第三節 防電磁輻射整理

本節知識點

1.電磁輻射對人體的危害及紡織品防電磁輻射整理的原理

2.防電磁輻射紡織品的制備方法

3.紡織品防電磁輻射性能的評價方法

電磁輻射是能量以電磁波形式由波源發射到空間的現象。自然界中的電磁波按照波長或頻率范圍的劃分見圖2-3-1。廣義而言，輻射包括電離輻射和非電離輻射，但是習慣上將屬于非電離輻射的紫外線、可見光、紅外線、激光以及與人類生活有密切關系的微波（電子波段）稱為電磁輻射（Electromagnetic Radiation）。

圖2-3-1 電磁波譜

隨著科技進步，人們在日常生活中接觸各種電子產品的機會和時間較過去大大增加。很多電子產品工作時都會發出不同頻率和強度的電磁波，由此造成的電磁輻射會危害人體健康。因此，電磁輻射被視為環境的“第四大污染”，對電磁輻射的防護日益受到重視。

一、電磁輻射的來源及其對人體的危害

電磁輻射污染既有天然的，也有人為產生的。其中人為產生的電磁輻射按頻段的不同可分為工頻輻射和射頻輻射；按人為制造的系統大致可分為五類：廣播電視類、通訊發射類、工科醫類、交通系統類和高壓電力類。輻射頻率跨度較廣，從數MHz到數GHz。

電磁輻射對人體產生的危害主要表現在三個方面：熱效應、非熱效應和累積效應。

（1）熱效應：人體70%以上是水。水分子受到電磁波輻射后，可以將所吸收的電磁波的能量轉化為內能，引起肌體升溫，進而影響到體內器官的正常工作。電磁場場強越大、頻率越高，熱效應越明顯。電磁輻射對人體的作用強度為：微波>超短波>短波>中波>長波。

（2）非熱效應：長時間低頻率的電磁輻射，會產生非熱效應。人體器官和組織都存在微弱的電磁場，正常情況下是穩定和有序的；外界電磁場會干擾體內處于平衡狀態的微弱電磁場，細胞分子產生共振作用，導致生物體神經系統功能紊亂或失調，影響心血管系統。

（3）累積效應：電磁輻射對人體的傷害具有累積效應。對于長期接觸電磁波輻射的群體，即使功率小、頻率低，也可能造成傷害。累積效應主要表現為致癌、致畸和致突變，這些變化需要對幾代人進行觀察研究才能做出結論。

二、防電磁輻射基本原理

（一）電磁屏蔽原理

利用導電或導磁材料制成屏蔽體，將需要保護的對象從電磁污染環境中隔離，是防電磁輻射的有效手段。屏蔽體通過反射、吸收和材料內部多次反射作用消除或降低電磁輻射的危害。這些作用與屏蔽結構表面及屏蔽體內感生電荷、電流和極化現象密切相關。電磁屏蔽按其作用原理分為電場屏蔽、磁場屏蔽和電磁場屏蔽。

1.電場屏蔽

電場屏蔽是為了消除或抑制由于電場耦合引起的干擾。利用金屬屏蔽體可以對電場起屏蔽作用。屏蔽體必須充分接地，否則起不到應有的屏蔽作用。對于交變電場，若某導體有一交變電壓，金屬屏蔽體可將電場限制在該導體和屏蔽體之間。電場屏蔽應采用良導體，接地電阻越小，屏蔽效果越好。同時，屏蔽體必須是完善的。

2.磁場屏蔽

對于靜磁場及低頻交變磁場，主要利用鐵、鎳鋼、坡莫合金等高磁導率的材料實現屏蔽。這類材料磁阻低，磁力線將被封閉在屏蔽體內，起到磁屏蔽的作用。磁場屏蔽體接地狀況不影響磁屏蔽效果，但磁屏蔽體對電場也有一定的屏蔽效果，因此一般也接地。為了獲得好的磁屏蔽效果，材料的磁阻要足夠小。

對高頻磁場而言，屏蔽體表面產生的渦流會產生感生磁場，抵消原磁場的作用，同時使磁力線繞行而過。渦流越大，屏蔽效果越好。因此，對于高頻磁場的屏蔽應選用良導體，如銀、銅、鋁等材料。隨著磁場頻率增大，渦流亦增大，磁屏蔽效果更好。由于集膚效應，渦流在材料的表面產生，因此很薄的金屬材料即可滿足屏蔽要求。

3.電磁場屏蔽

對于高電壓、小電流的干擾源，近場以電場為主，其磁場分量可以忽略；而對于低電壓、大電流的干擾源，近場以磁場為主，其電場分量可以忽略。對上述這兩種情況，可以分別按照電屏蔽和磁屏蔽原理進行處理。但是在頻率較高或在遠場條件下，不論輻射源本身特性如何，均可看作平面波電磁場，此時需將電場和磁場同時屏蔽。

高頻電磁波穿過金屬屏蔽體時產生波反射和波吸收。電磁波到達屏蔽體表面時，由于金屬—空氣界面阻抗不連續，入射波產生反射。反射作用不要求材料很厚，只要求阻抗不連續。電磁波的波阻抗與金屬屏蔽體的特征阻抗相差越大，反射引起的損耗也越大；電磁波頻率越低，反射越嚴重。

電磁波在穿透屏蔽體時產生的吸收損耗主要由感生渦流引起。感生渦流可產生一個感生磁場，抵消原干擾磁場；同時感生渦流在屏蔽體內產生熱損耗。電磁波頻率越高、屏蔽體越厚，渦流損耗越大。

在屏蔽體內未衰減的能量到達屏蔽體另一側時，由于界面阻抗不連續而再次產生反射，電磁波折回屏蔽體內。這種反射在兩界面之間可以發生多次。

（二）電磁屏蔽性能指標^{［34，35］}

電磁屏蔽性能的好壞通常用屏蔽效能SE（Shielding Effectiveness）來表示。電場及磁場的屏蔽效能如式2-3-1及式2-3-2所示：

式中：E₁、H₁——分別為加上屏蔽后待測點的電場強度和磁場強度；

E₂、H₂——分別為未加屏蔽前待測點的電場強度和磁場強度；

SE_E、SE_H——分別為電場屏蔽效能和磁場屏蔽效能。

對于遠場而言，電磁場是統一的整體，所以

SE=SE_E=SE_H　　　　　　（2-3-3）

根據Schelkunoff理論，電磁波在遇到屏蔽層后，會發生透射、吸收、反射、折射等多種現象，總的電磁屏蔽效能SE為電磁波反射損耗R、吸收損耗A及內部反射損耗B的總和，如式2-3-4所示：

SE=A+R+B　　　　　　（2-3-4）

對于平板型的金屬導體，吸收損耗A表示電磁波進入金屬體內部時被其吸收后的衰減程度，它與電磁波的類型無關，與屏蔽體厚度b呈線性關系，如式2-3-5所示：

式中：f——頻率，Hz；

μ_r——金屬的相對磁導率；

σ_r——金屬相對于銅的電導率（銅電導率σ_c=5.8×10⁷Ω/m）。

各種金屬屏蔽材料的性能如表2-3-1所示。

表2-3-1 各種金屬屏蔽材料性能（假設金屬尚未飽和）

續表

反射損耗R表示電磁波在屏蔽材料入射表面的反射衰減，與材料的表面阻抗、電磁波輻射源類型及屏蔽材料到輻射源的距離r有關。

磁屏蔽體的表面阻抗與空間的磁場波阻抗非常接近。因此，磁屏蔽體表面對磁場波的反射損耗很小，磁屏蔽的效果主要由吸收損耗A決定。而電屏蔽體的表面阻抗很小，對于被屏蔽的高阻抗電場而言，屏蔽效果主要由表面反射損耗R決定，電場屏蔽體可以用比較薄的金屬材料制成。

內部多次反射衰減B是表示在電磁波屏蔽材料的內部多次反射衰減，與材料的表面阻抗、電磁波輻射源類型及屏蔽材料到輻射源的距離有關。此項在B≤15dB時才有意義。

B（dB）=20lg（1－e^－2b/δ）　　　　　　（2-3-6）

式中：b——材料厚度；

δ——集膚深度。

對于Ag、Cu、Al等相對電導率大的材料，反射損耗R大，即對高頻電磁場的屏蔽作用主要取決于表面反射損耗，且金屬的相對電導率越大，SE越高。而對鐵、鐵鎳合金等高磁導率材料而言，相對磁導率越大，吸收損耗A越大，即對低頻電磁場屏蔽時，吸收損耗將起主要作用。因此，用于低頻屏蔽的導電材料既要有良好的電導率，也要有較高的磁導率，同時還要有足夠的厚度。

另外，在低頻阻抗場中，實心型屏蔽體的屏蔽效能SE可用式2-3-7近似表達。

SE（dB）=20lg［1+（μ_rb/2r）］　　　　　　（2-3-7）

式中：μ_r——金屬的相對磁導率；

r——屏蔽材料到輻射源的距離。

很多在基材上生成屏蔽金屬膜的材料屬于薄膜屏蔽，此處對薄膜屏蔽略作闡述。設在屏蔽層傳播的電磁波波長為λ，屏蔽層的厚度為b，當b<λ/4時，將屏蔽稱為薄膜屏蔽。

薄膜屏蔽的屏蔽層很薄，由可知，吸收損耗A非常小，甚至可以忽略。屏蔽效果主要取決于反射損耗R。對于多次反射吸收項B而言，由于薄膜很薄，多次反射的相位接近，能量相互疊加，致使B趨于較大的負值，使總屏蔽效能SE有所降低。表2-3-2為銅薄膜對頻率為1MHz和1GHz的屏蔽效果計算值（假設入射波為平面波）。

由表2-3-2數據可知，對于薄膜屏蔽而言，隨著屏蔽層厚度的增加，SE顯著提高；屏蔽效果幾乎與頻率無關，但是實測值在低頻范圍內會有較大誤差，需要注意甄別與校正。

表2-3-2 銅薄膜屏蔽效果計算值

三、防電磁輻射織物的制備

普通紡織品導電性不好，對電磁波幾乎無屏蔽作用。為使織物獲得屏蔽性能，目前主要是通過改善織物的導電性，使織物或織物表面形成較為完整的導電層，其屏蔽原理近似金屬薄膜屏蔽原理；而在織物的織造過程中，按一定比例加入防電磁輻射纖維，形成電磁屏蔽織物，其屏蔽原理與網孔結構材料屏蔽原理近似。防電磁輻射織物對電磁波的屏蔽主要通過如下途徑實現。

（1）由于空氣/金屬界面阻抗不連續，入射電磁波在屏蔽體表面發生反射。

（2）未被表面反射的電磁波進入屏蔽體內，在繼續傳播的過程中被屏蔽材料衰減，能量轉化為其他的形式被吸收，吸收的多少取決于電磁波的波長，波長越短吸收越多。

（3）一部分電磁波傳播到材料的另一表面，在阻抗不連續的金屬/空氣界面再次形成反射，回到屏蔽體內，繼而發生多次反射和衰減。

（4）少量衰減的電磁波透過織物。

通常，根據屏蔽效能可將電磁波防護效果劃分為以下幾個等級，0～10dB：幾乎沒有屏蔽作用；10～30dB：屏蔽作用較小；30～60dB：屏蔽效果中等，用于一般工業或電子設備；60～90dB：屏蔽效果較好，可用于航空航天及軍用儀器設備的屏蔽；高于90dB：屏蔽效果優秀。

在實際應用中，大多數電子產品的電磁輻射在30～1000MHz，其屏蔽效能SE應高于35dB（相對應的體積電阻率在10Ω·cm以下）。對一般的日常生活和工作來說，屏蔽效能在30～60dB的產品即具有防護效果。

按照我國電磁輻射防護服的要求，對于大功率射頻應用設備的強場防護，屏蔽效能值在30dB以上；而對于一般設備，屏蔽效能值在10～20dB。常用電磁輻射個體防護產品及其屏蔽效能見表2-3-3。

表2-3-3 常用電磁輻射個體防護紡織品及其屏蔽效能

（一）金屬絲及金屬纖維在制造防電磁輻射織物中的應用

獲得導電紡織品最直接的方法是用細度較高的金屬絲或金屬纖維與普通纖維混紡或交織。這種導電織物的電磁屏蔽效能主要取決于金屬纖維的連續性或接觸性。

常用的金屬絲有銅絲、鎳絲、不銹鋼絲及一些合金絲。屏蔽效能要求較高時用銀絲或鉛絲。金屬交織物的屏蔽效能在0.15M～20GHz范圍內可以達到60dB以上^［38］。為獲得良好的防輻射效果，織造時要注意織物組織結構的設計，金屬絲應保證足夠的交織密度。

對于絕大部分的磁屏蔽材料，影響材料內部磁疇排列方向的所有操作都會降低材料的磁導率，使磁屏蔽性能下降，甚至工作溫度變化較大時也會造成影響^［39］。

常用的金屬纖維包括鎳纖維和不銹鋼纖維，纖維直徑在2～10μm之間。金屬纖維混紡織物比金屬絲交織物屏蔽效果好，手感明顯改善。目前紡織上多用4μm、6μm、8μm的軟化不銹鋼纖維紡制28tex或20tex的紗線，混紡比在15%～30%之間，屏蔽效能在0.15M～3GHz內可達15～30dB，滿足服用要求。王瑄考查了金屬纖維含量、紗線線密度、織物結構參數等對織物的電磁屏蔽性能的影響^［40］。

在金屬交織或混紡織物的設計與織造中要注意如下問題：

（1）織物組織結構的影響。有研究表明，在常見的三種原組織中，平紋組織由于交織點多，結構緊密，金屬纖維網較密，電磁屏蔽效果較好；緞紋組織由于經、緯浮長線較長，交織點少，金屬纖維網較疏松，屏蔽效能較差；斜紋組織則介于兩者之間。

（2）紗線結構的影響。對于金屬長絲，有包覆紗和包芯紗。在包覆紗中，金屬長絲沿螺旋線規則地包覆在短纖維上；在包芯紗中，金屬長絲則位于紗線條干的內部，普通纖維包纏在外面。對于金屬短纖維，金屬短纖維在混紡紗中的分布介于包覆紗與包芯紗之間。織物內金屬纖維形成的網絡，包芯紗網距較小，金屬短纖混紡紗次之，包覆紗最大。因此，織物結構相近時，包芯紗屏蔽效能最好，金屬短纖維混紡紗次之，包覆紗最差^［41］。

（3）金屬長絲/纖維的影響。通常，金屬纖維長度相同的情況下，直徑越大，導電性越好，織物屏蔽效能越高。但是纖維直徑的增加會影響可紡性。另外，經紗和緯紗都采用金屬纖維的織物，屏蔽效果好于經紗或緯紗單獨使用金屬纖維的織物^［41］。

除了用于織造，金屬纖維還用于聚合物復合屏蔽材料的制造。Bagwell R M等在聚對苯二甲酸丁二酯中添加黃銅纖維，電磁屏蔽效能較添加鋁纖維的材料高10～18dB；將體積比為15%、直徑為0.162mm銅短纖維加入環氧樹脂中，對頻率為1.0GHz的電磁波的屏蔽效能達到45dB。銅短纖維直徑增加，屏蔽效能降低。這點與金屬短纖維混紡織物完全不同。金屬纖維直徑增加，在含量一樣的情況下，彼此接觸的概率降低，導電性下降，屏蔽性能隨之降低。因此，在纖維—聚合物復合材料中，應當重視金屬纖維的細微化與分散性^［42］。Chen Chunsheng等用鐵纖維填充聚酰胺、聚碳酸酯等制成復合材料，當填充量體積百分比為20%～27%時，屏蔽效能SE高達60～80dB^［43］。

（二）防電磁輻射聚合物纖維

復合型導電纖維是將具有電磁屏蔽功能的無機粒子與聚合物共混后進行紡絲，制備防電磁輻射纖維。欲使電磁屏蔽效能在30dB以上，纖維的體積電阻率需在10Ω·cm以下，此時必須增加導電粒子的用量。由此導致纖維可紡性降低，甚至不能成纖。噴絲孔對各種無機導電填料（如炭黑、碳纖維、石墨、金屬粉、金屬氧化物等）的粒徑也有較高的要求。這類纖維的強度、彈性、耐久性、耐磨性較好，成本低，使用壽命長，但屏蔽性能不高，特別是高頻屏蔽性能較差。

本征型導電聚合物纖維是用AsF₃、I₂、BF₄等物質以電化學摻雜方法合成的具有導電功能的共軛聚合物，如聚乙炔類、聚苯撐類、聚吡咯類、聚噻吩類、聚苯胺類、聚雜環類，其中一些摻雜聚合物的電導率甚至超過銀。但是這類材料尚存在成纖困難、導電穩定性差、成本較高等問題，其作為電磁屏蔽材料的實用性受到限制^{［44，45］}。

獲得規模應用的主要是復合型導電聚合物纖維，但是種類較少。例如，將Cu粉加入濕紡黏膠中，制成線密度在1.1～16.5dtex的長絲及38～171mm的短纖^［46］。或將粒徑約1μm的鐵氧體按一定比例加入黏膠漿粕中紡絲，以此纖維織成的織物具有較好的電磁屏蔽性能^［47］。楊鵬等利用不同金屬鹽的凝固浴，制備了多種海藻酸鹽纖維^［48］，其中海藻酸鋇纖維的效果最好，在30～600MHz其屏蔽效能接近20dB。

碳纖維具有一定的導電性，而且具有高強、高模、化學穩定性好、相對密度小等優點，但其自身導電能力尚不能滿足電磁屏蔽的要求，還需在纖維表面生成導電膜，以改善電磁屏蔽效果。Paligova等采用聚苯胺包覆碳纖維，研究了材料的電磁參數，發現這種聚合物在頻率為0～1300MHz的電磁波輻射下的屏蔽效能達35dB^［49］。

（三）聚合物基電磁屏蔽復合材料

1.聚合物基電磁屏蔽復合材料的組成

聚合物基電磁屏蔽復合材料通常由導電（或導磁）填料、聚合物基體及偶聯劑、分散劑、稀釋劑等組成。

常用的導電填料包括導電性能優良的金屬纖維（銀系、銅系和鎳系）、金屬片、鍍金屬的碳纖維、石墨纖維或云母、炭黑、石墨等。其中應用較多的是金屬纖維，如黃銅纖維、鐵纖維以及不銹鋼纖維等。此外，導電聚合物填料值得關注，例如聚乙炔、聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺等，有一些獨具特色的優點。常用的聚合物基體有聚丙烯腈—丁二烯—苯乙烯樹脂（ABS）、聚丙烯（PP）、聚苯醚（PPO）、聚碳酸酯（PC）、聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯（PE）、聚酰胺（PA）等。

美國Mobay Chemical公司研制出鋁片與PC/ABS的復合材料，有ME-2540和ME-6540兩種。前者在1～960MHz頻率范圍內的SE為65～54dB；后者相應的SE則為50～45dB。

日本鐘紡公司開發了鐵纖維與PA6、PP、PC等聚合物基體復合而成的電磁屏蔽材料。例如牌號分別為FE-125、FE-125MC和FE-125HP的材料中鐵纖維的填充量在20%～27%體積分數之間，屏蔽效能SE可達60～80dB。

用不銹鋼纖維作填料制成的電磁屏蔽材料也有很好的屏蔽效能。當不銹鋼纖維直徑為7μm，填充量為6%質量分數時，屏蔽效能SE可達40dB^［34］。

黃銅纖維也是一種能使復合材料獲得優良屏蔽效能的填料。當黃銅纖維體積分數為10%時，材料的體積電阻率低于10^-2Ω·cm，屏蔽效能SE可達60dB。利用高頻振動切削法制造的黃銅纖維性能更好，通常其長度為2～15mm，直徑為40～120μm，容易同聚合物進行混煉。其與聚丙烯腈—丙烯酸—苯乙烯復合制成的電磁屏蔽材料，不僅具有較高的屏蔽效能，而且由于丙烯酸取代了丁二烯，還改善了對氧的穩定性，具有良好的耐熱性。在頻率為100MHz、500MHz和1000MHz時屏蔽效能分別達到67dB、48dB和32dB。黃銅纖維填充PA等聚合物基體也可獲得類似的效果^［34］。鍍鎳云母片也可以與ABS、PP、PBT等聚合物基體復合制成電磁屏蔽材料。利用碳纖維或石墨纖維也具有電磁屏蔽性能，利用這類復合填料制備的電磁屏蔽材料，可以改善用純金屬作填料時所造成的材料密度過大的缺點。例如，美國氰胺公司采用直徑為7μm、鍍層厚為0.5μm的鍍鎳石墨纖維作填料，當填充量為40%質量分數時，與ABS基體復合制得的材料在1000MHz時，屏蔽效能達到80dB。鍍鎳石墨纖維不僅導電性能好，不生銹，而且還能提高復合材料的力學性能。

聚苯胺（PANI）是一種較為典型的導電聚合物。PANI具有金屬光澤，分子鏈有很強的共軛性。因其電導率可控，成本低，熱穩定性和化學穩定性好，易于制備等優點受到極大的關注。但是聚苯胺的難溶性一度成為其加工應用的障礙，通過對聚苯胺進行質子酸摻雜，可以顯著改善可溶性問題，提高其應用性能^［50］。

袁冰倩等用乙醇助溶法加強石墨烯與聚苯胺的混合，然后壓片制備石墨烯/聚苯胺屏蔽材料^［51］。黃大慶等合成了導電聚苯胺納米薄膜均勻包覆的碳納米管/導電聚苯胺納米復合纖維，發現導電聚苯胺材料在射頻段對電磁干擾有很大的屏蔽性能。潘瑋國等以滌綸為基體纖維，采用原位聚合制取聚苯胺/滌綸導電纖維。導電聚苯胺復合物的屏蔽效能可達20～60dB，并隨著基體中導電聚合物引入量的增加而提高。

通常，用金屬填料制備的復合材料在低頻段具有較好的屏蔽效能，但在高頻段屏蔽效能較差；而導電聚合物為填料的電磁屏蔽材料在低頻段難以得到令人滿意的屏蔽效果。金屬填料和導電聚合物混合使用，可以在較寬頻段范圍得到較好的電磁屏蔽效果^［52］。另外，對導電聚合物進行摻雜處理，可以提高導電聚合物的導電性，增強復合材料的電磁屏蔽效果。例如用樟腦磺酸（CSA）對聚苯胺進行二次摻雜以提高導電聚苯胺的電導率，其電導率由原來的0.29s/cm增加到8～12s/cm。

2.影響聚合物基電磁屏蔽復合材料屏蔽效能的因素

影響聚合物基電磁屏蔽復合材料屏蔽效能的因素較為復雜，不僅與導電填料的性質、用量有關，還與填料的形態、聚合物基體的種類、復合工藝等因素有關^［34］。

導電填料在聚合物基體中的用量存在“滲濾閾值”。通常，隨著導電填料用量的增加，復合材料的體積電阻率逐漸下降。當導電填料的用量達到某一臨界值時，材料的電阻率急劇下降，電阻率—導電填料曲線上出現一個突變區域。用量越過這一臨界值后，電阻率隨導電填料用量的變化又趨平緩。不同的導電填料有不同的臨界填充量；而同一導電填料填充不同的聚合物基體時，其滲濾閾值也不同。與其他聚合物復合材料相同，導電材料用量也會對材料的力學性能造成影響，特別是添加量較高的時候，復合材料的力學性能會明顯降低。常用的導電填料用量一般為12%～20%體積分數。

導電填料的形態對復合材料的屏蔽效能也有顯著的影響。填料長徑比越大，導電性越好。細長的填料更利于聚合物內導電網絡的構建。目前常用的金屬纖維的長徑比一般為50～60，當填充量為10%～15%體積分數時，便具有足夠的導電性能。粉末狀導電填料的用量則要達到40%體積分數左右。如果條件允許，應提高填料的長徑比。

導電填料的表面形態以及在聚合物基體中的分散狀況等也會影響復合材料的屏蔽效能。采用多孔質、比表面大以及分散性好的導電填料，則容易獲得好的屏蔽效果。

聚合物作為復合材料的連續相和黏結基體，其種類和結構對材料的屏蔽效能也有明顯的影響。聚合物的黏度和表面張力是影響分散性的重要因素。填料在表面張力較小的聚合物中容易浸潤和分散，其導電性能和電磁屏蔽效能相應提高。而對于同一種聚合物基體，黏度越低，填料的分散效果越好，導電性能越好。

聚合物基體的結晶度對屏蔽效果也有影響。有研究認為，結晶度越高，則導電性能越好，屏蔽性能隨之提高。導電填料主要分布在聚合物基體的非晶區，因此當結晶相比例增大時，在填料用量相同的情況下聚合物非晶區中導電填料的分布密度增加，形成導電通路的概率增大。例如，以不銹鋼纖維為導電填料，分別與ABS和PP兩種聚合物復合制成電磁屏蔽材料，其“滲濾閾值”在結晶性的PP基體中比在無定形ABS基體中低^［53］。

聚合物的聚合度和交聯度也會影響復合材料的導電性能和屏蔽效能^［50］。聚合度越高，價帶、導電帶的能隙越小，則導電性越好。但過高的聚合度會影響材料的加工性能以及與其他材料的相容性。較高的交聯度會降低聚合物的結晶度，同時阻礙了導電粒子的遷移和運動能力，使復合材料的導電性能下降。選擇聚合物基體時，要綜合考慮各組分的性能及目標材料的性能，適當取舍。

復合材料的導電性能和電磁屏蔽效能很大程度上取決于導電填料與聚合物基體的分散狀況和導電結構的形成過程。為保證各組分充分混合，必須進行混煉。但在高溫和劇烈的剪切作用下，導電填料的結構可能會遭到破壞，進而影響導電性能和屏蔽效能。因此，選擇合理的混煉工藝參數和混煉設備的技術參數十分關鍵。例如，擠出時受力應盡可能小，剪切速度盡可能低，以保持導電組織結構的完整性。提高流體熔體指數，可以降低復合體系的黏度和剪切應力。延長成型時間也有利于保持導電結構的完整性^［34］。

（四）紡織品金屬化整理

通過化學鍍層、真空鍍層、涂層等方法在纖維表面形成金屬導電層，纖維比電阻可降至10^-4～10^-2Ω·cm。金屬化涂層由于加工手段靈活，材料來源廣泛，適用性廣，屏蔽效果優良，應用越來越廣泛。

1.化學鍍

化學鍍能夠實施連續化生產，生產效率高，鍍層厚度便于調節；當電磁波屏蔽效果相同時，金屬耗用量更低。但化學鍍有重金屬離子污染問題。另外，目前的化學鍍銅或鎳工藝需用鈀或其他貴金屬充當活化劑，導致產品成本較高。化學鍍的一般工藝流程為：

清洗（去油）→粗化→敏化→活化→強化→化學鍍

PET、PA等合成纖維表面光滑、浸潤性差，為提高纖維的浸潤性、增加制品表面的粗糙度及表面積，使化學鍍順利進行，鍍層獲得良好的附著力，在活化前要先對織物進行清潔和粗化。例如，利用低溫等離子體，通過刻蝕作用可使纖維粗化^［54］。

敏化是將粗化過的織物放入敏化液中浸漬。典型的敏化液是氯化亞錫溶液。亞錫鹽水解生成氫氧化亞錫或氧化亞錫均勻沉積在織物表面，作為活化處理的金屬析出中心。

活化劑一般為對待鍍金屬有催化活性的貴金屬鹽，常用的為氯化鈀或氯化金的膠體溶液。例如，在活化過程中，亞錫離子把活化液中的鈀離子還原成金屬鈀粒子，在織物表面沉積下來形成鈀金屬晶粒或金屬膜，該膜起催化劑作用，加快化學鍍進程。

化學鍍溶液一般由金屬鹽、還原劑、緩沖劑、絡合劑和穩定劑等組成。其中，還原劑的選擇是關鍵。常用的還原劑是次磷酸鹽和甲醛，此外，還有硼氫化物、氨基硼烷及它們的衍生物。還原劑將金屬離子還原成金屬原子或分子沉積在纖維表面，活化后形成的金屬鈀催化該過程，最終在織物上形成金屬膜。

化學鍍工藝中較為常見的是化學鍍銀、鍍鎳和鍍銅織物。

化學鍍銀是利用“銀鏡反應”，將銀氨絡鹽還原，在纖維表面沉積金屬銀。鍍液含有銀鹽和還原劑。銀鹽基本是銀氨絡合物溶液；還原劑包括糖類、酒石酸鹽、甲醛和肼類等。其中葡萄糖和酒石酸鹽的還原能力較弱，醛類和肼類還原能力較強。為了獲得均勻、平整的鍍層，滿足屏蔽性能要求，需要多次鍍銀，成本極高。

化學鍍鎳是在強還原劑次亞磷酸鈉的作用下，鎳離子還原成金屬鎳，同時次亞磷酸鹽解析出磷，在催化界面上形成Ni—P合金鍍層。此反應是自催化氧化—還原反應。反應速率與反應界面的pH有關：pH較高時，金屬離子易還原；pH較低時，次磷酸根中的磷容易還原，化學鍍鎳層中磷含量隨pH升高而降低。化學鍍鎳磷織物的主要特點是質地輕柔，透氣性好，耐磨性強，價格低廉，抗氧化腐蝕能力強，但電磁屏蔽性能較化學鍍銀及化學鍍銅弱，尤其是當鍍層中含磷較高的情況下屏蔽性能更弱。

化學鍍銅也是通過自催化氧化—還原反應，使Cu²⁺還原成金屬銅，進而沉積在纖維表面。銅的導電率僅次于銀，其電磁波屏蔽性能良好，例如用甲醛作還原劑化學鍍銅制備的鍍銅織物，屏蔽效能在100M～1.5GHz范圍內可達35～68dB，但是銅鍍層在空氣中容易氧化，影響屏蔽作用的耐久性。因此，化學鍍銅織物一般需要防氧化后處理。

從“綠色工藝”角度來看，無甲醛化學鍍技術是一種發展趨勢，其中對以次磷酸鈉為還原劑的化學鍍銅技術研究得最多。

2.真空鍍

真空鍍主要有真空沉積法和真空磁控濺射法兩種。真空沉積法制備的薄膜均勻度、致密性較差，附著力低，屏蔽層耐久性差。磁控濺射法得到的金屬化織物效果好得多^［55］。

磁控濺射是在陰極濺射的基礎上加以改進發展而來的一種新型鍍膜法。該法克服了效率低和基片溫度升高的致命弱點。其過程為：將濺射靶放在真空室內，在陽極和陰極靶材之間加上足夠的直流電壓，形成一定強度的靜電場；然后往真空室內充入氬氣，在靜電場的作用下，氬氣電離產生高能Ar⁺和二次電子e₁；Ar⁺在電場作用下加速飛向濺射靶，使靶材表面發生濺射；濺射粒子中，中性的靶原子或分子沉積在基材上形成薄膜^［56］。

例如，山東天諾光電材料公司采用真空磁控濺射，在真空度0.38Pa、電流8.7A、電壓560V條件下進行鍍層，金屬鍍層的厚度在3μm以下^［57］。J.L.Huang等用磁控濺射法在丙烯酸樹脂上沉積氧化銦錫薄膜，研究發現薄膜厚度對導電性能的影響與對電磁屏蔽效能的影響非常相似，當鍍膜厚度在100nm以上時，薄膜屏蔽效能超過40dB，并且隨著薄膜厚度的增加，屏蔽效能逐漸增大^［58］。

磁控濺射法雖然操作簡單，薄膜沉積速度快，污染小，但設備費用高昂，能源消耗大，制成的金屬化織物表面電阻仍較高，電磁屏蔽效能有待進一步提高。

3.涂層整理

目前常用的電磁屏蔽涂料與聚合物電磁屏蔽復合材料相似，由樹脂、導電填料、添加劑及溶劑組成，混合均勻后要滿足涂層加工的需要，例如能夠制成具有一定黏度的溶液或熔體，滿足涂層加工對流變性的要求。樹脂是屏蔽涂層的成膜物質，對導電填料起黏結和分散的作用，同時決定屏蔽涂層的力學性能和化學性能。

電磁屏蔽涂料按導電填料的不同可以分為本征型和復合型兩類。

本征型電磁屏蔽涂料主要以導電聚合物（聚苯胺、聚吡咯等）與其他樹脂混合組成復合涂料。由于導電聚合物的導電性和屏蔽頻段的局限性，本征型電磁屏蔽涂料屏蔽效果較差，需要對導電聚合物摻雜改性，以提高涂層的導電性。王進美等利用納米管狀聚苯胺制備涂層劑，優化涂層織物的最低表面電阻率達到16Ω·m，整理后織物的導電性顯著提高。利用波導管法測得涂層織物的微波段電磁屏蔽效能達到48dB^［59］。

復合型電磁屏蔽涂料主要由樹脂、導電填料、添加劑及溶劑組成。所選用的導電填料與聚合物電磁屏蔽復合材料類似^［60］。聚合物基體多為聚丙烯酸樹脂。在常用的導電填料中，金屬導電填料的屏蔽性能較好。陳穎等研究了石墨涂層、鎳涂層在織物及導電滌綸上的制備技術及屏蔽效果^［61］。研究結果顯示鎳雙面屏蔽涂層織物的屏蔽效能值最佳，在30M～1500MHz范圍內，屏蔽效能可達47.1～62.0dB，屏蔽率為99.56%～99.92%。

納米吸波填料以加工方便、性能可調、屏蔽性能好等優點受到重視。目前應用較多的納米吸波填料有超微磁性金屬粉、金屬基超細粉、無機鐵氧體等。汪桃生等人以納米石墨微片作為導電填料，高分子樹脂作為黏結劑，制備高導電性復合涂料，涂膜的表面電阻率低至0.6Ω·m，在1.5GHz的電磁波下，電磁屏蔽效能達到38dB^［62］。

電磁屏蔽涂層受導電填料的影響，在各頻段的電磁屏蔽效能是不同的，規律與聚合物基電磁屏蔽復合材料相近。利用導電高分子與金屬粉末復合可以在較寬的電磁波頻率范圍內均表現出較好的電磁屏蔽效能。例如金屬粉末和聚苯胺粉末構成的復合電磁屏蔽組分，可以減少高頻電磁波的穿透能力，有效地拓寬了復合電磁屏蔽材料的屏蔽帶寬^［52］。

另外，涂層劑中導電填料的含量、分散程度及均勻性、涂層厚度、涂布的平整度以及導電填料與基體的親和性有關。提高導電填料在基體中的含量及分散的均勻度有利于其形成完善的導電網絡，從而有利于提高材料的電導率和電磁屏蔽效能^［63］。導電填料與基體的親和性適中也有利于提高導電性及電磁屏蔽性能。因此，要重視基體的選擇。電磁屏蔽導電涂料雖然加工方便，電磁屏蔽效果好，但是由于樹脂基體大部分為聚丙烯酸樹脂，導致織物透氣性、手感和服用性差。而且，國內電磁屏蔽導電涂料主要是溶劑型的，在加工過程中使用大量溶劑，使用過程中揮發有害物質，會對環境和使用者造成危害。因此，開發無有機溶劑的涂層工藝是未來的發展方向。孫天厚等以水性聚氨酯和水性丙烯酸的混合乳液為成膜樹脂，鍍銀銅粉為導電填料制備導電涂料，做了有益的嘗試^［64］。

總之，在開發防電磁輻射織物時需要注意：

（1）提高織物對電磁波的吸收，減少反射和透射，擴展屏蔽頻段，開發高吸收型防電磁輻射織物；

（2）開發多功能電磁防護織物；

（3）采用綠色環保整理工藝；

（4）注重保持織物的服用性能。

四、電磁輻射安全標準

為防止電磁輻射污染，保護環境，保護公眾健康，世界上許多國家和組織都相繼制訂了具有一定的指導性和建議性的人體暴露在射頻電磁場環境中的安全防護標準。

（一）國外電磁輻射標準

美國在1982年以前，對頻率在10M～300GHz的電磁波規定功率密度為10mW/m²，是以微波的熱效應和熱交換原則為依據。1982年，依據動物實驗數據資料，美國制訂了新的射頻電磁場衛生標準，仍然以熱效應為主要依據。該標準采用劑量學概念——比吸收率SAR（specific adsorption rate，單位為W/kg或mW/g）來設定接受電磁輻射的安全閾值。由于1.75m高的成人共振頻率在接地條件下可低至約30MHz，而幼兒約為300MHz，故在超短波段的標準最嚴格，為1mW/cm²；300M～1.5GHz以下為5mW/cm²。3MHz以下的電場標準為632V/m，磁場標準為1.6A/m²。很多西方國家也采用了相似的標準。

原蘇聯在制訂標準時，對實際暴露人員進行定期體檢，以人體和現場調查為主，同時參考動物實驗結果。其對中長波波段最早提出場強為10V/m的職業暴露電場衛生標準。1965年將電場標準修訂為20V/m，磁場為5A/m。1977年再次修訂后成為現行標準。該標準規定電場強度為50V/m，頻率下限擴展到60kHz；對短波和超短波則分頻段制訂了場強520V/m的限值。環境的射頻暴露衛生標準約為職業暴露標準的1/2。關于微波輻射，該標準按每日8h計，作業場所容許輻射強度為功率密度25μW/cm²，日劑量限值為200μW/cm²。對環境公眾暴露限值定為10μW/cm²。

（二）我國的電磁輻射標準

我國有關電磁輻射的標準有兩個：國家環境保護總局發布的國家標準GB 8702—1988《電磁輻射防護規定》及衛生部發布的國家標準GB 9175—1988《環境電磁波衛生標準》。

GB 8702—1988所規定的電磁輻射防護的適用頻率范圍為100k～300GHz，防護限值是可接受防護水平的上限值，包括各種可能的電磁輻射污染的總量值。涉及職業照射和公眾照射兩個標準。標準中對于職業照射的基本防護限值規定，在每天8h工作時間內，任意連續6min按全身平均的SAR不能超過0.1W/kg；而公眾照射要求在1天24h內，任意連續6min按全身平均的SAR不能超過0.02W/kg。導出限值分別為：對于職業照射，在每天8h的工作時間內，電磁場的場量參數在任意連續6min內的平均值應滿足表2-3-4的要求。

表2-3-4 國標GB 8702—1988電磁輻射職業照射導出限值（f為頻率，MHz）

公眾照射在1天24h內，電磁場的常量參數在任意連續6min內的平均值應滿足表2-3-5要求。

表2-3-5 國標GB 8702—1988電磁輻射公眾照射導出限值（f為頻率，MHz）

GB 9175—1988以電磁波輻射強度及其頻段對人體可能引起潛在性不良影響的閾值為界，將環境電磁波容許輻射強度標準分為二級。一級標準為安全區，在該環境電磁波強度下長期居住、工作和生活的人群不會受到有害影響；二級標準為中間區，在該環境電磁波強度下長期居住、工作和生活的人群可能引起潛在性不良反應；超過二級標準的區域，人體可能會受到有害影響。環境電磁波允許輻射強度分級標準如表2-3-6所示。

表2-3-6 環境電磁波容許輻射強度分級

思考題

1.電磁屏蔽的原理是什么？

2.紡織品防電磁輻射的途徑有哪些？

3.防電磁輻射紡織品的制備方法有哪些？

參考答案：

1.電磁屏蔽原理：利用導電或導磁材料制成屏蔽體，將需要保護的對象從電磁污染環境中隔離，是防電磁輻射的有效手段。屏蔽體通過反射、吸收和材料內部多次反射作用消除或降低電磁輻射的危害。這些作用與屏蔽結構表面及屏蔽體內感生電荷、電流和極化現象密切相關。

2.紡織品防電磁輻射的途徑：一是由于空氣/金屬界面阻抗不連續，入射電磁波在屏蔽體表面發生反射；二是未被表面反射的電磁波進入屏蔽體內，在繼續傳播過程中被屏蔽材料衰減，能量轉化為其他的形式被吸收，吸收的多少取決于電磁波的波長，波長越短吸收越多；三是一部分電磁波傳播到材料的另一表面，在阻抗不連續的金屬/空氣界面再次形成反射，回到屏蔽體內，繼而發生多次反射和衰減；四是少量衰減的電磁波透過屏蔽織物。

3.防電磁輻射紡織品的制備方法：

①金屬絲或金屬纖維與普通纖維混紡或交織；

②將具有電磁屏蔽功能的無機粒子與聚合物共混后進行紡絲；

③由導電（或導磁）填料、聚合物基體及偶聯劑、分散劑、稀釋劑等制備聚合物基電磁屏蔽復合材料；

④通過化學鍍、真空鍍、涂層等方法對紡織品進行金屬化整理。