內(nèi)含不銹鋼的柔性電磁屏蔽織物的制備與研究

喻陽，楊文旗，丁重，張瑩，章曉陽，王曉萌，彭浩凱,3

（1.天津工業(yè)大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院，智慧紡織與節(jié)能制品創(chuàng)新平臺，天津 300387;2.天津工大紡織助劑有限公司，天津 300270；3.天津工業(yè)大學(xué)先進(jìn)紡織復(fù)合材料天津市教育部重點實驗室，天津 300387）

前言

隨著社會的進(jìn)步，各種各樣電子產(chǎn)品的出現(xiàn)使我們的生活變得更加方便、高效，但同時，我們也遭受著它們帶來的電磁輻射的影響，電磁輻射會導(dǎo)致人體的不良反應(yīng)，損害我們健康[1-2]。解決電磁輻射問題有許多方法，而電磁屏蔽是這些方法中最主要、最基本的，對防止電磁波產(chǎn)生干擾有很大幫助[3-4]。

現(xiàn)在的電磁屏蔽織物大部分是金屬涂層和金屬纖維混紡織物。但是實際上通過在織物表面涂覆導(dǎo)電涂層或者利用鍍層方法研制金屬涂層織物，并不能很好的防止電磁屏蔽的干擾，同時，織物風(fēng)格也和普通織物有較大差別，不利于穿著，而不銹鋼纖維不僅具有導(dǎo)電、導(dǎo)熱等優(yōu)點，并且柔軟，耐磨性高，強度高，可紡性好。

當(dāng)然金屬絲復(fù)合紗線普遍存在易裸露于織物表面的問題，我們利用實驗室發(fā)明的一種用于制備包芯紗的喂入裝置來紡制海藻纖維/不銹鋼纖維包芯紗，該喂入裝置相比傳統(tǒng)包芯紗喂入裝置，可以精準(zhǔn)控制芯紗，使金屬絲喂入粗紗中間，從包紗源頭解決了問題。用該紗線織造電磁屏蔽性能的柔性功能性織物，與由普通的防輻射材料織成的面料相比，該織物能夠維持更久的電磁屏蔽效果，織物風(fēng)格與普通織物類似，可以貼附皮膚穿著，具有舒適保健性，可用于電磁屏蔽服或醫(yī)用電磁屏蔽服內(nèi)層。

1 試驗部分

1.1 材料儀器

中國上海源能有限公司生產(chǎn)的316 L 不銹鋼絲，斷裂強度為354.36 cN，直徑為0.03 mm，伸長率是29.4%。海藻纖維，纖維長度50 mm，纖維細(xì)度1.5 D。

1.2 包芯紗的制備

實驗室創(chuàng)造了一款獨特的包芯紗喂入裝置來準(zhǔn)確控制芯紗，保證了金屬絲喂入粗紗之間，從包紗的源頭徹底解決了金屬絲復(fù)合紗線在織物表面裸露的問題，從而制備了優(yōu)良的包芯紗，最后制備的海藻纖維/不銹鋼長絲包芯紗具有質(zhì)量優(yōu)質(zhì)，包覆完備的效果。如圖1 所示為包芯紗的制備流程。

圖1 自制的紡紗喂入裝置原理圖及包芯紗截面演示圖Fig.1 Schematic diagram of a spinning feed device and Sectional form of the spun core yarn

1.3 柔性電磁屏蔽織物的制備

如圖2a 所示，采用50/50 滌棉紗的經(jīng)紗和不銹鋼長絲/海藻纖維包芯紗的緯紗，在半自動織機（DWL5016，中國浙江杭州天馬紡織機械有限公司）制備了具備柔軟特性的電磁屏蔽織物。圖2b 是選用織物單元結(jié)構(gòu)的等效電路來表示導(dǎo)電織物的屏蔽網(wǎng)絡(luò)，電阻R 表示的是經(jīng)緯線的接觸電阻。圖示中的電容（C）為并聯(lián)導(dǎo)線產(chǎn)生的電容。圖2c 所示的織物中只有緯紗是導(dǎo)電紗，改變?nèi)龑涌椢锏馁N合角度可形成更為完整的屏蔽網(wǎng)，形成更多導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，屏蔽效果顯著提高。

圖2 (a）柔性電磁屏蔽織物的實物圖；(b)導(dǎo)電織物單元結(jié)構(gòu)的等效電路；(c）導(dǎo)電織物在復(fù)合角度為0°/0°/0°和0°/45°/90°下屏蔽電磁波的機理Fig.2 (a)Physical picture of flexible electromagnetic shielding fabric;(b)Equivalent circuits for each unit structure;(c)Mechanism of electromagnetic shielding of conductive fabric at composite angles of0°/0°/0°and 0°/45°/90°

1.4 測試與表征

1.4.1 拉伸性能

采用HT-9101 型萬能強力儀（萊州市電子儀器有限公司）測試制備的柔性電磁屏蔽織物的拉伸性能。按照經(jīng)向150 mm、緯向50 mm 的標(biāo)準(zhǔn)裁剪一塊試樣，夾持隔距設(shè)置為10 cm，測試并記錄數(shù)據(jù)。

1.4.2 透氣性

使用ASTM D0730 規(guī)定的數(shù)字織物透氣儀（YGB461D 中國溫州榮達(dá)紡織有限公司）測量導(dǎo)電電磁屏蔽機織物的透氣性。試樣壓差設(shè)置為100 Pa，使流量值控制在600～3000 mm/s 之間。樣品尺寸裁剪為25 cm×25 cm，對這10 個樣品進(jìn)行透氣性測試記錄數(shù)據(jù)并取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 織物電磁屏蔽性能

當(dāng)織物層疊角度為0°/0°/0°時，總體上電磁干擾強度在1500～3000 MHz 的頻率下隨著織物層數(shù)基本不變。另外不銹鋼/滌棉-1 層的電磁干擾強度在460 MHz 的頻率下為35 dB，電磁屏蔽效果一般。一般情況下，對于大多數(shù)電子產(chǎn)品的屏蔽材料，入射波在30-1000 MHz 范圍，電磁屏蔽效能為35 dB 就認(rèn)為是有效屏蔽，該織物可用于一般工業(yè)或商用電子設(shè)備。

當(dāng)織物層疊角度為0°/45°/90°時，總體電磁干擾強度在1500～3000 兆赫的頻率下隨著織物層數(shù)先增加再減小。其中不銹鋼/滌棉-1 層的電磁干擾強度在1500～3000 MHz 的頻率下為4～10 dB，不銹鋼/滌棉-2 層的電磁干擾強度在1500～3000 MHz的頻率下18～42 dB，這個范圍是不銹鋼/滌棉-1 層的4 倍左右。不銹鋼/滌棉-3 層的電磁干擾強度在1500～3000 兆赫的頻率下15～30 dB，這個范圍是不銹鋼/滌棉-1 層的3 倍左右。

如圖3 可知，當(dāng)織物層疊角度為0°/90°/0°時，電磁干擾強度在1500～3000 MHz 的頻率下隨著織物層數(shù)的增加先增加后減小。不銹鋼/滌棉-1 層的電磁干擾強度在1500～3000 MHz 的頻率下為5～10 dB，不銹鋼/滌棉-2 層的電磁干擾強度在1500～3000 MHz 的頻率下為30～65 dB，這個范圍是不銹鋼/滌棉-1 層的6 倍左右。不銹鋼/滌棉-3 層的電磁干擾強度在1500～3000 MHz 的頻率下為22～42 dB，這個范圍是不銹鋼/滌棉-1 層的4 倍左右。其中雙層織物電磁屏蔽效能在頻率為1700 MHz 到2500 MHz 時都在30 dB 以上，屏蔽效果良好。

圖3 導(dǎo)電織物的EMISE 與復(fù)合層數(shù)和復(fù)合角度0°/90°/0°的關(guān)系Fig.3 The relationship between EMISE of conductive fabric and 0°/90°/0°composite angle of composite layer and composite angle

由圖4 我們可以看出，單層織物電磁屏蔽效能平均值為9.27 dB，電磁屏蔽效果相對較差，三層織物電磁屏蔽效果明顯低于雙層織物。雙層織物電磁屏蔽效果明顯比單層織物更好，織物電磁屏蔽效能平均值為36.19 dB，并且頻率在1700 MHz 到2500 MHz 時電磁屏蔽效能都在30 dB 以上，最大為65 dB，屏蔽效果可達(dá)99.9%。

圖4 導(dǎo)電織物的EMISE 與復(fù)合角度的關(guān)系Fig.4 Relationship between EMISE of conductive fabric and composite Angle

2.3 電磁屏蔽織物拉伸性能

實驗測試了10 組織物的斷裂強力和斷裂伸長，織物經(jīng)向、緯向平均斷裂強力分別為193 cN、404 cN，織物經(jīng)向、緯向平均斷裂伸長分別為18.6 mm、8.9 mm，織物是以經(jīng)紗為50/50 滌棉紗，緯紗為不銹鋼包芯紗紡制的，對于強力方面，不銹鋼包芯紗大于滌棉紗，所以制備的電磁屏蔽織物緯向斷裂強力大于經(jīng)向斷裂強力。又因為不銹鋼的剛性更大，所以緯向紗線伸長率小，織物的經(jīng)向斷裂伸長率大于緯向。

2.4 電磁屏蔽織物透氣性能

本實驗單層織物的透氣量平均為1263.6 mm/s，優(yōu)于一般織物,可以很好散熱，穿著舒適。二層織物的透氣量平均為952mm/s，三層織物的透氣量平均為817.9 mm/s。二層與三層時透氣性差別不大，但是二層時電磁屏蔽性能相對更好，所以選擇二層是更合適的。

3 結(jié)論

本文采用自主發(fā)明的喂線裝置，以0.03 mm 直徑的不銹鋼絲作為芯紗，用海藻纖維進(jìn)行外包，先紡制海藻纖維/不銹鋼纖維包芯紗，用制備的包芯紗為緯紗和50/50 滌棉紗為經(jīng)紗，在半自動織樣機上織造柔性電磁屏蔽織物。研究表明，制備的織物緯向的斷裂強力為404 cN，高于193 cN 經(jīng)向斷裂強力；織物的透氣量平均為1263.6 mm/s，織物輕質(zhì)柔軟，手感舒適，可用于衣物。以層疊角度為0°/90°的雙層織物電磁屏蔽效能在頻率為1700 MHz 到2500 MHz 時都在30 dB 以上，屏蔽效果良好，織物的透氣性優(yōu)良。