黃 帥，張 毅，周志華

(1.天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院，天津 300387；2.天津市紡織纖維檢驗(yàn)所，天津 300192)

采用因子分析法的服用織物電磁屏蔽性能影響因素分析

黃 帥1，張 毅1，周志華2

(1.天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院，天津 300387；2.天津市紡織纖維檢驗(yàn)所，天津 300192)

為探究服用織物電磁屏蔽性能的主要影響因素和影響規(guī)律，以常見(jiàn)服用織物作為研究對(duì)象，根據(jù)電磁屏蔽理論，分析服用織物的電磁屏蔽機(jī)制，得出織物基本參數(shù)、織物組織和纖維種類(lèi)是重要影響因素。采用因子分析法對(duì)織物基本參數(shù)影響規(guī)律進(jìn)行分析，提取出厚度因子和緊度因子2個(gè)主因子。研究結(jié)果表明：服用織物電磁屏蔽性能隨厚度因子增大而提升，隨緊度因子增大先提高后下降。在此基礎(chǔ)上分析了織物組織和纖維種類(lèi)對(duì)其電磁屏蔽性能的影響規(guī)律，結(jié)果表明相同條件下，斜紋織物屏蔽性能優(yōu)于平紋織物；棉織物屏蔽性能最好，錦綸織物其次，滌綸織物最弱。

服用織物；織物參數(shù)；因子分析；織物組織；纖維種類(lèi)；電磁屏蔽性能

電磁屏蔽織物作為一種新型電磁防護(hù)材料，具有輕薄、柔軟、結(jié)構(gòu)可塑性好、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)[1]，便于推廣。目前，嵌入導(dǎo)電纖維型電磁屏蔽織物技術(shù)相對(duì)成熟，應(yīng)用廣泛[2]。通過(guò)電鍍、化學(xué)鍍、真空鍍、磁濺射[3-5]等手段制得的金屬鍍層織物也逐步發(fā)展并得到推廣。

紡織纖維和織物作為電磁屏蔽織物的功能載體，影響其服用性能和屏蔽性能。探究服用織物電磁屏蔽性能的影響因素、分析其影響規(guī)律，可為選取載體織物提供參考，有助于開(kāi)發(fā)具有優(yōu)良屏蔽性能和服用性能的電磁屏蔽織物。本文的研究對(duì)象是未作電磁屏蔽整理的服用織物，基于電磁屏蔽理論，分析其屏蔽機(jī)制，探索織物基本參數(shù)、織物組織和纖維種類(lèi)對(duì)屏蔽性能的影響。針對(duì)織物基本參數(shù)，采用因子分析法對(duì)參數(shù)個(gè)數(shù)降維，提取主要影響因子，分析主因子的影響規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上找出織物組織和纖維種類(lèi)對(duì)屏蔽性能的影響規(guī)律。

1 服用織物的電磁屏蔽機(jī)制

根據(jù)Schelkunoff的電磁屏蔽理論，織物對(duì)電磁波的屏蔽效果(S)可分為3部分：S=A+B+R。A為吸收損耗，B為內(nèi)部反射損耗，R為表面反射損耗。A與材料的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率及織物結(jié)構(gòu)有關(guān)，B和R與材料的表面阻抗及織物結(jié)構(gòu)有關(guān)[6]。

吸波主導(dǎo)型材料需具備適當(dāng)?shù)慕殡姵?shù)、高磁導(dǎo)率、高電磁損耗等條件[7]。常見(jiàn)紡織纖維導(dǎo)電性能弱，介電常數(shù)低[8]，但由于纖維吸濕特性，纖維所含水分會(huì)對(duì)電磁波產(chǎn)生微弱的吸收作用[9]，因此，不同種類(lèi)纖維由于吸濕性能不同，間接影響織物屏蔽性能。不同紡織纖維形態(tài)各異，影響各自成紗結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致織物對(duì)電磁波反射和吸收情況不同，直接影響織物的屏蔽性能。

織物組織對(duì)于不同類(lèi)型織物的屏蔽性能有不同的影響規(guī)律。對(duì)于嵌入金屬纖維的電磁屏蔽織物，文獻(xiàn)[10-11]研究結(jié)果表明：機(jī)織物屏蔽性能優(yōu)于針織物；平紋織物優(yōu)于斜紋織物優(yōu)于緞紋織物。對(duì)于鍍導(dǎo)電膜型電磁屏蔽織物：鍍膜結(jié)構(gòu)越完整的織物屏蔽性能越好；相同條件下，具有適當(dāng)浮長(zhǎng)線(xiàn)的斜紋織物更有利于鍍層附著[12-13]。

織物的基本參數(shù)決定織物厚薄和松緊程度等因素，影響織物對(duì)電磁波的反射和吸收。文獻(xiàn)[14-15]對(duì)于含金屬絲型屏蔽織物的結(jié)構(gòu)和孔隙進(jìn)行研究，證明結(jié)構(gòu)越緊密、紗線(xiàn)交織點(diǎn)越多，表面孔隙越少的織物屏蔽性能越好。

對(duì)服用織物的屏蔽機(jī)制分析可知，纖維種類(lèi)、織物組織和織物基本參數(shù)均是影響屏蔽性能的重要因素。

2 實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析方法

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器

DWL5016型半自動(dòng)織機(jī)，modelY141l數(shù)字式織物厚度儀，Y511型織物密度鏡，羅德與施瓦茨ZNB40矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，法蘭同軸夾具，Leica Z16 APOA型超景深顯微鏡。

2.2 實(shí)驗(yàn)樣品

根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研，樣品的組織選用常見(jiàn)的平紋和二上二下斜紋，采用不同線(xiàn)密度的棉紗、滌綸紗、錦綸紗織造，經(jīng)緯紗選用線(xiàn)密度相同的同種紗線(xiàn)，樣品參數(shù)如表1所示。

2.3 屏蔽效能測(cè)試

織物的屏蔽性能用屏蔽效能表征。由于服用織物的屏蔽效能微弱，所以測(cè)試方法采用GJB 6190—2008《電磁屏蔽材料屏蔽效能測(cè)量方法》中精度較高的法蘭同軸法[16]，測(cè)試頻段為0.5 ～1 GHz。

2.4 數(shù)據(jù)分析方法

分析織物組織和纖維種類(lèi)對(duì)屏蔽性能的影響時(shí)，需控制組織和纖維作為單一變量，所以需首先分析織物基本參數(shù)的影響規(guī)律。由于嚴(yán)格控制單因素的織物在織造中很難實(shí)現(xiàn)，且織物基本參數(shù)包含許多變量，多組變量間相互影響，因此需要運(yùn)用因子分析法在保證信息完整的前提下對(duì)變量個(gè)數(shù)進(jìn)行降維，提取主因子。

3 結(jié)果與討論

3.1 織物參數(shù)對(duì)電磁屏蔽性能的影響

3.1.1 主因子的提取

織物基本參數(shù)對(duì)不同種類(lèi)纖維和組織的織物影響機(jī)制相同，在分析織物參數(shù)影響規(guī)律時(shí)可忽略纖維和組織的影響。選0.5 GHz作為分析頻點(diǎn)，對(duì)18塊樣品的織物參數(shù)及屏蔽效能進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理，消除因量綱不同的影響。主因子提取過(guò)程如表2～4所示。

表2示出運(yùn)用因子分析法對(duì)織物參數(shù)提取了2個(gè)主因子。結(jié)合表3對(duì)主因子進(jìn)行命名：因子1與厚度、紗線(xiàn)粗細(xì)有關(guān)，反映織物厚度相關(guān)信息，命名為厚度因子；因子2與緊度、孔隙率有關(guān)，反映織物緊度信息，命名為緊度因子。結(jié)合表4，主因子的得分函數(shù)分別為：

表1 織物各項(xiàng)參數(shù)Tab.1 Parameters of fabrics

表2 方差累計(jì)貢獻(xiàn)率Tab.2 Accumulated variance contribution rate

表3 旋轉(zhuǎn)后主因子載荷表Tab.3 Factor loading of principle factors after rotated

F1=0.236X1-0.196X2+0.113X3-0.235X4-

0.232X5+0.122X6+0.191X7+0.043X8

F2=-0.157X1+0.571X2+0.08X3+0.109X4+

0.112X5+0.143X6-0.003X7-0.412X8

表4 旋轉(zhuǎn)后因子得分系數(shù)Tab.4 Component score coefficient after rotation

在分析問(wèn)題時(shí)，通過(guò)因子得出分函數(shù)計(jì)算因子變量，將因子變量作為原始變量信息的代表，即可達(dá)到降維簡(jiǎn)化的目的。

3.1.2 主因子與織物屏蔽效能的關(guān)系

主因子與0.5 GHz標(biāo)準(zhǔn)化屏蔽效能的散點(diǎn)圖如圖1所示。

圖1 厚度與緊度因子與屏蔽性能的關(guān)系Fig.1 Relations between thickness (a) and tightness (b) factors and electromagnetic shielding performance

由圖1可知，隨著厚度因子的增加，織物的屏蔽性能呈明顯的增加趨勢(shì)。這是由于隨著厚度增加，電磁波在織物內(nèi)部發(fā)生的反射衰減和吸收量增多。織物的屏蔽性能隨緊度的增加先增大后減小。這是因?yàn)樵谝欢ňo度范圍內(nèi)，隨著緊度的增加，紗線(xiàn)根數(shù)增加，織物孔隙減少，屏蔽性能隨之增加；超出該范圍后，緊度增加引起紗線(xiàn)間相互擠壓，導(dǎo)致織物結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，引起屏蔽性能下降。

3.2 織物組織對(duì)電磁屏蔽性能的影響

因子分析結(jié)果反映出織物屏蔽性能與厚度、緊度關(guān)系最為密切，因此可將樣品屏蔽效能進(jìn)行厚度和緊度的歸一化處理，以屏蔽效能/(厚度×緊度)作為屏蔽性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。不同纖維種類(lèi)的織物組織與屏蔽性能關(guān)系如圖2所示。

圖2 織物組織與屏蔽性能關(guān)系Fig.2 Relations between fabric waves and electromagnetic shielding performance.(a) Cotton fabrics; (b) Polyester fabrics; (c) Polyamide fabrics

由圖2可知，厚度和緊度相同的條件下，測(cè)試頻段內(nèi)斜紋織物屏蔽效果優(yōu)于平紋織物。這是因?yàn)樾奔y織物相對(duì)平紋織物具有浮長(zhǎng)線(xiàn)，織物覆蓋率高，織物反射電磁波能力較強(qiáng)。

3.3 纖維種類(lèi)對(duì)電磁屏蔽性能的影響

圖3示出相同織物組織下，不同纖維織物屏蔽性能間關(guān)系。由圖可知：對(duì)于平紋服用織物，纖維種類(lèi)與電磁屏蔽性能關(guān)系排序?yàn)槊蘅椢?錦綸織物>滌綸織物；對(duì)于斜紋織物，隨著電磁波頻率增加，棉織物的歸一化屏蔽效能減小速度最慢，錦綸織物其次，滌綸織物最快，在0.8 GHz之后，纖維種類(lèi)與屏蔽性能關(guān)系規(guī)律和平紋織物相同。3種纖維中，棉的吸濕性能最好，且成紗后紗線(xiàn)結(jié)構(gòu)緊密，紗線(xiàn)表面存在較多毛羽，對(duì)電磁波吸收和反射作用最強(qiáng)，因此屏蔽性能最好；滌綸吸濕性最差，由于靜電作用紗線(xiàn)結(jié)構(gòu)蓬松，孔隙大，因此屏蔽性能最差；錦綸纖維的屏蔽性能介于二者之間。

圖3 纖維與屏蔽性能關(guān)系Fig.3 Relation among fibers and electromagnetic shielding performance.(a) Plain woven fabrics; (b) Twill fabrics

4 結(jié) 論

1)采用因子分析法分析織物基本參數(shù)與屏蔽性能的關(guān)系，提取了2個(gè)主因子：厚度因子、緊度因子。服用織物的電磁屏蔽性能隨厚度因子增大而增大，隨緊度因子增大先增大后減小。

2)在織物組織和纖維種類(lèi)相同的情況下，斜紋織物的浮長(zhǎng)線(xiàn)較長(zhǎng)，織物覆蓋度高，電磁屏蔽性能優(yōu)于平紋織物。

3)在織物參數(shù)和織物組織相同的情況下，棉織物電磁屏蔽性能優(yōu)于滌綸織物，錦綸織物介于二者之間。

本文的研究成果對(duì)于電磁屏蔽織物的載體織物選取和柔軟透氣型電磁屏蔽織物的開(kāi)發(fā)具有指導(dǎo)意義。

FZXB

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Analysis of influencing factors of clothing fabric on electromagnetic shielding performance based on factor analysis

HUANG Shuai1,ZHANG Yi1,ZHOU Zhihua2

(1.SchoolofTextile,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China;2.TianjinTextileFiberInspectionInstitute,Tianjin300192,China)

To explore the main influencing factors and the influence rules of clothing fabric on electromagnetic shielding performance,common clothing fabrics are taken as research objects.Based on electromagnetic shielding theory,the electromagnetic shielding mechanism of clothing fabric is analyzed.The results show that the basic parameters of fabric,fabric weave and fiber species are the main influencing factors.Factor analysis is used to analyze the influence rule of basic parameters of fabric.Two principle factors of thickness factor and tightness factor are extracted.The results show that the electromagnetic shielding performance of clothing fabric increases with thickness factor increasing and increases firstly then decreases with tightness factor increasing.Based on this research,the influence rules of fabric weave and fiber species are analyzed.Under the same conditions,the electromagnetic shielding performance of the twill fabric is superior to that of plain fabric,the electromagnetic shielding performance of the cotton fabric is the best,that of the nylon fabric is the next and that of the polyester fabric is the weakest.

clothing fabric; basic parameter; factor analysis; fabric wave; fiber species; electromagnetic shielding performance

10.13475/j.fzxb.20151003206

2015-07-20

2015-11-25

國(guó)家質(zhì)檢局資助項(xiàng)目(2013QK096)

黃帥(1992—)，男，碩士生。研究方向?yàn)榧徔椥虏牧系拈_(kāi)發(fā)。 張毅，通信作者，E-mail：zhangyi@tjpu.edu.cn。

TS 101.923

A