電磁屏蔽特性織物的舒適性研究進(jìn)展

文 | 王瓊瓊 董潔 付凱悅 孔維嘉 孫潤軍

隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，電子信息設(shè)備的應(yīng)用范圍越來越廣，在日常生活和工作中，人們經(jīng)常會(huì)用到各種電子設(shè)備，而這些電子設(shè)備幾乎都會(huì)產(chǎn)生電磁輻射，從而對(duì)人體健康、設(shè)備運(yùn)行以及信息安全等造成嚴(yán)重影響。作為繼水、大氣、噪聲污染之后的第四大污染，電磁輻射污染對(duì)環(huán)境和人類健康造成了嚴(yán)重的影響。電磁輻射可能會(huì)引發(fā)心血管疾病、癌突變等，從而造成中樞神經(jīng)系統(tǒng)的功能異常和神經(jīng)緊張失調(diào)，具體表現(xiàn)為記憶力下降、食欲減退等，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生心率減緩和心律不齊等不良反應(yīng)。圖1 列出了電磁波頻譜中各個(gè)波段的不同應(yīng)用及其可能造成的危害。電磁屏蔽織物具有輕巧、柔軟和強(qiáng)力高等特點(diǎn)，同時(shí)還具有結(jié)構(gòu)可控、成形技術(shù)靈活、耐洗、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，是一種適用性很強(qiáng)的電磁屏蔽材料。然而，綜合考慮屏蔽效果和服用舒適性兩個(gè)方面的表現(xiàn)，目前市場(chǎng)上的電磁屏蔽織物并未達(dá)到所需的效果。如CHEN等利用不銹鋼長絲包覆銅絲和聚酰胺長絲，經(jīng)混紡編織所得的織物電磁屏蔽性能良好，但是織物手感偏硬且穿著舒適度不高。因此，為了提高人體穿著的舒適性，電磁屏蔽織物應(yīng)在保證電磁屏蔽效能的同時(shí)還要具有服用舒適性。

圖1 電磁波頻譜各波段的應(yīng)用和危害

1 電磁屏蔽機(jī)理

電磁屏蔽材料的屏蔽原理如下：因?yàn)榭諝夂推帘尾牧辖唤缑娴淖杩共贿B續(xù)，導(dǎo)致電磁波被屏蔽材料表面反射，從而減少了進(jìn)入屏蔽體的部分電磁波；電磁波進(jìn)入屏蔽材料內(nèi)部后，因?yàn)榻橘|(zhì)內(nèi)電偶極子和磁偶極子對(duì)電磁波的作用，導(dǎo)致電磁波在屏蔽材料內(nèi)部被吸收，所以電磁波在材料內(nèi)部的傳播過程中，能量被吸收并逐漸減弱；剩余的電磁波穿過屏蔽材料時(shí)，再次遇到界面間的阻抗不連續(xù)，致使部分電磁波被反射到屏蔽材料內(nèi)部，通過在兩交界面間的多次反射，最終在屏蔽體內(nèi)被徹底衰減，電磁波未能透過屏蔽體，使處于保護(hù)內(nèi)的元件免受電磁干擾。電磁屏蔽機(jī)理如圖2 所示。目前，電磁屏蔽織物的電磁屏蔽效能（Shielding efficiency，SE）是評(píng)價(jià)其電磁屏蔽性能的重要指標(biāo)。在一定條件下，SE值越大，屏蔽效果越好。

圖2 電磁波屏蔽原理

2 電磁屏蔽織物種類

2.1 金屬纖維電磁屏蔽織物

金屬纖維電磁屏蔽織物是由纖維狀金屬絲與常用的紡織纖維混紡制成；或采用金屬纖維作芯材，經(jīng)紡織纖維包覆為包芯紗織造而成；又或者利用其他技術(shù)將金屬纖維和紡織纖維組合織造而成。金屬纖維電磁屏蔽織物由于具有質(zhì)量輕、柔軟透氣、物理強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)參數(shù)可按需調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)，是目前使用最廣泛的電磁屏蔽織物。通常使用的金屬纖維是不銹鋼、銀、銅纖維等。如張譚利用棉紗和銀纖維交疊，使棉紗將銀纖維覆蓋，得到的織物克重為200 ～ 260 g/m2，SE值約為40 dB。該織物不但擁有良好的透氣性，還擁有優(yōu)良的屏蔽性能，另外用棉紗覆蓋銀纖維，延長了織物發(fā)揮屏蔽作用的時(shí)間。

不銹鋼紗線對(duì)電磁波有較好的反射和吸收能力，其相應(yīng)的不銹鋼織物也表現(xiàn)出持久的防輻射效果、良好的透氣性、高強(qiáng)度和安全可靠等特征，因此被廣泛應(yīng)用于金屬纖維電磁屏蔽織物的制備。PALANISAMY等以不銹鋼纖維和丙綸為原料，采用不同混紡比，試織多種斜紋織物。通過測(cè)試得出，當(dāng)不銹鋼纖維/丙綸混紡比為75/25時(shí)，織物的透氣性能最佳。這是由于其金屬纖維含量和剛度較高，導(dǎo)致織物的蓬松度增加，氣孔增大，從而改善了織物的透氣性能。張?zhí)焓|等利用雙層管狀結(jié)構(gòu)，通過降低不銹鋼紗的含量，選擇合適的織物緊密度和厚度，提高了織物的導(dǎo)電性能、電磁屏蔽效能、透氣性和柔軟性。

為了緩解金屬纖維和紗線直接接觸人體所帶來的不適感，可以采用包芯紗技術(shù)來改善織物的服用舒適性。喻陽等采用自制的喂入裝置（圖3）來紡制海藻纖維/不銹鋼纖維包芯紗。該裝置能夠更加準(zhǔn)確地控制芯紗，所得織物比普通防輻射織物能保持更長時(shí)間的電磁屏蔽效果，平均透氣量為1 263.6 mm/s，織物輕質(zhì)柔軟、手感舒適，風(fēng)格與普通織物相似，可貼膚穿著，具有舒適保健性，可用于制造電磁屏蔽服或醫(yī)用電磁屏蔽服內(nèi)層。

圖3 自制紡紗喂入裝置及導(dǎo)電包芯紗制備過程

納米纖維材料能使纖維具有更多的層狀結(jié)構(gòu)和更大的比表面積。微晶纖維素納米纖維（MCC）不僅具有吸濕透氣、綠色無污染等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還表現(xiàn)出強(qiáng)度高、比表面積大和尺寸小等納米特性。朱鑫蕊等采用共軛靜電紡絲技術(shù)（圖4），將MCC包裹在經(jīng)等離子體處理的銅絲表面，形成納米纖維金屬包芯紗，其可有效屏蔽周圍環(huán)境中的電磁波。經(jīng)電磁屏蔽測(cè)試儀測(cè)定，包芯紗織成的織物電磁屏蔽性能最高可達(dá)48 dB，可以有效預(yù)防中、低頻電磁輻射。MCC納米纖維層作為環(huán)保材料，使面料柔軟、輕薄、吸濕透氣，具有一定的服用性能。

圖4 多針頭靜電紡裝置

2.2 金屬鍍層電磁屏蔽織物

金屬鍍層電磁屏蔽織物是通過電鍍、化學(xué)鍍、磁控濺射等方式對(duì)纖維和織物表面進(jìn)行處理得到的織物。如邱婧等經(jīng)過對(duì)不同材料、面料、組織結(jié)構(gòu)和紗線比例的對(duì)比研究，最終確定使用雙層織造的面料結(jié)構(gòu)（圖5），其外層為不銹鋼混紡紗線，內(nèi)層為鍍銀長絲，連接紗為錦綸長絲，組織結(jié)構(gòu)為經(jīng)二重，由此織造的織物具有出色的電磁屏蔽效能和透氣性能，改善了空勤人員在機(jī)艙內(nèi)作業(yè)的體感舒適性。侯琳等選用錦綸鍍銀長絲為芯紗，滌棉混紡纖維為外包纖維，分別制得18.5和36.9 tex兩種規(guī)格的包芯紗，并分別試織了不同的組織結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明經(jīng)二重電磁屏蔽織物既能達(dá)到舒適性要求，又具有較好的電磁屏蔽效果。

圖5 雙面機(jī)織物的組織結(jié)構(gòu)示意圖

其中，化學(xué)鍍是一種使用還原劑把金屬離子從溶液中還原出來并沉積在材料表面的方法，該方法制備的鍍層厚度均勻、與織物結(jié)合緊密、導(dǎo)電性能良好且工藝設(shè)備簡單。雙層鍍金屬型織物的電磁屏蔽效果優(yōu)于單層鍍金屬型織物，陳揚(yáng)杰等通過化學(xué)鍍?cè)谛Q絲織物表面形成了Cu/Ni雙層金屬鍍層，該鍍層均勻致密，有效提升了織物的電磁屏蔽性能，但同時(shí)也對(duì)織物的透氣性能產(chǎn)生了一定的影響。

2.3 導(dǎo)電非金屬電磁屏蔽織物

導(dǎo)電非金屬電磁屏蔽織物是利用聚苯胺、聚吡咯、碳納米管等導(dǎo)電非金屬材料，經(jīng)過原位聚合、化學(xué)氣相沉積、涂層等工藝處理，在織物表面制備出一層能夠抵御電磁干擾材料的織物。

田宏等采用堿溶液和殼聚糖溶液對(duì)不銹鋼織物進(jìn)行雙重預(yù)處理，再將過硫酸胺與摻雜劑溶液混合，在織物中進(jìn)行苯胺單體聚合反應(yīng)，制備出洗滌性好、柔軟舒適的聚苯胺不銹鋼電磁屏蔽復(fù)合織物。張悅利用涂層膠整理滌綸面料，將0.8%引發(fā)劑、5.0%乳化劑在70 ℃的聚合溫度下混合，獲得了更加穩(wěn)定的聚丙烯酸酯乳液，當(dāng)添加15.0%碳納米管和5.0%的導(dǎo)電態(tài)聚苯胺時(shí)，織物具有更好的屏蔽效能、透氣性、抗?jié)B水性、手感和耐水洗性能。利用碳納米管和磁性納米顆粒在聚合物組合物中的分散作用，不僅能夠得到輕質(zhì)柔軟的涂層，還能夠?qū)ζ浣殡姵?shù)和磁導(dǎo)率進(jìn)行調(diào)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)性能的控制。

研究人員對(duì)各種磁性納米粒子進(jìn)行了廣泛的研究，為了提高材料的屏蔽效能，又提出多層復(fù)合結(jié)構(gòu)。WANG等利用多壁碳納米管（MWCNTs）和鎳鐵氧體（NiFe2O4）納米顆粒協(xié)同處理棉織物，并在織物外層增加有機(jī)聚二甲基硅氧烷（PDMS）涂層。由于MWCNTs和NiFe2O4之間相互作用較強(qiáng)，會(huì)在棉織物表面構(gòu)筑高效的導(dǎo)電、導(dǎo)磁和導(dǎo)熱通路，所以獲得的復(fù)合織物具備出色的電磁屏蔽性能。此外，外部的PDMS涂層不僅賦予織物防水特性，同時(shí)提高了其結(jié)構(gòu)和性能的穩(wěn)定性，并保持了令人滿意的透氣性。UZUN等將Ti3C2Tx浸漬到棉織物上，不僅賦予了棉織物優(yōu)良的電磁屏蔽性能，還更好地保持了織物原有的柔軟、透氣性和可穿戴性。

2.4 復(fù)合電磁屏蔽織物

2.4.1 導(dǎo)電高聚物電磁屏蔽織物

導(dǎo)電高分子材料也可以和氧化石墨烯、金屬材料結(jié)合，共同作用在織物上，改善織物的服用舒適性。ZOU等將聚吡咯和無機(jī)氧化石墨烯利用層層組裝技術(shù)結(jié)合，并將其負(fù)載在羊毛織物上，這樣既可以保留羊毛的柔軟、透氣，又可以保證其電磁屏蔽性能，滿足日常的防護(hù)需要。表1 列舉了部分導(dǎo)電高分子材料與金屬結(jié)合織物的電磁屏蔽效果。

表1 部分導(dǎo)電高分子材料與金屬結(jié)合織物的電磁屏蔽性能

利用導(dǎo)電高分子材料與金屬結(jié)合的織物克服了由單一方法制成的織物中電磁屏蔽材料容易脫落氧化、與基材結(jié)合力差的問題，可以改善織物的電磁屏蔽效果。LIU等利用PET機(jī)織物及其非織造布作為基材，采用吡咯原位聚合和化學(xué)鍍鎳（Ni）工藝獲得了高電導(dǎo)、高抗彎曲、耐水洗的柔性Ni/PPy（聚吡咯）/PET織物。圖6 為多層Ni/PPy/PET復(fù)合導(dǎo)電織物的制備工藝示意圖。

圖6 多層Ni/PPy/PET復(fù)合導(dǎo)電織物的制備工藝示意圖

2.4.2 MXene型電磁屏蔽織物

隨著技術(shù)的進(jìn)步，越來越多的新材料如二維早期過渡金屬碳化物/氮化物（MXene，圖7）、銀納米線（AgNW）以及其他新型導(dǎo)電材料，已經(jīng)開始得到廣泛應(yīng)用。其中，MXene具有良好的金屬導(dǎo)電性能，同時(shí)還擁有較大的表面積、良好的溶液加工性以及相對(duì)較低的密度，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。此外，MXene的內(nèi)部光熱轉(zhuǎn)換效率非常好，擁有較高的導(dǎo)熱率和較強(qiáng)的耐熱性，而且擁有出色的殺菌特性。LIU等通過層層組裝、真空抽濾技術(shù)，將MXene納米片與銀納米線融合在絲織品上，構(gòu)建了具有葉形內(nèi)部結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了54 dB的電磁屏蔽效能，并實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境水分的高靈敏響應(yīng)。

圖7 二維早期MXene

此外，可以利用導(dǎo)電高聚物提高M(jìn)Xene與織物間的界面作用和織物的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。WANG等將經(jīng)原位聚合PPy修飾的MXene片材沉積到滌綸織物上，再將硅氧烷涂層涂覆到其上，所得織物在1.3 mm厚時(shí)SE值在90 dB左右，超薄的硅氧烷涂層讓織物既能夠擁有良好的疏水特性，又能夠保持優(yōu)異的透氣性。YIN等采用溶液浸漬法和線狀聚苯胺（PANI）層層組裝技術(shù)，在碳纖維表面構(gòu)筑多層包覆型的PANI/MXene/碳纖維復(fù)合電磁屏蔽材料，經(jīng)50次組裝后，該材料的厚度只有0.36 mm，電磁屏蔽效能達(dá)到35.3 dB，具有優(yōu)良的疏水性、自清潔性能、透氣性、柔韌性和可裁剪加工性。

3 結(jié)論

金屬纖維和金屬鍍層電磁屏蔽織物織造工藝簡單，制備成本較低，利用纖維混紡、電鍍等方法，在一定程度上提高了織物的電磁屏蔽效能，改善了織物的透氣性。導(dǎo)電非金屬電磁屏蔽織物和復(fù)合電磁屏蔽織物兼顧了織物的電磁屏蔽性能和透氣性能，但是制備成本較高，制作過程繁瑣，目前還處在實(shí)驗(yàn)室階段。MXene型電磁屏蔽織物為改善電磁屏蔽織物服用舒適性提供了手段，但由于其制備技術(shù)復(fù)雜、生產(chǎn)成本高，不宜投入大規(guī)模生產(chǎn)。

目前，電磁屏蔽織物仍以金屬纖維混紡織物和金屬鍍層織物為主，其他方法制備的電磁屏蔽織物還未大量進(jìn)入市場(chǎng)。關(guān)于服用舒適性方面的研究隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展在不斷深入，得到的織物在具有優(yōu)異屏蔽效能的同時(shí)還兼顧柔軟透氣性。此外，在電磁屏蔽織物服用舒適性的研究中還要考慮產(chǎn)品制造的成本。由于現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展，電子設(shè)備已經(jīng)成為人們生活中的必需品，電磁屏蔽織物的使用將會(huì)越來越普遍，所以更加需要制造經(jīng)濟(jì)適用和環(huán)境友好型的電磁屏蔽織物。