電磁屏蔽特性織物的舒適性研究進展

文 | 王瓊瓊 董潔 付凱悅 孔維嘉 孫潤軍

隨著現代科技的不斷發展，電子信息設備的應用范圍越來越廣，在日常生活和工作中，人們經常會用到各種電子設備，而這些電子設備幾乎都會產生電磁輻射，從而對人體健康、設備運行以及信息安全等造成嚴重影響。作為繼水、大氣、噪聲污染之后的第四大污染，電磁輻射污染對環境和人類健康造成了嚴重的影響。電磁輻射可能會引發心血管疾病、癌突變等，從而造成中樞神經系統的功能異常和神經緊張失調，具體表現為記憶力下降、食欲減退等，嚴重時會產生心率減緩和心律不齊等不良反應。圖1 列出了電磁波頻譜中各個波段的不同應用及其可能造成的危害。電磁屏蔽織物具有輕巧、柔軟和強力高等特點，同時還具有結構可控、成形技術靈活、耐洗、成本低廉等優點，是一種適用性很強的電磁屏蔽材料。然而，綜合考慮屏蔽效果和服用舒適性兩個方面的表現，目前市場上的電磁屏蔽織物并未達到所需的效果。如CHEN等利用不銹鋼長絲包覆銅絲和聚酰胺長絲，經混紡編織所得的織物電磁屏蔽性能良好，但是織物手感偏硬且穿著舒適度不高。因此，為了提高人體穿著的舒適性，電磁屏蔽織物應在保證電磁屏蔽效能的同時還要具有服用舒適性。

圖1 電磁波頻譜各波段的應用和危害

1 電磁屏蔽機理

電磁屏蔽材料的屏蔽原理如下：因為空氣和屏蔽材料交界面的阻抗不連續，導致電磁波被屏蔽材料表面反射，從而減少了進入屏蔽體的部分電磁波；電磁波進入屏蔽材料內部后，因為介質內電偶極子和磁偶極子對電磁波的作用，導致電磁波在屏蔽材料內部被吸收，所以電磁波在材料內部的傳播過程中，能量被吸收并逐漸減弱；剩余的電磁波穿過屏蔽材料時，再次遇到界面間的阻抗不連續，致使部分電磁波被反射到屏蔽材料內部，通過在兩交界面間的多次反射，最終在屏蔽體內被徹底衰減，電磁波未能透過屏蔽體，使處于保護內的元件免受電磁干擾。電磁屏蔽機理如圖2 所示。目前，電磁屏蔽織物的電磁屏蔽效能（Shielding efficiency，SE）是評價其電磁屏蔽性能的重要指標。在一定條件下，SE值越大，屏蔽效果越好。

圖2 電磁波屏蔽原理

2 電磁屏蔽織物種類

2.1 金屬纖維電磁屏蔽織物

金屬纖維電磁屏蔽織物是由纖維狀金屬絲與常用的紡織纖維混紡制成；或采用金屬纖維作芯材，經紡織纖維包覆為包芯紗織造而成；又或者利用其他技術將金屬纖維和紡織纖維組合織造而成。金屬纖維電磁屏蔽織物由于具有質量輕、柔軟透氣、物理強度高、結構參數可按需調節等優點，是目前使用最廣泛的電磁屏蔽織物。通常使用的金屬纖維是不銹鋼、銀、銅纖維等。如張譚利用棉紗和銀纖維交疊，使棉紗將銀纖維覆蓋，得到的織物克重為200 ～ 260 g/m2，SE值約為40 dB。該織物不但擁有良好的透氣性，還擁有優良的屏蔽性能，另外用棉紗覆蓋銀纖維，延長了織物發揮屏蔽作用的時間。

不銹鋼紗線對電磁波有較好的反射和吸收能力，其相應的不銹鋼織物也表現出持久的防輻射效果、良好的透氣性、高強度和安全可靠等特征，因此被廣泛應用于金屬纖維電磁屏蔽織物的制備。PALANISAMY等以不銹鋼纖維和丙綸為原料，采用不同混紡比，試織多種斜紋織物。通過測試得出，當不銹鋼纖維/丙綸混紡比為75/25時，織物的透氣性能最佳。這是由于其金屬纖維含量和剛度較高，導致織物的蓬松度增加，氣孔增大，從而改善了織物的透氣性能。張天蕓等利用雙層管狀結構，通過降低不銹鋼紗的含量，選擇合適的織物緊密度和厚度，提高了織物的導電性能、電磁屏蔽效能、透氣性和柔軟性。

為了緩解金屬纖維和紗線直接接觸人體所帶來的不適感，可以采用包芯紗技術來改善織物的服用舒適性。喻陽等采用自制的喂入裝置（圖3）來紡制海藻纖維/不銹鋼纖維包芯紗。該裝置能夠更加準確地控制芯紗，所得織物比普通防輻射織物能保持更長時間的電磁屏蔽效果，平均透氣量為1 263.6 mm/s，織物輕質柔軟、手感舒適，風格與普通織物相似，可貼膚穿著，具有舒適保健性，可用于制造電磁屏蔽服或醫用電磁屏蔽服內層。

圖3 自制紡紗喂入裝置及導電包芯紗制備過程

納米纖維材料能使纖維具有更多的層狀結構和更大的比表面積。微晶纖維素納米纖維（MCC）不僅具有吸濕透氣、綠色無污染等優點，同時還表現出強度高、比表面積大和尺寸小等納米特性。朱鑫蕊等采用共軛靜電紡絲技術（圖4），將MCC包裹在經等離子體處理的銅絲表面，形成納米纖維金屬包芯紗，其可有效屏蔽周圍環境中的電磁波。經電磁屏蔽測試儀測定，包芯紗織成的織物電磁屏蔽性能最高可達48 dB，可以有效預防中、低頻電磁輻射。MCC納米纖維層作為環保材料，使面料柔軟、輕薄、吸濕透氣，具有一定的服用性能。

圖4 多針頭靜電紡裝置

2.2 金屬鍍層電磁屏蔽織物

金屬鍍層電磁屏蔽織物是通過電鍍、化學鍍、磁控濺射等方式對纖維和織物表面進行處理得到的織物。如邱婧等經過對不同材料、面料、組織結構和紗線比例的對比研究，最終確定使用雙層織造的面料結構（圖5），其外層為不銹鋼混紡紗線，內層為鍍銀長絲，連接紗為錦綸長絲，組織結構為經二重，由此織造的織物具有出色的電磁屏蔽效能和透氣性能，改善了空勤人員在機艙內作業的體感舒適性。侯琳等選用錦綸鍍銀長絲為芯紗，滌棉混紡纖維為外包纖維，分別制得18.5和36.9 tex兩種規格的包芯紗，并分別試織了不同的組織結構，結果表明經二重電磁屏蔽織物既能達到舒適性要求，又具有較好的電磁屏蔽效果。

圖5 雙面機織物的組織結構示意圖

其中，化學鍍是一種使用還原劑把金屬離子從溶液中還原出來并沉積在材料表面的方法，該方法制備的鍍層厚度均勻、與織物結合緊密、導電性能良好且工藝設備簡單。雙層鍍金屬型織物的電磁屏蔽效果優于單層鍍金屬型織物，陳揚杰等通過化學鍍在蠶絲織物表面形成了Cu/Ni雙層金屬鍍層，該鍍層均勻致密，有效提升了織物的電磁屏蔽性能，但同時也對織物的透氣性能產生了一定的影響。

2.3 導電非金屬電磁屏蔽織物

導電非金屬電磁屏蔽織物是利用聚苯胺、聚吡咯、碳納米管等導電非金屬材料，經過原位聚合、化學氣相沉積、涂層等工藝處理，在織物表面制備出一層能夠抵御電磁干擾材料的織物。

田宏等采用堿溶液和殼聚糖溶液對不銹鋼織物進行雙重預處理，再將過硫酸胺與摻雜劑溶液混合，在織物中進行苯胺單體聚合反應，制備出洗滌性好、柔軟舒適的聚苯胺不銹鋼電磁屏蔽復合織物。張悅利用涂層膠整理滌綸面料，將0.8%引發劑、5.0%乳化劑在70 ℃的聚合溫度下混合，獲得了更加穩定的聚丙烯酸酯乳液，當添加15.0%碳納米管和5.0%的導電態聚苯胺時，織物具有更好的屏蔽效能、透氣性、抗滲水性、手感和耐水洗性能。利用碳納米管和磁性納米顆粒在聚合物組合物中的分散作用，不僅能夠得到輕質柔軟的涂層，還能夠對其介電常數和磁導率進行調控，實現對性能的控制。

研究人員對各種磁性納米粒子進行了廣泛的研究，為了提高材料的屏蔽效能，又提出多層復合結構。WANG等利用多壁碳納米管（MWCNTs）和鎳鐵氧體（NiFe2O4）納米顆粒協同處理棉織物，并在織物外層增加有機聚二甲基硅氧烷（PDMS）涂層。由于MWCNTs和NiFe2O4之間相互作用較強，會在棉織物表面構筑高效的導電、導磁和導熱通路，所以獲得的復合織物具備出色的電磁屏蔽性能。此外，外部的PDMS涂層不僅賦予織物防水特性，同時提高了其結構和性能的穩定性，并保持了令人滿意的透氣性。UZUN等將Ti3C2Tx浸漬到棉織物上，不僅賦予了棉織物優良的電磁屏蔽性能，還更好地保持了織物原有的柔軟、透氣性和可穿戴性。

2.4 復合電磁屏蔽織物

2.4.1 導電高聚物電磁屏蔽織物

導電高分子材料也可以和氧化石墨烯、金屬材料結合，共同作用在織物上，改善織物的服用舒適性。ZOU等將聚吡咯和無機氧化石墨烯利用層層組裝技術結合，并將其負載在羊毛織物上，這樣既可以保留羊毛的柔軟、透氣，又可以保證其電磁屏蔽性能，滿足日常的防護需要。表1 列舉了部分導電高分子材料與金屬結合織物的電磁屏蔽效果。

表1 部分導電高分子材料與金屬結合織物的電磁屏蔽性能

利用導電高分子材料與金屬結合的織物克服了由單一方法制成的織物中電磁屏蔽材料容易脫落氧化、與基材結合力差的問題，可以改善織物的電磁屏蔽效果。LIU等利用PET機織物及其非織造布作為基材，采用吡咯原位聚合和化學鍍鎳（Ni）工藝獲得了高電導、高抗彎曲、耐水洗的柔性Ni/PPy（聚吡咯）/PET織物。圖6 為多層Ni/PPy/PET復合導電織物的制備工藝示意圖。

圖6 多層Ni/PPy/PET復合導電織物的制備工藝示意圖

2.4.2 MXene型電磁屏蔽織物

隨著技術的進步，越來越多的新材料如二維早期過渡金屬碳化物/氮化物（MXene，圖7）、銀納米線（AgNW）以及其他新型導電材料，已經開始得到廣泛應用。其中，MXene具有良好的金屬導電性能，同時還擁有較大的表面積、良好的溶液加工性以及相對較低的密度，因此具有廣闊的應用前景。此外，MXene的內部光熱轉換效率非常好，擁有較高的導熱率和較強的耐熱性，而且擁有出色的殺菌特性。LIU等通過層層組裝、真空抽濾技術，將MXene納米片與銀納米線融合在絲織品上，構建了具有葉形內部結構的導電網絡結構，實現了54 dB的電磁屏蔽效能，并實現對環境水分的高靈敏響應。

圖7 二維早期MXene

此外，可以利用導電高聚物提高MXene與織物間的界面作用和織物的結構穩定性。WANG等將經原位聚合PPy修飾的MXene片材沉積到滌綸織物上，再將硅氧烷涂層涂覆到其上，所得織物在1.3 mm厚時SE值在90 dB左右，超薄的硅氧烷涂層讓織物既能夠擁有良好的疏水特性，又能夠保持優異的透氣性。YIN等采用溶液浸漬法和線狀聚苯胺（PANI）層層組裝技術，在碳纖維表面構筑多層包覆型的PANI/MXene/碳纖維復合電磁屏蔽材料，經50次組裝后，該材料的厚度只有0.36 mm，電磁屏蔽效能達到35.3 dB，具有優良的疏水性、自清潔性能、透氣性、柔韌性和可裁剪加工性。

3 結論

金屬纖維和金屬鍍層電磁屏蔽織物織造工藝簡單，制備成本較低，利用纖維混紡、電鍍等方法，在一定程度上提高了織物的電磁屏蔽效能，改善了織物的透氣性。導電非金屬電磁屏蔽織物和復合電磁屏蔽織物兼顧了織物的電磁屏蔽性能和透氣性能，但是制備成本較高，制作過程繁瑣，目前還處在實驗室階段。MXene型電磁屏蔽織物為改善電磁屏蔽織物服用舒適性提供了手段，但由于其制備技術復雜、生產成本高，不宜投入大規模生產。

目前，電磁屏蔽織物仍以金屬纖維混紡織物和金屬鍍層織物為主，其他方法制備的電磁屏蔽織物還未大量進入市場。關于服用舒適性方面的研究隨著科學技術的發展在不斷深入，得到的織物在具有優異屏蔽效能的同時還兼顧柔軟透氣性。此外，在電磁屏蔽織物服用舒適性的研究中還要考慮產品制造的成本。由于現代社會發展，電子設備已經成為人們生活中的必需品，電磁屏蔽織物的使用將會越來越普遍，所以更加需要制造經濟適用和環境友好型的電磁屏蔽織物。