導(dǎo)電海綿在電磁屏蔽服裝中的應(yīng)用研究

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(中原工學(xué)院服裝學(xué)院，鄭州 450007)

隨著高科技電子產(chǎn)品時代的到來，其伴生的電磁輻射也對人類身體健康產(chǎn)生損害，國內(nèi)外的大量研究者認識到并開始研究電磁輻射對人體健康的影響。電磁輻射對人體的影響可以分為熱效應(yīng)、非熱效應(yīng)和累積效應(yīng)[1-3]。電磁屏蔽服能有效防止電磁波的傷害，其原理主要是基于電磁波穿過防電磁輻射服裝時會產(chǎn)生波反射、波吸收和電磁波在服裝內(nèi)的多次反射，導(dǎo)致電磁波的能量衰減[4]。導(dǎo)電海綿的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，高孔隙率，高比表面積，因此具有很多優(yōu)良的特性。導(dǎo)電海綿可以聚氨酯海綿(PUF)為載體，通過化學(xué)氧化聚合法、化學(xué)鍍鎳法、有磁濺射法、導(dǎo)電膠涂覆法、化學(xué)鍍法等方法制備[5-9]。相關(guān)研究表明導(dǎo)電海綿分別與石墨烯/聚甲基丙烯酸甲酯(GNS/PMMA)和聚苯胺等材料復(fù)合，能使其具有良好的電導(dǎo)率、透氣性及電磁屏蔽性能，可用于電磁干擾屏蔽[10-11]。但導(dǎo)電海綿運用到電磁屏蔽服裝還未有相關(guān)報道。

由于法蘭同軸法測試過程中能量損失較??；可測試動態(tài)范圍較寬，達80dB；接觸阻抗較小，可重復(fù)性較好等特點。因此，本文實驗測試采用法蘭同軸法。導(dǎo)電海綿有一定的彈性好，但韌性較差，受到一定的外力容易撕裂。由于這種材料特性，不能直接用于電磁屏蔽服裝中，需要搭配其他屏蔽織物進行運用，并將這種結(jié)合的結(jié)構(gòu)命名為組合導(dǎo)電海綿。相關(guān)文獻研究表明多層電磁屏蔽服裝的屏蔽效能大于單層的屏蔽服裝[12-14]。將導(dǎo)電海綿添加到電磁屏蔽服裝中，探索加入導(dǎo)電海綿的多層電磁屏蔽服裝的屏蔽效能，確定導(dǎo)電海綿與織物的組合層數(shù)?？p型的存在導(dǎo)致縫隙的產(chǎn)生，縫隙的存在破壞了屏蔽體的導(dǎo)電連續(xù)性，因此成為電磁能量泄露的主要途徑[15]。汪秀琛等[16]模擬服裝常見的縫隙，進行平縫處理，測試不同縫隙長度對服裝屏蔽效能的影響。實驗結(jié)果表明服裝上的縫隙對服裝的屏蔽效能有顯著的影響。該研究的重點為縫隙，對于不同縫型的屏蔽效能未作探索。

本文采用法蘭同軸法，將導(dǎo)電海綿運用到電磁屏蔽服中。首先確定與導(dǎo)電海綿的最佳組合織物，其次是選擇用于服裝制作的導(dǎo)電海綿與織物的組合層數(shù)，然后對適合導(dǎo)電海綿的服裝縫型設(shè)計方面進行了探究。

1 實 驗

1.1 實驗材料

導(dǎo)電海綿(深圳市永德信科技有限公司)、鍍銀纖維織物(嘉興微波屏蔽材料廠)、鍍銅鎳菱形格織物(青島志遠翔宇功能面料有限公司)、不銹鋼纖維織物(嘉興微波屏蔽材料廠)、鍍銅鎳平紋織物(東莞市中村絕緣材料科技有限公司)、導(dǎo)電無紡布(東莞市明谷一納米材料有限公司)及鍍銀導(dǎo)電縫紉線(青島亨通偉業(yè)特種織物有限公司)，其規(guī)格如表1、表2所示。導(dǎo)電海綿是以聚酯型聚氨酯軟質(zhì)海綿(PUF)為載體，通過化學(xué)鍍鎳法制備，一種具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的低密度、高孔隙率的導(dǎo)電材料，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

表1 導(dǎo)電海綿參數(shù)

表2 電磁屏蔽織物參數(shù)

圖1 導(dǎo)電海綿三維骨架結(jié)構(gòu)示意

1.2 測試方法

根據(jù)ASTM D4935—2010《測量平面材料電磁屏蔽效率的標準試驗方法》實驗標準的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行，實驗儀器采用DR-S01法蘭同軸法屏蔽效能測試箱(北京鼎容電子技術(shù)有限公司)。法蘭同軸法是利用同軸線中傳播的橫電磁波(TEM)模擬空氣中遠區(qū)平面波對材料試樣進行屏蔽效能測試，其測試裝置如圖2所示[17]。

圖2 法蘭同軸法屏蔽效能測試裝置原理

屏蔽效能定義為：在同一激勵電平下，無屏蔽材料時接收的場強或功率與有屏蔽材料時接收到的場強或頻率之比，并以對數(shù)表示[18]，即

式中：SE為屏蔽效能，以dB為單位；E0、P0為無屏蔽材料時空間某點的電場強度和接收功率，以V/m，W為單位；E1、P1只為加屏蔽材料后該點的電場強度和接收功率，以V/m，W為單位。

1.3 實驗設(shè)計

1.3.1 組合導(dǎo)電海綿的設(shè)計

鍍銅鎳平紋織物表面平滑、輕薄及屏蔽效能較好。同時，表面可粘附亞克力導(dǎo)電膠，與導(dǎo)電海綿有良好的固定作用。導(dǎo)電無紡布輕薄，具有一定的屏蔽作用。因此，選用鍍銅鎳平紋織物和導(dǎo)電無紡布做導(dǎo)電海綿的組合織物。

1.3.2 層數(shù)的設(shè)計

對鍍銀纖維織物、鍍銅鎳菱形格織物、不銹鋼纖維混紡織物這3種織物層數(shù)分別設(shè)計實驗，織物層數(shù)從1層到4層遞增。

1.3.3 縫型的設(shè)計

a)根據(jù)線跡類型和縫型標號的國際標準[19-20]，選擇適合加入導(dǎo)電海綿的縫型如表3所示。導(dǎo)電海綿作為光滾邊的包芯，可充分包裹開口縫隙。同時，縫型上只需一條縫跡。在光滾邊的基礎(chǔ)上作進一步的縫型設(shè)計，加入壓條設(shè)計。導(dǎo)電海綿也作為壓條的包芯，將其中間對準縫的正面進行縫制。對這兩種縫型進行屏蔽效能實驗對比分析，確定適合導(dǎo)電海綿的服裝縫型。

表3 所選擇縫型

b)縫型織物的選擇。相關(guān)研究表明縫型對服裝的懸垂性有影響[21-22]，縫型織物應(yīng)選用較薄織物。不銹鋼織物較厚，不適合做縫型織物。鍍銀纖維織物用于縫型內(nèi)層接觸人體，當(dāng)人體運動排汗時易氧化；鍍銅鎳平紋織物縫制過程中，送布牙易對織物造成破損；導(dǎo)電無紡布韌性差，用于縫型織物中，縫型受人體運動強度的影響易產(chǎn)生劈縫，降低電磁屏蔽服裝的屏蔽效能。鍍銅鎳菱形格織物輕薄，韌性好、不易發(fā)生褶皺。因此，縫型的織物選擇鍍銅鎳菱形格織物。

1.3.4 實驗材料的裁剪

準備試驗樣布，材料分別為：導(dǎo)電海綿、鍍銀纖維織物、鍍銅鎳菱形格織物、不銹鋼纖維混紡織物、鍍銅鎳平紋織物和導(dǎo)電無紡布。將其尺寸裁剪為40 cm×40 cm。裁剪縫型中所用的材料：2片40 cm×21 cm的鍍銅鎳菱形格織物、4 cm寬的鍍銅鎳菱形格滾邊條、4 cm寬的鍍銅鎳菱形格織物壓條、2 cm寬的組合導(dǎo)電海綿滾邊包芯、2 cm的組合導(dǎo)電海綿壓條包芯。

1.3.5 加工工藝

試樣縫合采用鎖式線跡301，線密度為8針/2 cm，縫紉線采用鍍銀導(dǎo)電縫紉線。

a)導(dǎo)電海綿分別與鍍銅鎳平紋織物、導(dǎo)電無紡布組合，在0.5 cm縫份處縫制固定。適合與導(dǎo)電海綿組合結(jié)構(gòu)命名為組合導(dǎo)電海綿。

b)首先縫制光滾邊(圖3)和光滾邊+壓條兩種縫型。然后，對這兩種縫型添加組合導(dǎo)電海綿，將其作為縫型中的包芯。并將加入組合導(dǎo)電海綿試樣命名為光滾邊(組合導(dǎo)電海綿)，光滾邊+正面壓條(組合導(dǎo)電海綿)(圖4)。

圖3 光滾邊縫型

圖4 添加導(dǎo)電海綿的光滾邊+正面壓條結(jié)構(gòu)

1.3.6 試樣類別

a)確定組合導(dǎo)電海綿的試樣：導(dǎo)電海綿、導(dǎo)電無紡布、鍍銅鎳平紋織物、導(dǎo)電無紡布+導(dǎo)電海綿、鍍銅鎳平紋織物+導(dǎo)電海綿。

b)關(guān)于織物層數(shù)的試樣：鍍銀纖維織物單層、鍍銀纖維織物雙層、鍍銀纖維織物單層+組合導(dǎo)電海綿(3層)、鍍銀纖維織物單層+組合導(dǎo)電海綿+鍍銀纖維織物單層(4層)；鍍銅鎳菱形格織物單層、鍍銅鎳菱形格織物雙層、鍍銅鎳菱形格織物單層+組合導(dǎo)電海綿(3層)、鍍銅鎳菱形格織物單層+組合導(dǎo)電海綿+鍍銅鎳菱形格織物單層(4層)；不銹鋼纖維混紡織物單層、不銹鋼纖維混紡織物雙層、不銹鋼纖維混紡織物單層+組合導(dǎo)電海綿(3層)、不銹鋼纖維混紡織物單層+組合導(dǎo)電海綿+不銹鋼纖維混紡織物單層(4層)。

c)縫型試樣：光滾邊、光滾邊+壓條、光滾邊(組合導(dǎo)電海綿)、光滾邊+正面壓條(組合導(dǎo)電海綿)。

2 結(jié)果與討論

2.1 組合導(dǎo)電海綿的確定

導(dǎo)電海綿透氣好，但韌性較差，導(dǎo)電海綿服裝運動時易撕裂，降低服裝的屏蔽效能。在電磁屏蔽服裝的運用中，導(dǎo)電海綿需要與適合的面料進行組合縫制。將鍍銅鎳平紋織物和導(dǎo)電無紡與導(dǎo)電海綿組合固定，在0.5 cm縫份處縫制固定?？椢锲帘涡軠y試分5組分析對比，分別為；導(dǎo)電海綿、導(dǎo)電無紡布、鍍銅鎳平紋織物、鍍銅鎳平紋織物+導(dǎo)電海綿、導(dǎo)電無紡布+導(dǎo)電海綿，測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 與導(dǎo)電海綿組合織物的屏蔽效能

由圖5可見，在1～3 GHz范圍內(nèi)，導(dǎo)電海綿的屏蔽效能最低，約為40 dB,，整體呈上升趨勢。鍍銅鎳平紋織物的屏蔽效能高于導(dǎo)電無紡布、導(dǎo)電海綿的屏蔽效能。導(dǎo)電無紡布+導(dǎo)電海綿和鍍銅鎳平紋織物+導(dǎo)電海綿屏蔽效能最高，約75 dB，且鍍銅鎳平紋織物+導(dǎo)電海綿屏蔽效能略高于導(dǎo)電無紡布+導(dǎo)電海綿?？紤]導(dǎo)電海綿有一定的彈性，而鍍銅鎳平紋織物和導(dǎo)電無紡布彈性較差。與導(dǎo)電海綿組合的織物應(yīng)選擇耐撕裂性能較好的。因此，采用沖擊性擺錘法來測試鍍銅鎳平紋織物和導(dǎo)電無紡布的撕裂強力(表4)。從表4測試結(jié)果來看，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電無紡布經(jīng)向和緯向的韌性較差。鍍銅鎳平紋織物比導(dǎo)電無紡布有更好的耐撕裂性能，更適合與導(dǎo)電海綿組合。因此，將導(dǎo)電海綿用于電磁屏蔽服裝上，所選擇的組合導(dǎo)電海綿為鍍銅鎳平紋織物與導(dǎo)電海綿組合。

表4 織物撕裂強力

注：以上試驗結(jié)果均為平均值，每種試樣次數(shù)為5次。

2.2 用于服裝制作的導(dǎo)電海綿與織物的組合層數(shù)確定

對于電磁屏蔽服裝的層數(shù)來說，多層的電磁屏蔽服比單層的屏蔽效能高。鍍銀纖維織物、鍍銅鎳菱形格織物、不銹鋼纖維混紡織物這3種織物柔軟挺括、牢度高、透氣性好，面料性能比較適合作為電磁屏蔽服的外層織物。對這3種織物組合的層數(shù)分別進行實驗測試，實驗結(jié)果如圖6、圖7、圖8所示。

由圖6、圖7、圖8顯示結(jié)果可以對這3種織物組合層數(shù)的屏蔽效能從大到小進行比較。鍍銀纖維織物屏蔽效能從大到小排列為：鍍銀纖維織物單層+組合導(dǎo)電海綿+鍍銀纖維織物單層、鍍銀纖維織物單層+組合導(dǎo)電海綿、鍍銀纖維織物雙層、鍍銀纖維織物單層；鍍銅鎳菱形格織物屏蔽效能從大到小排列為：鍍銅鎳菱形格織物單層+組合導(dǎo)電海綿+鍍銅鎳菱形格織物單層、鍍銅鎳菱形格織物單層+組合導(dǎo)電海綿、鍍銅鎳菱形格織物雙層、鍍銅鎳菱形格織物單層；不銹鋼纖維混紡織物屏蔽效能從大到小排列為：不銹鋼纖維混紡織物單層+組合導(dǎo)電海綿+不銹鋼纖維混紡織物單層、不銹鋼纖維混紡織物單層+組合導(dǎo)電海綿、不銹鋼纖維混紡織物雙層、不銹鋼纖維混紡織物單層。織物層數(shù)越多屏蔽效能越高，但4層比3層的屏蔽效能沒有明顯增多。因此，綜合考慮屏蔽效能和成本，其層數(shù)可選擇3層：鍍銀菱形格織物/鍍銅鎳菱形格織物/不銹鋼纖維混紡織物單層+組合導(dǎo)電海綿，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示。

圖6 鍍銀纖維織物多層組合的屏蔽效能

圖7 鍍銅鎳菱形格織物與導(dǎo)電海綿組合的屏蔽效能

圖8 不銹鋼纖維混紡織物與導(dǎo)電海綿組合的屏蔽效能

圖9 服裝3層織物結(jié)構(gòu)示意

2.3 適合導(dǎo)電海綿的服裝縫型選擇

電磁屏蔽服裝的縫縫是泄露電磁波的主要原因之一，縫型的設(shè)計有利于減少電磁波的泄露，提高縫縫處的屏蔽效能?？p型試樣為光滾邊、光滾邊+正面壓條、光滾邊(組合導(dǎo)電海綿)、光滾邊+正面壓條(組合導(dǎo)電海綿)，分別對這4種縫型試樣進行實驗測試。不同縫型屏蔽效能的實驗結(jié)果如圖10所示。

圖10 不同縫型的屏蔽效能

從圖10可以看出，在1～3 GHz整個范圍內(nèi)，光滾邊、光滾邊+正面壓條、光滾邊(組合導(dǎo)電海綿)的屏蔽效能總體相等，約55 dB。光滾邊+正面壓條(組合導(dǎo)電海綿)的屏蔽效能總體最高。頻率約在1～2 GHz和2.5～3 GHz范圍內(nèi)，光滾邊+正面壓條(組合導(dǎo)電海綿)的屏蔽效能比光滾邊、光滾邊+正面壓條、光滾邊(組合導(dǎo)電海綿)的屏蔽效能高且最高相差約10 dB；但約在2～2.5 GHz，光滾邊+正面壓條(組合導(dǎo)電海綿)的屏蔽效能與光滾邊、光滾邊+正面壓條、光滾邊(組合導(dǎo)電海綿)的屏蔽效能大致相等。因此，導(dǎo)電海綿應(yīng)用于電磁屏蔽服裝的縫型選擇為光滾邊+正面貼邊(組合導(dǎo)電海綿)。

3 結(jié) 論

從組合導(dǎo)電海綿的確定、用于服裝制作的導(dǎo)電海綿與織物的組合層數(shù)確定、適合導(dǎo)電海綿的服裝縫型選擇這3個方面進行實驗，分析研究發(fā)現(xiàn)：

a)鍍銅鎳平紋織物與導(dǎo)電海綿組合的屏蔽效能能最高。在縫制電磁屏蔽服裝時，選擇鍍銅鎳平紋織物與導(dǎo)電海綿組合縫制固定，制成組合導(dǎo)電海綿。

b)織物層數(shù)越多，屏蔽效能越大，但層數(shù)大于3，屏蔽效能沒有明顯變化。導(dǎo)電海綿和織物組合應(yīng)用于電磁屏蔽服裝的層數(shù)可選擇3層：鍍銀菱形格織物/鍍銅鎳菱形格織物/不銹鋼纖維混紡織物單層+組合導(dǎo)電海綿。

c)導(dǎo)電海綿應(yīng)用于電磁屏蔽服裝的縫型選擇為光滾邊+正面貼邊(組合導(dǎo)電海綿)。

論文為導(dǎo)電海綿屏蔽效能的基礎(chǔ)性的研究，進一步加工提供基礎(chǔ)理論的研究。后續(xù)可通過不同的加工工藝設(shè)計添加吸波劑，使導(dǎo)電海綿具有吸波性能，較好的運用于電磁屏蔽服裝。

[1] 王琴云,丁歐,周儀.電磁波輻射防護織物和服裝的開發(fā)[J].上海紡織科技,2005,33(9):65-67.

[2] 商思善.電磁波屏蔽織物的產(chǎn)生與發(fā)展[J].現(xiàn)代紡織技術(shù),2002,10(4):48-52.

[3] 周娟,肖于德.金屬纖維行業(yè)發(fā)展趨勢[J].湖南有色金屬,2008,24(2):38-40.

[4] 王慶斌.電磁干擾與電磁兼容技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社,2000.

[5] 劉辰忠.發(fā)泡鎳生產(chǎn)工藝探討[J].電鍍與涂飾,1998(2):10-13.

[6] 劉際偉,胡貴生.聚氨酯泡沫的涂鍍膜[C]//中國工程物理研究院科技年報.1998.

[7] 陳芬,楊春明.聚苯胺/聚氨酯導(dǎo)電海綿的制備及其用于回收銀離子的研究[C]//中國功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會議.2010.

[8] 陳芬,楊春明,張學(xué)芬,等.聚苯胺/聚氨酯導(dǎo)電海綿的制備及其性質(zhì)研究[J].湖南師范大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報,2011,34(2):42-47.

[9] 張景懷,惠志林,徐惠萍,等.聚氨酯泡沫上化學(xué)鍍鎳研究[J].稀有金屬,2001,25(4):278-281.

[10] 趙慧慧,姬科舉,許銀松,等.GNS/PMMA泡沫復(fù)合材料的制備及其電磁屏蔽性能[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報,2014,32(3):358-365.

[11] NJUGUNA J, PIELICHOWSKI K. Recent developments in polyurethane-based conducting composites[J]. Journal of Materials Science,2004,39(13):4081-4094.

[12] 陳旭華,易建政,畢軍建,等.多層金屬纖維混紡織物的電磁屏蔽效能[J].材料導(dǎo)報,2010,24(20):15-17.

[13] 榮幸,劉哲,張永恒.不銹鋼纖維混紡型雙層電磁屏蔽織物的屏蔽效能研究[J].絲綢,2015,52(5):16-20.

[14] 鄭倩雪,劉哲,張永恒,等.雙層防電磁輻射織物的屏蔽效能[J].紡織學(xué)報,2016,37(1):47-51.

[15] MENDEZ H A. Shielding theory of enclosures with apertures[J]. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 2007,EMC-20(2):296-305.

[16] 汪秀琛,劉哲.防電磁輻射服裝的屏蔽效能數(shù)學(xué)模型[J].紡織學(xué)報,2008,29(2):73-75.

[17] 張娜.電磁波屏蔽織物發(fā)展現(xiàn)狀及測試方法[J].輕紡工業(yè)與技術(shù),2010,39(1):50-52.

[18] 錢照明,程肇基.電力電子系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計基礎(chǔ)及干擾抑制技術(shù):電磁兼容設(shè)計基礎(chǔ)及干擾抑制技術(shù)[M].杭州：浙江大學(xué)出版社,2000.

[19] 全國紡織品標準化技術(shù)委員會基礎(chǔ)分會(SAC/TC209/SC1).GB/T 24118—2009紡織品 線跡分類和術(shù)語[S].北京：中國標準出版社，2009 .

[20]全國服裝標準化技術(shù)委員會.FZ/T 80003—2006紡織品與服裝縫紉型式分類和術(shù)語[S].北京：中國標準出版社，2006.

[21]王花娥,鄧洪濤.縫型及接縫方向?qū)︶樋椕媪蠎掖剐缘挠绊慬J].紡織學(xué)報,2011,32(10):53-56.