海藻酸鈣纖維電磁屏蔽性能的探究

王建坤，鄧 浩

（1.天津工業(yè)大學紡織學部，天津 300387；2.天津工業(yè)大學先進紡織復合材料教育部重點實驗室，天津 300387）

海藻酸鈣纖維電磁屏蔽性能的探究

王建坤1，2，鄧 浩1，2

（1.天津工業(yè)大學紡織學部，天津 300387；2.天津工業(yè)大學先進紡織復合材料教育部重點實驗室，天津 300387）

采用比電阻儀、介電譜儀和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等不同測試手段對海藻酸鈣及其混紡織物的體積比電阻、電導率、屏蔽效能等方面進行測試，并對海藻酸鈣纖維的電學性能及其混紡織物在不同頻率下的屏蔽效能進行測試表征.結(jié)果表明：海藻酸鈣纖維的體積比電阻為971.04 Ω·cm，具有良好的電學性能，不同含量的海藻酸鈣纖維/棉混紡織物的防電磁輻射性能也優(yōu)于普通粘膠纖維和棉纖維織物.

海藻酸鈣纖維；電磁輻射；屏蔽效能；電導率；比電阻

隨著電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，電磁輻射也已成為現(xiàn)代生活的隱形殺手.為減少和避免電磁輻射對人體造成的傷害，電磁屏蔽織物的需求將越來越大，研究與開發(fā)具有良好屏蔽效能的電磁屏蔽材料越來越得到公眾的關(guān)注.國內(nèi)外現(xiàn)已研制出用涂層法、電鍍法及復合紡絲法制造的電磁屏蔽織物[1].防電磁輻射纖維與普通纖維混紡或交織，然后通過機織或者針織織造工藝生產(chǎn)而成的織物具有良好的服用性能，且電磁屏蔽效果耐久性持久，市場上也較為多見[2].海藻纖維是一種新型環(huán)保可再生資源，具有優(yōu)異的吸濕透氣性、抗菌性和阻燃作用[3-4].其中含有大量羧基和羥基，這些基團與二價鈣離子結(jié)合后形成的海藻酸鈣纖維中，Ca2+與多個氧原子發(fā)生鰲合作用形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，稱之為“蛋盒”結(jié)構(gòu)[5-6].海藻纖維對金屬離子具有良好的吸附性能，能與多價金屬離子形成配位化合物，起到電磁屏蔽和抗靜電的作用[7].海藻纖維通常以海藻酸鈣的形式出現(xiàn)，因此，有必要對海藻酸鈣纖維的電磁屏蔽性能進行測試與分析，本文對海藻酸鈣纖維的電學性能、電磁屏蔽效能進行了測試分析.以期全面了解海藻酸鈣纖維及其紡織品的電磁屏蔽性能，為開發(fā)該類產(chǎn)品提供參考.

1 實驗部分

1.1 實驗材料儀器

實驗材料：本文采用青島海藍公司提供的海藻酸鈣纖維，其主要性能指標見表1.

實驗儀器：BDS50寬頻介電譜儀（3 μHz～40 MHz），德國Novocontrol Technologies GmbH生產(chǎn)；ZNB型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（10 MHz～40 GHz），德國 Rohde&Schwarz公司生產(chǎn)；YG321纖維比電阻儀，常州市第一紡織設(shè)備有限公司生產(chǎn)；YG141LA型織物厚度儀，萊州電子儀器有限公司生產(chǎn).

表1 海藻酸鈣纖維主要性能指標Tab.1 Main properties of calcium alginate fibers

1.2 試樣規(guī)格與測試方法

1.2.1 體積比電阻

采用纖維比電阻儀測試纖維的體積比電阻：將30 g以上纖維放置在恒溫恒濕室進行調(diào)濕，溫度設(shè)定為20.88℃，相對濕度為63.43%，使纖維達到吸濕平衡，從已達吸濕平衡的纖維中隨機稱取15 g纖維2份，根據(jù)GB/T14342—1993規(guī)定測出電阻值.

1.2.2 低頻導電率

本次實驗在恒溫恒濕室條件下進行測試，采用德國Novocontrol GmbH公司生產(chǎn)的Novocontrol Technologies Alpha-A High Performance Frenquency Analyzer，即介電譜儀[8]，測試織物在低頻段（0～20 MHz）的電導率：織物的孔隙結(jié)構(gòu)和交織點能夠改變電磁波在材料內(nèi)部的傳播路線，使入射電磁波在材料內(nèi)部通過一系列的散射和反射吸收過程得到最大的損耗[9].為使試驗結(jié)果更具可比性，在織造試樣中均采用28 tex的海藻酸鈣/棉混紡紗線在劍桿織機上織造，織物組織均為平紋組織，經(jīng)密均為200根/10 cm，根據(jù)介電譜儀的電極板尺寸，將織物剪成直徑為30mm的圓形試樣.為了保證試樣厚度，每個測試試樣由多塊圓形試樣疊在一起放入儀器的上下兩個極板之間進行測試，并對試樣的厚度進行測量，以便于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析與計算[10-11].試樣材料規(guī)格與結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2.

表2 混紡織物基本參數(shù)Tab.2 Bacis parameters of blended fabric

設(shè)定頻率為0～20 MHz，電極直徑20 mm，被測試樣厚度如表2，測試參數(shù)為電導率，每個試樣測試1次，測得的數(shù)據(jù)計算其平均值.

1.2.3 屏蔽效能

采用ZNB型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（10 MHz～40 GHz）測試試樣的屏蔽效能SE：在制織試樣時，由于海藻酸鈣纖維難以純紡，將海藻酸鈣纖維織制成針刺非織造布（2次預(yù)針刺，1次主針刺，針頻20），試樣材料規(guī)格與結(jié)構(gòu)參數(shù)見表3.

表3 試樣規(guī)格與結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.3 Sample specifications and structural parameters

將試樣裁剪成直徑為120 mm圓形，試樣在測試之前在恒溫恒濕室存放48 h.測試時，測試夾具裝置緊密夾放試樣，測試頻率 1 000 MHz.根據(jù)標準SJ20524-1995測試試樣的屏蔽效能SE.

2 結(jié)果與討論

2.1 海藻酸鈣纖維的比電阻

織物材料導電性能的實測計算方法有3類：體積比電阻、表面比電阻、質(zhì)量比電阻[12].根據(jù)實用需要，對于大多數(shù)電子產(chǎn)品的屏蔽材料，在30～1 000 MHz頻率范圍內(nèi)，其屏蔽效能SE至少達到35 dB以上（體積電阻率在10 Ω·cm以下），便認為是有效屏蔽[13].體積比電阻只是從某一側(cè)面反映屏蔽的大小，但無法衡量吸波能力的大小.纖維的體積比電阻pv也稱電阻率[14]（Ω·cm），可以表示為：

式中：R為電阻值；m為纖維質(zhì)量；d為纖維密度；l為導體長度.

采用纖維比電阻儀測試電阻率，結(jié)果如表4所示.

表4 海藻酸鈣纖維和其他種類纖維的體積電阻率值Tab.4 Volume resistivity values of calcium alginate fiber and other kinds of fiber

由表4的測試結(jié)果可以看出，海藻酸鈣纖維的體積電阻率高于粘膠纖維和棉纖維，但明顯低于不銹鋼纖維的體積電阻率.這是由于海藻酸可以螯合金屬離子，海藻酸鈣纖維中含有金屬鈣離子，金屬離子在纖維基質(zhì)中含量增加到一定程度時，離子間的結(jié)合力增強，形成導電鏈提高了纖維的導電性.且當紡織材料的質(zhì)量比電阻在1010～1011Ω·g·cm-2時就具有一定的防靜電能力，當小于1010Ω·g·cm-2時就具有良好的防靜電能力[15]，本實驗所用海藻酸鈣纖維的質(zhì)量比電阻為6.375×108Ω·g·cm-2，小于粘膠纖維和棉纖維的質(zhì)量比電阻，海藻纖維的這一特性使其在產(chǎn)品生產(chǎn)及服用過程中不易產(chǎn)生靜電，不易黏著灰塵.

2.2 海藻酸鈣纖維混紡織物電導率與低頻屏蔽效能

電磁屏蔽用材料一般要求具有一定的導電性，其導電率在10-2～10-6Ω/cm的范圍內(nèi)，因而通常都要添加具有一定導電能力的物質(zhì)[16].對于低頻電磁波，織物表面反射占主要部分，因此屏蔽材料的導電性能越好，反射越強，該織物的屏蔽效能越好[17].另外，趙家祥[18]提出了一種評定織物屏蔽效能的估算方法：

式中：p為比電阻（Ω·cm）；f為頻率（MHz）；t為厚度（cm）.

采用BDS50寬頻介電譜儀進行測試，測得的3種混紡織物的電導率在低頻區(qū)（0～20 MHz）的變化關(guān)系如圖1所示.測得3種混紡織物的電阻率計算出屏蔽效能，如圖2所示.

圖1 海藻酸鈣混紡織物電導率與頻率關(guān)系Fig.1 Relationship between calcium alginate blended fabric conductivity with frequency

圖2 海藻酸鈣混紡織物屏蔽效能與頻率關(guān)系Fig.2 Relationship between calcium alginate blended fabric shielding effectiveness with frequency

圖1表明：海藻酸鈣纖維混紡織物的電導率在低頻區(qū)（0～20 MHz）時，隨著電磁波頻率的增加，海藻酸鈣纖維混紡織物的電導率逐漸上升；同樣，隨著混紡織物中海藻酸鈣纖維含量的增加，混紡織物的導電率增加，混紡比為50/50的混紡織物電導率最大，其次是30/70、10/90最小.但3種混紡織物的電導率相差不大，基本處在同一數(shù)量級中.由此可見，雖然海藻酸鈣纖維的比電阻較普通黏膠纖維、棉纖維小很多，但并不能通過增加混入量來提高混紡產(chǎn)品的導電率.

圖2表明：3種不同含量的海藻酸鈣纖維混紡織物的屏蔽效能在低頻區(qū)（0～20 MHz）基本沒有較大差異.由于鈣離子與海藻酸的結(jié)合力低于其他重金屬離子，形成的導電離子鏈對電磁波的輻射并沒有起較大作用，混紡織物對電磁波的屏蔽效能隨海藻酸鈣纖維含量的增加，其差異較小.

2.3 海藻酸鈣混紡織物的高頻屏蔽效能

采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對海藻酸鈣纖維混紡織物在高頻區(qū)（10 MHz～40 GHz）進行屏蔽效能測試，在頻率為1 000 MHz的頻率點進行檢測，其中1 000 MHz與手機、微波爐、電腦、藍牙工作頻率接近，適用于民用電磁波防護的范圍，測得各種織物的屏蔽效能見圖3.

圖3 海藻酸鈣混紡織物屏蔽效能Fig.3 Shielding effectiveness of calcium alginate blended fabric

從圖3可以看出，與粘膠纖維、純棉纖維織物相比，50/50混紡織物和純海藻纖維織物在高頻點的屏蔽效能具有一定的優(yōu)勢.原因是海藻酸鈣纖維中含有金屬鈣離子，可形成導電離子鏈對電磁波的輻射有一定的屏蔽作用，根據(jù)GB/T23463—2009《防護服裝—微波輻射防護服》，標準規(guī)定了適用頻率范圍在300 MHz～300 GHz之間，屏蔽效能最低必須達到C類防護標準10 dB，才可有效屏蔽電磁波的輻射達到防護作用，根據(jù)圖3的數(shù)據(jù)顯示，海藻酸鈣纖維的屏蔽效能遠達不到國家防電磁屏蔽的最低防護標準.

3 結(jié)論

本文采用不同方法對海藻酸鈣纖維及其混紡織物的電學性能和屏蔽效能進行測試與表征，得知：

（1）海藻酸鈣纖維的體積電阻率高于粘膠纖維和棉纖維，但達不到有效屏蔽要求的10 Ω·cm以下，海藻酸鈣纖維具有良好的防靜電性能；

（2）對于低頻電磁波（0～20 MHz），隨著電磁波頻率的增加，10/90、30/70、50/50海藻酸鈣纖維混紡織物的電導率逐漸上升，與30/70、10/90的混紡織物電導率相比，混紡比為50/50的混紡織物的電導率較大，但混紡比的變化對海藻酸鈣纖維導電性能的影響不大；

（3）與純粘膠纖維、棉纖維織物相比，50/50海藻酸鈣混紡織物和純海藻纖維織物在高頻點（1 000 MHz）的屏蔽效能具有一定的優(yōu)勢，但海藻酸鈣纖維的屏蔽效能遠達不到國家防電磁屏蔽的最低防護標準10 dB.

因此，若想提高海藻酸鈣纖維的防電磁輻射性能，使其達到國家防電磁屏蔽標準，在海藻纖維紡絲過程中可采取在凝固浴中添加其他金屬離子，如銅離子、鋇離子等，這些金屬離子與海藻酸的螯合能力強于鈣離子，可提高纖維的防電磁屏蔽性能.亦可對海藻酸鈣纖維進行改性處理，如采用硫酸銅溶液浸泡處理海藻酸鈣纖維（制得了銅離子改性海藻酸鈣纖維），制得的纖維不僅具有良好的防電磁輻射性能，且二價金屬離子具有抑菌性能，提高了纖維的綜合性能.

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Electromagnetic shielding performance of calcium alginate fiber

WANG Jian-kun1，2，DENG Hao1，2
（1.Division of Textiles，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China；2.Key Laboratory of Advanced Textile Composites of Ministry of Education，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China）

Resistivity meter，dielectric spectrometer，vector network analyzer and other testing methods were used to test volume resistance，conductivity and shielding effectiveness of calcium alginate and its blended fabric.The electrical properties and shielding effectiveness under different frequencies of calcium alginate fibers and its blended fabric were determined.The results show that the volume resistivity of calcium alginate fiber is 971.04 Ω·cm，Which show excellent electrical performance were determined，The preventing electromagnetic radiation performance of different levels of calcium alginate blended fabric are superior to those of ordinary viscose fiber，cotton textiles.

calcium alginate fiber；electromagnetic radiation；shielding effectiveness；electrical conductivity；specific resistance

TS101.921.53

A

1671－024X（2015）03－0020－04

10.3969/j.issn.1671-024x.2015.03.005

2015-03-23

國家青年科學基金項目（51403154）

王建坤（1961—），女，教授，碩士生導師，研究方向為紡織新材料新技術(shù).E-mail：jiankunwang@tjpu.edu.cn