滌綸/不銹鋼纖維混紡電磁屏蔽織物的設(shè)計(jì)與性能分析

武 暉，路海清

(1.西安工程大學(xué) 學(xué)報(bào)編輯部，陜西 西安 710048； 2.西安工程大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

電磁屏蔽功能性紡織品主要有金屬鍍層織物、導(dǎo)電涂層織物、金屬纖維織物等[1]。金屬鍍層織物和導(dǎo)電涂層織物是通過(guò)原位聚合涂層浸漬—烘干法[2]、涂層法[3]、化學(xué)鍍[4]、真空鍍[5]、等離子體電鍍[6]等方法制備的電磁屏蔽織物，具有較好的電磁屏蔽效果。另外，應(yīng)作戰(zhàn)需要，還有能夠兼顧電磁屏蔽和自身通信頻率的紡織品[7]。金屬涂層織物存在涂層不均勻、易脫落、透氣性差、屏蔽效能有限的缺點(diǎn)。金屬化學(xué)鍍應(yīng)用較廣，屏蔽效能好且織物較柔軟，但制備過(guò)程復(fù)雜，污染嚴(yán)重，鍍層不易控制。真空鍍和等離子體電鍍比其他幾種化學(xué)鍍具有更多的優(yōu)勢(shì)，但金屬與織物的結(jié)合力較差，耐洗色牢度不好。

金屬纖維混紡織物因其具有較好的服用性能、力學(xué)性能、導(dǎo)電性能、耐腐蝕性而受到越來(lái)越多的關(guān)注，其中不銹鋼纖維作為導(dǎo)電材料用于電磁屏蔽織物是研究的熱點(diǎn)之一[8]。文獻(xiàn)[9-10]采用芳綸/不銹鋼纖維混紡紗線制備了高性能、多功能電磁屏蔽織物，并測(cè)試分析了其電磁屏蔽效能、阻燃效果、拉伸性能、耐水洗性能。另外，還有不少研究人員探討了不同織物類(lèi)型[11]、混紡比[12]和組織結(jié)構(gòu)[13-14]對(duì)織物電磁屏蔽效能的影響。本文通過(guò)制備滌綸/不銹鋼纖維混紡織物，系統(tǒng)分析織物組織結(jié)構(gòu)、滌綸/不銹鋼纖維混紡紗線嵌織網(wǎng)格大小、經(jīng)向和緯向嵌織密度等對(duì)電磁屏蔽效能的影響，為不銹鋼纖維混紡電磁屏蔽織物的生產(chǎn)和設(shè)計(jì)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

滌綸/不銹鋼纖維80/20混紡紗線a，線密度為29.5 tex×2；100%滌綸紗線b，線密度為13.5 tex×2(山東盛和集團(tuán))。

1.2 樣品制備

設(shè)計(jì)不同組織結(jié)構(gòu)、不同嵌織網(wǎng)格大小、不同嵌織密度，用SGA598型半自動(dòng)小樣織機(jī)(江陰通源紡機(jī)有限公司)織造系列織物樣品。

1.2.1 不同組織結(jié)構(gòu)系列織物A

以紗線a為經(jīng)、緯紗，分別織造平紋織物、三上一下斜紋織物、二上二下方平織物、三上三下經(jīng)重平織物、二上二下緯重平織物這5種小樣，分別對(duì)應(yīng)編號(hào)為A1、A2、A3、A4、A5。

1.2.2 不同嵌織網(wǎng)格大小的系列織物B

以紗線a為經(jīng)紗，緯紗為a∶b質(zhì)量比分別為1∶0、1∶2、1∶4、1∶6、1∶8這5種配比的混紡線，織造不同嵌織網(wǎng)格大小的平紋組織系列小樣，分別對(duì)應(yīng)編號(hào)為B1、B2、B3、B4、B5。

1.2.3 不同嵌織密度系列織物C

以紗線b為經(jīng)紗，緯紗為a∶b質(zhì)量比分別為1∶0、1∶3、1∶6、1∶9、1∶12這5種配比的混紡線，織造不同嵌織密度的平紋組織系列小樣,分別對(duì)應(yīng)編號(hào)為C1、C2、C3、C4、C5。

1.3 織物電磁屏蔽性能測(cè)試

使用同軸波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)分析儀(西安工程大學(xué)自行研制)測(cè)試各織物樣品的電磁屏蔽性能。測(cè)試條件：波導(dǎo)管中傳輸?shù)碾姶挪門(mén)E10，頻段范圍為2 250～2 650 MHz，測(cè)試窗口6.5 cm×11 cm。電磁屏蔽效能(SE)的計(jì)算公式為：

(1)

式中：P1為放置屏蔽材料后的功率，W；P2為放置屏蔽材料前的功率，W。

2 結(jié)果與討論

2.1 織物結(jié)構(gòu)參數(shù)

織物樣品的下機(jī)基本結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 織物樣品的下機(jī)基本結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2 織物電磁屏蔽性能

電磁波在織物內(nèi)部產(chǎn)生的多次反射損耗與電磁屏蔽織物的厚度、屏蔽材料的電導(dǎo)率等密切相關(guān)[15]。

2.2.1 組織結(jié)構(gòu)對(duì)織物電磁屏蔽效能的影響

分別對(duì)A1、A2、A3、A4、A5等5種不同織物組織樣品進(jìn)行經(jīng)向、緯向電磁屏蔽效能測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)圖1。從圖1(a)可以看出，5種不同組織中平紋織物A1和方平織物A3在經(jīng)向的電磁屏蔽效能明顯高于其他組織的織物，原因在于本系列的織物所用的紗線均為滌綸/不銹鋼纖維混紡紗，電導(dǎo)率相同。但平紋和方平組織織物的經(jīng)紗、緯紗交織次數(shù)多，織物表面不銹鋼纖維排列更為緊密，對(duì)電磁波的反射損耗較大，因此具有更高的電磁屏蔽效能。此外，由表1可知，A4最厚，但厚度的增加并沒(méi)有明顯提高其電磁屏蔽效能。由此可見(jiàn)，對(duì)于反射型電磁屏蔽材料，表面反射損耗是材料屏蔽電磁波的主要因素，材料的厚度對(duì)其屏蔽效能有影響，但不明顯。

圖1 不同組織結(jié)構(gòu)織物經(jīng)向、緯向電磁屏蔽效能

從圖1(b)可以看出，不同組織結(jié)構(gòu)織物的緯向屏蔽效能變化較大，且經(jīng)重織物A4的電磁屏蔽效能最好。由表1可知，經(jīng)重織物A4的緯密最大，為390根/(10 cm)，其織物的厚度也最大。這是由于織造過(guò)程中不同組織結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致紗線產(chǎn)生的滑移程度不同，進(jìn)而影響織物的緯密。特別是經(jīng)重組織織物，在織造過(guò)程中因緯紗滑移，造成打緯后緯紗堆積，緯密增加，織物厚度也增加。可見(jiàn)不銹鋼纖維混紡織物的電磁屏蔽效能不僅與組織結(jié)構(gòu)相關(guān)，而且與織物中不銹鋼纖維混紡紗線的織造密度相關(guān)。織物的厚度對(duì)電磁波的屏蔽效能也有影響，織物越厚，電磁波進(jìn)入織物中的路徑越長(zhǎng)，其多次反射損耗也會(huì)越大。因此，在A1～A5這5種樣品中，經(jīng)重織物對(duì)電磁波的屏蔽效能較高。

2.2.2 嵌織網(wǎng)格大小對(duì)織物電磁屏蔽效能的影響

以樣品B2為例，嵌織織物的結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2。圖中陰影部分為不銹鋼纖維混紡紗線嵌織網(wǎng)格面積。

圖2 嵌織織物B2的理論結(jié)構(gòu)示意圖

滌綸/不銹鋼纖維混紡紗嵌織網(wǎng)格面積S見(jiàn)式(2)(3),滌綸/不銹鋼纖維混紡紗的理論直徑[16]見(jiàn)式(4)(5)：

S=Lj×Lw

(2)

(3)

(4)

δ=0.2×7.8+0.8×1.38=2.664

(5)

式中：Lj、Lw分別為嵌織網(wǎng)格的長(zhǎng)度、寬度，mm；Pj、Pw分別為織物中滌綸/不銹鋼纖維混紡紗經(jīng)向、緯向的嵌織密度，根/(10 cm)；dj、dw分別為織物中經(jīng)向、緯向的滌綸/不銹鋼纖維混紡紗的直徑，dj=dw，mm；Ntex為滌綸/不銹鋼纖維混紡紗的線密度，tex；δ為滌綸/不銹鋼纖維混紡紗的密度，g/cm3。

根據(jù)式(2)～(5)可計(jì)算出B系列各織物樣品中滌綸/不銹鋼纖維混紡紗線嵌織網(wǎng)格的面積，結(jié)果如表2所示。

表2 B系列樣品緯向嵌織密度與嵌織網(wǎng)格面積

織物B1～B5的電磁屏蔽測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖3。可以看出，不同網(wǎng)格面積對(duì)織物經(jīng)向電磁屏蔽效能影響不大，但對(duì)緯向電磁屏蔽效能影響較大。

圖3 不同嵌織網(wǎng)格面積經(jīng)向、緯向電磁屏蔽效能

為進(jìn)一步了解嵌織網(wǎng)格面積與織物電磁屏蔽效能之間的關(guān)系，以2 450 MHz中心頻率為基準(zhǔn)，給出B系列織物嵌織網(wǎng)格面積對(duì)織物經(jīng)向、緯向電磁屏蔽效能的影響，見(jiàn)圖4。

圖4 2 450 MHz下織物不同嵌織網(wǎng)格面積對(duì)織物經(jīng)向、緯向的電磁屏蔽效能的影響

從圖4(a)可看出，僅從緯向改變網(wǎng)格面積對(duì)織物經(jīng)向的電磁屏蔽效能影響不大。這是因?yàn)橥S波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)分析儀中波導(dǎo)管傳輸?shù)氖菃畏较虻钠耠姶挪ā．?dāng)織物中不銹鋼混紡紗線垂直于電磁波中的磁場(chǎng)振動(dòng)方向，即平行于電場(chǎng)方向時(shí)，織物中不銹鋼纖維感應(yīng)的電流最大，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為熱能，此時(shí)織物才具有最大的電磁屏蔽效能；相反，平行于磁場(chǎng)振動(dòng)方向的不銹鋼混紡紗線對(duì)電磁波屏蔽效果并無(wú)明顯影響。

由圖4(b)示出，織物嵌織網(wǎng)格面積越大，其緯向電磁屏蔽效能越小。這是因?yàn)椋阂环矫妫W(wǎng)格越大，測(cè)試窗口中的電磁屏蔽無(wú)效區(qū)域越大，電磁波的穿透率加大，反射率減小導(dǎo)致電磁屏蔽效能降低；另一方面，不銹鋼混紡紗線排列密度越大，在測(cè)試窗口中不銹鋼混紡紗線含量越多，不僅使其對(duì)電磁波的表面反射率增大，且織物內(nèi)部不銹鋼纖維混紡紗線中的感應(yīng)電流也增加，從而產(chǎn)生大量的熱能而損耗電場(chǎng)，使電磁屏蔽效能增大。因此，在同軸波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)分析儀上測(cè)試不銹鋼纖維混紡織物屏蔽效能時(shí)，當(dāng)不銹鋼纖維混紡紗線經(jīng)向密度不變時(shí)，織物網(wǎng)格大小的改變相當(dāng)于不銹鋼纖維紗線緯向嵌織密度的改變。

2.2.3 嵌織密度和紗線排列方向?qū)椢镫姶牌帘涡艿挠绊?/p>

以C系列織物為例，5種不同嵌織密度滌綸/不銹鋼纖維混紡織物的電磁屏蔽效能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 不同嵌織密度的織物緯向電磁屏蔽效能

從圖5可以看出，在2 250～2 650 MHz電磁波范圍內(nèi)，各織物的電磁屏蔽效能有一定差異，且在達(dá)到一定值后基本穩(wěn)定[17]。5種織物的電磁屏蔽效能大小依次為：C1>C2>C3>C4>C5。這是由于C1～C5織物的緯向不銹鋼纖維混紡紗線嵌織密度依次降低，當(dāng)嵌入的不銹鋼混紡紗線線密度減小時(shí)，具有電磁屏蔽效能的紗線根數(shù)減少，感應(yīng)產(chǎn)生的電流導(dǎo)致的電場(chǎng)損耗減少。其次，隨著織物表面滌綸紗線所占面積的增大，電磁波的穿透率也隨之增大，織物表面的反射損耗降低，電磁屏蔽效能也隨之降低。

對(duì)C系列織物的經(jīng)向電磁屏蔽效能進(jìn)行的測(cè)試表明：5種不同緯向嵌織密度的滌綸/不銹鋼纖維混紡織物的經(jīng)向電磁屏蔽效能值均接近于零。其原因在于此時(shí)的不銹鋼纖維混紡紗線排列方向與磁場(chǎng)振動(dòng)方向平行，即與電場(chǎng)方向垂直，不銹鋼纖維中幾乎沒(méi)有感應(yīng)電流產(chǎn)生，因而不能對(duì)電磁波進(jìn)行屏蔽，證明了同軸波導(dǎo)中電磁波的傳輸具有方向性。

3 結(jié) 論

①織物組織結(jié)構(gòu)對(duì)滌綸/不銹鋼纖維混紡織物的電磁屏蔽效能具有一定影響。

②織物的電磁屏蔽效能會(huì)隨著滌綸/不銹鋼纖維混紡紗線嵌織網(wǎng)格面積的增大而減小；不銹鋼紗線嵌織密度對(duì)電磁波的屏蔽效能影響顯著，電磁屏蔽效能隨著嵌織密度的增大而增大。

③滌綸/不銹鋼纖維混紡織物的電磁屏蔽效能與織物中不銹鋼纖維混紡紗線的排列方向密切相關(guān)。當(dāng)不銹鋼纖維混紡紗線排列方向與電磁波傳輸?shù)拇艌?chǎng)振動(dòng)方向垂直時(shí)，織物的屏蔽效能最好。