金属化电磁屏蔽纺织品的研究现状

葛安香，李凤艳，闫江山

(天津工业大学，天津 300387)

金属化电磁屏蔽纺织品的研究现状

葛安香，李凤艳，闫江山

(天津工业大学，天津 300387)

文章以金属化电磁屏蔽纺织品为对象，从电磁屏蔽机理出发，综述了金属化电磁屏蔽纺织品的实现方式，将其归类为纺织品成型工艺阶段、纺织品金属化后处理，以及组合处理等3种，并对不同加工方法的电磁屏蔽纺织品的研究现状进行了总结。

纺织品；电磁屏蔽；金属化；研究现状

伴随着大量电子设备的出现，新型污染源—电磁辐射为人类生产和生活带来了巨大的负面影响。一定强度的电磁波辐射不仅直接影响到各个领域中电子设备的正常工作，使之信息失误，控制失灵，而且还影响到人体健康，如引起记忆力衰退、失眠多梦、中枢神经系统技能障碍、孕妇流产、后代先天畸形等；同时，电磁波辐射还可以使导弹制导系统控制失灵、飞机与卫星指示信号失误等。可见，电磁辐射已成为当今世界影响公众健康和破坏生态环境的“隐形杀手”，如何减少电磁辐射对人类生产和生活的负面影响成为全球范围内各个领域一直在关注的课题。

纺织品在服装、家居装饰和产业领域都有广泛的应用，是可以实现电磁屏蔽作用的最佳柔性载体，但是由于常规纺织品对电磁波而言是透明的，无法从反射和吸收的角度控制电磁波的传播方向，因此，研究电磁屏蔽型纺织品在现代高技术纺织品的开发中占有重要的地位，并在日常生活、生产及军事领域里都表现出广阔的实际应用前景。金属化纺织品是指通过在常规纺织品中引入金属材料而形成的电磁屏蔽柔性材料，是开发电磁屏蔽纺织品较早的方法，本文主要针对金属化纺织品的电磁屏蔽进行总结。

1　电磁屏蔽机理

利用导电或导磁体的封闭面将内外两侧空间区域之间进行电磁性隔离，以控制电场、磁场、电磁波，使从一侧空间传输到另一侧空间的电磁能量被抑制到极微量，这种抑制效果称为电磁屏蔽[1]。

根据Schelkunoff理论[2]，屏蔽效能SE=A+R+B,单位dB。其中：A为吸收损耗；R为反射损耗；B为内部多次反射损耗。电磁波屏蔽通过以上三种损耗单独作用或协同作用来实现。电磁波发生吸收损耗是由于屏蔽材料在电磁波的作用下可以产生涡流，电磁屏蔽的涡电流原理使得电磁波发生热损失，转化为内能，即发生吸收损耗，此外，涡电流感应出与原电磁波磁场方向相反的感应磁场，与外部磁场相抵消，也可达到减弱电磁波的作用，如图1所示；而反射损耗则是与屏蔽材料和所处环境介质的特性有关，如阻抗差异越大，反射效果越好，在金属表面往往发生电磁波的反射；电磁波在屏蔽材料内部由于多次发生反射而损耗，原因同样是涡电流的产生，使得电磁波发生损耗。因此，基于电磁屏蔽机理，目前金属化电磁屏蔽纺织品通常在普通纺织品中引进导电率高、磁导率高的金属材料，使电磁波主要在到达屏蔽材料表面时发生上述损耗，如图2所示。

图1　涡电流原理

图2　金属化纺织品电磁屏蔽机理

2　金属化电磁屏蔽纺织品的实现方式

2.1纺织品成型工艺

利用不同形态纺织品的传统加工方式可将金属屏蔽材料引入织物当中。根据引入阶段及纺织品形态的不同，又可分为短纤维纺纱阶段和长丝织造阶段。

2.1.1短纤维纺纱阶段

在成纱过程中引入镍纤维和不锈钢纤维等金属短纤维，可加工成电磁屏蔽短纤维混纺或者纯纺纱线。影响因素有金属纤维种类及含量、纱线密度、纱线混纺比、纱线结构、织物组织结构、织物厚度和电磁波的频率，其中主要因素是金属纤维种类及含量、织物组织结构和织物厚度。①金属纤维种类及含量。一般情况下，金属纤维含量越大，屏蔽效果越好。王绍斌等[3]对不锈钢金属纤维混纺织物的防微波辐射性能的研究结果显示：随金属纤维含量的增加，混纺织物的微波屏蔽性能增加，屏蔽效能可达到15～40dB。但考虑到所形成织物的服用性能和机械性能，金属纤维的混纺比例一般在5%～30%之间。②织物组织结构。以棉/不锈钢混纺纱线为基础原料，通过立绒织物结构设计发现，即使在不锈钢纤维含量较低的情况下，织物对10GHz频宽范围内电磁波的反射率衰减仍可达到-5dB[4]；在不锈钢纯纺纱与棉纱交织的情况下，当纬纱全部采用不锈钢纱时，其屏蔽效果优于纬纱采用不锈钢纱与棉纱嵌织时的屏蔽效果；而当纬纱全部采用不锈钢纱时，八枚三飞纬面缎纹组织的屏蔽效果最好，其次是二上二下斜纹组织和平纹组织[5]。当多种金属屏蔽混纺纱线，如不锈钢纤维混纺纱和磁性纤维混纺纱，在织物中组合使用时，其组合方式不同，得到织物的电磁屏蔽效能有明显差异，同时使用两种纱线且不锈钢纤维纱与磁性纤维纱分布均匀时，电磁波吸收效率较高，屏蔽效能也良好，峰值可到32.3dB[6]。③织物厚度。织物厚度越大，屏蔽效果越好。贾志勇等[7]对比了同种单层和双层织物的微波反射性能发现，双层织物低于单层织物反射效果，但是厚度增加使织物对微波的吸收增多，使得厚度大的屏蔽材料对电磁波的吸收损耗增大，屏蔽效果增强。

2.1.2长丝织造阶段

将金属长丝直接与服用纱线通过机织或针织等纺织品成型工艺加工成电磁屏蔽纺织品。所用金属长丝的种类和品质细度、金属丝的含量、织物组织结构的设计等均会影响织物的电磁屏蔽性能。谢勇等[8]研究镀银长丝机织物的电磁屏蔽性能时发现：镀银长丝的嵌织比例增大，电磁屏蔽效果越好；镀银长丝细度越大，屏蔽效果越好。在双重织物的配置方式上，镀银长丝相互垂直形成网格的织物屏蔽效能可达35dB左右，远远大于镀银长丝平行排列的织物。

长丝织造阶段所形成的屏蔽织物其屏蔽效果尚可，但产品厚而硬，服用性能较差，手感外观也无法达到高标准，因此主要应用于工业领域和对精密仪器的保护，如带电作业服、仪器的保护屏罩和屏蔽帐篷等。

2.2纺织品表面金属化处理

纤维及其制品的金属化处理是比较成熟的技术，包括织物的化学镀、真空镀、溅射镀和转移镀等，这些处理方法均能显著提高纺织品的防电磁辐射性能，同时对织物的本体性能影响较小，可保持织物的柔软性等特点。

2.2.1化学镀

化学镀金属化织物产品中，以镀铜、镀镍或者合金为最多，其中主要基材是涤纶、芳族聚酰胺、玻璃和碳纤维等。一些著名的商品，如：德国Baymetex、荷兰Devex、美国MatasolG，以及日本许多公司，早在20世纪80年代就已工业化生产。日清纺公司开发的Volkner-Metsushiyu的电磁波屏蔽效果可达40～50dB。

传统化学镀的工艺过程包括粗化(碱)—敏化—活化—强化—化学镀。魏宁[9]利用等离子体的粗化替代传统碱粗化，避免了强碱对环境造成污染，等离子处理过程污染小且对纤维损伤小。在活化工艺中，首次应用羧甲基壳聚糖，与传统工艺相比，具有活化层均匀、成本低、流程简单等优点，此外，还添加了表面活性剂聚乙二醇来改善化学镀镍层的组织结构和导电性能；随着电磁屏蔽纺织品原料的多样化，化学镀所用的基材也不断丰富，近年来对环保的纤维素纤维进行化学镀也逐渐受到了关注，但由于纤维的化学结构特点，一般要在活化之前首先对纤维进行改性，如图3所示[10]。所制成的Cu/纤维素纤维复合材料在电磁频率为0.2～1000MHz电磁场中，屏蔽效能可达到40～55dB，屏蔽效果良好。Kasra等[11]研究了原位化学镀金属银纳米颗粒的新工艺并结合烧结的处理方式，制成了屏蔽效能中等的屏蔽织物。

图3　竹纤维改性示意图

化学镀以其镀层均匀且反应易控制、所制得的织物质地轻柔、透气性好、耐磨损、抗氧化腐蚀性能好等优点，一直在电磁屏蔽织物的加工形成中占据主要优势地位。但是所用化学试剂品类繁多，易造成环境污染。

2.2.2电镀工艺

电镀工艺是将直流电通入含有金属离子的电镀液中，将被镀织物作为电极，电镀液和电极发生电化学反应，使得被镀织物上形成一层致密均匀的金属镀层。楚克静[1]研究了在PET表面通过电镀形成锡镍合金涂层的复合织物，通过优化工艺，获得了镀层表面均匀致密、结晶细致且具有良好耐摩擦和耐腐蚀性能的电磁屏蔽织物，在中高波段100～3000MHz，屏蔽效能达到了80dB以上。王群等[12]利用电镀工艺制得了屏蔽效能达60dB的镀铜织物，并采用再次电镀镍的后处理方法，增强了抗氧化性能和耐酸腐蚀性能。而陆邵闻[13]则制备了两种黑色非晶态Mo-Ni、Zn-Ni-S合金电磁屏蔽织物，并比较了二者的各种性能，认为二者都具有良好的电磁屏蔽效能和表面方阻。

2.2.3真空镀

真空镀膜技术是20世纪初期开发的，最初将金属沉积在玻璃纸上用于礼品包装。由真空镀膜技术生产的金属化织物，不论是再经层压或是金属直接沉积在织物上的产品，在国外主要用于各种电磁波屏蔽和防熔融金属飞溅的防护服、消防和化学部门的防护服等。其中真空磁控溅射是新兴的表面涂覆金属的技术，优点是镀层厚度可控制，附着力良好，成本低廉且无污染。陈文兴等[14]在直流磁控溅射的方法在无纺布表面溅射沉积铜的研究中发现，溅射功率对膜层表面形貌具有重要影响，控制工艺参数可以调节沉积速率和膜层厚度形貌。余凤斌等[15]选用柔性高分子材料PET为基材，采用磁控溅射法制备的镍膜层与基材剥离强度大且均匀，薄膜的耐摩擦性能优良且结构牢固。

2.3组合处理

2.3.1复合镀

鉴于单一金属镀层易腐蚀、耐摩擦性能较差等不足，基于化学镀、电镀、真空镀的复合镀方式成为新的研究方向。王炜等[16]采用先化学镀铜后电镀镍的方法、长沙力元新材料股份有限公司采用先化学镀镍后电镀铜再电镀镍的方法[17]，分别得到了铜—镍双层和镍—铜—镍三层的金属织物，并已实现了产业化。铜镍复合镀所得的电磁屏蔽织物电磁屏蔽性能强、耐摩擦耐腐蚀性能好、使用寿命长且应用广泛。

山东天诺光电材料有限公司[18]采用真空磁控溅射在涤纶织物上镀上金属镍，然后电镀金属铜和镍。样品具有良好的导电性、耐磨性和附着力，在30MHz～1.5GHz内的屏蔽效能大于70dB，在1.5GHz～40GHz内的屏蔽效能大于60dB。

2.3.2金属化织物的组织结构优化

表面金属化处理是加工电磁防护型纺织品常用的方式，但是目前的研究大都局限于通过染整涂层等后整理方法来实现，存在电磁波反射暴露目标、形成二次污染等问题，同时作为防护人体用的柔性介质材料，密闭的结构影响纺织品穿着的热湿舒适性能。为此，施楣梧等[4]提出利用织物组织结构设计的作用加工成具有特殊电磁特性的纺织品。根据小孔耦合理论，对透孔组织织物进行化学镀铜和电镀镍等金属化处理，其屏蔽效能可达40dB，兼顾了电磁辐射防护服的屏蔽效能和热湿舒适性；根据频率选择表面理论，在平面或者立体结构的纺织品表面形成周期结构单元，为开发基于左手特性的电磁防护型纺织品提供了重要的学术和应用价值。

3　结论

纺织品作为人体与外界作用的媒介材料，其电磁防护功能的研究一直受到广泛的关注，从纺织纤维纱线、面料的成型加工，到纺织品的后整理等各阶段均可实现电磁屏蔽。但是，目前的研究较多地关注电磁屏蔽指标，而鉴于纺织品的特殊性，在考虑其电磁屏蔽效果的同时，还需兼顾其服用性能如优良的透气隔热性能和柔软舒适性能，以及纺织面料后期的剪裁、加工和设计等对电磁屏蔽效果的影响。因此，尽管目前对纺织品电磁屏蔽功能的实现已作了很多的研究，且取得一定的成果，但是积极研究与开发综合性能优良的电磁屏蔽纺织品，仍将会成为未来发展的重点。

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ResearchStatusofMetallizedElectromagneticShieldingTextiles

Ge Anxiang, Li Fengyan, Yan Jiangshan

(TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China)

Theaccesstomakemetallizedelectromagneticshieldingtextileswasreviewedbasedonthemechanismofelectromagneticshieldingandmetallicelectromagneticshieldingtextilesasobjects.Itwasclassifiedtothreetypesasthemoldingprocess,metallictreatment,combinedtreatmentoftextiles.Andtheresearchstatusoftheelectromagneticshieldingtextileswithdifferentprocessingmethodswassummerized.

textiles;electromagneticshielding;metallization;researchstatus

2015-01-09

葛安香(1992—),女，山东东营人，硕士研究生。

TS101.3

A

1009-3028(2015)02-0037-04