Комплексный анализ экранирующих свойств тканей специального назначения с комбинированными электропроводящими нитями

С появлением электрических и электронных устройств во всем мире защита от электромагнитных волн, излучаемых приборами, является одной из главных задач, которую необходимо решить. Среди различных предлагаемых решений, текстильные изделия и основанные на тканях композиционные материалы получили наиболее широкое распространение из-за универсальности этих текстильных материалов. Основной источник электромагнитного излучения - это электрические сигналы, испускаемые различными приборами. Электромагнитное излучение испускают: компоненты катушек индуктивности, цифровые устройства и высоковольтные провода, несущие большой переменный ток в энергетических частотах, которые способны к испусканию СВЧ волн. Для решения проблемы защиты от электромагнитных волн необходимо экранировать (отражать) эти виды излучений.

Одним из способов экранирования электромагнитного излучения является применение тканей специального назначения с комбинированными электропроводящими нитями в основе и утке.

На кафедре ПНХВ разработана технология производства комбинированных электропроводящих нитей, где в качестве электропроводящего элемента была выбрана медная микропроволока. Этот выбор обусловлен тем, что медная микропроволока обладает высоким поглощением и низким отражением электромагнитной энергии, а также лучшими электрическими свойствами по сравнению с другими металлами. Материалы с высокими потерями за счет поглощения и низкой отражательной потерей очень эффективны для экранирования электромагнитной энергии [1]. Потери за счет поглощения определяются как результат удельной электропроводности ( σ ) и проницаемости ( μ ) [4,5].

На основе литературного анализа было установлено, что необходимый уровень экранирования электромагнитного излучения для использования в военных, электронных, бытовых и других отраслях составляет приблизительно 99,8 -99,99%. Разработка тканей с такой эффективностью экранирования была бы эффективным решением для защиты человека и электронных приборов от излучения и электромагнитных помех.

Для наработки тканей специального назначения с экранирующими свойствами использовались комбинированные электропроводящие нити, содержащие в своей структуре медную микропроволоку диаметром 0,05 и 0,1 мм.

Наработка комбинированных электропроводящих нитей осуществлялась в производственных условиях ОАО «Витебский комбинат шёлковых тканей», РУП «БПХО» г. Барановичи и лаборатории кафедры «ПНХВ» УО «ВГТУ» на модернизированном прядильно-крутильном оборудовании. Сырьевой состав полученных комбинированных электропроводящих нитей представлен в таблице 1.

Образец нити №1 получен на модернизированной прядильно-крутильной машине ПК-100М3, образец нити №2 получен на модернизированной пневмомеханической прядильной машине ППМ-120АМ, а образцы комбинированных нитей №3 и №4 получены на модернизированной тростильнокрутильной машине ТК2-160М.

В условиях испытательного центра УО «ВГТУ» в соответствии с ГОСТ 19806— 74 проведены испытания по определению электрического сопротивления комбинированных электропроводящих нитей. Физико-механические и электрофизические свойства полученных комбинированных электропроводящих нитей представлены в таблице 2.

В экспериментальной лаборатории кафедры «Ткачество» УО «ВГТУ» и производственных условиях ОАО «Витебский комбинат шёлковых тканей» из предложенных экспериментальных комбинированных электропроводящих нитей были наработаны опытные образцы экранирующих тканей специального назначения следующих переплетений: саржа 3/1, сатин и полотняное переплетение с различной плотностью нитей по основе и утку. Физикомеханические свойства экспериментальных образцов тканей специального назначения представлены в таблице 3.

Таблица 1 – Процентное содержание компонентов комбинированных электропроводящих нитей

№ образца	1		2		3		4
Компонент	Комбинированная электропроводящая нить Т=50 Текс		Комбинированная электропроводящая пряжа Т=40 Текс		Комбинированная электропроводящая нить Т=43,2 Текс		Комбинированная электропроводящая нить Т=61,2 Текс
	Текс	%	Текс	%	Текс	%	Текс	%
Медная микропроволок а	18	36	18	45	18	41,6	36	58,8
Комплексная полиэфирная нить	5,2*2	20,8	-	-	5,2	12,1	5,2	8,5
Хлопковая мычка	-	-	22	55	20	46,3	20	32,7
Полиэфирная мычка	21,6	43,2	-	-	-	-	-	-

Таблица 2   –   Физико-механические   свойства комбинированных электропроводящих нитей различного способа формирования

Компонент	Комбинированная электропроводящая нить Т=50 Текс	Комбинированная электропроводящая пряжа Т=40 Текс	Комбинированная электропроводящая нить Т=43,2 Текс	Комбинированная электропроводящая нить Т=61,2 Текс
Абсолютная разрывная нагрузка Pн, сН	700	350	580	614
Коэффициент вариации по разрывной нагрузке CVPн, %	4	4,3	4,8	5,5
Разрывное удлинение Py, %	14-16	4-6	10-14	10-14
Коэффициент вариации по разрывному удлинению CVPy, %	6,25	4,78	4,24	3,9
Электрическое сопротивление пряжи длиной 1 см R 1см , Ом	1,2•102	1,2•102	1,2•102	0,9•102

Для изучения зависимости эффективности экранирования от плотности тканей различного переплетения изучены удельные объемные электрические сопротивления тканей с медной микропроволокой с разными плотностями по основе и утку наряду с различными диаметрами медной микропроволоки.

Объемное удельное сопротивление ^{ρ V} и проводимость электропроводящих тканей σ измерялись и вычислялись по следующим формулам [5].

p _V = R ( Ом ) • RCF • t ( см );                                    (1)

σ=

ρV

где R – сопротивление образца ткани, Ом; t – толщина ткани, см; σ – проводимость ткани 1/Ом*см; RCF – поправочный коэффициент сопротивления тканей.

Таблица 3 – Физико-механические свойства экспериментальных образцов тканей специального назначения

Наименование параметра	Единица измерения	Ткань, полученная с использованием электропроводящей пряжи
Номер образца ткани		1	2	2A	3	3A
переплетение		неправильный шестинитный сатин	Саржа 3/1		полотняное	полотняное
Линейная плотность пряжи	текс	50	40		43,2	61,2
Плотность суровой ткани по основе	н/10см	180	180	210	180	180
Плотность суровой ткани по утку	н/10см	160	160	180	160	160
Разрывная нагрузка полоски ткани 50*200мм -по основе -по утку	Н Н	1543,1 620,5
			1153,6 480,7	1154,2 487,3	1619,5 634,8	1595,8 632,4

Экранирующие ткани были исследованы в сертифицированной лаборатории РУП «БелГИМ» на диапазонах частот от 1,2 до 11 ГГц. Эффективности экранирования тканей специального назначения различных переплетений представлены на рисунке 1.

На рисунке 1 представлены измерения эффективности экранирования электромагнитного излучения тканями специального назначения с различным переплетением. Результаты измерения электромагнитного излучения представлены в таблице 4. Значение эффективности электромагнитного экранирования достигло максимума на частоте 4 ГГц и снизилось на частоте 5,64ГГц. При анализе ткани саржевого переплетения наблюдается незначительное уменьшение экранирующей способности на частотах 5,64ГГц и 11,5ГГц.

В свою очередь полотняное переплетение экранирующих тканей имеет незначительное снижение экранирующей способности только на частоте 11,5ГГц.

Рисунок 1 – Эффективность экранирования тканей специального назначения: 1 – неправильный шестинитный сатин; 2 – саржа 3/1; 3 – полотно

Установлено, что ткань сатинового переплетения обеспечивает лучшую группировку нитей по сравнению с другими переплетениями, что обусловливает более равномерную экранирующую способность на всём диапазоне исследуемых частот. Данные зависимости обусловлены структурными особенностями выбранных переплетений ткани.

Таблица 4 – Результаты измерения эффективности экранирования электромагнитного излучения тканями специального назначения

Частота f, ГГц	Номера образцов ткани
	1	2	2A	3	3A
	Эффективность экранирования σ,%
1,2	99,91	99,76	99,81	99,93	99,94
2	99,86	99,95	99,95	99,82	99,93
4	99,96	99,91	99,92	99,91	99,95
5,64	99,91	99,58	99,72	99,91	99,95
8	99,93	99,91	99,9	99,91	99,95
11,5	99,93	99,64	99,92	99,64	99,79

При анализе влияния плотности по основе и утку на экранирующую эффективность опытных образцов тканей исследовались образцы под номерами 2 и 2А (таблица 3). Результаты исследования представлены на рисунке 2.

Образцы 2 и 2A имеют разную эффективность электромагнитного экранирования. Увеличение эффективности экранирования образца ткани 2A связано с увеличением плотности по основе и утку, что обусловлено наличием повышенного содержания медной микропроволоки на квадратный метр ткани. Кроме того, преимуществом использования тканей саржевого переплетения является то, что они имеют низкую пористость по сравнению с другими переплетениями. С целью изучения влияния диаметра медной микропроволоки в структуре ткани специального назначения были исследованы образцы под номерами 3 и 3A (таблица 3). При определении влияния диаметра медной микропроволоки установлено, что этот показатель имеет значительное влияние на эффективность экранирования ткани. На рисунке 3 показана зависимость влияния диаметра медной микропроволоки на эффективность электромагнитного экранирования при неизменных плотностях ткани 3 и 3А по основе и утку. Из рисунка видно, что с увеличением диаметра медной микропроволоки наблюдается общее увеличение эффективности экранирования.

Рисунок 2 – Влияние плотности по основе и утку на эффективность электромагнитного экранирования

Рисунок 3 – Влияние диаметра медной микропроволоки на эффективность электромагнитного экранирования

Способ получения экранирующих тканей специального назначения успешно доказал свою целесообразность. Было установлено, что эффективностью электромагнитного экранирования тканей специального назначения с использованием медной микропроволоки можно варьировать путем изменения переплетения, плотности ткани по основе и утку, а также диаметра медной микропроволоки.

Установлено, для достижения максимальной экранирующей способности наиболее целесообразно вырабатывать ткани сатинового переплетения с максимально возможной плотностью ткани по основе и утку 1 – неправильный шестинитный сатин; 2 – саржа 3/1; 3 – полотно.

с диаметром медной микропроволоки 0,1 мм.

Дальнейшие исследования по изучению влияния структуры тканей специального назначения на экранирующую способность должны проводиться в целях возможности использования таких тканей в автомобильной промышленности, авиации, строительстве, бытовой электронике, электроприборах и проводящего наполнителя в композитных материалах.