不锈钢电磁屏蔽织物的屏蔽效能

不锈钢电磁屏蔽织物的屏蔽效能闫鑫鑫;谢春萍;刘新金;苏旭中【摘 要】研究纱线结构和双层织物的排列方式对织物屏蔽效能的影响.采用新型 sirospun、sirofil-spun 和全聚纺,分别纺制相同线密度的涤纶/不锈钢长丝包芯纱 涤纶/不锈钢长丝包缠纱，以及T/S 80/20混纺纱，并采用上述纱线织制了 3种单层 平纹机织物,采用法兰同轴法对单层织物、同种纱线双层织物、不同纱线双层织物 及不同排列角度双层织物的屏蔽性能测试,结合电磁屏蔽理论对实验结果进行分析. 结果表明:所纺纱线密度相同时,包缠纱毛羽最少且强力最高,混纺纱的毛羽最多强力 最低;经纬纱均采用包芯纱织制织物时,其屏蔽效能最好;双层织物成45°交叉排列屏 蔽效能有所提高.期刊名称】《丝绸》年(卷),期】2018(055)010【总页数】6页(P35-40) 【关键词】 不锈钢短纤;不锈钢长丝;电磁屏蔽;纱线结构;纱线排列【作 者】 闫鑫鑫;谢春萍;刘新金;苏旭中【作者单位】 江南大学 生态纺织教育部重点实验室,江苏 无锡214122;江南大学 生态纺织教育部重点实验室,江苏 无锡214122;江南大学 生态纺织教育部重点实验 室,江苏 无锡214122;江南大学 生态纺织教育部重点实验室,江苏 无锡214122【正文语种】 中 文中图分类】 TS106.4 对于人体防护电磁辐射而言，穿戴具有防辐射功能的织物较为便利，研究及开发具 有电磁屏蔽性能的环保型织物逐渐得到了人们的青睐［1］。

有研究表明：对于一般 设备（频率在30 ~ 3 000 MHz）屏蔽效能在10-20 dB的材料即可达到屏蔽要求在众多屏蔽材料中，金属纤维或金属化纤维有较高的导电性和导磁性，且能与常规 纤维采用混纺、交织、并线、包芯、包缠的方法，制得防辐射织物［2］相比一般 屏蔽材料，不锈钢织物则屏蔽效能更加持久，且多次洗涤屏蔽效能不减［3］有关 不锈钢抗磁性纺织材料，国内外均有研究，其中从纱线出发探究其结构对织物屏蔽 效能的影响颇多，但是结论不尽相同K.B.Cheng［4 ］等探究了不锈钢纱线的结构、 织物的不同规格对织物屏蔽效能的影响，发现不锈钢丝与短纤纱织物的屏蔽效能高 于不锈钢短纤和铜丝混纺织物，纱支不同，屏蔽效能也有所差异肖倩倩［5］等认 为不锈钢包芯纱织物的屏蔽效能高于不锈钢混纺纱织物；钞杉［6］等认为相同不锈 钢含量、相同间距情况下，不锈钢混纺纱织物的屏蔽性能高于不锈钢包芯纱织物， 并验证了此结论与不锈钢纱线模型所得结论一致本文为了探究纱线的不同结构、 同种纱线双层织物、不同纱线双层织物及不同排列角度双层织物的屏蔽性能，采用 不同的纺纱方法，设计出 3 种纱线并制成织物，采用法兰同轴法测试其屏蔽效能 1实验1.1 原 料全聚混纺纱所用原料为涤纶/不锈钢短纤粗纱条（江苏省纺织技术研究所），混纺比 为80/20 ,其中不锈钢短纤的规格为直径8 pm,长度40 mm。

赛络包芯纱和赛 络菲尔包缠纱所用原料为316 L型不锈钢长丝（上海普盛金银丝纺织品有限公司）, 规格为直径30 pm,最大拉伸强力800 N/mm2，相对电导率0.023，电导率 1.12e6 s/m ，涤纶粗纱定量3.4 g/10 m1.2 设备QFA1528型全聚纺细纱机、QFA1528型细纱机（无锡第七纺织企业有限公司），乌 斯特兹HL400型毛羽测试仪（瑞士乌斯特技术有限公司），丫G068C全自动单纱强 力仪（苏州长风纺织机电科技有限公司），Agilent E5061A型矢量网络分析仪（美国 安捷伦科技有限公司）1.3 纱线的纺制在 QFA1528 型全聚纺细纱机上纺制 T/S 80/20 混纺纱全聚纺是紧密纺的一种， 它是在普通三罗拉牵伸皮圈的基础上，将前罗拉设计成直径为50 mm表面带窄槽 的空心罗拉全聚纺成纱毛羽少，生产稳定，并且对原料有很好的适应性在改造 的QFA1528型细纱机上纺制赛络包芯纱和赛络菲尔纱细纱机的改造：在 QFA1528型全聚纺细纱机的基础上加装单槽导丝轮装置，长丝退绕装置和张立盘 装置，单槽导丝轮装置可在摇架上左右移动，以便控制长丝喂入前罗拉的位置，并 通过工艺优化选出最佳包芯效果的纱［7］。

赛络包芯纱和赛络菲尔纱的纺纱原理如 图1、图2所示纺纱工艺配置如表1所示1-不锈钢长丝；2-导丝辊；3-导丝轮；4-涤纶粗纱；5-后罗拉；6-中罗拉；7-前 罗拉；8-吸风插件；9-阻捻胶辊；10-气流导向装置；11-前胶辊图1 赛络包芯纱 纺制原理 Fig.1 Spinning process of Siro-spinning core-spun yarn1-手动摇架；2-导丝轮；3-长丝张立盘；4-粗纱；5-前罗拉图2 赛络菲尔纱纺制 原理 Fig.2 Spinning process of the sirofil core-spun yarn 表 1 纺纱工艺 Tab.1 Spinning parameters线密度/tex罗拉隔距/mm细纱总牵伸/倍细纱捻系数隔距块/mm钢丝圈号数锭速/（r・min-1）2170x70x6017.70~ 47.093602.8069032/080001.4 不锈钢纤维织物的制备 实验所用的织物由全自动剑杆小样织机织造，经纬纱分别采用自制纱线，采用统一 的织机工艺参数，统一织制平纹织物分别采用YG141D织物厚度仪、SZT-2A 四探针电阻测试仪测量织物厚度及织物表面电阻。

织物的基本参数如表2所示， 为了便于描述给三块织物分别命名为1#织物、2#织物、3#织物表2织物基本参数Tab.2 Basic parameters of fabrics样布编号平均厚度/mm所 用纱线经密/（根•10cm-1）纬密/（根・10cm-1）织物总紧度/%织物体积电阻率 /（Qcm）1#0.320 全聚混纺纱 273.7263.769.8220.882#0.322 赛络菲尔包缠纱 273.7263.769.8210.033#0.335赛络包芯纱273.7263.769.8211.431.5 纱线及织物性能测试方法1.5.1 纱线性能测试温度为20 °C,相对湿度为（65±2）%纱线毛羽测试：采用乌斯特兹HL400型毛羽测试仪，测试纱线毛羽，设置测试纱 线长度为1 000 m,并分别记录100 m纱线的1、2、3、4、6、8 mm毛羽数纱线强力测试：参照《纺纱实验教程》纱线强力测试方法，采用YG 068C全自动 单纱强力仪测试纱线强力测试时选用上下夹头夹持距离50 cm，预加张力0.5 cN/tex，下降速度50 cm/min，每种纱线测试40次，取平均值1.5.2 织物性能测试温度为23 C,相对湿度为50% ~70%。

屏蔽性能测试：采用法兰同轴法，Agilent E5061A型矢量网络分析仪、频谱分析 仪、TS0210A1型网络衰减器测试织物的屏蔽性能为了提高测试的准确性、减 少误差,采用多次实验并取平均值本实验采用每块样布取5个不同位置的试样 （避开布边）,分别测试 5 次,取平均值测试时将试样放置于同轴小室的法兰之间, 之后和矢量网络分析仪连接，如图3所示参考ASTM D 4935—2010《测量平 面材料的电磁屏蔽效应的试验方法》及QJ 2809—1996《平面材料屏蔽效能的测 试方法》图 3 法兰同轴示意 Fig.3 The coaxial diagram of flange织物电阻率测试：采用SZT-2A四探针电阻测试仪，仪器预热30 min，然后将4 cmx4 cm的织物放置于四探针平台上，探针间距为1 mm，保证探针所有针尖与 织物良好接触，并调节SB118的电流输出量程为1 mA2 结果与分析2.1 纱线性能分析 三种不锈钢纤维纱的基本性能测试结果如表3所示由表3可以看出，对于不同 结构的纱线，不锈钢混纺纱毛羽最多，长丝包芯纱次之，包缠纱毛羽最少毛羽形 成的原因之一：在加捻三角区中，由于纤维的几何位置和纺纱张力的不同，导致一 根纤维从外到内、再从内到外发生多次转移，当纤维头端被挤出后，由于没有张力 和向心压力的作用，纤维就停留在纱的表面形成毛羽。

在混纺纱中不锈钢和涤纶均 以短纤维的形式存在，纤维之间摩擦加剧，内外转移次数增多，毛羽增多包缠纱 中不锈钢长丝包裹在涤纶纤维的外部，对涤纶纤维在纱表面形成的毛羽起到包缠贴 服作用，因此，包缠纱毛羽最少而包芯纱中，只有涤纶短纤裸露在纱线表面，不 锈钢以长丝的形式存在于纱芯，在一定程度上，纱芯的存在对涤纶纤维的加捻三角 区有一定破坏，使毛羽增加表3纱线基本性能Tab.3 Basics properties of yarn纱线品种强力/cN断裂伸长 率/%3mm以下毛羽根数/（根•lOcm-l）赛络菲尔包缠纱792.4212.43576.6赛络包 芯纱708.159.36834.7全聚混纺纱572.719.651078.4 由表3还可知，包缠纱强力最高，断裂伸长最大，这是因为不锈钢丝以螺旋的形 式包缠在涤纶纤维表面，其强力利用系数达到最大；对于包芯纱，不锈钢长丝的加 入会破坏纤维之间的抱合力，使纱线强力降低对比包芯纱和混纺纱强力，可以看 出包芯纱的强力高于混纺纱，这主要与纤维的形态和成纱方式有关不锈钢长丝连 续性好，刚性大，承担拉力大，而不锈钢短纤和涤纶短纤抱和力差，强力相对较低 包芯纱和混纺纱的断裂伸长率相差不大。

由拉伸理论分析可知，在拉伸时纱条中心 的长丝纤维首先被拉断，接着剩下的长丝继续断裂，此时涤纶纤维仍处于抽拔滑移 过程，并未达到最大断裂伸长，因此包芯纱中的不锈钢长丝对纱体的断裂伸长影响 不大［8］，又因为纱线特数和捻度相同，故断裂伸长相差不大2.2 织物屏蔽性能分析2.2.1 纱线种类对屏蔽效能的影响 不同纱线结构织物的电磁屏蔽效能，如图4所示图4不同纱线结构织物的电磁屏蔽效能Fig.4 Electromagnetic shielding effectiveness of fabrics with different yarn structures由图4可知，频率在0~1 500 MHz时，包芯纱和包缠纱织物电磁屏蔽效能的峰 值往往在20 dB以上，而混纺纱织物的电磁效能峰值却难以达到20 dB,限制了 混纺纱织物的使用范围在混纺纱中不锈钢短纤和涤纶纤维充分混合，此时不锈钢 以非连续的方式存在于纱体中，电阻值高，且质量不匀率大，导致不锈钢短纤分布 不均匀，使纱线沿轴向缺乏有效的电连接因此，包芯纱织物的屏蔽性能高于包缠 纱织物当把织物看成含有网孔的屏蔽体时，孔隙则影响织物的屏蔽性能织物形 成的孔或缝相当于一个矩形波导管，波导的截止频率主要与孔隙的线径大小有关， 线径越大，波导的截止频率越低，当电磁波频率达到截止频率时，则无屏蔽性能 ［9］。

包缠纱中长丝缠绕在涤纶纤维的外侧，所形成的孔或缝相比包芯纱更大一些， 所以包缠纱织物的屏蔽性能更弱2.2.2 双层织物的排列角对屏蔽效能的影响 为了探究双层织物的排列角对织物屏蔽性能的影响，采用1#和2#织物、1#和3# 织物、2#和3#织物、1#和1#织物、2#和2#织物、3#和3#织物两两叠合，分别 测试在0°、45°、90°排列角度下的屏蔽性能，如图5所示由图5可以看出，当两块织物成45°排列时，织物的屏蔽性能最好一方面是因为 45°交叉排列织物中，经纬纱纵横交错，形成的网格孔隙最小；另一方面，在测试 时，电场和磁场在样品圆形平面沿半径方向均匀分布，而45°排列的织物在4个方 向上均有不锈钢纱线，导致入射到织物上的电磁波垂直分量增加，电磁屏蔽效能增 强当织物成0°、90°排列时，屏蔽效能相差不大，这是因为垂直（平行）交叉的织 物可以屏蔽掉互相垂直的电场和磁场［10］采用Matlab双因素方差分析方法对上述织物的电磁屏蔽性能进行分析［11］在 0~1 500 MHz频段对织物两两交叉排列的排列方式和纱线结构进行双因子方差 分析分析时，在 0~1 500 MHz 内取 200、400、800、1 000、1 200、1 400 MHz的织物屏蔽效能平均值。

返回值P大于a时，假设成立，因子之间无显著差 异，设定a为0.050~1 500 MHz双因子方差分析结果见表4表4双因子方差分析Tab.4 Two-factor analysis of variance方差来源偏平方和 自由度方差P值列因子16.58323.900.0559行因子805.167575.780由表4可以看出，0~1 500 MHz双因子方差分析所得P值分别为0.055 9、0, P1大于0.05 , P2小于0.01,说明列因素有差异、行因素有显著差异即在0~1 500 MHz内纱线的结构对织物屏蔽性能的影响较为显著，排列角对其影响较小 3结论 对不同结构的纱线和不同排列方式的电磁屏蔽织物进行细微分析,多角度出发找出 影响屏蔽性能的因素,探究各因素与屏蔽效能的相关性1） 通过不同的纺纱方法,得到赛络包芯纱、赛络菲尔包缠纱和全聚混纺纱三种纱线 在相同纺纱工艺条件下,不锈钢混纺纱毛羽最多强力最低,长丝包芯纱次之,包缠 纱毛羽最少强力最高2） 当织物中不锈钢含量、经纬密、紧度等参数相同时,包芯纱织物屏蔽效能最好 这是因为包芯纱织物形成的孔隙相对较小由孔隙导磁可知,孔隙越小,屏蔽性能 越好；又因为包芯纱中不锈钢是连续的,导致其电阻值相对较低。

图5不同排列方式的织物电磁屏蔽效能Fig.5 Electromagnetic shieldingeffectiveness of yearns with different arrangement3）织物中不锈钢纱线的排列方式对其电磁屏蔽效能影响规律较为明显当两块织物 成45°交叉排列时，织物在4个方向上均含有不锈钢纱线，形成的网格最密此时 电磁波垂直分量增加，织物对电磁波的反射量增加，屏蔽效能增强参考文献：【相关文献】[1] 刘君妹，贾立霞•不锈钢长丝排列对复合板材电磁屏蔽效能影响[J].棉纺织技术,2017, 45(7): 19- 22.LIU Junmei, JIA Lixia. Effect of stainless steel filament arrangement on electromagnetic shielding effectiveness of composite board [J]. Cotton Textile Technology, 2017, 45(7): 1922.[2] 肖红,施楣梧.电磁纺织品研究进展[J].纺织学报,2014, 35(1): 151-157.XIAO Hong, SHI Meiwu. Research progress on electromagnetic textiles [J]. Journal of Textile Research, 2014, 35(1): 151-157.[3] 秦燕萍，王岩，刘海英,等.不锈钢纤维混纺织物防辐射性能研究[J].棉纺织技术,2015, 43(11): 29-32.QIN Yanping, WANG Yan, LIU Haiying, et al. Radiation protection study of stainless steel blended fabric [J]. Cotton Textile Technology, 2015, 43(11): 29-32.[4] CHENG K B,CHENG T W,LEN K C, et al. Effects of yarn constitutions and fabric specifications on electrical properties of hybrid woven fabrics [J]. Composites, 2003(34): 971-978.⑸肖倩倩，张玲玲,宿霞菲•含不锈钢纤维织物电磁屏蔽效能影响因素研究[J].丝绸,2010(2): 26-30.XIAO Qianqian, ZHANG Lingling, SU Xiafei. Study on influencing factors of electromagnetic shielding effectiveness of fabric with stainless steel fibers [J]. Journal of Silk, 2010(2): 26-30.⑹钞杉•含金属纤维电磁屏蔽纺织品屏蔽效能的影响因素研究[D].上海:东华大学,2014: 41-47.CHAO Shan. The Influence Factor of Shielding Effectiveness of Electromagnetic Shielding Textiles Containing Metal Fibers [D]. Shanghai: Donghua University, 2014: 41-47.[7]曹梦龙，徐伯俊，谢春萍,等.基于sirofil-spun新型花式纱的纺制及性能分析[J].丝绸,2016, 53(6): 1-5.CAO Menglong, XU Bojun, XIE Chunping, et al. Spinning of new fancy yarn based on the sirofil-spun and its performance analysis [J]. Journal of Silk, 2016, 53 (6): 1-5.[8] 汝强，胡社军,胡显奇，等.电磁屏蔽理论及屏蔽材料的制备J].包装工程,2004⑸:21-23.RU Qiang, HU Shejun, HU Xianqi, et al. Electromagnetic shielding theory and the preparation of shielding material [J]. Packaging Engineering, 2004(5): 21-23.[9] 施楣梧，王群.电磁功能纺织材料[M].北京:科学出版社,2015: 153-159.SHI Meiwu, WANG Qun. Electromagnetic Functional Textile Materials [M]. Beijing: Science Press, 2015: 153-159.[10] ORTLEK H G, SARACOGLU O G, SARITAS O, et al. Electomagnetic shielding characteristics of woven fabrics made of hybrid yarns containing metal sire [J]. Fibers and Polymers, 2012(13): 63-66.[11]郭萍•双因素方差分析的应用及Matlab实现J].长沙大学学报,2014, 28(5): 138-140.GUO Ping. Application of two factor analysis of variance and its realization with Matlab [J]. Journal of Changsha University, 2014, 28(5): 138-140.。