导电海绵在电磁屏蔽服装中的应用研究

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(中原工学院服装学院，郑州 450007)

随着高科技电子产品时代的到来，其伴生的电磁辐射也对人类身体健康产生损害，国内外的大量研究者认识到并开始研究电磁辐射对人体健康的影响。电磁辐射对人体的影响可以分为热效应、非热效应和累积效应[1-3]。电磁屏蔽服能有效防止电磁波的伤害，其原理主要是基于电磁波穿过防电磁辐射服装时会产生波反射、波吸收和电磁波在服装内的多次反射，导致电磁波的能量衰减[4]。导电海绵的三维网状结构，高孔隙率，高比表面积，因此具有很多优良的特性。导电海绵可以聚氨酯海绵(PUF)为载体，通过化学氧化聚合法、化学镀镍法、有磁溅射法、导电胶涂覆法、化学镀法等方法制备[5-9]。相关研究表明导电海绵分别与石墨烯/聚甲基丙烯酸甲酯(GNS/PMMA)和聚苯胺等材料复合，能使其具有良好的电导率、透气性及电磁屏蔽性能，可用于电磁干扰屏蔽[10-11]。但导电海绵运用到电磁屏蔽服装还未有相关报道。

由于法兰同轴法测试过程中能量损失较小；可测试动态范围较宽，达80dB；接触阻抗较小，可重复性较好等特点。因此，本文实验测试采用法兰同轴法。导电海绵有一定的弹性好，但韧性较差，受到一定的外力容易撕裂。由于这种材料特性，不能直接用于电磁屏蔽服装中，需要搭配其他屏蔽织物进行运用，并将这种结合的结构命名为组合导电海绵。相关文献研究表明多层电磁屏蔽服装的屏蔽效能大于单层的屏蔽服装[12-14]。将导电海绵添加到电磁屏蔽服装中，探索加入导电海绵的多层电磁屏蔽服装的屏蔽效能，确定导电海绵与织物的组合层数。缝型的存在导致缝隙的产生，缝隙的存在破坏了屏蔽体的导电连续性，因此成为电磁能量泄露的主要途径[15]。汪秀琛等[16]模拟服装常见的缝隙，进行平缝处理，测试不同缝隙长度对服装屏蔽效能的影响。实验结果表明服装上的缝隙对服装的屏蔽效能有显著的影响。该研究的重点为缝隙，对于不同缝型的屏蔽效能未作探索。

本文采用法兰同轴法，将导电海绵运用到电磁屏蔽服中。首先确定与导电海绵的最佳组合织物，其次是选择用于服装制作的导电海绵与织物的组合层数，然后对适合导电海绵的服装缝型设计方面进行了探究。

1 实 验

1.1 实验材料

导电海绵(深圳市永德信科技有限公司)、镀银纤维织物(嘉兴微波屏蔽材料厂)、镀铜镍菱形格织物(青岛志远翔宇功能面料有限公司)、不锈钢纤维织物(嘉兴微波屏蔽材料厂)、镀铜镍平纹织物(东莞市中村绝缘材料科技有限公司)、导电无纺布(东莞市明谷一纳米材料有限公司)及镀银导电缝纫线(青岛亨通伟业特种织物有限公司)，其规格如表1、表2所示。导电海绵是以聚酯型聚氨酯软质海绵(PUF)为载体，通过化学镀镍法制备，一种具有三维网状结构的低密度、高孔隙率的导电材料，其结构如图1所示。

表1 导电海绵参数

表2 电磁屏蔽织物参数

图1 导电海绵三维骨架结构示意

1.2 测试方法

根据ASTM D4935—2010《测量平面材料电磁屏蔽效率的标准试验方法》实验标准的有关规定执行，实验仪器采用DR-S01法兰同轴法屏蔽效能测试箱(北京鼎容电子技术有限公司)。法兰同轴法是利用同轴线中传播的横电磁波(TEM)模拟空气中远区平面波对材料试样进行屏蔽效能测试，其测试装置如图2所示[17]。

图2 法兰同轴法屏蔽效能测试装置原理

屏蔽效能定义为：在同一激励电平下，无屏蔽材料时接收的场强或功率与有屏蔽材料时接收到的场强或频率之比，并以对数表示[18]，即

式中：SE为屏蔽效能，以dB为单位；E0、P0为无屏蔽材料时空间某点的电场强度和接收功率，以V/m，W为单位；E1、P1只为加屏蔽材料后该点的电场强度和接收功率，以V/m，W为单位。

1.3 实验设计

1.3.1 组合导电海绵的设计

镀铜镍平纹织物表面平滑、轻薄及屏蔽效能较好。同时，表面可粘附亚克力导电胶，与导电海绵有良好的固定作用。导电无纺布轻薄，具有一定的屏蔽作用。因此，选用镀铜镍平纹织物和导电无纺布做导电海绵的组合织物。

1.3.2 层数的设计

对镀银纤维织物、镀铜镍菱形格织物、不锈钢纤维混纺织物这3种织物层数分别设计实验，织物层数从1层到4层递增。

1.3.3 缝型的设计

a)根据线迹类型和缝型标号的国际标准[19-20]，选择适合加入导电海绵的缝型如表3所示。导电海绵作为光滚边的包芯，可充分包裹开口缝隙。同时，缝型上只需一条缝迹。在光滚边的基础上作进一步的缝型设计，加入压条设计。导电海绵也作为压条的包芯，将其中间对准缝的正面进行缝制。对这两种缝型进行屏蔽效能实验对比分析，确定适合导电海绵的服装缝型。

表3 所选择缝型

b)缝型织物的选择。相关研究表明缝型对服装的悬垂性有影响[21-22]，缝型织物应选用较薄织物。不锈钢织物较厚，不适合做缝型织物。镀银纤维织物用于缝型内层接触人体，当人体运动排汗时易氧化；镀铜镍平纹织物缝制过程中，送布牙易对织物造成破损；导电无纺布韧性差，用于缝型织物中，缝型受人体运动强度的影响易产生劈缝，降低电磁屏蔽服装的屏蔽效能。镀铜镍菱形格织物轻薄，韧性好、不易发生褶皱。因此，缝型的织物选择镀铜镍菱形格织物。

1.3.4 实验材料的裁剪

准备试验样布，材料分别为：导电海绵、镀银纤维织物、镀铜镍菱形格织物、不锈钢纤维混纺织物、镀铜镍平纹织物和导电无纺布。将其尺寸裁剪为40 cm×40 cm。裁剪缝型中所用的材料：2片40 cm×21 cm的镀铜镍菱形格织物、4 cm宽的镀铜镍菱形格滚边条、4 cm宽的镀铜镍菱形格织物压条、2 cm宽的组合导电海绵滚边包芯、2 cm的组合导电海绵压条包芯。

1.3.5 加工工艺

试样缝合采用锁式线迹301，线密度为8针/2 cm，缝纫线采用镀银导电缝纫线。

a)导电海绵分别与镀铜镍平纹织物、导电无纺布组合，在0.5 cm缝份处缝制固定。适合与导电海绵组合结构命名为组合导电海绵。

b)首先缝制光滚边(图3)和光滚边+压条两种缝型。然后，对这两种缝型添加组合导电海绵，将其作为缝型中的包芯。并将加入组合导电海绵试样命名为光滚边(组合导电海绵)，光滚边+正面压条(组合导电海绵)(图4)。

图3 光滚边缝型

图4 添加导电海绵的光滚边+正面压条结构

1.3.6 试样类别

a)确定组合导电海绵的试样：导电海绵、导电无纺布、镀铜镍平纹织物、导电无纺布+导电海绵、镀铜镍平纹织物+导电海绵。

b)关于织物层数的试样：镀银纤维织物单层、镀银纤维织物双层、镀银纤维织物单层+组合导电海绵(3层)、镀银纤维织物单层+组合导电海绵+镀银纤维织物单层(4层)；镀铜镍菱形格织物单层、镀铜镍菱形格织物双层、镀铜镍菱形格织物单层+组合导电海绵(3层)、镀铜镍菱形格织物单层+组合导电海绵+镀铜镍菱形格织物单层(4层)；不锈钢纤维混纺织物单层、不锈钢纤维混纺织物双层、不锈钢纤维混纺织物单层+组合导电海绵(3层)、不锈钢纤维混纺织物单层+组合导电海绵+不锈钢纤维混纺织物单层(4层)。

c)缝型试样：光滚边、光滚边+压条、光滚边(组合导电海绵)、光滚边+正面压条(组合导电海绵)。

2 结果与讨论

2.1 组合导电海绵的确定

导电海绵透气好，但韧性较差，导电海绵服装运动时易撕裂，降低服装的屏蔽效能。在电磁屏蔽服装的运用中，导电海绵需要与适合的面料进行组合缝制。将镀铜镍平纹织物和导电无纺与导电海绵组合固定，在0.5 cm缝份处缝制固定。织物屏蔽效能测试分5组分析对比，分别为；导电海绵、导电无纺布、镀铜镍平纹织物、镀铜镍平纹织物+导电海绵、导电无纺布+导电海绵，测试结果如图5所示。

图5 与导电海绵组合织物的屏蔽效能

由图5可见，在1～3 GHz范围内，导电海绵的屏蔽效能最低，约为40 dB,，整体呈上升趋势。镀铜镍平纹织物的屏蔽效能高于导电无纺布、导电海绵的屏蔽效能。导电无纺布+导电海绵和镀铜镍平纹织物+导电海绵屏蔽效能最高，约75 dB，且镀铜镍平纹织物+导电海绵屏蔽效能略高于导电无纺布+导电海绵。考虑导电海绵有一定的弹性，而镀铜镍平纹织物和导电无纺布弹性较差。与导电海绵组合的织物应选择耐撕裂性能较好的。因此，采用冲击性摆锤法来测试镀铜镍平纹织物和导电无纺布的撕裂强力(表4)。从表4测试结果来看，发现导电无纺布经向和纬向的韧性较差。镀铜镍平纹织物比导电无纺布有更好的耐撕裂性能，更适合与导电海绵组合。因此，将导电海绵用于电磁屏蔽服装上，所选择的组合导电海绵为镀铜镍平纹织物与导电海绵组合。

表4 织物撕裂强力

注：以上试验结果均为平均值，每种试样次数为5次。

2.2 用于服装制作的导电海绵与织物的组合层数确定

对于电磁屏蔽服装的层数来说，多层的电磁屏蔽服比单层的屏蔽效能高。镀银纤维织物、镀铜镍菱形格织物、不锈钢纤维混纺织物这3种织物柔软挺括、牢度高、透气性好，面料性能比较适合作为电磁屏蔽服的外层织物。对这3种织物组合的层数分别进行实验测试，实验结果如图6、图7、图8所示。

由图6、图7、图8显示结果可以对这3种织物组合层数的屏蔽效能从大到小进行比较。镀银纤维织物屏蔽效能从大到小排列为：镀银纤维织物单层+组合导电海绵+镀银纤维织物单层、镀银纤维织物单层+组合导电海绵、镀银纤维织物双层、镀银纤维织物单层；镀铜镍菱形格织物屏蔽效能从大到小排列为：镀铜镍菱形格织物单层+组合导电海绵+镀铜镍菱形格织物单层、镀铜镍菱形格织物单层+组合导电海绵、镀铜镍菱形格织物双层、镀铜镍菱形格织物单层；不锈钢纤维混纺织物屏蔽效能从大到小排列为：不锈钢纤维混纺织物单层+组合导电海绵+不锈钢纤维混纺织物单层、不锈钢纤维混纺织物单层+组合导电海绵、不锈钢纤维混纺织物双层、不锈钢纤维混纺织物单层。织物层数越多屏蔽效能越高，但4层比3层的屏蔽效能没有明显增多。因此，综合考虑屏蔽效能和成本，其层数可选择3层：镀银菱形格织物/镀铜镍菱形格织物/不锈钢纤维混纺织物单层+组合导电海绵，其结构示意图如图9所示。

图6 镀银纤维织物多层组合的屏蔽效能

图7 镀铜镍菱形格织物与导电海绵组合的屏蔽效能

图8 不锈钢纤维混纺织物与导电海绵组合的屏蔽效能

图9 服装3层织物结构示意

2.3 适合导电海绵的服装缝型选择

电磁屏蔽服装的缝缝是泄露电磁波的主要原因之一，缝型的设计有利于减少电磁波的泄露，提高缝缝处的屏蔽效能。缝型试样为光滚边、光滚边+正面压条、光滚边(组合导电海绵)、光滚边+正面压条(组合导电海绵)，分别对这4种缝型试样进行实验测试。不同缝型屏蔽效能的实验结果如图10所示。

图10 不同缝型的屏蔽效能

从图10可以看出，在1～3 GHz整个范围内，光滚边、光滚边+正面压条、光滚边(组合导电海绵)的屏蔽效能总体相等，约55 dB。光滚边+正面压条(组合导电海绵)的屏蔽效能总体最高。频率约在1～2 GHz和2.5～3 GHz范围内，光滚边+正面压条(组合导电海绵)的屏蔽效能比光滚边、光滚边+正面压条、光滚边(组合导电海绵)的屏蔽效能高且最高相差约10 dB；但约在2～2.5 GHz，光滚边+正面压条(组合导电海绵)的屏蔽效能与光滚边、光滚边+正面压条、光滚边(组合导电海绵)的屏蔽效能大致相等。因此，导电海绵应用于电磁屏蔽服装的缝型选择为光滚边+正面贴边(组合导电海绵)。

3 结 论

从组合导电海绵的确定、用于服装制作的导电海绵与织物的组合层数确定、适合导电海绵的服装缝型选择这3个方面进行实验，分析研究发现：

a)镀铜镍平纹织物与导电海绵组合的屏蔽效能能最高。在缝制电磁屏蔽服装时，选择镀铜镍平纹织物与导电海绵组合缝制固定，制成组合导电海绵。

b)织物层数越多，屏蔽效能越大，但层数大于3，屏蔽效能没有明显变化。导电海绵和织物组合应用于电磁屏蔽服装的层数可选择3层：镀银菱形格织物/镀铜镍菱形格织物/不锈钢纤维混纺织物单层+组合导电海绵。

c)导电海绵应用于电磁屏蔽服装的缝型选择为光滚边+正面贴边(组合导电海绵)。

论文为导电海绵屏蔽效能的基础性的研究，进一步加工提供基础理论的研究。后续可通过不同的加工工艺设计添加吸波剂，使导电海绵具有吸波性能，较好的运用于电磁屏蔽服装。

[1] 王琴云,丁欧,周仪.电磁波辐射防护织物和服装的开发[J].上海纺织科技,2005,33(9):65-67.

[2] 商思善.电磁波屏蔽织物的产生与发展[J].现代纺织技术,2002,10(4):48-52.

[3] 周娟,肖于德.金属纤维行业发展趋势[J].湖南有色金属,2008,24(2):38-40.

[4] 王庆斌.电磁干扰与电磁兼容技术[M].北京：机械工业出版社,2000.

[5] 刘辰忠.发泡镍生产工艺探讨[J].电镀与涂饰,1998(2):10-13.

[6] 刘际伟,胡贵生.聚氨酯泡沫的涂镀膜[C]//中国工程物理研究院科技年报.1998.

[7] 陈芬,杨春明.聚苯胺/聚氨酯导电海绵的制备及其用于回收银离子的研究[C]//中国功能材料及其应用学术会议.2010.

[8] 陈芬,杨春明,张学芬,等.聚苯胺/聚氨酯导电海绵的制备及其性质研究[J].湖南师范大学自然科学学报,2011,34(2):42-47.

[9] 张景怀,惠志林,徐惠萍,等.聚氨酯泡沫上化学镀镍研究[J].稀有金属,2001,25(4):278-281.

[10] 赵慧慧,姬科举,许银松,等.GNS/PMMA泡沫复合材料的制备及其电磁屏蔽性能[J].材料科学与工程学报,2014,32(3):358-365.

[11] NJUGUNA J, PIELICHOWSKI K. Recent developments in polyurethane-based conducting composites[J]. Journal of Materials Science,2004,39(13):4081-4094.

[12] 陈旭华,易建政,毕军建,等.多层金属纤维混纺织物的电磁屏蔽效能[J].材料导报,2010,24(20):15-17.

[13] 荣幸,刘哲,张永恒.不锈钢纤维混纺型双层电磁屏蔽织物的屏蔽效能研究[J].丝绸,2015,52(5):16-20.

[14] 郑倩雪,刘哲,张永恒,等.双层防电磁辐射织物的屏蔽效能[J].纺织学报,2016,37(1):47-51.

[15] MENDEZ H A. Shielding theory of enclosures with apertures[J]. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 2007,EMC-20(2):296-305.

[16] 汪秀琛,刘哲.防电磁辐射服装的屏蔽效能数学模型[J].纺织学报,2008,29(2):73-75.

[17] 张娜.电磁波屏蔽织物发展现状及测试方法[J].轻纺工业与技术,2010,39(1):50-52.

[18] 钱照明,程肇基.电力电子系统电磁兼容设计基础及干扰抑制技术:电磁兼容设计基础及干扰抑制技术[M].杭州：浙江大学出版社,2000.

[19] 全国纺织品标准化技术委员会基础分会(SAC/TC209/SC1).GB/T 24118—2009纺织品 线迹分类和术语[S].北京：中国标准出版社，2009 .

[20]全国服装标准化技术委员会.FZ/T 80003—2006纺织品与服装缝纫型式分类和术语[S].北京：中国标准出版社，2006.

[21]王花娥,邓洪涛.缝型及接缝方向对针织面料悬垂性的影响[J].纺织学报,2011,32(10):53-56.