不銹鋼電磁屏蔽織物的屏蔽效能

無(wú)錫不銹鋼板廠家無(wú)錫漢能不銹鋼2019年11月26日訊 對(duì)于人體防護(hù)電磁輻射而言，穿戴具有防輻射功能的織物較為便利，研究及開發(fā)具有電磁屏蔽性能的環(huán)保型織物逐漸得到了人們的青睞。有研究表明：對(duì)于一般設(shè)備(頻率在30～3 000 MHz)屏蔽效能在10～20 dB的材料即可達(dá)到屏蔽要求。

在眾多屏蔽材料中，金屬纖維或金屬化纖維有較高的導(dǎo)電性和導(dǎo)磁性，且能與常規(guī)纖維采用混紡、交織、并線、包芯、包纏的方法，制得防輻射織物。相比一般屏蔽材料，不銹鋼織物則屏蔽效能更加持久，且多次洗滌屏蔽效能不減。有關(guān)不銹鋼抗磁性紡織材料，國(guó)內(nèi)外均有研究，其中從紗線出發(fā)探究其結(jié)構(gòu)對(duì)織物屏蔽效能的影響頗多，但是結(jié)論不盡相同。

K.B.Cheng等探究了不銹鋼紗線的結(jié)構(gòu)、織物的不同規(guī)格對(duì)織物屏蔽效能的影響，發(fā)現(xiàn)不銹鋼絲與短纖紗織物的屏蔽效能高于不銹鋼短纖和銅絲混紡織物，紗支不同，屏蔽效能也有所差異。肖倩倩等認(rèn)為不銹鋼包芯紗織物的屏蔽效能高于不銹鋼混紡紗織物；鈔杉等認(rèn)為相同不銹鋼含量、相同間距情況下，不銹鋼混紡紗織物的屏蔽性能高于不銹鋼包芯紗織物，并驗(yàn)證了此結(jié)論與不銹鋼紗線模型所得結(jié)論一致。本文為了探究紗線的不同結(jié)構(gòu)、同種紗線雙層織物、不同紗線雙層織物及不同排列角度雙層織物的屏蔽性能，采用不同的紡紗方法，設(shè)計(jì)出3種紗線并制成織物，采用法蘭同軸法測(cè)試其屏蔽效能。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原 料

全聚混紡紗所用原料為滌綸/不銹鋼短纖粗紗條(江蘇省紡織技術(shù)研究所)，混紡比為80/20，其中不銹鋼短纖的規(guī)格為直徑8 μm，長(zhǎng)度40 mm。賽絡(luò)包芯紗和賽絡(luò)菲爾包纏紗所用原料為316 L型不銹鋼長(zhǎng)絲(上海普盛金銀絲紡織品有限公司)，規(guī)格為直徑30 μm，最大拉伸強(qiáng)力800 N/mm2，相對(duì)電導(dǎo)率0.023，電導(dǎo)率1.12e6 s/m，滌綸粗紗定量3.4 g/10 m。

1.2 設(shè) 備

QFA1528型全聚紡細(xì)紗機(jī)、QFA1528型細(xì)紗機(jī)(無(wú)錫第七紡織企業(yè)有限公司)，烏斯特茲HL400型毛羽測(cè)試儀(瑞士烏斯特技術(shù)有限公司)，YG068C全自動(dòng)單紗強(qiáng)力儀(蘇州長(zhǎng)風(fēng)紡織機(jī)電科技有限公司)，Agilent E5061A型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(美國(guó)安捷倫科技有限公司)。

1.3 紗線的紡制

在QFA1528型全聚紡細(xì)紗機(jī)上紡制T/S 80/20混紡紗。全聚紡是緊密紡的一種，它是在普通三羅拉牽伸皮圈的基礎(chǔ)上，將前羅拉設(shè)計(jì)成直徑為50 mm表面帶窄槽的空心羅拉。全聚紡成紗毛羽少，生產(chǎn)穩(wěn)定，并且對(duì)原料有很好的適應(yīng)性。在改造的QFA1528型細(xì)紗機(jī)上紡制賽絡(luò)包芯紗和賽絡(luò)菲爾紗。細(xì)紗機(jī)的改造：在QFA1528型全聚紡細(xì)紗機(jī)的基礎(chǔ)上加裝單槽導(dǎo)絲輪裝置，長(zhǎng)絲退繞裝置和張立盤裝置，單槽導(dǎo)絲輪裝置可在搖架上左右移動(dòng)，以便控制長(zhǎng)絲喂入前羅拉的位置，并通過(guò)工藝優(yōu)化選出最佳包芯效果的紗。賽絡(luò)包芯紗和賽絡(luò)菲爾紗的紡紗原理如圖1、圖2所示。紡紗工藝配置如表1所示。

1-不銹鋼長(zhǎng)絲；2-導(dǎo)絲輥；3-導(dǎo)絲輪；4-滌綸粗紗；5-后羅拉；6-中羅拉；
7-前羅拉；8-吸風(fēng)插件；9-阻捻膠輥；10-氣流導(dǎo)向裝置；11-前膠輥
圖1 賽絡(luò)包芯紗紡制原理
Fig.1 Spinning process of Siro-spinning core-spun yarn

1-手動(dòng)搖架；2-導(dǎo)絲輪；3-長(zhǎng)絲張立盤；4-粗紗；5-前羅拉
圖2 賽絡(luò)菲爾紗紡制原理
Fig.2 Spinning process of the sirofil core-spun yarn

表1 紡紗工藝
Tab.1 Spinning parameters

1.4 不銹鋼纖維織物的制備

實(shí)驗(yàn)所用的織物由全自動(dòng)劍桿小樣織機(jī)織造，經(jīng)緯紗分別采用自制紗線，采用統(tǒng)一的織機(jī)工藝參數(shù)，統(tǒng)一織制平紋織物。分別采用YG141D織物厚度儀、SZT-2A四探針電阻測(cè)試儀測(cè)量織物厚度及織物表面電阻?？椢锏幕緟?shù)如表2所示，為了便于描述給三塊織物分別命名為1#織物、2#織物、3#織物。

表2 織物基本參數(shù)
Tab.2 Basic parameters of fabrics

1.5 紗線及織物性能測(cè)試方法

1.5.1 紗線性能測(cè)試

溫度為20 ℃，相對(duì)濕度為(65±2)%。

紗線毛羽測(cè)試：采用烏斯特茲HL400型毛羽測(cè)試儀，測(cè)試紗線毛羽，設(shè)置測(cè)試紗線長(zhǎng)度為1 000 m，并分別記錄100 m紗線的1、2、3、4、6、8 mm毛羽數(shù)。

紗線強(qiáng)力測(cè)試：參照《紡紗實(shí)驗(yàn)教程》紗線強(qiáng)力測(cè)試方法，采用YG 068C全自動(dòng)單紗強(qiáng)力儀測(cè)試紗線強(qiáng)力。測(cè)試時(shí)選用上下夾頭夾持距離50 cm，預(yù)加張力0.5 cN/tex，下降速度50 cm/min，每種紗線測(cè)試40次，取平均值。

1.5.2 織物性能測(cè)試

溫度為23 ℃，相對(duì)濕度為50%～70%。

屏蔽性能測(cè)試：采用法蘭同軸法，Agilent E5061A型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、頻譜分析儀、TS0210A1型網(wǎng)絡(luò)衰減器測(cè)試織物的屏蔽性能。為了提高測(cè)試的準(zhǔn)確性、減少誤差，采用多次實(shí)驗(yàn)并取平均值。本實(shí)驗(yàn)采用每塊樣布取5個(gè)不同位置的試樣(避開布邊)，分別測(cè)試5次，取平均值。測(cè)試時(shí)將試樣放置于同軸小室的法蘭之間，之后和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀連接，如圖3所示。參考ASTM D 4935—2010《測(cè)量平面材料的電磁屏蔽效應(yīng)的試驗(yàn)方法》及QJ 2809—1996《平面材料屏蔽效能的測(cè)試方法》。

圖3 法蘭同軸示意
Fig.3 The coaxial diagram of flange

織物電阻率測(cè)試：采用SZT-2A四探針電阻測(cè)試儀，儀器預(yù)熱30 min，然后將4 cm×4 cm的織物放置于四探針平臺(tái)上，探針間距為1 mm，保證探針?biāo)嗅樇馀c織物良好接觸，并調(diào)節(jié)SB118的電流輸出量程為1 mA。

2 結(jié)果與分析

2.1 紗線性能分析

三種不銹鋼纖維紗的基本性能測(cè)試結(jié)果如表3所示。由表3可以看出，對(duì)于不同結(jié)構(gòu)的紗線，不銹鋼混紡紗毛羽最多，長(zhǎng)絲包芯紗次之，包纏紗毛羽最少。毛羽形成的原因之一：在加捻三角區(qū)中，由于纖維的幾何位置和紡紗張力的不同，導(dǎo)致一根纖維從外到內(nèi)、再?gòu)膬?nèi)到外發(fā)生多次轉(zhuǎn)移，當(dāng)纖維頭端被擠出后，由于沒有張力和向心壓力的作用，纖維就停留在紗的表面形成毛羽。在混紡紗中不銹鋼和滌綸均以短纖維的形式存在，纖維之間摩擦加劇，內(nèi)外轉(zhuǎn)移次數(shù)增多，毛羽增多。包纏紗中不銹鋼長(zhǎng)絲包裹在滌綸纖維的外部，對(duì)滌綸纖維在紗表面形成的毛羽起到包纏貼服作用，因此，包纏紗毛羽最少。而包芯紗中，只有滌綸短纖裸露在紗線表面，不銹鋼以長(zhǎng)絲的形式存在于紗芯，在一定程度上，紗芯的存在對(duì)滌綸纖維的加捻三角區(qū)有一定破壞，使毛羽增加。

表3 紗線基本性能
Tab.3 Basics properties of yarn

由表3還可知，包纏紗強(qiáng)力最高，斷裂伸長(zhǎng)最大，這是因?yàn)椴讳P鋼絲以螺旋的形式包纏在滌綸纖維表面，其強(qiáng)力利用系數(shù)達(dá)到最大；對(duì)于包芯紗，不銹鋼長(zhǎng)絲的加入會(huì)破壞纖維之間的抱合力，使紗線強(qiáng)力降低。對(duì)比包芯紗和混紡紗強(qiáng)力，可以看出包芯紗的強(qiáng)力高于混紡紗，這主要與纖維的形態(tài)和成紗方式有關(guān)。不銹鋼長(zhǎng)絲連續(xù)性好，剛性大，承擔(dān)拉力大，而不銹鋼短纖和滌綸短纖抱和力差，強(qiáng)力相對(duì)較低。包芯紗和混紡紗的斷裂伸長(zhǎng)率相差不大。由拉伸理論分析可知，在拉伸時(shí)紗條中心的長(zhǎng)絲纖維首先被拉斷，接著剩下的長(zhǎng)絲繼續(xù)斷裂，此時(shí)滌綸纖維仍處于抽拔滑移過(guò)程，并未達(dá)到最大斷裂伸長(zhǎng)，因此包芯紗中的不銹鋼長(zhǎng)絲對(duì)紗體的斷裂伸長(zhǎng)影響不大，又因?yàn)榧喚€特?cái)?shù)和捻度相同，故斷裂伸長(zhǎng)相差不大。

2.2 織物屏蔽性能分析

2.2.1 紗線種類對(duì)屏蔽效能的影響

不同紗線結(jié)構(gòu)織物的電磁屏蔽效能，如圖4所示。

圖4 不同紗線結(jié)構(gòu)織物的電磁屏蔽效能
Fig.4 Electromagnetic shielding effectiveness of fabrics
with different yarn structures

由圖4可知，頻率在0～1 500 MHz時(shí)，包芯紗和包纏紗織物電磁屏蔽效能的峰值往往在20 dB以上，而混紡紗織物的電磁效能峰值卻難以達(dá)到20 dB，限制了混紡紗織物的使用范圍。在混紡紗中不銹鋼短纖和滌綸纖維充分混合，此時(shí)不銹鋼以非連續(xù)的方式存在于紗體中，電阻值高，且質(zhì)量不勻率大，導(dǎo)致不銹鋼短纖分布不均勻，使紗線沿軸向缺乏有效的電連接。因此，包芯紗織物的屏蔽性能高于包纏紗織物。當(dāng)把織物看成含有網(wǎng)孔的屏蔽體時(shí)，孔隙則影響織物的屏蔽性能?？椢镄纬傻目谆蚩p相當(dāng)于一個(gè)矩形波導(dǎo)管，波導(dǎo)的截止頻率主要與孔隙的線徑大小有關(guān)，線徑越大，波導(dǎo)的截止頻率越低，當(dāng)電磁波頻率達(dá)到截止頻率時(shí)，則無(wú)屏蔽性能。包纏紗中長(zhǎng)絲纏繞在滌綸纖維的外側(cè)，所形成的孔或縫相比包芯紗更大一些，所以包纏紗織物的屏蔽性能更弱。

2.2.2 雙層織物的排列角對(duì)屏蔽效能的影響

為了探究雙層織物的排列角對(duì)織物屏蔽性能的影響，采用1#和2#織物、1#和3#織物、2#和3#織物、1#和1#織物、2#和2#織物、3#和3#織物兩兩疊合，分別測(cè)試在0°、45°、90°排列角度下的屏蔽性能，如圖5所示。

由圖5可以看出，當(dāng)兩塊織物成45°排列時(shí)，織物的屏蔽性能最好。一方面是因?yàn)?5°交叉排列織物中，經(jīng)緯紗縱橫交錯(cuò)，形成的網(wǎng)格孔隙最小；另一方面，在測(cè)試時(shí)，電場(chǎng)和磁場(chǎng)在樣品圓形平面沿半徑方向均勻分布，而45°排列的織物在4個(gè)方向上均有不銹鋼紗線，導(dǎo)致入射到織物上的電磁波垂直分量增加，電磁屏蔽效能增強(qiáng)。當(dāng)織物成0°、90°排列時(shí)，屏蔽效能相差不大，這是因?yàn)榇怪?平行)交叉的織物可以屏蔽掉互相垂直的電場(chǎng)和磁場(chǎng)。

采用Matlab雙因素方差分析方法對(duì)上述織物的電磁屏蔽性能進(jìn)行分析。在0～1 500 MHz頻段對(duì)織物兩兩交叉排列的排列方式和紗線結(jié)構(gòu)進(jìn)行雙因子方差分析。分析時(shí)，在0～1 500 MHz內(nèi)取200、400、800、1 000、1 200、1 400 MHz的織物屏蔽效能平均值。返回值P大于a時(shí)，假設(shè)成立，因子之間無(wú)顯著差異，設(shè)定a為0.05。0～1 500 MHz雙因子方差分析結(jié)果見表4。

表4 雙因子方差分析
Tab.4 Two-factor analysis of variance

由表4可以看出，0～1 500 MHz雙因子方差分析所得P值分別為0.055 9、0，P1大于0.05，P2小于0.01，說(shuō)明列因素有差異、行因素有顯著差異。即在0～1 500 MHz內(nèi)紗線的結(jié)構(gòu)對(duì)織物屏蔽性能的影響較為顯著，排列角對(duì)其影響較小。

3 結(jié) 論

對(duì)不同結(jié)構(gòu)的紗線和不同排列方式的電磁屏蔽織物進(jìn)行細(xì)微分析，多角度出發(fā)找出影響屏蔽性能的因素，探究各因素與屏蔽效能的相關(guān)性。

1)通過(guò)不同的紡紗方法，得到賽絡(luò)包芯紗、賽絡(luò)菲爾包纏紗和全聚混紡紗三種紗線。在相同紡紗工藝條件下，不銹鋼混紡紗毛羽最多強(qiáng)力最低，長(zhǎng)絲包芯紗次之，包纏紗毛羽最少?gòu)?qiáng)力最高。

2)當(dāng)織物中不銹鋼含量、經(jīng)緯密、緊度等參數(shù)相同時(shí)，包芯紗織物屏蔽效能最好。這是因?yàn)榘炯喛椢镄纬傻目紫断鄬?duì)較小。由孔隙導(dǎo)磁可知，孔隙越小，屏蔽性能越好；又因?yàn)榘炯喼胁讳P鋼是連續(xù)的，導(dǎo)致其電阻值相對(duì)較低。

圖5 不同排列方式的織物電磁屏蔽效能
Fig.5 Electromagnetic shielding effectiveness of yearns with different arrangement

3)織物中不銹鋼紗線的排列方式對(duì)其電磁屏蔽效能影響規(guī)律較為明顯。當(dāng)兩塊織物成45°交叉排列時(shí)，織物在4個(gè)方向上均含有不銹鋼紗線，形成的網(wǎng)格最密。此時(shí)電磁波垂直分量增加，織物對(duì)電磁波的反射量增加，屏蔽效能增強(qiáng)。