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电磁屏蔽织物的研究新进展

2019-07-17天津工业大学纺织学院 谭学强 刘建勇 刘佳音 天津工业大学

??????? 摘要:本文通过对电磁屏蔽原理的介绍,对电磁屏蔽织物的制备方法进行了总结。其中包括涂层法、金属混纺法、化学镀法和磁控溅射法,并对利用上述四种方法所制备的电磁屏蔽织物的研究现状进行了分析。最后对电磁屏蔽织物在纺织领域中存在的问题和发展趋势进行了总结和展望,指出利用磁控溅射技术制备电磁屏蔽织物是未来研究的方向和重点。

在电子科技飞速发展的时代中一种新型的污染源也随之产生它就是电磁辐射经研究表明电磁辐射产生的累积效应和热效应会对人体健康产生较为严重的危害,它会诱发神经衰弱、失眠、高血压等疾病当电磁波辐射达到一定强度时它不仅会对人们的身体健康产生造成严重威胁还能使正常工作的电子设备出现控制失灵等现象。因此,开发电磁屏蔽材料的研究将得到学者们广泛的关注。其中,电磁屏蔽织物的研发成为了学者关注的焦点。屏蔽织物不仅要具备抗辐射功能,而且还需达到透气性好、柔软性好、耐洗涤等特点,故电磁屏蔽织物的研发势在必行。

1 电磁屏蔽原理

??? 电磁屏蔽是指对电场和磁场同时起屏蔽作用。当屏蔽材料发挥其屏蔽作用时,是通过电磁波在屏蔽材料的表面被反射吸收以及在其内部的反射等方面来实现电磁波衰减的其中电磁屏蔽织物的作用原理就是防止电磁能量从织物外面传递到人体中。电磁波辐射到织物表面后,电磁波能量会在其表面被反射衰减,没有被反射的电磁波能量进入织物的内部时被吸收衰减,最后在电磁屏蔽织物的内部进行多次反射衰减,从而达到屏蔽效果。

1.1 反射损耗

??? 通常在屏蔽材料的表面实现电磁波的反射时,其反射作用通常是因为屏蔽材料本身与空间阻抗不同产生的,这种反抗实现的电磁能量损耗不仅与屏蔽材料本身的阻抗相关,也与辐射源的类别以及辐射源到屏蔽材料的距离有关。

1.2 吸收损耗

??? 吸收衰减是指去掉被反射掉的电磁波以后,其余进入屏蔽材料的电磁波被屏蔽材料内部的织物吸收所产生的衰减,这种衰减作用通常与电磁波的类别无关,当电磁波进入屏蔽材料的内层时,就会被屏蔽材料吸收。且屏蔽层的厚度、导电率以及磁导率等因素会对电磁波的吸收程度产生影响,例如在磁导率大的金属合金中,像镍铁钒超导磁合金以及镍铁高导磁合金等吸收电磁波的能力都比较强,通过不同吸收材料的组合可以有效提高电磁波的吸收作用。

1.3 多重反射损耗

??? 进入屏蔽材料内部以后,除了吸收作用,电磁波在织物的内部材料之间也会进行不断的反射和透射,使电磁波反复通过材料,从而实现电磁波的能量衰减。但反射有可能会造成电磁波的二次污染,因而目前的研究是使用吸收能力强、反射能力弱的屏蔽材料,而且更集中于对多层屏蔽复合材料的研究。其中,电磁屏蔽织物的制备方法主要是镀金属工艺和混纺技术。

2 电磁屏蔽织物的制备方法及其研究进展

??? 对于普通织物来说,由于其存在导电性较差等缺点,因此很难达到良好的屏蔽效果。故对纤维或织物进行处理,使织物表面可以形成类似于金属的导电层,从而具有较好的导电性,达到电磁屏蔽的效果。目前,电磁屏蔽织物主要制备的方法为涂层法、金属混纺、化学镀法和磁控溅射镀法。

2.1 涂层法

??? 涂层法是电磁屏蔽织物制备的常用方法,它把具有电磁屏蔽作用的屏蔽剂涂在织物表面上或者使用黏合剂在织物表面上黏附屏蔽材料,从而在织物上形成连续的导电层,使其具有电磁屏蔽性能。如管登高等把镍与玻璃纤维作为为复合填料,以丙烯酸树脂作为黏合剂,制备出具有玻璃纤维/镍粉/丙烯酸树脂结构的电磁屏蔽复合织物,且在300kHz-1.5GHz频率范围内,电磁屏蔽效能达47-64dB虽然这种方法工艺简单,但存在涂层结构较硬,不均匀,涂层薄膜易开裂等缺点。有人引入纳米材料和高聚物材料有效地克服了以上缺点,明显提高了织物的屏蔽效果,从而对人体起到了良好的防护作用。但该过程操作复杂,生产成本高,难以实现产业化应用。

2.2 金属混纺

??? 金属混纺的第一种方法是将不锈钢纤维、铜纤维、银纤维等金属纤维先混纺成纱线,再根据针织或机织工艺织成面料。如Liu等人以不锈钢纤维织物作为研究对象,结果表明,混纺织物的屏蔽效果随着不锈钢纤维含量的增加而增加,并且不锈钢细丝之间的间距对屏蔽效果有明显的影响,当不锈钢丝纤维间的距离增大时,织物的屏蔽效果会在一定范围内降低。郑倩雪等人也得出屏蔽织物中金属纤维含量的增加,相应织物的屏蔽效能增大,并且指出双层屏蔽织物的电磁屏蔽效果要优于单层电磁屏蔽织物。第二种方法是将普通纤维和导电材料先制成熔体,然后由喷丝头细孔压出形成导电纤维,由这种导电纤维织成的面料不仅具有良好的屏蔽性能,而且具有透气性好、柔韧性好、舒适性好等良好的服用性能Duan等人通过简单的熔融共混法制备了具有三层结构的镀镍玻璃纤(NCGF)/氧化钛(Ti02)/聚丙烯(PP)复合电磁屏蔽织物,产生了界面极化效应并形成了良好的导电网络,电磁屏蔽效能达44dB。采用金属混纺法制备的电磁屏蔽织物具有寿命长、成本低的特点,但其屏蔽效果一般,特别是波长在高频率范围内屏蔽效能会下降。

2.3 化学镀法

??? 化学镀法是在不加电场的情况下,直接通过化学反应来实现薄膜沉积的过程。化学镀法包括活化、敏化两道流程,如在含镍离子的溶液中,加入还原剂(硼氢化合物和次亚磷酸盐等),可在纤维表面析出金属镍。而实现多种金属复合镀可以应用先进的化学镀法。以银作催化剂为例,在涤纶织物上进行铜镍复合镀,不仅显着提高了纺织品的电磁屏蔽的效果,而且还能使织物具有良好的抗静电性能,还可以减缓铜镀层的进一步氧化。Guo等采用化学镀法,用AgN03替代传统价格昂贵的PaCl2作为靶向催化剂制备出镀铜膜织物,当铜膜厚度达到37nm,在2-18GHz频率范围内,其屏蔽效能高达55 dBBian等人还通过采用化学镀法和原位组装法在碳纤维结构中引入还原型石墨烯氧化物(RGO) 来制备碳纤维/RGO/镍三层电磁屏蔽复合织物。化学镀法制备的织物保留了纺织品原有的性能,但其生产过程复杂且存在环境污染等问题。

2.4 磁控溅射镀法

??? 磁控溅射方法是一种织物表面改性的新型技术。它具有装置性能稳定、操作控制方便、低温高速、环境友好等优点,在纺织品表面改性中正受到研究者们越来越多的关注。磁控溅射技术通过选用不同的基材与金属靶材,也可以选用不同环境气体,可在织物表面形成CuAgTiAl等金属导电薄膜,从而赋予纺织品良好的电磁屏蔽性能。如肖居霞等在涤纶无纺布表面分别沉积CuAg金属薄膜,制出一种柔性电子纺织品,并且随着镀膜厚度的增加以及金属颗粒的增大,织物的导电性和电磁屏蔽效果明显提高。Du等在涤纶织物上溅射沉积银膜,结果表明,溅射后的织物具备良好的电磁屏蔽效能,随着薄膜的厚度的增加和薄膜均匀性提高,相应的电磁屏蔽效果也显着提高。陈文兴[35]在涤纶非织造布表面溅射沉积Cu膜,在原子力显微镜观察下,结果表明,当溅射功率增大时,镀膜速率也相应增大,薄膜表面也变得更加均匀致密,结合牢度好的同时还未影响织物原有的性能。李强林等以涤纶平纹机织物为基材在溅射前先对基材进行低温等离子体预处理然后在基材表面溅射沉积铜钛金属薄膜(先沉积一层铜膜在沉积一层钛膜)结果表明镀铜钛金属薄膜织物具有结合牢度高、金属光泽、手感良好等特性,随着镀膜厚度的增加,镀膜织物的电磁屏蔽效果越好,当镀膜厚度超过240nm时,可以屏蔽99%以上的电磁波,并且还具有良好的抗菌性能。

??? 磁控溅射法不仅克服了其他方法存在的问题,而且制备的电磁屏蔽织物的纳米金属导电薄膜分布加均匀致密对电磁波具有更好的反射性且织物还保留了原有的服用性能因此磁控溅射法制备电磁屏蔽织物这一方法将是未来研究的重点。

2.5 其他方法

??? QU等人将亚微米硫酸钡颗粒作为抗辐射成分掺入再生纤维素纺丝溶液中制造出一系列X射线抗辐射性纤维所得纤维通过针织机编织成织物样品的X射线衰减率随着硫酸钡含量的增加而增加这些纤维和织物可以用作X射线辐射轻质服装和侦探手术纱线的基材。2hangl401等人通过原位聚合合成聚苯胺(PANI)均匀沉积在甘蔗渣纤维(BF)上的复合纤维其中以BF为核心PANI为壳体BF/PANI复合材料的介电常数、电磁干扰(EMI)屏蔽效能(SE)值和衰减常数均大于原始PANI,该复合材料具有潜在的商业应用前景,也可用作导电填料以赋予聚合物良好的电磁屏蔽效能。

3 结束语

??? 无论在日常生活中,还是在工业领域和学术研究中,电磁屏蔽织物都存在很大的需求和市场,具较强的竞争力和广阔的发展前景。磁控溅射技术具有附着力好、镀膜均匀连续、操作方便、低温高、低成本、环境友好等优点,基本能克服上述三种方法的不足,而且还保留了原有织物良好的服用能。因此,采用磁控溅射法制各电磁屏蔽织物是未来研究的重点;还有织物在获得良好的电磁屏蔽性能同时能否具有其它多种性能(如抗菌抗紫外线抗静电防水等性能)于一身以及对不同频率的电磁波实现选择性屏蔽,也将是未来纺织领域研究的热点和趋势。

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