服装开口对电磁屏蔽效能的影响

2021-05-25徐立双王利君

毛纺科技 2021年5期

徐立双,许蕾,王利君,2

(1.浙江理工大学服装学院,浙江杭州 310018; 2.浙江理工大学浙江省服装工程技术研究中心,浙江杭州 310018)

随着电子产品的不断普及,生活中电磁波环境日益恶化,电磁屏蔽服装能够有效地保护人们不受电磁波影响,避免电磁辐射的危害,因此穿着电磁屏蔽服装成为方便可行的选择[1]。为了满足服装的穿着性能要求,电磁屏蔽织物不可避免地产生孔洞和较大的缝隙,增加了电磁波进入服装的可能性,间接降低了服装的屏蔽效能[2-3]。 Kurokawa S[4]认为不同款式服装形成的孔洞对服装屏蔽效能有显著影响。李帅等[5]认为织物的孔径越大屏蔽效果越差。伏广伟等[6]认为服装的领口、袖口、门襟局部开口面积越大,服装的电磁屏蔽效能越低。刘哲等[7]控制领围不变,在相同的测试频率下,分析了领型对服装屏蔽效能的影响,得出圆领的屏蔽效能要低于立领和翻领,海军领要低于坦领。张丽丽等[8]分析了面料本身的厚度、方块电阻、导电率与面料屏蔽效能的关系,并建立了仿真模型,可以预测面料的屏蔽效能。周颉天等[9-10]认为吸波型电磁屏蔽面料实用性强、适用范围广、穿着舒适感较好,但屏蔽效能不佳;反射型电磁屏蔽面料屏蔽效能好、力学性能佳,但成本较高、加工工艺难。

综上所述,服装电磁屏蔽效能不仅受服装局部开口大小的影响,也受服装所用面料屏蔽效能的影响。本文选用3 种不同的电磁屏蔽面料,设计不同开口结构参数,从服装整体结构角度分析服装开口大小对服装屏蔽效能的影响,建立服装屏蔽效能的预测模型。

1 试验

1.1 材料与仪器

50%镀银机织物、100%镀银机织物、自制聚吡咯/棉纤维复合织物。其中镀银纤维织物规格如表1所示。

仪器:电子天平、恒温水浴锅、恒温烘箱、搅拌棒、量筒、移液枪、YG(B)141D 数字式织物厚度仪、数字万用表、FY800 织物防电磁辐射性能测试仪、R&S© SMB100 A 信号发生器、R&S © FSL3 频谱分析仪(温州方圆仪器有限公司)。

常温下采用液相化学氧化法以府绸(基本参数见表1)为基布、FeCl3为氧化剂、对甲苯磺酸为掺杂剂,制备聚吡咯/棉纤维复合织物。其制备工艺流程如图1所示[11]。

图1 制备工艺流程

表1 试验用织物规格

1.2 服装款式的确定

为尽量减小或避免因服装开口带来的天线效应,选择开口较小且无门襟的服装款式进行试验,电磁屏蔽服装款式图如图2 所示。结合服装款式特点,以日本文化式女装原型规格(衣长64 cm、肩宽42 cm、胸围96 cm、袖长58 cm)为基础,进行样衣的设计。

图2 电磁屏蔽服装款式图

为保证领口、下摆、袖口部位的尺寸稳定性选择具有良好弹性的100%镀银纬编针织面料。衣身部位的面料按照表2、3 的方案进行选择。

表2 电磁屏蔽服装结构因素水平表

表3 试验样衣设计表

1.3.2 试验样衣设计

原型上衣中前领宽度、深度分别为6.9、7.4 cm,后领口深度为2.3 cm,对各领口参数分别以1.5、2.0、1.5 cm 设置3 种不同大小的领口;原型上衣的下摆围度是96 cm,以3 cm 为区间设置3 种不同的下摆围度,服装结构设计如表2 所示。

以领口大小、下摆围度、服装面料3 个因素为研究对象,分别分析各因素对服装电磁屏蔽效能的影响,同时为达到试验对比过程中控制其他因素水平的目的,每个因素各设计3 水平,按照表3 缝制9 件电磁屏蔽服装。

1.3 试验方案

1.4 测试及结果

1.3.1 结构因素设计

领口、下摆作为服装必不可少的开口结构因素,其在满足服用性的同时也很大程度上影响服装的电磁屏蔽效能。

目前电磁屏蔽面料主要有2 种:第1 种是反射型金属类防电磁辐射织物;第2 种是吸收型表面经过特殊处理的织物。单层金属类电磁屏蔽面料存在穿着舒适性差的缺点,单层吸收型织物电磁屏蔽效能不够理想[10]。因此本文选择100%镀银织物作为第1 种面料,自制吸波型聚吡咯/棉纤维复合织物作为第2 种面料,在此基础上以镀银织物为外层、聚吡咯/棉纤维复合织物为内层制作双层电磁屏蔽面料。内层聚吡咯/棉纤维复合织物提高舒适性的同时,可以吸收进入服装内部的电磁波,提高服装整体的屏蔽效能,同时也抑制了电磁波的二次污染。双层电磁屏蔽面料作为第3 种面料。

日常的工作、学习、生活接触到的电磁波频率段主要为800～2 600 MHz,其中800～960 MHz 为移动设备的主要频率段,2 300 ～2 600 MHz 为无线网络信号频率段。根据GB/T 23463—2009 《防护服装微波辐射防护服》测试标准,为确保试验的准确性,在移动设备频率段和无线网络设备频率段内,选择800、850、900、915、950、1 000、2 350、2 400、2 450、2 500、2 550、2 600 MHz 共12 个测试频率点。

按照国际标准,在3 m 电磁屏蔽暗室对电磁屏蔽服装胸部和腹部进行屏蔽效能测试[12-13],并计算电磁屏蔽服装整体的屏蔽效能。

SE = (SE胸部+ SE腹部)/2

式中:SE 为电磁屏蔽服装整体屏蔽效能, dB;SE胸部为服装胸部电磁屏蔽效能, dB;SE腹部为服装腹部电磁屏蔽效能, dB。

测试3 种面料在频率点下的屏蔽效能,不同面料的屏蔽效能如表4 所示。

表4 不同面料的屏蔽效能 dB

2 结果与分析

2.1 结构因素对电磁屏蔽效能的影响

2.1.1 领口大小

根据表3,1#、2#、3#样衣领口大小为水平1,4#、5#、6#样衣领口大小为水平2,7#、8#、9#样衣领口大小为水平3,以3 件样衣在每个测试频率点的电磁屏蔽效能的平均值作为该领口水平在测试频率点的电磁屏蔽效能(1#、2#、3#样衣在800 MHz 的电磁屏蔽效能的平均值作为领口水平1 下800 MHz 的样衣电磁屏蔽效能),得到电磁屏蔽服装在测试频率点的屏蔽效能如图3 所示。

由图3 可知,随着测试样衣领口开宽开深,领口变大,电磁屏蔽服装屏蔽效能在移动设备和无线网络频率段下整体呈下降趋势。理想电磁屏蔽服装完整且闭合,但为满足服用性需求领口处会不可避免地产生直径远大于电磁波波长的较大孔洞,使得电磁波透过孔洞对人体带来伤害。电磁波通过领口进入服装内部的概率随着服装领部开口引起的暴露面积的增大而增大,即领口越大,暴露面积越大,电磁波越容易进入服装内部,对人体造成伤害。

图3 领口大小与服装屏蔽效能的关系

2.1.2 下摆围度

根据表3,1#、4#、7#样衣在每个测试频率点的电磁屏蔽效能的平均值作为下摆围度90 cm在测试频率点的屏蔽效能,2#、5#、8#样衣作为下摆围度93 cm在测试频率点的屏蔽效能,3#、6#、9#样衣作为下摆围度96 cm 在测试频率点的屏蔽效能。得到不同下摆围度的电磁屏蔽服装在测试频率点的屏蔽效能, 下摆围度与服装屏蔽效能的关系如图4 所示。

图4 下摆围度与服装屏蔽效能的关系

由图4 可知,电磁屏蔽服装的屏蔽效能在移动设备频率段呈波动性下降,在无线网络设备频率段接近直线下降。通过比较在测试频率点的切线斜率发现服装的整体屏蔽效能在915 ～1 000 MHz 以及2 350 ～2 450 MHz 频率段明显下降,在800 ～900 MHz以及2 450～2 500 MHz 下降速率变缓。下摆围度增大,导致下摆形成的孔洞面积变大,电磁波的泄露变高。服装整体的电磁屏蔽效能随着下摆围度的增大呈下降趋势。

2.1.3 服装面料

根据表3, 1#、6#、8#样衣在每个测试频率点的电磁屏蔽效能的平均值作为聚吡咯/棉纤维复合织物在测试频率点的屏蔽效能,2#、4#、9#样衣作为100%镀银织物在测试频率点的电磁屏蔽效能,3#、5#、7#样衣作为聚吡咯/棉纤维+100%镀银织物双层面料的电磁屏蔽效能。得到3 种不同面料制作的电磁屏蔽服装样衣在测试频率点的屏蔽效能, 服装面料与服装屏蔽效能的关系如图5 所示。

图5 服装面料与服装屏蔽效能的关系

由图5 可知,3 种面料的电磁屏蔽服装在移动设备和无线网络频率段下的屏蔽效能均呈现下降趋势,且在这2 个频率段镀银织物服装的电磁屏蔽效能要优于其他2 种织物的服装。在移动设备频率段,3 种织物服装屏蔽效能均呈下降趋势,聚吡咯/棉纤维复合织物服装下降最快,其次是双层织物服装,镀银织物服装下降最慢。在无线网络频率段,聚吡咯/棉纤维复合织物服装和双层织物服装电磁屏蔽效能的下降趋势、下降程度大致相同,镀银织物服装的屏蔽效能下降速率较其他2 种织物服装缓,呈波动下降。

电磁波随着电磁频率的增大其具有的能量增大,使得聚吡咯/棉纤维复合织物对电磁波的共振吸收能力降低。聚吡咯/棉纤维复合织物服装的屏蔽效能在900 ～915 MHz 下降尤为显著,在2 450 ～2 500 MHz下降显著。试验中采用的双层电磁屏蔽面料,外层镀银纤维织物反射掉一部分能量,因此双层织物的电磁屏蔽服装在950～1 000 MHz频率段的屏蔽效能下降最明显,在2 500 ～2 550 MHz频率段的屏蔽效能下降次之。镀银织物对电磁波的反射损耗也随着电磁频率的增大而降低,因此镀银织物服装的屏蔽效能在2 500 ～2 600 MHz频率段下降最多,速率最快。

2.2 电磁屏蔽服装屏蔽效能的预测模型

上文中已经对影响服装电磁屏蔽效能的开口因素进行了分析。为研究服装结构因素以及电磁波频率对服装屏蔽效能的具体影响,分别建立移动设备和无线网络设备频率段服装电磁屏蔽效能的预测模型,移动设备频率段、无线网络频率段服装屏蔽效能预测模型分别如表5、6 所示。

表5 移动设备频率段服装屏蔽效能预测模型

由表5 可知,移动设备频率段下服装屏蔽效能预测模型的调整R2为0.883,F 检验统计量为101.361,说明模型拟合良好。根据各因素回归系数绝对值可知:移动设备频率段下服装开口各因素对屏蔽效能影响排名:领口大小＜电磁波频率＜面料的屏蔽效能＜下摆围度。

电磁屏蔽服装在移动设备频率段屏蔽效能的预测模型为:

SE =- 0.021f - 0.520s - 0.013t + 0.356SEm+67.985

式中:SE 为服装屏蔽效能,dB;f 为电磁波频率,MHz;t 为领口大小,cm;SEm为面料的屏蔽效能,dB;s 为下摆围度,cm。

表6 无线网络频率段服装屏蔽效能预测模型

由表6 可知,无线网络频率段下服装屏蔽效能预测模型调整R2为0.869,F 检验统计量为88.953,说明模型拟合良好。根据各因素回归系数绝对值可知:无线网络频率段下服装开口各因素对屏蔽效能影响排名为领口大小＜电磁波频率＜面料的屏蔽效能＜下摆围度。

电磁屏蔽服装在无线网络频率段屏蔽效能的预测模型为:

SE =- 0.015f - 0.051s - 0.010t + 0.191SEm+92.687式中:SE 为服装屏蔽效能,dB;f 为电磁波频率,MHz;t 为领口大小,cm;SEm为面料的屏蔽效能,dB;s 为下摆围度,cm。

2.3 检验校验

为观察所建模型的准确性与实际应用性,另外选取50%镀银纤维织物与聚吡咯/棉纤维复合织物2 种面料,同时以2 种面料组成的双层织物作为第3种电磁屏蔽面料,为保证验证过程的完整性,结合前文中的试验方案,另缝制3 件结构参数不同的电磁屏蔽服装,试验样衣结构参数如表7 所示,测试其电磁屏蔽效能,并将实测值与预测值进行比较,如图6～8所示。