不銹鋼纖維機織物的電磁屏蔽及力學性能

閆鑫鑫 謝春萍 劉新金 蘇旭中

摘要： 為了研究不銹鋼纖維紗的結構對織物電磁屏蔽性能及力學性能的影響，采用新型Sirospun、Sirofil-spun和全聚紡，分別紡制相同線密度的滌綸/不銹鋼長絲包芯紗、滌綸/不銹鋼長絲包纏紗及T/S 80/20全聚混紡紗，并采用上述紗線織制了3種平紋機織物和一上三下斜紋織物。測試織物在0～1500MHz低頻段上的電磁屏蔽效能，并對其拉伸、斷裂、頂破性能進行測試，同時在測試的基礎上，分析四種織物對紗線的利用率。結果表明：在低頻時，織物對電磁波的屏蔽以反射為主，吸收為輔；賽絡菲爾紗織物和賽絡包芯紗織物屏蔽效能相當，全聚混紡紗織物屏蔽效能較差；綜合織物的屏蔽效能和力學性能，賽絡菲爾紗織物性能最佳。

關鍵詞： 不銹鋼短纖；不銹鋼長絲；紗線結構；電磁屏蔽；力學性能

中圖分類號： TS106.4 文獻標志碼： A 文章編號： 1001-7003（2018）08-0029-06引用頁碼： 081106

Abstract： In order to study the influence of stainless steel fiber yarn structure on the electromagnetic shielding performance and mechanical properties of the fabric， polyester / stainless steel filament core-spun yarns， polyester / stainless steel filament spun yarns and T/S 80/20 blended yarns of the same yarn linear density were spun by using Sirospun， Sirofil spun and complete condensing spinning. Electromagnetic shielding effect of the fabrics under 0～1500MHz low frequency band was tested. Besides， the tensile strength， breaking and bursting properties of the fabrics were tested. At the same time， the utilization rate of the four kinds of fabrics on the yarns was analyzed based on the test. The results show that the shielding of electromagnetic wave is mainly reflection and absorption little by the fabrics at low frequency. The shielding effectiveness of the Sirofil spun yarns fabric and the Siros core-spun yarns fabric is equivalent， and the shielding effectiveness of the complete condensing spinning fabric is poor. Considering the shielding effectiveness and mechanical properties of fabrics， the Sirofil spun yarns fabric performance is the best.

Key words： stainless steel short fiber； stainless steel filament； yarn structure； electromagnetic shielding； mechanical properties

電磁屏蔽織物的發展趨于多元化，人們在注重屏蔽性能的同時更加關注織物的耐久性、多功能性、舒適性及綠色環保性等。如莫斯科紡織材料研究院制作的鎳合金絲交織針織物穿著舒適且多次洗滌不影響織物的屏蔽性能[1]；上海華天公司開發的HTCU纖維制作的電磁屏蔽材料不僅具有良好的電磁屏蔽性能，還具有抗靜電、抗菌和防臭性能[2]；王煒等[3]對化學鍍銅的織物進行了鍍錫，減少了材料制備過程中的污染，使屏蔽織物的生產更加綠色環保。為了減少電磁輻射，提高織物的服用性和環保性，相比金屬涂層織物，人們更多使用金屬纖維與普通纖維混紡、包纏、交織等方法制成織物，其耐用性和屏蔽性能的持久性相對較好[4]。其中，不銹鋼金屬纖維織物因其屏蔽效能持久而更多地受到人們的青睞[5]，因此對不銹鋼金屬纖維織物的深入研究尤為重要。對于機織物來說，不銹鋼含量越多，紗線排列越緊密，其電磁屏蔽性能越好，但同時力學性能和服用性能也越差[6]。為了進一步探究不銹鋼織物的物理機械性能，本文采用三種不同結構的不銹鋼紗線并制成織物，對比分析其電磁屏蔽及力學性能，并為防輻射紡織品的開發提供參考。

1紗線及織物的制備

1.1不銹鋼短纖及長絲的選用

不銹鋼長絲和不銹鋼短纖分別采用直徑為30μm、8μm的316L奧氏體不銹鋼（上海普盛金銀絲紡織品有限公司）。316L奧氏體不銹鋼含有少量的碳元素，使其不易生銹，符合紡織品的要求。另外，其導電性、導磁性都比一般紡織材料高并且具有較高的熔點和良好的耐酸堿耐腐蝕性[7]。因此采用316L奧氏體不銹鋼制成的功能性紡織品可延長其使用壽命。不銹鋼長絲的制備是單絲拉伸法，不銹鋼短纖則采用集束拉伸法，因此兩者具有不同的表面特征。圖1為不銹鋼長絲和不銹鋼短纖放大2000倍的縱向電鏡圖。由圖1可以看出，不銹鋼長絲縱向表面平整光滑，而不銹鋼短纖縱向呈現凹凸不平。這種結構上的不同在紡紗上表現為長絲與纖維之間抱合力差、成紗結構松散，外包纖維易滑脫；而短纖之間的溝槽增大了纖維之間的摩擦力，使其抱合緊密，易于成紗。

1.2紗線的紡制及織物的織造

全聚賽絡紡是緊密賽絡紡的一種，是由江南大學自主研發的一種新型紡紗方法。其原理是：在普通三羅拉牽伸皮圈基礎上，將前羅拉設計成直徑為50mm表面帶窄槽的空心羅拉[8]。本實驗采用QFA1528型全聚紡細紗機（無錫第七紡織企業有限公司）紡制28tex T/S 80/20混紡紗；在細紗機上將兩根混合均勻的滌綸/不銹鋼粗紗條平行喂入牽伸區，進行紡紗。為了盡可能控制單一變量，需要對QFA1528型全聚紡細紗機進行改造，然后紡制賽絡包芯紗和賽絡菲爾紗。細紗機的改造：在QFA1528型全聚紡細紗機上加裝單槽導絲輪裝置、長絲退繞裝置和張力盤裝置，單槽導絲輪可以在搖架上左右移動，控制長絲喂入前羅拉位置[9]。賽絡包芯紗設置外包紗線為滌綸，線密度為28tex，不銹鋼長絲直徑為30μm。將兩根滌綸粗紗平行喂入雙喇叭口并控制喇叭口間距，長絲經過導絲輪和張力裝置在前鉗口處和滌綸粗紗混合成紗。賽絡菲爾紗的紡制：將一根滌綸粗紗喂入喇叭口并在前鉗口處與經過張力裝置的長絲匯合成紗。長絲采用徑向退繞，消極喂入，紗線捻系數均為390。

紗線的結構對織物的后道加工有著重要影響，圖2為上述三種紗的成紗表面結構。由圖2可以看出，賽絡菲爾紗中不銹鋼均勻纏繞在滌綸短纖的表面，成紗結構緊密；賽絡包芯紗中不銹鋼長絲位于紗線中間且無彎曲、扭轉、漏芯，其表面被滌綸短纖包覆；全聚賽絡紗中不銹鋼短纖和滌綸短纖直徑相差不大且不銹鋼短纖的含量較少，因此在高倍顯微鏡下觀察兩者區別不明顯。分別測試三種紗的成紗強力、伸長和毛羽，如表1所示。由表1可以看出，三種紗線的成紗性能較好，均能達到織造要求。根據表2所示的工藝參數，采用全自動劍桿小樣織機織制平紋和斜紋織物，并使用YG141D織物厚度儀、SZT-2A四探針電阻測試儀測量織物厚度和織物表面電阻。

1.3測試儀器

實驗所用儀器見表3。

1.4測試方法

溫度為20℃，相對濕度為（65±2）%。屏蔽效能測試：采用法蘭同軸法，Agilent E5061A型矢量網絡分析儀、頻譜分析儀、TS0210A1型網絡衰減器測試織物的屏蔽性能。為了提高測試的準確性、減少誤差，采用多次實驗并取平均值。由于樣布的限制，本實驗采用每塊樣布取5個不同位置的試樣，分別測試5次，取平均值。參考標準：ASTM D4935—2010《測量平面材料的電磁屏蔽效應的試驗方法》及QJ2809—1996《平面材料屏蔽效能的測試方法》。

拉伸性能測試：采用HD026N+型織物電子強力儀測試織物的拉伸斷裂強力。測試時，在織物的經緯向不同位置分別取5塊樣品進行測試，并取平均值作為測試結果。依據標準：GB/T3923.1—2013《紡織品 織物拉伸性能 第一部分：斷裂強力和斷裂伸長率的測定 （條樣法）》。

織物撕裂性能測試：YG033A落錘式撕裂儀進行測試，每種織物經緯向各測試5次，讀取測量結果并取平均值。

頂破性能測試：采用HD026N+型電子式織物頂破強力試驗儀，夾布圓環的內徑為2.5cm，彈子直徑為2cm，設置下降速度為100mm/min。每種織物經緯向各測試5次，記錄頂破強力并取平均值。

2織物性能分析

2.1織物的電磁屏蔽效能

2.1.1頻率對織物電磁屏蔽效能的影響

手機、電視等家用電子產品的頻率一般在0～1500MHz，故本實驗以200、400、600、800、1000、1200、1400MHz為測試頻點，對四種織物的電磁屏蔽效能進行測試，測試結果如圖3所示。

對比圖3中的數據可以發現，隨著電磁波頻率的增加，四種織物的電磁屏蔽效能均呈上升趨勢，且趨勢較為明顯；1#織物在200～600MHz時，其屏蔽效能只有5dB左右，處在較低的水平；而在800MHz時，四種織物屏蔽效均達到10dB以上，屏蔽效率大于67%，滿足屏蔽織物日常需求。在低頻時，織物的電磁屏蔽主要以反射為主，吸收為輔[10]。以1#織物為例，為了便于計算，把1#電磁屏蔽機織物看成金屬屏蔽網，由金屬絲網屏蔽理論可求得織物在400MHz和1200MHz的理論反射損耗和理論吸收損耗。反射損耗與電磁波頻率有關，吸收損耗與織物形成的孔徑大小有關。

式中：S表示理論電磁屏蔽效能，dB；A表示吸收損耗，dB；d表示孔的深度（織物的厚度），cm；w表示矩形孔的寬邊長度，cm；R表示織物的反射損耗，dB；K=6.69×10-3fw；f表示電磁波的頻率，MHz。

矩形孔的寬邊長度可以通過緯密和紗線密度求出。通過計算可得，當電磁波頻率為400MHz時，1#織物的理論吸收損耗為9.1dB，反射損耗為9.24dB；當電磁波頻率為1200MHz時，1#織物的理論吸收損耗為9.1dB，反射損耗為18.01dB。由圖3可以看出，在1200MHz時，織物的電磁屏蔽效能有所提高，但理論計算值高于實際測量值。這是因為假設的金屬網是均勻的，而織物中不銹鋼短纖分布較為分散，形成的金屬網格比理論值大且不均勻。由孔隙導磁理論可知，單位面積內，孔隙越大，屏蔽效能越差。

2.1.2紗線結構對織物屏蔽效能的影響

根據波導理論可知，屏蔽纖維的電導率、磁導率及纖維的連續性等均影響織物的屏蔽效能[11]。屏蔽纖維連續性越好，織物屏蔽效能越高。同時，經緯向均有不銹鋼纖維的織物其屏蔽效能高于單向含有不銹鋼纖維的織物。屏蔽織物屏蔽性能的好壞通常用屏蔽效能SE表示，即在相同檢測環境下，未屏蔽時的電場強度E0與屏蔽后的電場強度E的比值的分貝值，表示為SE=10lg（E0/E）。

由圖3可以看出，2#織物和3#織物屏蔽效能相差不大，而1#織物在600～1500MHz頻段內，相比2#和3#織物屏蔽效能低10dB左右。這主要有兩個方面的原因：其一，全聚混紡紗中，不銹鋼以非連續的形式存在于紗體中，電阻率高、質量不勻率大、纖維分布不均勻，使得紗線沿軸向方向缺乏有效的電連續，因此在一定頻段內，全聚混紡紗的導電纖維利用率較低，導致屏蔽效能較低。其二，當把織物看做有孔的屏蔽體時，此時織物就相當于有孔的金屬板，金屬板上的每一個孔或縫都相當于一個波導。根據波導理論可知：線徑越大，波導截止頻率越小，當達到截止頻率時，則無屏蔽性能[12]。賽絡菲爾紗織物中不銹鋼長絲纏繞在滌綸纖維的外側，形成的孔隙大于賽絡包芯紗織物，所以賽絡菲爾紗織物的屏蔽效能更容易衰減。

2.2織物的力學性能

四種織物的拉伸斷裂性能測試結果如表4所示。由表4可以看出，2#織物的強力最高，3#、4#織物強力相差不大，1#織物強力最低。

影響織物強力的主要因素有纖維的原料、成紗結構和織造的方式。由于1#、2#、3#織物原料相同、織造工藝相同，故本實驗中影響拉伸性能的主要因素為成紗結構。A紗線中不銹鋼短纖分布不均勻，且與滌綸纖維的抱合力差，導致織物經緯向薄弱環節較多，在拉伸時纖維間易產生滑移；B紗線，不銹鋼絲以螺旋的形式包纏在滌綸纖維表面，其強力利用系數達到最大；C紗線，不銹鋼長絲的加入會破壞纖維之間的抱合力，使紗線強力稍有降低，但幅度不大。2#和3#、4#織物的斷裂伸長率相差不大。由拉伸理論可知，在拉伸時位于織物邊緣的紗線首先由屈曲變為伸長，隨著拉伸力的增加，此時織物的伸長主要是紗線和纖維的伸長與變細。對于1#織物原料為不銹鋼短纖和滌綸短纖，當織物受到拉伸時，邊緣紗線首先被拉斷，纖維抽拔滑移，織物再次伸長，不銹鋼短纖的加入，使得紗線間的抱合力降低，伸長增加，而不銹鋼長絲的加入對2#和3#織物的拉伸影響不大。

綜上，2#織物的斷裂強力、撕裂強力、頂破強力均為四種織物之最，說明其耐用性最好；斷裂伸長與織物的彈性、風格、抗皺性、懸垂性等服用性能都有一定的關系，2#織物的斷裂伸長在四種織物中居于中間，則在一定程度上表明其在同類織物中可能不易變形折皺。

2.3紗線強力利用率

紗線強力利用率是影響紗線及其織物強度的重要因素。名義纖維強度是指商品上標簽標注的纖維斷裂強度，假設紗線斷裂時，紗中的每根纖維同時達到斷裂極限，此時的斷裂強力為紗線或織物的名義斷裂強力[13]。已知不銹鋼短纖的密度為7.9g/cm3，滌綸纖維的密度為1.38g/cm3，分別測得三種紗線A、B、C的強力為572.71、792.42、708.15cN。可分別求得紗線的斷裂強度P0和橫截面積S：

式中：F表示紗線強力，N；m表示紗線或織物的質量，g；ρ表示纖維密度，g/cm3；l表示紗線或織物的長度，cm；S1表示織物的橫截面積，mm2；γ表示紗線強力利用率；F實表示織物的實測斷裂強力，N；F名表示織物的名義斷裂強力，N。γ反映了織物在承受拉力斷裂時，織物中紗線斷裂的同時性[10]。

表5歸納出四種織物中紗線強力利用率。其中γ值越大，表示織物在拉斷時，同時斷裂的紗線越多，γ值越小，表示同時斷裂的紗線數越少。

由表5可以清晰地看出，織物對紗線的利用率情況，2#織物紗線利用率最高，為89%，故相同原料和織造情況下2#織物強力最高。對2#織物分析，不銹鋼長絲均勻地纏繞在滌綸纖維的外部，使得成紗更加緊密，纖維之間接觸面積大摩擦力增加，拉伸時纖維之間不易滑移，故強力利用率偏高。對比3#織物和4#織物，可以看出平紋織物紗線利用率比斜紋織物高，這是因為平紋織物交織點多浮長短，紗線間的摩擦力大，在經向拉斷時，紗線斷裂的同時性有所提高，而斜紋織物浮長長，經緯紗線間的摩擦相對較小，故紗線利用率低。

3結論

1）在QFA1528型全聚紡細紗機上紡制三種紗線，其中賽絡菲爾紗因其獨特的成紗結構即長絲包纏在短纖紗的外面，使得紗線毛羽最少，強力最高，但三種紗線性能均能滿足織造要求。四種織物中，賽絡菲爾紗織物的拉伸強力、頂破強力、撕裂強力居四種織物之最，并理論分析得出賽絡菲爾紗織物對紗線的利用率最高。

2）在0～1500MHz內，織物的電磁屏蔽以反射為主，吸收為輔。賽絡菲爾紗織物在400MHz時，電磁波的理論吸收損耗為9.1dB，理論反射損耗為9.24dB；1200MHz時，理論吸收損耗為9.1dB，反射損耗為18.01dB。全聚紗織物由于紗中不銹鋼纖維的不連續使得其織物的屏蔽效能較賽絡菲爾紗織物和賽絡包芯紗織物屏蔽性能稍低。

3）綜合考慮織物的力學性能和屏蔽性能，賽絡菲爾紗織物最好，賽絡包芯紗織物次之，全聚混紡紗織物最差。

參考文獻：

[1]王俊斌. 防輻射服裝的發展與現狀[J]. 中國高新技術企業， 2009（1）： 14-22.

WANG Junbin. Development and status of radiation protection clothing [J]. Chinese Hi-tech Enterprises， 2009（1）： 14-22.

[2]程嵐. 復合結構電磁屏蔽織物的設計及其性能研究[D]. 重慶： 西南大學， 2015.

CHENG Lan. Composite Structure of Electromagnetic Shielding Fabric Design and Performance [D]. Chongqing： Southwest University， 2015.

[3]王煒， 朱美芳， 李成新， 等. 一種配位自組裝技術高分子負載型活化膜的制備方法： CN 101205687 [P]. 2008-06-25.

WANG Wei， ZHU Meifang， LI Chengxin， et al. A self-assembly technique of polymer supported activated carbon membrane preparation method： CN 101205687 [P]. 2008-06-25.

[4]肖紅， 施楣梧. 電磁紡織品研究進展[J]. 紡織學報， 2014， 35（1）： 151-157.

XIAO Hong， SHI Meiwu. Research progress on electromagnetic textiles [J]. Journal of Textile Research， 2014， 35（1）： 151-157.

[5]厲紅英， 施瑜， 鄭瑾. 兩種防輻射面料的性能研究[J]. 上海紡織科技， 2017， 45（7）： 35-37.

LI Hongying， SHI Yu， ZHENG Jin. Performance of two kinds of radiation-resistant fabrics [J]. Shanghai Textile Science & Technology， 2017， 45（7）： 35-37.

[6]嚴春. 不銹鋼纖維混紡面料服用性能與評價研究[D]. 上海： 東華大學， 2014.

YAN Chun. Study on the Serviceability and Evaluation of Stainless Steel Fiber Blended Fabric [D]. Shanghai： Donghua University， 2014.

[7]張文彥. 奧氏體不銹鋼纖維微觀結構與物性研究[D]. 西安： 西安建筑科技大學， 2004.

ZHANG Wenyan. Research on the Stainless Steel Fiber is Change of Microstructure and Physical Properties [D]. Xian： Xian University of Architecture and Technology， 2004.

[8]謝春萍， 高衛東， 劉新金， 等. 一種新型窄槽式負壓空心羅拉全聚紡系統[J]. 紡織學報， 2013， 34（6）： 137-141.

XIE Chunping， GAO Weidong， LIU Xinjin， et al. Novel complete condensing spinning system with strip groove structure[J] . Journal of Textile Research， 2013，34 （6）： 137-141.

[9]曹夢龍， 徐伯俊， 謝春萍， 等. 基于sirofil-spun新型花式紗的紡制及性能分析[J]. 絲綢， 2016， 53（6）： 1-5.

CAO Menglong， XU Bojun， XIE Chunping， et al. Spinning of new fancy yarn based on the sirofil-spun and its performance analysis[J].Journal of Silk， 2016， 53（6）： 1-5.

[10]CHEN H C， LEE K C， LIN J H， et al. Fabrication of conductive woven fabric and analysis of electromagnetic shielding via measurement and empirical equation [J]. Journal of Materials Processing Technology， 2007， 184： 124-130.

[11]張加東， 趙銀昌， 張曉玲， 等. Schelkunoff原理及其應用示例[J]. 煙臺大學學報（自然科學與工程版）， 2013， 26（3）： 187-189.

ZHANG Jiadong， ZHAO Yinchang， ZHANG Xiaoling， et al. Schelkunoff theorem and application example [J]. Journal of Yantai University （Natural Science and Engineering Edition）， 2013， 26（3）： 187-189.

[12]王建忠， 奚正平， 湯慧萍， 等. 不銹鋼纖維織物電磁屏蔽效能的研究現狀[J]. 材料導報， 2012， 26（10）： 33-35.

WANG Jianzhong，XI Zhengping，TANG Huiping，et al. Research progress of electromagnetic shielding effectiveness of stainless steel fabric [J]. Materials Review， 2012， 26（10）： 33-35.

[13]梁雙強， 陳革， 萬德軍， 等. 二維三軸編織扁帶及其織物的力學性能分析[J]. 產業用紡織品， 2017， 35（3）： 7-11.

LIANG Shuangqiang， CHEN Ge， WAN Dejun， et al. Study on the mechanical properties of two-dimensional triaxial braided flat tapes and their fabrics[J]. Technical Textiles， 2017， 35（3）： 7-11.