萊賽爾金屬?gòu)?fù)合織物的制備及其電性質(zhì)

陳安邦 李婷婷 彭浩凱 王艷婷 林佳弘

（1.福建長(zhǎng)源紡織有限公司，福建福州，350108；2.天津工業(yè)大學(xué)，天津，300387）

1 研究背景

中國(guó)在2000 年后大量使用粘膠纖維，至2019年粘膠纖維的使用量達(dá)到400 多萬(wàn)t。但粘膠纖維制備過(guò)程中大量使用強(qiáng)堿、二硫化碳，導(dǎo)致產(chǎn)生大量有害氣體與紡絲后的酸性污水，將會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞［1-3］。萊賽爾纖維是以木漿為原料，經(jīng)N-甲基嗎啉氧化物溶劑紡絲方法生產(chǎn)的一種新型纖維素纖維。生產(chǎn)過(guò)程無(wú)有害物質(zhì)排放，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，其中紡絲的溶劑回收率可達(dá)99.5%，可稱(chēng)為新型環(huán)保纖維［4-7］。近幾年許多研究者對(duì)萊賽爾產(chǎn)品性能進(jìn)行了系列研究［8-9］。

現(xiàn)今科技發(fā)展迅速，各種電子產(chǎn)品、無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)、智能手機(jī)、無(wú)限傳感器等得到大規(guī)模使用，包括生活中常接觸到的高壓線(xiàn)、雷達(dá)站、變電站等都是電磁輻射較高的設(shè)備，對(duì)其進(jìn)行屏蔽防護(hù)已成一項(xiàng)重要工作。電磁輻射對(duì)人類(lèi)的影響包括熱效應(yīng)、非熱效應(yīng)和累積效應(yīng)。如果射頻電磁輻射量在高強(qiáng)度與高密度下，人體不能承受由此產(chǎn)生的過(guò)多熱量，生物組織將產(chǎn)生潛在損害風(fēng)險(xiǎn)［10-13］。

電磁波輻射傳遞時(shí)電磁波能量由于反射、吸收、多重反射等衰減。其中以反射方式的屏蔽材料最為常見(jiàn)，要求其有低電阻的特性，表面電阻率低于1×102Ω/cm2［14-15］。因此表面電阻率越低就越能獲取好的反射電磁波輻射能力。許多研究對(duì)絕緣的平面材料進(jìn)行表面導(dǎo)電化以加工制備屏蔽材料，包括導(dǎo)電高聚合物的涂層加工、金屬化學(xué)氣相沉積法、化學(xué)鍍工藝等［16-19］，這些方法制備出的電磁波屏蔽材料存在導(dǎo)電特性不盡如人意或是長(zhǎng)期使用將造成導(dǎo)電涂層的脫落等問(wèn)題，使用壽命不理想。因先前研究顯示，機(jī)織物組織結(jié)構(gòu)較針織物有較好的電磁波屏蔽效能［20-22］。故本研究通過(guò)紡紗、織造方式來(lái)制備屏蔽織物，其中也添加萊賽爾纖維，使最終產(chǎn)品具有好的電磁波屏蔽效能與綠色環(huán)保性。

2 試驗(yàn)材料與設(shè)備

本研究以萊賽爾粗紗為包覆材料，以銅絲（以下簡(jiǎn)稱(chēng)Cu）、316L 不銹鋼絲（以下簡(jiǎn)稱(chēng)SS）為導(dǎo)電材料，由多芯材紡紗喂入裝置改變喂入金屬絲根數(shù)，制備各種捻度復(fù)合紗。萊賽爾纖維（中紡院綠色纖維股份公司），長(zhǎng)度39 mm，細(xì)度1.41 dtex。SS（元能股份有限公司），直徑60 μm。Cu（金通銅鋁股份有限公司），直徑80 μm。

3 萊賽爾金屬?gòu)?fù)合紗與織物的制備工藝

本研究利用萊賽爾纖維經(jīng)過(guò)JWF1204A 型梳棉機(jī)（清梳聯(lián)）、DV2-AL 型并條機(jī)、FA467E 型粗紗機(jī)制備出萊賽爾粗紗。因萊賽爾纖維強(qiáng)力高、含雜少、抱合力差，清梳聯(lián)工序以“輕打，多松，少落”為原則，工藝上適度降低打手速度，棉條輸出速度控制在120 m/min，棉網(wǎng)棉結(jié)0 粒/g～1 粒/g。生條干定量20.2 g/5 m。并條中棉條輸出速度控制在300 m/min，粗紗工序中錠子轉(zhuǎn)速800 r/min。

在試驗(yàn)用小樣細(xì)紗機(jī)的上壓力臂上加裝張力控制器與導(dǎo)紗輪，見(jiàn)圖1。金屬絲放置于金屬絲裝置上，經(jīng)張力控制器與羅拉的控制，與經(jīng)過(guò)特定紡紗喂入裝置的萊賽爾粗紗進(jìn)行包覆，生產(chǎn)出萊賽爾不銹鋼復(fù)合紗、萊賽爾銅復(fù)合紗和萊賽爾不銹鋼銅復(fù)合紗。該機(jī)構(gòu)相比傳統(tǒng)環(huán)錠紡紗而言，可以同時(shí)喂入多根金屬絲制備導(dǎo)電包芯紗，相比花式捻線(xiàn)機(jī)，該機(jī)構(gòu)可直接喂入粗紗和金屬絲進(jìn)行包覆，轉(zhuǎn)速高，生產(chǎn)效率明顯提高。該機(jī)構(gòu)后期也可以同時(shí)喂入功能性細(xì)紗、金屬絲、碳纖維長(zhǎng)絲等功能紗制備多功能導(dǎo)電包纏紗。

圖1 紡紗喂入裝置示意圖

利用圖1 機(jī)構(gòu)改變喂入金屬絲的根數(shù)，以萊賽爾粗紗為包覆材料制備三種復(fù)合紗。理論捻 度60 捻/10 cm、70 捻/10 cm、80 捻/10 cm、90 捻/10 cm、100 捻/10 cm，捻向?yàn)镾 捻。

萊賽爾金屬?gòu)?fù)合紗經(jīng)過(guò)DWL 5016 型半自動(dòng)織樣機(jī)制成導(dǎo)電機(jī)織物?？椢镆?guī)格見(jiàn)表1。

表1 萊賽爾金屬?gòu)?fù)合機(jī)織物規(guī)格

4 試驗(yàn)測(cè)試

4.1 拉伸強(qiáng)力

根據(jù)ASTM D2256《單線(xiàn)法測(cè)定紗線(xiàn)抗拉特性的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》，使用HT-9101 型萬(wàn)能強(qiáng)力試驗(yàn)儀測(cè)試萊賽爾金屬紗和萊賽爾金屬?gòu)?fù)合機(jī)織物的拉伸性能。測(cè)量夾具之間的距離250 mm，拉伸速度300 mm/min，測(cè)試樣品數(shù)量20 次。

4.2 表面電阻率

參照J(rèn)IS L1094《機(jī)織品和針織品靜電傾向的測(cè)試方法》，采用RT-1000 型表面電阻測(cè)試儀（OHM-STAT，USA）測(cè)量萊賽爾金屬?gòu)?fù)合機(jī)織物的表面電阻率，于相對(duì)濕度35.6%和溫度24.4 ℃的環(huán)境中測(cè)試。樣品放置在一個(gè)絕緣板上，并通過(guò)一個(gè)5 磅的負(fù)載確保電極良好接觸織物表面。每個(gè)樣品測(cè)試20 次取平均值。

4.3 電磁波屏蔽效能

電磁波屏蔽效能根據(jù)ASTM D4935—10《平面材料的電磁屏蔽效果測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試。電磁波屏蔽效應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)采用電磁屏蔽效益測(cè)試夾具，掃描頻率范圍自300 kHz 至3 GHz，此種測(cè)試方法的電磁波場(chǎng)型為遠(yuǎn)場(chǎng)平面波。需先以一個(gè)相同厚度的中空試片做為參考試片，測(cè)量其電磁屏蔽效能值（SERef），用來(lái)對(duì)測(cè)量?jī)x器進(jìn)行校正，再以導(dǎo)電復(fù)合梭織物做為待測(cè)物（SELoad），測(cè)量其電磁屏蔽效能值。實(shí)際電磁屏蔽效能值為SELoad減去SERef。

5 結(jié)果與討論

5.1 萊賽爾金屬?gòu)?fù)合紗的拉伸強(qiáng)力

萊賽爾金屬?gòu)?fù)合紗的斷裂強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2 可知，萊賽爾金屬?gòu)?fù)合紗的斷裂強(qiáng)度與加捻程度有關(guān)。萊賽爾不銹鋼復(fù)合紗、萊賽爾銅復(fù)合紗和萊賽爾不銹鋼銅復(fù)合紗隨著捻度的提升（60 捻/10 cm～80 捻/10 cm）時(shí)，其斷裂強(qiáng)度隨之增加。當(dāng)捻度超過(guò)80 捻/10 cm，斷裂強(qiáng)度隨之下降。這是因?yàn)槟矶仍黾邮沟冒膊牧蟽?nèi)聚力增大包覆緊密，萊賽爾金屬?gòu)?fù)合紗拉伸斷裂強(qiáng)力提高，但當(dāng)捻度超過(guò)80 捻/10 cm，萊賽爾金屬?gòu)?fù)合紗軸向分力減小，成紗強(qiáng)力下降。因此三種復(fù)合紗，均選擇80 捻/10 cm 的紗線(xiàn)用于制備機(jī)織物。

圖2 各種捻度與芯材對(duì)萊賽爾金屬?gòu)?fù)合紗強(qiáng)度的影響

5.2 萊賽爾金屬導(dǎo)電織物表面電阻率

經(jīng)測(cè)試，純?nèi)R賽爾、Ly-SS、Ly-Cu、Ly-SS/Cu織 物 的 表 面 電 阻 率 分 別 為11 Ω/m2、3.88 Ω/m2、2.01 Ω/m2、1.14 Ω/m2。由以上數(shù)據(jù)可知，純?nèi)R賽爾織物屬于非導(dǎo)體的材料，有極高的表面電阻值；隨著金屬絲添加于織物中，Ly-SS、Ly-Cu 和Ly-SS/Cu 導(dǎo)電織物的表面電阻率都有著明顯改善。表面電阻率越低代表織物擁有較好的導(dǎo)電性。其中可以發(fā)現(xiàn)Ly-Cu 較Ly-SS 有更低的表面電阻率，這是由于不銹鋼相對(duì)于銅的導(dǎo)電系數(shù)只有0.022，而銅為1；添加兩種金屬絲的Ly-SS/Cu導(dǎo)電織物擁有最低的表面電阻率。

織物表面電阻儀測(cè)試表面導(dǎo)電性，除了與導(dǎo)電材料本身的電導(dǎo)率有關(guān)，也與測(cè)量?jī)x的探針與織物表面接觸的電導(dǎo)率有很大的關(guān)系。常見(jiàn)的靜電消散材料的表面電阻率一般界于105Ω/m2～109Ω/m2，應(yīng)用于電磁波屏蔽則選用電阻率小于105Ω/m2的材料［23］。

5.3 萊賽爾金屬導(dǎo)電織物的電磁屏蔽效能

電磁波屏蔽效能依據(jù)ASTM D4935—10 進(jìn)行測(cè)試。根據(jù)金屬網(wǎng)屏蔽理論，織物的屏蔽效能主要是由金屬絲之間的距離、金屬絲的直徑、金屬絲單位長(zhǎng)度的電阻和電抗、織物組織結(jié)構(gòu)決定［24］。平紋織物由經(jīng)紗和緯紗交織而成，相較于針織物有較高的緊密度，紗線(xiàn)間接觸電阻要小于其他種類(lèi)織物，導(dǎo)電紗在此結(jié)構(gòu)能形成較好的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，HUANG 等人也采用平紋組織研究織物電磁屏蔽效果［25-27］。

圖3～圖5 探討改變芯紗金屬絲的種類(lèi)與根數(shù)以及萊賽爾金屬導(dǎo)電織物的疊層層數(shù)對(duì)電磁波屏蔽效能的影響。導(dǎo)電織物在疊層角度為0°/0°/0°，僅僅改變織物層數(shù)（1 層～3 層）探究導(dǎo)電織物的屏蔽性能。從研究中可發(fā)現(xiàn)，隨著織物層數(shù)增加，導(dǎo)電織物的屏蔽效能值增加。Schelkunoff電磁屏蔽理論中提到，屏蔽物的厚度增加，將提升吸收損耗，增加整體屏蔽效能［28］。

圖3 Ly-SS 導(dǎo)電織物疊層數(shù)對(duì)電磁波屏蔽效能影響

圖4 Ly-Cu 導(dǎo)電織物疊層數(shù)對(duì)電磁波屏蔽效能影響

圖5 Ly-SS/Cu 導(dǎo)電織物疊層數(shù)對(duì)電磁波屏蔽效能影響

當(dāng)電磁波入射波頻率在高頻1 800 MHz和2 450 MHz 時(shí)，其屏蔽效能比較低。因其相對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)逐漸變短，入射波較容易穿透電磁屏蔽材料上的狹縫，而產(chǎn)生所謂的漏波現(xiàn)象，造成電磁屏蔽效能值降低。但也因?yàn)榻?jīng)緯紗均為導(dǎo)電紗，交織所形成的屏蔽網(wǎng)絡(luò)完整、穩(wěn)定，衰減不甚明顯。一般根據(jù)實(shí)際需要，對(duì)于大多數(shù)電子產(chǎn)品的屏蔽材料，入射波范圍在30 MHz ～1 000 MHz，電磁波屏蔽效能達(dá)到35 dB 就認(rèn)為是有效屏蔽，因此該導(dǎo)電機(jī)織物亦可用于一般工業(yè)或商用電子設(shè)備。

圖6 為L(zhǎng)y-SS/Cu 導(dǎo)電織物在織物層數(shù)3 層，疊 層 角 度 分 別 為0°/0°/0°、0°/45°/90°、0°/90°/0°時(shí)，測(cè)得的電磁波屏蔽效能。

圖6 Ly-SS/Cu 導(dǎo)電織物在不同疊層角度下的電磁波屏蔽效能

從圖6 可知，疊層角度變化后對(duì)其電磁波屏蔽效能有些微提升。改變疊層角度的目的是使織物形成完整的屏蔽網(wǎng)絡(luò)，這對(duì)于經(jīng)緯紗只有一種為導(dǎo)電紗時(shí)影響較為顯著，但對(duì)于經(jīng)緯紗均為導(dǎo)電紗時(shí)，改變疊層角度對(duì)導(dǎo)電織物的屏蔽效果影響不顯著。導(dǎo)電織物的屏蔽效果好壞主要取決于金屬絲能否在織物中形成較為完整的屏蔽網(wǎng)絡(luò)，屏蔽網(wǎng)絡(luò)越完整，導(dǎo)電織物的屏蔽效果越好。當(dāng)金屬導(dǎo)電織物經(jīng)緯紗均為導(dǎo)電復(fù)合紗時(shí)，經(jīng)緯紗接觸點(diǎn)可以形成完整的屏蔽網(wǎng)絡(luò)，接觸點(diǎn)越多，導(dǎo)電性越好，屏蔽效果越好。在圖6 中發(fā)現(xiàn)，入射波頻率在1 800 MHz～2 450 MHz 時(shí)，導(dǎo)電織物都可以維持有不錯(cuò)的屏蔽效能（40 dB ～50 dB），屏蔽率高達(dá)99.99%以上。

6 結(jié)論

（1）不同捻度的萊賽爾金屬?gòu)?fù)合紗對(duì)其力學(xué)性能影響不同。復(fù)合紗的捻度提升到80 捻/10 cm 時(shí)，其斷裂強(qiáng)度達(dá)到最大值，當(dāng)捻度超過(guò)80 捻/10 cm，其斷裂強(qiáng)度反而變差。

（2）金屬絲添加于織物中對(duì)于Ly-SS、Ly-Cu和Ly-SS/Cu 導(dǎo)電織物的表面電阻率都有著明顯改善。Ly-SS/Cu 導(dǎo)電織物有最低的表面電阻率。

（3）當(dāng)機(jī)織物經(jīng)緯紗均為導(dǎo)電紗，不改變織物疊層角度可以形成完整的屏蔽網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)電織物單層時(shí)屏蔽效能的平均值在30 dB 以上，滿(mǎn)足民生用、防護(hù)服裝及屏蔽家用電器的要求。隨著織物層數(shù)的增加，900 MHz～2 450 MHz 的入射頻段內(nèi)電磁波屏蔽效能可達(dá)40 dB～50 dB 及以上，屏蔽率高達(dá)99.99%。