舒適型電磁屏蔽織物的性能測試

侯 琳 蔡普寧 樊爭科 劉 琳 任碧孔

（陜西省紡織科學(xué)研究院有限公司，陜西西安，710038）

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種電氣設(shè)備的廣泛使用，導(dǎo)致電磁環(huán)境日益惡化，已經(jīng)直接威脅到了人類的健康［1］。電磁輻射易引起中樞神經(jīng)系統(tǒng)的機能障礙和以交感神經(jīng)疲乏、緊張為主的植物神經(jīng)緊張失調(diào)，主要癥狀表現(xiàn)為記憶力減退、食欲不振、多汗等癥狀，此外，還會出現(xiàn)心動過緩及心律不齊等現(xiàn)象［2］。研究表明在通訊基站、醫(yī)療檢測、動車地鐵、高壓變電站等區(qū)域的輻射環(huán)境超過GB 8702—2014《電磁環(huán)境控制限值》的規(guī)定［3-4］。對軀干防護而言，穿戴具有電磁屏蔽功能的織物較為便利高效。現(xiàn)有的電磁屏蔽織物多采用涂層整理、金屬纖維混紡或鍍金屬層等方式制成［5-8］，采用涂層整理或?qū)⒖椢锝饘倩_發(fā)的電磁屏蔽織物功能持久性差，經(jīng)多次洗滌或穿著摩擦后易造成電磁屏蔽單元結(jié)構(gòu)損壞，使得屏蔽效能大幅下降［9］；采用金屬纖維混紡的電磁屏蔽織物雖然具有良好的電磁屏蔽效果，但是金屬纖維彈性差易折斷、抱合力弱，與其他纖維混紡時紗線紡制難度大，高比例的金屬纖維含量導(dǎo)致織物悶熱、不透氣，服用舒適性差［10］。此外，金屬纖維混紡的電磁屏蔽織物在生產(chǎn)加工和穿著服用時，金屬纖維與人直接接觸會造成刺癢感或皮膚過敏［11-13］，目前的電磁屏蔽織物結(jié)構(gòu)致密難以兼顧其舒適性。

本研究通過紗線幾何結(jié)構(gòu)與織物組織結(jié)構(gòu)設(shè)計，試織了一系列不同織物規(guī)格的試織樣，對試織樣的舒適性和屏蔽效能進行測試分析，為舒適型電磁屏蔽織物的開發(fā)提供技術(shù)參考。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

芯絲：44.4 dtex鍍銀錦綸長絲，斷裂強度23.8 cN/tex，鍍層厚度0.3 μm；77.7 dtex鍍銀錦綸長絲，斷裂強度24.3 cN/tex，鍍層厚度0.5 μm。

外包纖維：長絨棉規(guī)格38.0 mm；滌綸規(guī)格1.6 dtex×38.0 mm，單纖維斷裂強度4.5 cN/dtex。

1.2 樣品的制備

1.2.1 紗線的紡制

紡制了外包纖維為棉/滌綸 60/40，紗線號數(shù)分別為18.5 tex和36.9 tex的包芯紗。為了提升其包覆效果和成紗質(zhì)量，紡紗方式選用賽絡(luò)紡［14］，兩種規(guī)格包芯紗的指標(biāo)如下。

紗線18.5 tex紗36.9 tex紗

斷裂強度 /（cN·tex-1）22.923.6

斷裂伸長率/%12.413.6

條干CV/%7.978.21

3 mm毛羽 /（根·m-1）3.223.86

可見，將鍍銀錦綸長絲紡制成包芯紗后，紗線的斷裂強度均低于芯紗長絲的斷裂強度。原因一是選用的鍍銀錦綸長絲在包芯紗紗體中質(zhì)量比低于25%，在紗線斷裂過程中強力貢獻值較低；原因二是鍍銀錦綸長絲的表面光滑，與外包纖維間的抱合程度下降，強力利用系數(shù)偏低，導(dǎo)致包芯紗的整體斷裂強度下降。同時，由于包芯紗特殊的結(jié)構(gòu)形式，導(dǎo)致紗線的毛羽較多，因此在后續(xù)漿紗和織造加工過程中須采用合理的工藝和技術(shù)措施，將對紗線毛羽的不利影響降到最低。

1.2.2 電磁屏蔽織物的制備

采用上述兩種規(guī)格的包芯紗分別制備兩組共10款不同織物組織結(jié)構(gòu)的織物，兩組織物的基本參數(shù)見表1。其中樣品1～樣品5為第1組，其單位面積質(zhì)量均為140.0 g/㎡；樣品6～樣品10為第2組，其單位面積質(zhì)量均為200.0 g/㎡。

1.3 織物性能的測試方法

觸感測試。為了客觀地反映織物的舒適性，采用錫萊亞太拉斯有限公司生產(chǎn)的FTT型織物觸感測試儀測試，分析對比織物的彎曲性能、壓縮性能和導(dǎo)熱性能。將織物的外表面設(shè)定為正面，每個試樣正面測試5次，取其平均值。

厚度測試。采用YG141N型數(shù)字式織物厚度儀，按照GB/T 3820—1997《紡織品和紡織制品厚度的測定》進行測試。

透氣性測試。采用YG461E型數(shù)字式織物透氣量儀，依據(jù)GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測定》進行表征。

電磁屏蔽效能測試。參照GB/T 33615—2017《服裝 電磁屏蔽效能測試方法》，采用法蘭同軸法，使用Agilent N5232A型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試織物頻率在30 MHz～3 030 MHz范圍內(nèi)的屏蔽效能，測試時為了保證數(shù)據(jù)的精確度，對每塊樣布選取5個不同的位置各測試10次，參照文獻［15］，以上述頻段內(nèi)屏蔽效能的最小值作為電磁屏蔽織物的屏蔽效能值。

2 結(jié)果與分析

2.1 織物舒適性分析

織物的舒適性是穿著者在生理、心理和環(huán)境等因素的影響下，對織物穿著后的一個多維的綜合反映［16］。織物的舒適性包括濕熱舒適性和觸感舒適性兩個方面，國內(nèi)外對織物的濕熱舒適性的研究較多，而對觸感舒適性鮮有報道［17］。織物濕熱舒適性主要表現(xiàn)為織物透濕透氣和保溫導(dǎo)濕的能力，衡量織物觸感的指標(biāo)有光滑程度、柔軟性和冷熱感等。

為了客觀評價織物的舒適性，對表1所述的10款織物的舒適性指標(biāo)進行測試，并與對比樣進行對比，對比樣為舒適性優(yōu)的雙層織物，其規(guī)格為

JC/T 60/40 18.5×JC/T 60/40 18.5 519.5×472.5，表里層經(jīng)緯紗排列比為1∶1，單位面積質(zhì)量200.0 g/㎡，測試結(jié)果對比見表2。其中，彎曲性能BAR值可以直觀反饋織物的剛性與柔軟性，BAR值越小，織物柔軟性越好；壓縮性能通過測試織物壓縮后恢復(fù)的程度CRR值來表征。

由表2第1組（單位面積質(zhì)量140.0 g/㎡）和第2組（單位面積質(zhì)量200.0 g/㎡）舒適性數(shù)據(jù)對比可知，單位面積質(zhì)量越大，BAR值越大，織物柔性越差，而壓縮性能、熱導(dǎo)量、厚度和透氣性數(shù)值越大。在5種不同組織結(jié)構(gòu)織物中，平紋織物的BAR值最大，雙層織物的BAR值最小，可見平紋織物的剛性大，織物的活絡(luò)程度小，相反雙層織物柔軟、手感好。隨著織物組織結(jié)構(gòu)從平紋、斜紋、緞紋、經(jīng)二重和雙層結(jié)構(gòu)的變化，厚度、CRR值、透氣率等值越來越大。這主要是不同組織結(jié)構(gòu)的織物緊度等參數(shù)不同導(dǎo)致的；當(dāng)織物的組織結(jié)構(gòu)從平紋變換到斜紋再變換到緞紋時，織物紗線間的孔隙越來越大，導(dǎo)致織物厚度變大，壓縮后回復(fù)程度變大，透氣性變好。同時，雙層織物相較于經(jīng)二重織物多了一層緯紗系統(tǒng)，織物更蓬松，故雙層結(jié)構(gòu)織物的厚度、CRR值最大，透氣性能最優(yōu)。可見對于電磁屏蔽織物而言，雙層織物的舒適性綜合性能最優(yōu)。通過數(shù)據(jù)對比可知，對比樣的舒適性指標(biāo)略優(yōu)于電磁屏蔽雙層織物，本研究開發(fā)的舒適性電磁屏蔽織物與常規(guī)的滌棉產(chǎn)品具有相近的舒適性。

表2 織物舒適性測試結(jié)果

2.2 屏蔽性能影響因素分析

2.2.1 織物組織結(jié)構(gòu)對電磁屏蔽性能的影響

第1組（單位面積質(zhì)量140.0 g/㎡）和第2組（單位面積質(zhì)量200.0 g/㎡）織物的電磁屏蔽效能測試結(jié)果分別見圖1和圖2。

圖1 第1組織物電磁屏蔽效能

圖2 第2組織物電磁屏蔽效能

10款織物電磁屏蔽效能最小的為32.37 dB，可滿足GB/T 23326—2009《不銹鋼纖維與棉滌混紡電磁波屏蔽本色布》中對于電磁屏蔽效能值大于20.00 dB的要求。

包芯紗的外包纖維是滌綸和棉纖維，故在分析時忽略其對織物電磁屏蔽效能的影響。由圖1和圖2可知，隨著頻率的增加，織物的電磁屏蔽效能呈現(xiàn)下降趨勢。根據(jù)文獻［18］，當(dāng)電磁波頻率較小即低頻波段時，電磁屏蔽以反射為主，當(dāng)電磁波頻率較大即高頻波段時，電磁屏蔽以吸收為主。本研究采用的鍍銀材料是以反射電磁波為主發(fā)揮電磁屏蔽效能，故在低頻波段時反射衰減明顯，低頻段屏蔽效能值較大；隨著頻率的增大，其反射衰減下降，使得電磁屏蔽效能整體呈現(xiàn)下降趨勢。

當(dāng)單位面積質(zhì)量相同時，5種織物組織結(jié)構(gòu)中，經(jīng)二重織物的電磁屏蔽效能最優(yōu)，雙層織物次之，平紋優(yōu)于斜紋，緞紋織物的電磁屏蔽效能最差。其主要原因是不同的織物組織結(jié)構(gòu)形成了不同的網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)。平紋織物的浮線最短、交織次數(shù)最多、結(jié)構(gòu)也最緊密，形成的孔洞、縫隙最少，透氣性差，雖然其厚度小，但是致密的結(jié)構(gòu)能反射更多的電磁波，因此屏蔽效果最好；緞紋組織織物的浮線最長、交織次數(shù)最少、結(jié)構(gòu)最疏松，形成孔洞、縫隙最多，透氣性能好，故屏蔽效果也最差；斜紋組織介于二者之間。經(jīng)二重織物與雙層織物其電磁屏蔽效能優(yōu)于平紋織物，其原因在于經(jīng)二重織物和雙層織物均具有雙層效應(yīng)。本研究采用的是鍍銀長絲，按照文獻［19］提供的計算公式可知，在30 MHz～1 500 MHz頻率范圍內(nèi)，趨膚深度δ銀為1.66 μm，在1 500 MHz～3 030 MHz頻率范圍內(nèi)，趨膚深度δ銀為1.17 μm。當(dāng)織物的厚度大于趨膚深度δ時，電磁波可穿透表層織物而進入里表層的間隙，同時在雙層織物間隔處發(fā)生多次反射導(dǎo)致更多衰減，可以形成雙層電磁屏蔽效應(yīng)，屏蔽效能更優(yōu)異［20］。經(jīng)二重織物電磁屏蔽效能較雙層織物更好，其主要原因是經(jīng)二重形成的織物表經(jīng)與里經(jīng)僅有一層緯紗聯(lián)結(jié)，其結(jié)構(gòu)更致密，從兩種織物的透氣性對比也能側(cè)面反映出經(jīng)二重織物屏蔽層排列更致密，故經(jīng)二重織物的屏蔽效能優(yōu)于雙層織物。

2.2.2 染整加工對電磁屏蔽效能的影響

為了提升織物的白度和光澤，研究了漂白和絲光等染色前處理工序?qū)﹄姶牌帘涡艿挠绊懸?guī)律。將電磁屏蔽效能最優(yōu)的經(jīng)二重織物樣品9經(jīng)酶退漿處理后分成4個部分采用不同的染整工藝進行加工。第1部分的織物不采取任何處理作為對比樣記為織物Ⅰ；第2部分的織物采用兩浴法直接染色記為織物Ⅱ；第3部分織物經(jīng)燒堿絲光處理后采用兩浴法染色記為織物Ⅲ；第4部分織物使用雙氧水漂白后采用兩浴法染色記為織物Ⅳ。上述染色的工藝參數(shù)為：一浴為分散染料染色，分散紅染料，染料濃度0.5%（omf），醋酸5 g/L，染色溫度130 ℃，染色時間60 min，浴比1∶10；二浴為活性染料染色，活性紅染料，染料濃度0.5%（omf），硫酸鈉40 g/L，碳酸鈉15 g/L，染色溫度60 ℃，染色時間90 min，浴比1∶10。織物Ⅰ、織物Ⅱ、織物Ⅲ、織物Ⅳ的電磁屏蔽效能測試結(jié)果見圖3。

圖3 染整加工對電磁屏蔽效能的影響

由圖3可知，織物的電磁屏蔽效能隨著頻率的增加呈現(xiàn)出下降的趨勢。對比織物Ⅰ與織物Ⅱ的電磁屏蔽效能，可以看出染色對織物的電磁屏蔽效能影響較小，經(jīng)染色后電磁屏蔽效能下降1.54 dB。這是由于染色時使用的醋酸是弱酸，鍍銀層是不活潑金屬，二者幾乎不發(fā)生反應(yīng)，故織物屏蔽效能下降不明顯。對比織物Ⅱ、織物Ⅲ的屏蔽效能，當(dāng)織物采用氫氧化鈉絲光時，屏蔽效能下降2.41 dB，這是由于絲光使用的氫氧化鈉溶液易與銀反應(yīng)生成的絡(luò)合物離子Ag（OH）2-造成銀層流失，導(dǎo)致屏蔽效能下降。對比織物Ⅱ、織物Ⅳ的屏蔽效能可知，織物采用雙氧水漂白后染色，其電磁屏蔽效能大幅下降，下降7.13 dB，其原因是雙氧水為強氧化劑，銀極易氧化，與強氧化劑雙氧水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成棕黃色的氧化銀，使得鍍銀層在結(jié)構(gòu)上遭到破壞，影響織物的電磁屏蔽效能。由此可見，本研究開發(fā)的電磁屏蔽織物不能采用雙氧水對其漂白處理，在絲光時也應(yīng)該嚴(yán)格控制堿的濃度，避免對織物的電磁屏蔽效能造成不利影響。

2.2.3 水洗對電磁屏蔽效能的影響

將2.2.2中染色加工后的織物Ⅲ（電磁屏蔽效能值為50.28 dB）按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8629—2017《紡織品 試驗用家庭洗滌和干燥程序》的4N方式洗滌50次后，測試其屏蔽效能值為50.32 dB，可見水洗對織物的屏蔽效能影響不大，主要原因是織物經(jīng)洗滌后，紗線排列更致密，紗線間的空隙變小，更有利于織物發(fā)揮屏蔽效能。

3 結(jié)論

（1）采用鍍銀長絲開發(fā)的電磁屏蔽織物，其屏蔽機理以反射為主，低頻時反射衰減明顯；隨著頻率的增大，其反射衰減下降。故隨著頻率的增加，電磁屏蔽效能呈現(xiàn)下降趨勢。各種織物組織結(jié)構(gòu)中，經(jīng)二重組織織物的電磁屏蔽效能最優(yōu)，雙層結(jié)構(gòu)織物次之，平紋織物優(yōu)于斜紋，緞紋織物的電磁屏蔽效能最差。

（2）在開發(fā)舒適型電磁屏蔽織物時，織物組織結(jié)構(gòu)應(yīng)選用經(jīng)二重組織，該結(jié)構(gòu)的織物可兼顧舒適性和電磁屏蔽效能。

（3）織物在后染整加工時，應(yīng)避免采用雙氧水對其漂白處理，在絲光時也應(yīng)該嚴(yán)格控制堿的濃度，染色前后的電磁屏蔽效能差異不大，染色后的織物服用性能優(yōu)異，同時水洗對織物的屏蔽性能影響不大。