涤纶/不锈钢纤维混纺电磁屏蔽织物的设计与性能分析

武 晖，路海清

(1.西安工程大学 学报编辑部，陕西 西安 710048； 2.西安工程大学 纺织科学与工程学院，陕西 西安 710048)

电磁屏蔽功能性纺织品主要有金属镀层织物、导电涂层织物、金属纤维织物等[1]。金属镀层织物和导电涂层织物是通过原位聚合涂层浸渍—烘干法[2]、涂层法[3]、化学镀[4]、真空镀[5]、等离子体电镀[6]等方法制备的电磁屏蔽织物，具有较好的电磁屏蔽效果。另外，应作战需要，还有能够兼顾电磁屏蔽和自身通信频率的纺织品[7]。金属涂层织物存在涂层不均匀、易脱落、透气性差、屏蔽效能有限的缺点。金属化学镀应用较广，屏蔽效能好且织物较柔软，但制备过程复杂，污染严重，镀层不易控制。真空镀和等离子体电镀比其他几种化学镀具有更多的优势，但金属与织物的结合力较差，耐洗色牢度不好。

金属纤维混纺织物因其具有较好的服用性能、力学性能、导电性能、耐腐蚀性而受到越来越多的关注，其中不锈钢纤维作为导电材料用于电磁屏蔽织物是研究的热点之一[8]。文献[9-10]采用芳纶/不锈钢纤维混纺纱线制备了高性能、多功能电磁屏蔽织物，并测试分析了其电磁屏蔽效能、阻燃效果、拉伸性能、耐水洗性能。另外，还有不少研究人员探讨了不同织物类型[11]、混纺比[12]和组织结构[13-14]对织物电磁屏蔽效能的影响。本文通过制备涤纶/不锈钢纤维混纺织物，系统分析织物组织结构、涤纶/不锈钢纤维混纺纱线嵌织网格大小、经向和纬向嵌织密度等对电磁屏蔽效能的影响，为不锈钢纤维混纺电磁屏蔽织物的生产和设计提供参考。

1 实验部分

1.1 实验材料

涤纶/不锈钢纤维80/20混纺纱线a，线密度为29.5 tex×2；100%涤纶纱线b，线密度为13.5 tex×2(山东盛和集团)。

1.2 样品制备

设计不同组织结构、不同嵌织网格大小、不同嵌织密度，用SGA598型半自动小样织机(江阴通源纺机有限公司)织造系列织物样品。

1.2.1 不同组织结构系列织物A

以纱线a为经、纬纱，分别织造平纹织物、三上一下斜纹织物、二上二下方平织物、三上三下经重平织物、二上二下纬重平织物这5种小样，分别对应编号为A1、A2、A3、A4、A5。

1.2.2 不同嵌织网格大小的系列织物B

以纱线a为经纱，纬纱为a∶b质量比分别为1∶0、1∶2、1∶4、1∶6、1∶8这5种配比的混纺线，织造不同嵌织网格大小的平纹组织系列小样，分别对应编号为B1、B2、B3、B4、B5。

1.2.3 不同嵌织密度系列织物C

以纱线b为经纱，纬纱为a∶b质量比分别为1∶0、1∶3、1∶6、1∶9、1∶12这5种配比的混纺线，织造不同嵌织密度的平纹组织系列小样,分别对应编号为C1、C2、C3、C4、C5。

1.3 织物电磁屏蔽性能测试

使用同轴波导网络分析仪(西安工程大学自行研制)测试各织物样品的电磁屏蔽性能。测试条件：波导管中传输的电磁波为TE10，频段范围为2 250～2 650 MHz，测试窗口6.5 cm×11 cm。电磁屏蔽效能(SE)的计算公式为：

(1)

式中：P1为放置屏蔽材料后的功率，W；P2为放置屏蔽材料前的功率，W。

2 结果与讨论

2.1 织物结构参数

织物样品的下机基本结构参数如表1所示。

表1 织物样品的下机基本结构参数

2.2 织物电磁屏蔽性能

电磁波在织物内部产生的多次反射损耗与电磁屏蔽织物的厚度、屏蔽材料的电导率等密切相关[15]。

2.2.1 组织结构对织物电磁屏蔽效能的影响

分别对A1、A2、A3、A4、A5等5种不同织物组织样品进行经向、纬向电磁屏蔽效能测试，结果见图1。从图1(a)可以看出，5种不同组织中平纹织物A1和方平织物A3在经向的电磁屏蔽效能明显高于其他组织的织物，原因在于本系列的织物所用的纱线均为涤纶/不锈钢纤维混纺纱，电导率相同。但平纹和方平组织织物的经纱、纬纱交织次数多，织物表面不锈钢纤维排列更为紧密，对电磁波的反射损耗较大，因此具有更高的电磁屏蔽效能。此外，由表1可知，A4最厚，但厚度的增加并没有明显提高其电磁屏蔽效能。由此可见，对于反射型电磁屏蔽材料，表面反射损耗是材料屏蔽电磁波的主要因素，材料的厚度对其屏蔽效能有影响，但不明显。

图1 不同组织结构织物经向、纬向电磁屏蔽效能

从图1(b)可以看出，不同组织结构织物的纬向屏蔽效能变化较大，且经重织物A4的电磁屏蔽效能最好。由表1可知，经重织物A4的纬密最大，为390根/(10 cm)，其织物的厚度也最大。这是由于织造过程中不同组织结构会导致纱线产生的滑移程度不同，进而影响织物的纬密。特别是经重组织织物，在织造过程中因纬纱滑移，造成打纬后纬纱堆积，纬密增加，织物厚度也增加。可见不锈钢纤维混纺织物的电磁屏蔽效能不仅与组织结构相关，而且与织物中不锈钢纤维混纺纱线的织造密度相关。织物的厚度对电磁波的屏蔽效能也有影响，织物越厚，电磁波进入织物中的路径越长，其多次反射损耗也会越大。因此，在A1～A5这5种样品中，经重织物对电磁波的屏蔽效能较高。

2.2.2 嵌织网格大小对织物电磁屏蔽效能的影响

以样品B2为例，嵌织织物的结构示意图见图2。图中阴影部分为不锈钢纤维混纺纱线嵌织网格面积。

图2 嵌织织物B2的理论结构示意图

涤纶/不锈钢纤维混纺纱嵌织网格面积S见式(2)(3),涤纶/不锈钢纤维混纺纱的理论直径[16]见式(4)(5)：

S=Lj×Lw

(2)

(3)

(4)

δ=0.2×7.8+0.8×1.38=2.664

(5)

式中：Lj、Lw分别为嵌织网格的长度、宽度，mm；Pj、Pw分别为织物中涤纶/不锈钢纤维混纺纱经向、纬向的嵌织密度，根/(10 cm)；dj、dw分别为织物中经向、纬向的涤纶/不锈钢纤维混纺纱的直径，dj=dw，mm；Ntex为涤纶/不锈钢纤维混纺纱的线密度，tex；δ为涤纶/不锈钢纤维混纺纱的密度，g/cm3。

根据式(2)～(5)可计算出B系列各织物样品中涤纶/不锈钢纤维混纺纱线嵌织网格的面积，结果如表2所示。

表2 B系列样品纬向嵌织密度与嵌织网格面积

织物B1～B5的电磁屏蔽测试结果见图3。可以看出，不同网格面积对织物经向电磁屏蔽效能影响不大，但对纬向电磁屏蔽效能影响较大。

图3 不同嵌织网格面积经向、纬向电磁屏蔽效能

为进一步了解嵌织网格面积与织物电磁屏蔽效能之间的关系，以2 450 MHz中心频率为基准，给出B系列织物嵌织网格面积对织物经向、纬向电磁屏蔽效能的影响，见图4。

图4 2 450 MHz下织物不同嵌织网格面积对织物经向、纬向的电磁屏蔽效能的影响

从图4(a)可看出，仅从纬向改变网格面积对织物经向的电磁屏蔽效能影响不大。这是因为同轴波导网络分析仪中波导管传输的是单方向的偏振电磁波。当织物中不锈钢混纺纱线垂直于电磁波中的磁场振动方向，即平行于电场方向时，织物中不锈钢纤维感应的电流最大，进而转换为热能，此时织物才具有最大的电磁屏蔽效能；相反，平行于磁场振动方向的不锈钢混纺纱线对电磁波屏蔽效果并无明显影响。

由图4(b)示出，织物嵌织网格面积越大，其纬向电磁屏蔽效能越小。这是因为：一方面，网格越大，测试窗口中的电磁屏蔽无效区域越大，电磁波的穿透率加大，反射率减小导致电磁屏蔽效能降低；另一方面，不锈钢混纺纱线排列密度越大，在测试窗口中不锈钢混纺纱线含量越多，不仅使其对电磁波的表面反射率增大，且织物内部不锈钢纤维混纺纱线中的感应电流也增加，从而产生大量的热能而损耗电场，使电磁屏蔽效能增大。因此，在同轴波导网络分析仪上测试不锈钢纤维混纺织物屏蔽效能时，当不锈钢纤维混纺纱线经向密度不变时，织物网格大小的改变相当于不锈钢纤维纱线纬向嵌织密度的改变。

2.2.3 嵌织密度和纱线排列方向对织物电磁屏蔽效能的影响

以C系列织物为例，5种不同嵌织密度涤纶/不锈钢纤维混纺织物的电磁屏蔽效能测试结果见图5。

图5 不同嵌织密度的织物纬向电磁屏蔽效能

从图5可以看出，在2 250～2 650 MHz电磁波范围内，各织物的电磁屏蔽效能有一定差异，且在达到一定值后基本稳定[17]。5种织物的电磁屏蔽效能大小依次为：C1>C2>C3>C4>C5。这是由于C1～C5织物的纬向不锈钢纤维混纺纱线嵌织密度依次降低，当嵌入的不锈钢混纺纱线线密度减小时，具有电磁屏蔽效能的纱线根数减少，感应产生的电流导致的电场损耗减少。其次，随着织物表面涤纶纱线所占面积的增大，电磁波的穿透率也随之增大，织物表面的反射损耗降低，电磁屏蔽效能也随之降低。

对C系列织物的经向电磁屏蔽效能进行的测试表明：5种不同纬向嵌织密度的涤纶/不锈钢纤维混纺织物的经向电磁屏蔽效能值均接近于零。其原因在于此时的不锈钢纤维混纺纱线排列方向与磁场振动方向平行，即与电场方向垂直，不锈钢纤维中几乎没有感应电流产生，因而不能对电磁波进行屏蔽，证明了同轴波导中电磁波的传输具有方向性。

3 结 论

①织物组织结构对涤纶/不锈钢纤维混纺织物的电磁屏蔽效能具有一定影响。

②织物的电磁屏蔽效能会随着涤纶/不锈钢纤维混纺纱线嵌织网格面积的增大而减小；不锈钢纱线嵌织密度对电磁波的屏蔽效能影响显著，电磁屏蔽效能随着嵌织密度的增大而增大。

③涤纶/不锈钢纤维混纺织物的电磁屏蔽效能与织物中不锈钢纤维混纺纱线的排列方向密切相关。当不锈钢纤维混纺纱线排列方向与电磁波传输的磁场振动方向垂直时，织物的屏蔽效能最好。