仿植被可见光-近红外反射光谱特征的分散染料印花织物制备及其性能

张典典，李 敏，关 玉，王思翔，胡桓川，付少海

(1.江苏省纺织品数字喷墨印花工程技术研究中心，江苏 无锡 214122；
2.生态纺织教育部重点实验室(江南大学)，江苏 无锡 214122；
3.国家先进印染技术创新中心，山东 泰安 271000)

伪装技术是一种通过将涂料、颜料或其它材料直接涂覆或粘贴在目标表面，以减小目标与背景之间波谱反射、辐射的特性差异，达到降低目标显著性和改变目标外形的技术[1]，是对抗侦察和武器攻击的有效手段和重要的作战保障。合适的伪装可以直接干扰信息的准确性和及时性，提高武器装备和士兵的生存概率，增强整体的战斗力。随着科技的发展，高光谱探测技术能够同时获取地物的几何、辐射和光谱信息，已成为战场侦察的一种重要手段[2-3]。传统的仿植被伪装在380～780 nm波段的可见光区域具有良好的伪装能力，但在780～2 500 nm波段的近红外区无法与植被背景光谱相匹配，出现“同色异谱”现象。通过对比和分析多个波段的光谱信息，高光谱探测技术能够准确识别背景中的伪装目标，对目标的生存十分不利[4]，因此，提高目标在多波段的伪装性能是伪装领域亟需解决的问题。

仿植被可见光-近红外(Vis-NIR)伪装通过减小目标与植被背景在400～2 500 nm波段的反射光谱差异，从而降低目标被识别的可能性。伪装涂料[5]、伪装染料[6-7]、仿生复合材料[8-10]、智能材料[4,11]是赋予目标仿植被Vis-NIR伪装性能的主要途径。目前对于纺织品来说，多利用叶绿素提取物、叶绿素铜钠盐、氧化铬绿[12]、染料对其进行印花或染色处理。其中，伪装染料具有稳定性高、对人体无刺激、服用性能好的优势。常用的伪装染料包括还原染料[13]、活性染料、分散染料[14]，其中分散染料适用于涤纶织物的染色及印花。涤纶织物具有良好的断裂和撕破强力，能够满足军用纺织品的基本需求，但利用分散染料对其染色的过程中耗材种类多、工序复杂、效率低。可利用分散染料直接印花，工序简单、固色快、生产效率高，适用于连续化、大批量生产；
同时废液废料较少，相对环保。

基于此，本文通过分散染料直接印花的方式制备仿植被Vis-NIR反射光谱特征织物。首先，分析得到植被Vis-NIR反射光谱通道及8个特征要求。然后，研究分散染料种类及含量、染料复配种类及比例、织物规格及含水量对印花织物Vis-NIR反射光谱特征的影响。最后，通过对比印花织物与植被Vis-NIR反射光谱通道的关系，以及计算织物与叶片二者光谱曲线间的欧氏距离、光谱角、光谱相关系数分析印花织物的Vis-NIR伪装性能。

1.1 试验材料与仪器

材料：山茶、桂花、鹅掌柴、玉兰、金丝桃、樱花、榉树、银杏、枫杨、桃、竹、香樟、构树、万年青叶片，均于2021年4月在江苏省无锡市采集；
机织青岩白织物(120 g/m2)、机织增白平桃织物(115 g/m2)、机织增白双面印花磨毛织物(95 g/m2)、针织TM1820SLE织物(230 g/m2)、机织本白织物(240 g/m2)，均为市售纯涤纶织物；
分散蓝NP-SBG、分散蓝S-GL、分散蓝RD-GL、分散深蓝HGL、分散藏青S-2G、分散深蓝S-3BG、分散艳蓝2BLN、分散蓝LF-B、分散蓝ACE、分散黄E-GL，均为市售产品，浙江龙盛集团股份有限公司；
分散橙30，实验室自制；
氢氧化钠、无水碳酸钠，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；
保险粉(85%)，北京伊诺凯科技有限公司；
增稠剂DM-5221G，无锡惠山德美化工有限公司；
皂片，上海制皂厂。

仪器：Lambda 950型紫外-可见光-近红外分光光度计(美国Perkin Elmer公司)；
SW-12AII型耐洗色牢度试验机、Y571B型耐摩擦色牢度试验机(温州大荣纺机标准仪器厂)；
PM-500型磁棒印花机(厦门瑞比精密机械有限公司)。

1.2 印花织物的制备

分散体的制备：将分散染料均匀分散于去离子水中配制质量分数为5%的分散体母液。在后续印花配方中，分散染料的含量均为分散体母液占印花浆的质量分数。

印花浆的制备：按照总质量为50 g配制印花浆，其中分散染料质量分数为x%，增稠剂质量分数为6%，去离子水质量分数为(94-x)%，将其搅拌均匀成浆状。

印花工艺：配制印花浆→印花(4 m/min)→预烘(80 ℃，10 min)→焙烘(180 ℃，2 min)→还原清洗(2 g/L氢氧化钠，2 g/L保险粉，浴比1:50，70 ℃，10 min)→水洗→烘干。

1.3 测试与表征

1.3.1 Vis-NIR反射光谱曲线测试

采用紫外-可见光-近红外分光光度计在固体反射率测试仓测试样品的Vis-NIR反射光谱曲线。测试波长范围分别为300～780 nm、400～780 nm、400～2 500 nm，波长间隔为10 nm。

1.3.2 “红边”斜率K720计算

采用印花织物反射光谱中720 nm处的光谱反射率斜率K720表征其“红边”斜率，其计算公式为

K720=(R730-R710)/2

式中，R730、R710分别为印花织物在730、710 nm波长处的光谱反射率，%。

1.3.3 含水量计算

织物含水量W的计算公式为

式中：Ww为含水的湿态印花织物的质量g；
Wd为不含水的干态印花织物的质量g。

1.3.4 伪装性能评价

采用印花织物与植被Vis-NIR反射光谱曲线的欧氏距离、光谱角、光谱相关系数评价其Vis-NIR伪装性能[15]。

欧氏距离(d)主要描述光谱向量间的亮度差异，以2个光谱对应的2点之间的距离为相似度度量依据，计算公式为

式中：pi(i=1～n)为试样光谱向量；
qi(i=1～n)为参考标准光谱向量。

光谱角(θ)主要描述光谱向量间的矢量夹角，夹角越小，相似度越高，侧重反映光谱曲线的几何相似度，计算公式为

式中：p为试样光谱向量；
q为参考标准光谱向量。

光谱相关系数(r)主要描述点光谱值与光谱均值的关系，侧重反映光谱曲线在测量波段内的整体相似度，计算公式为

1.3.5 色牢度测试

耐皂洗色牢度：根据GB/T 3921—2008《纺织品 色牢度试验 耐皂洗色牢度》，采用耐洗色牢度试验机测定印花织物的耐皂洗色牢度。参照GB/T 250—2008《评定变色用灰色样卡》、GB/T 251—2008《评定沾色用灰色样卡》分别评定织物的变色、沾色牢度。

根据GB/T 3920—2008《纺织品 色牢度试验 耐摩擦色牢度》，采用耐摩擦色牢度试验机测定印花织物的耐摩擦色牢度。参照GB/T 251—2008评定织物的沾色牢度。

2.1 植被的Vis-NIR反射光谱特征

将采集的多种新鲜叶片清洗干净，分别测试其Vis-NIR反射光谱，并根据测试结果绘制植被Vis-NIR反射光谱通道，如图1所示。以此光谱通道为参照标准，制备仿植被Vis-NIR反射光谱特征分散染料印花织物。由图1分析得到植被Vis-NIR反射光谱通道8个特征要求，如表1所示。根据表内要求评价分散染料印花织物的伪装性能。

图1 不同树叶的Vis-NIR反射光谱曲线

表1 植被Vis-NIR反射光谱通道8个特征要求

2.2 蓝色染料种类及含量与“红边”的关系

图2示出质量分数均为5%的不同分散染料印花织物在400～2 500 nm波段的反射光谱曲线。根据图中光谱曲线的形状，可将其分为A、B、C 3类。A类为分散蓝NP-SBG、分散蓝S-GL、分散蓝RD-GL，三者的反射光谱曲线基本重合，反射峰位置在465.9 nm，“红边”起始位置在680.3 nm。B类为分散深蓝HGL、分散藏青S-2G、分散深蓝S-3BG，在400 nm出现最大值，未出现反射峰，“红边”起始位置在620.9 nm。C类为分散艳蓝2BLN、分散蓝LF-B、分散蓝ACE，反射峰位置在428.7 nm，“红边”起始位置在635.1 nm。同一类型分散染料的光谱曲线基本相似，因此分别以分散蓝NP-SBG、分散深蓝HGL、分散艳蓝2BLN为代表进行研究。

图2 不同蓝色染料的反射光谱曲线

改变分散蓝NP-SBG、分散深蓝HGL、分散艳蓝2BLN的质量分数，测定其在300～780 nm波段的反射峰位置及反射率、“红边”起始位置，并计算“红边”斜率，结果如表2所示。可以看出：改变染料质量分数对印花织物反射峰位置无明显影响，反射峰反射率随染料质量分数的增大而降低；
同时，随染料质量分数的增大，分散蓝NP-SBG印花织物的“红边”起始位置不变但斜率减小，分散深蓝HGL和分散艳蓝2BLN印花织物的“红边”起始位置发生红移且斜率增大。

表2 300～780 nm波段的染料含量对印花织物反射光谱曲线的影响

“红边”波段要求为670.0～788.3 nm，如表1所示，1.0%分散蓝NP-SBG就能够达到此要求，并且“红边”位置不随染料质量分数的改变而发生变化，有利于复配后保持“红边”位置。此外，图2显示分散蓝NP-SBG的反射峰值最大，与其它染料复配后仍然能够达到仿植被所需反射率值。

2.3 染料复配种类及比例与“绿峰”的关系

根据减法混色原理，选择合适的黄色染料与分散蓝NP-SBG复配模拟“绿峰”波段。图3(a)示出分散蓝NP-SBG分别与分散黄E-GL、分散橙30按不同比例复配后印花织物在400～780 nm波段的反射光谱曲线。可以看出，当分散蓝NP-SBG与分散黄E-GL复配时，增加黄色染料比例，反射峰位置向长波方向移动，峰值反射率降低。印花织物与叶片相比其缺少红光，在不增加染料种类的基础上，选用分散橙30代替分散黄E-GL进行复配。当分散蓝NP-SBG与分散橙30复配质量比为3.0:0.6时，印花织物的反射峰位置在550 nm处，符合植被“绿峰”位置要求，但其“绿峰”反射率较高，因此需加入其它染料调节反射率。另外，相较于分散黄E-GL，分散橙30染料用量少，可节约成本。

根据表2可知，分散深蓝HGL在可见光区反射率较低。图3(b)为在“绿峰”位置不变的前提下，调整分散深蓝HGL与分散蓝NP-SBG、分散橙30复配比例后印花织物在400～780 nm波段的反射光谱图。可以看出，加入分散深蓝HGL后，印花织物在400～680 nm波段的反射率大幅降低；
但“红边”斜率轻微减小，因此，需在保证织物同时满足“绿峰”与“红边”的要求下，适量调整蓝色染料的含量。当分散蓝NP-SBG、分散橙30、分散深蓝HGL复配质量比为2.5:2.0:1.1时，“绿峰”(550.3 nm，19.4%)、“红边”(687.7～780.0 nm，K720=7.7)满足表1所示植被Vis-NIR光谱通道特征要求1～4。

图3 不同印花织物在400～780 nm波段的反射光谱曲线

2.4 织物规格与“近红外高原”的关系

图4示出不同规格涤纶织物及含水前后印花织物(分散蓝NP-SBG、分散橙30、分散深蓝HGL的复配质量比为2.5:2.0:1.1)的Vis-NIR反射光谱曲线。对比5种不同规格涤纶织物的光谱图可知，本白涤纶织物在400～500 nm波段反射率呈上升趋势，有利于“绿峰”的形成，但反射率最高。根据所用分光光度计的测试原理可知，照射在织物表面的光会发生反射、吸收和透射，其关系为：反射率(R)+吸收率(A)+透射率(T)=1。织物越厚、组织结构越紧密，光的透射率越低，反射率越高。本白涤纶织物面密度为240 g/m2，织物最厚，反射率最高，因此最终选择机织本白涤纶织物为实验基布。对比含水前后印花织物的反射光谱可知，含水织物的“近红外高原”反射率显著降低，这是由于织物含水后对光的吸收、透射增强所致。

图4 不同规格织物及印花织物的Vis-NIR反射光谱曲线

2.5 织物含水量与“水分吸收谷”的关系

图5示出不同含水量下印花织物(分散蓝NP-SBG、分散橙30、分散深蓝HGL的复配质量比为2.5:2.0:1.1)的Vis-NIR反射光谱曲线。可以看出，与不含水织物相比，含水织物在1 448.6、1 929.8 nm处出现2个吸收谷。随含水量的增加，2个吸收谷位置不变、反射率值相应降低，这表明织物含水是其光谱曲线中“水分吸收谷”形成的根本原因。当含水量为120.9%时，该织物Vis-NIR反射光谱曲线“绿峰”(550.3 nm，11.4%)，“红边”(681.5～779.2 nm，K720=6.9)、“近红外高原”(779.2～1 300.6 nm，52.5%～60.1%)、“水分吸收谷”(1 448.6 nm，15.9%；
1 929.8 nm，6.4%)均满足植被Vis-NIR反射光谱通道8个特征要求，可认为该印花织物具有一定的Vis-NIR伪装性能。

图5 含水量对印花织物Vis-NIR反射光谱曲线的影响

2.6 印花织物的Vis-NIR伪装性能

图6(a)示出印花织物(分散蓝NP-SBG、分散橙30、分散深蓝HGL的复配质量比为2.5:2.0:1.1，含水量为120.9%)的野外可见光伪装性能，图6(b)对比了该印花织物反射光谱与植被Vis-NIR反射光谱通道的关系。可知，将该印花织物放于绿植中不易被发现，具有良好的可见光伪装性能。经计算发现，其光谱曲线99.1%包含于植被Vis-NIR反射光谱通道内。

图6 印花织物的伪装性能

通过公式计算印花织物与万年青叶片二者光谱曲线的欧氏距离、光谱角及光谱相关系数，结果如表3所示。可以看出，二者的欧氏距离为0.346，光谱角在400～780 nm波段为0.169°、在780～1 350 nm为0.009°、在1 450～1 780 nm波段为0.094°、在2 000～2 350 nm波段为0.107°，光谱相关系数为0.997，均高于GJB 1411A—2015《地地导弹武器装备系统伪装要求》中一级高光谱伪装指标要求，具有良好的全光谱仿植被伪装性能。

表3 印花织物与万年青叶片光谱曲线的欧氏距离、光谱角及光谱相关系数

2.7 印花织物的色牢度

仿植被Vis-NIR反射光谱特征的分散染料印花织物耐洗色牢度和耐摩擦色牢度测试结果表明，该织物的褪色、沾色牢度，耐干摩擦、湿摩擦色牢度均为5级，整体色牢度性能优异。

1)不同种类植被的绿叶具有相似的可见光-近红外(Vis-NIR)反射光谱特征。选用合适的分散染料对涤纶织物直接印花可使其具备良好的仿植被Vis-NIR伪装性能。

2)蓝色分散染料的种类及含量是影响“红边”起始位置及斜率的关键，对于分散蓝NP-SBG、分散蓝S-GL、分散蓝RD-GL染料，“红边”起始位置不随染料质量分数的变化而改变，但染料质量分数增大，“红边”斜率减小；
对于分散深蓝HGL、分散藏青S-2G、分散深蓝S-3BG、分散艳蓝2BLN、分散蓝LF-B、分散蓝ACE染料，随染料质量分数增大，“红边”起始位置红移且斜率增大。织物厚度减小及含水量增大均能降低织物“近红外高原”反射率。织物含水是其光谱曲线中“水分吸收谷”形成的根本原因，随含水量增加，吸收谷位置不变，反射率降低。

3)仿植被Vis-NIR反射光谱特征的分散染料印花织物具有良好的伪装性能和优异的色牢度性能。当分散蓝NP-SBG、分散橙30、分散深蓝HGL的复配质量比为2.5:2.0:1.1，含水量为120.9%时，该印花织物的光谱曲线满足植被Vis-NIR光谱通道8个特征要求；
其与万年青叶片光谱曲线的欧氏距离为0.346，光谱角在400～780 nm波段为0.169°、在780～1 350 nm波段为0.009°、在1 450～1 780 nm波段为0.094°、在2 000～2 350 nm波段为0.107°，光谱相关系数为0.997，满足GJB 1411A—2015中一级高光谱伪装指标要求。同时其褪色、沾色牢度，耐干摩擦、湿摩擦色牢度均为5级，整体色牢度性能优异。