段永潔， 謝春萍， 劉新金，2

(1. 生態(tài)紡織教育部重點實驗室(江南大學(xué))， 江蘇 無錫 214122；2. 江蘇蘇絲絲綢股份有限公司， 江蘇 宿遷 223700)

棉/不銹鋼長絲機織物的電磁屏蔽及折皺回復(fù)性能

段永潔1， 謝春萍1， 劉新金1，2

(1. 生態(tài)紡織教育部重點實驗室(江南大學(xué))， 江蘇 無錫 214122；2. 江蘇蘇絲絲綢股份有限公司， 江蘇 宿遷 223700)

為研究組織結(jié)構(gòu)與磨損對織物屏蔽性能的影響，以及不銹鋼長絲對織物折皺回復(fù)性的影響，使用自制的棉/不銹鋼長絲包芯紗織制了3種不同組織的機織物，測試了織物在0.3～1 500 MHz頻段上的電磁屏蔽性能，并使用平磨儀對各織物分別摩擦60、120、180、240及300次后，測試了織物磨損后的電磁屏蔽性能；同時，采用視頻序列法測試了織物的動態(tài)折皺回復(fù)角。結(jié)果表明：織物組織結(jié)構(gòu)對電磁屏蔽性能有一定影響，平紋組織結(jié)構(gòu)緊密，屏蔽效果好；經(jīng)過若干次磨損后，織物的電磁屏蔽性能先小幅升高后逐漸降低；相同磨損條件下，試樣耐磨性越好，屏蔽效能的降低幅度越??；由于不銹鋼長絲的加入使織物的折皺回復(fù)性降低，可以采用浮長更長的組織改善織物起皺現(xiàn)象。

不銹鋼長絲； 電磁屏蔽； 織物組織； 織物磨損； 折皺回復(fù)

近年來，電磁屏蔽織物的發(fā)展受到了人們的廣泛關(guān)注，民用電磁屏蔽織物的需求量逐年攀升，已逐漸成為功能性紡織品領(lǐng)域的一個細(xì)分市場。對于一般性民用電磁屏蔽紡織品，其性能要求相對不高，在30～3 000 MHz頻段范圍內(nèi)的屏蔽性能只需達(dá)到10～20 dB即可滿足使用要求[1]，市場前景可觀，值得深入研究。相比于化學(xué)鍍[2]、表面導(dǎo)電高分子涂層[3]等方法，使用金屬纖維或金屬化纖維與常規(guī)紡織纖維進(jìn)行混紡、交織、包芯、非織造的方法，可以制備較為廉價且具有電磁屏蔽功能的紡織品[4]。

在紗線的制備方面，并線的加工工藝較為簡單，在改造后的細(xì)紗機上將不同粗細(xì)的銅絲、不銹鋼絲與棉紗并線后其斷裂伸長及毛羽均有所下降，可以應(yīng)用于電磁屏蔽、抗靜電、導(dǎo)電紡織品等領(lǐng)域[5]。除此之外，將短切金屬纖維與常用紡織纖維進(jìn)行混紡[6]或?qū)⒔饘匍L絲與化纖長絲結(jié)合制成復(fù)合紗[7]，也可賦予紡織品電磁屏蔽性能。對于該類紡織品，金屬纖維的種類、分布形態(tài)、直徑、用量、含金屬纖維紗線的排列間距及方式、織物結(jié)構(gòu)等參數(shù)，是影響織物屏蔽效能的重要因素。對于機織物來說，在其他條件相同的情況下，含金屬紗線排列間距越大，織物電磁屏蔽性能越低[8]，但是在紗線中加入金屬纖維后，往往會對織物的服用性能產(chǎn)生一定影響。

為了探究織物組織結(jié)構(gòu)對織物電磁屏蔽效能的影響，織制了經(jīng)緯密相差不大且具有不同組織結(jié)構(gòu)的織物并比較其屏蔽效能；之后分別對其進(jìn)行摩擦實驗，探究屏蔽性能的變化規(guī)律。為了明確金屬絲對織物折皺回復(fù)性的影響，采用視頻序列法測試織物的動態(tài)折皺回復(fù)角，比較不同組織結(jié)構(gòu)織物的折皺回復(fù)性能。

1 實驗部分

1.1 不銹鋼長絲的選用

316L型奧氏體不銹鋼絲含碳量低，且含少量鉬元素，因此，具有更高的耐腐蝕性，普通的生活沾污不能對紗線中的不銹鋼絲造成腐蝕破壞，延長了織物的使用壽命。不銹鋼長絲的斷裂伸長率隨著直徑的減小而大幅降低，低斷裂伸長率的不銹鋼長絲在前羅拉鉗口處極易發(fā)生斷頭。根據(jù)預(yù)實驗的結(jié)果，在保持一定生產(chǎn)效率的前提下，宜采用直徑大于30 μm的不銹鋼長絲紡制賽絡(luò)包芯紗。綜上考慮，本文選用直徑為35 μm的316L型不銹鋼長絲(上海普盛金銀絲紡織品有限公司)及純棉粗紗為原料紡制賽絡(luò)包芯紗。不銹鋼長絲的最大抗拉強度為700 mPa；純棉粗紗定量為5.0 g/10 m。

1.2 紗線紡制及織物織造

經(jīng)工藝計算后，在改造過的QFA1528型細(xì)紗機(無錫第七紡織機械有限公司)上采用賽絡(luò)紡的工藝方式紡制棉/不銹鋼長絲包芯紗，包芯紗線密度為38.5 tex。在細(xì)紗機上將2根純棉粗紗條穿過雙喇叭口平行喂入牽伸區(qū)，然后將不銹鋼長絲經(jīng)由張力裝置和導(dǎo)絲輪喂入牽伸區(qū)，在前鉗口處同粗紗匯合，進(jìn)行紡紗?？紤]到不銹鋼長絲的剛性較大，若軸向退繞會使其產(chǎn)生脫圈問題，故采用徑向退繞、消極喂入方式進(jìn)行紡紗。紗線捻系數(shù)為320。

紗線結(jié)構(gòu)是紗線性能的基礎(chǔ)要素，對織物的后道加工有十分重要的影響。在強光源下用光學(xué)顯微鏡觀察包芯紗線，結(jié)果如圖1所示。處于紗線中部的黑色長絲即為不銹鋼長絲，周圍包覆棉纖維，不銹鋼長絲無螺旋、彎折、露芯現(xiàn)象，且位于紗線中央，包芯效果良好。位于紗線中心的不銹鋼長絲不會影響紗線的染色性能，便于面料的后續(xù)加工。

圖1 包芯紗的顯微圖(×40)

使用YG068C型全自動單紗強力儀及YG173A型紗線毛羽測試儀(蘇州長風(fēng)紡織機電有限公司)測試紗線的力學(xué)性能及毛羽情況。測得紗線的平均斷裂強度為15.41 cN/tex，斷裂伸長率為5.98%；毛羽值H為6.16，長度為3 mm以內(nèi)的毛羽數(shù)量較少。紗線的各項基本性能良好，均能達(dá)到織造的要求，為后道加工提供了較好的基礎(chǔ)。

使用自制的棉/不銹鋼長絲賽絡(luò)包芯紗線為經(jīng)緯紗，在全自動劍桿小樣織機上織造3種棉/不銹鋼長絲包芯紗織物。采用統(tǒng)一的經(jīng)緯紗排列及織機工藝參數(shù)，分別織制平紋織物、一上二下斜紋織物、一上三下斜紋織物；另外織制一純棉平紋織物，其經(jīng)緯紗為相同線密度的純棉賽絡(luò)紡紗線。

使用YG141D型織物厚度儀(寧波紡織儀器廠)對試樣進(jìn)行織物厚度測試，并用經(jīng)緯密度鏡測量織物的下機經(jīng)緯密，每種織物在不同位置測試10次，取平均值?？椢锉砻骐娮铚y試：采用ACL380型手持式表面電阻測試儀(美國ACL Staticide公司)對織物進(jìn)行表面電阻測試，每塊測試樣在不同位置測試10次取平均值。試樣的基本參數(shù)見表1。

表1 織物的基本參數(shù)

1.3 測試方法

為確保實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及可比性，試樣均在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(溫度為20 ℃，相對濕度為65%)下平衡24 h進(jìn)行測試。

屏蔽效能測試：采用法蘭同軸測試法，測試設(shè)備為Agilent E5061A型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(美國安捷倫科技有限公司)、10 dB衰減器。測試依據(jù)ASTM D4935—2010《平面材料電磁屏蔽效能測試標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，測試波段頻率為0.3～1 500 MHz，涵蓋了中頻到特高頻的頻段，取樣點200個。為方便表述，屏蔽效能均已取絕對值。為了提高測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對每種織物分別間隔10 cm在不同位置取5個試樣，每個試樣均進(jìn)行2次測試，共得到10次測量結(jié)果，將10次測量結(jié)果取平均值后得到不同試樣的屏蔽效能，最后用平均值繪制出不同織物的屏蔽效能曲線。

織物磨損測試：通過磨損實驗?zāi)M織物在穿著使用過程中的磨損現(xiàn)象，探究織物受到一定磨損后電磁屏蔽性能的變化情況。使用YG401E型織物平磨儀(泉州市美邦儀器有限公司)對試樣進(jìn)行磨損實驗，分別對原樣、磨損60、120、180、240、300次后的試樣進(jìn)行電磁屏蔽性能測試。

顯微鏡觀測：使用VW-6000動態(tài)分析三維顯微系統(tǒng)(基恩士(中國)有限公司)觀察紗線及織物，放大倍數(shù)為100。

折皺回復(fù)性測試：采用視頻序列法(基于視頻序列的測試方法)對織物的折皺回復(fù)角進(jìn)行動態(tài)測量，測試依據(jù)AATCC66—2008《機織物折皺回復(fù) 回復(fù)角法》進(jìn)行。張月等[9]通過實驗對比驗證了視頻序列法測試結(jié)果具有很好的可重復(fù)性，所得結(jié)果與SDL-M003A折皺回復(fù)角測試儀所測結(jié)果最大差值不超過4°，說明視頻序列法的測試結(jié)果準(zhǔn)確可信。

該方法借助Basler工業(yè)相機及圖像處理技術(shù)在織物折皺回復(fù)過程中對織物進(jìn)行時長5 min的連續(xù)拍照檢測，然后運用MatLab軟件對采集到的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行二值化數(shù)學(xué)處理，換算并輸出相應(yīng)的折皺回復(fù)角度隨時間的變化過程，測試系統(tǒng)原理圖見圖2。織物試樣大小為40 mm×15 mm，其中經(jīng)、緯向正反各5個，測試結(jié)果取平均值。

圖2 視頻序列法測試系統(tǒng)

2 結(jié)果與討論

2.1 織物的電磁屏蔽性能

根據(jù)電磁波頻率的不同，可將其分為若干頻段，常規(guī)電器所產(chǎn)生的電磁波輻射頻段多集中在中頻和高頻段，即0.3～30 MHz。無線通信、廣播、短波通信等多集中在甚高頻和特高頻段，即30～3 000 MHz。本文圍繞日常使用時可能經(jīng)常接觸到的0.3～1 500 MHz頻段進(jìn)行測試。

圖3示出包芯紗織物最小結(jié)構(gòu)單元的等效電路。其中電阻R為經(jīng)緯紗的接觸電阻，電容C為平行不銹鋼長絲產(chǎn)生的電容[8]。根據(jù)金屬絲網(wǎng)屏蔽理論，織物的屏蔽效能主要由金屬絲間的距離、金屬絲直經(jīng)、金屬絲單位長度的電阻和電抗決定。從等效電路中可以看出，在金屬絲直徑相同的情況下，紗線交織點的接觸電阻R是影響屏蔽效能的重要因素之一。

圖3 織物結(jié)構(gòu)單元等效電路

圖4示出不同組織結(jié)構(gòu)織物的屏蔽效能平均值曲線?？梢钥闯?，隨著平面波頻率的變化，織物的屏蔽效能會發(fā)生明顯改變，但3種織物的最小屏蔽效能均能達(dá)到10 dB以上，可滿足日常生活中的屏蔽要求。總體上說，隨著織物浮長長度的增加，其屏蔽效能逐漸降低。在3種結(jié)構(gòu)的織物中，平紋織物的屏蔽效能最高。這主要有3方面的原因。

圖5 不同磨損次數(shù)織物的屏蔽效能

圖4 不同組織結(jié)構(gòu)織物的屏蔽效能平均值曲線

首先，當(dāng)電磁波照射到織物上時，由于不銹鋼金屬的阻抗與空氣阻抗不匹配，導(dǎo)致電磁波在不銹鋼長絲表面發(fā)生反射，然后進(jìn)入金屬絲內(nèi)部經(jīng)過多次反射與吸收逐漸衰減[10]。除此之外還有部分電磁波會通過紗線間的孔洞直接穿過織物。織物緊度大，透過紗線間孔洞穿入的電磁波減少，這使得不同緊度的織物電磁屏蔽性能有所區(qū)別。由于采用相同的上機參數(shù)，下機后3種織物會產(chǎn)生不同的收縮。平紋織物和一上二下斜紋織物的緊度分別比一上三下斜紋織物高1.72%和0.87%，使得二者的屏蔽效能相比于一上三下斜紋織物有不同程度的提高。

其次，由于平紋織物交織點多、浮長短，經(jīng)緯紗交織更加緊密，紗線間接觸電阻要小于其他種類織物，使得平紋織物的電磁屏蔽性能更好[11]。

除此之外，織物單位長度內(nèi)的經(jīng)緯紗交織次數(shù)越多，紗線屈曲程度增大，彎曲次數(shù)增加，導(dǎo)致其實際長度有所增加。3種織物中，平紋織物的交織點最多，紗線屈曲程度最高，實際長度最長，所以其單位面積內(nèi)所含金屬長絲總量稍多，屏蔽效能最高。

2.2 織物磨損對屏蔽效能的影響

圖5示出不同磨損次數(shù)織物的屏蔽性能。可以看出，在經(jīng)過60次磨損后，織物的屏蔽效能稍有提高，這可能是因為摩擦?xí)r的擠壓作用使得經(jīng)緯紗線間貼合更加緊密，紗線交織點處接觸電阻減小，當(dāng)磨損程度繼續(xù)增加，屏蔽效能整體下降。圖6示出試樣A2不同磨損程度的光學(xué)顯微鏡照片?？梢钥闯觯耗p180次時，棉織物起毛比較嚴(yán)重；磨損240次時，表層起毛部分被磨掉，部分紗線已被破壞；磨損300次后，外層紗線均已破壞。其中的部分金屬絲已經(jīng)被磨斷，織物的部分位置形成松散的破洞，但內(nèi)層紗線仍能保持一定完整性，使得整個織物仍具有一定電磁屏蔽效果。

圖6 試樣A2不同磨損程度的光學(xué)顯微鏡照片(×100)

在本文制備的3種不同結(jié)構(gòu)的織物中，平紋織物的結(jié)構(gòu)最緊密，受到平磨磨損后保持了相對較為完整的結(jié)構(gòu)，由圖5(a)可以看出其受到摩擦磨損后屏蔽效能整體下降較少。而一上三下斜紋織物的浮長最長，紗線更容易受到摩擦破壞，從而容易發(fā)生紗線斷裂、破洞等情況，由圖5(c)可以看出其在經(jīng)過300次摩擦測試后屏蔽效能降幅最大。

圖7 不同織物的動態(tài)折皺回復(fù)角

2.3 織物的折皺回復(fù)性

由于不銹鋼金屬絲的加入，棉/不銹鋼長絲包芯紗織物的折皺回復(fù)性相比于純棉織物會有很大變化。不同織物試樣的動態(tài)折皺回復(fù)角與時間的關(guān)系曲線如圖7所示。

從圖7可見，隨著時間的延長，試樣的折皺回復(fù)角均先迅速增加，之后回復(fù)速度逐漸減小，最終趨于平緩。由于織物原料、組織及折疊的方向不同，折皺回復(fù)角曲線有所區(qū)別。

加入不銹鋼長絲后，織物的折皺回復(fù)性大大降低，平紋織物的折皺回復(fù)角從80°下降到30°左右。這是因為不銹鋼長絲相比紡織纖維具有較高塑性，其在經(jīng)過較大形變后并不能完全回復(fù)到平直狀態(tài)，導(dǎo)致其在紗體中保持彎曲，織物的折皺回復(fù)性降低。

平紋組織交織點最多，紗線不能有效滑移，紗體中金屬絲彎曲程度加大，使折皺回復(fù)性更差。當(dāng)采用一上三下斜紋組織時，折皺回復(fù)角有所提高，這是因為織物的浮長線越長，折疊彎曲時會具有較大的滑移變形空間，金屬絲的彎曲變形減小，折皺回復(fù)性提高。較低的折皺回復(fù)性使得含有不銹鋼長絲的織物在使用過程中更容易起皺，不易恢復(fù)。為了更好保持織物的平整外觀，應(yīng)選用浮長更長、柔性更好的組織，使織物的折皺回復(fù)性提高，起皺狀況得到改善。

3 結(jié) 論

1) 織物組織結(jié)構(gòu)對于棉/不銹鋼長絲包芯織物的電磁屏蔽性能有一定影響。在相同的織造工藝參數(shù)下，平紋織物下機后緊度最大，交織點多，紗線間接觸電阻小，織物單位長度內(nèi)所含不銹鋼長絲最多，屏蔽效果好。

2) 經(jīng)過若干次磨損后，織物的電磁屏蔽性能先小幅升高后逐漸降低，這是因為磨損時的擠壓作用會使經(jīng)緯紗接觸更為緊密，紗線間的接觸電阻減小，屏蔽效能提高。當(dāng)磨損程度繼續(xù)增加，部分織物遭到破壞，織物出現(xiàn)破洞，不銹鋼絲發(fā)生斷裂，屏蔽性能降低。織物耐磨性越差，在相同摩擦條件下結(jié)構(gòu)破壞程度越高，摩擦磨損后屏蔽效能下降越多。

3) 由于不銹鋼長絲的加入，使得棉/不銹鋼長絲包芯織物的折皺回復(fù)性降低，導(dǎo)致該類織物在使用過程中更易出現(xiàn)起皺的現(xiàn)象。為了更好保持織物的平整外觀，應(yīng)選用浮長更長、柔性更好的組織，使織物的折皺回復(fù)性提高，起皺狀況得到改善。

FZXB

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Electromagnetic shielding and wrinkle recovery property of cotton/stainless steel filament woven fabric

DUAN Yongjie1， XIE Chunping1， LIU Xinjin1，2

(1.KeyLaboratoryofEco-Textiles(JiangnanUniversity),MinistryofEducation,Wuxi,Jiangsu214122,China； 2.JiangsuSpcc-SilkCo.,Ltd.,Suqian,Jiangsu223700,China)

In order to study the influence of fabric structure and fabric abrasion on the shielding performance, and the influence of stainless steel filament on the fabric wrinkle recovery, cotton/stainless steel filament core spun yarns were used as materials to weave three kinds of fabrics. The electromagnetic shielding properties in 0.3-1 500 MHz are compared. After the wear tests for 60, 120, 180, 240 and 300 times on the textile abrasion tester, the electromagnetic shielding properties are also tested and compared. The wrinkle recovery properties are tested by video sequence method. Results show that the fabric weaves have some effects on the electromagnetic shielding property. Because of the compact structure, plain fabric has better electromagnetic shielding property. Through several times of friction, the electromagnetic shielding property has a small increase, and then decreased gradually. Under the same wear condition, samples with better wearing resistance property will show a lower reduction degree of the shielding effectiveness. Because of the stainless steel filament, the wrinkle recovery properties of fabrics are reduced. The fabric weaves with longer float could improve the wrinkle performance.

stainless steel filament; electromagnetic shielding; fabric weave; fabric abrasion; wrinkle recovery

10.13475/j.fzxb.20150801506

2015-08-07

2016-04-25

江蘇省自然科學(xué)基金資助項目(BK2012254)；江蘇省產(chǎn)學(xué)研項目(BY2014023,BY2012051,BY2013015-24);江蘇省科技成果轉(zhuǎn)化項目(BA2014080)；紡織服裝產(chǎn)業(yè)河南省協(xié)同創(chuàng)新項目(hnfx14002)；廣東省產(chǎn)學(xué)研項目(2013B090600038)

段永潔(1991—)，女，碩士生。研究方向為功能性混紡紗線。謝春萍，通信作者，E-mail：wxxchp@vip.163.com。

TS 106.4

A