棉/不锈钢纱线针织物的电磁屏蔽性能研究

段永洁，谢春萍，王广斌，贺文慧，刘新金

（1.江南大学a.生态纺织教育部重点实验室（江南大学）；b.纺织服装学院，江苏无锡214122；2.新疆天山毛纺织股份有限公司，乌鲁木齐830054；3.江苏苏丝丝绸股份有限公司，江苏宿迁223800）

棉/不锈钢纱线针织物的电磁屏蔽性能研究

段永洁1a，谢春萍1b，王广斌2，贺文慧1b，刘新金3

（1.江南大学a.生态纺织教育部重点实验室（江南大学）；b.纺织服装学院，江苏无锡214122；2.新疆天山毛纺织股份有限公司，乌鲁木齐830054；3.江苏苏丝丝绸股份有限公司，江苏宿迁223800）

使用棉纤维及不锈钢长丝制备两种粗细相同的赛络包芯及赛络菲尔复合纱线，并测试其基础性能。分别使用两种纱线织制了纬平、1+1罗纹、提花和集圈式双层4种不同组织的针织物，测量并计算每种织物的未充满系数。对每种织物的电磁屏蔽性能进行测试，分析电磁波频率、纱线种类及织物结构对于织物屏蔽效能的影响。结果表明，两种纱线均能满足电脑横机的织制性能要求，其中赛络包芯纱的强力较好。4种组织中纬平针的未充满系数最小，提花组织最大。随着电磁波频率的提高，织物的反射损耗逐渐降低，吸收损耗逐渐提高，多次反射修正损耗始终保持较小值，在1 000 MHz以内时未充满系数与屏蔽效能间存在显著的线性负相关。赛络菲尔纱织物的屏蔽效能稍低于赛络包芯纱织物，但相差不大。

不锈钢长丝；包芯纱；赛络菲尔纱；针织物；电磁屏蔽

随着工业、信息技术的飞速发展，电子、电气设备在生活中的应用范围越来越广，随之产生的电磁辐射污染也日益严重，长期较高剂量的电磁辐射环境对人体的健康损伤极大，因此防治电磁辐射所带来的污染就显得愈发重要。在人体防护方面，穿着具有电磁屏蔽功能的服装是较为方便且可行的选择。该种服装往往由金属纤维混纺织物、金属涂层织物或复合织物构成。相比于其他种类的电磁屏蔽织物，不锈钢纤维与普通纺织纤维制成的抗辐射织物在永久性、环保性及性价比方面更具优势，这使得该类织物在目前的电磁屏蔽织物市场中占据了一定的份额［1］。国内外对此类织物也进行了一定研究，K.B.Cheng等［2］发现不锈钢含量对机织物电磁屏蔽性能的影响较大，且含量越高防辐射性能越好；文珊［3］分析了不锈钢纤维含量对织物电磁屏蔽及服用性能的影响，其所测织物为棉/涤/不锈钢纤维混纺纱制成的机织物。王瑄［4］采用灰色优势关联法，对影响金属纤维混纺机织物服用性能的因素进行了分析。

综观国内外的研究成果，研究对象多为机织物，针对含不锈钢长丝针织物的研究较少，主要集中在紧密度对针织物电磁屏蔽性能方面的影响［5-6］。而针织物与机织物的结构特征迥然不同，机织物的研究结论并不完全适用于针织物，所以对针织物的电磁屏蔽性能规律进行研究十分必要。本文设计了含不锈钢长丝的赛络包芯纱和赛络菲尔纱，用两种纱线编织成8种针织物，并对8种针织物的电磁屏蔽性能进行测试分析，对开发设计含不锈钢长丝类防辐射针织物有一定的指导意义。

1　实 验

1.1原 料

选用316 L型不锈钢长丝（上海普盛金银丝纺织品有限公司）与纯棉粗纱为原料，纺制纱线并织造织物。综合考虑纱线质量和生产成本，选用直径为35 μm的不锈钢长丝为芯丝进行实验。实验所用不锈钢长丝的最大断裂伸长率为38%，纯棉粗纱的粗纱定量为5.0 g/10m。

1.2纱线的纺制

设计两种纱线分别命名为a和b，均在经过改造的QFA1528型细纱机（无锡第七纺织机械有限公司）上纺制。纱线a与纱线b采用的棉纤维在细纱中的线密度均设为29.2 tex（20S），细纱捻系数设为320。纱线a为不锈钢长丝与棉短纤纺制的赛络包芯纱，因赛络包芯纱使用两根粗纱进行纺制而成，故包覆效果要优于传统包芯纱［7］。纱线b为不锈钢长丝与棉短纤纺制的赛络菲尔纱，因赛络菲尔纱由一根长丝和短纤粗纱纺制而成，使纱线兼具两种材料的特点［8］。

1.3不锈钢长丝针织物的制备

使用纱线a与纱线b在GSJX-1-44型电脑针织横机（江苏省国贸纺织科技有限公司）上进行试样的编织，机号12针，起针200针，150转。本文共选用4种针织物组织，为纬平针、1+1罗纹、提花和集圈式双层组织（图1），每种组织用纱线a和纱线b各编织一种，共编织成8种织物（1#～8#）。为减少编织过程中工艺参数对织物性能的影响，所有织物的度目值均为220左右，具体的织物规格见表1。

图1　提花和集圈式双层组织编织示意Fig.1 The knitting drawings of jacquard stitch and double layer tuck knitted fabrics

表1　织物规格Tab.1 Specifications of the fabrics

使用乌斯特条干仪（乌斯特技术有限公司）测试400 m长的纱线，仪器中的OM光学传感器可测出整个测量长度上纱线的平均直径，经测试得出纱线的平均直径为0.269 mm。使用放大镜测量50 mm试样的横密值，并用拆纱法测量出50 mm试样的线圈长度，在不同位置测试5次取平均值，由此可推算出各织物的未充满系数（表1）。其中提花与集圈式双层织物仅测量并计算含不锈钢长丝面的未充满系数。

1.4纱线及织物性能测试方法

为了避免测试误差，确保测试所得数据的准确性及可比性，将全部待测试样置于温度20℃、相对湿度65%的标准环境下48 h后再进行测试。

1.4.1纱线性能测试

力学性能测试：采用YG068C型全自动单纱强力仪（苏州长风纺织机电科技有限公司）对纱线进行力学性能测试，上下夹头间隔距50 cm，取样间隔1 m，预张力系数0.50 cN/tex，拉伸速度500 mm/min。每种纱线测试10次，结果取平均值。

毛羽测试：采用YG173A型纱线毛羽测试仪（苏州长风纺织机电科技有限公司）对纱线进行检测。测试速度30 m/min，测试片段长度10 m，每种纱线测试10次，结果取平均值。

纱线形态测试：使用显微镜对纱线纵向形态进行观察，放大4倍。使用Y172型哈氏切片器（常州纺织仪器厂）分别对两种纱线的进行切片，并进行横截面观察，放大10倍。

1.4.2织物电磁屏蔽性能测试

采用Agilent E5061A型矢量网络分析仪（美国安捷伦科技有限公司）、法兰同轴装置及TS0210A1型10 dB网络衰减器对试样的电磁屏蔽性能进行测试。测试参考标准STMD 4935—2010《测量平面材料的电磁屏蔽效应的实验方法》及QJ 2809—1996《平面材料电磁屏蔽效能的测试方法》进行。为保证测试的准确性，在每种织物的不同位置分别取样3块，对每块试样进行5次测试，共测试15次，取平均值作为测试结果。

2　结果与分析

2.1纱线性能分析

纱线是构成织物的基本要素，纱线的性能直接影响了织物的编织过程，也对织物最终的品质起着决定性作用。通过对本文中所纺纱线a和b进行测试，得到纱线a和b的基本性能参数及纵横向形态图，分别见表2和图2。

表2　纱线a与纱线b的基本性能Tab.2 Basic properties of yarns a and b

由表2可见，纱线a的断裂强度较纱线b好，这主要有以下两方面原因：首先，纱线a的结构类似于股线，两股粗纱交缠结合，纤维内外转移减少，排列相对平行顺直，强力利用系数增加［9］，而纱线b只有一股粗纱与不锈钢长丝交缠抱合，无法形成类似于股线的结构，强力利用系数没有较大增加，强力相对较低。其次，纱线a为包芯纱，长丝被包覆于外层纤维中，不锈钢芯丝在加工过程中未发生较大的卷曲，强力损失小；纱线b中不锈钢长丝与棉纤维一起于前罗拉钳口下游处汇合加捻，不锈钢长丝的强度损失较大，故纱线a的强力较b好一些。纱线a与纱线b的断裂伸长率测试结果相差并不大，主要是因为两种纱线所选用的原料相同，所纺制纱线的粗细及捻度相同，故两者的断裂伸长率值几乎没有差别。

纱线b的毛羽较纱线a好些，主要与纱线的结构有关，纱线b是赛络菲尔纱，加捻过程中，表面光洁的不锈钢长丝对棉须条有包缠贴服作用，使部分须条表面的毛羽被不锈钢长丝束缚，从而有效减少了纱体的毛羽量；而纱线a是包芯纱，不锈钢长丝位于纱线的中央，并不能对毛羽产生积极的束缚作用，但外层两股粗纱的交缠抱合也能起到一定作用，减少部分毛羽，所以虽然纱线a的毛羽值稍高，但仍能较好地满足使用要求。

图2　纱线纵向形态与横截面示意Fig.2 The longitudinal and cross sections morphology of yarns

图2（a）（b）为纱线纵向形态，可见纱线a中不锈钢长丝未裸露于表面；在纱线b赛络菲尔纱中不锈钢长丝为螺旋状，与外层的棉短纤相互缠绕。图2（c）（d）为纱线横截面，其中黑色圆形为不锈钢长丝的截面，白色腰圆形为棉纤维的截面；纱线a中不锈钢长丝几乎位于纱线截面的中间位置，而纱线b中不锈钢长丝在棉纤维的外部边缘，包缠着棉纤维。

2.2织物电磁屏蔽性能分析

2.2.1电磁波频率对屏蔽效能的影响

围绕日常生活中最可能接触的电磁波频率范围，以400，600，800，1000，1200，1400 MHz为测试频率，对各试样的电磁屏蔽效能进行测试，测试结果见表3。屏蔽效能单位为dB，屏蔽效能数值越大，表示织物阻挡电磁波透过的性能越好。

表3　织物的屏蔽效能Tab.3 Shielding property of the fabricsdB

通过对比表3每一横行的数据可以发现，试样电磁屏蔽效能随平面波频率增加而减少的变化规律。在平面波频率较低时，各试样的屏蔽效能均能达到10 dB以上。随着入射波频率的提高，屏蔽效能逐渐降低。所有试样在平面波频率为1 400 MHz时的屏蔽效能只有5 dB左右，均处在较低的水平。

目前电磁屏蔽的基本原理主要依据Schelkunoff电磁屏蔽理论［10］进行讨论分析。为了简化研究模型，该理论把入射波假定为均匀平面波，屏蔽体为无限大的导体板。此时平面波主要通过三种途径进行传递衰减：1）电磁波到达屏蔽体表面时，由于屏蔽材料与自由空间阻抗不匹配引起的反射损耗；2）未被反射而进入屏蔽材料内部，被屏蔽体吸收的吸收损耗；3）平面波在屏蔽材料内部两界面间的多次反射修正。

屏蔽材料的理论反射损耗只与波源阻抗和屏蔽体阻抗有关，可以通过下式进行计算。

式中：R为理论反射损耗，dB；ZW为波源阻抗，平面波为377 Ω；ZS为屏蔽体阻抗，与入射波的频率有关；f为入射波频率，Hz；μr为相对磁导率，约等于1；σr为316 L不锈钢的相对电导率，20℃环境下为0.023。

通过式（1）（2）进行计算可得：当电磁波频率为400 MHz时，316 L不锈钢的理论反射损耗为65.749 dB，但入射波频率上升到1 400 MHz时，其理论反射损耗下降至60.308 dB。由计算结果可以看出电磁波频率越高，反射损耗越小。

屏蔽材料的理论吸收损耗与材料厚度及趋肤深度有很大关系，可以通过下式进行计算。

式中：δ为屏蔽材料的趋肤深度，m；f为入射波频率，Hz；A为理论吸收损耗，dB；t为屏蔽材料厚度，m。

通过式（4）可以看出，当屏蔽材料厚度不变时，趋肤深度越小，材料理论吸收损耗越大。本文中可以近似认为屏蔽体厚度为35 μm，代入式（4）进行计算可得：当入射波频率为400 MHz时，理论吸收损耗为13.971 dB，而当频率上升到1 400 MHz时，理论吸收损耗为26.138 dB。

平面波在屏蔽材料内部的两界面间多次反射后，需对其多次反射损耗进行修正，可按照下式进行计算。

式中：B为多次反射修正损耗，dB；t为屏蔽材料厚度，m；δ为屏蔽材料的趋肤深度，m。

通过式（5）计算可得，当入射波频率为400 MHz时，多次反射修正为-0.355 dB，而当频率上升到1 400 MHz时，多次反射修正为-0.021 dB。经过计算可以看出此值往往较小，当入射波频率较高时可以忽略［12］。

虽然随着入射波频率的提高，屏蔽体吸收损耗有所增大，但其在400～1 400 MHz波段的绝对值小于反射损耗。对于屏蔽材料来说，此频段的屏蔽作用以反射损耗为主，吸收损耗为辅。所以当入射波频率增加时，试样总体的屏蔽效能发生下降。

在Schelkunoff理论模型中，屏蔽体为无限大的导体板，但不锈钢长丝随纱线织制成面料，而纱线间有许多空隙，所以不锈钢金属的面积要远远小于试样整体的大小，这导致一大部分电磁波会从纱线间的空隙中直接穿过织物，使得试样整体的屏蔽效能小于理论计算值，不超过20 dB。

2.2.2纱线种类对屏蔽效能的影响

将表3中的数据按照入射波频率为横轴做柱状图，结果见图3。为了对比纱线种类对屏蔽效能的影响，每一频率下的试样数据排列顺序为1#，5#，2#，6#，3#，7#，4#，8#。

通过图3可以看出不同种类的纱线对于织物屏蔽效能有一定影响，但影响不大。使用纱线a织物的屏蔽效能稍高于使用纱线b织物的屏蔽效能。这是因为对于含有网孔的屏蔽体，孔隙是影响屏蔽效能的重要因素之一。织物中的孔或缝相当于一个处在截止频率以下的波导，波导的截止频率主要取决于孔隙的线径大小。当电磁波频率达到截止频率时，屏蔽效能将接近于零。线径取决于孔隙的长边而非短边的尺寸，通过图2的纱线形态可以看出在纱线b中，不锈钢长丝以螺旋形与棉纤维形成缠绕，其总是处于纱体外侧，所以相比于包芯纱来说，包缠纱形成的孔或缝线径将更大一些［13］。线径大，波导截止频率小，所以纱线b织物的屏蔽效能更容易衰减。但因纱线原料及不锈钢含量基本相同，故不同纱线织物电磁屏蔽性能差异不大。

图3　不同试样的屏蔽效能Fig.3 Shielding property of different samples

2.2.3织物结构对屏蔽效能的影响

对比图3中每个频率下不同织物的屏蔽效能可以看出，其由大到小的排列顺序为：纬平针，集圈式双层，1+1罗纹，提花。从表1中的织物未充满系数可以看出，4种织物的未充满系数由小到大分别为：纬平针，集圈式双层，1+1罗纹，提花。由于未充满系数反映的是针织物线圈稀密的程度，未充满系数越大，线圈越稀疏，所以在4种织物结构当中，纬平针结构未充满系数最小，结构最紧密，屏蔽效能最高。利用数理统计方法对织物未充满系数与屏蔽效能之间的关系进行定量分析，结果见表4。

表4　不同频率下织物屏蔽效能的回归方程Tab.4 Regression equation of fabric shielding property in different electromagnetic wave frequency

以未充满系数为自变量x，屏蔽效能为因变量y，使用SAS软件对二者进行回归分析，由表4可以看出当电磁波频率为400，600，800，1 000 MHz时，P值均显著小于0.05（显著性水平），可认为x与y的线性相关性是显著的。且两变量间的相关系数均为负值，证明当电磁波频率为400，600，800，1 000 MHz时，未充满系数与屏蔽效能间存在显著的线性负相关，回归方程及决定系数R2见表4。当电磁波频率为1 200及1 400 MHz时，P值大于0.05，此时未充满系数与屏蔽效能并不存在显著的线性相关，从表3也可以看出此时织物的屏蔽效能已经处于较低的水平，且相差不大。

3　结 论

1）使用经过改造的细纱机纺制不锈钢赛络包芯纱和赛络菲尔纱，其纱线性能均能满足电脑横机的织制要求，其中包芯纱的力学性能稍高。

2）依据Schelkunoff电磁屏蔽理论计算可得：在1 400 MHz内，随着电磁波频率的增大，反射损耗逐渐降低，吸收损耗逐渐增加，多次反射修正损耗始终保持较小值，织物整体的屏蔽效能逐渐降低。由于织物纱线间有较多空隙，使得织物整体的屏蔽效能比理论值低。

3）赛络菲尔纱织物的屏蔽性能比赛络包芯纱织物的屏蔽性能稍低一些，当电磁波频率小于1 000 MHz时，未充满系数与屏蔽效能间存在显著的线性负相关。

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Study on electromagnetic shielding property of cotton/stainless steel yarn knitted fabrics

DUAN Yongjie1a，XIE Chunping1b，WANG Guangbing2，HE Wenhui1b，LIU Xinjin3
（1a.Key Laboratory of Eco-textile（Jiangnan University），Ministry of Education；1b.College of Textiles and Clothing，Jiangnan University，Wuxi 214122，China；2.Xinjiang Tianshan Woolen Textile Co.，Ltd.，Urumqi 830054，China；3.Jingsu Silk Co.，Ltd.，Suqian 223800，China）

Cotton fibers and stainless steel filaments were used to make Siro core-spun yarns and Sirofil yarns，and their basic properties were tested.The two kinds of yarns were used to make four kinds of fabrics which are plainknitted，1+1 rib loop，jacquard stitch，and double layer tuck knitted fabrics.The unfullness coefficients of each kind of fabrics were calculated.Electromagnetic shielding property of each kind of fabrics was tested.The effects of electromagnetic wave frequency，the type of yarns，and the fabric structure on the fabric shielding property were compared.Results show that，both of the yarns could meet the requirements of weaving property of computer knitting machine.Core-spun yarn has higher tensile strength.Plain-knitted fabric has the minimum unfullness coefficient，and the maximum jacquard stitch.With the increase in the electromagnetic wave frequency，the reflection loss of fabrics gradually reduces；the absorption loss increases gradually.And the multiple reflection correction maintains a relatively small value.The unfullness coefficient and shielding property have significant linear negative correlation within 1000 MHz.Shielding property of sirofil yarn is sightly lower than that of core-spun yarn，but the difference is small.

stainless steel filament；core-spun yarn；sirofil yarn；knitted fabric；electromagnetic shielding

TS101.923

A

1001-7003（2016）09-0009-06引用页码:091102

10.3969/j.issn.1001-7003.2016.09.002

2016-02-29；

2016-08-17

中国博士后科学基金项目（2015M581722）；纺织服装产业河南省协同创新项目（hnfz14002）；江苏省产学研项目（BY2014023-13，BY2012051，BY2013015-24）；江苏省科技成果转化项目（BA2014080）；新疆自治区重点研发计划项目（2016B02025-1）

段永洁（1991-），女，硕士研究生，研究方向为功能性混纺纱线。通信作者：谢春萍，教授，wxxchp@vip.163.com。