不锈钢纤维混纺纱纬编针织物的屏蔽效能探讨

孙 天，赵晓明

(天津工业大学 纺织科学与工程学院，天津 300387)

电磁污染被列为是继水污染、大气污染、噪声污染后的第四大污染源[1-2]。随着现代社会电器和电子设备使用范围的迅速扩大，随之产生的电磁干扰、电磁泄露等问题不仅影响电子设备的正常使用，还会影响人的身体健康[2-4]。随着人们对生活环境要求的提高，电磁功能纺织品引起了广泛的关注。

金属被认为是最好的电磁屏蔽材料，但是金属密度大、体积大、刚性大和其可能会受到热膨胀、氧化腐蚀问题等特点，使其灵活性较差限制了其使用范围[5]。与传统的电磁屏蔽板相比，导电纺织品是一种高效的屏蔽材料，具有良好的灵活性、柔韧性、低成本、易生产等特点，近年来受到广泛关注。目前电磁屏蔽织物有表面涂层织物[6-8]、金属化纤维织物[9-10]、本征导电高分子填充型电磁屏蔽织物和金属纤维混纺织物[11]等。研究开发出满足广大消费者需求，电磁屏蔽效果优良的电磁功能性纺织品已成为热点之一。

已有的报道中[12-14]，电磁屏蔽纺织品主要为机织物，多分析金属纤维机织物不同纤维排列方式，金属含量等对屏蔽效能的影响。针织物因组成结构优势，形成网孔结构，较机织物更柔软、悬垂性更好，且同时能拥有较好的屏蔽效果，可用作生活中电磁防护手段，但已有文献中，至今未有人研究分析网孔组织因素对织物屏蔽效果的影响。文献研究中[12]，不锈钢纤维混纺纱屏蔽效果优于不锈钢包芯纱，本次研究使用应用最为广泛的不锈钢纤维混纺纱为原料，制备了不同网孔组织结构的纬编织物样品，重点探讨了不锈钢金属纤维含量、组织结构等对屏蔽效能的影响，同时测试了不锈钢混纺纱线的毛羽和纱线回潮率，作为针织物舒适度的评估。

1 实验部分

1.1 实验材料与仪器

10 %、20 %、30 %不锈钢纤维涤棉混纺纱线，型号为32支，由深圳市广瑞新材料有限公司提供；12G(12针距)龙星LXC-252SCV全自动电脑横编织机；长岭纺电YG172毛羽测试仪；常一纺仪YG747烘箱；ZNB40矢量网络分析仪。

1.2 制备工艺和过程

实验采用控制变量法，以10 %、20 %、30 %不锈钢纤维涤棉混纺纱线为实验材料，使用12针距龙星电脑横机编织不同度目、不同网孔大小、不同组织结构的不锈钢纤维含量纬编织物。组织结构上机示意图如下图1所示。下图1从左到右依次为纬平针结构、1+1罗纹结构、移圈网孔结构、双珠地网眼组织结构。

图1 四种纬编针织物的组织结构示意图

在频率为10 MHz～3 GHz的范围内探讨不锈钢纤维混纺比、织物的度目(影响织物紧度)、网孔大小、织物组织结构等参数对纬编针织物电磁屏蔽效能的影响规律。并测试纱线表面毛羽、纱线回潮率对形成织物的可行性和舒适性进行评估。

1.3 测试指标和方法

1.3.1 针织物屏蔽效能测试

采用ZNB40矢量网络分析仪测试材料的屏蔽效能，频率范围为10 MHz～3 GHz，测试原理如下图2所示。

图2 矢量网络分析仪测试原理

1.3.2 纱线毛羽测试

采用长岭纺电YG172毛羽测试仪，分别对三种不锈钢纤维含量纱线测试，每个片段长度为10m，测试速度30 m/min，测试五次取平均值，得出纱线的毛羽数量。

1.3.3 纱线回潮率测试

参照GB/T1994-2018《纺织材料公定回潮率》，取10 %、20 %、30 %三种不锈钢纤维含量的纱线湿重5 g，使用YG747烘箱得到纱线的干重，并计算回潮率。

2 结果与讨论

2.1 针织物屏蔽效能分析

2.1.1 不锈钢纤维含量对织物屏蔽效果影响

为了探讨不锈钢纤维含量对针织物屏蔽效果的影响，分别测试不同不锈钢纤维含量纱线下的纬平针组织、1+1罗纹组织、双珠地组织，其屏蔽效能如下图3～图5所示。

图3 不锈钢纤维含量对纬平针组织屏蔽效能的影响

图4 不锈钢纤维含量对1+1罗纹组织屏蔽效能的影响

图5 不锈钢纤维含量对双珠地织物屏蔽效能的影响

由图3可知，纬平针组织中，三种不锈钢纤维含量织物的屏蔽效能曲线形态相似，三种不锈钢含量纱线最高屏蔽点即峰值出现的频率段相近，30%不锈钢纤维含量织物的峰值最高，在频率1.1 GHz时屏蔽效能为16.35 dB。由图4可知，双罗纹组织中，20 %与30 %不锈钢纤维含量织物屏蔽效能峰值相近，20 %不锈钢纤维混纺织物峰值为13.93dB，30%不锈钢纤维混纺织物略高，屏蔽效能在0.93 GHz达到峰值14.14 dB。由图5可知，双珠地组织中，三种纱线的最大屏蔽效能近似，30 %不锈钢纤维混纺织物的屏蔽频率范围较大，且高于其他两种含量。

30 %不锈钢纤维含量纱线织物屏蔽效果较优，理论上不锈钢纤维含量越大，纱线电导率越大，在电磁场环境中形成织物表面电流越大，对电磁波反射越高，因此屏蔽效能越大。纬平针组织结构屏蔽效果受不锈钢纤维含量影响较大；1+1罗纹组织和珠地网眼组织结构织物30 %和20 %纤维含量织物峰值相近，但是30 %不锈钢含量织物的屏蔽的频率范围高于20 %不锈钢纤维含量织物。织物屏蔽效能受组织结构影响较大，在下面进行比较分析。

2.1.2 组织结构对织物屏蔽效果影响

为探究不同组织结构对织物屏蔽效果的影响，测试30 %不锈钢纤维混纺纱织物进行探讨，对纬平针组织、1+1罗纹组织、双珠地网眼组织和4 mm移圈组织进行对比，其屏蔽效能结果如下图6所示，图中wpz表示纬平针织物，szd表示双珠地网眼组织织物。

图6 组织结构对织物屏蔽效能的影响

由图6可知，四种织物组织结构屏蔽效果趋势相似，最佳屏蔽频率段大概在0.5GHz～1.5GHz范围内。其中双珠地网眼组织峰值最高，即屏蔽效果最好，其最大屏蔽效能在0.66 GHz达20.38 dB，可满足民用要求[15]；1+1罗纹组织屏蔽效果最差，但其屏蔽频率段在0.75GHz～1.5GHz范围内也可屏蔽掉至少90 %的电磁波，最佳屏蔽效能可达14.14 dB；纬平针组织和4 mm移圈组织屏蔽效能峰值相近，屏蔽效能介于双珠地网眼组织和1+1罗纹组织。

纬编针织物的屏蔽效能受织物组织结构影响明显，综上实验测试结果，双珠地网眼组织结构最优，纬平针结构和4 mm移圈结构类似并次之，1+1罗纹组织屏蔽效果最差。双珠地网眼组织虽然有网孔结构，但因其编织方式不同，网孔结构在厚度方向错综排列，使得织物成品厚度有所增加，可见厚度对织物屏蔽效果影响明显。4 mm移圈组织是在纬平针组织基础上通过移圈编织形成的，组织结构相类似，且没外界力拉伸网孔结构不明显，因此两种组织屏蔽效果相近。1+1罗纹组织结构松散，网孔较大，对电磁波屏蔽能力较差。

2.1.3 网孔大小对织物屏蔽效果影响

为探究网孔大小对屏蔽效能的影响，通过移圈织造网孔针织物，网孔均匀分布，并通过移圈的针数来控制网孔的大小，分别测试10 %、20 %、30 %不锈钢纤维含量下不同网孔尺寸屏蔽效能，如下图7～图9所示。

图7 网孔尺寸对10 %不锈钢纤维含量针织物屏蔽效能的影响

图8 网孔尺寸对20 %不锈钢纤维含量针织物屏蔽效能的影响

图9 网孔尺寸对30 %不锈钢纤维含量针织物屏蔽效能的影响

由图7可以看出，10 %不锈钢纤维含量网孔织物中，三种尺寸网孔织物屏蔽效能峰值点的频段相近，峰值频率在0.46 GHz左右，其屏蔽效能在17.5dB～18.5dB之间。

由图8可知，20 %不锈钢纤维含量三种网孔织物最大屏蔽效能点即峰值出现的频率段相近，约为0.45 GHz，与10 %不锈钢纤维含量网孔织物相近，最佳屏蔽效能介于18dB～18.5dB之间，在0.5GHz～1.7GHz屏蔽效能差异不大。

图9可知，3 mm和4 mm网孔织物最大屏蔽效能点即峰值出现的频率段相近，为0.85 GHz左右，2 mm网孔织物的峰值点为1.1 GHz。在频率2.6GHz到3GHz网孔大小对屏蔽效能的影响不大。

在低不锈钢纤维含量情况下，实验测试中不锈钢纤维含量在10 %～20 %之间，网孔大小对屏蔽效能影响不明显，可能测试操作中，不能保证网孔结构完全一致，且网孔结构是在纬平针结构基础上移圈产生，不同尺寸网孔组织中重复的纬平针组织比例较大，使得网孔大小影响不明显，适当改变网孔分布问题，会在后续实验继续探讨。当不锈钢含量增加，实验中不锈钢纤维含量为30 %时，网孔织物的有效屏蔽频率范围变宽，网孔大小影响明显，2 mm尺寸网孔在1GHz～1.5GHz屏蔽效果优于其他两种网孔尺寸，2 mm网孔结构屏蔽频率高于3 mm和4 mm网孔结构。

2.1.4 度目大小对织物屏蔽效果影响

为了探讨度目大小对织物屏蔽效能的影响，测试30 %不锈钢纤维含量纬平针组织和1+1罗纹组织屏蔽效能，度目大小为变量。其中度目表示线圈大小的松紧度，度目数字越大，织物越松散；度目越小，织物越紧实。测试结果如下图10和图11所示。

图10 度目大小对纬平针组织的影响

图11 度目大小对1+1罗纹组织的影响

由图10可知，纬平针组织中，度目为75时，频率1.84 GHz时达到其屏蔽效能峰值12.14 dB；度目为84时，频率在1.07 GHz时其最大屏蔽效能16.35 dB；度目为92时，频率在0.81 GHz时达到其最大屏蔽效能16.5 dB。纬平针结构中，度目范围在75～92之间时，度目数越大，即织物结构越松散，织物屏蔽效能峰值频率越低。且织物越紧，屏蔽效能越差，可能因为织物越紧，形成织物的厚度越薄，可见屏蔽材料厚度是影响屏蔽效能的明显因素。

由图11可知，1+1罗纹组织中，度目为75时，屏蔽效能在频率0.99GHz时达到峰值14.49dB；度目为84时，1+1罗纹织物屏蔽效能在频率0.94GHz时达到屏蔽效能最大值14.14 dB；度目为92时，屏蔽效能在频率0.99 GHz时达到峰值14.17dB。上述可知，度目大小在75～92范围时，度目大小变化对1+1罗纹组织屏蔽效能影响不大。

2.2 纱线毛羽性能分析

使用毛羽测试仪，测量纱线表面的毛羽长度和不同长度毛羽频数，得到三种不锈钢纤维混纺纱线不同长度表面毛羽频数比，如下表1所示。

表1 不锈钢纤维含量毛羽频数表

由表1可知，不锈钢纤维混纺纱线短毛羽频数最大，表面粗糙，纱线之间摩擦力较大，可顺利进行编织。三种不同不锈钢纤维含量混纺纱线中，7mm～9mm长毛羽含量均较少，有害毛羽较少，会提高织物成品质量，因为3 mm及以上长度毛羽会在织造过程中出现断纱、疵点等问题。

2.3 纱线回潮率性能分析

三种不锈钢混纺纱线的回潮率见下表2，

表2 三种不锈钢纤维混纺纱线的回潮率

由上表2可知，30 %不锈钢纤维混纺纱线回潮率最高，纤维的实际回潮率=(纤维湿重-纤维干重)/纤维干重×100 %，该纱线为不锈钢纤维、棉纤维和涤纶纤维混纺纱线，可能30 %不锈钢纤维混纺纱线中，回潮率为8.5 %的棉纤维含量较20 %和10 %纱高，回潮率为0.4 %的涤纶纤维含量较低。采用不锈钢纤维、棉纤维和涤纶纤维混纺纱线，使得织物在具备电磁屏蔽效能的同时，还有较强的吸湿性能，保证其舒适性，且涤纶纤维的使用可增强其纱线强力和降低成本。

3 结论

(1)网孔尺寸为2 mm屏蔽效能最佳，在10MHz～1GHz频率段，最大屏蔽效能为18.45 dB。

(2)纬平针组织的度目约为92时，电磁波频率在10 MHz～3 GHz范围内屏蔽效能最好，而1+1罗纹组织度目对电磁屏蔽效能几乎没有影响。

(3)在10MHz～1 GHz时，双珠地网眼组织织物屏蔽效能优于纬平针组织、1+1罗纹组织、移圈网孔织物组织；在1GHz～1.5 GHz时纬平针织物的屏蔽效果最好；在1.5GHz～3 GHz时，1+1罗纹织物的屏蔽性较好。

(4)纱线中不锈钢纤维含量10 %和20 %的屏蔽效能差别不大，其有效屏蔽频率段为0.3 GHz ～1.2 GHz，有效电磁屏蔽频段小于30 %不锈钢纤维含量织物；30 %不锈钢纤维含量织物在0.8 GHz～1.8 GHz频率段屏蔽效能优于10 %和20 %不锈钢纤维含量织物。

(5)三种不锈钢纤维混纺纱线的毛羽主要为1mm～3mm短纤维，几乎没有4 mm～9 mm中长纤维，可织性良好；纱线回潮率在2.88 %～3.52 %，织物成品舒适性较好。