鎳基復(fù)合涂料的工頻電磁場屏蔽效能研究

張濤++高鵬++何旻蒂++裴莉萍++李敏++盧永輝++余爭平

摘 要：以羰基鎳粉和水性清漆為主要原料，制備出針對工頻電磁場的屏蔽涂料，對該涂料制備的樣品進(jìn)行現(xiàn)場屏蔽效能實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，羰基鎳粉加入水性清漆制備的屏蔽材料對工頻電磁場具有較高的屏蔽性能，材料屏蔽性能隨羰基鎳粉含量的增加呈先增加后降低的關(guān)系，其中該材料對環(huán)境中工頻電場的屏蔽效能最高可達(dá)62.5dB，對工頻磁場的屏蔽效能最高可達(dá)2.8dB。

關(guān)鍵詞：工頻電磁場 羰基鎳粉 復(fù)合涂料 屏蔽效能

中圖分類號：TM24 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）11（a）-0101-03

工頻是指頻率為50Hz或60Hz的交流電頻率。隨著時(shí)代的不斷發(fā)展進(jìn)步，社會(huì)上用電設(shè)施也不斷增加，變電站、高壓輸電線充斥著城鄉(xiāng)的各個(gè)角落，各種各樣的電器設(shè)備也遍布人們?nèi)粘Ｉ畹拿總€(gè)地方，這些電力設(shè)施和電器設(shè)備在方便我們生活的同時(shí)，也會(huì)給各種儀器設(shè)備和人體健康帶來一定的不利影響。一方面低頻磁場會(huì)對精密電子設(shè)備產(chǎn)生干擾[1]，從而影響設(shè)備的正常運(yùn)行甚至帶來安全事故；另一方面，低頻磁場可能會(huì)對人體健康造成一定的危害，研究表明，低頻磁場可引起DNA斷裂、miRNA表達(dá)顯著改變，同時(shí)對男性生殖健康及遺傳效應(yīng)具有一定的相關(guān)性[2-4]。國際癌癥研究機(jī)構(gòu)（International Agency for Research on Cancer，IARC）發(fā)表了一篇專著[5]，將極低頻的電磁輻射列為可疑致癌物，認(rèn)為兒童平均接觸超過0.3～0.4μT的住宅工頻磁場，會(huì)使患白血病的概率增加兩倍；根據(jù)我國現(xiàn)行電磁環(huán)境控制標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[6]，公眾在環(huán)境中的工頻暴露限值為電場4kV/m，磁場為100μT。如何有效降低工頻電磁場對生產(chǎn)生活帶來的不利影響一直是科研工作者致力解決的問題。

鎳是日常生活中比較常見的金屬，由于其具有良好的鐵磁性和抗腐蝕性能，是電磁屏蔽領(lǐng)域中的主要材料之一。通過在水性涂料中加入羰基鎳粉，可以在有效降低工頻電磁場的同時(shí)，防止因?yàn)橛袡C(jī)溶劑帶來的甲醛、苯等揮發(fā)性有機(jī)物帶來的二次污染。本文研究了不同重量配比的微米級羰基鎳粉加入同樣體積的水性清漆及自來水制備的屏蔽材料在工頻電磁環(huán)境中的屏蔽效能。

1 材料與方法

1.1 材料

鎳基電磁屏蔽涂料主要用到的原料有如下3種：微米級羰基鎳粉：粒度<3.8μm，純度>99%，水性清漆，自來水。

1.2 樣品制備

將10g、20g、30g、40g、50g、60g重量的羰基鎳粉分別加入40mL水性清漆中混合，然后將混合的樣品置于高速攪拌機(jī)中以1500r/min的速度攪拌20min，再加入10mL自來水以1000r/min的速度攪拌10min后即制得工頻電磁場屏蔽涂料。

將制備好的電磁屏蔽涂料以刷涂的方式分別涂于壁厚為1cm、外部尺寸為20cm×20cm×20cm一端開口的正方體木箱內(nèi)表面，如圖1所示。放置于室內(nèi)通風(fēng)處自然干燥固化。

1.3 性能測試

屏蔽效能的測試：現(xiàn)場測量的位點(diǎn)為距變電站圍墻外5m、高1.5m處進(jìn)行屏蔽性能測試。所用儀器為意大利PMM8053B電磁輻射分析儀，所用探頭為EHP-50C，其測量頻率為5Hz～100kHz，量程為電場0.01V/m～100kV/m，磁場1nT～10mT。測試時(shí)，先將探頭放于測量位點(diǎn)測量未加任何材料的工頻電磁場本底值，然后在同樣的位置將測量探頭分別放置于未加屏蔽涂料的空木箱和涂有含不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)羰基鎳粉電磁屏蔽涂料的木箱中測量其屏蔽值。

數(shù)據(jù)讀?。弘姶泡椛浞治鰞x開機(jī)后，待其實(shí)時(shí)值變化相對穩(wěn)定時(shí)，以6s每次的速度讀取6個(gè)實(shí)時(shí)值，取其平均值作為電磁場強(qiáng)度值。

為了描述和分析屏蔽材料的屏蔽效果，通常采用屏蔽效能（Shielding Effectiveness，SE）表示屏蔽材料對電磁場的屏蔽能力和效果，其單位為分貝（dB）。對于低頻電磁場，由于電磁波波長較長，測量所處位置處于近場區(qū)，電場和磁場具有各自不同的大小和特性，因此其屏蔽效能的定義也不同。其定義如下[7]。

電場屏蔽效能：不存在屏蔽體時(shí)某處的電場強(qiáng)度E0與存在屏蔽體時(shí)同一處的電場強(qiáng)度Es之間存在如式（1）的關(guān)系：

SEE=20lg （1）

磁場屏蔽效能：不存在屏蔽體時(shí)某處的磁場強(qiáng)度H0與存在屏蔽體時(shí)同一處的磁場強(qiáng)度Hs之間存在如式（2）的關(guān)系：

SEH=20lg （2）

對于磁屏蔽效能，由于磁場強(qiáng)度H與磁感應(yīng)強(qiáng)度B之間存在關(guān)系：B=μH，其中μ為磁導(dǎo)率，空氣中磁導(dǎo)率為常數(shù)，故式（2）可以改寫為：

SEH=20lg （3）

通過比較本底、空木箱及不同含量鎳粉制備涂料的電磁場強(qiáng)度變化可以得出鎳基復(fù)合涂料對工頻電磁場的屏蔽效能。

2 結(jié)果與討論

距變電站外墻5m，高1.5m處工頻電磁場在不加屏蔽、加上空木箱以及不同含量羰基鎳粉時(shí)強(qiáng)度變化見表1。

從表1可以看出，加上空木箱和涂有屏蔽涂料的木箱后，同一位置的電磁場強(qiáng)度都出現(xiàn)了很大程度的降低。同時(shí)，電場強(qiáng)度降低的程度遠(yuǎn)大于磁場強(qiáng)度降低的程度。一方面是因?yàn)殒嚪郾旧泶艑?dǎo)率并不是很高，并不能為低頻磁場提供特別大的磁通路；另一方面，由于木箱有一端開口，并沒有形成完全密封，因此會(huì)存在很大程度的電磁泄露，從而影響屏蔽效果。

將表1所測得數(shù)據(jù)分別帶入式（1）和式（3）可以分別求得不同條件下該位置的電磁屏蔽效能，其結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以看出，鎳基電磁屏蔽材料的屏蔽效能相對于對照材料（空木箱）不論在工頻磁場還是電場都有了顯著提高。從復(fù)合涂料中鎳的含量來看，隨著鎳含量的增加，工頻電磁場的屏蔽效能都出現(xiàn)了先增加后降低的趨勢。其中，當(dāng)鎳粉質(zhì)量與水性清漆以及水的體積之比為2∶4∶1時(shí)，電場和磁場的屏蔽效能達(dá)到最高。其原因主要是因?yàn)楣ゎl場為感應(yīng)場，材料具有良好的導(dǎo)電和導(dǎo)磁性能是屏蔽低頻電磁場的關(guān)鍵。當(dāng)涂料中鎳含量太低時(shí)，鎳粒子間相互沒有接觸形成導(dǎo)電或?qū)Т磐?，此時(shí)材料對電磁輻射的屏蔽效能起主要作用的是隧道效應(yīng)[8]，但效率很低。當(dāng)涂料中鎳的含量達(dá)到一定值時(shí)，鎳粒子相互接觸形成完整的導(dǎo)電和導(dǎo)磁網(wǎng)格，此時(shí)工頻電場將通過感應(yīng)作用而導(dǎo)出，工頻磁場則因?yàn)槠帘尾牧咸峁┑牡痛抛璧拇磐范鴮?dǎo)出，從而達(dá)到較好的屏蔽效果。當(dāng)涂料中的鎳含量繼續(xù)增加，此時(shí)，由于導(dǎo)電導(dǎo)磁網(wǎng)格已經(jīng)完全形成，所以其屏蔽效能不會(huì)繼續(xù)增加，同時(shí)，由于鎳含量的增加，其在涂料中的分散性會(huì)受到一定的影響，會(huì)造成鎳粉的分散不均勻，使得部分成膜區(qū)域鎳粒子堆積，而部分成膜區(qū)域鎳粒子不足而影響導(dǎo)電導(dǎo)磁網(wǎng)格的完整性，最終使得材料的屏蔽效能出現(xiàn)了一定程度的降低。endprint

3 結(jié)語

（1）通過在水性清漆中加入羰基鎳粉和自來水制備的屏蔽涂料對環(huán)境中工頻電磁場具有一定的屏蔽效能，其中，對工頻電場的屏蔽能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對工頻磁場的屏蔽能力。

（2）涂料屏蔽效能隨鎳粉含量的增加呈先增長后降低的趨勢，當(dāng)鎳粉質(zhì)量與水性清漆及自來水體積之比為2∶4∶1時(shí)，其屏蔽效能最好，其中對工頻電場屏蔽效能為62.5dB，對工頻磁場的屏蔽效能為2.8dB。

參考文獻(xiàn)

[1] 干喆淵，王延海，張建功，等.應(yīng)用磁環(huán)抑制輸電線路短波頻段無源干擾[J].高壓電技術(shù)，2017，43（5）：1722-1728.

[2] Yong Liu，Wen-bin Liu，Kai-jun Liu，et al. Extremely low-frequency electromagnetic fields affect the miRNA-mediated regulation of signaling pathways in the GC-2 cell line[J]. PLos One，2015，10（10）：e0139949.

[3] Weixia Duan，Chuan Liu，Hongjuan Wu，et al.Effects of exposure to extremely low frequency magnetic fields on spermatogenesis in adult rats[J].Bioelectromagnetics， 2013，35（1）：58-69.

[4] Yong Liu，Wen-bin Liu，Kai-jun Liu，et al. Effect of 50 Hz extremely low-frequency electromagnetic fields on the DNA methylation and DNA methyltransferases in mouse spermatocyte-derived cell line GC-2[J].Biomed Res Int，2015（9）：237183.

[5] IARC Working Group on the Evaluation of Carcinogenic Risks to Humans.Non-ionizing radiation， Part 1： Static and extremely low-frequency（ELF） electric and magnetic fields[J].Scandinavian Journal of Work Environment & Health，2002，28（4）：285.

[6] GB 8702-2014，電磁環(huán)境控制限值[S].

[7] 劉順華，劉軍民，董星龍，等.電磁波屏蔽及吸波材料[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[8] 張松，潘曉艷，李永，等.水性鎳系電磁屏蔽涂料導(dǎo)電與屏蔽效能研究[J].兵器材料科學(xué)與工程，2009，32（3）：63-64.endprint