的损失质量最大;250 ℃时,氟碳涂料均发生明显的裂解、断链等复杂的反应,导致热损失质量明显加剧,而3# 的热损失质量较小,2# 的热损失质量最大。
2.1.2 涂膜的热空气老化色差变化
经热空气老化后,测试涂膜的颜色变化及表面状态,结果见表2。
表2 经热空气老化试验后的色差△E及涂膜状态

从表2 可以看出,150 ℃时,3 组涂膜的色差△E 均小于1.5,变色0 级,漆膜颜色基本不变;200 ℃时,1# 和3# 变色仍为0 级,属于无变色范围,2# 变色3 级,属于明显变色;250 ℃时,所有涂膜都呈现严重变色,3# 的变色相对轻微一些。1# 涂料由于玻璃化温度较高,250 ℃高温下涂膜发脆,出现开裂现象。涂膜受热情况下的质量损失、变色和失光与高聚物的化学组成和分子链结构密切相关。四氟乙烯单体比三氟氯乙烯单体、乙烯基醚单体比醋酸乙烯酯单体热稳定性好。分子结构与试验结果均表明,四氟乙烯-乙烯基醚类型的FEVE 氟碳涂料具有更加优异的耐热、保光、保色性能。
2.2 固化剂的选择
本项目选用的含羟基氟碳树脂,可用含异氰酸基的脂肪族异氰酸酯进行常温固化。常用品种有:甲苯二异氰酸酯(TDI)、4,4-二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)、异佛尔酮异氰酸酯(IPDI)、六次甲基二异氰酸酯(HDI)、脂环族异氰酸酯及其衍生物。考虑到三聚物或缩二脲固化剂比低分子醇类加成物耐候性好、耐光照射,故不用加成物类固化剂。其中HDI 缩二脲是应用最为广泛的脂肪族多异氰酸酯固化剂。考虑到氟碳伪装涂料的特点,我们选择HDI 三聚体。这是由于:(1)HDI三聚体的黏度比缩二脲低,适宜于伪装涂料中加入大量的颜料,有利于减少溶剂用量,可配制成高固含量的产品;(2)HDI 三聚体的涂膜耐候、耐光性高于缩二脲,适宜用作野外设施的涂装;(3)HDI 三聚体的制品硬度高,韧性与粘附力与缩二脲相近。
2.3 颜料的选择
对于防红外伪装涂料来说,许多在可见光范围内用于配色的传统颜料不能用于红外伪装涂料,单一颜料往往难以满足要求,必须选用适应的颜料并采用多种颜料的合理组合来实现。涂料中各组份颜料对漆膜反射率影响的程度取决于各自的特性,如着色力、细度、光散射吸收能力以及在混合体中所含的比例[7]。经过试验,制成的绿色氟碳迷彩面漆光谱反射曲线与天然绿色素的相接近(见图1)。


图1 氟碳迷彩面漆光谱反射曲线与天然绿色素的对比
2.3.1 颜料品种的选择
在可见光和红外光区域反射率差别较小的情况下,用具有类似天然叶绿素反射曲线且价格较便宜的氧化铬绿来调配。但在2 个区域反射率差别较大的情况下,例如DG0730,采用氧化铬绿和其它颜料的组合则无法同时满足防可见光和近红外光的伪装要求。这时可以使用绿色素、天蓝、永固紫等搭配来实现同色同谱的配制。
2.3.2 颜料搭配比例的控制
为了达到GJB 798—90《伪装涂料漆膜颜色》中规定的伪装色的要求,在颜料搭配过程中必须严格控制各颜料的比例。例如,碳黑、氧化铁黑能降低红外线反射率,是调配绿色伪装涂料的常用颜料。研制中发现,它具有很高的着色力和很低的光谱反射率,因此,在配方中碳黑和氧化铁黑的用量必须严格限制,否则易使伪装涂料的整体光谱反射率偏低。根据经验认为,碳黑的用量一般小于0.5%,氧化铁黑的用量小于5%。参考资料和实验摸索,采用某紫色颜料可部分取代碳黑,或使用钴黑、铬黑等,可取得良好的效果。
2.4 树脂的共混改性
由于氟树脂具有低表面张力的特性,故对金属、陶瓷和玻璃等材料的结合性能较差,为改善涂层对底材的附着力,采用物理混拼法,考虑到本项目研制的伪装涂料的应用要求,混拼加入的物质不但应具有较好的附着力,而且应具有较高耐温性,可选择的物质有:丙烯酸树脂、环氧树脂、有机硅树脂、聚酰胺等以及金属氧化物、硅酸盐、低温陶瓷等,我们选用丙烯酸树脂。
2.5 助剂的选择
2.5.1 分散剂的选择
氟碳树脂对颜料的润湿分散性差,特别是在配制伪装涂料时,由于使用颜料较多,颜料的粒径和比重不同,极容易产生浮色发花。为此需加入润湿分散剂,但任何一种润湿分散剂不可能对所有的颜填料都具有很好的润湿分散效果,可根据所用颜填料的HLB 值选择HLB 值相当的润湿分散剂,一种分散剂很难满足多种颜料的需求,故选用2 种分散剂搭配,并使整个润湿分散体系的HLB 范围尽可能大于颜料组合的HLB值。试验对比结果见表3。

 从表3可以看出,BYK一163和EFKA一64的分散性较好,制得的涂料分散均匀、稳定,存储稳定性好。试验中将两者复配使用。
2.5.2 流变防沉增稠剂的选择
溶剂型涂料中常用的防沉流变增稠剂有:有机膨润土、气相二氧化硅、触变性丙烯酸树脂、纤维素酯、聚酰胺蜡等。聚酰胺蜡常用在金属漆中,有机膨润土价格便宜,但它的耐候性不好,不能用于面漆中;气相二氧化硅的贮存稳定性和耐候性好,但它在使用时不易分散、易产生小颗粒、流平性也不好;纤维素酯综合性能佳,但需预制成浆,易起泡。综合考虑,选择气相二氧化硅、纤维素酯按一定的比例搭配使用。此外,溶剂的选配应调节混合溶剂的挥发速率,尽可能匀速挥发。由于固化剂为异氰酸酯类,选择溶剂必须严格控制含水量,应用无水级或经除水处理。可选二甲苯、丙二醇甲醚乙酸酯、乙二醇乙醚乙酸酯、醋酸丁酯的混合溶剂,其配比根据不同季节的气候来调整。

3 试验
3.1 主要原材料
经试验确定选用以下原辅材料:氟碳树脂,大金公司;固化剂,拜耳公司;颜填料,杜邦公司、科勒公司;分散剂、流平剂,毕克化学、埃夫卡助剂公司;流变防沉剂,帝司巴隆、伊士曼公司;消光粉,格雷斯公司;混合溶剂,三木公司、联碳化工。均为工业级。
3.2 氟碳伪装涂料的基本配方(见表4)

3.3 氟碳涂料的制备工艺
双组分氟碳伪装涂料按甲组分与乙组分质量比8∶1 配制。
3.3.1 甲组分(氟碳面漆)的生产工艺
(1)按配方称取氟碳树脂、丙烯酸树脂、分散剂、流平剂、消泡剂,低速搅匀;(2)加入颜填料等,中速(800 r/min)搅匀,然后进砂磨机研磨;(3)研磨至细度≤20 μm 后,再打入混料釜加入消光粉和配方中其它剩余物料,低速搅匀。取样检测,合格后过滤、包装。
3.3.2 乙组分(氟碳固化剂)的生产工艺
按配方投入HDI 三聚体、无水醋酸丁酯,800 r/min 搅拌30 min;取样检测,合格后过滤包装、入库。

4 产品性能
本产品经检测,其常规性能符合HG/T 3972—2005《交联型氟树脂涂料》要求,伪装性能符合GJB 1887—94《防可见光近红外溶剂型伪装涂料规范》及GJB 798—90 要求。性能测试结果见表5。

5 结语
(1)氟碳涂料有优异的耐候性,优于聚氨酯、有机硅、丙烯酸树脂、环氧树脂等涂料,但氟碳树脂对颜料的润湿分散性较差、附着力差。通过试验选择了四氟乙烯-乙烯基醚类氟树脂,提高了涂膜的耐热性;通过共混树脂的改性改善了涂膜附着力,选择了复合分散剂、防沉剂等助剂,使涂料具有优异的耐候性、耐热性,良好的附着力和耐腐蚀性。
(2)常用颜料不适用于伪装涂料,而单一颜料也难以满足要求,本项目根据各颜料对漆膜反射率影响及各自的特性选择适宜的颜料,科学配比、合理组合使涂层的光谱性满足了目标表面与背景的同色同谱的要求。
(3)研制开发的氟碳伪装涂料的耐老化性大大超过其它伪装涂料,耐热性、耐腐蚀等指标,满足恶劣环境中的使用条件;而光谱性能达到了可见光、近红外波段内伪装要求,具有广阔的应用前景。

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