镀银导电纱及石墨涂层对织物电磁屏蔽性影响yd20905

王秀玮1，2 刘皓1 1、天津工业大学纺织学院，天津300387；2、天津天宝创业投资有限公司，天津300041

收稿日期2017年1月1日

作者简介：王秀玮(1978-)，女，硕士研究生，办公室主任。主要从事纺织企业投资管理的相关工作。

通讯作者：刘皓(1977-)，男，副教授。Email：28231821@qq.com。

原载：天津纺织科技2017/3；28-32

【摘要】针对电磁辐射污染问题：棉、莫代尔纱线(CM)，镀银导电纱线(SP)，涤纶、棉纱线(PC)和涤纶长丝(PF)四种纱线被用于织造13种织物 其中8种织物表面被进行石墨涂层处理，矢量网络分析仪被用于研究不同比例镀银纱线和不同结构涂层织物的电磁屏蔽效能。试验结果显示，具有均匀银镀层的商业梭织物和针织物的电磁屏蔽效能在100 MHz~3 GHz频率范围内分别为65.3 dB和57.4 dB.波动幅度为6.8 dB和5.0 dB 镀银纱线织物的表面电阻随着镀银纱线的含量的增加而降低.电磁屏蔽效能随着镀银纱线含量增加而增加.镀银纱线织物的电磁屏蔽效能的波动幅度最大为38.6 dB CM+PC石墨涂层织物和CM+PF石墨涂层织物的表面电阻在20 kΩ／cm到40 kΩ／cm之间。其最大的电磁屏蔽效能分别为1.1 dB和4.2 dB。

【关键词】镀银织物：镀银纱线；电磁屏蔽效能；石墨涂层

【中图分类号】TS 195.6 文献标志码：B

随着无线通讯技术的快速发展.越来越多的电子产品进入人们的日常生活和工业领域中，电磁辐射已成了一个重要的污染，长期处于电磁污染的环境中有可能对人们的身体健康造成重大的危害。戴玉婷等对电磁屏蔽材料的类型、研究现状、应用前景等进行了综述.国内对于电磁屏蔽材料的研究比发达国家落后，主要表现在开发应用的品种较少，屏蔽性能低，未形成产品的系列化和产业化，国内用的高档电磁屏蔽材料主要依赖进口[1]。导电材料具有对电磁信号的吸收作用，因此能够用于磁屏蔽。一些研究人员将不锈钢纤维材料与其他纱线合股或者混纺得到导电纱线，并且将具有导电性能的纱线织入织物中，研究不锈钢纤维含量对织物屏蔽效能的影响[2-5]。银镀层不仅具有良好的抗菌性，而且具有良好的导电隆，因此，研究人员研究银镀层织物[6]、银镀层复合材料[7]和银镀亚麻梭织物[8]的电磁屏蔽效能，并且研究银含量对电磁屏蔽效能的影响。HAN E G等[9]研究了催化剂和催化温度对镀铜织物电磁屏蔽效能的影响。SHEN Y等[10]、ZHAI W T等[11]、王立娟等[12]分别研究了表面有钯络合物织物、柔软镍复合泡沫材料和镀镍木材的电磁屏蔽效能。张志华等[13]研究了镁及镁合金材料的电磁屏蔽性能。除了对金属镀层和含金属纤维织物的电磁屏蔽性能研究外，研究人员也尝试了对氧化石墨烯复合材料[14]和导电高聚物材料[15-16]的电磁屏蔽性能进行了研究 XlAOH等[17]研究了镀银锦纶网织物的孔结构与电磁屏蔽效能之间的关系。LIU Z等[18]研究了织物的紧度、纱线中金属纤维含量、织造方式、纱线线密度等参数与织物屏蔽效能之间的关系。尽管研究人员在电磁屏蔽的织物、服装和复合材料的研究方面取得了很大进展，由于金属纤维的刚度大，其织物的服用性能较差。本文研究不同镀银纱线含量和不同结构石墨涂层织物的电磁屏蔽效能，为开发高效的柔软电磁屏蔽材料提供帮助。

1 试验材料与方法

1.1 材料

本文织造用的纱线有棉、莫代尔纱线(CM)，镀银导电纱线(SP )，涤棉纱线(PC)和涤纶长丝 (PF )，其密度分别为14.6、11.8、32.2和19.4 tex。为研究不同纱线对于织物的电磁屏蔽性能的影响，几种不同比例的纱线被用于制作屏蔽织物，其制作上机工艺参数为：梭织平纹，筘号110，每筘入数2，经纱密度220根／10cm，纬纱密度180根/10cm布样尺寸150mmx300mm。商业镀银针织物和镀银梭织物(青岛享通，中国)用于自制的织物对比。织物的纱线比例如表1所示。

表1 13种织物的纱线比例

石墨导电漆CRAMOLIN(德国)，比重为0.88 g／cm3 。将石墨涂料喷涂到上述CM+PC和CM+PF织物的正反表面，50℃烘箱内干燥30min，静置24h待其表面完全固化。

1.2 测试仪器和方法

Agilent 34410A型万用表(安捷伦，美国）被用于测量织物表面电阻，将10mmx45mm的铜片放置在织物表面，铜片间隔距离为10mm，每块织物被放置在不同的位置测量5次电阻值，以平均值作为其表面电阻。

屏蔽效能测量装置包括两个同轴适配器和一个矢量网络分析仪(德国)。法兰式同轴线的样品握持器的设计原理是基于传输线原理，试验材料被同轴握持器握持。

每种织物被制作出两组样品，第一组测量试样的直径为133mm的圆， 第二组测量试样为76 mm的圆环，和直径为33mm的圆。织物样品如图1所示。

图1 织物样品图

测量步骤：使用同轴传输线设备与网络分析仪测量出未加屏蔽时的数值并保存；使用同轴传输线设备与网络分析仪依次测量出每个类型织物的第一组和第二组样品数据并保存；数据处理，先分别将未加屏蔽时数值、第一组样品测量数据、第二组样品测量数据的模求出，模即每个试样的实部与虚部的平方和再开平方根。计算公式见式(1)。

SE_dB=20×lg( Eo/Ei) (1)

式中：SE为屏蔽效能；Eo为未加屏蔽时的模：Ei为该织物第i组样品测量数据的模

然后利用公式(1)分别算出第一组和第二组样品测量数据的和.该织物的最终电磁屏蔽效能SE采用公式(2)计算。

SE=SE1- SE2 (2)

通过测量几种不同试样在100 MHz～3 GHz范围内的电磁屏蔽效能,以观察试样对不同频率信号的屏蔽能力

2 结果与分析

由于镀银纱线比棉、莫代尔纱线的线密度小,因此随着镀银纱线含量的增加,织物厚度和平方米克质量减少,而织物表面电阻减少：镀银纱线的导电率远大于棉、莫代尔纱线。没有镀银纱线的棉织物的表面电阻超过了10⁹Ω／cm.随着镀银纱线含量的增加.表面电阻由0.72x10⁹Ω／cm下降到1.03Ω／cm 商业镀银梭织物的电阻小于镀银针织物的表面电阻。

商业镀银梭织物和镀银针织物的最大电磁屏蔽效能分别为65.3 dB和57.4 dB,在100 MHz到3 GHz的区间波动幅度分别为6.8 dB和5.0 dB。3：1，1：1，1：3 CM、SP织物和纯镀银纱线织物的最大电磁屏蔽效能分别为0.1、27.5、27.8、36.3和57.5 dB。随着镀银纱线含量增加,织物的屏蔽效能增加,尽管3:1的CM+SP织物的表面电阻远大于1:1 CM+SP织物,但是其屏蔽效能几乎相当。如图2所示。

图2 镀银织物和含不同比例镀银纱线织物的电磁屏蔽效能

在测量的频率范围内,自制织物的屏蔽效能的波动幅度较大,原因是镀银纱线在织物内部的分布有一定的间隙,当镀银纱线数量少的时候,镀银纱线的间隙越大,因此其屏蔽效能越差。总体说来，表面镀层的银织物比镀银纱线织造的织物的屏蔽性能更好,并且在不同频率范围内更加稳定,这是由于梭织物比针织物物更加紧密,表面银涂层的织物比由镀银纱线织造的织物的银镀层更加均匀和致密,因此对于电磁信号的屏蔽更加有效。镀银织物和含不同比例镀银纱线织物的相关性能见表2。

表2 镀银织物和含不同比例镀银纱线织物的基本性能和电磁屏蔽效能

在CM+PC织物和CM+PF织物中，随着PC纱线和PF的增加,织物的厚度和平方米克质量均增加，有石墨涂层的织物比没有石墨涂层的织物的厚度增加34～58µm，CM+PC织物的平方米克质量增加13～16 g,CM+PF织物的平方米克质量增加5～7 g这是由于涤纶短纤纱对于石墨溶液吸收比表面光滑的涤纶长丝要更好 CM+PC和CM+PF石墨镀层织物的表面电阻在20～40kΩ／cm之间,无石墨涂层的织物的电阻超过了109 kΩ／cm 涂层织物的增加厚度在32～50 µm之间。不同织物的性能见表3

表3 不同类型织物有无石墨涂层的各项性能

CM+PC石墨涂层织物和CM+PF石墨涂层织物的屏蔽效能要大于纯棉织物,但是CM+PC织物和CM+PF织物的最大屏蔽效能分别为1.1 dB和4.2 dB,由于PC纱线是短纤维纱线.石墨溶液能够被吸收到纱线的内部,石墨涂层在织物表面厚薄不均,因此其屏蔽效能比CM+PF石墨涂层织物要差,选用长丝织物涂层不仅需要的石墨溶液少,而且表面涂层更加均匀,屏蔽效能也更好些。

图3 石墨涂层织物的电磁屏蔽性能

图3中CM+PC石墨涂层织物和CM+PF石墨涂层织物的屏蔽效能在测量的频率范围内波动很大,这可能由于石墨微纳米颗粒在涂层薄膜内形成链条状的导电通路,在这些通路之外是非导电的高聚物,能够起到屏蔽作用的实际是一个网状结构体,因此尽管电阻比棉织物的电阻降低了很多,但是屏蔽效果并不理想。电磁屏蔽效能如表4所示

表4 不同类型织物的电磁屏蔽效能

3 结束语

这篇文章通过试验研究了不同类型织物的导电性和电磁屏蔽效能.试验结果显示了具有均匀银镀层的商业梭织物和针织物的电磁屏蔽效能分别为65.3 dB和57.4 dB.波动幅度分别为6.8 dB和5.0 dB 镀银纱线织物的表面电阻随着镀银纱线的含量的增加而降低.电磁屏蔽效能随着镀银纱线含量的增加而增加.不同比例镀银织物的电磁屏蔽效能在100 MHz～3 GHz频率范围内的波动幅度比银涂层织物更大 石墨涂层前后的CM+PC织物和CM+PF织物的平方米克质量显示由短纤维纱线织造的CM+PC织物比由长丝织造的CM+PF织物吸收的石墨溶液更多.CM+PC石墨涂层织物和CM+PF石墨涂层织物的表面电阻降低到20～40kΩ／cm之间.CM+PC石墨涂层织物和CM+PF石墨涂层织物的最好屏蔽效能分别为1.1 dB和4.2dB,这是由于石墨颗粒是均匀分散在涂层中,微纳米石墨颗粒能够相互连接形成网状的导电通路,使得织物的表面电阻显著降低,但是其屏蔽效能并没有明显提高。本文的研究结果能够为电磁屏蔽织物和服装的开发提供参考依据。

参考文献

[1]戴玉婷，王莉莉，荣新山，等.电磁屏蔽材料的研究进展[J].化工新型材料，2015，43(10)，24-26.

[2]DAS A，KRISHNASAMY J，ALA—GIRUSAMY R，et a1.Electromagnetic interference shielding effectiveness of SS／PET hybrid yarn incorporated woven fabrics[J].Fibers and Polymers，2014(1)：169-174.

[3]HWANG P W，CHEN A P，LOU C W .et a1.Electromagnetic shielding effectiveness and functions of stainless steel／bamboo charcoal conductive fabrics[J].Journal of Industrial Textiles，2014，44(3)：477-494.

[4]SHYR T W，SHIE J W.Electromagnetic shielding mechanisms using soft magnetic stainless steel fiber enabled polyester textiles[J].Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2012，324(23)：4127-4132.

[5]SAFAROVA V，MILITKY J.Electromagnetic shielding properties of woven fabrics made from high–performance fibers[J].Textile Research Journal，2014，84(12)：1255-1267

[6]MEHMET S E.EMEL O．Electroless silver coating on glass stitched fabrics for electromagnetic shiehling applications [J]．Textile Research Journal，2014．84(19)：2103-2114．

[7]1)ERUMALRAJ R，NARAYANAN K S．Nano silver conductive composite material for electromagnetic compatibility[J]．Journal of Reinforced Plastics and Composites，2014，33(11)：1000-1016．

[8]BALTUSNIKAITE J，VARNAITE Z S．RUBEZIENE V．et a1．Influence of Silver coated yarn distribution on electrical and shielding properties of flax woven fabrics[J]．Fibres & Textiles in Eastern Europe，2014，22(2)：84-90．

[9]HAN E G，KIM E A，OH K W．Electromagnetic interference shiehling effectiveness of electroless Cu-plated pet fabrics[J]．Synthetic MetalS，2001，123(1)：469-476．

[10]SHEN Y，ZHANG H F，WANG L M，et a1．Fabrication of electromagnetic shielding polyester fabrics with carbox，ymethyl ehitosan-palladium complexes activation[J]．Fibers and Polymers．2014(7)：1414-1421．

[11]ZHA1 W T，CHEN Y J．LING J Q，et a1．Fabrication of lightweight，flexible po1yetherimide／nickel composite foam with electromagnetic interference shielding effectiveness reaching 103dB[J]．Journal of Cellular Plastics，2014,50(6);537-550．

[12]王立娟,李坚,NaBH4前处理桦木化学镀镍制备木质电磁屏蔽复合材料[J]．材料工程，2010(4)：8l-85．

[13]张志华，潘复生，陈先华，等．镁及其合金的电磁屏蔽性能研究[J]．材料工程，2013(1)：52-57．

[14]HSIAO S T，MA C C M，LIAO W H．et a1．Lightweight and flexible reduced graphene oxide／water-borne polyurethane composites with high elec trical conductivity and excellent electro-magnetic、interference sldeldilig performance[J]．ACS Applied Materials & interfaces，2014(6)：10667-10678．

[15]AVLONl J，LAU R，OUYANG M．et a1．Polypyrrole-coated nonwovens for electromagnetic shielding[J]．Journal of Industrial Textiles，2008(8)：55-68．

[16]左桂兰,电磁屏蔽聚苯胺纳米纤维的电化学制备[J]．化工新型材料，2013，41(1)，64-66．

[17]XIAO H，SHI M W，WANG Q，et a1．The electromagnetic shielding and reflective properties of electromagnetic textiles with pores．planar periodic units and space structures[J]．Textile Research Journal，2014，84(16)：1679-1691．

[18]LIU Z，WANG X C．Relation between shielding effectiveness and tightness of electromagnetic shielding fabric[J]．Journal of Industrial Textiles，201 3，43(2)：302-316．