葛安香，李鳳艷，閆江山

(天津工業(yè)大學(xué)，天津 300387)

金屬化電磁屏蔽紡織品的研究現(xiàn)狀

葛安香，李鳳艷，閆江山

(天津工業(yè)大學(xué)，天津 300387)

文章以金屬化電磁屏蔽紡織品為對象，從電磁屏蔽機理出發(fā)，綜述了金屬化電磁屏蔽紡織品的實現(xiàn)方式，將其歸類為紡織品成型工藝階段、紡織品金屬化后處理，以及組合處理等3種，并對不同加工方法的電磁屏蔽紡織品的研究現(xiàn)狀進行了總結(jié)。

紡織品；電磁屏蔽；金屬化；研究現(xiàn)狀

伴隨著大量電子設(shè)備的出現(xiàn)，新型污染源—電磁輻射為人類生產(chǎn)和生活帶來了巨大的負面影響。一定強度的電磁波輻射不僅直接影響到各個領(lǐng)域中電子設(shè)備的正常工作，使之信息失誤，控制失靈，而且還影響到人體健康，如引起記憶力衰退、失眠多夢、中樞神經(jīng)系統(tǒng)技能障礙、孕婦流產(chǎn)、后代先天畸形等；同時，電磁波輻射還可以使導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)控制失靈、飛機與衛(wèi)星指示信號失誤等?？梢?，電磁輻射已成為當(dāng)今世界影響公眾健康和破壞生態(tài)環(huán)境的“隱形殺手”，如何減少電磁輻射對人類生產(chǎn)和生活的負面影響成為全球范圍內(nèi)各個領(lǐng)域一直在關(guān)注的課題。

紡織品在服裝、家居裝飾和產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，是可以實現(xiàn)電磁屏蔽作用的最佳柔性載體，但是由于常規(guī)紡織品對電磁波而言是透明的，無法從反射和吸收的角度控制電磁波的傳播方向，因此，研究電磁屏蔽型紡織品在現(xiàn)代高技術(shù)紡織品的開發(fā)中占有重要的地位，并在日常生活、生產(chǎn)及軍事領(lǐng)域里都表現(xiàn)出廣闊的實際應(yīng)用前景。金屬化紡織品是指通過在常規(guī)紡織品中引入金屬材料而形成的電磁屏蔽柔性材料，是開發(fā)電磁屏蔽紡織品較早的方法，本文主要針對金屬化紡織品的電磁屏蔽進行總結(jié)。

1　電磁屏蔽機理

利用導(dǎo)電或?qū)Т朋w的封閉面將內(nèi)外兩側(cè)空間區(qū)域之間進行電磁性隔離，以控制電場、磁場、電磁波，使從一側(cè)空間傳輸?shù)搅硪粋?cè)空間的電磁能量被抑制到極微量，這種抑制效果稱為電磁屏蔽[1]。

根據(jù)Schelkunoff理論[2]，屏蔽效能SE=A+R+B,單位dB。其中：A為吸收損耗；R為反射損耗；B為內(nèi)部多次反射損耗。電磁波屏蔽通過以上三種損耗單獨作用或協(xié)同作用來實現(xiàn)。電磁波發(fā)生吸收損耗是由于屏蔽材料在電磁波的作用下可以產(chǎn)生渦流，電磁屏蔽的渦電流原理使得電磁波發(fā)生熱損失，轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，即發(fā)生吸收損耗，此外，渦電流感應(yīng)出與原電磁波磁場方向相反的感應(yīng)磁場，與外部磁場相抵消，也可達到減弱電磁波的作用，如圖1所示；而反射損耗則是與屏蔽材料和所處環(huán)境介質(zhì)的特性有關(guān)，如阻抗差異越大，反射效果越好，在金屬表面往往發(fā)生電磁波的反射；電磁波在屏蔽材料內(nèi)部由于多次發(fā)生反射而損耗，原因同樣是渦電流的產(chǎn)生，使得電磁波發(fā)生損耗。因此，基于電磁屏蔽機理，目前金屬化電磁屏蔽紡織品通常在普通紡織品中引進導(dǎo)電率高、磁導(dǎo)率高的金屬材料，使電磁波主要在到達屏蔽材料表面時發(fā)生上述損耗，如圖2所示。

圖1　渦電流原理

圖2　金屬化紡織品電磁屏蔽機理

2　金屬化電磁屏蔽紡織品的實現(xiàn)方式

2.1紡織品成型工藝

利用不同形態(tài)紡織品的傳統(tǒng)加工方式可將金屬屏蔽材料引入織物當(dāng)中。根據(jù)引入階段及紡織品形態(tài)的不同，又可分為短纖維紡紗階段和長絲織造階段。

2.1.1短纖維紡紗階段

在成紗過程中引入鎳纖維和不銹鋼纖維等金屬短纖維，可加工成電磁屏蔽短纖維混紡或者純紡紗線。影響因素有金屬纖維種類及含量、紗線密度、紗線混紡比、紗線結(jié)構(gòu)、織物組織結(jié)構(gòu)、織物厚度和電磁波的頻率，其中主要因素是金屬纖維種類及含量、織物組織結(jié)構(gòu)和織物厚度。①金屬纖維種類及含量。一般情況下，金屬纖維含量越大，屏蔽效果越好。王紹斌等[3]對不銹鋼金屬纖維混紡織物的防微波輻射性能的研究結(jié)果顯示：隨金屬纖維含量的增加，混紡織物的微波屏蔽性能增加，屏蔽效能可達到15～40dB。但考慮到所形成織物的服用性能和機械性能，金屬纖維的混紡比例一般在5%～30%之間。②織物組織結(jié)構(gòu)。以棉/不銹鋼混紡紗線為基礎(chǔ)原料，通過立絨織物結(jié)構(gòu)設(shè)計發(fā)現(xiàn)，即使在不銹鋼纖維含量較低的情況下，織物對10GHz頻寬范圍內(nèi)電磁波的反射率衰減仍可達到-5dB[4]；在不銹鋼純紡紗與棉紗交織的情況下，當(dāng)緯紗全部采用不銹鋼紗時，其屏蔽效果優(yōu)于緯紗采用不銹鋼紗與棉紗嵌織時的屏蔽效果；而當(dāng)緯紗全部采用不銹鋼紗時，八枚三飛緯面緞紋組織的屏蔽效果最好，其次是二上二下斜紋組織和平紋組織[5]。當(dāng)多種金屬屏蔽混紡紗線，如不銹鋼纖維混紡紗和磁性纖維混紡紗，在織物中組合使用時，其組合方式不同，得到織物的電磁屏蔽效能有明顯差異，同時使用兩種紗線且不銹鋼纖維紗與磁性纖維紗分布均勻時，電磁波吸收效率較高，屏蔽效能也良好，峰值可到32.3dB[6]。③織物厚度?？椢锖穸仍酱螅帘涡Ч胶?。賈志勇等[7]對比了同種單層和雙層織物的微波反射性能發(fā)現(xiàn)，雙層織物低于單層織物反射效果，但是厚度增加使織物對微波的吸收增多，使得厚度大的屏蔽材料對電磁波的吸收損耗增大，屏蔽效果增強。

2.1.2長絲織造階段

將金屬長絲直接與服用紗線通過機織或針織等紡織品成型工藝加工成電磁屏蔽紡織品。所用金屬長絲的種類和品質(zhì)細度、金屬絲的含量、織物組織結(jié)構(gòu)的設(shè)計等均會影響織物的電磁屏蔽性能。謝勇等[8]研究鍍銀長絲機織物的電磁屏蔽性能時發(fā)現(xiàn)：鍍銀長絲的嵌織比例增大，電磁屏蔽效果越好；鍍銀長絲細度越大，屏蔽效果越好。在雙重織物的配置方式上，鍍銀長絲相互垂直形成網(wǎng)格的織物屏蔽效能可達35dB左右，遠遠大于鍍銀長絲平行排列的織物。

長絲織造階段所形成的屏蔽織物其屏蔽效果尚可，但產(chǎn)品厚而硬，服用性能較差，手感外觀也無法達到高標準，因此主要應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域和對精密儀器的保護，如帶電作業(yè)服、儀器的保護屏罩和屏蔽帳篷等。

2.2紡織品表面金屬化處理

纖維及其制品的金屬化處理是比較成熟的技術(shù)，包括織物的化學(xué)鍍、真空鍍、濺射鍍和轉(zhuǎn)移鍍等，這些處理方法均能顯著提高紡織品的防電磁輻射性能，同時對織物的本體性能影響較小，可保持織物的柔軟性等特點。

2.2.1化學(xué)鍍

化學(xué)鍍金屬化織物產(chǎn)品中，以鍍銅、鍍鎳或者合金為最多，其中主要基材是滌綸、芳族聚酰胺、玻璃和碳纖維等。一些著名的商品，如：德國Baymetex、荷蘭Devex、美國MatasolG，以及日本許多公司，早在20世紀80年代就已工業(yè)化生產(chǎn)。日清紡公司開發(fā)的Volkner-Metsushiyu的電磁波屏蔽效果可達40～50dB。

傳統(tǒng)化學(xué)鍍的工藝過程包括粗化(堿)—敏化—活化—強化—化學(xué)鍍。魏寧[9]利用等離子體的粗化替代傳統(tǒng)堿粗化，避免了強堿對環(huán)境造成污染，等離子處理過程污染小且對纖維損傷小。在活化工藝中，首次應(yīng)用羧甲基殼聚糖，與傳統(tǒng)工藝相比，具有活化層均勻、成本低、流程簡單等優(yōu)點，此外，還添加了表面活性劑聚乙二醇來改善化學(xué)鍍鎳層的組織結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電性能；隨著電磁屏蔽紡織品原料的多樣化，化學(xué)鍍所用的基材也不斷豐富，近年來對環(huán)保的纖維素纖維進行化學(xué)鍍也逐漸受到了關(guān)注，但由于纖維的化學(xué)結(jié)構(gòu)特點，一般要在活化之前首先對纖維進行改性，如圖3所示[10]。所制成的Cu/纖維素纖維復(fù)合材料在電磁頻率為0.2～1000MHz電磁場中，屏蔽效能可達到40～55dB，屏蔽效果良好。Kasra等[11]研究了原位化學(xué)鍍金屬銀納米顆粒的新工藝并結(jié)合燒結(jié)的處理方式，制成了屏蔽效能中等的屏蔽織物。

圖3　竹纖維改性示意圖

化學(xué)鍍以其鍍層均勻且反應(yīng)易控制、所制得的織物質(zhì)地輕柔、透氣性好、耐磨損、抗氧化腐蝕性能好等優(yōu)點，一直在電磁屏蔽織物的加工形成中占據(jù)主要優(yōu)勢地位。但是所用化學(xué)試劑品類繁多，易造成環(huán)境污染。

2.2.2電鍍工藝

電鍍工藝是將直流電通入含有金屬離子的電鍍液中，將被鍍織物作為電極，電鍍液和電極發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，使得被鍍織物上形成一層致密均勻的金屬鍍層。楚克靜[1]研究了在PET表面通過電鍍形成錫鎳合金涂層的復(fù)合織物，通過優(yōu)化工藝，獲得了鍍層表面均勻致密、結(jié)晶細致且具有良好耐摩擦和耐腐蝕性能的電磁屏蔽織物，在中高波段100～3000MHz，屏蔽效能達到了80dB以上。王群等[12]利用電鍍工藝制得了屏蔽效能達60dB的鍍銅織物，并采用再次電鍍鎳的后處理方法，增強了抗氧化性能和耐酸腐蝕性能。而陸邵聞[13]則制備了兩種黑色非晶態(tài)Mo-Ni、Zn-Ni-S合金電磁屏蔽織物，并比較了二者的各種性能，認為二者都具有良好的電磁屏蔽效能和表面方阻。

2.2.3真空鍍

真空鍍膜技術(shù)是20世紀初期開發(fā)的，最初將金屬沉積在玻璃紙上用于禮品包裝。由真空鍍膜技術(shù)生產(chǎn)的金屬化織物，不論是再經(jīng)層壓或是金屬直接沉積在織物上的產(chǎn)品，在國外主要用于各種電磁波屏蔽和防熔融金屬飛濺的防護服、消防和化學(xué)部門的防護服等。其中真空磁控濺射是新興的表面涂覆金屬的技術(shù)，優(yōu)點是鍍層厚度可控制，附著力良好，成本低廉且無污染。陳文興等[14]在直流磁控濺射的方法在無紡布表面濺射沉積銅的研究中發(fā)現(xiàn)，濺射功率對膜層表面形貌具有重要影響，控制工藝參數(shù)可以調(diào)節(jié)沉積速率和膜層厚度形貌。余鳳斌等[15]選用柔性高分子材料PET為基材，采用磁控濺射法制備的鎳膜層與基材剝離強度大且均勻，薄膜的耐摩擦性能優(yōu)良且結(jié)構(gòu)牢固。

2.3組合處理

2.3.1復(fù)合鍍

鑒于單一金屬鍍層易腐蝕、耐摩擦性能較差等不足，基于化學(xué)鍍、電鍍、真空鍍的復(fù)合鍍方式成為新的研究方向。王煒等[16]采用先化學(xué)鍍銅后電鍍鎳的方法、長沙力元新材料股份有限公司采用先化學(xué)鍍鎳后電鍍銅再電鍍鎳的方法[17]，分別得到了銅—鎳雙層和鎳—銅—鎳三層的金屬織物，并已實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。銅鎳復(fù)合鍍所得的電磁屏蔽織物電磁屏蔽性能強、耐摩擦耐腐蝕性能好、使用壽命長且應(yīng)用廣泛。

山東天諾光電材料有限公司[18]采用真空磁控濺射在滌綸織物上鍍上金屬鎳，然后電鍍金屬銅和鎳。樣品具有良好的導(dǎo)電性、耐磨性和附著力，在30MHz～1.5GHz內(nèi)的屏蔽效能大于70dB，在1.5GHz～40GHz內(nèi)的屏蔽效能大于60dB。

2.3.2金屬化織物的組織結(jié)構(gòu)優(yōu)化

表面金屬化處理是加工電磁防護型紡織品常用的方式，但是目前的研究大都局限于通過染整涂層等后整理方法來實現(xiàn)，存在電磁波反射暴露目標、形成二次污染等問題，同時作為防護人體用的柔性介質(zhì)材料，密閉的結(jié)構(gòu)影響紡織品穿著的熱濕舒適性能。為此，施楣梧等[4]提出利用織物組織結(jié)構(gòu)設(shè)計的作用加工成具有特殊電磁特性的紡織品。根據(jù)小孔耦合理論，對透孔組織織物進行化學(xué)鍍銅和電鍍鎳等金屬化處理，其屏蔽效能可達40dB，兼顧了電磁輻射防護服的屏蔽效能和熱濕舒適性；根據(jù)頻率選擇表面理論，在平面或者立體結(jié)構(gòu)的紡織品表面形成周期結(jié)構(gòu)單元，為開發(fā)基于左手特性的電磁防護型紡織品提供了重要的學(xué)術(shù)和應(yīng)用價值。

3　結(jié)論

紡織品作為人體與外界作用的媒介材料，其電磁防護功能的研究一直受到廣泛的關(guān)注，從紡織纖維紗線、面料的成型加工，到紡織品的后整理等各階段均可實現(xiàn)電磁屏蔽。但是，目前的研究較多地關(guān)注電磁屏蔽指標，而鑒于紡織品的特殊性，在考慮其電磁屏蔽效果的同時，還需兼顧其服用性能如優(yōu)良的透氣隔熱性能和柔軟舒適性能，以及紡織面料后期的剪裁、加工和設(shè)計等對電磁屏蔽效果的影響。因此，盡管目前對紡織品電磁屏蔽功能的實現(xiàn)已作了很多的研究，且取得一定的成果，但是積極研究與開發(fā)綜合性能優(yōu)良的電磁屏蔽紡織品，仍將會成為未來發(fā)展的重點。

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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，山東東營人，碩士研究生。

TS101.3

A

1009-3028(2015)02-0037-04