內含不銹鋼的柔性電磁屏蔽織物的制備與研究

喻陽，楊文旗，丁重，張瑩，章曉陽，王曉萌，彭浩凱,3

（1.天津工業大學紡織科學與工程學院，智慧紡織與節能制品創新平臺，天津 300387;2.天津工大紡織助劑有限公司，天津 300270；3.天津工業大學先進紡織復合材料天津市教育部重點實驗室，天津 300387）

前言

隨著社會的進步，各種各樣電子產品的出現使我們的生活變得更加方便、高效，但同時，我們也遭受著它們帶來的電磁輻射的影響，電磁輻射會導致人體的不良反應，損害我們健康[1-2]。解決電磁輻射問題有許多方法，而電磁屏蔽是這些方法中最主要、最基本的，對防止電磁波產生干擾有很大幫助[3-4]。

現在的電磁屏蔽織物大部分是金屬涂層和金屬纖維混紡織物。但是實際上通過在織物表面涂覆導電涂層或者利用鍍層方法研制金屬涂層織物，并不能很好的防止電磁屏蔽的干擾，同時，織物風格也和普通織物有較大差別，不利于穿著，而不銹鋼纖維不僅具有導電、導熱等優點，并且柔軟，耐磨性高，強度高，可紡性好。

當然金屬絲復合紗線普遍存在易裸露于織物表面的問題，我們利用實驗室發明的一種用于制備包芯紗的喂入裝置來紡制海藻纖維/不銹鋼纖維包芯紗，該喂入裝置相比傳統包芯紗喂入裝置，可以精準控制芯紗，使金屬絲喂入粗紗中間，從包紗源頭解決了問題。用該紗線織造電磁屏蔽性能的柔性功能性織物，與由普通的防輻射材料織成的面料相比，該織物能夠維持更久的電磁屏蔽效果，織物風格與普通織物類似，可以貼附皮膚穿著，具有舒適保健性，可用于電磁屏蔽服或醫用電磁屏蔽服內層。

1 試驗部分

1.1 材料儀器

中國上海源能有限公司生產的316 L 不銹鋼絲，斷裂強度為354.36 cN，直徑為0.03 mm，伸長率是29.4%。海藻纖維，纖維長度50 mm，纖維細度1.5 D。

1.2 包芯紗的制備

實驗室創造了一款獨特的包芯紗喂入裝置來準確控制芯紗，保證了金屬絲喂入粗紗之間，從包紗的源頭徹底解決了金屬絲復合紗線在織物表面裸露的問題，從而制備了優良的包芯紗，最后制備的海藻纖維/不銹鋼長絲包芯紗具有質量優質，包覆完備的效果。如圖1 所示為包芯紗的制備流程。

圖1 自制的紡紗喂入裝置原理圖及包芯紗截面演示圖Fig.1 Schematic diagram of a spinning feed device and Sectional form of the spun core yarn

1.3 柔性電磁屏蔽織物的制備

如圖2a 所示，采用50/50 滌棉紗的經紗和不銹鋼長絲/海藻纖維包芯紗的緯紗，在半自動織機（DWL5016，中國浙江杭州天馬紡織機械有限公司）制備了具備柔軟特性的電磁屏蔽織物。圖2b 是選用織物單元結構的等效電路來表示導電織物的屏蔽網絡，電阻R 表示的是經緯線的接觸電阻。圖示中的電容（C）為并聯導線產生的電容。圖2c 所示的織物中只有緯紗是導電紗，改變三層織物的貼合角度可形成更為完整的屏蔽網，形成更多導電網絡，屏蔽效果顯著提高。

圖2 (a）柔性電磁屏蔽織物的實物圖；(b)導電織物單元結構的等效電路；(c）導電織物在復合角度為0°/0°/0°和0°/45°/90°下屏蔽電磁波的機理Fig.2 (a)Physical picture of flexible electromagnetic shielding fabric;(b)Equivalent circuits for each unit structure;(c)Mechanism of electromagnetic shielding of conductive fabric at composite angles of0°/0°/0°and 0°/45°/90°

1.4 測試與表征

1.4.1 拉伸性能

采用HT-9101 型萬能強力儀（萊州市電子儀器有限公司）測試制備的柔性電磁屏蔽織物的拉伸性能。按照經向150 mm、緯向50 mm 的標準裁剪一塊試樣，夾持隔距設置為10 cm，測試并記錄數據。

1.4.2 透氣性

使用ASTM D0730 規定的數字織物透氣儀（YGB461D 中國溫州榮達紡織有限公司）測量導電電磁屏蔽機織物的透氣性。試樣壓差設置為100 Pa，使流量值控制在600～3000 mm/s 之間。樣品尺寸裁剪為25 cm×25 cm，對這10 個樣品進行透氣性測試記錄數據并取平均值。

2 結果與討論

2.1 織物電磁屏蔽性能

當織物層疊角度為0°/0°/0°時，總體上電磁干擾強度在1500～3000 MHz 的頻率下隨著織物層數基本不變。另外不銹鋼/滌棉-1 層的電磁干擾強度在460 MHz 的頻率下為35 dB，電磁屏蔽效果一般。一般情況下，對于大多數電子產品的屏蔽材料，入射波在30-1000 MHz 范圍，電磁屏蔽效能為35 dB 就認為是有效屏蔽，該織物可用于一般工業或商用電子設備。

當織物層疊角度為0°/45°/90°時，總體電磁干擾強度在1500～3000 兆赫的頻率下隨著織物層數先增加再減小。其中不銹鋼/滌棉-1 層的電磁干擾強度在1500～3000 MHz 的頻率下為4～10 dB，不銹鋼/滌棉-2 層的電磁干擾強度在1500～3000 MHz的頻率下18～42 dB，這個范圍是不銹鋼/滌棉-1 層的4 倍左右。不銹鋼/滌棉-3 層的電磁干擾強度在1500～3000 兆赫的頻率下15～30 dB，這個范圍是不銹鋼/滌棉-1 層的3 倍左右。

如圖3 可知，當織物層疊角度為0°/90°/0°時，電磁干擾強度在1500～3000 MHz 的頻率下隨著織物層數的增加先增加后減小。不銹鋼/滌棉-1 層的電磁干擾強度在1500～3000 MHz 的頻率下為5～10 dB，不銹鋼/滌棉-2 層的電磁干擾強度在1500～3000 MHz 的頻率下為30～65 dB，這個范圍是不銹鋼/滌棉-1 層的6 倍左右。不銹鋼/滌棉-3 層的電磁干擾強度在1500～3000 MHz 的頻率下為22～42 dB，這個范圍是不銹鋼/滌棉-1 層的4 倍左右。其中雙層織物電磁屏蔽效能在頻率為1700 MHz 到2500 MHz 時都在30 dB 以上，屏蔽效果良好。

圖3 導電織物的EMISE 與復合層數和復合角度0°/90°/0°的關系Fig.3 The relationship between EMISE of conductive fabric and 0°/90°/0°composite angle of composite layer and composite angle

由圖4 我們可以看出，單層織物電磁屏蔽效能平均值為9.27 dB，電磁屏蔽效果相對較差，三層織物電磁屏蔽效果明顯低于雙層織物。雙層織物電磁屏蔽效果明顯比單層織物更好，織物電磁屏蔽效能平均值為36.19 dB，并且頻率在1700 MHz 到2500 MHz 時電磁屏蔽效能都在30 dB 以上，最大為65 dB，屏蔽效果可達99.9%。

圖4 導電織物的EMISE 與復合角度的關系Fig.4 Relationship between EMISE of conductive fabric and composite Angle

2.3 電磁屏蔽織物拉伸性能

實驗測試了10 組織物的斷裂強力和斷裂伸長，織物經向、緯向平均斷裂強力分別為193 cN、404 cN，織物經向、緯向平均斷裂伸長分別為18.6 mm、8.9 mm，織物是以經紗為50/50 滌棉紗，緯紗為不銹鋼包芯紗紡制的，對于強力方面，不銹鋼包芯紗大于滌棉紗，所以制備的電磁屏蔽織物緯向斷裂強力大于經向斷裂強力。又因為不銹鋼的剛性更大，所以緯向紗線伸長率小，織物的經向斷裂伸長率大于緯向。

2.4 電磁屏蔽織物透氣性能

本實驗單層織物的透氣量平均為1263.6 mm/s，優于一般織物,可以很好散熱，穿著舒適。二層織物的透氣量平均為952mm/s，三層織物的透氣量平均為817.9 mm/s。二層與三層時透氣性差別不大，但是二層時電磁屏蔽性能相對更好，所以選擇二層是更合適的。

3 結論

本文采用自主發明的喂線裝置，以0.03 mm 直徑的不銹鋼絲作為芯紗，用海藻纖維進行外包，先紡制海藻纖維/不銹鋼纖維包芯紗，用制備的包芯紗為緯紗和50/50 滌棉紗為經紗，在半自動織樣機上織造柔性電磁屏蔽織物。研究表明，制備的織物緯向的斷裂強力為404 cN，高于193 cN 經向斷裂強力；織物的透氣量平均為1263.6 mm/s，織物輕質柔軟，手感舒適，可用于衣物。以層疊角度為0°/90°的雙層織物電磁屏蔽效能在頻率為1700 MHz 到2500 MHz 時都在30 dB 以上，屏蔽效果良好，織物的透氣性優良。