基于灰度評價的織物熱紅外輻射性能調控研究

壽霜霜　田偉　祝成炎

摘 要：為了調控織物熱紅外輻射性能，采用普通滌綸為經紗，鍍銀長絲和熔融紡絲制成的ZnO滌綸長絲為緯紗，通過交織的方法，改變織物組織、緊度和投緯比，制備了20塊織物。采用灰度評價方法來量化評價織物的熱紅外輻射性能，探究3種參數對織物熱紅外輻射性能的影響。根據背景灰度范圍，通過改變織物組織、緊度和投緯比來調控織物的熱紅外輻射性能。結果表明：改變織物組織可作為織物熱紅外性能的微調方式;改變織物緊度可作為對織物熱紅外性能的局部調控方式;改變織物投緯比可作為織物熱紅外性能的主要調控方式。

關鍵詞：背景灰度;熱紅外輻射性能;紅外成像;灰度調控

中圖分類號：TS156

文獻標志碼：A

文章編號：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

紅外輻射又稱紅外線，是指波長為0.78～1 000 μm的電磁波，它的物理本質是熱輻射。紅外熱成像技術正是利用紅外線的特性，根據目標本身和背景之間紅外線輻射的差異從而得到紅外熱圖像，使人眼能直接看到目標表面紅外輻射的分布情況[1]。隨著紅外熱成像技術被廣泛應用到軍事偵查中，使得各種軍事目標受到全方位、全天候、多頻譜和高精度地偵察，因此紅外隱身技術在現代戰爭中顯得尤為重要[2]。要實現在紅外波段改變目標外形，使目標融于軍事背景，就必須要使目標熱像圖的平均灰度和背景熱像圖的平均灰度相接近，否則整個目標灰度明顯高于或低于背景灰度，易暴露目標。在現代軍事戰場中，軍事背景往往是復雜多變，如灌木，草地，巖石，水面等。對于不同類型的軍事背景，其紅外特性不一樣，這要求在不同軍事背景下熱紅外隱身織物的熱紅外性能不同。目前對于熱紅外隱身織物基本都通過涂覆不同的低紅外發射率涂料來實現不同軍事背景的熱紅外隱身[3-6]。這種方法雖然能達到較好的熱紅外隱身效果且操作簡單方便，但在實際應用中涂料涂覆大都應用于武器裝備的紅外隱身，很少應用于士兵的服裝上，一方面是因為采用涂料涂層會造成涂層厚、密度大，使材料增重，影響織物的服用性能;另一方面熱紅外隱身服裝的使用環境普遍較惡劣，涂料難免會脫落，因此熱紅外隱身涂料涂層的織物實用性較差、壽命短[7]。

為了實現不同軍事目標的熱紅外隱身，同時改善熱紅外隱身織物的服用性能，本文采用普通滌綸為經紗，緯紗為鍍銀紗線和ZnO滌綸紗線的組合，通過交織的方法制備紅外隱身織物，利用紅外成像儀獲取織物的紅外熱像圖，由于缺少通過紅外熱像圖量化評價織物的熱紅外輻射性能的方法，本文提出了灰度評價的方法來量化評價織物的熱紅外性能，并根據該方法探究了織物組織、織物緊度、原料投緯比對織物熱紅外性能的影響，根據不同背景的灰度確定了灰度調控范圍，通過改變原料投緯、織物緊度、織物組織來調控織物的熱紅外輻射性能，并建立樣卡，為制備不同背景的熱紅外隱身織物提供多種方案。

1 織物結構調控熱紅外輻射原理

目前運用最多的是成像探測方法，其中紅外熱像儀被廣泛應用于目標的探測，紅外熱像儀是根據目標與背景的紅外輻射強度的差異來偵視目標。根據斯蒂芬-玻爾茲曼定律可知，物體在全波長范圍內的紅外輻射出射強度E為[8-9]：

E=εσT4（1）

式中：ε為物體的紅外發射率;σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數;T為物體的絕對溫度。

可見，物體的紅外輻射出射度除很大程度上取決于物體的絕對溫度，還取決于物體表面的紅外比輻射率。紅外熱圖像中的目標與背景紅外輻射對比度C由二者紅外輻射強度的差別決定[10]：

C=E0-EBEB（2）

式中：C為目標和背景的紅外圖像對比度;E0和EB分別為目標和背景的紅外輻射出射度。

由此可知，特定背景條件下實現熱紅外隱身有效途徑：調節目標表面的紅外比輻射率，力求目標與背景之間的紅外輻射強度相接近。同時根據不透明材料紅外比輻射率與材料反射率滿足以下關系：

ε=1-R（3）

式中：ε為紅外比輻射率，R為反射率。

從式（3）可知對于不透明材料而言，材料表面反射率越高，紅外比輻射率越低。一般金屬具有較高的反射率，所以本文采用鍍銀纖維，由于其表面鍍了一層金屬銀，可產生鏡面反射，反射率較大，對紅外線有良好的反射性，同時將鍍銀纖維織成的服飾穿在衣服里層能將人體向外發射的紅外輻射反射回人體，減少紅外輻射的傳導。

紅外線照射到織物上除了發生吸收、反射、透射還將發生散射，根據瑞利散射原理：當入射電磁波的波長遠遠大于物體的尺寸時，將發生瑞利散射，對紅外線具有散射衰減作用。ZnO滌綸長絲是將PET切片與5%納米氧化鋅母粒混合后通過熔融紡絲的方法紡制而成。紅外線波長為5～25 μm，纖維中納米ZnO粒子的尺寸為納米數量級，入射的紅外線波長遠遠大于納米ZnO粒子的尺寸，因此當紅外線入射到ZnO滌綸長絲上時將發生瑞利散射，大量分布廣泛、各向同性的散射波有利于紅外線的衰減，降低紅外輻射量[11]。

2 實 驗

2.1 實驗原料

經紗原料采用普通滌綸，緯紗原料采用錦綸鍍銀長絲、ZnO滌綸長絲。ZnO滌綸長絲是將聚酯切片與氧化鋅母粒按一定比例混合通過熔融紡絲的方法制備而成。經緯紗線原料的基本參數如表1所示。

2.2 試樣制備

采用不同的緯紗組合比例、織物緊度和組織，設計并試制了3大系列，共20塊織物，分別為A、B、C組，其中A組為不同組織結構的試樣，B組為不同經緯密的試樣，C組為不同投緯比的試樣，D為經緯紗都是普通滌綸的織物，作為比較組試樣。織物的基本參數見表2。

2.3 灰度量化評價織物熱紅外性方法

實驗儀器采用美國福祿克公司生產的Ti400型手持式紅外成像儀。該紅外成像儀能夠輸出紅藍模式和灰度模式的紅外熱像圖。紅藍模式的紅外熱像圖以不同顏色表示物體表面的熱輻射量即物體表面的紅外輻射量，人眼可以通過這種彩色的紅外熱像圖直觀觀察物體表面的紅外輻射分布情況，適合定性分析物體的熱紅外性能，但難以進行定量分析。灰度模式的紅外熱像圖，通過不同的圖像灰度表示物體表面的紅外輻射量，可以通過圖像的灰度來比較物體表面的紅外輻射量。灰度是指黑白圖像中點的顏色深度，其范圍為0～255，白色為255，黑色為0[12]。當2塊相鄰區域灰度相差小于10～25個灰度級則人眼難以準確辨別圖像的灰度級[13]。因此本文先計算出灰度模式的紅外熱像圖的平均灰度值，再通過比較平均灰度值的大小，來量化評價織物的熱紅外輻射性能。平均灰度值小表示圖像顏色深，物體表面的紅外輻射量的少，物體的熱紅外輻射性能好;反之圖像的平均灰度值大，表示圖像顏色淺，物體表面的紅外輻射量多，物體的熱紅外輻射性能差。

實驗具體操作：實驗在同一環境中進行，將試樣置于手心中，人體的體溫視為恒定。利用Ti400型熱紅外成像儀，將輸出圖片的模式設置為灰度模式，獲得試樣灰度模式的紅外熱像圖。將紅外熱像灰度圖導入Digieye軟件，用選框工具選中樣品區域，得出平均灰度值。通過比較平均灰度值來量化評價試樣紅外輻射強度大小。

3 結果與討論

3.1 灰度值有效調控范圍的確定

已有學者對灌木叢、湖面、草地等不同類型背景的紅外熱圖像進行灰度直方圖統計，結果表明灌木叢、湖面、草地等不同類型背景的紅外熱圖像灰度值主要分布于20～100之間[14]。所以本文主要對平均灰度為20～100的織物進行研究。同時獲取了普通滌綸織物試樣和兩種功能紗線交織織物的紅外熱像圖，對比了兩者的熱紅外輻射性能，如圖1所示。

對比圖1（a）與圖1（b）可知，普通滌綸織物顏色與手掌灰度的顏色較為接近，兩種功能紗線交織織物顏色明顯加深。圖1（b）的顏色明顯比圖1（a）的顏色深，表明圖1（b）織物表面的紅外輻射量比圖1（a） 織物少，圖1（b）織物的紅外輻射性能較好。因此，采用ZnO滌綸長絲和鍍銀長絲組合使用為緯紗制備的試樣能夠降低織物的紅外輻射強度，織物熱紅外輻射性能顯著提高。將熱像圖導入Digieye軟件，得到試樣D的平均灰度值為184，已超過了背景的灰度范圍，試樣A6的平均灰度為69，介于背景灰度范圍內。結合不同類型背景紅外熱像圖的灰度分布，對于灰度值超過100的織物不進行研究，所以本文對普通滌綸織物不再進行討論，主要針對經紗為普通滌綸，緯紗為鍍銀長絲和ZnO滌綸長絲的交織織物進行討論。

3.2 織物組織對熱紅外輻射性能的調控能力

織物組織不僅能改變織物表面的紋路效果，同時能影響織物表面的光滑程度，進而影響紅外光在織物表面的反射量，對織物的熱紅外輻射性能產生影響。本實驗測試了8塊不同組織織物的熱紅外輻射性能，其中C1-C2為平紋及平紋的變化組織;C3-C5為斜紋及斜紋的變化組織;C6-C8為緞紋及緞紋的變化組織。8塊織物的紅外熱像圖，如圖2所示。

從圖2可以看出，雖然試樣C1-C8的組織各不相同，但其紅外熱像圖的顏色深淺比較接近。不同織物的紅外熱像圖的平均灰度值，如圖3所示。

由圖3可以看出，8個試樣的紅外熱像圖的平均灰度值范圍為64～69，相差不大，說明試樣的紅外輻射量差異較小。但緞紋織物熱像圖的平均灰度值總體上要稍小于斜紋織物和平紋織物熱像圖的平均灰度值，表明緞紋織物的熱紅外輻射性能稍微強于斜紋和平紋織物。這可能是由于緯面緞紋能使更多的緯紗浮于織物表面，更多的錦綸鍍銀長絲和ZnO滌綸長絲浮于織物表面，使織物的熱紅外輻射性能提高。

緞紋的浮長較平紋和斜紋長，緞紋織物表面較光滑，斜紋次之，平紋表面較為粗糙，織物表面越光滑其反射越強，輻射的紅外線相對少。綜上所述，改變織物組織時，能實現的灰度調控范圍為64～69，調控幅度小，所以通過改變織物組織，可作為織物熱紅外性能的微調方式。

3.3 織物緊度對熱紅外輻射性能的調控能力

織物的緊度影響紅外光的透過率，紅外光的透過率是織物熱紅外性能的重要影響因素。所以本文探討了緊度對織物熱紅外輻射性能的影響。試樣B1-B5的組織都為平紋組織，緯紗原料為ZnO滌綸長絲和錦綸鍍銀長絲，且投緯比都為4∶1，改變織物的經緯密，則織物的緊度也改變，B1-B5的緊度依次為50.60%、62.71%、71.65%、87.68%、90.75%。試樣的紅外熱像圖如圖4所示。

觀察圖4中5個試樣的紅外熱像圖可以看出，紅外熱像圖的顏色深淺從B1到B5顏色逐漸加深。繪制緊度與織物紅外熱圖灰度值之間的關系圖并對其進行擬合，擬合方程為：Y=171.995 07-1.743 59X+0.006 27X2，R2=0.987 96，如圖5所示。

從圖5的擬合曲線可以看出，隨著織物的緊度增加，試樣的紅外熱像圖的平均灰度值呈減小趨勢，且曲線呈逐漸平緩的趨勢。隨著織物緊度增大，織物的紅外輻射量減小，熱紅外輻射性能增強。這是由于當織物的緊度增加時，織物的覆蓋率也增加。對于緊度越大的織物，織物的紅外線透過率減少。當織物的緯向覆蓋率增大時，單位面積中錦綸鍍銀紗線和ZnO滌綸長絲的數量增加，有利于對紅外線的反射。織物的緊度越大，織物的熱紅外輻射性能越好，但在實際生產中，緊度太大時打緯較困難，易造成織造困難和布面不清。因此織物緊度對提高織物熱紅外輻射性能有一定的限度。因此，改變織物緊度，能實現的灰度調控范圍是64～100，其灰度調控范圍與改變織物組織時相比較，范圍明顯增大，所以改變織物緊度可作為對織物熱紅外輻射性能的局部調控的方式。

3.4 紗線組合比例對織物熱紅外輻射性能的調控能力

為探究ZnO滌綸長絲和錦綸鍍銀長絲的不同比例對織物熱紅外輻射性能的影響，設計了不同的投緯比，依次為1∶1、1∶2、1∶3、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1，試樣編號為A1-A7。其中試樣組織都為平紋，緯密都為500根/10 cm。圖6為試樣A1-A7的紅外熱像圖。

從圖6可以看出：紅外熱像圖的顏色從深到淺上依次為：A3、A2、A1、A4、A5、A6、A7。為具體研究ZnO滌綸長絲與錦綸鍍銀長絲的不同組合比例，對織物熱紅外輻射性能的影響。對ZnO滌綸長絲與錦綸鍍銀長絲組合比例變化時，可實現的紅外調控范圍，如圖7所示。

隨著試樣的投緯比不同，織物的緯向原料中ZnO滌綸長絲和錦綸鍍銀長絲的含量發生改變。織物投緯比從5∶1變到1∶3，織物中ZnO滌綸長絲與錦綸鍍銀長絲的組合含量依次分別為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%。從圖7可以得出，改變錦綸鍍銀長絲和ZnO

滌綸長絲的含量，織物的熱像圖灰度值的變化范圍為26～80。隨著緯紗組合中錦綸鍍銀長絲含量的增加，紅外熱像圖的平均灰度值呈下降趨勢，表明隨著緯紗組合中錦綸鍍銀長絲含量的增加，織物表面紅外輻射量少，織物的熱紅外輻射性能最好。這是由于錦綸鍍銀長絲本身的反射率高，對紅外線具有較強反射作用，能降低物體紅外輻射量。同時ZnO滌綸長絲是在紡絲時加入少量的納米ZnO粉體后得到的，根據瑞利散射原理，當入射電磁波的波長遠遠大于物體的尺寸時，將會發生瑞利散射[12]。紅外線波長為5～25 μm，纖維中納米ZnO粒子的尺寸為納米數量級，入射的紅外線波長遠遠大于納米ZnO粒子的尺寸，因此當紅外線入射到ZnO滌綸長絲上時將發生瑞利散射。此時大量分布廣泛、各向同性的散射波將入射到鍍銀長絲上，這些紅外線又會被反射，有利于紅外線的衰減和反射，降低紅外輻射量。但如果ZnO滌綸長絲含量過多，將產生過量的散射，導致紅外輻射量增多，所以錦綸鍍銀長絲和ZnO滌綸長絲這兩種紗線相互配合能產生更好的效果，在錦綸鍍銀長絲和ZnO滌綸長絲的比例為3∶1時，織物的熱紅外輻射性能較好。所以通過改變織物投緯比，改變織物中錦綸鍍銀紗線和ZnO滌綸長絲的的含量，能實現紅外調控范圍26～80，范圍最大，所以通過改變投緯比可作為調控織物熱紅外性能的主要方式。

3.5 灰度調控方案的樣卡建立

由于自然界中各種地物種類多且復雜，即使是同一類景物也隨地區、季節和土壤干、濕程度的變化而改變，導致影響背景灰度的因素較多，建立灰度調控模型的意義不大，所以本文通過設計7種不同織物投緯比、同時在一種緯紗投緯比下有設計5種不同織物緊度，測試12種織物紅外熱像圖的平均灰度值并作為樣卡，建立樣卡。通過樣卡，可以對應找到針對不同背景灰度，通過改變織物投緯比或織物緊度中的1個或者兩個參數設計1種到多種灰度調控方案，如圖8所示。

通過圖8可知，通過改變織物中錦綸鍍銀長絲與ZnO滌綸長絲的投緯比，調控范圍可實現26～80，在每一種投緯比下可以變換不同織物緊度，織物的緊度不同其調控能力也不同，進一步擴大了灰度調控范圍。先通過調節織物投緯比進行主要調控，然后在此基礎上改變織物緊度，局部調控灰度范圍。本文以織物投緯比1∶4為例，設計5種不同的織物緊度，當織物投緯比為4∶1時平均灰度為69，通過改變織物緊度，灰度調控范圍可進一步實現64～100之間的變動，這樣通過組合織物的投緯比和織物緊度這兩個參數，灰度調控范圍可實現64～100之間。

通過灰度調控的樣卡，當灰度調控值確定時，可以通過圖8的樣卡，并根據服用性能、外觀要求等實際生產需要選擇合適的方案設計織物織造參數，制備紅外隱身織物。比如當背景的灰度值為80時，為了達到紅外隱身效果，設計的織物要與背景的灰度值相近，在80左右，可以在圖8的樣本庫中找到，方案1為當投緯比為5∶1時，織物的灰度值為80;方案2為選擇織物投緯比為1∶4，改變織物緊度為60%左右，再通過變換織物組織進行灰度微調，也可實現灰度值在80左右。

4 結 論

a）保持織物緊度、織物投緯比相同，僅改變織物的組織，平均灰度值變化較小，灰度調控范圍為64～69，調控幅度小，所以通過改變織物組織，可作為織物熱紅外輻射性能的微調方式。

b）保持織物組織、緯紗投緯比相同，僅改變織物的緊度時，隨著織物緊度的增大，熱紅外輻射性能有所提高，可實現的灰度調控范圍是64～100，調控范圍較大，所以改變織物緊度可作為對織物熱紅外輻射性能的局部調控的方式。

c）保持織物組織、織物緊度相同，僅改變織物投緯比時，織物中ZnO滌綸長絲與錦綸鍍銀長絲的含量發生變化。隨著緯紗組合中錦綸鍍銀長絲含量的增加，紅外熱像圖的平均灰度值下降，能實現灰度調控范圍為26～80，范圍最大，所以通過改變投緯比，可作為調控織物熱紅外輻射性能的主要方式。

d）通過設計7種不同織物投緯比、同時在一種緯紗投緯比下設計5種不同織物緊度，將這12種織物作為樣卡，建立樣卡庫。在明確灰度調控范圍的情況下，通過樣卡庫，可以對應找到針對不同背景灰度，通過改變織物投緯比或織物緊度中的1個或者兩個參數設計1種到多種灰度調控方案。

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