當下第五代通訊技術快速布局,電子設備產生的電磁污染日益嚴峻。傳統電磁屏蔽材料具有剛性高和可加工性差的缺點,不能滿足日益增長的可穿戴電磁屏蔽系統的需求。開發高柔性、耐用、可剪裁的電磁屏蔽服裝已成為研究熱點。
近期,武漢紡織大學徐衛林院士/夏治剛教授團隊在Advanced Fiber Materials上發表了題為“Durable Fe3O4/PPy Particle Flow Spun Textile for Electromagnetic Interference Shielding and Joule Heating”的研究進展。該工作報道了一種新型粒子流紡紗方法實現規?;苽浼{米Fe3O4/聚吡咯(PPy)/棉/聚丙烯(FP@CP)芯鞘紗線及織物,用于電磁屏蔽和熱管理。FP@CP紗線及織物展現良好的耐用性(50次洗滌和465次耐磨),并具有高達47 dB(SET)的電磁反射/吸收雙模式屏蔽性能。此外,該紗線在3 V電壓條件下加熱10 s可達到105 ℃,展現其高效的焦耳熱性能,為多功能電磁防護紡織品的商業化發展開辟了一條經濟有效的途徑。
隨著電子設備的普及,電磁污染問題日益凸顯,對人體健康和設備壽命造成威脅,從而推動了對可穿戴電磁干擾(EMI)屏蔽設備需求的增長。電磁屏蔽可以通過反射/吸收電磁輻射或通過材料抑制電磁信號來實現。然而,非理想的耐用性和有限的可擴展性是阻礙柔性EMI可穿戴設備工業化應用的主要障礙。
該工作采用其團隊2018年原創發明的粉體紡紗加工技術(2021年學術稱謂粒子流紡紗技術),將功能芯層與防護層裹覆進行高效的成紗,解決了傳統功能粉體粒子復合型紡織品的耐用性弱、易泄露、服用性差、難以加工等問題。所制備的粉體粒子復合紗線,可實現后續多種功能紡織品的結構設計與加工。該功能紡織品具有優異的屏蔽性能、良好的服用性以及高效的熱管理能力(圖1)。
圖1 FP@CP基紡織品的制造工藝及其應用
通過多層復合結構的協同優化設計加工、聚合物單體濃度優化調整、電磁仿真分析、優選電磁波吸收型屏蔽材料等方式,使得織物具有良好的電磁屏蔽性能(圖2),有效避免了電磁波反射造成的二次污染。
圖2 FP@CP織物的電磁屏蔽性能
在耐用測試中,該粒子流紡紗制備的芯-鞘結構紗線材料具有良好的耐用性。試驗采用了紡織行業標準的洗滌牢度測試及紗線耐磨測試(圖3),在50次洗滌后織物電磁屏蔽效能損失較少,單根紗線能夠達到465次的平均耐磨次數,可滿足商業化使用需求。
圖3 FP@CP紗線及織物的耐用性測試
為了探索織物在電磁干擾屏蔽中的作用,該研究模擬了兩種應用場景(圖4)。在高特斯拉線圈激發的高頻電磁場中,該織物可屏蔽電磁信號造成小燈泡無法亮起,而傳統服用織物無法阻擋電磁信號的傳遞。在電話通訊場景演示中,該織物可以有效屏蔽手機信號,展現了在可穿戴電磁屏蔽服裝領域的使用潛力。
圖4 不同織物的屏蔽性能對比演示
此外,該織物還具有良好的焦耳加熱能力(圖5)。通過紅外相機記錄該織物在不同電壓條件下的溫度響應,均表現靈敏的焦耳熱響應。當施加3 V電壓后,織物可10 s內急速升溫至105 ℃;在15 ℃環境溫度下,當志愿者穿著該織物背心時,體溫在30s內均勻升溫,而普通織物穿著志愿者體溫出現下降。
圖5 FP@CP織物的熱管理性能
綜上所述,所報道的粒子流功能紡織品,不僅能夠高效、經濟、規?;厣a加工,而且紗線強度優良、柔韌性和耐用性好,且織物制品具有優異的電磁屏蔽和焦耳加熱功能。本文的粒子流功能紡織品設計開發策略,為難紡功能粉體粒子材料在纖維復合紡織品領域的拓展應用提供了新思路。
來源:Advanced Fiber Materials、NTMT紡織新材料