金屬纖維混紡電磁屏蔽織物的研究進展

吳依琳,李永貴,2,3,*,麻文效

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 輕工與紡織學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特010080;2.閩江學(xué)院 服裝與藝術(shù)工程學(xué)院,福建 福州350108;3.福建省新型功能性紡織纖維及材料重點實驗室,福建 福州350108)

在日常生活和工作中,人們所接觸的一切電子設(shè)備幾乎都會發(fā)射出電磁輻射,電磁污染成為危害生命、破壞設(shè)備運行的一大問題[1]。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中,一旦遭受電磁武器的攻擊,軍事機密就可能被竊取,因此,人們越來越重視電磁屏蔽織物的研發(fā)[2-4]。電磁屏蔽織物可分為金屬纖維織物、金屬鍍層織物、導(dǎo)電涂層織物等[5-7]。日常生活中,使用電磁屏蔽紡織品越來越多,市場銷售的電磁屏蔽紡織品主要是采用金屬纖維電磁屏蔽織物制成的。金屬纖維電磁屏蔽織物主要分為金屬纖維混編織物和金屬纖維混紡織物。本文歸納總結(jié)了金屬纖維混紡電磁屏蔽織物的研究進展,為進一步深入研究該類織物提供參考。

1 金屬纖維混紡織物的屏蔽原理

金屬纖維混紡織物是由金屬纖維混紡紗織成的。將金屬絲抽成纖維狀,然后與其他纖維混紡制成導(dǎo)電紗,最后織成織物,利用混紡紗線中金屬纖維的導(dǎo)電性反射電磁波[8]。金屬絲混紡織物的金屬纖維在織物表面會形成導(dǎo)電網(wǎng),對電磁波具有強烈的反射與吸收效果。當(dāng)電磁波輻射到織物表面,這些均勻分布的金屬纖維會將一部分電磁波反射回去,另一部分電磁波被金屬纖維吸收,從而減少了電磁波的透過量,起到屏蔽作用[9]。電磁屏蔽的有效性用屏蔽效能(SE)來表征,其定義如式(1)所示:

式(1)中,E1為無屏蔽時的電場強度(N/C),E2為有屏蔽時的電場強度(N/C);H1為無屏蔽時的磁場強度(A/m),H2為有屏蔽時的磁場強度(A/m)。屏蔽效能以分貝(dB)為單位,屏蔽效能值越大,表明屏蔽效果越好[10-11]。

2 金屬纖維混紡電磁屏蔽織物的制備及性能

2.1 金屬纖維的制備

金屬纖維是以金屬或合金為原料,經(jīng)特定的加工工藝獲得的纖維狀材料。它不僅具有金屬本身固有的特點,如優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和導(dǎo)磁性等,還具有纖維材料的柔韌性、可紡性等優(yōu)點[12]。常見的金屬纖維制備方法主要有幾種。

(1)線材拉拔法是將較粗的金屬線材在拉伸作用下通過拉絲?？?使其發(fā)生塑性變形,制備較細纖維[13]。根據(jù)線材拉拔的數(shù)量,又可分為單絲拉拔法和集束拉拔法。單絲拉拔法是將單束金屬線材通過孔徑遞減的超硬質(zhì)合金或金剛石的拉絲模具,使其多次連續(xù)拉拔,從而得到要求細度的纖維[14];集束拉拔法是將多束(如上萬束)金屬線材集為一束,外加包覆材料使其同步接受拉拔,這種方法改善了單絲拉拔法成本高、易斷裂的缺點[15]。

(2)熔融紡絲法是將金屬或合金材料熔融成熔體后,通過一定工藝使其形成液態(tài)流體并迅速冷卻,從而制備金屬纖維。由于金屬熔體更傾向形成液滴而非線流,不易形成連續(xù)穩(wěn)定的液流,給制備具有一定長度的金屬纖維造成了困難[16]。

(3)機械切削法是以固態(tài)金屬為原料,采用特制刀具直接切削成金屬纖維的加工方法。該方法工藝流程簡單,生產(chǎn)周期短,成本低,且不需要特殊裝置,成為目前最廣泛使用的金屬纖維制備方法[17]。

上述3種制備方法通常用于制備微米級以上的金屬纖維。目前,納米級金屬纖維的制備方法有有機凝膠-熱分解法、模板法、物理/化學(xué)氣相沉積法以及靜電紡絲法等[18]。其中最常用的還是靜電紡絲法,其工藝流程如圖1所示[19-20],該方法由于難以規(guī)?；苽?尚未實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

圖1 靜電紡絲法工藝流程

2.2 金屬纖維混紡織物

目前,金屬絲混紡屏蔽織物最常用的金屬纖維主要是不銹鋼纖維,部分采用銀纖維、鎳纖維和銅纖維。一般情況下,屏蔽織物中的金屬纖維混合比例為5%～30%,織物中金屬纖維比例越高,織物的屏蔽效能越好。當(dāng)金屬纖維超過一定量后,會使織物的手感變得厚、重、硬、不耐折,因此,確定合適的金屬纖維混紡比尤為重要[21]。除了采用金屬纖維混紡成紗的方法外,還可以制備包覆紗,以金屬絲為芯,將普通纖維包覆在外層,獲得具有屏蔽效能的紗線?；旒徏喌膬?yōu)點是屏蔽效果持久,經(jīng)反復(fù)多次水洗后屏蔽效能值不會下降;缺點是金屬纖維容易在淺色織物中顯露出來。包覆紗的優(yōu)點是屏蔽效果好且持久,而且能夠?qū)⒔饘倮w維隱藏在紗線內(nèi)部,缺點是易起毛起球。

2.2.1 不銹鋼纖維混紡織物

組織結(jié)構(gòu)不同的梭織物對電磁屏蔽性能有著不同的影響。林銘港等[22]認為在其他條件相同的情況下,平紋織物的電磁屏蔽性能最好,斜紋織物次之,緞紋織物最差。這是因為平紋織物的組織浮長線短,織物結(jié)構(gòu)緊密,孔隙小,電磁波透過率低,因此,其屏蔽性能最好;而緞紋織物的組織浮長線較長,織物結(jié)構(gòu)松散,孔隙大,電磁波透過率高,因此,其屏蔽性能較差;斜紋織物則介于兩者之間。

針織物結(jié)構(gòu)對織物電磁屏蔽性能影響較大。王金鳳等[23]采用純棉紗以及不銹鋼長絲(8μm)用橫機編織成1+1羅紋、2+2羅紋、畦邊組織、羅紋空氣層和羅紋半空氣層組織。5種織物的屏蔽效能在不同頻率范圍內(nèi)均可達20 dB以上。在這5種組織中,屏蔽效果最好的是畦邊組織,這可能是因為畦邊織物的組織結(jié)構(gòu)較為緊密所致。

金屬纖維混紡非織造布的電磁屏蔽性能稍差一些。Ozen Mustafa Sabri等[24]將不銹鋼纖維(12μm)與滌綸纖維按照一定比例混合,通過針刺法得到不銹鋼纖維比例分別為5%、10%、20%、25%、30%的非織造布。在0～3 000 MHz范圍內(nèi),織物的屏蔽效能隨著不銹鋼纖維含量的增加而增大,但最高僅達18 dB,屏蔽效果不佳。其原因是非織造布的纖維排列雜亂無序,存在較多的孔隙,使得電磁波容易穿透。

不同的紡紗方式也會對織物的電磁屏蔽性能產(chǎn)生不同的影響。閆鑫鑫等[25]采用滌綸/不銹鋼短纖(8 μm)混紡,混紡比為80/20,通過全聚紡(緊密紡的一種)、賽絡(luò)菲爾紡和賽絡(luò)紡的方法,分別得到全聚混紡紗、賽絡(luò)菲爾包纏紗和賽絡(luò)包芯紗,在0～1 500 MHz范圍內(nèi),包纏紗織物和包芯紗織物的SE值都能達到20 dB以上,而混紡紗織物的SE值難以達到20 d B以上。其原因是在混紡紗中,不銹鋼纖維以非連續(xù)的方式排列,而包芯紗和包纏紗中的不銹鋼纖維都是連續(xù)排列,能夠沿著紗線軸向形成有效的電連接,因此,其導(dǎo)電性更勝一籌,電磁屏蔽性能也更好。

織物緊度也是影響電磁屏蔽性能的重要因素之一。Liu Zhe等[26]將不同線密度(41.67、31.25、25 tex)的不銹鋼/棉纖維混紡紗分別織成平紋、斜紋和緞紋織物(其中平紋織物為主要研究對象)。隨著織物緊度從60%增大到120%,其SE值由最初的13 dB增加到31 dB左右,說明織物緊度與電磁屏蔽性能呈正相關(guān)。但是,當(dāng)織物緊度超過100%時,SE的增加程度變小,這是由于織物緊度的增加使得紗線之間的空隙越來越小,單位面積內(nèi)金屬纖維的數(shù)量越來越多,當(dāng)緊密度增加到一定程度時,間隙中金屬纖維的增加趨于穩(wěn)定,因此SE的增加也趨于穩(wěn)定。

金屬纖維的含量對于織物電磁屏蔽性能有著最直接的影響。周靈等[27]選用羊毛纖維與不銹鋼纖維(7.8μm)混紡,不銹鋼纖維含量分別為5%、10%、15%、20%、25%。在不同頻率條件下,隨著不銹鋼纖維含量的增加,織物的SE值不斷升高。但是,當(dāng)不銹鋼纖維含量超過15%時,紗線的力學(xué)性能下降,毛羽指數(shù)增加,條干均勻度下降,容易出現(xiàn)斷頭現(xiàn)象。由此認為,混紡紗的不銹鋼纖維含量應(yīng)該控制在15%以內(nèi)。

此外,金屬纖維的含量對織物的透氣性有著明顯的影響。Palanisamy Sundaramoorthy等[28]將不銹鋼纖維(8μm)與丙綸纖維按照不同混紡比(1/99、10/90、20/80、40/60、75/25)混紡成紗,織得5種斜紋織物。所有織物中,透氣性最好的是混紡比為75/25的紗線織成的織物,因為該織物金屬纖維含量高、剛度大導(dǎo)致織物蓬松度提高,容易形成更大的氣孔,從而提高了織物的透氣性。

2.2.2 其他纖維混紡電磁屏蔽織物

銀纖維電磁屏蔽性能也十分優(yōu)異。李丹等[29]以銀纖維為外包紗,棉紗為芯紗,制成銀/棉包覆紗,以此為經(jīng)紗;緯紗為鍍銀長絲與棉紗線按不同的比例間隔排列而成,經(jīng)緯密度分別為350、205根/10 cm,織物組織為平紋。該織物電磁屏蔽效率達到了99.99%以上,屏蔽效果優(yōu)異;在10～3 000 MHz范圍內(nèi),織物的SE值幾乎都在40 dB以上,最高達到58.4 d B。張譚[30]采用長絨棉紗與銀纖維重疊成圈,使得銀纖維被棉紗覆蓋,大大改善了織物的外觀與面料的服用性。由此獲得的織物重量為200～260 g/m2之間,其SE值基本都在40 dB左右。該面料不僅透氣性好,屏蔽性能優(yōu)異,同時由于銀纖維受到棉紗的遮蓋保護,使其屏蔽性能更持久。

鎳絲混紡織物的電磁屏蔽性能不如不銹鋼絲混紡織物與銀纖維混紡織物。王建明等[31]將滌棉紗與鎳金屬絲按照不同的比例制成合股紗,再通過改變紗線的經(jīng)緯密,織成不同含量的金屬絲梭織物。在0～500 MHz范圍內(nèi),該織物阻擋了80%以上的電磁波,說明織物在該波段范圍內(nèi)具有良好的電磁屏蔽性能。但是,織物的電磁屏蔽性能隨著電磁波頻率的增加而下降。當(dāng)電磁波頻率高于700 MHz時,電磁波的透過率急劇增加,這一現(xiàn)象表明鎳金屬絲混紡織物對高頻電磁波的屏蔽性能較差。

銅絲混紡織物的電磁屏蔽性能在中、低頻范圍內(nèi)非常好,但在高頻范圍內(nèi),其屏蔽性能較差。Cheng Kuobing等[32]以玻璃纖維為增強體,銅絲為導(dǎo)電相,丙綸為外包紗,通過空心錠子紡紗法,獲得導(dǎo)電包覆紗。再用此紗線制備4種不同組織結(jié)構(gòu)的針織物(緯平織物、緯平內(nèi)嵌織物、1+1羅紋織物、2+1羅紋織物)。在0.3～1 500 MHz范圍內(nèi),織物的SE值基本維持在20 dB左右及以上,最高達到107.37 dB,屏蔽效果較好;在1 500～3 000 MHz范圍內(nèi),織物的SE值大部分在15 dB左右及以下,屏蔽效果較差。

不同金屬纖維的電磁屏蔽性能不同,見表1。

表1 不同電磁輻射頻率波段內(nèi)的不同金屬纖維的屏蔽效能

3 結(jié)語

電磁屏蔽織物在軍工領(lǐng)域和日常生活中占據(jù)越來越重要的位置。當(dāng)前研究較多的為不銹鋼纖維混紡織物,該織物在中低頻范圍內(nèi)屏蔽效果較好,在高頻范圍內(nèi)屏蔽效果不穩(wěn)定。銀纖維大多用于抗菌織物,但其電磁屏蔽效果也很好,在低中高頻范圍內(nèi)其屏蔽效能值都比較高,有待深入研究。銅纖維和鎳纖維織物對中低頻電磁射線的屏蔽效果較好,但對高頻電磁射線的防護性能較差。織物的電磁屏蔽效能隨著金屬纖維含量的增加而升高;金屬纖維在紗體中排列連續(xù)性越好,其電磁屏蔽效果越好;相對而言,織物結(jié)構(gòu)越致密,電磁屏蔽性能越好。但是,織物電磁屏蔽效能越高,說明織物導(dǎo)電性越好,但也伴隨著安全隱患。

今后,應(yīng)致力于降低金屬纖維的細度,進一步優(yōu)化織物結(jié)構(gòu)設(shè)計,改進織物后整理技術(shù),改善織物手感、色牢度、耐磨性等,在賦予織物良好屏蔽性能的同時,提高織物的服用性能及其他綜合應(yīng)用性能。