2. Поглощение ик-излучения веществом
В двухатомной молекуле АВ атомы А и В удерживаются в определенном положении весьма прочно, однако не совсем жестко. В молекуле могут происходить следующие типы движений 1) поступательное движение молекулы как целого, которое может рассматриваться как движение центра масс; 2) вращение молекулы вокруг центра масс; 3) колебание отдельных атомов, происходящие таким образом, что положение центра масс не изменяется и молекула не вращается; 4) движение электронов в молекуле; 5) вращение электронов и ядер атомов вокруг своих осей (спины электронов и ядер).
Таким образом, полная энергия молекулы является суммой поступательной, вращательной, колебательной и электронной энергий:
Е = Eпост + Еэл + Екол + Евр (3)
Поступательная энергия мало влияет на молекулярные спектры. Относительные энергии трех различных молекулярных состояний для двухатомной молекулы представлены на рис. 2. Разница между вращательными уровнями составляет сотые доли эВ, между колебательными уровнями — десятые доли эВ и между электронными уровнями — единицы эВ.
Молекула, состоящая из n атомов, имеет 3n степеней свободы, три из которых относятся к поступательному, три к вращательному (две – в случае линейных молекул), а остальные 3n – 6 (или 3n – 5 в линейных молекулах) – к колебательному движению.
Колебательные движения в молекуле называются нормальными (собственными или фундаментальными) колебаниями или нормальными
модами. Эти колебания совершаются при отсутствии внешнего воздействия за счёт первоначально накопленной энергии (вследствие наличия начального смещения или начальной скорости). Они представляют собой независимые повторяющиеся смещения атомов, при которых положение центра масс не меняется, причем все атомы колеблются в фазе с одной и той же частотой.
Нормальные колебания совершаются с некоторой частотой , определяемой массами обоих атомов и упругими силами связей:
, (4)
где с– скорость света;— силовая постоянная (сила связи или порядок связи, соответствующая упругой постоянной Гука);mиM– массы атомов.
Амплитуда колебаний увеличивается при поглощении молекулой энергии. ИК–излучение, вследствие малой энергоемкости, не затрагивает электроны в молекуле, поэтому с ИК–спектроскопией напрямую связаны случаи вращательного и колебательного движения. Причем чисто колебательных спектров не существует, так как молекулы в основном и возбужденном колебательном состояниях распределены по ряду вращательных состояний, и при переходе молекулы из одного колебательного состояния в другое одновременно происходит изменение их вращательных состояний. Поэтому при рассмотрении колебательных переходов необходимо учитывать вращательные состояния.
Способность вещества поглощать энергию ИК–излучения зависит от суммарного изменения дипольного момента молекулы при вращении и колебании, т.е. поглощать ИК–излучение может лишь молекула, обладающая электрическим дипольным моментом, величина или направление которого изменяется в процессе колебания и вращения. Дипольный момент означает несовпадение центров тяжести положительных и отрицательных зарядов в молекуле, т. е. электрическую асимметрию молекулы.
Таким образом, не все молекулы способны поглощать инфракрасное излучение. Молекулы, имеющие центр симметрии, например молекулы типа H2,Cl2,O2и им подобные, лишены дипольного момента и не приобретают его в процессе колебания и, следовательно, в инфракрасном спектре не активны.
Энергетические уровни молекулы строго квантованы (т.е. имеют определенные дискретные значения, соответствующие устойчивым (стационарным) состояниям системы) и поэтому молекула поглощает только те частоты ИК–излучения, энергия которых соответствует разностям между двумя уровнями энергии связи. Следовательно, возрастание амплитуды колебания происходит не постепенно, а скачкообразно. Разность энергий состояний, между которыми происходит переход, равна согласно соотношению Бора:
Е=Е2-Е1 = h =hс (5)
где h — постоянная Планка (6,62310 -27 эргс/молекула); — частота измерения (с -1 );- волновое число (см -1 );Е2иЕ1 — энергии системы в конечном и начальном состояниях (эрг/молекула).
Уравнение (5) справедливо не только для ИК-области, а для всех областей электромагнитного спектра.
Таким образом, колебательно-вращательный спектр вещества наблюдается при поглощении им ИК — излучения, когда в результате взаимодействия с фотонами h происходят изменения колебательно-вращательных состояний, т.е. увеличиваются амплитуды колебания связей, при этом молекулы переходят на другие уровни энергии.
Колебательно-вращательный спектр определяется строением молекулы и состоит из отдельных полос. Число и частоты полос в спектре зависят: а) от числа образующих молекулу атомов; б) масс атомных ядер; в) геометрии и симметрии равновесной ядерной конфигурации; г) потенциального поля внутри молекулярных сил. Интенсивность полос в спектре определяется электрическими свойствами молекулы: электрическим дипольным моментом и поляризуемостью, а также их изменением в процессе колебаний.
Экспериментальные исследования большого числа молекул, обладающих одними и теми же химическими группами, показали, что, независимо от изменений в остальной части молекулы, эти одинаковые группы поглощают в узком интервале частот. Такие частоты получили название характеристических или групповых.
Существование характеристических частот можно объяснить следующим образом. Колебания определенной группы атомов или связей могут быть слабо связаны с колебаниями атомов остальной части молекулы. В этом случае частота колебаний этой группы или связи зависит только от их строения и мало зависит от окружающих атомов и связей. Вследствие этого различные молекулы, содержащие данную группу атомов или связей, будут характеризоваться различными колебательными спектрами, однако в каждом из них будет присутствовать одна или несколько одинаковых или почти одинаковых частот.
Установление характеристических частот позволяет, не производя никаких расчетов, определять по спектру присутствие в молекуле различных групп и связей и тем самым установить строение молекулы.
RU2403328C1 — Материал, отражающий инфракрасное излучение — Google Patents
Publication number RU2403328C1 RU2403328C1 RU2009117931/12A RU2009117931A RU2403328C1 RU 2403328 C1 RU2403328 C1 RU 2403328C1 RU 2009117931/12 A RU2009117931/12 A RU 2009117931/12A RU 2009117931 A RU2009117931 A RU 2009117931A RU 2403328 C1 RU2403328 C1 RU 2403328C1 Authority RU Russia Prior art keywords layer infrared radiation textile base textile microporous membrane Prior art date 2009-05-12 Application number RU2009117931/12A Other languages English ( en ) Inventor Борис Львович Горберг (RU) Борис Львович Горберг Валерий Викторович Веселов (RU) Валерий Викторович Веселов Ирина Юрьевна Белова (RU) Ирина Юрьевна Белова Денис Михайлович Васильев (RU) Денис Михайлович Васильев Светлана Валерьевна Королёва (RU) Светлана Валерьевна Королёва Original Assignee Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ивановская государственная текстильная академия» (ИГТА) Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.) 2009-05-12 Filing date 2009-05-12 Publication date 2010-11-10 2009-05-12 Application filed by Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ивановская государственная текстильная академия» (ИГТА) filed Critical Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ивановская государственная текстильная академия» (ИГТА) 2009-05-12 Priority to RU2009117931/12A priority Critical patent/RU2403328C1/ru 2010-11-10 Application granted granted Critical 2010-11-10 Publication of RU2403328C1 publication Critical patent/RU2403328C1/ru
Links
Images
Abstract
Изобретение относится к материалам, отражающим и пропускающим электромагнитное излучение, и может быть использовано при изготовлении швейных изделий, предназначенных для электромагнитного камуфляжа, в частности, на инфракрасных длинах волн, а также при изготовлении швейных изделий технического назначения, а именно мобильных укрытий (палаток, тентов), обеспечивающих сохранение комфортных микроклиматических условий. Материал, отражающий инфракрасное излучение, содержит текстильную основу, металлизированный и микропористый мембранный слои. В качестве текстильной основы используют полиэфирный текстильный материал с водоотталкивающей пропиткой, металлизированный слой представлен нитридом титана, а микропористый мембранный слой выполнен из термопластичной полиуретановой смолы и размещен между текстильной основой и металлизированным слоем, при этом нитрид титана нанесен на микропористый мембранный слой на атомарно-молекулярном уровне в количестве 1-2 г/м 2 , а текстильная основа может содержать камуфлирующий рисунок. Технический результат при использовании заявленного изобретения заключается в обеспечении высокой степени защиты биологического объекта за счет улучшения отражательной способности материала в инфракрасном излучении. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.
Description
Изобретение относится к материалам, отражающим и пропускающим электромагнитное излучение, и может быть использовано при изготовлении швейных изделий, предназначенных для электромагнитного камуфляжа, в частности, на инфракрасных длинах волн, а также при изготовлении швейных изделий технического назначения, а именно мобильных укрытий (палаток, тентов), обеспечивающих сохранение комфортных микроклиматических условий.
Известен материал /Пат. US 5281460 США, МПК F41H 3/02. Инфракрасное маскировочное покрытие /Сох Phillip; заявитель Teledyne industries Inc, патентообладатель Сох Phillip. — №900428; заявл. 18.06.1992; опубл. 25.01.1994/, в котором на пористой нейлоновой сетке нанесен рисунок из полос. Полосы покрыты серебром, медью или пигментом. Недостатком данного изобретения является водопроницаемость материала, что ухудшает эксплуатационные свойства изделия, изготавливаемого из него.
Известен материал /Пат. US 4495239, МПК F41H 3/02. Маскировочные материалы широкого спектра действия / Pusch Gunter, Hoffmann Alexander, Aisslinger Dieter; заявитель Pusch Gunter; Hoffmann Alexander. — №459354; заявл. 16.12.1982; опубл. 22.01.1985/, в основе которого лежит слой текстильного материала, на поверхность которого методом осаждения из газовой фазы нанесен металлический отражающий слой, а затем — камуфлирующая раскраска. Недостатками данного изобретения является недолговечность изделия, изготавливаемого из такого материала, по причине наличия металлизированного и легкоповреждаемого покрытия на поверхности материала, невозможность нанесения сложных многоцветных рисунков, соответствующих условиям эксплуатации изделий.
Известен материал /Пат. US 4467005, МПК В32В 5/26 и др. Пароводопроницаемая драпирующаяся ткань, отражающая инфракрасное излучение /Pusch Gunter; Weimar Reinhold, Aisslinger Dieter; заявитель Pusch Gunter, Weimar Reinhold. — №480481; заявл. 30.03.1983; опубл. 21.08.1984/, изготавливаемый на основе опорной сетки, на обеих сторонах которой имеется несущее полотно с металлическим покрытием, отражающим ИК-излучение. Однако материал не обеспечивает воздухопроницаемости, что снижает гигиенические свойства изделий, изготовленных из такого материала. Кроме того, водопроницаемость материала ухудшает эксплуатационные свойства защитных изделий.
За прототип взят материал, обладающий теплоотражающими свойствами /Пат. RU 2127194, МПК В32В 5/18. Материал с покрытием, отражающим инфракрасное излучение / Куллер Грегори Д.; заявитель и патентообладатель В.Л.Горе и Ассоциэйтс, Инк. (US). — №97118428/12; заявл. 12.10.1995; опубл. 10.03.1999/, содержащий по меньшей мере одну металлизированную микропористую мембрану, дублированную по меньшей мере с еще одним слоем текстильного материала. В материале металлизированная мембрана выполнена из микропористого вспененного политетрафторэтилена, текстильная основа представляет собой шелк, а металл — алюминий.
К недостаткам изобретения можно отнести высокую стоимость и трудоемкость получения материала методом прессования, а также невозможность полного экранирования (маскировки) человека, покрытого таким материалом, т.е. нейтрализации излучений в ближней, средней и дальней инфракрасной областях спектра. Кроме того, текстильный материал, который дублируют металлизированной пленкой, не предполагает камуфлирующей раскраски, что ухудшает камуфлирующие свойства изделия в дневное время суток.
Техническим результатом заявляемого изобретения является обеспечение высокой степени защиты биологического объекта за счет улучшения отражательной способности материала в инфракрасном излучении.
Указанный технический результат достигается тем, что в материале, отражающем инфракрасное излучение, содержащем текстильную основу, металлизированный и микропористый мембранный слои, согласно изобретению в качестве текстильной основы используют полиэфирный текстильный материал с водоотталкивающей пропиткой, металлизированный слой представлен нитридом титана, а микропористый слой выполнен из полиуретановой смолы и размещен между текстильной основой и металлизированным слоем, при этом нитрид титана нанесен на микропористый слой на атомарно-молекулярном уровне в количестве 1-2 г/м 2 , а текстильная основа содержит камуфлирующий рисунок.
Любое тело, нагретое до определенной температуры, излучает энергию в инфракрасном спектре (длина волны, излучаемой телом, зависит от температуры нагревания: чем выше температура, тем короче длина волны и выше интенсивность излучения). Инфракрасный сигнал в условиях прямой видимости может передаваться на расстояние до нескольких километров и проходить сквозь непрозрачные для видимого излучения материалы. Для обеспечения маскировки объектов от обнаружения детекторами инфракрасного излучения используют теплоизолирующие изделия, позволяющие снизить температуру наружной поверхности объекта, тем самым ослабить тепловое излучение. Таким образом, материал, обладающий высокими теплоизоляционными свойствами, способен обеспечить маскировочный эффект биологическому объекту от обнаружения детекторами инфракрасного излучения.
На фиг.1 показана структура заявляемого многослойного материала, обеспечивающего высокие теплоизоляционные свойства объекта и маскировку от обнаружения детекторами инфракрасного излучения; на фиг.2 представлена зависимость проводимости полиамидной ткани арт. 5369 от времени напыления не него металла; на фиг.3 показано изменение отражательной способности заявляемого многослойного материала по сравнению с обычным.
Структура многослойного материала, ослабляющего тепловое излучение биологического объекта и отражающего инфракрасное излучение, представлена следующими слоями (фиг.1):
1 — полиэфирный текстильный материал с водоотталкивающей пропиткой обеспечивает защиту биологического объекта от осадков в виде дождя и снега и сохранение высоких эксплуатационных свойств материалу в любых погодных условиях. Камуфлирующий рисунок, нанесенный на текстильную основу, может выполняться в цветовом фоне, максимально приближенном к фону окружающей среды нахождения объекта, что обеспечивает ему визуальный камуфляж в дневное время суток.
2 — микропористый мембранный слой выполнен из термопластичной полиуретановой смолы, с размером пор 1,3-1,6·10 -6 м, обладает высокими адгезионными свойствами к текстильному материалу, обеспечивает надежное соединение металлизированного слоя с текстильной основой. Пористая мембранная структура слоя обеспечивает возможность выведения пара на поверхность изделия, т.е. естественного охлаждения и снижения тепловой нагрузки на биологический объект. Воздух, находящийся в микропорах мембранного слоя, снижает его теплопроводность, создавая изолирующее воздушное пространство.
3 — металлизированный слой выполнен из нитрида титана и нанесен на материал со стороны термопластичной полиуретановой смолы на атомарно-молекулярном уровне в количестве 1-2 г/м 2 , толщиной до 100 нм, обеспечивает теплоизоляцию и существенно ослабляет теплоотдачу и способствует отражению инфракрасного излучения заявляемого материала.
Нитрид титана при нанесении его тонкой пленкой толщиной до 100 нанометров обеспечивает материалу высокие изоляционные свойства. Толщина слоя зависит от времени напыления металла на материал и влияет на пароводопроницаемые свойства материала, а также показатели, характеризующие степень его проводимости. Чем больше время напыления металла на материал, тем больше толщина металлизированного слоя и выше показатели проводимости материала. Однако увеличение толщины пленочного покрытия, т.е. увеличение количества наносимого металла более 2 г/м 2 , ухудшает гигиенические показатели материала, так как уменьшается проницаемость воздуха и водяных паров. При нанесении нитрида титана в количестве менее 1 г/м 2 отражающая способность материала в инфракрасном излучении снижается.
Многослойный материал благодаря такой структуре хорошо драпируется, обладает водоотталкивающими, паропроницаемыми и теплозащитными свойствами, является теплоизолятором, отражает инфракрасное излучение и в случае применения текстильной основы с камуфлирующим рисунком обеспечивает визуальный камуфляж объекта.
На изнаночную сторону текстильного материала «Защита» арт. 3411 волокнистого состава 100% ПЭ (полиэфир) поверхностной плотности 160 г/м 2 с водоотталкивающей пропиткой и камуфлирующим покрытием «скалистые горы» нанесен пористый слой полиуретановой смолы толщиной 0,02 мм и размером пор 1,57·10 -6 м и тонкий слой нитрида титана в количестве 1,5 г/м 2 , толщиной слоя 70 нм, для чего использован метод магнетронного распыления в глубоком вакууме (порядка 5·10 -5 мм рт.ст.), реализованный в мягких условиях, создаваемых низкотемпературной плазмой. Метод магнетронного распыления позволяет достаточно точно регулировать толщину металлического слоя, позволяет создавать структуры с определенной проводимостью.
Для испытания материала на отражающие свойства инфракрасного излучения применялась система ночного видения, а именно бинокль ночного видения Yukon NVB Viking 3,5×40 RX (Yukon Advanced Optics®). Наблюдение велось за объектом, одетым сначала в обычный маскировочный костюм, а затем в костюм, изготовленный из заявляемого материала в полной темноте, при температуре окружающей среды +5°С. В обычном маскировочном костюме силуэтные очертания человека были хорошо видимы, а в костюме, изготовленном из заявляемого материала, объект был практически невидим.
Кроме того, проводилось исследование отражающей способности изготовленного многослойного материала на спектрофотометре Spekol-11. На фиг.3 представлены данные, подтверждающие существенное увеличение спектрального коэффициента отражения заявляемого материала (на фиг.3 обозначенного графиком 1) по сравнению с материалом, арт. 80406, «Габарит», волокнистого состава 100% ПЭ (полиэфир), поверхностной плотности 220 г/м 2 , производитель «Чайковский текстиль», взятым для сравнения (на фиг.3 обозначенного графиком 2).
На изнаночную сторону текстильного материала арт. 3456 волокнистого состава 100% ПЭ (полиэфир), поверхностной плотности 265 г/м 2 , предназначенного для изготовления мобильных укрытий, согласно примеру 1, нанесен пористый слой полиуретановой смолы толщиной 0,02 мм и размером пор 1,57·10 -6 м и тонкий слой нитрида титана в количестве 2 г/м 2 , толщиной слоя 90 нм.
Для испытания материала на отражающую способность использовался тепловизор FLIR 15 (инфракрасная камера) — оптико-электронный измерительный прибор, работающий в инфракрасной области электромагнитного спектра. Фиксировалась температура поверхности теплоизлучающего объекта (человека), покрытого многослойным материалом. Исследования проводились в закрытом помещении при температуре окружающей среды +22°С. Тепловизор регистрировал на поверхности исследуемого объекта температурные точки, не превышающие +24°С.
Данные исследования подтверждают, что структура заявляемого многослойного материала обладает теплоизолирующими свойствами и отражает инфракрасное излучение.
Claims ( 2 )
1. Материал, отражающий инфракрасное излучение, содержащий текстильную основу, металлизированный и микропористый мембранный слои, отличающийся тем, что в качестве текстильной основы используют полиэфирный текстильный материал с водоотталкивающей пропиткой, металлизированный слой представлен нитридом титана, а микропористый мембранный слой выполнен из термопластичной полиуретановой смолы и размещен между текстильной основой и металлизированным слоем, при этом нитрид титана нанесен на микропористый мембранный слой на атомарно-молекулярном уровне в количестве 1-2 г/м 2 .
2. Материал, отражающий инфракрасное излучение по п.1, отличающийся тем, что текстильная основа содержит камуфлирующий рисунок.
RU2009117931/12A 2009-05-12 2009-05-12 Материал, отражающий инфракрасное излучение RU2403328C1 ( ru )
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009117931/12A RU2403328C1 ( ru ) | 2009-05-12 | 2009-05-12 | Материал, отражающий инфракрасное излучение |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009117931/12A RU2403328C1 ( ru ) | 2009-05-12 | 2009-05-12 | Материал, отражающий инфракрасное излучение |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2403328C1 true RU2403328C1 ( ru ) | 2010-11-10 |
Family
ID=44026031
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2009117931/12A RU2403328C1 ( ru ) | 2009-05-12 | 2009-05-12 | Материал, отражающий инфракрасное излучение |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU ( 1 ) | RU2403328C1 ( ru ) |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2490379C1 ( ru ) * | 2011-12-27 | 2013-08-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ивановская государственная текстильная академия» (ИГТА) | Двусторонний многослойный камуфлирующий материал |
| RU2538734C1 ( ru ) * | 2013-07-12 | 2015-01-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский институт по проблемам гражданской обороны и чрезвычайных ситуаций МЧС России» (федеральный центр науки и высоких технологий) | Мобильная система обучения населения действиям в условиях чрезвычайных ситуаций |
| RU2545476C1 ( ru ) * | 2013-12-26 | 2015-03-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский институт по проблемам гражданской обороны и чрезвычайных ситуаций МЧС России» (федеральный центр науки и высоких технологий) | Автомобиль мобильного учебного комплекса для подготовки населения в области гражданской защиты |
| RU2551185C1 ( ru ) * | 2013-12-26 | 2015-05-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский институт по проблемам гражданской обороны и чрезвычайных ситуаций МЧС России» (федеральный центр науки и высоких технологий) ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ) | Палатка подготовки населения в области гражданской защиты |
| RU2558353C2 ( ru ) * | 2013-12-26 | 2015-08-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский институт по проблемам гражданской обороны и чрезвычайных ситуаций МЧС России» (федеральный центр науки и высоких технологий) ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ) | Палатка для обучения населения в условиях чрезвычайных ситуаций |
| RU2618967C2 ( ru ) * | 2014-11-14 | 2017-05-11 | Сергей Анатольевич Чистяков | Состав, отражающий и изолирующий инфракрасное излучение, для нанесения на поверхность текстильных изделий |
| RU2664340C1 ( ru ) * | 2017-03-31 | 2018-08-16 | Чистяков Сергей Анатольевич | Поглощающий инфракрасное излучение гомогенный состав для обработки текстильных изделий |
| RU2676574C1 ( ru ) * | 2017-08-09 | 2019-01-09 | Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» (ФГУП «ВИАМ») | Многослойный низкоэмиссионный материал |
| RU2802406C1 ( ru ) * | 2022-11-07 | 2023-08-28 | Сергей Леонидович Поляков | Многослойный двухсторонний структурированный материал |
- 2009
- 2009-05-12 RU RU2009117931/12A patent/RU2403328C1/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (9)
* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title RU2490379C1 ( ru ) * 2011-12-27 2013-08-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ивановская государственная текстильная академия» (ИГТА) Двусторонний многослойный камуфлирующий материал RU2538734C1 ( ru ) * 2013-07-12 2015-01-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский институт по проблемам гражданской обороны и чрезвычайных ситуаций МЧС России» (федеральный центр науки и высоких технологий) Мобильная система обучения населения действиям в условиях чрезвычайных ситуаций RU2545476C1 ( ru ) * 2013-12-26 2015-03-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский институт по проблемам гражданской обороны и чрезвычайных ситуаций МЧС России» (федеральный центр науки и высоких технологий) Автомобиль мобильного учебного комплекса для подготовки населения в области гражданской защиты RU2551185C1 ( ru ) * 2013-12-26 2015-05-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский институт по проблемам гражданской обороны и чрезвычайных ситуаций МЧС России» (федеральный центр науки и высоких технологий) ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ) Палатка подготовки населения в области гражданской защиты RU2558353C2 ( ru ) * 2013-12-26 2015-08-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский институт по проблемам гражданской обороны и чрезвычайных ситуаций МЧС России» (федеральный центр науки и высоких технологий) ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ) Палатка для обучения населения в условиях чрезвычайных ситуаций RU2618967C2 ( ru ) * 2014-11-14 2017-05-11 Сергей Анатольевич Чистяков Состав, отражающий и изолирующий инфракрасное излучение, для нанесения на поверхность текстильных изделий RU2664340C1 ( ru ) * 2017-03-31 2018-08-16 Чистяков Сергей Анатольевич Поглощающий инфракрасное излучение гомогенный состав для обработки текстильных изделий RU2676574C1 ( ru ) * 2017-08-09 2019-01-09 Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» (ФГУП «ВИАМ») Многослойный низкоэмиссионный материал RU2802406C1 ( ru ) * 2022-11-07 2023-08-28 Сергей Леонидович Поляков Многослойный двухсторонний структурированный материал Similar Documents
Publication Publication Date Title RU2403328C1 ( ru ) 2010-11-10 Материал, отражающий инфракрасное излучение EP0927328B1 ( en ) 2000-09-13 Infra-red reflective coverings RU2127194C1 ( ru ) 1999-03-10 Материал с покрытием, отражающим инфракрасное излучение Pan et al. 2020 Multi-band middle-infrared-compatible camouflage with thermal management via simple photonic structures AU2003269689C1 ( en ) 2010-02-18 Infrared-reflecting covering material JP5341903B2 ( ja ) 2013-11-13 マルチスペクトル選択反射性構造体 FR2750487A1 ( fr ) 1998-01-02 Revetement pour la protection personnelle d'un fantassin RU2490379C1 ( ru ) 2013-08-20 Двусторонний многослойный камуфлирующий материал KR102225804B1 ( ko ) 2021-03-11 기판의 광특성을 활용한 복사냉각소자 RU2642555C1 ( ru ) 2018-01-26 Солнцезащитное устройство RU2558347C2 ( ru ) 2015-07-27 Многослойный маскировочный материал RU2808363C1 ( ru ) 2023-11-28 Текстильный материал с маскирующими свойствами RU2676574C1 ( ru ) 2019-01-09 Многослойный низкоэмиссионный материал Seidu et al. 2023 Functional performance of thin Ag, SS, and Ti films on retro-reflective fabrics RU2749203C1 ( ru ) 2021-06-07 Инфракрасный камуфляж RU2541278C1 ( ru ) 2015-02-10 Композиционный материал, экранирующий инфракрасное излучение RU2618967C2 ( ru ) 2017-05-11 Состав, отражающий и изолирующий инфракрасное излучение, для нанесения на поверхность текстильных изделий US20080220269A1 ( en ) 2008-09-11 Camouflage material EP4251784A1 ( en ) 2023-10-04 Substrate of variable infrared emissivity NZ538252A ( en ) 2007-05-31 Infrared-reflecting covering material KR20220079889A ( ko ) 2022-06-14 다층 다기능 열 관리 재료 CA2214496C ( en ) 2000-09-26 Infrared reflective coverings JP2005238542A ( ja ) 2005-09-08 布基材層を含む偽装用積層材料 LV15375B ( lv ) 2019-11-20 Termiskā spektra diapazonā infrasarkanā un ultravioletā starojuma līmeni samazinošs tekstilmateriāls Legal Events
Effective date: 20110513
Спектрально-селективные полимерные оконные пленки: Новая технология 3М в солнцезащите
Потребность в рациональном использовании энергии становится все более значимой на протяжении нескольких последних десятилетий. Данная статья посвящена альтернативному методу защиты от тепловой энергии солнца поступающей через окна – энергосберегающему остеклению оптически прозрачными оконными пленками.
Терминология
Часть терминов в формате аббревиатур мы приводим для упрощения восприятия материала:
• Light-to-solar-gain (LSG) ratio — Коэффициент пропускания видимого света с отсечкой тепловой энергии
• Visible light transmission (VLT) — Коэффициент передачи видимого света
• Solar heat gain coefficient (SHGC) Коэффициент солнечного теплопоступления
• Near infrared rejection (NIR) Длинноволновая область спектра
• Water vapor transmission rates (WVTR) – Коэффициент водопаропроницаемости
• Metal-free solar reflecting films (SRF) — Не содержащие металла солнцезащитные пленки
• Antimony tin oxide (ATO) — Оксид сурьмы и олова
• Indium tin oxide (ITO), Оксид индия и олова
• Multilayer optical film (MOF) Многослойная оптическая пленкаНачиная разговор о солнцезащитных оптически прозрачных пленках вспомним, что белый свет, ультрафиолетовое (УФ) и инфракрасное излучение (ИК) – это все диапазоны спектра электромагнитного излучения, наряду с Гамма и Рентгеновским излучением.
В нашей статье мы поговорим о солнечном спектре в диапазоне длин от 0 до 2,5 Нано Метров (нм), о том, как Доктор Рагху Падият, научный сотрудник 3М, сделал уникальное изобретение многослойных оптически прозрачных оконных пленок, которые позволяют беспрепятственно проникать белому свету в помещение и при этом блокировать УФ и ИК Излучение. Между диапазонами нет резких переходов, но если рассматривать длину солнечного спектра, то 3% — ультрафиолет, 44% — видимый, 53% — инфракрасный.
Коэффициент пропускания видимого света с отсечкой тепловой энергии (LSG), обозначаемый как соотношение коэффициента передачи видимого света (VLT), и коэффициент солнечного теплопоступления (SHGC), часто используется для определения эффективности оконной пленки. Данный показатель пригоден для применений, при которых в дополнение к снижению доли пассивной солнечной энергии, поступающей через остекление зданий, требуется также повышенный уровень внутренней освещенности.
До настоящего момента все оконные пленки с высоким коэффициентом LSG, представленные на рынке, были изготовлены на основе структуры «диэлектрик-серебро-диэлектрик» [3,4]. В целом, в исполнении данных пленок используется до трех слоев серебра, что приводит к высокому коэффициенту отражения инфракрасных лучей длинноволновой области спектра NIR и VLT примерно 70 %.
Серебро выбрано благодаря его уникальным свойствам [5,6]. Одним из недостатков использования серебра является его подверженность окислению. Некачественная герметизация краев пленки может привести к возникновению потемнения и коррозии по периметру.
Проблема возникновения коррозии может быть решена посредством использования сплавов серебра вместо чистого серебра, а также тщательной герметизации краев пленки. Данные пленки также обладают экранирующими свойствами и могут создавать помехи в работе электронных систем внутрирайонной связи, GPS, мобильных телефонов и пр.
Общеизвестно, что промышленное производство пленок на основе серебряных резонаторных отражателей затруднительно, так как весьма незначительное варьирование толщины слоя серебра в результате приводит к значительному изменению цвета, особенно если смотреть в отраженном свете. Кроме того, наличие серебра в покрытиях требует уплотнения краев наносимой пленки.
Другим недостатком используемых оконных пленок на основе технологии напыления серебра/диэлектрика заключается в том, что данные пленки имеют весьма низкую скорость водопаропроницаемости (WVTR). Вода используется для монтажа пленок и удаление ее остатков между адгезивным слоем и пленкой, является крайне важным.
Полимерные пленки, отражающие инфракрасные лучи
Отражающие инфракрасные лучи полимерные многослойные пленки были разработаны компанией 3M для использования в автомобильных лобовых стеклах и прочих применений [7,8].
Предвосхищая описание технологии, предлагаем Вашему вниманию короткое Видео, иллюстрирующее принцип работы пленки:
Ранее Alfrey и другие показали, что полимерная пленка, включающая сотни слоев двух материалов, отличающихся коэффициентом преломления, могут быть получены соэкструдированием с образованием флуоресцирующей пленки [9]. Использование полимерных многослойных пленок с двоякопреломляющими оптическими системами было далее разработано компанией 3M [10,11]. Использование двоякопреломляющих материалов в данных конструкциях приводит к возникновению нескольких уникальных свойств, которые невозможно получить при использовании тонкопленочной оптики, покрытой методом напыления [12].
В данных пленках ширина спектра и местоположение границы полосы определяются толщиной каждой пары слоев. Толщина данных слоев выбирается таким образом, чтобы полоса однократного отражения возникала в инфракрасной части спектра электромагнитных волн. При соответствующем выборе левой и правой границы полосы и точном контроле толщины пары слоев могут быть созданы высокоэффективные отражатели инфракрасных лучей длинноволновой области спектра с высоким пропусканием видимого света. Оптические свойства отражателей инфракрасных лучей длинноволновой области спектра, созданные из полимерных материалов, имеют преимущество вследствие низкого оптического поглощения, незначительной оптической дисперсии и оптических констант двоякопреломляющих систем. Данные пленки могут иметь высокую передачу видимого света, острые отражающие границы полос и низкую неравномерность вне полосы пропускания. В структуре со слоем ABAB простой ¼ волны, в которой A и B – два полимерных материала с различными коэффициентами преломления, по конструктивным соображениям ограничивают полосу отражения в диапазоне от 800 нм до 1200 нм. Дальнейшее увеличение ширины спектра приведет к получению полос вторичного отражения, придавая цвет пленке. Так как спектр падающего солнечного излучения распространяется далеко за пределы значения 1200 нм, необходимо предусмотреть средства для снижения доли солнечной энергии, поступающей через остекление и превышающей значение 1200 нм.
Были изучены нанофильтры, поглощающие инфракрасные лучи, для использования в остеклении [13,14]. Данные материалы имеют достаточно высокую передачу видимого света, а также значительное поглощение в части длинноволновой инфракрасной области спектра. Такие материалы могут быть нанесены на полимерные пленки, поглощающие инфракрасные лучи, для дальнейшего повышение коэффициента солнечного теплопоступления системы остекления. Покрытия на основе олово-сурьмяных оксидов (ATO) особенно интересны, так как их полоса поглощения выходит за пределы длинноволновой инфракрасной области спектра.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Смоделированный и измеренный спектры светопропускания многослойной полимерной пленки, состоящей из 224 слоев, изготовленной и использованием PET и PMMA, представлены на Рисунке 1a. Как видно из Рисунка 1a, практически весь свет в диапазоне 850 нм – 1200 нм отражается при отсутствии потери передачи (кроме потерь зон Френеля) в видимой части спектра и ИК-области спектра за пределами 1200 нм. При использовании покрытия ATO с внутренней стороны данной пленки передача в видимой части спектра может быть отрегулирована примерно до 70 %, при этом практически вся длинноволновая ИК-область спектра в диапазоне 850–2500 нм может быть заблокирована (Рисунок 1b) при поддержании высокого коэффициента отражения многослойного материала. Толщина или количество ATO в полимерном слое могут быть увеличены или уменьшены по желанию для регулирования коэффициента передачи видимого света. Частицы, такие как технический углерод, обладающие способностью поглощения в видимой части спектра используются для получения оконных пленок с отличным коэффициентом передачи видимого света [15]. Кроме того, можно включить данные частицы для резкого снижения коэффициента передачи в видимой части спектра без значительного изменения коэффициента передачи инфракрасного излучения или концентрации ATO в покрытии.
Рисунок 1a и 1b: Смоделированный и измеренный спектры светопропускания полимерной многослойной пленки без покрытия (Рисунок 1a) и пленки с покрытием ATO (Рисунок 1b).
В отличие от напыляемых пленок со структурой «серебро/диэлектрик» все полосы отражения, основанные на диэлектрических компонентах, имеют переход к меньшим длинам полос с увеличением угла падения (далеко от нормального падения). Данное смещение угла вызвано зависимостью косинуса угла сдвига фаз между лучами, отраженными от смежных поверхностей контакта.
Вследствие увеличения угла падения центры полос отражения с поляризацией, перпендикулярной плоскости падения пучка, и с поляризацией, параллельной плоскости падения пучка, переходят к более коротким длинам волн с учетом эффективной фазовой толщины слоев. Полимер с высокой двоякопреломляющей способностью может быть использован для создания диэлектрических отражателей, которые поддерживают или увеличивают свой коэффициент отражения при увеличении угла падения. Кроме того, для падения не по нормали поляризационные эффекты в изотропных материалах ограничивают крутизну границы полосы естественного света, которая может оказывать значительное влияние на чистоту цвета.
Двоякопреломляющие полимеры могу быть использованы для создания отражателя, который имеет согласованную границу полосы малой длины волны при всех углах как для света с поляризацией, параллельной плоскости падения пучка, так и для света с поляризацией, перпендикулярной плоскости падения пучка, исключая данные трудности.
Так как полоса отражения многослойного полимерного отражателя переходит к волнам с меньшей длиной, в которых находится большее количество солнечной энергии (Рисунок 3a), происходит быстрое снижение коэффициента солнечного теплопоступления при больших углах падения. Как видно из Рисунка 2a и 2b, данный переход в значительной степени выше в многослойных полимерных конструкциях по сравнению с оконными пленками на основе структуры «диэлектрик/серебро». Оптические свойства данных двух типов пленки при падении по нормали и при 60 от нормали (задано как 0 в таблице и на рисунках) представлены в Таблице 1.
Следует отметить, что не существует никаких стандартов по характеристикам вне оси. Методы промышленных стандартов (см. Совет по оценке светопрозрачных конструкций, www.nfrc.org) и программное обеспечение (Window 5, доступное для загрузки с сайта windows.lbl.gov/software/window/window.html) предназначены для выполнения расчетов вне центра с учетом типа материалов, исходя из алгоритма, описанного Furler [15], данные расчеты приводят к недостаточной аппроксимации для двоякопреломляющих материалов. В результате расчеты годовой потребности в энергии представляют приблизительный прогноз по экономии, достигаемой при использовании многослойных полимерных оконных пленок. Кроме того, так как падающая солнечная энергия варьируется от места к месту и зависит от большого ряда факторов, включая водяной пар, способный сконденсироваться и дать осадки, альбедо земной поверхности, подпитку и концентрацию атмосферных загрязнителей помимо прочего, коэффициенты солнечного теплопоступления варьируется в зависимости от формы спектра падающего солнечного излучения.
Таблица 1: Свойства по пропусканию солнечной энергии полимерной оконной пленки для послепродажного нанесения и оконной пленки со структурой диэлектрик/серебро.
Тип VLT (%) VLR (%) SHGC Отражение УФ-лучей (%) 0 60 0 60 0 60 Полимерная многослойная с ATO 69 60 8,5 13 0,51 0,42 99,9 7-слойная ITO/Ag 69 62 8,0 12 0,47 0,44 99,9 
Рисунок 2a и 2b: Коэффициент передачи многослойной полимерной пленки с покрытием ATO (Рисунок 2a) и 7-слойной ITO/Ag/ITO пленки (Рисунок 2b) при нормальном падении и при 60 от нормального падения.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Отражающие инфракрасные лучи полимерные многослойные пленки были покрыты наночастицами ATO, поглощающими инфракрасное излучение, для создания оконных пленок для послепродажного нанесения с высоким коэффициентом светопроницаемости и высоким коэффициентом отведения тепла. Было показано, что данные пленки имеют более высокий коэффициент отведения тепла при увеличенных углах высоты солнца. Так как данные пленки не содержат никаких напыляемых слоев, они имеют высокие скорости водопаропроницаемости и их проще установить. Представлено сравнение данных пленок и напыляемых пленок со структурой «серебро/диэлектрик».
Литература
1. www.v-kool-usa.com
2. www.vista-films.com
3. P. H. Berning и A. F. Turner, «Вынужденная передача в поглощающих пленках, используемых в конструкции полосового фильтра», 47(3), 230, J. Opt. Soc. Am., 1957 г.
4. P. H. Berning, «Принципы проектирования архитектурной облицовки», 22(24), 4127, Appl. Opt., 1983 г.
5. J. Boettcher, M. Scott, B. Koster и M. Kominami, «Отражающая солнечные лучи и не содержащая металла пленка в результате обеспечивает многослойное исполнение», стр. 513, конференция Glass Processing Days, июнь 2001 г.
6. J. Boettcher, M. Kominami и M. Scott, «Результаты многослойного исполнения при использовании не содержащей металла и нейтрального цвета отражающей солнечные лучи пленки», стр. 538, конференция Glass Processing Days, 2003 г.
7. T. Alfrey Jr., E. F. Gurnee и W. J. Schrenk, «Физическая оптика флуоресцирующей многослойной пластмассовой пленки», 9(6), 400, Poly. Eng. Sci, 1969 г.
8. J. M. Jonza, M. F. Weber, A. J. Ouderkirk и C. A. Sover, «Оптическая пленка», патент США 5 882 774, 16 марта 1999 г.
9. J.A. Wheatley, M.F. Weber, A.J. Ouderkirk, «Оптическая пленка с острой границей полосы», патент США 6,157,490, 5 декабря 2000 г.
10. M. F. Weber, C. A. Stover, L. R. Gilbert, T. J. Nevitt, и A. J. Ouderkirk, «Большая двоякопреломляющая оптика в многослойных полимерных отражателях», Science, 287, 2451, 2000 г.
11. S. Schlem и G. B. Smith, «Слабые наночастицы LaB6 в полимерах как оптимизированное солнцезащитное остекление», 82(24), 4346, Appl. Phys. Lett., 2003 г.
12. G. B. Smith, M.J. Ford, C. Masens и J. Muir, «Энергосберегающие покрытия в проекте NanohouseTM», 4, 381, Current Applied Physics, 2004 г.
14. D. J. McGurran, R. L. Brott, J. A. Olson, Патент США № 6 811 867, 2 ноября 2007 г.
15. R. A. Furler, «Угловая зависимость оптических свойств однородных стекол», 97(2), 1129, ASHRAE Trans., 1991 г.Сегодня Пленки 3М Доступны для всех желающих, обрести комфорт
Предлагаем Вам обратиться на сайт www.3mrussia.ru/okna для более подробной информации.
А так же мы предоставляем скидку 15% на пленку всем читателям Habrahabr, обращайтесь за более подробной информацией к специализированным партнерам 3М по дистрибуции и монтаже оконных пленок 3М.Где можно купить?
Звоните нам по многоканальному телефону +7 495 784 7474.
Задавайте вопросы в комментариях, мы на все постараемся ответить!UPD: Друзья, спасибо за комментарии и ваши отзывы!
Хотим предложить еще несколько статей по этой теме:Публикации доктора Рагху Падиятха (Dr. Raghu Padiyath), изобретателя оптически прозрачных пленок
Что поглощает инфракрасное излучение
Инфракрасное излучение. Отражение и поглощение световых лучей
У большинства тел на земной поверхности в спектре излучения максимум энергии заключается в инфракрасной части. Максимальное количество тепла дают лучи инфракрасные, красные, оранжевые, и все менее — в нисходящем порядке остальные — до фиолетовых.
Поэтому-то в практических целях лучи левой части спектра и называют тепловыми. Их химическое действие выражено слабо и практически не принимается в расчет. Лучи правой части спектра (с ярко выраженным химическим действием при очень слабом тепловом) называет химическими. И хотя мы различаем три вида лучей: световые, тепловые и химические, существует только одна лучистая энергия. Все виды ее способны в различной степени нагревать, в различной степени оказывать химическое действие и только в ограниченной своей части (в пределах от 760 до 460 mu) оказывать раздражающее действие на сетчатку глаза и вызывать в нем сложное физиологическое ощущение света и различных цветов.
Согласно физическим законам, световые электромагнитные лучи, падая на различные тела, могут отражаться, преломляться, поглощаться, рассеиваться, люминисцировать, флюоресцировать.
Отражение и поглощение световых лучей
Существующие законы отражения, по которым падающий и отраженный лучи лежат в одной плоскости, а угол падения равен углу отражения, свойственны в одинаковой степени всем видам лучистой энергии, причем процент отражения всецело зависит от вещества отражающего тела, от его формы, материала, из которого он сделан, и от длины волны луча. Наибольшим коэффициентом отражения от гладких поверхностей обладают инфракрасные лучи — до 98%’ для падающих лучей длиной 1,5 мм. Коэффициент отражения видимых лучей от воды равен 2%. Ультрафиолетовые лучи в отношении количества отражения уступают инфракрасным лучам. (В значительных размерах ультрафиолетовые лучи диффузно рассеиваются от мельчайших частиц облаков, снега, песка.
Обнаженная почва, почти совершенно поглощая световые и ультрафиолетовые лучи, отражает и излучает затем главным образом инфракрасные лучи. Водная поверхность, снежный и ледовый покровы отражают от себя световые, т. е. оптические и ультрафиолетовые, лучи.
В ряде руководств по гелиотерапии рекомендуется принимающим солнечные ванны на пляже располагаться как можно ближе к воде, с целью получения дополнительного количества ультрафиолетовой радиации солнца, отраженной от поверхности воды. Проф. Н. Н. Калитиным были проведены специальные исследования, чтобы определить, насколько значительнее отражается ультрафиолетовая радиация от поверхности воды непосредственно на берегу моря при разных метеорологических условиях и при различном состоянии моря.
Обработав 53 спектрограммы, содержащие несколько сот спектров, и отобрав из них 18 наилучших, проф. Калитин обобщил результаты своих опытов в следующей таблице.Таким образом можно сделать вывод, что с ультрафиолетовой стороны спектр, отраженный от поверхности моря, всегда короче, чем спектр, падающий на воду солнечной радиации, и чем мутнее вода, тем происходит большее (поглощение ультрафиолетовой радиации.
Исследования, сделанные Калитиным, таким образом, показали, что солнечная ультрафиолетовая радиация (биологически: активная) от поверхности моря не отражается.Количество лучистой энергии, отра женной от определенной поверхности, выраженное в процентах к падающей энергии, называется «альбедо».
Калитину принадлежат работы по определению альбедо в Ялте, Мисхоре, Феодосии, Нальчике» Тегенекли и на Эльбрусе. Наименьшие величины альбедо получились для морского песка (10—13%) и для травяного покрова (22—23%). Наибольшую величину отражения дали: ледники Эльбруса (68%), пляж в. Мисхоре из мелкой гальки (32%) и из крупной гальки (28%), пляж в Феодосии из ракушечного песка (31—32%), бетонированная площадка в Ялтинском туберкулезном институте (34%).Отраженные от земной поверхности величины радиации доходят до 30% радиации падающей. Эти величины не постоянны и зависят от отражательной способности различных поверхностей, и атмосферных колебаний.
Значительное количество солнечной и рассеянной радиации атмосферы отражается и от кожи человека. По исследованию проф. Корчагина, кожа человека слабо отражает коротковолновую радиацию и сильно длинноволновую. От непигментированной и пигментированной кожи отражение происходит по-разному.