电磁屏蔽特性织物的舒适性研究进展

文 | 王琼琼 董洁 付凯悦 孔维嘉 孙润军

随着现代科技的不断发展，电子信息设备的应用范围越来越广，在日常生活和工作中，人们经常会用到各种电子设备，而这些电子设备几乎都会产生电磁辐射，从而对人体健康、设备运行以及信息安全等造成严重影响。作为继水、大气、噪声污染之后的第四大污染，电磁辐射污染对环境和人类健康造成了严重的影响。电磁辐射可能会引发心血管疾病、癌突变等，从而造成中枢神经系统的功能异常和神经紧张失调，具体表现为记忆力下降、食欲减退等，严重时会产生心率减缓和心律不齐等不良反应。图1 列出了电磁波频谱中各个波段的不同应用及其可能造成的危害。电磁屏蔽织物具有轻巧、柔软和强力高等特点，同时还具有结构可控、成形技术灵活、耐洗、成本低廉等优点，是一种适用性很强的电磁屏蔽材料。然而，综合考虑屏蔽效果和服用舒适性两个方面的表现，目前市场上的电磁屏蔽织物并未达到所需的效果。如CHEN等利用不锈钢长丝包覆铜丝和聚酰胺长丝，经混纺编织所得的织物电磁屏蔽性能良好，但是织物手感偏硬且穿着舒适度不高。因此，为了提高人体穿着的舒适性，电磁屏蔽织物应在保证电磁屏蔽效能的同时还要具有服用舒适性。

图1 电磁波频谱各波段的应用和危害

1 电磁屏蔽机理

电磁屏蔽材料的屏蔽原理如下：因为空气和屏蔽材料交界面的阻抗不连续，导致电磁波被屏蔽材料表面反射，从而减少了进入屏蔽体的部分电磁波；电磁波进入屏蔽材料内部后，因为介质内电偶极子和磁偶极子对电磁波的作用，导致电磁波在屏蔽材料内部被吸收，所以电磁波在材料内部的传播过程中，能量被吸收并逐渐减弱；剩余的电磁波穿过屏蔽材料时，再次遇到界面间的阻抗不连续，致使部分电磁波被反射到屏蔽材料内部，通过在两交界面间的多次反射，最终在屏蔽体内被彻底衰减，电磁波未能透过屏蔽体，使处于保护内的元件免受电磁干扰。电磁屏蔽机理如图2 所示。目前，电磁屏蔽织物的电磁屏蔽效能（Shielding efficiency，SE）是评价其电磁屏蔽性能的重要指标。在一定条件下，SE值越大，屏蔽效果越好。

图2 电磁波屏蔽原理

2 电磁屏蔽织物种类

2.1 金属纤维电磁屏蔽织物

金属纤维电磁屏蔽织物是由纤维状金属丝与常用的纺织纤维混纺制成；或采用金属纤维作芯材，经纺织纤维包覆为包芯纱织造而成；又或者利用其他技术将金属纤维和纺织纤维组合织造而成。金属纤维电磁屏蔽织物由于具有质量轻、柔软透气、物理强度高、结构参数可按需调节等优点，是目前使用最广泛的电磁屏蔽织物。通常使用的金属纤维是不锈钢、银、铜纤维等。如张谭利用棉纱和银纤维交叠，使棉纱将银纤维覆盖，得到的织物克重为200 ～ 260 g/m2，SE值约为40 dB。该织物不但拥有良好的透气性，还拥有优良的屏蔽性能，另外用棉纱覆盖银纤维，延长了织物发挥屏蔽作用的时间。

不锈钢纱线对电磁波有较好的反射和吸收能力，其相应的不锈钢织物也表现出持久的防辐射效果、良好的透气性、高强度和安全可靠等特征，因此被广泛应用于金属纤维电磁屏蔽织物的制备。PALANISAMY等以不锈钢纤维和丙纶为原料，采用不同混纺比，试织多种斜纹织物。通过测试得出，当不锈钢纤维/丙纶混纺比为75/25时，织物的透气性能最佳。这是由于其金属纤维含量和刚度较高，导致织物的蓬松度增加，气孔增大，从而改善了织物的透气性能。张天芸等利用双层管状结构，通过降低不锈钢纱的含量，选择合适的织物紧密度和厚度，提高了织物的导电性能、电磁屏蔽效能、透气性和柔软性。

为了缓解金属纤维和纱线直接接触人体所带来的不适感，可以采用包芯纱技术来改善织物的服用舒适性。喻阳等采用自制的喂入装置（图3）来纺制海藻纤维/不锈钢纤维包芯纱。该装置能够更加准确地控制芯纱，所得织物比普通防辐射织物能保持更长时间的电磁屏蔽效果，平均透气量为1 263.6 mm/s，织物轻质柔软、手感舒适，风格与普通织物相似，可贴肤穿着，具有舒适保健性，可用于制造电磁屏蔽服或医用电磁屏蔽服内层。

图3 自制纺纱喂入装置及导电包芯纱制备过程

纳米纤维材料能使纤维具有更多的层状结构和更大的比表面积。微晶纤维素纳米纤维（MCC）不仅具有吸湿透气、绿色无污染等优点，同时还表现出强度高、比表面积大和尺寸小等纳米特性。朱鑫蕊等采用共轭静电纺丝技术（图4），将MCC包裹在经等离子体处理的铜丝表面，形成纳米纤维金属包芯纱，其可有效屏蔽周围环境中的电磁波。经电磁屏蔽测试仪测定，包芯纱织成的织物电磁屏蔽性能最高可达48 dB，可以有效预防中、低频电磁辐射。MCC纳米纤维层作为环保材料，使面料柔软、轻薄、吸湿透气，具有一定的服用性能。

图4 多针头静电纺装置

2.2 金属镀层电磁屏蔽织物

金属镀层电磁屏蔽织物是通过电镀、化学镀、磁控溅射等方式对纤维和织物表面进行处理得到的织物。如邱婧等经过对不同材料、面料、组织结构和纱线比例的对比研究，最终确定使用双层织造的面料结构（图5），其外层为不锈钢混纺纱线，内层为镀银长丝，连接纱为锦纶长丝，组织结构为经二重，由此织造的织物具有出色的电磁屏蔽效能和透气性能，改善了空勤人员在机舱内作业的体感舒适性。侯琳等选用锦纶镀银长丝为芯纱，涤棉混纺纤维为外包纤维，分别制得18.5和36.9 tex两种规格的包芯纱，并分别试织了不同的组织结构，结果表明经二重电磁屏蔽织物既能达到舒适性要求，又具有较好的电磁屏蔽效果。

图5 双面机织物的组织结构示意图

其中，化学镀是一种使用还原剂把金属离子从溶液中还原出来并沉积在材料表面的方法，该方法制备的镀层厚度均匀、与织物结合紧密、导电性能良好且工艺设备简单。双层镀金属型织物的电磁屏蔽效果优于单层镀金属型织物，陈扬杰等通过化学镀在蚕丝织物表面形成了Cu/Ni双层金属镀层，该镀层均匀致密，有效提升了织物的电磁屏蔽性能，但同时也对织物的透气性能产生了一定的影响。

2.3 导电非金属电磁屏蔽织物

导电非金属电磁屏蔽织物是利用聚苯胺、聚吡咯、碳纳米管等导电非金属材料，经过原位聚合、化学气相沉积、涂层等工艺处理，在织物表面制备出一层能够抵御电磁干扰材料的织物。

田宏等采用碱溶液和壳聚糖溶液对不锈钢织物进行双重预处理，再将过硫酸胺与掺杂剂溶液混合，在织物中进行苯胺单体聚合反应，制备出洗涤性好、柔软舒适的聚苯胺不锈钢电磁屏蔽复合织物。张悦利用涂层胶整理涤纶面料，将0.8%引发剂、5.0%乳化剂在70 ℃的聚合温度下混合，获得了更加稳定的聚丙烯酸酯乳液，当添加15.0%碳纳米管和5.0%的导电态聚苯胺时，织物具有更好的屏蔽效能、透气性、抗渗水性、手感和耐水洗性能。利用碳纳米管和磁性纳米颗粒在聚合物组合物中的分散作用，不仅能够得到轻质柔软的涂层，还能够对其介电常数和磁导率进行调控，实现对性能的控制。

研究人员对各种磁性纳米粒子进行了广泛的研究，为了提高材料的屏蔽效能，又提出多层复合结构。WANG等利用多壁碳纳米管（MWCNTs）和镍铁氧体（NiFe2O4）纳米颗粒协同处理棉织物，并在织物外层增加有机聚二甲基硅氧烷（PDMS）涂层。由于MWCNTs和NiFe2O4之间相互作用较强，会在棉织物表面构筑高效的导电、导磁和导热通路，所以获得的复合织物具备出色的电磁屏蔽性能。此外，外部的PDMS涂层不仅赋予织物防水特性，同时提高了其结构和性能的稳定性，并保持了令人满意的透气性。UZUN等将Ti3C2Tx浸渍到棉织物上，不仅赋予了棉织物优良的电磁屏蔽性能，还更好地保持了织物原有的柔软、透气性和可穿戴性。

2.4 复合电磁屏蔽织物

2.4.1 导电高聚物电磁屏蔽织物

导电高分子材料也可以和氧化石墨烯、金属材料结合，共同作用在织物上，改善织物的服用舒适性。ZOU等将聚吡咯和无机氧化石墨烯利用层层组装技术结合，并将其负载在羊毛织物上，这样既可以保留羊毛的柔软、透气，又可以保证其电磁屏蔽性能，满足日常的防护需要。表1 列举了部分导电高分子材料与金属结合织物的电磁屏蔽效果。

表1 部分导电高分子材料与金属结合织物的电磁屏蔽性能

利用导电高分子材料与金属结合的织物克服了由单一方法制成的织物中电磁屏蔽材料容易脱落氧化、与基材结合力差的问题，可以改善织物的电磁屏蔽效果。LIU等利用PET机织物及其非织造布作为基材，采用吡咯原位聚合和化学镀镍（Ni）工艺获得了高电导、高抗弯曲、耐水洗的柔性Ni/PPy（聚吡咯）/PET织物。图6 为多层Ni/PPy/PET复合导电织物的制备工艺示意图。

图6 多层Ni/PPy/PET复合导电织物的制备工艺示意图

2.4.2 MXene型电磁屏蔽织物

随着技术的进步，越来越多的新材料如二维早期过渡金属碳化物/氮化物（MXene，图7）、银纳米线（AgNW）以及其他新型导电材料，已经开始得到广泛应用。其中，MXene具有良好的金属导电性能，同时还拥有较大的表面积、良好的溶液加工性以及相对较低的密度，因此具有广阔的应用前景。此外，MXene的内部光热转换效率非常好，拥有较高的导热率和较强的耐热性，而且拥有出色的杀菌特性。LIU等通过层层组装、真空抽滤技术，将MXene纳米片与银纳米线融合在丝织品上，构建了具有叶形内部结构的导电网络结构，实现了54 dB的电磁屏蔽效能，并实现对环境水分的高灵敏响应。

图7 二维早期MXene

此外，可以利用导电高聚物提高MXene与织物间的界面作用和织物的结构稳定性。WANG等将经原位聚合PPy修饰的MXene片材沉积到涤纶织物上，再将硅氧烷涂层涂覆到其上，所得织物在1.3 mm厚时SE值在90 dB左右，超薄的硅氧烷涂层让织物既能够拥有良好的疏水特性，又能够保持优异的透气性。YIN等采用溶液浸渍法和线状聚苯胺（PANI）层层组装技术，在碳纤维表面构筑多层包覆型的PANI/MXene/碳纤维复合电磁屏蔽材料，经50次组装后，该材料的厚度只有0.36 mm，电磁屏蔽效能达到35.3 dB，具有优良的疏水性、自清洁性能、透气性、柔韧性和可裁剪加工性。

3 结论

金属纤维和金属镀层电磁屏蔽织物织造工艺简单，制备成本较低，利用纤维混纺、电镀等方法，在一定程度上提高了织物的电磁屏蔽效能，改善了织物的透气性。导电非金属电磁屏蔽织物和复合电磁屏蔽织物兼顾了织物的电磁屏蔽性能和透气性能，但是制备成本较高，制作过程繁琐，目前还处在实验室阶段。MXene型电磁屏蔽织物为改善电磁屏蔽织物服用舒适性提供了手段，但由于其制备技术复杂、生产成本高，不宜投入大规模生产。

目前，电磁屏蔽织物仍以金属纤维混纺织物和金属镀层织物为主，其他方法制备的电磁屏蔽织物还未大量进入市场。关于服用舒适性方面的研究随着科学技术的发展在不断深入，得到的织物在具有优异屏蔽效能的同时还兼顾柔软透气性。此外，在电磁屏蔽织物服用舒适性的研究中还要考虑产品制造的成本。由于现代社会发展，电子设备已经成为人们生活中的必需品，电磁屏蔽织物的使用将会越来越普遍，所以更加需要制造经济适用和环境友好型的电磁屏蔽织物。