呼吸性電磁屏蔽織物的開發＊

詹建朝 (嘉興學院,嘉興,314001)

呼吸性電磁屏蔽織物的開發＊

詹建朝 (嘉興學院,嘉興,314001)

基于織物化學鍍技術,對錦綸織物的聚氨酯涂層進行化學鍍鎳,開發出了呼吸性電磁屏蔽織物,對鍍鎳織物的功能性和服用性能進行了測試和分析。結果表明,鍍鎳織物具有良好的導電性、透濕性能、電磁屏蔽性能及耐用性等;隨著增重率的變大,電磁屏蔽性能、透濕性和導電性明顯改善,隨后變化趨緩。鍍層對織物的服用性能有不利影響,因此在滿足呼吸性和電磁屏蔽性能的前提下,應盡量減小鍍層厚度。

聚酰胺織物,聚氨酯涂層,化學鍍,電磁屏蔽,呼吸性,服用性能

為有效降低電磁輻射對人體和設備的危害,人們采用了許多防護方法,其中研發和應用防電磁污染新材料越來越受到人們的重視。化學鍍金屬織物是一種很好的電磁波屏蔽材料,它兼有金屬的導電、電磁波屏蔽特性和織物的柔軟、透氣等特性,作為一種電磁輻射防護的防護載體,正逐漸成為紡織研究的焦點[1-3]。

基于紡織品由單一功能向多功能發展的趨勢,本文對具有防水透濕特性的經聚氨酯(PU)涂層的錦綸織物進行化學鍍鎳的研究,旨在開發呼吸性(即吸濕透氣性)電磁屏蔽功能紡織品[4]。

1 化學鍍鎳 PU涂層織物的制備工藝

1.1 材料

織物:經 PU涂層的錦綸織物 (以下簡稱涂層織物),臺華特種紡織 (嘉興)有限公司提供,其規格參數如下:

經密:335根 /10 cm,緯密:265根 /10 cm;

面密度:82.5 g/m2;

織物組織:平紋。

主要化學試劑:氯化鈀、濃鹽酸、氯化亞錫、氯化鈉、碳酸氫鈉、六水合硫酸鎳、硫酸鈷、硫酸亞鐵、次亞磷酸鈉、檸檬酸鈉、硫酸銨,均為AR級。

1.2 制備工藝

織物表面化學鍍鎳技術比較成熟,但是在織物涂層 PU膜上鍍鎳還未有先例。本文對涂層織物鍍鎳,既要使其具備電磁屏蔽動能,同時也要使其保持 PU膜的吸濕透氣功能,這是較難的。難點在于鎳鍍層是在織物涂層 PU膜上,而不是織物上;要保證 PU膜上能鍍上鎳,同時對 PU膜的不利影響盡可能低。為解決上述難點,對織物 PU涂層膜一面采用特殊的粗化工藝,而不影響織物的另一面;另外把握好施鍍厚度,由施鍍時間控制。

PU涂層錦綸織物經過除油、粗化、活化敏化、施鍍制得化學鍍鎳 PU涂層錦綸織物(以下簡稱鍍鎳織物)。工藝流程如下所示:

涂層織物→丙酮除油→水洗→粗化→水洗→活化→水洗→解膠→水洗→還原處理→水洗→中和→化學鍍鎳→鍍鎳織物[5-8]

在上述的工藝流程中,要求保持布面平整,處理均勻。關鍵工藝參數如下。

(1)粗化條件與配方

HCl 8～12 ml/L

水浴溫度 30～50℃

時間 20～45 min

(2)膠體鈀溶液的配制

溶液一:

氯化鈀 0.24 g

濃鹽酸 8 ml

蒸餾水 8 ml

氯化亞錫 9.6 g

溶液二:

氯化鈉 128 g

蒸餾水 800 ml

將溶液一和溶液二混合,在磁力攪拌器上不停地攪拌,溫度保持在 45～60℃,時間為 2 h。

(3)解膠液

HCl 10 ml/L

溫度 40～45℃

時間 1 min

(4)還原液

次亞磷酸鈉 15 g/L

溫度 20℃

時間 3 min

(5)中和液

碳酸氫鈉 100 g/L

溫度 20℃

時間 3 min

(6)鍍液的配制

硫酸鎳 20～25 g/L

硫酸鈷 7～10 g/L

硫酸亞鐵 5～7 g/L

次亞磷酸鈉 25～30 g/L

檸檬酸鈉 55 g/L

硫酸銨 55.5 g/L

氨水 適量

溫度 80～90℃

pH值 9

2 鍍鎳前后織物的表面形態和性能變化

2.1 織物表面形態的變化

采用MOTIC顯微鏡觀測涂層織物鍍鎳前后的表面形態,比較其變化情況。從圖 1(a)可以看到,涂層織物表面有規則排列的小孔,此乃 PU薄膜微孔,起導濕透氣的作用,PU膜表面有一定的凸凹,比表面積較大,有利于水汽的吸收和傳遞。由圖 1(b)可見,施鍍后 PU膜表面沉積致密的金屬,通過對其成分進行分析得知為鎳鐵鈷合金鍍層,同時也可以觀察到由于金屬的沉積導致 PU膜上的微孔直徑變小,其吸濕透氣性受到一定的影響。

圖 1 化學鍍鎳前后織物的表面形態

2.2 鍍鎳織物的導電性

鍍鎳織物剪成 1 cm×10 cm的長條形試樣,用vc9806+萬用表測試其兩端電阻,正反兩面取平均值,每種試樣測試 5塊取平均值計算[9-10];用電子天平測試織物的增重率。由表 1可以看出,隨著增重率的增加,鍍鎳織物表面電阻逐漸減小,當增重率達到 72%左右時,其電阻變化不再明顯。原因是當織物表面還沒有完全被金屬包覆時,影響織物表面電阻的主要因素是鍍層金屬的含量;當鍍層金屬完全包覆織物后,金屬含量已不是影響織物表面電阻的主要因素了,此時影響鍍鎳織物表面電阻的主要因素是金屬鍍層的致密性、均勻性等。因此,本文實驗確定增重率以 72%左右為宜。

2.3 鍍鎳織物的電磁屏蔽性能

分別用涂層織物和不同增重率的鍍鎳織物包覆 YES-1394三軸磁場記錄表感應頭部,并與純屏電腦顯示器接觸,然后記錄包覆前后電磁場的變化情況[9-10]。

表1 鍍鎳織物不同增重率與導電性的關系

鍍鎳織物的電磁屏蔽性能由多種因素決定,它與金屬鍍層的厚度、鍍層的均勻性和鍍層的金屬類別等密切相關。對于同一種金屬,金屬鍍層的厚度是最主要的影響因素。鍍鎳織物不同增重率與電磁屏蔽性能的關系測試結果見表 2。

表2 鍍鎳織物不同增重率與電磁屏蔽性能的關系

從表 2中的數據分析可得,隨著鍍鎳織物增重率的增加,測得電磁場的強度值越來越小,即織物的電磁屏蔽性能越來越強。這是因為,隨著織物增重率的增加,織物的導電率也不斷提高,從而使織物的屏蔽性能逐漸增強。

2.4 鍍鎳織物的防水透濕性

2.4.1 防水性

采用 YG812型織物滲水性測試儀分別對涂層織物及其鍍鎳織物進行織物防水性能進行測試。結果表明不管是涂層織物還是鍍鎳織物都具有優良的防水性,基本上都沒有滲水出現。這是由于織物上的 PU涂層具有很強的拒水性,這也說明前處理和施鍍過程沒有對涂層產生大的損壞。

2.4.2 透濕性

采用LCK-131透濕量測定儀分別對涂層織物和鍍鎳織物的透濕性能進行測試,測試結果見表3。

透濕量按下式計算:

式中:W——織物透濕量[g/(h·m2)];

G——增重 (g);

t——測試時間 (h);

A——測試面積(m2)。

取試樣的 W平均值為透濕指標,并換算到g/(24 h·m2)單位。

表3 織物透濕性測試

由表 3可知所測織物總的透濕性都較好,鍍鎳后織物的透濕性略優于涂層織物的透濕性,但變化不大。原因是在前處理和施鍍過程中,PU涂層有輕微損壞,導致小孔變大或小孔增多,從而使透濕性增大;而隨著織物增重率的增加,其透濕性能逐漸變差,這是由于增重率越大其鍍層厚度越厚,鍍層覆蓋了涂層織物上的小氣孔。

2.5 鍍鎳織物不同增重率與鍍層厚度的關系

采用數字式織物厚度儀測試鍍鎳前后織物的厚度。鍍鎳織物不同增重率與鍍層厚度的關系如表 4[9-10]。

表4 鍍鎳織物不同增重率與織物厚度的關系

式中:k——鍍鎳織物增重率(%);

G2——施鍍前試樣的質量 (g);

G1——施鍍后試樣的質量 (g)。

鍍鎳織物增重率按以下公式計算:

從表 4可以看出增重率越大,鍍鎳織物也越厚,增重率 65.97%及以下時,鍍鎳織物厚度接近涂層織物厚度,當增重率超過 70%時,鍍鎳織物較厚。

2.6 鍍鎳織物不同增重率和織物硬挺度的關系

采用 YG(B)022D型自動織物硬挺度測驗儀測試鍍鎳織物的硬挺度。鍍鎳織物不同增重率和織物硬挺度的關系如表 5。

表5 鍍鎳織物不同增重率和織物硬挺度的關系(平均值)

由表 5可以看出,鍍鎳織物隨著增重率的增加抗彎剛度不斷增大,同時鍍鎳織物的增重率為61.31%時抗彎剛度小于涂層織物,當增重率超過65.97%時抗彎剛度大于涂層織物。原因是在施鍍前對涂層織物的 PU薄膜進行過鹽酸粗化處理,薄膜的平整性被鹽酸破壞,織物變得柔軟,增重量較小的鍍鎳織物抗彎剛度也較小;鍍鎳織物隨著越來越多金屬的沉積,其凸凹不平的表面被致密均勻的金屬層所覆蓋,抗彎剛度又逐漸變大。

2.7 鍍鎳織物耐磨性測試

采用往復式織物平磨儀測試織物表面電阻隨摩擦次數變化的情況,選用普通滌綸織物做磨料[9-10]。按照操作規章,把布樣裝好,每摩擦 50次測一次鍍鎳織物的電阻和電場強度,測 5組數據取平均值。由圖 2可以看出,該鍍鎳織物的耐磨性較好,在摩擦過程中電阻和電磁屏蔽效能的變化不大,但是在摩擦次數為 100～150次時電阻值上升得較快。這是由于在剛開始摩擦的時候,隨著摩擦次數的增加鍍層厚度雖然有些減小,但鍍層的均勻性沒有受到很大的影響,織物表面的電阻變化不是很大,隨著摩擦次數增加,織物表面鍍層厚度不斷減小,鍍層的均勻性受到破壞,織物表面電阻有了較為明顯的變化,由于電阻值的變大其電磁屏蔽能力也會下降,如圖 3。

圖 2 鍍鎳織物電阻和電場與摩擦次數的關系

圖 3 鍍鎳織物磁場強度與摩擦次數的關系

3 結論

(1)對經 PU涂層的錦綸織物進行化學鍍鎳制備成呼吸性電磁屏蔽織物,該織物具有優良的電磁屏蔽性能、防水透濕性能和導電性能。

(2)通過對增重率和電阻值的相關性研究表明,當增重率在 72%時鍍鎳織物表面電阻 5Ω左右,隨著增重率的繼續增大,鍍鎳織物表面電阻值變化不明顯。

(3)鍍層的耐磨性較好,在摩擦次數超過100次后,鍍鎳織物表面電阻上升得較快。

(4)通過對鍍鎳織物的硬挺度測試發現,增重率在 65%及以下,鍍鎳織物的厚度及柔軟性能較好。

4 應用及展望

化學鍍鎳 PU涂層錦綸織物同時具有普通化纖布類似的物理機械性能,又具有很好的吸濕透氣、導電、抗電磁輻射性能。該織物可經裁剪縫制做成各種防靜電和防電磁輻射的工作服和各種電子設備的屏蔽保護罩,因此被廣泛應用于國防、航天、航空、電子、電力、通訊、醫療等領域和部門。

鍍鎳織物制作屏蔽帳篷、簾、墻布等,可用于計算機房、控制中心和其他應用微波源的領域,保證電子設備的正常運行和減少電磁波對環境的污染;鍍鎳織物也可以像其他織物一樣縫制服裝、手套、帽子等使工作人員免受電磁波的輻射傷害,是一種理想的微波屏蔽材料。

鍍鎳織物還可制成表面加熱元件,用于特殊器件的表面加熱和嚴寒地區的御寒保溫用品。

在軍事和救援方面,鍍鎳織物是高效的微波反射材料,可制成反射雷達波的用品用具,如軍用帳篷、武器及彈藥庫等隱形材料。

呼吸性電磁屏蔽織物是一種經濟效益和社會效益俱佳的產業用紡織品,隨著科學技術的發展,其應用領域還會進一步拓寬,前景廣闊。

[1] 詹建朝,張輝,沈蘭萍.不同增重率的化學鍍銀電磁屏蔽織物的研究[J].表面技術,2006(3):25-27.

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Development of the respiratory electromagnetic shielding fabric

Zhan Jianchao (JiaxingUniversity)

On the base of technology of electroless plating on fabric,electroless nickel plating on the PU membarane of coated polyamide fabric was operated and the respiratory electromagnetic shielding fabric was developped.The functionality and wearability of electromagnetic shielding fabric was tested and analyzed.The results show that it has good electrical conductivity,water vapor permeability,electromagnetic shielding performance and durability and so on.W ith the weight increasing rate goes up,the shielding effectiveness,wapor per meability and electrical conductivity increases obviously,then prone to slow increment.The plated layer on fabric has an adverse effect on the wear perfor mance,so on the premise ofmeeting respiratory and electromagnetic shielding perfor mance,the thickness of plated layer shoud be decreased to the least extend.

polyamide fabric,polyurethane coating,electroless plating,electromagnetic shielding,respiratory, wear performance

TS195.59

A

1004-7093(2010)06-0006-05

＊嘉興市科技計劃項目 (2008AY2028);嘉興市重點實驗室非常規課題資助項目(84208001-B1)

2009-09-09

詹建朝,男,1981年生,講師。主要從事功能紡織品的研究與開發的教學和科研工作。