芳纶/不锈钢纤维混纺机织物电磁屏蔽性能研究

黄华友， 吴依琳， 倪海燕， 彭 淋， 王顺光， 李永贵,2⋆

(1. 闽江学院服装与艺术工程学院， 福建 福州350108； 2. 福建省新型功能性纺织纤维及材料重点实验室， 福建 福州350108； 3. 内蒙古工业大学轻工与纺织学院， 内蒙古 呼和浩特010080）

0 引言

对人类生活环境有影响的电磁辐射分为天然电磁辐射和人为电磁辐射两种[1]。 天然电磁辐射类包括大自然引起的如雷、 电一类的电磁辐射， 而人为电磁辐射污染则主要包括脉冲放电、 工频交变磁场、 微波、 射频电磁辐射等。超过0. 2 微特斯拉以上电磁辐射就会对人体健康产生一定的隐患， 症状表现为眼睑肿胀、 眼睛充血、 皮肤过敏等。 为了降低电磁辐射对人体的危害和对仪器设备造成的干扰， 电磁屏蔽技术和屏蔽材料应运而生。

目前， 已市场化的电磁屏蔽织物主要分为以下几种： 金属镀层织物、 导电涂层织物和金属纤维混纺织物[2]。 金属镀层织物屏蔽效果好，但其镀层不耐水洗， 且易氧化[3-4]。 导电涂层织物屏蔽效能相对较差， 仅可作为电磁波反射低的柔性电磁屏蔽材料[5]； 金属纤维织物的屏蔽效果好且持久， 但其舒适性差[6-7]。 为了得到屏蔽性能优异、 高附加值且环保的电磁屏蔽织物，人们多采用金属纤维与普通纤维混纺的方法，来制备金属纤维混纺电磁屏蔽织物。 例如， 采用不锈钢纤维/腈纶/棉混纺纱织造服用性能较好的电磁屏蔽机织物[8]； 将不锈钢纤维与丙纶混纺可制成性能较好的机织物[9]； 把碳纤维与不锈钢纤维混纺成纱并织成机织物， 再将该织物与聚丙烯薄膜进行层压复合[10]； 通过针刺法将不锈钢纤维与涤纶混纺制成非织造布[11]； 通过上述方法均可得到综合性能较好的电磁屏蔽织物。

现不锈钢纤维制备技术已较为成熟， 其价格相对其他金属纤维稍低， 而芳纶具有高模高强以及阻燃的优点。 因此， 本试验采用芳纶/不锈钢纤维混纺纱制备高性能电磁屏蔽机织物，通过改变组织结构、 织物厚度和织物叠合角度，研究电磁屏蔽织物的影响因素， 为电磁屏蔽织物的开发提供参考。

1 试验

1. 1 试验设备

试验所用主要仪器设备为： SLo - 01 半自动织样机 （天津市嘉诚机电设备有限公司）、Y511B 织物密度分析镜 （温州大荣纺织仪器有限公司）、 YG (B) 141D 数字式织物厚度仪 （温州大荣纺织仪器有限公司）、 DR - 913G 型织物防电磁辐射性能测试仪 （温州大荣纺织仪器有限公司）、 INSTRON 5566 万能材料试验机 （上海胥元机械有限公司）、 YG (B) 815D - I 织物阻燃性能测试仪 （温州大荣纺织仪器有限公司）、HS - B24 型全自动电脑控制高温试样机 （鹤山精湛染整设备有限公司）。

1. 2 试验材料

所采用的纱线为芳纶/不锈钢纤维混纺纱（福建强纶新材料有限公司）， 混纺比为63/37，纱线线密度为97. 2 tex。

1. 3 样品制备方法

采用半自动织样机织造不同组织结构的电磁屏蔽织物， 分别为平纹织物、 1/2 斜纹织物、5/3 经面缎纹织物。 织物规格如表1 所示。

表1 织物规格

1. 4 测试方法

1. 4. 1 电磁屏蔽性能测试

根据GB/T 30142 - 2013 平面型电磁屏蔽材料屏蔽效能测试方法， 对样品的屏蔽效能进行测试。 根据GB/T 26667 - 2011 电磁屏蔽材料术语中的2. 7. 1 规定： 屏蔽效能SE 通常为负值，但习惯用其绝对值。 无试样遮挡时SE 值为0，SE 值越大， 说明防电磁辐射效果越好。

1. 4. 2 阻燃性能测试

根据GB/T 5455-2014 纺织品燃烧性能垂直方向， 损毁长度、 阴燃和续燃时间的测定， 对样品的阻燃性能进行测试。 用规定的点火器产生的火焰， 对垂直方向的试样底边中心点火， 点火时间为12 s。 到点火时间后， 点火器移开并熄灭火焰， 记录续燃时间和阴燃时间， 并测量损毁长度。

1. 4. 3 拉伸性能测试

根据GB/T 3923. 1 - 2013 纺织品 织物拉伸性能 第1 部分： 断裂强力和断裂伸长率的测定（条样法） 方法， 对样品的拉伸性能进行测试。从样品上剪取试样 （一组经向， 一组纬向）， 调整仪器夹持距离， 根据织物单位面积重量确定张力值， 根据预加张力选用张力夹， 测定织物的断裂强力和断裂伸长率。

1. 4. 4 耐水洗性能测试根据GB/T 3921 - 2008 纺织品耐皂洗试验（方法C： 温度60 ℃， 时间30 min/次）。 将4 个装有平纹试样的容器同时放入已预热至试验温度的装有肥皂和无水碳酸钠混合液的装置内。在规定时间和温度条件下进行机械搅动， 每5次程序结束后均取出一个试样， 直至20 次水洗程序结束， 最后取出的试样进行了20 次的水洗。 试样经清洗和干燥， 以原样作为参照样，对比织物的电磁屏蔽效能的变化。

2 结果与讨论

2. 1 芳纶/不锈钢纤维混纺机织物的电磁屏蔽性能

2. 1. 1 织物组织结构对电磁屏蔽性能的影响

不同组织结构的织物在30 ～3 000 MHz 范围内的屏蔽效能曲线如图1 所示。 由图1 可知，平纹织物的电磁屏蔽效能最好， 缎纹织物最差。根据电磁波的传递性， 结构越完整、 连接性越强的组织面料， 在电磁波到达织物表面时， 一部分电磁波被反射， 而剩下的通过织物纱线间的连接进行传导， 也就是所谓的吸收。 在三原组织织物中， 平纹织物表面最为平整， 浮长短，纱线间空隙小， 电磁波不易透过。 斜纹组织的浮长及纱线间的空隙介于平纹和缎纹之间， 导致斜纹的屏蔽性能不如平纹， 但优于缎纹。 缎纹浮长最长， 结构疏松且形成的空隙大且多，造成了缎纹的电磁屏蔽效能最差。

图1 织物电磁屏蔽性能

2. 1. 2 织物厚度对电磁屏蔽性能的影响

将三种样布分别进行叠合， 得到单层、 双层、 三层、 四层织物， 并测试其电磁屏蔽性能。由图2 可知， 不同层数织物的电磁屏蔽效能关系为： 四层织物＞三层织物＞双层织物＞单层织物。 其原因是： 依据Schelkunoff 电磁屏蔽理论，电磁波在穿过屏蔽体时产生能量损耗而发生衰减， 这种能量损耗可以分成两个部分： 反射损耗和吸收损耗。 当电磁波穿过一层屏蔽体时要经过两个界面， 发生两次反射损耗和一次吸收损耗； 穿过两层屏蔽体时要经过四个界面， 发生四次反射损耗和两次吸收损耗； 依此类推。而且， 电磁波在屏蔽材料中传播时， 会有一部分能量转换成热量， 导致电磁能量损失。 再者，随着织物厚度增加， 电磁波入射深度增加， 电磁波强度会随之以指数关系衰减。

图2 不同厚度的织物电磁屏蔽性能

2. 1. 3 织物叠合角度对电磁屏蔽性能的影响

将三种样布分别按照0°、 45°、 90°方向两两叠合， 并测试其电磁屏蔽性能， 结果如图3 所示。 由图3 可知， 两块相同规格的织物以45°角叠合的电磁屏蔽效能优于以0°及90°角叠合的织物。 这是因为织物以45°角叠合， 经纬纱交错次数多， 形成的网孔间隙最小， 孔隙率明显减小，电磁波透过率减少； 而0°和90°叠合时电磁屏蔽性能相近， 这是因为0°与90°相比， 相当于经纬纱互换， 网孔间隙几乎不变。

图3 不同叠合角度的织物电磁屏蔽性能

2. 2 电磁屏蔽织物的阻燃性能

根据GB/T 17591 - 2006 阻燃织物B1 级的考核指标燃烧性能要求， 阻燃防护服用织物应满足： 损毁长度≤150 mm， 续燃时间≤5 s，阴燃时间≤5 s， 无熔融、 滴落现象。 如表2 所示， 所测试样在点火结束后没有续燃的现象，损毁长度较短， 阴燃时间略长， 无熔融、 滴落。说明本试验所用的芳纶/不锈钢纤维混纺机织物的阻燃性能好。

表2 面料阻燃性能

2. 3 电磁屏蔽织物的拉伸性能

如表3 所示， 本试验所用织物材料为芳纶/不锈钢纤维混纺纱， 纱线本身就具有很高的拉伸强度， 织物撕裂强力大， 拉伸撕裂性优异。在织物材料相同的情况下， 平纹和缎纹的撕裂强力明显高于斜纹。

表3 面料拉伸撕裂性能

2. 4 电磁屏蔽织物的耐水洗性

图4 水洗后的织物电磁屏蔽效能

如图4 所示， 经多次水洗后的样布， 其电磁屏蔽性能几乎不受影响。 本试验所用芳纶/不锈钢纤维混纺纱在洗涤过程中金属材料几乎不脱落， 因此， 经过水洗的织物的电磁屏蔽性能无明显变化。

3 结论

（1） 芳纶/不锈钢纤维混纺机织物具有较好的电磁屏蔽性能， 织物组织结构、 厚度和叠合角度对其电磁屏蔽效能都有一定的影响。 平纹织物的电磁屏蔽效能最佳， 斜纹次之， 缎纹最差； 多层织物中， 叠合层数越多， 织物电磁屏蔽效能越高。 而通过不同角度叠合的织物中，45°角叠合的织物屏蔽效能最高， 而0°和90°叠合时电磁屏蔽性能相近。

（2） 芳纶/不锈钢纤维混纺机织物在点火结束后没有续燃的现象， 阴燃时间略长， 损毁长度较短， 具有较好的阻燃性能。

（3） 芳纶/不锈钢纤维混纺机织物具有很高的拉伸强度， 拉伸性能优异， 能够用于制备高性能纺织品。

（4） 芳纶/不锈钢纤维混纺机织物经多次水洗后， 电磁屏蔽性能无明显变化， 具有优异的耐水洗性能。