海藻酸钙纤维电磁屏蔽性能的探究yd18712

王建坤1，2，邓浩1，2 天津工业大学纺织学部，天津300387；2.天津工业大学先进纺织复合材料教育部重点实验室，天津300387

收稿日期： 2015-03-23

基金项目：国家青年科学基金项目（51403154）

通信作者：王建坤（1961-），女，教授，硕士生导师，研究方向为纺织新材料新技术. E-mail：jiankunwang@tjpu.edu.cn

原载：天津工业大学学报2015/6；20-23

【摘要】采用比电阻仪、介电谱仪和矢量网络分析仪等不同测试手段对海藻酸钙及其混纺织物的体积比电阻、电导率、屏蔽效能等方面进行测试，并对海藻酸钙纤维的电学性能及其混纺织物在不同频率下的屏蔽效能进行测试表征. 结果表明：海藻酸钙纤维的体积比电阻为971.04 Ω·cm，具有良好的电学性能，不同含量的海藻酸钙纤维/棉混纺织物的防电磁辐射性能也优于普通粘胶纤维和棉纤维织物.

【关键词】海藻酸钙纤维；电磁辐射；屏蔽效能；电导率；比电阻

【中图分类号】TS101.921.53 文献标志码： A 文章编号： １６７１－０２４Ｘ（２０15）０3－００20-04

随着电子设备的广泛应用，电磁辐射也已成为现代生活的隐形杀手. 为减少和避免电磁辐射对人体造成的伤害，电磁屏蔽织物的需求将越来越大，研究与开发具有良好屏蔽效能的电磁屏蔽材料越来越得到公众的关注. 国内外现已研制出用涂层法、电镀法及复合纺丝法制造的电磁屏蔽织物[1]. 防电磁辐射纤维与普通纤维混纺或交织，然后通过机织或者针织织造工艺生产而成的织物具有良好的服用性能，且电磁屏蔽效果耐久性持久，市场上也较为多见[2]. 海藻纤维是一种新型环保可再生资源， 具有优异的吸湿透气性、抗菌性和阻燃作用[3-4]. 其中含有大量羧基和羟基，这些基团与二价钙离子结合后形成的海藻酸钙纤维中，Ca2+与多个氧原子发生鳌合作用形成三维网络结构，称之为“蛋盒”结构[5-6]. 海藻纤维对金属离子具有良好的吸附性能， 能与多价金属离子形成配位化合物，起到电磁屏蔽和抗静电的作用[7]. 海藻纤维通常以海藻酸钙的形式出现，因此，有必要对海藻酸钙纤维的电磁屏蔽性能进行测试与分析，本文对海藻酸钙纤维的电学性能、电磁屏蔽效能进行了测试分析. 以期全面了解海藻酸钙纤维及其纺织品的电磁屏蔽性能，为开发该类产品提供参考.

1 实验部分

1.1 实验材料仪器

实验材料：本文采用青岛海蓝公司提供的海藻酸钙纤维，其主要性能指标见表1.

实验仪器：BDS50宽频介电谱仪（3 μHz~40 MHz）德国Novocontrol Technologies GmbH 生产；ZNB 型矢量网络分析仪（10 MHz ~40 GHz）， 德国Rohde & Schwarz 公司生产；YG321 纤维比电阻仪，常州市第一纺织设备有限公司生产；YG141LA 型织物厚度仪，莱州电子仪器有限公司生产.

1.2 试样规格与测试方法

1.2.1 体积比电阻

采用纤维比电阻仪测试纤维的体积比电阻：将30g 以上纤维放置在恒温恒湿室进行调湿， 温度设定为20.88 ℃，相对湿度为63.43 %，使纤维达到吸湿平衡，从已达吸湿平衡的纤维中随机称取15 g 纤维2 份，根据GB/T14342-1993 规定测出电阻值.

1.2.2 低频导电率

本次实验在恒温恒湿室条件下进行测试，采用德国Novocontrol GmbH 公司生产的Novocontrol Technologies Alpha-A High Performance Frenquency Analyzer，即介电谱仪[8]，测试织物在低频段（0~20 MHz）的电导率：织物的孔隙结构和交织点能够改变电磁波在材料内部的传播路线，使入射电磁波在材料内部通过一系列的散射和反射吸收过程得到最大的损耗[9]. 为使试验结果更具可比性，在织造试样中均采用28 tex 的海藻酸钙/棉混纺纱线在剑杆织机上织造，织物组织均为平纹组织，经密均为200 根/10 cm，根据介电谱仪的电极板尺寸，将织物剪成直径为30mm 的圆形试样. 为了保证试样厚度，每个测试试样由多块圆形试样叠在一起放入仪器的上下两个极板之间进行测试，并对试样的厚度进行测量，以便于后续的数据分析与计算[10-11].试样材料规格与结构参数见表2.

设定频率为0~20 MHz，电极直径20 mm，被测试样厚度如表2， 测试参数为电导率， 每个试样测试1次，测得的数据计算其平均值.

1.2.3 屏蔽效能

采用ZNB 型矢量网络分析仪（10 MHz~40 GHz）测试试样的屏蔽效能SE：在制织试样时，由于海藻酸钙纤维难以纯纺，将海藻酸钙纤维织制成针刺非织造布（2 次预针刺，1 次主针刺，针频20），试样材料规格与结构参数见表3.

将试样裁剪成直径为120 mm 圆形， 试样在测试之前在恒温恒湿室存放48 h. 测试时， 测试夹具装置紧密夹放试样， 测试频率1 000 MHz. 根据标准SJ20524-1995 测试试样的屏蔽效能SE.

2 结果与讨论

2.1 海藻酸钙纤维的比电阻

织物材料导电性能的实测计算方法有3 类：体积比电阻、表面比电阻、质量比电阻[12]. 根据实用需要，对于大多数电子产品的屏蔽材料，在30~1 000 MHz 频率范围内，其屏蔽效能SE至少达到35 dB 以上（体积电阻率在10 Ω·cm 以下），便认为是有效屏蔽[13]. 体积比电阻只是从某一侧面反映屏蔽的大小，但无法衡量吸波能力的大小. 纤维的体积比电阻ｐv 也称电阻率[14]（Ω·cm），可以表示为：

ｐv = R·m/（l²·d）

式中：R 为电阻值；m 为纤维质量；d 为纤维密度；l 为导体长度.

采用纤维比电阻仪测试电阻率，结果如表4 所示.由表4 的测试结果可以看出，海藻酸钙纤维的体积电阻率高于粘胶纤维和棉纤维，但明显低于不锈钢纤维的体积电阻率. 这是由于海藻酸可以螯合金属离子，海藻酸钙纤维中含有金属钙离子，金属离子在纤维基质中含量增加到一定程度时，离子间的结合力增强， 形成导电链提高了纤维的导电性. 且当纺织材料的质量比电阻在1010~1011 Ω·g·cm-2 时就具有一定的防静电能力，当小于1010 Ω·g·cm-2时就具有良好的防静电能力[15]，本实验所用海藻酸钙纤维的质量比电阻

表1 海藻酸钙纤维主要性能指标

表2 混纺织物基本参数

表3 试样规格与结构参数

表4 海藻酸钙纤维和其他种类纤维的体积电阻率值

由表4的测试结果可以看出，海藻酸钙纤维的体积电阻率高于粘胶纤维和棉纤维，但明显低于不锈钢纤维的体积电阻率．这是由于海藻酸可以螯合金属离子，海藻酸钙纤维中含有金属钙离子，命属离子在纤维基质中含量增加到一定程度时，离子间的结合力增强，形成导电链提高了纤维的导电性．且当纺织材料的质量比电阻在10¹⁰～10¹¹Q·g·cm^-2时就具有一定的防静电能力，当小于10¹⁰Q·g·cm^-2时就具有良好的防静电能力[15],本实验所用海藻酸钙纤维的质量比电阻为6.375×10⁸Ω·g·cm^-2， 小于粘胶纤维和棉纤维的质量比电阻，海藻纤维的这一特性使其在产品生产及服用过程中不易产生静电，不易黏着灰尘.

2.2 海藻酸钙纤维混纺织物电导率与低频屏蔽效能

电磁屏蔽用材料一般要求具有一定的导电性，其导电率在10^-2~10^-6 Ω/cm 的范围内， 因而通常都要添加具有一定导电能力的物质[16]. 对于低频电磁波，织物表面反射占主要部分，因此屏蔽材料的导电性能越好，反射越强，该织物的屏蔽效能越好[17]. 另外，赵家祥[18]提出了一种评定织物屏蔽效能的估算方法：

式中：p 为比电阻（Ω·cm）；f 为频率（MHz）；t 为厚度（cm）.

采用BDS50 宽频介电谱仪进行测试，测得的3 种混纺织物的电导率在低频区（0~20 MHz）的变化关系如图1 所示. 测得3 种混纺织物的电阻率计算出屏蔽效能，如图2 所示.

图1 海藻酸钙混纺织物电导率与频率关系

图1 表明：海藻酸钙纤维混纺织物的电导率在低频区（0~20 MHz）时，随着电磁波频率的增加，海藻酸钙纤维混纺织物的电导率逐渐上升；同样，随着混纺织物中海藻酸钙纤维含量的增加，混纺织物的导电率

增加，混纺比为50/50 的混纺织物电导率最大，其次是30/70、10/90 最小. 但3 种混纺织物的电导率相差不大，基本处在同一数量级中. 由此可见，虽然海藻酸钙纤维的比电阻较普通黏胶纤维、棉纤维小很多，但并不能通过增加混入量来提高混纺产品的导电率.

图2 海藻酸钙混纺织物屏蔽效能与频率关系

图2 表明：3 种不同含量的海藻酸钙纤维混纺织物的屏蔽效能在低频区（0~20 MHz）基本没有较大差异. 由于钙离子与海藻酸的结合力低于其他重金属离子，形成的导电离子链对电磁波的辐射并没有起较大

作用，混纺织物对电磁波的屏蔽效能随海藻酸钙纤维含量的增加，其差异较小.

2.3 海藻酸钙混纺织物的高频屏蔽效能

采用矢量网络分析仪对海藻酸钙纤维混纺织物在高频区（10 MHz~40 GHz）进行屏蔽效能测试，在频率为1 000 MHz 的频率点进行检测，其中1 000 MHz与手机、微波炉、电脑、蓝牙工作频率接近，适用于民用

电磁波防护的范围，测得各种织物的屏蔽效能见图3.

图3 海藻酸钙混纺织物屏蔽效能

从图3 可以看出，与粘胶纤维、纯棉纤维织物相比，50/50 混纺织物和纯海藻纤维织物在高频点的屏蔽效能具有一定的优势. 原因是海藻酸钙纤维中含有金属钙离子，可形成导电离子链对电磁波的辐射有一定的屏蔽作用，根据GB/T23463-2009《防护服装—微波辐射防护服》， 标准规定了适用频率范围在300MHz~300 GHz 之间，屏蔽效能最低必须达到C 类防护标准10 dB， 才可有效屏蔽电磁波的辐射达到防护作用，根据图3 的数据显示，海藻酸钙纤维的屏蔽效能远达不到国家防电磁屏蔽的最低防护标准.

3 结论

本文采用不同方法对海藻酸钙纤维及其混纺织物的电学性能和屏蔽效能进行测试与表征，得知：

（1）海藻酸钙纤维的体积电阻率高于粘胶纤维和棉纤维，但达不到有效屏蔽要求的10Ω·cm 以下，海藻酸钙纤维具有良好的防静电性能；

（2）对于低频电磁波（0~20 MHz），随着电磁波频率的增加，10/90、30/70、50/50 海藻酸钙纤维混纺织物的电导率逐渐上升， 与30/70、10/90 的混纺织物电导率相比，混纺比为50/50 的混纺织物的电导率较大，但混纺比的变化对海藻酸钙纤维导电性能的影响不大；

（3）与纯粘胶纤维、棉纤维织物相比，50/50 海藻酸钙混纺织物和纯海藻纤维织物在高频点（1 000MHz）的屏蔽效能具有一定的优势，但海藻酸钙纤维的屏蔽效能远达不到国家防电磁屏蔽的最低防护标准10 dB.

因此， 若想提高海藻酸钙纤维的防电磁辐射性能，使其达到国家防电磁屏蔽标准，在海藻纤维纺丝过程中可采取在凝固浴中添加其他金属离子，如铜离子、钡离子等，这些金属离子与海藻酸的螯合能力强于钙离子， 可提高纤维的防电磁屏蔽性能. 亦可对海藻酸钙纤维进行改性处理，如采用硫酸铜溶液浸泡处理海藻酸钙纤维（制得了铜离子改性海藻酸钙纤维），制得的纤维不仅具有良好的防电磁辐射性能，且二价金属离子具有抑菌性能，提高了纤维的综合性能.

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