電磁屏蔽防護面料的研發(fā)

何衛(wèi)星，陳天宇，張仁樂，周建平

（1.江蘇省紡織研究所股份有限公司，江蘇 無錫 214024；2.江南大學，江蘇 無錫 214000）

隨著各種電子設備和通信技術如雨后春筍般涌現(xiàn)，人類生存背景下的電磁環(huán)境變得日益復雜。當人體暴露在電磁環(huán)境下時，受到電磁輻射的作用，人體組織發(fā)生病變。為保障人們的健康安全，有必要對自然源和人為源引起的電磁輻射進行抑制。電磁屏蔽織物作為個體防護的重要手段之一，目前仍存在服用性能差或電磁屏蔽性能低下等問題，離兼顧健康安全和穿著舒適的目標仍存在一定差距。在此背景下，為響應市場需求、為電磁屏蔽織物的開發(fā)提供一定參考，本研究開發(fā)出一款電磁屏蔽防護面料[1-2]。

1 電磁屏蔽織物組織與結構設計

服用電磁屏蔽織物應在具備良好電磁屏蔽性能的基礎上，具有穿著舒適、耐磨等優(yōu)點。這對纖維原料選擇、紗線結構和織物結構的設計均提出了相應的要求。鑒于此，本研究設計開發(fā)了一款服用電磁屏蔽織物。這是一種接結經接結雙層織物，表里基礎組織均使用平紋，上下層經緯紗采用金屬導電紗與純棉紗1∶1間隔排列，形成導電網格，接結經則全部選用純棉紗，賦予織物厚實的手感和較好的保暖性能，可用于生產春秋季外衣[3-4]。

2 紗線設計

2.1 原料選擇

服用電磁屏蔽織物對電磁屏蔽性能和服用性能均提出了相應的要求。因此，本次設計采用金屬導電紗與普通紗線相互配合。金屬導電紗在經緯向相互交織形成導電網絡，使織物具有良好的導電性，賦予織物電磁屏蔽性能；普通紗線則利用本身的特性，如柔軟的手感和出色的吸濕性，為織物提供良好的服用性能。

（1）金屬導電紗。目前，用于金屬導電混紡紗生產的導電纖維主要有不銹鋼纖維、銅纖維、鎳纖維以及銀纖維。其中，不銹鋼纖維生產工藝成熟，是目前應用最多的一種屏蔽纖維。通過綜合考慮，本設計選用不銹鋼長絲賦予紗線良好的導電性和導磁性。但是，單一金屬絲由于細度小、無法染色等問題而無法直接用于織造，因此選擇與棉纖維進行混紡，在保證紗線具有良好導電性的同時，提高了紗線的可織性以及所制得織物的服用性能。

經過綜合考慮，本設計選用賽洛菲爾紡紗技術用于電磁屏蔽織物的織造（圖1）。賽洛菲爾紗具有生產工序短、效率高等優(yōu)點，可充分利用不銹鋼長絲和棉纖維的性能，同時體現(xiàn)出導電性和良好的服用性能。

圖1 賽洛菲爾紡紗示意

（2）普通紗線。選擇普通紗線的目的在于為織物提供良好的服用性能。本設計選擇純棉紗配合金屬導電紗進行織造；選擇純棉紗作為另一種紗線，使織物在染色過程中能選用同種染料進行染色并獲得相同的染色效果[5]。

2.2 紗線規(guī)格選擇

本設計開發(fā)的電磁屏蔽織物主要用作春秋季外衣面料，一方面要求織物具有較好的透氣透濕性和耐磨性，不宜過于厚重；另一方面需保證織物具有良好的電磁屏蔽性能，不銹鋼長絲在織物中所占比例不宜過低。經過綜合考慮，本設計使用的兩種紗線規(guī)格如表1所示。

表1 織物紗線規(guī)格

3 電磁屏蔽織物生產工藝流程設計

電磁屏蔽織物生產工藝流程如圖2所示。

圖2 生產工藝流程

4 工藝參數(shù)選擇

4.1 整經工序

整經是十分重要的織前準備工序，整經質量的好壞直接影響織機的織造生產效率及織物的質量；對于需要上漿的經紗，還會影響漿紗工序的順利進行。

整經工序應力求做到片紗張力、紗線排列和卷繞密度三均勻，并盡可能保持經紗的強力和彈性等力學性能。因此，相關人員在生產過程中需要依據(jù)原料特征和生產要求，合理選擇整經張力和整經機車速，避免張力過大或過小引起紗線質量惡化或經軸成形不良等問題。

具體整經工藝參數(shù)如表2所示。

表2 GA124H型高速整經機工藝參數(shù)

4.2 漿紗工序

本款織物采用兩種不同的紗線進行織造。由于紗線性質與織物結構存在差異，對兩者也提出了不同的上漿要求。

4.2.1 漿料選擇

合理的漿料配方是保證漿紗質量的基本條件。漿料配方的選擇應綜合考慮經紗的物理機械性能與上漿要求，通過黏著劑和各種助劑的配合使用，揚長避短，最終取得理想的綜合效果。考慮到聚乙烯醇（PVA）漿料形成的漿膜具有柔韌耐磨等優(yōu)點，且大分子表面含有大量羥基官能團，根據(jù)“相似相容”原理，與棉纖維具有較好的親和力，能很好地滿足金屬導電紗的上漿要求，因此可作為主漿料使用。

純棉紗的線密度較小、強力較低，上漿時要兼顧浸透增強和被覆，上漿的主要目的是貼伏毛羽和提高紗線的柔韌性，因此采用高壓上漿工藝。

關于上漿率的選擇，從原理出發(fā)考慮，高上漿率能加強浸透，提高紗線的強力；低上漿率則側重對紗線的被覆，強化耐磨性、貼伏毛羽。本設計從織物結構與紗線原料兩方面選擇上漿率。

4.2.2 漿紗分絞

在純棉紗和金屬導電紗的織造過程中，由于兩種紗線具有相同的顏色，在穿經時工人若不加以仔細區(qū)分，很難分辨出兩種紗線的不同，從而導致穿經或接頭出現(xiàn)錯誤，造成生產效率下降和織物品質降低。因此，在漿紗過程中將金屬導電紗穿入長眼筘眼，而將純棉紗穿入封點筘眼，通過分絞筘的上下移動使紗線分層，在兩層紗線中放入分絞線，以保證穿筘時紗線順序正確。

4.2.3 漿紗工藝參數(shù)

制定合理的上漿工藝是穩(wěn)定漿紗上漿率的前提。上漿工藝參數(shù)的設置與漿紗質量密切相關，并直接影響織造效果。上漿工藝參數(shù)的制定需要在綜合考慮纖維原料、織造難度、上漿要求等因素的基礎上，合理選擇漿紗車速、漿液濃度和溫度、壓漿輥壓力、浸漿長度等參數(shù)，從而獲得預期的上漿效果。

4.3 織造工序

上機工藝參數(shù)的選擇在很大程度上決定了織機生產效率與產品質量的高低，合理選擇上機工藝參數(shù)不僅能提高織機效率和產品質量，還能降低劍頭、劍帶等機物料的消耗，達到降低生產成本的目的。

5 電磁屏蔽性能

5.1 電磁屏蔽織物屏蔽機理

電磁屏蔽即利用屏蔽材料對電磁波的反射、吸收和引導作用，使之不能進入屏蔽區(qū)域，從而減弱電磁波對電子設備和人員的輻射作用[6-7]。屏蔽材料通常通過3種途徑減弱電磁波，如圖3所示。

圖3 生產工藝流程

5.2 織物電磁屏蔽性能測試

5.2.1 試驗樣品

本次試驗對上文設計的兩款織物進行測試，試驗織物規(guī)格如表3所示。

表3 試驗織物規(guī)格

5.2.2 測試方法、試驗結果與分析

電磁屏蔽性能依據(jù)標準ASTM D4935-18《平面材料的電磁屏蔽效果測量的標準試驗方案》，試驗結果如圖4所示。

圖4 織物電磁屏蔽性能

由織物的測試曲線可知，織物在測試頻段內的屏蔽效能有一定的變化，在整個頻段內的屏蔽效能均高于45 dB，尤其在較高頻段下織物的屏蔽效能可超過60 dB，達到了屏蔽材料的良好級要求，能很好地滿足服用電磁屏蔽織物的要求。不同織物的屏蔽效能與屏蔽效果關系如表4所示。

表4 不同屏蔽效能下織物的電磁屏蔽效果

在此基礎上，結合電磁屏蔽原理對其原因進行分析：該織物為雙層織物，厚度較大，增加了織物的吸收損耗。由于織物的孔隙均遠小于測試頻段最短波長的1/100，對織物電磁屏蔽性能的影響較小，可不予考慮。在上述原因的共同作用下，織物的電磁屏蔽效能呈現(xiàn)某些頻段提高、某些頻段降低的規(guī)律。因此，在實際生產中，可以依據(jù)頻段要求，對組織結構進行合理設計，在不增加金屬導電紗使用量的前提下，提高織物的電磁屏蔽性能。

6 結論與展望

6.1 結論

本設計以市場提出的服用電磁屏蔽防護面料設計需求為導向，結合理論與實際，主要完成了以下任務：

（1）通過查閱文獻與市場調研，對目前電磁屏蔽織物的生產方法進行了總結與對比，發(fā)現(xiàn)金屬纖維混紡織物本身具有較好的電磁屏蔽性能，因此選擇該方法用于本次服用電磁屏蔽織物的生產；使用金屬導電紗代替常用的混紡紗和包芯紗，在降低織物織造難度的同時保證了織物的導電性能和服用性能。在此基礎上，針對織物用途和屏蔽效能要求，對織物組織結構和紗線排列進行了設計。最終本款織物選擇接結經接結組織，采用嵌織金屬導電紗的方式，通過經緯密度的配合，得到了方形網孔，保證了織物對各個方向電磁輻射的屏蔽性能。

（2）依照現(xiàn)行標準所規(guī)定的試驗方法對織物的電磁屏蔽性能進行了測試。結果表明，織物具有較好的電磁屏蔽性能，在0.3～3 000.0 MHz頻段內的屏蔽效能均高于45 dB，很好地滿足了服用電磁屏蔽織物的要求。

6.2 不足與展望

在本次有關服用電磁屏蔽防護面料的設計過程中，仍存在一些需要改進的問題。一方面，在設計過程中對工藝參數(shù)的確定缺乏實際經驗，需要進行上機試驗才能確定最合理的工藝參數(shù)；另一方面，從織物的屏蔽效能測試曲線可以發(fā)現(xiàn)，織物在低頻段下的屏蔽效能較低，影響了織物整體的屏蔽性能。因此，需要進一步通過原料選配或結構設計提升織物在低頻段下的電磁屏蔽性能。