隱身！聚氨酯-銻錫氧化物復合材料助你藏起身形
來源：高分子科學前沿
隨著科技不斷發(fā)展，各國軍事實力不斷增強。現(xiàn)如今，遠程超視距作戰(zhàn)已經(jīng)成為主流。遠程偵察測量技術和各類隱身技術越來越重要，其中紅外隱身技術是一種使對象發(fā)出的紅外輻射與周圍背景輻射盡可能相似的技術，從而使紅外檢測傳感器無法區(qū)分目標對象。
用于紅外屏蔽涂層的材料包括金屬粉末，導電聚合物，有機/無機復合材料和半導體。綜合考慮材料重量、紅外屏蔽能力和機械性能等方面，通過多種技術合成的銻氧化錫（ATO）納米顆粒被廣泛用于紅外和熱輻射屏蔽涂料。目前未解決的問題是當ATO納米顆粒與聚合物基質混合時，纖維的機械性能可能會下降。因此，有必要開發(fā)一種用于可穿戴的紅外（IR）和熱輻射屏蔽材料，其可以在不顯著增加纖維重量、保持纖維的機械強度的同時，有效地提高屏蔽效率。
亮點
韓國京畿道大學Sang-Mi Jeong等研究人員成功合成了聚氨酯-銻錫氧化物（PU-ATO）復合纖維，與常規(guī)的聚酯或PU織物相比，本研究開發(fā)的PU-ATO復合纖維紡織品具有出色的IR和熱輻射屏蔽性能，即使暴露于?20°C和+80°C的重復溫度變化以及30天的長期溫度變化的十個循環(huán)中，制成的PU–ATO復合纖維仍具有穩(wěn)定的IR和熱輻射屏蔽性能。PU-ATO復合纖維的表面被制成疏水性，以防止由于PU-ATO復合纖維被吸收的水潤濕而導致IR和熱輻射變形。
PU–ATO復合纖維的制備過程
如圖1所示，通過控制ATO前驅體的濃度和通過溶膠-凝膠法制備的溶膠的老化時間，獲得最佳的ATO溶膠。將該溶膠與預設量的PU溶液混合，得到了具有不同成分的PU–ATO復合懸浮液。采用濕法紡絲技術，以四種不同ATO濃度（0.5、1.5、3.0和4.0 mmol）的復合懸浮液為原料，制備了PU-ATO（1-4）復合纖維。
圖1 ATO溶膠和PU-ATO復合懸浮液的制備
PU–ATO復合纖維的IR和熱輻射屏蔽特性
如圖2所示，當在可見光下及使用紅外攝像機觀察人時，用常用的聚酯或聚氨酯織物遮蓋時，人體發(fā)出的紅外線和熱輻射也會通過織物而變得可見。相反，當用PU-ATO復合纖維服裝遮蓋人體的一部分時，人體發(fā)出的紅外和熱輻射被屏蔽，無法識別人的IR輪廓。
圖2 可見光和IR攝像機下發(fā)出IR和熱輻射的人的概念示意圖
圖3中衰減全反射傅里葉變換紅外光譜（ATR-FTIR）顯示，聚酯、PU和PU-ATO（3）織物的紅外透過率分別為~40%、25%和2%。請注意，ATR-FTIR光譜是在7–14μm的波長范圍內進行的，其中包括熱紅外攝像機檢測到的7.5–13μm的整個波長范圍。由于Sb摻雜效應產(chǎn)生的局域表面等離子體共振，ATO具有優(yōu)異的紅外和熱輻射屏蔽效應。PU-ATO（3）紡織品的低紅外透過率是由于ATO溶膠在纖維的PU基體中均勻分散的結果。
圖3 基于聚酯、PU和PU-ATO復合材料的紡織品的紅外透射率
PU-ATO復合纖維的疏水性
由于纖維吸水會導致IR圖像變形，纖維的疏水性對于保持一定水平的紅外和熱輻射屏蔽能力至關重要。使用接觸角分析儀評估該復合纖維的水潤濕性。如圖4所示，不同濃度（0.5、1.5、3.0和4.0 mmol）的PU-ATO（1-4）復合纖維的水接觸角均≥130°，顯示出疏水性，因此，織物表面上的水滴沒有被吸收，而是易于滾落。
圖4 PU–ATO復合纖維的水接觸角示意圖
不同的環(huán)境下的PU-ATO復合纖維的紅外和熱輻射屏蔽性能
為了用作實用的可穿戴紡織品，紡織品必須在不同的環(huán)境中保持其紅外和熱輻射屏蔽性能。
如圖5A所示，經(jīng)過反復暴露在高(+80°C)和低(?20°C)溫度下，PU-ATO(3)復合紡織品的表面溫度保持穩(wěn)定。這些結果證實，即使反復暴露在高溫和低溫條件下，復合紡織品的紅外和熱輻射屏蔽性能仍然可以保持。
圖5B顯示了PU-ATO(3)復合紡織品的連續(xù)紅外和熱輻射屏蔽性能。在40°C溫度下，每天8小時，共30天，對織物表面溫度進行測量。結果發(fā)現(xiàn)即使在很長一段時間內，織物的表面溫度也保持在25°C左右。
圖5 根據(jù)溫度和時間的變化，反復評估PU–ATO（3）復合紡織品的紅外和熱輻射屏蔽性能。A, 經(jīng)過反復加熱（+80°C）和冷卻（?20°C）循環(huán) PU–ATO（3）復合紡織品的表面溫度。B, 每天施加40°C的溫度8小時（共30天）后，PU–ATO（3）復合紡織品的表面溫度
結論
本篇文章中，研究人員制造了PU-ATO復合纖維，并用其編織了具有IR和熱輻射屏蔽性能的耐磨紡織品。同時該纖維具有優(yōu)異的疏水性，可有效避免纖維吸水導致的IR圖像變形。通過反復暴露（十次）于80°C和?20°C的極端溫度及在40°C下長期暴露30天證實了PU-ATO復合纖維的可靠性。隨著用于隱藏來自物體的紅外信號的隱形技術的不斷發(fā)展，PU-ATO復合纖維有望帶動可穿戴式紅外隱形產(chǎn)品的新市場。
