不銹鋼電磁屏蔽織物的屏蔽效能
無錫不銹鋼板廠家無錫漢能不銹鋼2019年11月26日訊 對于人體防護(hù)電磁輻射而言,穿戴具有防輻射功能的織物較為便利,研究及開發(fā)具有電磁屏蔽性能的環(huán)保型織物逐漸得到了人們的青睞。有研究表明:對于一般設(shè)備(頻率在30~3 000 MHz)屏蔽效能在10~20 dB的材料即可達(dá)到屏蔽要求。
在眾多屏蔽材料中,金屬纖維或金屬化纖維有較高的導(dǎo)電性和導(dǎo)磁性,且能與常規(guī)纖維采用混紡、交織、并線、包芯、包纏的方法,制得防輻射織物。相比一般屏蔽材料,不銹鋼織物則屏蔽效能更加持久,且多次洗滌屏蔽效能不減。有關(guān)不銹鋼抗磁性紡織材料,國內(nèi)外均有研究,其中從紗線出發(fā)探究其結(jié)構(gòu)對織物屏蔽效能的影響頗多,但是結(jié)論不盡相同。
K.B.Cheng等探究了不銹鋼紗線的結(jié)構(gòu)、織物的不同規(guī)格對織物屏蔽效能的影響,發(fā)現(xiàn)不銹鋼絲與短纖紗織物的屏蔽效能高于不銹鋼短纖和銅絲混紡織物,紗支不同,屏蔽效能也有所差異。肖倩倩等認(rèn)為不銹鋼包芯紗織物的屏蔽效能高于不銹鋼混紡紗織物;鈔杉等認(rèn)為相同不銹鋼含量、相同間距情況下,不銹鋼混紡紗織物的屏蔽性能高于不銹鋼包芯紗織物,并驗(yàn)證了此結(jié)論與不銹鋼紗線模型所得結(jié)論一致。本文為了探究紗線的不同結(jié)構(gòu)、同種紗線雙層織物、不同紗線雙層織物及不同排列角度雙層織物的屏蔽性能,采用不同的紡紗方法,設(shè)計(jì)出3種紗線并制成織物,采用法蘭同軸法測試其屏蔽效能。
1 實(shí) 驗(yàn)
1.1 原 料
全聚混紡紗所用原料為滌綸/不銹鋼短纖粗紗條(江蘇省紡織技術(shù)研究所),混紡比為80/20,其中不銹鋼短纖的規(guī)格為直徑8 μm,長度40 mm。賽絡(luò)包芯紗和賽絡(luò)菲爾包纏紗所用原料為316 L型不銹鋼長絲(上海普盛金銀絲紡織品有限公司),規(guī)格為直徑30 μm,最大拉伸強(qiáng)力800 N/mm2,相對電導(dǎo)率0.023,電導(dǎo)率1.12e6 s/m,滌綸粗紗定量3.4 g/10 m。
1.2 設(shè) 備
QFA1528型全聚紡細(xì)紗機(jī)、QFA1528型細(xì)紗機(jī)(無錫第七紡織企業(yè)有限公司),烏斯特茲HL400型毛羽測試儀(瑞士烏斯特技術(shù)有限公司),YG068C全自動單紗強(qiáng)力儀(蘇州長風(fēng)紡織機(jī)電科技有限公司),Agilent E5061A型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(美國安捷倫科技有限公司)。
1.3 紗線的紡制
在QFA1528型全聚紡細(xì)紗機(jī)上紡制T/S 80/20混紡紗。全聚紡是緊密紡的一種,它是在普通三羅拉牽伸皮圈的基礎(chǔ)上,將前羅拉設(shè)計(jì)成直徑為50 mm表面帶窄槽的空心羅拉。全聚紡成紗毛羽少,生產(chǎn)穩(wěn)定,并且對原料有很好的適應(yīng)性。在改造的QFA1528型細(xì)紗機(jī)上紡制賽絡(luò)包芯紗和賽絡(luò)菲爾紗。細(xì)紗機(jī)的改造:在QFA1528型全聚紡細(xì)紗機(jī)的基礎(chǔ)上加裝單槽導(dǎo)絲輪裝置,長絲退繞裝置和張立盤裝置,單槽導(dǎo)絲輪裝置可在搖架上左右移動,以便控制長絲喂入前羅拉的位置,并通過工藝優(yōu)化選出最佳包芯效果的紗。賽絡(luò)包芯紗和賽絡(luò)菲爾紗的紡紗原理如圖1、圖2所示。紡紗工藝配置如表1所示。
1-不銹鋼長絲;2-導(dǎo)絲輥;3-導(dǎo)絲輪;4-滌綸粗紗;5-后羅拉;6-中羅拉;
7-前羅拉;8-吸風(fēng)插件;9-阻捻膠輥;10-氣流導(dǎo)向裝置;11-前膠輥
圖1 賽絡(luò)包芯紗紡制原理
Fig.1 Spinning process of Siro-spinning core-spun yarn
1-手動搖架;2-導(dǎo)絲輪;3-長絲張立盤;4-粗紗;5-前羅拉
圖2 賽絡(luò)菲爾紗紡制原理
Fig.2 Spinning process of the sirofil core-spun yarn
表1 紡紗工藝
Tab.1 Spinning parameters
1.4 不銹鋼纖維織物的制備
實(shí)驗(yàn)所用的織物由全自動劍桿小樣織機(jī)織造,經(jīng)緯紗分別采用自制紗線,采用統(tǒng)一的織機(jī)工藝參數(shù),統(tǒng)一織制平紋織物。分別采用YG141D織物厚度儀、SZT-2A四探針電阻測試儀測量織物厚度及織物表面電阻。織物的基本參數(shù)如表2所示,為了便于描述給三塊織物分別命名為1#織物、2#織物、3#織物。
表2 織物基本參數(shù)
Tab.2 Basic parameters of fabrics
1.5 紗線及織物性能測試方法
1.5.1 紗線性能測試
溫度為20 ℃,相對濕度為(65±2)%。
紗線毛羽測試:采用烏斯特茲HL400型毛羽測試儀,測試紗線毛羽,設(shè)置測試紗線長度為1 000 m,并分別記錄100 m紗線的1、2、3、4、6、8 mm毛羽數(shù)。
紗線強(qiáng)力測試:參照《紡紗實(shí)驗(yàn)教程》紗線強(qiáng)力測試方法,采用YG 068C全自動單紗強(qiáng)力儀測試紗線強(qiáng)力。測試時(shí)選用上下夾頭夾持距離50 cm,預(yù)加張力0.5 cN/tex,下降速度50 cm/min,每種紗線測試40次,取平均值。
1.5.2 織物性能測試
溫度為23 ℃,相對濕度為50%~70%。
屏蔽性能測試:采用法蘭同軸法,Agilent E5061A型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、頻譜分析儀、TS0210A1型網(wǎng)絡(luò)衰減器測試織物的屏蔽性能。為了提高測試的準(zhǔn)確性、減少誤差,采用多次實(shí)驗(yàn)并取平均值。本實(shí)驗(yàn)采用每塊樣布取5個(gè)不同位置的試樣(避開布邊),分別測試5次,取平均值。測試時(shí)將試樣放置于同軸小室的法蘭之間,之后和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀連接,如圖3所示。參考ASTM D 4935—2010《測量平面材料的電磁屏蔽效應(yīng)的試驗(yàn)方法》及QJ 2809—1996《平面材料屏蔽效能的測試方法》。
圖3 法蘭同軸示意
Fig.3 The coaxial diagram of flange
織物電阻率測試:采用SZT-2A四探針電阻測試儀,儀器預(yù)熱30 min,然后將4 cm×4 cm的織物放置于四探針平臺上,探針間距為1 mm,保證探針?biāo)嗅樇馀c織物良好接觸,并調(diào)節(jié)SB118的電流輸出量程為1 mA。
2 結(jié)果與分析
2.1 紗線性能分析
三種不銹鋼纖維紗的基本性能測試結(jié)果如表3所示。由表3可以看出,對于不同結(jié)構(gòu)的紗線,不銹鋼混紡紗毛羽最多,長絲包芯紗次之,包纏紗毛羽最少。毛羽形成的原因之一:在加捻三角區(qū)中,由于纖維的幾何位置和紡紗張力的不同,導(dǎo)致一根纖維從外到內(nèi)、再從內(nèi)到外發(fā)生多次轉(zhuǎn)移,當(dāng)纖維頭端被擠出后,由于沒有張力和向心壓力的作用,纖維就停留在紗的表面形成毛羽。在混紡紗中不銹鋼和滌綸均以短纖維的形式存在,纖維之間摩擦加劇,內(nèi)外轉(zhuǎn)移次數(shù)增多,毛羽增多。包纏紗中不銹鋼長絲包裹在滌綸纖維的外部,對滌綸纖維在紗表面形成的毛羽起到包纏貼服作用,因此,包纏紗毛羽最少。而包芯紗中,只有滌綸短纖裸露在紗線表面,不銹鋼以長絲的形式存在于紗芯,在一定程度上,紗芯的存在對滌綸纖維的加捻三角區(qū)有一定破壞,使毛羽增加。
表3 紗線基本性能
Tab.3 Basics properties of yarn
由表3還可知,包纏紗強(qiáng)力最高,斷裂伸長最大,這是因?yàn)椴讳P鋼絲以螺旋的形式包纏在滌綸纖維表面,其強(qiáng)力利用系數(shù)達(dá)到最大;對于包芯紗,不銹鋼長絲的加入會破壞纖維之間的抱合力,使紗線強(qiáng)力降低。對比包芯紗和混紡紗強(qiáng)力,可以看出包芯紗的強(qiáng)力高于混紡紗,這主要與纖維的形態(tài)和成紗方式有關(guān)。不銹鋼長絲連續(xù)性好,剛性大,承擔(dān)拉力大,而不銹鋼短纖和滌綸短纖抱和力差,強(qiáng)力相對較低。包芯紗和混紡紗的斷裂伸長率相差不大。由拉伸理論分析可知,在拉伸時(shí)紗條中心的長絲纖維首先被拉斷,接著剩下的長絲繼續(xù)斷裂,此時(shí)滌綸纖維仍處于抽拔滑移過程,并未達(dá)到最大斷裂伸長,因此包芯紗中的不銹鋼長絲對紗體的斷裂伸長影響不大,又因?yàn)榧喚€特?cái)?shù)和捻度相同,故斷裂伸長相差不大。
2.2 織物屏蔽性能分析
2.2.1 紗線種類對屏蔽效能的影響
不同紗線結(jié)構(gòu)織物的電磁屏蔽效能,如圖4所示。
圖4 不同紗線結(jié)構(gòu)織物的電磁屏蔽效能
Fig.4 Electromagnetic shielding effectiveness of fabrics
with different yarn structures
由圖4可知,頻率在0~1 500 MHz時(shí),包芯紗和包纏紗織物電磁屏蔽效能的峰值往往在20 dB以上,而混紡紗織物的電磁效能峰值卻難以達(dá)到20 dB,限制了混紡紗織物的使用范圍。在混紡紗中不銹鋼短纖和滌綸纖維充分混合,此時(shí)不銹鋼以非連續(xù)的方式存在于紗體中,電阻值高,且質(zhì)量不勻率大,導(dǎo)致不銹鋼短纖分布不均勻,使紗線沿軸向缺乏有效的電連接。因此,包芯紗織物的屏蔽性能高于包纏紗織物。當(dāng)把織物看成含有網(wǎng)孔的屏蔽體時(shí),孔隙則影響織物的屏蔽性能??椢镄纬傻目谆蚩p相當(dāng)于一個(gè)矩形波導(dǎo)管,波導(dǎo)的截止頻率主要與孔隙的線徑大小有關(guān),線徑越大,波導(dǎo)的截止頻率越低,當(dāng)電磁波頻率達(dá)到截止頻率時(shí),則無屏蔽性能。包纏紗中長絲纏繞在滌綸纖維的外側(cè),所形成的孔或縫相比包芯紗更大一些,所以包纏紗織物的屏蔽性能更弱。
2.2.2 雙層織物的排列角對屏蔽效能的影響
為了探究雙層織物的排列角對織物屏蔽性能的影響,采用1#和2#織物、1#和3#織物、2#和3#織物、1#和1#織物、2#和2#織物、3#和3#織物兩兩疊合,分別測試在0°、45°、90°排列角度下的屏蔽性能,如圖5所示。
由圖5可以看出,當(dāng)兩塊織物成45°排列時(shí),織物的屏蔽性能最好。一方面是因?yàn)?5°交叉排列織物中,經(jīng)緯紗縱橫交錯,形成的網(wǎng)格孔隙最??;另一方面,在測試時(shí),電場和磁場在樣品圓形平面沿半徑方向均勻分布,而45°排列的織物在4個(gè)方向上均有不銹鋼紗線,導(dǎo)致入射到織物上的電磁波垂直分量增加,電磁屏蔽效能增強(qiáng)。當(dāng)織物成0°、90°排列時(shí),屏蔽效能相差不大,這是因?yàn)榇怪?平行)交叉的織物可以屏蔽掉互相垂直的電場和磁場。
采用Matlab雙因素方差分析方法對上述織物的電磁屏蔽性能進(jìn)行分析。在0~1 500 MHz頻段對織物兩兩交叉排列的排列方式和紗線結(jié)構(gòu)進(jìn)行雙因子方差分析。分析時(shí),在0~1 500 MHz內(nèi)取200、400、800、1 000、1 200、1 400 MHz的織物屏蔽效能平均值。返回值P大于a時(shí),假設(shè)成立,因子之間無顯著差異,設(shè)定a為0.05。0~1 500 MHz雙因子方差分析結(jié)果見表4。
表4 雙因子方差分析
Tab.4 Two-factor analysis of variance
由表4可以看出,0~1 500 MHz雙因子方差分析所得P值分別為0.055 9、0,P1大于0.05,P2小于0.01,說明列因素有差異、行因素有顯著差異。即在0~1 500 MHz內(nèi)紗線的結(jié)構(gòu)對織物屏蔽性能的影響較為顯著,排列角對其影響較小。
3 結(jié) 論
對不同結(jié)構(gòu)的紗線和不同排列方式的電磁屏蔽織物進(jìn)行細(xì)微分析,多角度出發(fā)找出影響屏蔽性能的因素,探究各因素與屏蔽效能的相關(guān)性。
1)通過不同的紡紗方法,得到賽絡(luò)包芯紗、賽絡(luò)菲爾包纏紗和全聚混紡紗三種紗線。在相同紡紗工藝條件下,不銹鋼混紡紗毛羽最多強(qiáng)力最低,長絲包芯紗次之,包纏紗毛羽最少強(qiáng)力最高。
2)當(dāng)織物中不銹鋼含量、經(jīng)緯密、緊度等參數(shù)相同時(shí),包芯紗織物屏蔽效能最好。這是因?yàn)榘炯喛椢镄纬傻目紫断鄬^小。由孔隙導(dǎo)磁可知,孔隙越小,屏蔽性能越好;又因?yàn)榘炯喼胁讳P鋼是連續(xù)的,導(dǎo)致其電阻值相對較低。
圖5 不同排列方式的織物電磁屏蔽效能
Fig.5 Electromagnetic shielding effectiveness of yearns with different arrangement
3)織物中不銹鋼紗線的排列方式對其電磁屏蔽效能影響規(guī)律較為明顯。當(dāng)兩塊織物成45°交叉排列時(shí),織物在4個(gè)方向上均含有不銹鋼紗線,形成的網(wǎng)格最密。此時(shí)電磁波垂直分量增加,織物對電磁波的反射量增加,屏蔽效能增強(qiáng)。