内含不锈钢的柔性电磁屏蔽织物的制备与研究

喻阳，杨文旗，丁重，张莹，章晓阳，王晓萌，彭浩凯,3

（1.天津工业大学纺织科学与工程学院，智慧纺织与节能制品创新平台，天津 300387;2.天津工大纺织助剂有限公司，天津 300270；3.天津工业大学先进纺织复合材料天津市教育部重点实验室，天津 300387）

前言

随着社会的进步，各种各样电子产品的出现使我们的生活变得更加方便、高效，但同时，我们也遭受着它们带来的电磁辐射的影响，电磁辐射会导致人体的不良反应，损害我们健康[1-2]。解决电磁辐射问题有许多方法，而电磁屏蔽是这些方法中最主要、最基本的，对防止电磁波产生干扰有很大帮助[3-4]。

现在的电磁屏蔽织物大部分是金属涂层和金属纤维混纺织物。但是实际上通过在织物表面涂覆导电涂层或者利用镀层方法研制金属涂层织物，并不能很好的防止电磁屏蔽的干扰，同时，织物风格也和普通织物有较大差别，不利于穿着，而不锈钢纤维不仅具有导电、导热等优点，并且柔软，耐磨性高，强度高，可纺性好。

当然金属丝复合纱线普遍存在易裸露于织物表面的问题，我们利用实验室发明的一种用于制备包芯纱的喂入装置来纺制海藻纤维/不锈钢纤维包芯纱，该喂入装置相比传统包芯纱喂入装置，可以精准控制芯纱，使金属丝喂入粗纱中间，从包纱源头解决了问题。用该纱线织造电磁屏蔽性能的柔性功能性织物，与由普通的防辐射材料织成的面料相比，该织物能够维持更久的电磁屏蔽效果，织物风格与普通织物类似，可以贴附皮肤穿着，具有舒适保健性，可用于电磁屏蔽服或医用电磁屏蔽服内层。

1 试验部分

1.1 材料仪器

中国上海源能有限公司生产的316 L 不锈钢丝，断裂强度为354.36 cN，直径为0.03 mm，伸长率是29.4%。海藻纤维，纤维长度50 mm，纤维细度1.5 D。

1.2 包芯纱的制备

实验室创造了一款独特的包芯纱喂入装置来准确控制芯纱，保证了金属丝喂入粗纱之间，从包纱的源头彻底解决了金属丝复合纱线在织物表面裸露的问题，从而制备了优良的包芯纱，最后制备的海藻纤维/不锈钢长丝包芯纱具有质量优质，包覆完备的效果。如图1 所示为包芯纱的制备流程。

图1 自制的纺纱喂入装置原理图及包芯纱截面演示图Fig.1 Schematic diagram of a spinning feed device and Sectional form of the spun core yarn

1.3 柔性电磁屏蔽织物的制备

如图2a 所示，采用50/50 涤棉纱的经纱和不锈钢长丝/海藻纤维包芯纱的纬纱，在半自动织机（DWL5016，中国浙江杭州天马纺织机械有限公司）制备了具备柔软特性的电磁屏蔽织物。图2b 是选用织物单元结构的等效电路来表示导电织物的屏蔽网络，电阻R 表示的是经纬线的接触电阻。图示中的电容（C）为并联导线产生的电容。图2c 所示的织物中只有纬纱是导电纱，改变三层织物的贴合角度可形成更为完整的屏蔽网，形成更多导电网络，屏蔽效果显著提高。

图2 (a）柔性电磁屏蔽织物的实物图；(b)导电织物单元结构的等效电路；(c）导电织物在复合角度为0°/0°/0°和0°/45°/90°下屏蔽电磁波的机理Fig.2 (a)Physical picture of flexible electromagnetic shielding fabric;(b)Equivalent circuits for each unit structure;(c)Mechanism of electromagnetic shielding of conductive fabric at composite angles of0°/0°/0°and 0°/45°/90°

1.4 测试与表征

1.4.1 拉伸性能

采用HT-9101 型万能强力仪（莱州市电子仪器有限公司）测试制备的柔性电磁屏蔽织物的拉伸性能。按照经向150 mm、纬向50 mm 的标准裁剪一块试样，夹持隔距设置为10 cm，测试并记录数据。

1.4.2 透气性

使用ASTM D0730 规定的数字织物透气仪（YGB461D 中国温州荣达纺织有限公司）测量导电电磁屏蔽机织物的透气性。试样压差设置为100 Pa，使流量值控制在600～3000 mm/s 之间。样品尺寸裁剪为25 cm×25 cm，对这10 个样品进行透气性测试记录数据并取平均值。

2 结果与讨论

2.1 织物电磁屏蔽性能

当织物层叠角度为0°/0°/0°时，总体上电磁干扰强度在1500～3000 MHz 的频率下随着织物层数基本不变。另外不锈钢/涤棉-1 层的电磁干扰强度在460 MHz 的频率下为35 dB，电磁屏蔽效果一般。一般情况下，对于大多数电子产品的屏蔽材料，入射波在30-1000 MHz 范围，电磁屏蔽效能为35 dB 就认为是有效屏蔽，该织物可用于一般工业或商用电子设备。

当织物层叠角度为0°/45°/90°时，总体电磁干扰强度在1500～3000 兆赫的频率下随着织物层数先增加再减小。其中不锈钢/涤棉-1 层的电磁干扰强度在1500～3000 MHz 的频率下为4～10 dB，不锈钢/涤棉-2 层的电磁干扰强度在1500～3000 MHz的频率下18～42 dB，这个范围是不锈钢/涤棉-1 层的4 倍左右。不锈钢/涤棉-3 层的电磁干扰强度在1500～3000 兆赫的频率下15～30 dB，这个范围是不锈钢/涤棉-1 层的3 倍左右。

如图3 可知，当织物层叠角度为0°/90°/0°时，电磁干扰强度在1500～3000 MHz 的频率下随着织物层数的增加先增加后减小。不锈钢/涤棉-1 层的电磁干扰强度在1500～3000 MHz 的频率下为5～10 dB，不锈钢/涤棉-2 层的电磁干扰强度在1500～3000 MHz 的频率下为30～65 dB，这个范围是不锈钢/涤棉-1 层的6 倍左右。不锈钢/涤棉-3 层的电磁干扰强度在1500～3000 MHz 的频率下为22～42 dB，这个范围是不锈钢/涤棉-1 层的4 倍左右。其中双层织物电磁屏蔽效能在频率为1700 MHz 到2500 MHz 时都在30 dB 以上，屏蔽效果良好。

图3 导电织物的EMISE 与复合层数和复合角度0°/90°/0°的关系Fig.3 The relationship between EMISE of conductive fabric and 0°/90°/0°composite angle of composite layer and composite angle

由图4 我们可以看出，单层织物电磁屏蔽效能平均值为9.27 dB，电磁屏蔽效果相对较差，三层织物电磁屏蔽效果明显低于双层织物。双层织物电磁屏蔽效果明显比单层织物更好，织物电磁屏蔽效能平均值为36.19 dB，并且频率在1700 MHz 到2500 MHz 时电磁屏蔽效能都在30 dB 以上，最大为65 dB，屏蔽效果可达99.9%。

图4 导电织物的EMISE 与复合角度的关系Fig.4 Relationship between EMISE of conductive fabric and composite Angle

2.3 电磁屏蔽织物拉伸性能

实验测试了10 组织物的断裂强力和断裂伸长，织物经向、纬向平均断裂强力分别为193 cN、404 cN，织物经向、纬向平均断裂伸长分别为18.6 mm、8.9 mm，织物是以经纱为50/50 涤棉纱，纬纱为不锈钢包芯纱纺制的，对于强力方面，不锈钢包芯纱大于涤棉纱，所以制备的电磁屏蔽织物纬向断裂强力大于经向断裂强力。又因为不锈钢的刚性更大，所以纬向纱线伸长率小，织物的经向断裂伸长率大于纬向。

2.4 电磁屏蔽织物透气性能

本实验单层织物的透气量平均为1263.6 mm/s，优于一般织物,可以很好散热，穿着舒适。二层织物的透气量平均为952mm/s，三层织物的透气量平均为817.9 mm/s。二层与三层时透气性差别不大，但是二层时电磁屏蔽性能相对更好，所以选择二层是更合适的。

3 结论

本文采用自主发明的喂线装置，以0.03 mm 直径的不锈钢丝作为芯纱，用海藻纤维进行外包，先纺制海藻纤维/不锈钢纤维包芯纱，用制备的包芯纱为纬纱和50/50 涤棉纱为经纱，在半自动织样机上织造柔性电磁屏蔽织物。研究表明，制备的织物纬向的断裂强力为404 cN，高于193 cN 经向断裂强力；织物的透气量平均为1263.6 mm/s，织物轻质柔软，手感舒适，可用于衣物。以层叠角度为0°/90°的双层织物电磁屏蔽效能在频率为1700 MHz 到2500 MHz 时都在30 dB 以上，屏蔽效果良好，织物的透气性优良。