CN1038953C - 多功能电磁辐射屏蔽纤维及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电磁辐射屏蔽纤维及其制造技术。其特征是成纤聚合物(A)和(B)与其各自的功能性添加物，X-射线屏蔽物质和导电物质及紫外线吸收剂，以及改善两者之间混溶性的助剂，分别均匀混合，经熔融混炼和复合纺丝制成皮芯重量比为3∶7～2∶8的复合纤维。它具有X-射线、射电和紫外线辐射屏蔽功能，且有较好的可纺和服用性及屏蔽耐久性。本发明纤维的制成品，可广泛用于电子产品周围特别是计算机或电视机荧光屏及X-射线CT机前人员的身心保护。

Description

多功能电磁辐射屏蔽纤维及其制造方法

本发明涉及一种电磁辐射屏蔽纤维及其制造方法。

随着电子电器设备或产品在工农业生产及人们日常生活中越来越广泛的应用，人们对于这些电气产品产生的电磁辐射所引起的相互干扰、事故，甚至灾害越来越注重研究；对由电磁辐射所引起的电子产品使用人员或周围工作人员的身心不适，以及工作环境的污染也越来越关注解决。研究解决的方案基本有两种，一种是增强对辐射源本身的屏蔽，如使用导电塑料作为电子产品的外壳，或在电视机的荧光屏前使用X-射线防护玻璃等，以减少辐射；另一种则是加强对使用人员的身体防护，这一点对电子产品用户尤为重要。电磁辐射屏蔽纤维就属于后者的范围。

现有的屏蔽纤维制造技术中，纤维一般只具有某一波段电磁波的屏蔽功能，  如特开昭61-102411报道了一种含有40-80％平均粒径在1μm以下的硫酸钡，经湿法纺丝工艺制成的粘胶纤维。它具有较好的0.01-100A°电磁辐射，即X-射线屏蔽功能。众多的研究结果表明，以比电阻为10-10^-3Ω·cm的纤维加工成的织物具有良好的1mm-500m波，即射电辐射的屏蔽功能，这种纤维即金属涂层纤维。其制造方法是采用离子喷镀、化学(浸渍)或真空沉积等方法在纤维表面形成一个0.05～1μm的金属或导电金属化合物层。当金属层的重量为纤维重量的10～50％时，即可使纤维的比电阻由10¹³Ω·cm降到10^-3～10^-4Ω·cm，但由于在纤维表面覆盖金属层后会影响纤维的柔软性和手感，降低服用性能，而且金属覆盖层在纤维被洗涤和使用后会逐渐脱落，而导致纤维屏蔽性能的劣化。为改善这一缺陷，又开发出了在纤维表面镀金属合金和采用特殊的纤维基材的方法，如特开昭61-132667所示。但这些方法都不同程度地加大了射电辐射屏蔽纤维的制取难度，使这种金属化的纤维的制备工艺越来越复杂，成本也随之提高。特开昭55-3470中公开的技术较为简单：它是在芯成分同熔点比芯成分低至少30℃的热粘性皮成分进行皮芯复合纺丝时，使纤维表面粘附上金属粉末或金属箔，粘附时或粘附后再在高于皮成分熔点和低于芯成分熔点30℃的温度下进行热处理制得金属化纤维，但显然采用这种工艺制成的纤维其屏蔽性能是不理想的，也是不稳定的，服用性能也太差。

更需进一步指出的是，有的研究已证实，电子产品周围的电磁辐射有时并不是单一波段的，因而屏蔽纤维仅具有某一波段的电磁辐射屏蔽功能是不够的。如曾对从事高压电子设备的装配、测试、抽真空女工的健康状况进行调查，这些女工的工作环境中同时存在不同频率的电磁场和一定剂量当量率的X-射线，结果表明，多数病症的发生是由于X-射线照射，然而发生率较高的神经系统功能紊乱则是由于微波引起的。可见，微波与X-射线同时存在时，其伤害成度是叠加的。对X-射线和紫外线的研究，也显示了这种伤害叠加效应。有资料表明，目前广泛使用的电子计算机显示器和电视接收机荧光屏前就同时存在射电辐射、X-射线辐射和紫外线辐射。但在已有发明中，具有多波段电磁辐射屏蔽功能的纤维及其制造技术尚未见报导。

本发明的目的是提供一种同时具有射电辐射、X-射线辐射和紫外线辐射屏蔽功能，且具有较好的可纺性和服用性能，以及在使用中屏蔽功能无明显降低的纤维及其较为简单和成本低廉的制造技术。

本发明的目的是如下实现的：由成纤聚合物(A)和X-射线屏蔽物质的均匀混合物为芯层，由成纤聚合物(B)和导电物质及紫外线屏蔽物质的均匀混合物为皮层，芯层和皮层中均添加可改善功能性添加物与成纤聚合物间混溶性的助剂，并且成纤聚合物(A)与(B)之间具有粘合性，在纤维的皮层与芯层重量比为3∶7～2∶8时，经复合纺丝工艺制造多功能电磁辐射屏蔽纤维。

这种多功能屏蔽纤维的制造方法是：先用助剂对功能性添加物进行预处理，以增加其与成纤聚合物间的混溶性；使用双螺杆混炼机熔融混炼，使功能性添加物与成纤聚合物间均匀混合；采用皮芯复合纺丝工艺纺制复合纤维短丝；纺丝后经湿法多级牵伸；牵伸后纤维经预热卷曲处理；经干燥定型后切成需要的长度。

所说的复合纺丝是指熔融法纺丝。其工艺条件是：在高于成纤聚合物(A)或(B)中较高熔点者的熔融温度20～150℃，特别是30～100℃的纺丝温度下，熔体压力为50～80×10⁵Pa，卷绕速度为300～600米/分，采用常规皮芯复合熔法纺丝设备，制取本发明纤维的卷绕丝。

卷绕丝经集束后，在70～130℃下，经二级或二级以上的湿法牵伸共3～10倍后，经80～100℃预热卷曲得到卷曲数为3～8个/cm的纤维，干燥定型后切断成需要的长度。

本发明的纤维或/和按本发明方法或工艺制成的纤维，可按传统或非传统方法纺纱、织造，或直接制成非织造物，以及进一步把制成品按需加工成各种屏蔽服或屏蔽用品。

本发明的成纤聚合物(A)和聚合物(B)，可以是高密度聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺和聚酯等通用的成纤聚合物，聚合物(A)和聚合物(B)既可以是同一物质，也可以是具有粘合性的非同一物质，这将根据用途去设计。

本发明所述的X-射线屏蔽物质是指含有铅、铋、钆和钡等金属元素原子的具有良好的X-射线吸收和消散作用的物质，如氧化铅、辛酸铅、醋酸铅、氧化铋、氯化铋、氢氧化铋、五氧化二铋、氧化钆、碳酸钆、氢氧化钆、硫酸钆和硫酸钡等。这些屏蔽物质粒子的平均直径应在0.1～20μm之间选择，粒径过大或过小都会影响其在成纤聚合物中的均匀分散。此外，粒径过小，可脂会因含有大量吸附小分子，在纺丝时放出气体，影响可纺性；而粒径过大，则有可能在纺丝中阻塞滤网，影响纺丝过程的正常进行。还应特别说明的是，为了保证X-射线的屏蔽效果，同时又具有好的可纺性和服用性，所述填加物质的含量应控制在20～80％(占芯层重量百分比，下同)，特别是30～70％。

本发明所述的导电物质是指铜、铝、镍和钛等金属的细丝或微粉，金属细丝的规格是，直径为5～20μm，长度为0.05～1mm；而使用金属微粉时的平均粒径应在0.1～20μm之间选择以免引起分散不匀或堵塞喷丝板。更为重要的是，导电物质的含量(占皮层重量百分比，下同)应高于10％，以使其有较好的导电性能，而低于40％，以保持纤维的应有强度。

紫外线吸收物质是指UV-0、UV-9、UV-531、UV-328、UV-327和UV-326等可有效吸收200～380纳米紫外线，防止其透过织物的物质粉末，当其含量为2～5％(占皮层重量百分比，下同)时较宜，含量为2～3％时则可更好地实现本发明屏蔽紫外线的目的。

本发明为获得高品质的屏蔽纤维，特别重视功能性添加物与成纤聚合物间的均匀混合，在配方上，加入了可改善混溶性的助剂，如钛酸酯系列偶联剂，硅烷系列偶联剂和甘油高级脂肪酸酯等中的至少一种，其中以含有长链烃基的钛酸酯效果最好，助剂的添加量为添加物质重量的1-2％为宜；在制造方法上是通过双螺杆混炼机经熔融混炼实现的。具体作法是，首先将助剂加入到功能性添加物的粉末中，在密闭容器内高速搅拌，混合均匀，然后将成纤聚合物切粒加入到上述混合物中，进一步搅拌混合均匀后，在高于成纤聚合物熔点20-100℃，较好为30-80℃条件下熔融挤出一次，制成切粒，干燥后供纺丝使用。

本发明还特别重视纺丝工艺中的纤维后加工处理，如多级湿法牵伸及适度牵伸倍数的设计；纤维卷曲温度及卷曲数目的设计等。这些工艺设计都将有利于改善或提高纤维的加工性能(如强度、伸长、抱和力等)和该纤维制品的服用性能(如手感、透气、舒适性、抗静电性等)，这将给本发明产品的实际推广应用带来明显的作用。

由于本发明纤维具有较好的可纺性，故其可以与常规纺丝方法相同或相近的工艺生产出机织布、针织布和非织造物等，以及进一步加工成防护服和防护用品等。又由于本纤维及其制品具有同时屏蔽射电辐射，X-射线辐射和紫外线辐射(也具有抗静电和防尘)的功能，并具有较好的服用性，而且在使用中屏蔽功能无明显降低，故将是电子产品周围，特别是计算机显示屏前或电视机荧光屏前及X-射线CT机前等场所工作人员理想的防护用品。此外，本发明的工艺方法较为简单，适合于规模生产，并且费用也低廉，便于产品的普及应用。

下面以实施例更具体地描述本发明。

实施例1在平均粒径为1微米的硫酸钡粉末69份中，加入1份异丙基三异硬脂酸钛酸酯后，放入密闭高速混合器中，以1400转/分搅拌20分钟；然后加入熔融指数为32的聚丙烯30份，再次高速搅拌，在Φ30双螺杆混炼机上240℃温度下熔融混炼一次制成切粒，切粒经真空干燥后作为芯成分。

在平均粒径为20微米的铝粉10份中，加入0.1份异丙基三异硬脂酸钛酸酯，高速混合后，再加入上述聚丙烯88份和UV-531 2份，混匀后，混炼制成切粒并经干燥作为皮成分。

调整芯成分的泵供量为51.2g/min，皮成分的泵供量为12.8g/min，熔体压力60×10⁵Pa，纺丝温度250℃，卷绕速度400米/分，纺制成皮芯复合纤维卷绕丝。

上述卷绕丝集束成180万特丝束，在70℃和100℃下连续二次湿法牵伸3倍和1.8倍，牵伸速度45～60m/min，卷曲干燥定型后，切成短纤维。

所得纤维的拉伸断裂强度为1.6CN/dtex，断裂伸长为23％，纤维比电阻为18.5Ω·CM。

该纤维可用近似常规的加工条件，加工成平纹布，斜纹布和帆布及非织造布等。经测试480g/M²斜纹布(经纱18支/2股，纬纱18支/2股)的8kev(1.542A°)X-射线屏蔽率为58.0％；可屏蔽22～43分贝的射电辐射；200～380纳米紫外线屏蔽率为99.5％。

实施例2，在与实施例一完全相同的步骤和条件下，以平均粒径10微米的氧化铋，粉末39份与0.8份异丙基异硬酯酰基一甲基丙烯基钛酸酯混匀后，再与60.2份熔融指数为26的聚乙烯混炼制成干燥切粒作为芯成分。

在平均粒径为10微米的铜粉25份中，加入异丙基三异硬酯酸钛酸酯0.5份，然后与上述聚乙烯72.5份和UV-327 2份，混炼制成干燥切粒作为皮成分。

调整芯成分泵供量为63g/min，皮成分泵供量为27g/min，压力为55×10⁵Pa，纺丝温度230℃，卷绕速度为400米/分的条件下，纺成皮芯复合纤维卷绕丝。

经集束和两次湿法牵伸5.6倍后，卷曲、干燥定型、切断得到成品纤维。

所得纤维的拉伸断裂强度为2.1CN/dtex，断裂伸长为28％，纤维比电阻为0.6Ω·CM。

将此纤维可制成面密度为300～1000g/M²的非织造布和面密度为550～660g/M²的机织布。测试557g/M²帆布的8KeyX-射线屏蔽率为60.3％；可屏蔽射电辐射45～50分贝，紫外线屏蔽率为99.8％。

实施例3在实施例一的步骤和条件下，以平均粒径为18微米的氧化钆20份与异丙基二异硬酸钛酸酯0.2份及特性粘数为0.69的聚对苯二甲酸乙二酯混合后，在280℃熔融混炼制成干燥切粒作为芯成分。

在平均粒径为0.8微米的铜粉40份中，加入异丙基异硬酯酰基二烯丙基钛酸酯1份，混合均匀后，与分子量为15000的聚己内酰胺56份和u v-9 2份，250℃下熔融混炼制成干燥切粒作为皮成分。

在芯成分泵供量为56g/min，皮成分泵供量24g/min，60×10⁵Pa的熔体压力下，温度为300℃，卷绕速度515米/分，纺制皮芯复合纤维，切断为成品纤维。

所得纤维的拉伸断裂强度为2.6CN/dtex，断裂伸长为19％，纤维比电阻为6.2×10^-2Ω·cm。

用该纤维制成的面密度为1000g/M²的非织造布的8keyX-射线屏蔽率为43％，可屏蔽射电辐射52～60分贝，紫外线屏蔽率为99.3％。

Claims (3)

1.一种电磁波屏蔽复合纤维，其由成纤聚合物(A)及其功能性添加物作芯层，由成纤聚合物(B)及其功能添加物作皮层，经熔融混炼、复合纺丝工艺而制成的，其特征是：

(1)成纤聚合物(A)中的功能添加物质是X-射线屏蔽物质，所述的X-射线屏蔽物质是硫酸钡、氧化铋和氧化钆；

(2)成纤聚合物(B)中的功能性添加物是导电物质及紫外线吸收剂，所述的导电物质是铜或铝的粉末，所述的紫外线吸收剂是UV-9、UV-531和UV-327；

(3)还添加有可改善功能性添加物与各自添加主体间混溶性的助剂，所述的助剂是异丙基三异硬脂酸钛酸酯、异丙基异硬酯酰基-甲基丙烯酸钛酸酯和异丙基二异硬脂酸钛酸酯；

(4)皮层与芯层的重量比为3∶7～2∶8；

(5)成纤聚合物(A)与(B)间具有粘结性。

2.根据权利要求1所述的纤维，其特征是：

(1)X-射线屏蔽物质的平均粒径为1～20μm；含量(占芯层重量百分比，下同)为20～80％，特别是30～70％；

(2)导电物质可以是金属微粉，平均粒径0.1～20μm，金属微粉的含量(占皮层重量百分比，下同)为10～40％；紫外线吸收剂含量(占皮层重量百分比，下同)为2～5％，特别是2～3％；

(3)所述的助剂为功能性添加物重量的0.1～1％。

3.一种采用熔融复合纺丝工艺、经过卷曲、定型和切断处理，制造权利要求1、2中任一项所述的纤维的方法，其特征是：

(1)先用助剂对功能性添加物进行预处理，以增加其与成纤聚合物间的混溶性；

(2)使用双螺杆混炼机熔融混炼，使功能性添加物与成纤聚合物充分混合；

(3)纺丝后经湿法多级牵伸。