電磁屏蔽織物的設(shè)計(jì)與測(cè)評(píng)

邱 婧，王納新，張 曼，吳國(guó)棟

(中國(guó)人民解放軍93114部隊(duì)，北京 100195)

擔(dān)負(fù)國(guó)土防空、實(shí)施作戰(zhàn)、空運(yùn)和偵察任務(wù)的空勤人員在作戰(zhàn)作訓(xùn)時(shí)，經(jīng)常會(huì)處于高電磁輻射環(huán)境中，電磁武器產(chǎn)生的電磁輻射，其頻率、強(qiáng)度、極化方式、暴露時(shí)間和受輻射部位等將對(duì)人體產(chǎn)生有害影響。當(dāng)官兵承受的電磁輻射強(qiáng)度超過(guò)人體承受極限時(shí)，會(huì)引起一系列不良反應(yīng)，如體溫急劇升高，破壞人體熱平衡，進(jìn)而引起細(xì)胞組織等的病變。

本文設(shè)計(jì)、生產(chǎn)了一種電磁屏蔽織物，主要用于空勤電磁輻射防護(hù)服，集成多種防護(hù)性能：空中作業(yè)機(jī)艙電磁輻射防護(hù)，同時(shí)具有透氣、耐磨損、防靜電、阻燃性能，可適應(yīng)極端自然環(huán)境和高危作業(yè)崗位的需要。

1 性能要求

用于空勤電磁輻射防護(hù)服的織物必須同時(shí)滿足電磁輻射防護(hù)、高空阻燃、防靜電、透氣、不易破損等使用要求，色彩也不能受作業(yè)器具磨損及汗?jié)n等因素影響過(guò)大，各項(xiàng)性能集成性、技術(shù)性要求苛刻。具體性能要求如下：織物屏蔽效能(300 MHz～20000 MHz)≥50 dB，以滿足機(jī)艙電磁輻射環(huán)境防護(hù)；斷裂強(qiáng)力：經(jīng)向≥800 N，緯向≥600 N，撕破強(qiáng)力：經(jīng)向≥60 N，緯向≥40 N，滿足在作業(yè)復(fù)雜的環(huán)境下，服裝不易破損的要求；防護(hù)服長(zhǎng)期穿著，應(yīng)具有較好的保形性，經(jīng)緯向水洗尺寸變化率應(yīng)在-3.0%～+1.0%；在機(jī)艙密閉環(huán)境下，要求服裝具有透氣性能，保障空勤人員作業(yè)體感舒適，透濕量≥8000 g/(m2·d)；此外，防護(hù)服應(yīng)具有較高的色牢度，具體要求為：耐光色牢度≥5級(jí)，耐皂洗色牢度：原布變色≥4級(jí)、滌條沾色≥4級(jí)、棉布沾色≥4級(jí)，耐汗?jié)n色牢度：原布變色≥4級(jí)、滌條沾色≥4級(jí)、棉布沾色≥4級(jí)，耐摩擦色牢度：干摩沾色≥4級(jí)、濕摩沾色≥3級(jí)，耐熱壓色牢度：變色≥4級(jí)。

2 織物材質(zhì)與選擇

電磁輻射防護(hù)服主體面料主要提供對(duì)作業(yè)環(huán)境中設(shè)備泄露的電磁波進(jìn)行屏蔽的功能，應(yīng)兼具物理機(jī)械強(qiáng)度和耐磨等服用功能?；谫Y料調(diào)研及前期研究基礎(chǔ)，可用于電磁輻射防護(hù)服的材質(zhì)主要有表面鍍金屬材料、涂層屏蔽材料、金屬絲混編材料以及導(dǎo)電纖維混紡材料[1，2]，這四種材料的對(duì)比分析見(jiàn)表1。

表1 電磁屏蔽材料對(duì)比

由表1可知，電磁屏蔽性能：表面鍍金屬材料>導(dǎo)電纖維混紡材料>金屬絲混編材料；加工性能：表面鍍金屬材料>導(dǎo)電纖維混紡材料>涂層屏蔽材料>金屬絲混編材料；舒適柔軟性：表面鍍金屬材料>導(dǎo)電纖維混紡材料>涂層屏蔽材料>金屬絲混編材料；材料價(jià)格優(yōu)勢(shì)及其他：導(dǎo)電纖維混紡材料>表面鍍金屬材料>涂層屏蔽材料>金屬絲混編材料。

綜上，擬選用屏蔽性能較優(yōu)的表面鍍金屬材料和導(dǎo)電纖維混紡材料設(shè)計(jì)，常用的鍍金屬材料和導(dǎo)線纖維混紡材料以鍍銀纖維和不銹鋼混紡纖維為主，現(xiàn)役的電磁輻射防護(hù)服也多為不銹鋼混紡紗線織造得到。

為了提高機(jī)織面料的整體屏蔽性能，初步設(shè)計(jì)防護(hù)服的屏蔽材質(zhì)使用鍍銀長(zhǎng)絲和不銹鋼混紡紗線，經(jīng)過(guò)面料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，使鍍銀長(zhǎng)絲和不銹鋼混紡紗線相互交錯(cuò)，形成完整的屏蔽網(wǎng)，這樣的設(shè)計(jì)將比單獨(dú)使用不銹鋼混紡紗線或者鍍銀紗線織造具有更好的屏蔽效果。

3 織物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

不銹鋼混紡紗線是不銹鋼纖維經(jīng)過(guò)混條工藝制成，其外觀順滑，耐磨性較好，是防護(hù)服面料的首選，而鍍銀長(zhǎng)絲則適用于做制服里料。僅使用不銹鋼混紡紗線制作的服裝屏蔽效能較差，不能滿足研制目標(biāo)，因而設(shè)計(jì)使用不銹鋼混紡紗線與鍍銀長(zhǎng)絲共同作用，以提高防護(hù)服的屏蔽效能。本研究設(shè)計(jì)有四種外套防護(hù)服面料結(jié)構(gòu)，分別為：?jiǎn)螌涌椢铩?nèi)里式雙層織物、貼合雙層織物以及雙層織造織物，不同結(jié)構(gòu)織物的對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 不同面料優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

單層織物為不銹鋼混紡紗線與鍍銀長(zhǎng)絲交織而成的機(jī)織物；內(nèi)里式雙層織物指的是將鍍銀長(zhǎng)絲面料縫制在不銹鋼面料的內(nèi)部作為內(nèi)襯；貼合雙層織物指的是將所述兩層面料貼合在一起；雙層織造織物是使用不銹鋼混紡紗線和鍍銀長(zhǎng)絲作為經(jīng)緯紗進(jìn)行編織得到。

由表2可知，雙層結(jié)構(gòu)面料具有減少鍍銀長(zhǎng)絲氧化變色風(fēng)險(xiǎn)的特點(diǎn)，但是內(nèi)里式雙層結(jié)構(gòu)由于兩層面料未緊密貼合，在使用及洗滌過(guò)程中，易造成內(nèi)層面料的分離與脫落，導(dǎo)致服裝整體的防護(hù)性能不統(tǒng)一；貼合雙層結(jié)構(gòu)面料的屏蔽效能較好，但手感會(huì)受膠水的影響而變硬；雙層織造結(jié)構(gòu)面料，兩層紗線緊密聯(lián)結(jié)，構(gòu)成完整的金屬網(wǎng)體系，電磁屏蔽性能優(yōu)良。故本研究?jī)?yōu)先選用雙層織造的面料結(jié)構(gòu)，面料的外表主要為不銹鋼混紡紗線，內(nèi)里為鍍銀長(zhǎng)絲，連接紗為錦綸長(zhǎng)絲。雙面機(jī)織物的組織結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單示意圖如圖1所示。

圖1 機(jī)織物組織結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 工藝研究

3.2.1 不銹鋼混紡紗線

為提高不銹鋼纖維的可織造性能，需將其與其他纖維進(jìn)行混紡，為了提高機(jī)織面料的機(jī)械強(qiáng)度和耐磨性，選用具有超高強(qiáng)度、高模量和耐高溫、耐酸堿、重量輕等優(yōu)良性能的芳綸纖維與不銹鋼纖維混紡。王麗敏[3]對(duì)不銹鋼纖維的混紡比例進(jìn)行了試驗(yàn)和分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)混紡紗線中不銹鋼纖維的含量為20%～30%時(shí)，屏蔽效率可達(dá)到30 dB～40 dB，此時(shí)的經(jīng)濟(jì)成本也較合理。故選用芳綸和不銹鋼含量分別為75%和25%進(jìn)行紗線的紡制，所得到的芳綸不銹鋼混紡紗線的線密度為14.8 tex。其工藝流程圖如圖2所示。

圖2 芳綸不銹鋼混紡紗線工藝流程

不銹鋼纖維的牽切和混紡紗線的并條工序影響著紗線的加工性能與導(dǎo)電性能。牽切：在紡紗前需要對(duì)長(zhǎng)絲束狀的不銹鋼纖維進(jìn)行牽切，牽切制條中容易使不銹鋼纖維分布不夠均勻，纖維間的抱合力低，因此采用拉夾法進(jìn)行牽切，保證混紡紗線的均勻性；使用條混的方法并條，使混紡纖維具有良好的分散性。

3.2.2 鍍銀長(zhǎng)絲

為滿足機(jī)織面料整體的協(xié)調(diào)性，綜合考慮經(jīng)濟(jì)成本及屏蔽效能的需求，選用紗線密度為7.8 tex，鍍銀含量17%的錦綸鍍銀長(zhǎng)絲。

3.2.3 錦綸長(zhǎng)絲

錦綸長(zhǎng)絲作為連接紗，其收縮性會(huì)對(duì)機(jī)織面料的外觀產(chǎn)生較大的影響，選用全拉伸錦綸(FDY)單絲，有以下優(yōu)點(diǎn)：面料平整度好；單絲卷曲收縮性小，機(jī)織物幅寬穩(wěn)定。

3.2.4 組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在確保機(jī)織物斷裂強(qiáng)力、撕破強(qiáng)力及屏蔽性能的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)面料為經(jīng)二重的組織結(jié)構(gòu)，經(jīng)向?yàn)榉季]不銹鋼混紡紗線及鍍銀長(zhǎng)絲，緯向?yàn)殄\綸和鍍銀長(zhǎng)絲。并設(shè)計(jì)經(jīng)向芳綸不銹鋼混紡紗線與鍍銀長(zhǎng)絲的比例分別為1∶1和2∶1，不同比例織造面料的對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 紗線比例對(duì)面料的影響

由表3可知，當(dāng)芳綸不銹鋼混紡紗線與鍍銀長(zhǎng)絲的比例為2∶1，機(jī)織物的外觀及物理性能均較好，布面更緊密，其相應(yīng)的電磁屏蔽效能也會(huì)有所提升。

3.2.5 織造工藝

機(jī)織面料在織造過(guò)程中經(jīng)紗采用雙軸給紗，根據(jù)芳綸不銹鋼纖維和鍍銀長(zhǎng)絲剛性的差異，使鍍銀長(zhǎng)絲經(jīng)紗的張力略小于芳綸不銹鋼混紡紗，以確?？椩爝^(guò)程的順利進(jìn)行以及成品面料的外觀和手感符合要求，但仍需對(duì)工藝進(jìn)行優(yōu)化，確保最優(yōu)的面料結(jié)構(gòu)及性能。機(jī)織面料工藝流程：原紗→整經(jīng)→穿經(jīng)→織造→水洗定型。經(jīng)面料小樣驗(yàn)證，防護(hù)服面料對(duì)電磁波的屏蔽效可達(dá)50 dB以上，服用性良好，其余物理機(jī)械性能均滿足甚至高于招標(biāo)指標(biāo)要求。

4 性能測(cè)試

對(duì)織物的屏蔽效能、斷裂強(qiáng)力、撕破強(qiáng)力、透濕量、水洗尺寸變化率、色牢度等性能進(jìn)行了測(cè)試：按照GJB 6190—2008測(cè)得屏蔽效能為57.1 dB(300 MHz～20000 MHz)；按照GB/T 3923.1—2013、GB/T 3917.3—2009測(cè)得斷裂強(qiáng)力為經(jīng)向≥800 N、緯向≥600 N，撕破強(qiáng)力為經(jīng)向≥60 N、緯向≥40 N；按照GB/T 12704.2—2009測(cè)得透濕量為10200 g/(m2·d)；按照 GB/T 8628—2013、GB/T 8629—2017、GB/T 8630—2013測(cè)得水洗尺寸變化率為經(jīng)向=-1.4%、緯向=-0.2% ；按照GB/T 5713—2013、GB/T 3922—2013測(cè)得變色、沾色耐汗?jié)n色牢度均為4-5 級(jí)；按照 GB/T 3920—2008測(cè)得干摩擦色牢度4-5級(jí)、濕摩擦色牢度4-5級(jí)； 按照 GB/T 8427—2008測(cè)得耐日曬色牢度為5級(jí)。

5 結(jié)語(yǔ)

織物電磁屏蔽性能優(yōu)異，屏蔽效能實(shí)測(cè)值為57.1 dB，在機(jī)艙電磁輻射作業(yè)環(huán)境下，能最大程度為空勤人員提供個(gè)體防護(hù)，同時(shí)織物外層因加入阻燃芳綸纖維，能降低緊急情況下服裝燃燒造成的二次傷害。

織物透氣性能優(yōu)異，織物透濕量實(shí)測(cè)值為10200 g/(m2·d)，解決了空勤人員在機(jī)艙密閉環(huán)境下，穿著防護(hù)服作業(yè)的憋悶感，提高了作業(yè)人員的體感舒適性。

織物耐水洗色牢度、耐汗?jié)n色牢度、耐摩擦色牢度為 4-5 級(jí)，耐日曬色牢度5級(jí)，在受日曬、作業(yè)器具磨損及汗?jié)n等因素的影響下，不易掉色。

本文設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的電磁屏蔽織物，集成了防輻射、透氣、阻燃、防靜電、不易破損、不易掉色等綜合功能，滿足了全部性能指標(biāo)要求，可用于空勤人員電磁輻射防護(hù)服，達(dá)成了預(yù)定目標(biāo)。