电磁辐射及防电磁辐射纺织品的发展现状Yd18910
邓浩1，2 王建坤1，2 1.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
投稿日期：2014-12-30
作者简介：邓浩(1990-)，女，辽宁沈阳人，在读研究生，研究方向：纺织材料与纺织品设计。
通信作者：王建坤(1961-)，女，教授，硕士生导师。
原载：染整技术2015/10；4-8
【摘要】简要介绍了电磁辐射的来源、危害，电磁辐射的屏蔽机理、测试方法以及相关评价标准，重点介绍了几种主要的防电磁辐射纤维及防电磁辐射纺织品的的现状、性能、应用和优缺点等，探讨了防电磁辐射材料未来的发展方向。
【关键词】电磁辐射；辐射危害；电磁屏蔽；防辐射纤维
【中图分类号】TS 195.6 文献标识码：A 文章编号：1005-9350(2015)10-0004-05
电磁污染已引起世界关注，是继水污染、大气污染、噪音污染的第4大公害，联合国人类环境会议已将电磁辐射污染列为全球环境保护项目之一，要求各国政府必须加强电磁辐射污染的防治工作。自20世纪90年代以来，美国、日本、澳大利亚、韩国等国家和地区就相继采取法律形式宣布禁止产生电磁污染的产品(即电磁兼容不合格产品)进入市场，因此，各种电磁屏蔽材料应运而生，而且越来越得到公众的关注，发展迅速。
1 电磁辐射的产生及危害
1.1 电磁辐射的产生
电磁辐射是电场辐射和磁场辐射共同作用的一个物质空间，电磁辐射源可以分为自然电磁辐射源和人为电磁辐射源，雷电、太阳黑子活动引起的磁暴、宇宙射线等都会产生电磁辐射，这是自然电磁辐射源；而人为的电磁辐射源主要有人工制造的高压系统、各类无线电子设备、电气装置，也包括工业、科学和医疗设备等。电磁辐射由电磁发射引起，可以说所有的家用电器都会产生电磁辐射。
1.2 电磁辐射的危害
电磁辐射是指电磁场能量以频率为30～30 000MHz电磁波的形式向外发射的过程。电磁辐射作用于工作中的电子设备和产品，将直接危害人体健康。1952年，Hirsh首先报道了一名雷达工作人员发生双眼白内障，这位雷达工作者是在1 500～3 000 MHz、功率密度100 mW／cm2的条件下无防护工作一年以后发生双眼白内障的。之后，电磁辐射对人体健康的危害得到了重视，人们进行了广泛深入的研究[1]。电磁波会扰乱人体的自然生理规律，导致机体平衡紊乱，引起头疼、头晕、失眠、健忘等神经衰弱症状；使人乏力、食欲不振、烦躁易怒；人体热调节系统失调，导致心率加快、血压升高或降低，白细胞减少；引起视力下降，甚至导致失明。电磁波也是白血病、淋巴癌、脑肿瘤的诱因之一[2]。
2 防电磁辐射纺织品的屏蔽原理及测试方法
2.1 屏蔽机理
屏蔽电磁辐射的基本原理主要是基于电磁波穿过防电磁辐射服时产生波反射、波吸收和电磁波在服装内的多次反射，导致电磁波能量衰减。当采用被动防护措施时，电磁波的屏蔽主要靠屏蔽体的反射、吸收作用来实现，其在材料中的传播过程如图1。
|
|
|
图1 电磁波在屏蔽体中的传播示意图 |
根据Schelkunof理论[3]，防电磁波辐射织物总的屏蔽效能SE(Shielding Effectiveness)主要由织物的表面反射损耗(R)、内部吸收损耗(A)和内部反射损耗(B)3部分组成，即SE=R+A+B。
屏蔽效能SE的数值越大，表示屏蔽体对辐射的屏蔽效果越好，SE的数值越小，表示屏蔽体的屏蔽效果越差。材料的厚度、电导率、磁导率、介电常数等因素都对电磁屏蔽效能有影响。因此，纺织品的电磁屏蔽效能主要取决于织物中的屏蔽材料及其含量、织物厚度及紧度等。对于低频电磁波，织物表面反射占主要部分；对于高频电磁波，其衰减主要取决于电磁波在屏蔽材料内的吸收损耗[4]。
2.2 测试方法与标准
2.2.1 实测方法
目前，对织物屏蔽效能的测试一般采用平面材料的电磁辐射屏蔽效能测试方法，常用的有远场法、近场法和屏蔽室法，包括美国国家标准局使用的法兰同轴法和ASTM-ES-7同轴传输法。我国电子行业军用标准SJ 20524-1995《材料屏蔽效能的测试方法》中也采用法兰同轴法，可测试5 kHz～1.5 GHz频段材料的屏蔽效能。
到目前为止，国内外对电磁屏蔽效果的评价指标有2个，即屏蔽效能（SE） 和衰减率（%）。屏蔽效能通过测量出有屏蔽材料与无屏蔽材料时所能接受的功率之比、场强之比，以对数形式表示，即SE=10 1g(P1／P2 )= 10 1g(E1／E2)，式中：SE为织物的屏蔽效能(dB)；P1为织物屏蔽前测得的功率；P2为织物屏蔽后测得的功率；E.为织物屏蔽前测得的场强；E2为织物屏蔽后测得的功率，衰减率=(1-10-SE/10)×100％。
2.2.2 估算方法
忽略织物缝隙、孔洞等因素，同时根据电磁屏蔽原理得到了计算屏蔽效能SE的相关公式，当SE值在10 dB以上时，B值因过小可忽略不计，因此，公式可整理为：
式中，P为屏蔽材料的比电阻（Ώ·cm)；f为电磁波的频率(MHz)；t为屏蔽材料的厚度(cm)。可以看出，f、t一定时，P越小，即屏蔽层导电性越好，SE值越高，屏蔽效果越好[5]。根据GB／T 23463-2009《防护服装一微波辐射防护服》屏蔽效能的电磁波频率范围为300MHz～300 GHz，适用于采用金属纤维混纺、织物金属化加工等方法生产的反射型微波辐射防护服，也适用于采用吸波材料衰减微波辐射的吸收性微波辐射防护服。此标准按照屏蔽效果高低划分为3个等级，如表1所示。
|
表1 微波辐射防护服的防护等级 |
|
|
同时，适用于鉴定添加金属纤维的针织面料为主要材料制成的适合于民用穿着的防辐射针织品的国家标准GB／T 22583-2009《防辐射针织品》明确规定，屏蔽效能必须≥ 95％ (电磁波频率范围10MHz-3 000 MHz)。
3 国内外防电磁辐射纤维及其纺织品
3.1 金属纤维
金属纤维具有最高的导电率，优良的耐热、耐化学腐蚀性，其柔软性、纤度也接近一般纤维。最早的防电磁辐射纤维当属美国Brunswick公司生产的金属纤维Brunsmet的不锈钢纤维。其后，出现以腈纶、粘胶纤维、沥青为原料的碳纤维。20世纪60年代以来，人们不断开发有机导电纤维，利用炭黑或者金属化合物，通过涂敷或与成纤高聚物共混、复合纺丝等方法制成导电性能优良的纤维。20世纪80年代，美国杜邦公司和孟山都公司、日本东丽公司等先后开发研制出同心圆状皮芯型复合导电纤维Antron Ill、片芯圆形复合导电纤维锦纶6“Ulton”、海岛型导电腈纶“SA-7”（LUANA)。进入20世纪90年代，随着聚苯胺、聚噻吩等导电高分子聚合物的相继问世，利用这些高聚物制备导电纤维越来越受到人们的关注[6]。
与镍、铜、铝等金属纤维相比，不锈钢纤维在可纺性、使用性和经济性等方面均具有优越性[7]。不锈钢纤维混纺织物在低频段主要应用于防静电领域，在10 MHz～10 GHz频率范围内主要用于防电磁辐射[8]。Holatary公司用Nomax Ⅲ和不锈钢纤维(25％)混纺后与棉纱交织生产的射频防护服，其不锈钢纤维用棉／聚酯纤维包裹，在2 MHz～10 GHz范围内的屏蔽效能达60 dB，用于直接从事电磁波作业及间接受电磁波影响的人员以及带有心脏起搏器等对电磁辐射敏感的人群[9]。
姜伟[10]对防微波辐射混纺织物的生产工艺与性能测试进行了研究，采用金属纤维混纺纱织制了3种不同织造工艺的混纺织物，试验结果表明：平纹机织物防微波辐射效果好于斜纹组织；织物的屏蔽效能随着金属纤维含量的增加而增大，但是当超过一定的比例之后，织物的屏蔽效能反而减小。
3.2 金属镀层涂覆金属盐纤维
采用金属络合物、金属氧化物等处理聚合物纤维，将金属覆盖在合成纤维上，沉积0.02～2.50 µm的金属层，使纤维比电阻降到10-2～10-4Ώ·cm。
3.2.1 金属镀
Texmet是意大利Intitnto Guide Donegalli公司开发的金属涂层纤维，是以腈纶为非导电成分的主体聚合物，通过化学沉积法制备，对纤维表面预处理后再镀铜和镍双金属层。这种纤维的金属层与主体聚合物之间抱合力好，基本保持了腈纶的手感和柔软性，纺织加工性能良好，已成功用于造纸工业、纺织工业、非织造布工艺过滤和屏蔽材料以及制造复合材料[11]。日本住友公司在聚酯纤维上镀以铜、镍和铝3种金属合金，开发出了与单一金属层相比，更好地保持原纤维柔软性和手感的防电磁辐射纤维[12]。
3.2.2 化学镀
化学镀金属法是将纤维或者织物通过还原置换法将金属离子还原成原子或者分子沉积在织物表面形成金属膜，这种方法制得的织物手感柔软、透气性好、屏蔽性能良好，其中镀银与镀铜织物占较大比重。但是该种方法对环境会产生一定的污染[13]。
日本大阪的Daiwabo公司推出了一种柔韧性好且能经受普通纺织加工的金属涂层纤维Metax。Metax纤维利用一种连带催化剂的化学镀层技术制得[14]。日本Kanebu纤维公司开发了一种X-Age电磁波屏蔽材料，是用非电解法将银镀到锦纶纤维上。该纤维制成的织物手感柔软、耐洗涤性好，还有抗菌和抗静电作用，有较好的实用价值[5]
乌军锋[15]等为了得到具有电磁波防护功能的涤纶织物，采用次亚磷酸钠为还原剂在涤纶织物上进行化学镀铜处理，在对涤纶织物进行预处理时，探讨了粗化、活化、解胶、还原等工艺阶段并进一步优化，在此基础上进行纳米技术复合镀试验，并对织物的镀层结合力、电磁波屏蔽效能进行了测试，结果表明，采用该方法得到的镀铜涤纶织物镀层覆盖均匀，光泽较好，电磁波屏蔽效能可达60 dB以上。
3.2.3 金属复合镀
为了克服单一金属镀层的各种缺点，许多学者和企业研究开发了金属复合化学镀工艺。刘荣立[16]等采用改进的化学镀配方，在涤纶织物表面先镀银后镀镍，试验表明，随着镀层厚度的增加，电磁波屏蔽效能逐渐增大。镀银一镍双层织物的电磁波屏蔽效能明显好于单层镀镍织物，且镀层的致暂陛和金属成分对电磁波屏蔽效能影响显著。
楚克静[17]等在已镀铜的涤纶织物E电镀锡镍合金，优化电镀锡镍合金工艺参数，在最佳工艺条件下制得一种表面光滑、致密均匀的柔性电磁屏蔽织物，且具有良好的电磁屏蔽性能。
Gan X、Wu Yatin[18]等通过在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)纤维织物表面上化学镀铜后再化学镀镍-磷合金，并深入探讨电镀工艺参数对面料特性的影响，得到的织物具有良好的导电性和耐环境腐蚀性。屏蔽效能较好，在最佳工艺条件下，织物的屏蔽效能在100 MHz～20 GHz频率范围内超过85 dB。
3.2.4 磁控溅射镀膜法
磁控溅射是一种新型的织物表面涂覆金属技术，可以镀上所需要的不同厚度的金属层。该方法镀层的附着力良好，成本低廉，克服了化学镀的污染[19]。
江南大学[11]采用物理气相沉积技术—— 磁控溅射法，以银为靶材，在非织造基材上沉积纳米银薄膜，在达到一定厚度的金属薄膜后，织物的导电性能随着膜厚的增加而增强，此方法对环境不产生任何污染，能够赋予织物良好的导电、防紫外线、防电磁辐射等功能。
山东天诺光电材料有限公司[20]采用真空磁控溅射在涤纶织物上镀金属镍，然后电镀上金属铜和镍。样品具有良好的导电性、耐磨性和附着力，在1 kHz～40 GHz频率范围内的电磁屏蔽性能达到70 dB以上，可以广泛应用于各领域下的屏蔽需要。
王国轩[21]等以钛金属为靶材，锦纶长丝织物为基材，采用磁控溅射工艺制备钛金属，通过对结构和结合牢度等性能的测试分析，掌握了影响镀膜质量的因素。
3.3 多离子纤维
多离子纤维织物的特征：织物的纤维中含有质量分数(以纤维质量为1计)为0.2％～5％的银离子、1.4％～29％ 的铜离子、0.2％～3％ 的镍离子、0.4％～8％的铁离子。多离子织物具有柔软舒适、色泽均匀、除臭、抗菌性强、耐洗等优点，由其制作的防护服不仅具有可靠的安全防护性，同时具有优良的服用性。
孙世濂[22]等发明的多离子纤维提供了一种多离子纤维织物及其制备方法，这种纤维织物既具有防电磁辐射功能，又有抗菌功能。该纤维织物具有以下各种优点：采用常压逐步进行，流程短、节能、生产效率高；采用价格低廉且来源广泛的离子溶液提供离子物质；在2.45 MHz～10 MHz频率范围内，屏蔽效果达到12-18 dB，具有抗静电抗菌功能；采用腈／棉纤维，聚丙烯腈上的氰基借助螯合剂和铜离子生成螯合物，棉纤维便于离子渗透以提高离子与纤维的结合牢度和导电性能。
杨鹏[23]通过改变凝固浴中金属离子的种类，利用湿法纺丝制备海藻酸铜纤维，纤维中大量铜离子的存在使得此种纤维可以作为防电磁辐射、抗静电和抗菌的新型多离子纤维，可以广泛应用于民用低频防电磁辐射衣物和纺织品。
3.4 纳米吸波材料
目前，将纳米材料应用于电磁屏蔽正在成为研究热点。纳米吸波材料是将纳米级的导电纤维或者纳米粉体织入织物或对织物进行涂层整理制得。该类织物利用纳米吸波剂对入射到织物表面的电磁波进行能量吸收、衰减，再将电磁能量转换为热能而消耗掉或电磁波因干扰而消失，达到防电磁辐射目的。纳米材料以其独特的吸波机制在电磁防护领域显示 巨大的优势，此类产品质量轻、厚度薄、吸波的频带宽、吸收能力强，可避免环境的二次污染。
胡春艳[24]等探讨了纳米三氧化二铁粉体防电磁波辐射整理剂的制备，由于纳米晶粒自身具有优良的吸波性能，采用具有防电磁波作用的纳米粉体Fe2O3制成稳定的整理剂对织物进行整理，研制 了吸波能力强、质量轻、耐水洗的防电磁波辐射整理剂。
此外，还有许多其他加工方法，比如，天津工业大学的研究生以高聚物为基体，通过添加不同的无机粒子熔融纺丝制得皮芯复合多频段电磁波防护纤维。随着金属粉体含量的增加，纤维的导电效果逐渐增加[25]；齐鲁 等将多种无机材料组成的屏蔽剂和聚丙烯基材(PP)采用熔融纺丝方法纺制得屏蔽电磁波纤维，随着屏蔽剂含量的增加，对电磁波的反射衰减性能增加，具有一定的屏蔽电磁波效果。
4 结论
从电磁屏蔽材料的研究发展过程来看，传统的电磁屏蔽材料与吸波材料单方面主要强调的是强反射、强吸收效果，而新型的材料则大多采用复合技术，突出质量轻、频带宽和综合性能好的特点，因此，开发可防护多频段、智能型的电磁屏蔽材料必将成为日后的重点。最新的利用纳米材料和相关纳米工艺提高材料的综合电磁屏蔽效能，可以使其具有独特的性能，因此，纳米材料和纳米技术在电磁屏蔽方面具有较高的研究价值，必将是当代屏蔽材料的发展方向之一。
参考文献：
[1] 刘文魁，庞东.电磁辐射的污染及防护与治理[M].北京：科学出版社，2003.
[2]张淑琴，张彭.电磁辐射的危害与防护lJJ.工业安全与环保，2008，34(8)：30-3 1.
[3] 马晓光，刘越，崔河.防电磁波辐射纤维的发展现状及工艺设计探讨IJ1.合成纤维，2002(1)：14-16.
[4]伏广伟，湛权.民用防电磁辐射服装的开发及屏蔽效能评价[J].纺织导报，2010(1)：88-90.
[5] 赵家祥，等.医用功能纤维[M].北京：中国石化出版社，1 996：279-289.
[6]赵择卿，陈小立.高分子材料导电和抗静电技术及应用[M].北京：中国纺织出版社，2006.
[7]XU
Ling-yumYU Zhen-huang．Nonwovens[J]．2009，17(1)：11．
[8]王建忠，朱纪磊．等．电磁辐射及其防护材料[J]．材料导报，2013,27(4)：51-54，62．
[9]周建芳，顾平，王国和．防电磁辐射织物的现状及开发趋势[J]．现代丝绸科学与技术，2010(3)：30-32．
[lO]姜伟．李义有，王琴云．金属纤维混纺织物防微波辐射性能分析[J]．棉纺织技术，2008，36(6)：21-23．
[11]Fiber to absorb eIertrnmagnetiP
radiation from eleclronic devices[J ]．High Periormanee Textile，1998．
[12]刘立华，王文祖．电磁辐射与防电磁辐射的纤维及服装[J]．北京纺织，2000,2l(6)：28-29．
[13]洪剑，王鸿博．非织造布磁控溅射镀银的导电和抗紫外性能[J]．印染，2008(6)：lO-12．
[14]刘立华，王文祖．电磁辐射及防电磁辐射纤维及服装[J]．北京纺织，2000．2l(6)：28-30．
[15]乌军锋，冯翊．防电磁波辐射涤纶织物的开发及性能研究[J]．上海纺织科技，2009,37(5)：46-48．
[16]刘荣立，张辉，罗珊．涤纶织物银-镍双层化学镀研究[J]．天津：工业大学学报，2008，27(2)：36-39．
[17]楚克静，王炜．锡镍合金柔性电磁屏蔽材料的研制[J]．材料开发与应用．2008(6)：16-19．
[18]GAN X，WU
Ya-ting，LIU Lei．Electroless
plating of Cu-Ni-P alloy on PET fabrics and effect of plating parameters on the
properties of conductive fabrics[J!．Journal of Alloys
and Compounds，2008．
[19]魏宁，沈勇，等．电磁屏蔽织物的发展现状及研究方向[J]．上海纺织科技，2010．38(2)：10-16．
[20]余凤斌，夏祥华，等．电磁屏蔽织物的制备及性能表征[J]．电镀与涂饰．2008．27(6)：34-38．
[21]王国轩，郭兴峰，肖惠．磁控溅射镀膜锦纶织物结合牢度的研究[J]．天津工业大学学报，2010,29(5)：46-49．
[22]孙世濂，陈青鹏．多离子纤维织物及制备方法：中国，l343809[P]．2002-04-10．
[23]杨鹏，夏延致，等．新型海藻酸铜纤维的制备和性能研究[J]．化工新型材料，2008,36(9)：34-36．
[24]胡春艳，王树根，贾桂芹．棉织物纳米材料防电磁波辐射整理剂的研究[J]．印染助剂，2005,22(8)：25-27．
[25]贾华明．多频段电磁波防护纤维的研究[D]．天津：天津工业大学，2005．
[26]齐鲁，于斌．等．屏蔽电磁波纤维材料的研究[J]．天津工业大学学报，2004，23(4)：l8-20．