莱赛尔金属复合织物的制备及其电性质

陈安邦 李婷婷 彭浩凯 王艳婷 林佳弘

（1.福建长源纺织有限公司，福建福州，350108；2.天津工业大学，天津，300387）

1 研究背景

中国在2000 年后大量使用粘胶纤维，至2019年粘胶纤维的使用量达到400 多万t。但粘胶纤维制备过程中大量使用强碱、二硫化碳，导致产生大量有害气体与纺丝后的酸性污水，将会对生态环境造成严重破坏［1-3］。莱赛尔纤维是以木浆为原料，经N-甲基吗啉氧化物溶剂纺丝方法生产的一种新型纤维素纤维。生产过程无有害物质排放，对环境无污染，其中纺丝的溶剂回收率可达99.5%，可称为新型环保纤维［4-7］。近几年许多研究者对莱赛尔产品性能进行了系列研究［8-9］。

现今科技发展迅速，各种电子产品、无线通信系统、智能手机、无限传感器等得到大规模使用，包括生活中常接触到的高压线、雷达站、变电站等都是电磁辐射较高的设备，对其进行屏蔽防护已成一项重要工作。电磁辐射对人类的影响包括热效应、非热效应和累积效应。如果射频电磁辐射量在高强度与高密度下，人体不能承受由此产生的过多热量，生物组织将产生潜在损害风险［10-13］。

电磁波辐射传递时电磁波能量由于反射、吸收、多重反射等衰减。其中以反射方式的屏蔽材料最为常见，要求其有低电阻的特性，表面电阻率低于1×102Ω/cm2［14-15］。因此表面电阻率越低就越能获取好的反射电磁波辐射能力。许多研究对绝缘的平面材料进行表面导电化以加工制备屏蔽材料，包括导电高聚合物的涂层加工、金属化学气相沉积法、化学镀工艺等［16-19］，这些方法制备出的电磁波屏蔽材料存在导电特性不尽如人意或是长期使用将造成导电涂层的脱落等问题，使用寿命不理想。因先前研究显示，机织物组织结构较针织物有较好的电磁波屏蔽效能［20-22］。故本研究通过纺纱、织造方式来制备屏蔽织物，其中也添加莱赛尔纤维，使最终产品具有好的电磁波屏蔽效能与绿色环保性。

2 试验材料与设备

本研究以莱赛尔粗纱为包覆材料，以铜丝（以下简称Cu）、316L 不锈钢丝（以下简称SS）为导电材料，由多芯材纺纱喂入装置改变喂入金属丝根数，制备各种捻度复合纱。莱赛尔纤维（中纺院绿色纤维股份公司），长度39 mm，细度1.41 dtex。SS（元能股份有限公司），直径60 μm。Cu（金通铜铝股份有限公司），直径80 μm。

3 莱赛尔金属复合纱与织物的制备工艺

本研究利用莱赛尔纤维经过JWF1204A 型梳棉机（清梳联）、DV2-AL 型并条机、FA467E 型粗纱机制备出莱赛尔粗纱。因莱赛尔纤维强力高、含杂少、抱合力差，清梳联工序以“轻打，多松，少落”为原则，工艺上适度降低打手速度，棉条输出速度控制在120 m/min，棉网棉结0 粒/g～1 粒/g。生条干定量20.2 g/5 m。并条中棉条输出速度控制在300 m/min，粗纱工序中锭子转速800 r/min。

在试验用小样细纱机的上压力臂上加装张力控制器与导纱轮，见图1。金属丝放置于金属丝装置上，经张力控制器与罗拉的控制，与经过特定纺纱喂入装置的莱赛尔粗纱进行包覆，生产出莱赛尔不锈钢复合纱、莱赛尔铜复合纱和莱赛尔不锈钢铜复合纱。该机构相比传统环锭纺纱而言，可以同时喂入多根金属丝制备导电包芯纱，相比花式捻线机，该机构可直接喂入粗纱和金属丝进行包覆，转速高，生产效率明显提高。该机构后期也可以同时喂入功能性细纱、金属丝、碳纤维长丝等功能纱制备多功能导电包缠纱。

图1 纺纱喂入装置示意图

利用图1 机构改变喂入金属丝的根数，以莱赛尔粗纱为包覆材料制备三种复合纱。理论捻 度60 捻/10 cm、70 捻/10 cm、80 捻/10 cm、90 捻/10 cm、100 捻/10 cm，捻向为S 捻。

莱赛尔金属复合纱经过DWL 5016 型半自动织样机制成导电机织物。织物规格见表1。

表1 莱赛尔金属复合机织物规格

4 试验测试

4.1 拉伸强力

根据ASTM D2256《单线法测定纱线抗拉特性的标准试验方法》，使用HT-9101 型万能强力试验仪测试莱赛尔金属纱和莱赛尔金属复合机织物的拉伸性能。测量夹具之间的距离250 mm，拉伸速度300 mm/min，测试样品数量20 次。

4.2 表面电阻率

参照JIS L1094《机织品和针织品静电倾向的测试方法》，采用RT-1000 型表面电阻测试仪（OHM-STAT，USA）测量莱赛尔金属复合机织物的表面电阻率，于相对湿度35.6%和温度24.4 ℃的环境中测试。样品放置在一个绝缘板上，并通过一个5 磅的负载确保电极良好接触织物表面。每个样品测试20 次取平均值。

4.3 电磁波屏蔽效能

电磁波屏蔽效能根据ASTM D4935—10《平面材料的电磁屏蔽效果测定的标准试验方法》进行测试。电磁波屏蔽效应测试系统采用电磁屏蔽效益测试夹具，扫描频率范围自300 kHz 至3 GHz，此种测试方法的电磁波场型为远场平面波。需先以一个相同厚度的中空试片做为参考试片，测量其电磁屏蔽效能值（SERef），用来对测量仪器进行校正，再以导电复合梭织物做为待测物（SELoad），测量其电磁屏蔽效能值。实际电磁屏蔽效能值为SELoad减去SERef。

5 结果与讨论

5.1 莱赛尔金属复合纱的拉伸强力

莱赛尔金属复合纱的断裂强度测试结果见图2。由图2 可知，莱赛尔金属复合纱的断裂强度与加捻程度有关。莱赛尔不锈钢复合纱、莱赛尔铜复合纱和莱赛尔不锈钢铜复合纱随着捻度的提升（60 捻/10 cm～80 捻/10 cm）时，其断裂强度随之增加。当捻度超过80 捻/10 cm，断裂强度随之下降。这是因为捻度增加使得包覆材料内聚力增大包覆紧密，莱赛尔金属复合纱拉伸断裂强力提高，但当捻度超过80 捻/10 cm，莱赛尔金属复合纱轴向分力减小，成纱强力下降。因此三种复合纱，均选择80 捻/10 cm 的纱线用于制备机织物。

图2 各种捻度与芯材对莱赛尔金属复合纱强度的影响

5.2 莱赛尔金属导电织物表面电阻率

经测试，纯莱赛尔、Ly-SS、Ly-Cu、Ly-SS/Cu织 物 的 表 面 电 阻 率 分 别 为11 Ω/m2、3.88 Ω/m2、2.01 Ω/m2、1.14 Ω/m2。由以上数据可知，纯莱赛尔织物属于非导体的材料，有极高的表面电阻值；随着金属丝添加于织物中，Ly-SS、Ly-Cu 和Ly-SS/Cu 导电织物的表面电阻率都有着明显改善。表面电阻率越低代表织物拥有较好的导电性。其中可以发现Ly-Cu 较Ly-SS 有更低的表面电阻率，这是由于不锈钢相对于铜的导电系数只有0.022，而铜为1；添加两种金属丝的Ly-SS/Cu导电织物拥有最低的表面电阻率。

织物表面电阻仪测试表面导电性，除了与导电材料本身的电导率有关，也与测量仪的探针与织物表面接触的电导率有很大的关系。常见的静电消散材料的表面电阻率一般界于105Ω/m2～109Ω/m2，应用于电磁波屏蔽则选用电阻率小于105Ω/m2的材料［23］。

5.3 莱赛尔金属导电织物的电磁屏蔽效能

电磁波屏蔽效能依据ASTM D4935—10 进行测试。根据金属网屏蔽理论，织物的屏蔽效能主要是由金属丝之间的距离、金属丝的直径、金属丝单位长度的电阻和电抗、织物组织结构决定［24］。平纹织物由经纱和纬纱交织而成，相较于针织物有较高的紧密度，纱线间接触电阻要小于其他种类织物，导电纱在此结构能形成较好的导电网络，HUANG 等人也采用平纹组织研究织物电磁屏蔽效果［25-27］。

图3～图5 探讨改变芯纱金属丝的种类与根数以及莱赛尔金属导电织物的叠层层数对电磁波屏蔽效能的影响。导电织物在叠层角度为0°/0°/0°，仅仅改变织物层数（1 层～3 层）探究导电织物的屏蔽性能。从研究中可发现，随着织物层数增加，导电织物的屏蔽效能值增加。Schelkunoff电磁屏蔽理论中提到，屏蔽物的厚度增加，将提升吸收损耗，增加整体屏蔽效能［28］。

图3 Ly-SS 导电织物叠层数对电磁波屏蔽效能影响

图4 Ly-Cu 导电织物叠层数对电磁波屏蔽效能影响

图5 Ly-SS/Cu 导电织物叠层数对电磁波屏蔽效能影响

当电磁波入射波频率在高频1 800 MHz和2 450 MHz 时，其屏蔽效能比较低。因其相对应的波长逐渐变短，入射波较容易穿透电磁屏蔽材料上的狭缝，而产生所谓的漏波现象，造成电磁屏蔽效能值降低。但也因为经纬纱均为导电纱，交织所形成的屏蔽网络完整、稳定，衰减不甚明显。一般根据实际需要，对于大多数电子产品的屏蔽材料，入射波范围在30 MHz ～1 000 MHz，电磁波屏蔽效能达到35 dB 就认为是有效屏蔽，因此该导电机织物亦可用于一般工业或商用电子设备。

图6 为Ly-SS/Cu 导电织物在织物层数3 层，叠 层 角 度 分 别 为0°/0°/0°、0°/45°/90°、0°/90°/0°时，测得的电磁波屏蔽效能。

图6 Ly-SS/Cu 导电织物在不同叠层角度下的电磁波屏蔽效能

从图6 可知，叠层角度变化后对其电磁波屏蔽效能有些微提升。改变叠层角度的目的是使织物形成完整的屏蔽网络，这对于经纬纱只有一种为导电纱时影响较为显著，但对于经纬纱均为导电纱时，改变叠层角度对导电织物的屏蔽效果影响不显著。导电织物的屏蔽效果好坏主要取决于金属丝能否在织物中形成较为完整的屏蔽网络，屏蔽网络越完整，导电织物的屏蔽效果越好。当金属导电织物经纬纱均为导电复合纱时，经纬纱接触点可以形成完整的屏蔽网络，接触点越多，导电性越好，屏蔽效果越好。在图6 中发现，入射波频率在1 800 MHz～2 450 MHz 时，导电织物都可以维持有不错的屏蔽效能（40 dB ～50 dB），屏蔽率高达99.99%以上。

6 结论

（1）不同捻度的莱赛尔金属复合纱对其力学性能影响不同。复合纱的捻度提升到80 捻/10 cm 时，其断裂强度达到最大值，当捻度超过80 捻/10 cm，其断裂强度反而变差。

（2）金属丝添加于织物中对于Ly-SS、Ly-Cu和Ly-SS/Cu 导电织物的表面电阻率都有着明显改善。Ly-SS/Cu 导电织物有最低的表面电阻率。

（3）当机织物经纬纱均为导电纱，不改变织物叠层角度可以形成完整的屏蔽网络，导电织物单层时屏蔽效能的平均值在30 dB 以上，满足民生用、防护服装及屏蔽家用电器的要求。随着织物层数的增加，900 MHz～2 450 MHz 的入射频段内电磁波屏蔽效能可达40 dB～50 dB 及以上，屏蔽率高达99.99%。