三維多元組合電磁防護織物研究與開發(fā)

敬 濤,謝光銀

(西安工程大學 紡織科學與工程學院,陜西 西安710000)

伴隨著電磁移動設備的廣泛應用,人們擔心會帶來很多危害[1-2],如何減少電磁輻射對人們造成機體與心理的傷害,早已被廣泛關注,故出現(xiàn)了眾多的防輻射產品。防輻射面料已經具有了輕薄柔軟、吸濕透氣、無副作用、可水洗、效果持久、服用性越來越好等新的特點[3]。本文探究了三維多元組合電磁防護織物的開發(fā),采用三維層間交錯接結的組織結構,可以將混合體系填充到織物內部,相比采用涂層或鍍膜的工藝與織物復合來達到增強防輻射的方法,可以解決涂層與金屬鍍膜不耐揉折、易脫落、不持久問題。

1 織物設計

1.1 設計構思

根據(jù)電磁屏蔽的原理[4],電磁波在遇到屏蔽材料會發(fā)生反射、吸收等多種現(xiàn)象。選擇低電阻、高導電具有電磁屏蔽的不銹鋼纖維[5]作為主要的原料,選擇自身間隔接結三層組織開發(fā)織物,利用含有金屬粉的剪切混懸液填充自身間隔接結三層組織織物;測試不同填充物質對其防電磁輻射功能的作用。

1.2 原料選擇

底層經緯紗采用56 tex芳綸包覆高強聚乙烯功能紗,主要是對三層織物起增強的作用,上面兩層經緯紗分別采用不銹鋼含量為30%和23%的56 tex滌綸不銹鋼混紡紗,表、中、里經緯紗排列比均為1∶1∶1。

1.3 織物結構

根據(jù)產品用途等要求對結構進行設計,間隔型結構三維組織可以通過接結紗的數(shù)量及結構的設計來滿足織物的要求[6]。通過注射的方法將剪切增稠液分散到多層織物的間隔空間內,需要考慮到以下幾點:

(1)織物在經向和緯向都要形成接結,構造一個封閉的“層間結構”。

(2)考慮到復合后,會呈現(xiàn)出類似中間高,四周低的形態(tài),為了減小這種狀態(tài),每兩層之間接結相互錯開形成層間交錯接結結構,其結構模型如圖1所示。

圖1 層間交錯接結結構模型

(3)剪切增稠液為膠體狀態(tài),織物的緊度不能太小,以防剪切增稠液滲出。

(4)由于織物經密較大,開口時經紗在機后會出現(xiàn)重疊、交纏、粘結在一起的情況,可以在后梁的前方加裝一個分層定位裝置,使不同層的經紗在各自的通道內通過,這樣經紗在進入綜眼之前就已經分層[7]。

1.4 上機參數(shù)

根據(jù)產品開發(fā)的目的對織物上機參數(shù)進行設計和計算,得到的最終上機工藝參數(shù)見表1。

表1 織物上機工藝參數(shù)

1.5 上機圖

圖2、圖3分別是以平紋為表、中、里層的基礎組織,采用下接上接結法形成經向接結,上接下接結法形成緯向接結,表、中、里經緯紗排列比均為1∶1∶1,最小單位組織循環(huán)數(shù)為96×96根構作的三層自身間隔接結織物的上機圖和經緯向接結紗的剖面圖。

注:√-第一層的經組織點;×-第二層的經組織點;Ο-第三層的經組織點;△-表經紗在中經和里經之上的提升,為經組織點;Λ-中經紗在里經之上的提升,為經組織點;↑-下接上接結法經紗的提升,為經組織點;↓-上接下接結法經紗的下沉,為緯組織點。

在做緯向剖面圖時,采用的是相對的方法,經紗下沉的位置與緯紗上浮是相對的。

2 剪切增稠液與織物復合

試驗所用原料及設備見表2。

配制了3組不同質量分數(shù)的剪切增稠液,見表3。往其中加入金屬粉的過程中,16%的剪切增稠液狀態(tài)比較稀,由于金屬粉密度比較大,會沉到杯底聚集;金屬粉在25%及其28%的剪切增稠液中能夠分散開來,不容易沉到杯底,但在25%里的金屬粉分散狀態(tài)更均勻穩(wěn)定,所以選擇把金屬粉加到25%的剪切增稠液里。在加金屬粉的過程中,選擇以金屬粉質量分數(shù)為1%依次進行遞加,同時用玻璃棒對其進行攪拌,在質量分數(shù)達到5%時,金屬粉就會聚集在一起,最后選擇加入3%的質量分數(shù)金屬粉。

圖3 經、緯向接結剖面

表2 試驗原料及設備

表3 剪切增稠液質量分數(shù)及相應質量

往盛有剪切增稠液的燒杯中加入少量的無水乙醇,對其進行稀釋。然后用注射器將剪切增稠液注入到“層間結構”中,將STF(剪切增稠液)復合織物放入到電熱鼓風干燥箱中干燥1 h左右,可以加速去除其中的無水乙醇。

對布樣做了3組不同的處理,分別為:

(1)1#布樣為原樣;

(2)2#布樣注射剪切液到織物空隙中;

(3)3#布樣將金屬粉混懸液注射到織物空隙中。

3 測試與分析

3.1 性能測試

利用同軸波導-網絡分析儀進行電磁屏蔽測試,頻段范圍為2.20～2.65 GHz,中心頻率為2.45 GHz,測試的樣品大小為11 cm×6.5 cm。屏蔽效果用屏蔽效能SE表示,單位為分貝(dB)。3塊布樣的經緯向電磁屏蔽性能測試數(shù)據(jù)經分析作圖4、圖5。

圖4 布樣經向電磁屏蔽效能

圖5 布樣緯向電磁屏蔽效能

3.2 數(shù)據(jù)分析

按照GB/T 23326-2009《不銹鋼纖維與棉滌混紡電磁波屏蔽本色布》[8]頻率范圍在0.01～3 000 MHz,其評價指標為SSE≧20 d B,屏蔽率≧99%。

從圖4、圖5中可以直觀得到:

(1)每一塊布樣經緯向的電磁屏蔽效果都大于20 dB,故設計的產品都達到了規(guī)定的標準。

(2)在整個頻率范圍內,3塊布樣都存在一個共同的規(guī)律:經向屏蔽效果大于緯向屏蔽效果。造成這種結果有兩個原因:其一是緯紗不銹鋼含量低于經紗不銹鋼含量;其二是織物結構本身決定的,織物經向密度以及緊度都大于緯向的密度和緊度。

(3)剪切液試樣和原試樣經緯向的曲線都是基本重合的狀態(tài),即2塊布樣的電磁屏蔽效果基本一樣。根據(jù)電磁屏蔽的基本原理剪切液并不符合低電阻導電材料,故可以得出剪切液對布樣的電磁屏蔽性能沒有影響。混懸液試樣的經緯向曲線都在空白布樣的上方,即混懸液試樣的電磁屏蔽效果比空白布樣大,并且根據(jù)電磁屏蔽的基本原理金屬粉也是屬于低電阻的導電材料,故可以得出混懸液可以增強布樣的電磁屏蔽性能。

(4)原試樣產品的電磁屏蔽性能較好,不銹鋼纖維具有電磁屏蔽性能是一方面因素,布樣采用的是三層自身接結組織,其厚度因此較大,而吸收損耗與材料的厚度、電導率和磁導率有關,所以三層組織布樣對于進入材料內部的吸收損耗有較大的提高。

4 結論

(1)底層經緯紗采用56 tex芳綸包覆高強聚乙烯功能紗,表中兩層經緯紗分別采用不銹鋼含量為30%和23%的56 tex滌綸不銹鋼混紡紗。同時利用添加有金屬粉的剪切增稠液增強了三維結構織物的電磁防護功能。

(2)采用自身間隔接結三層組織,三維結構的基本組織采用平紋組織,表、中、里經緯紗的排列比均為1∶1∶1,織物經紗密度為708根/10 cm,緯紗密度為390根/10 cm。

(3)在頻率為2 450 MHz時,原試樣經緯向的屏蔽效果分別為55.82 dB和36.75 dB;含有剪切液的試樣經緯向的屏蔽效果分別為55.13 dB和36.62 dB;含有混懸液的試樣經緯向的屏蔽效果分別為66.22 dB和40.42 dB。3塊布樣都是經向電磁屏蔽性能大于緯向的電磁屏蔽性能;剪切液對布樣的電磁屏蔽性能沒有影響;剪切液/金屬粉末混懸液對布樣的電磁屏蔽性能有明顯的增強作用。