用腈纶导电纱开发防电磁辐射面料及其性能的研究
刘正芹1，刘立华2，王文祖3
（1·青岛大学，青岛 266071;2·宁波服装实验技术学院，宁波 3151叫;3·东华大学，上海 200051）
原载：纺织科学研究/2003/3第14卷第1期
[收稿日期]2003-01-03;[修订日期]2003-02-26
[摘要]电子技术的不断发展，导致了电磁污染日益加剧，正危害眷人类的健康，因此开发电磁辐射防护面料具有广阔的发展前景。研究了用腈纶导电纱制作3种防电磁辐射面料，及其防辐射性能。结果显示，腈纶导电纱具有良好的防辐射性能，用其制成的防电磁辐射面料能达到电磁辐射的防护要求，且耐洗涤性良好。
[关键词]聚丙烯腈纤维导电纱；防辐射织物；针织物；性能研究
[中图分类号]TQ342+.31[文献标识码]A[文章编号]1003-1308(2003)01-0027-04
1 引言
近年来，电磁辐射对人体健康的影响已引起世界各国的高度重视[1]，防止电磁辐射已不容迟缓，而电磁辐射防护服便可成为防止电磁波对人体危害的最后屏障。目前，制作电磁防护服主要有两种方法；①以导电材料直接涂层织物，②在织物中掺人防电磁辐射纤维。其中，将防电磁辐射纤维掺入织物中制备电磁辐射防护服，是最灵活、最有效的方法。将防电磁辐射纤维和普通纤维混用，可使织物的导电率提高几个数量级[2]；同时，防电磁辐射纤维含量不同的织物可用于满足不同的需求，并具有良好的服用性能。
国外对防电磁辐射面料的研究起步较早、并且较为深入，已开发出多种防电磁辐射面料。目前，国内市场上的电磁辐射防护服主要从日本、韩国进口，价格昂贵。因此，开发效果好、服用性能佳、且价格低廉的电磁辐射防护面料是适应社会的需求，市场前景看好。本文用腈纶导电纱开发防电磁辐射面料，并对其电磁波屏蔽性能、耐洗涤性能等进行了研究。
2 材料与方法
2·1腈纶纱的导电处理
聚丙烯晴纤维的回潮率较低(1%-2%)，介电常数为2.8[3]，静电现象严重。利用聚丙烯腈大分子上腈基(-CN)的化学活性，可以从分子结构上改变纤维的电性能。如腈基(-CN)与过度金属离子相配位，形成络合物，进而在纤维上反应、生成导电物质，从而使纤维具有导电性。经过这种处理的导电腈纶纱的导电成分为Cu9S5，这是一种具有P型半导体性质的导电成分，能赋予腈纶良好耐久的导电性[4]。
2·2表征织物防电磁辐射屏蔽性能的指标
用于表征织物防电磁辐射屏蔽性能的指标有屏蔽效能SE(又称"衰减水平")和吸收率，分别对应于电磁屏蔽技术的电磁辐射防护和吸收防护技术的电磁辐射防护。本研究主要考核前者，即某一指定电磁波频段的屏蔽效能分贝值，通常基本掌握在20-4OdB。
2·3 防电磁辐射面料的编织
机型:普通横机;机号:9针/英寸;
组织结构:四平针，纬平针，2+2罗纹;用纱:32Nm/2腈纶导电纱。
2·4 实验方法
采用屏蔽效能、表面比电阻等指标，研究织物的抗电磁辐射性能。
对于织物的屏蔽效能SE和通过布电磁波能量的屏蔽率(%)，用ASTM D4935平面材料电磁波屏蔽效能标准测试方法[5]测试。
表面比电阻的测量方法[6]如下；用特制的夹头夹取一定长度L、一定宽度W的防电磁辐射织物试样，用DT-9204数字万用电表测出其电阻值R，相应织物的表面比电阻可采用公式:ρ=R·W/L进行计算。
3 结果与讨论
3·1 3种针织物的防电磁辐射屏蔽效能
用32Nm/2的100%腈纶导电纱在横机上编织四平针、纬平针、2+2罗纹织物，用上述方法测量试样的屏蔽效能、屏蔽率和表面比电阻。其中，四平针织物委托中国上海测试中心测试，结果如表1所示。
表1 四平针织物在不同频率条件下的屏蔽效能及屏蔽率
|
频率（MHz） |
10 |
30 |
100 |
300 |
1000 |
|
SE计算值（dB） |
41.73 |
41.28 |
41.34 |
41.69 |
41.29 |
|
SE实测值（dB） |
34.2 |
33.7 |
34.2 |
34.0 |
35.2 |
|
屏蔽率（%） |
99.96 |
99.96 |
99.96 |
99.96 |
99.97 |
注；①试验条件为温度20℃，相对湿度48%;
②屏蔽率；被屏蔽掉的电磁波能量所占的百分比，%。
表中的SE计算值，是根据相关报道[7]，通过屏蔽材料的比电阻、厚度以及电磁波的频率来估算屏蔽材料的屏蔽效能求得的。
从表1可看出，四平针织物在10-1000MHz频率范围内的屏蔽效能都在3OdB以上，通过布电磁波能量的屏蔽率都在99.96%以上，已经达到了电磁辐射防护的要求。实测结果与"电阻值在某一数量级的布料，其各频段的电磁波衰减值不大"的报道相符[8]。在不同频率条件下，织物屏蔽效能的计算值普遍要高于实测值20%左右。因此，在对防电磁辐射织物的研发过程中，可用此差值百分比来估算同一电阻数量级的布料的屏蔽效能。
用万用电表测试了纬平针、四平针、2+2罗纹织物的表面比电阻，并估算了其屏蔽效能。表2所示为四平针、纬平针、2+2罗纹织物的结构参数与表面比电阻、屏蔽效能的关系。
表2 3种织物的结构参数与表面比电阻、屏蔽效能之间的关系
|
组织结构及用纱 |
纬平针，双纱 |
四平针，双纱 |
2+2罗纹，双纱 |
|
|
密度 (线图/5cm) |
横密 |
26.1 |
21.7 |
19.4 |
|
纵密 |
35.6 |
37.0 |
36.2 |
|
|
厚度(mm) |
0.224 |
0.352 |
0.657 |
|
|
表面比电阻(Ω) |
9.81 |
9.74 |
11.88 |
|
|
屏蔽效能(计算值)(dB) |
41.21 |
41.28 |
42.05 |
|
|
屏蔽效能(实测值)(dB) |
- |
33.7 |
- |
|
从表2可看出，3种织物的表面比电阻在同一数量级上，其屏蔽效能的计算值相近，可认为纬平针、2+2罗纹这两种织物也达到了电磁辐射防护的相应要求。
3·2 防电磁辐射织物的耐洗涤性
将四平针和2+2罗纹织物各洗涤6次，分别测试它们的表面电阻，结果如图1所示。
|
|
|
图1洗涤对防电磁辐射织物性能的影响 |
经过洗涤之后，织物的表面比电阻变化均不大，还保持在同一数量级。这是因为腈纶导电纱中的Cu与-CN有络合作用，Cu9S5的导电成分生成于纤维内部，经干燥致密后，封嵌在PAN基体内，因此多次洗涤后织物的表面比电阻基本保持不变，耐洗涤性良好。
4 结论
(1)用腈纶导电纱开发的防电磁辐射面料，在10-1000MHz的频率范围之内，其屏蔽效能都在3OdB以上，透过布的能量屏蔽率都在99.96%以上，已经达到了防止电辐射的要求。
(2)经过多次洗涤之后，织物的表面电阻基本保持不变，耐洗涤性良好。
[参考文试]
[1]张勤勋；浅谈电磁辐射与人体健康[J]环境保护，1999(5)；47
[2]李荣珍，陶再荣，华靖乐等；导电纤维的开发现状及应用[J]江苏纺织，1999(5)；12
[3]姚穆，周锦芳，黄淑珍等；纺织材料学[M]北京，中国纺织出版社，1996.470
[4]邹国明，刘维锦，郭文霞等；含五硫化九铜(Cu9S5)导电性腈纶的结构和性能[J]合成纤维工业，1995(3)；11-16
[5]ASTM D4935-99;Standard Test Method for Measuring the Electromagnetic Shielding Effectiveness of Planar Materials.
[6]潘玮，黄素萍，龚静华等；聚苯胺/涤纶导电织物的导电性能研究[J]上海纺织科技，1999，27(4)；55-57
[7]赵家祥，张清宇；医用功能纤维[M]北京，中国石化出版社，1996，280
[8]邹文典；RF型射频防护布料的开发[J]产业用纺织品，1992，(4):27-30