一种基于聚酰胺纳米纤维膜的个人热伪装材料

高分子科学前沿发布时间: 2024-03-19

红外传感、探测技术飞速发展，针对人体的柔性热伪装服用材料的相关研究愈发重要。通常，人体皮肤温度介于32～35 ℃，热辐射特征明显，根据维恩位移定律，人体所辐射电磁波主要分布在7~14μm 波段；人体皮肤发射率接近黑体，峰值红外辐射位于9.5µm附近。鉴于大气中H2O、CO2以及悬浮颗粒带来的吸收和散射效应，短波3~5 μm和长波8~14 μm是常用的红外探测波段，而5~8 μm为非探测窗口波段。如上所述，人体热辐射分布与长波红外探测窗口存在重合。另一方面，参考AM 1.5G太阳辐射光谱分布特征，太阳光谱覆盖紫外–可见–近红外（UV−VIS−NIR）波段，能量密度高（1000W/m2），而人体皮肤在太阳波段平均反射率通常小于60%，即太阳照射下会吸收入射太阳能量并升温。综上，人体红外辐射特征面临暴露风险。

根据斯蒂芬·玻尔兹曼定律，降低表面温度或改变发射率是实现个人热伪装的两种主要途径。目前虽已有诸多围绕柔性伪装器件的研究工作，但针对个人热伪装服用材料的相关研究几乎很少。

国防科技大学刘东青、程海峰团队针对该问题发表了题目为“A personal thermal camouflage material based on nanofibrous polyamide membrane”的文章，研究基于PA66的本征红外吸收特性和金属Al的高反射特征，采用磁控溅射和静电纺丝两步法制备了一种金属–聚合物复合多层膜PA66/Al/nanoPE。在静电纺丝制备外层PA66纳米纤维膜的过程中，纤维随机堆叠形成多种纳米、微米级无规则孔状结构，当散射体（纤维和孔）的尺寸接近或远小于入射电磁波长时，会发生米氏和瑞利共振散射，从而反射太阳光并呈现白色外观。鉴于PA66纤维膜中散射体尺寸多分布在百纳米级别，可对短波太阳光产生强烈的Mie散射，提供了兼容紫外伪装的可能性。另外，交错的孔隙结构可为水蒸汽的通过提供通道，赋予该结构透湿性。金属反射层可弥补PA66纳米纤维膜在近红外波段反射率的不足。结合FDTD仿真，进一步验证了实验结果的合理性。

PA66/Al/nanoPE复合多层膜实现了3~5μm和8 ~14 μm探测波段低发射率，以解决热伪装需求，同时实现了5~8 μm非探测波段高发射率，以实现红外选择性辐射散热降温。相同加热条件下，与无选择性辐射样品对比具有更低的平衡温度。静电纺丝PA66纤维膜的纳米孔、纤维结构带来的米氏散射效应与底部金属反射层协同作用，实现了＞90%平均太阳反射率，在峰值太阳辐射强度下，与太阳反射率欠佳的低发射率伪装薄膜对比，可实现约20 °C的降温效果。此外，该多层膜在300~400 nm的紫外波段具备高反射能力，满足紫外伪装要求，可实现兼容雪地背景的热伪装，透湿防风，可作为冬季雪地背景下的个人热伪装服用材料。