CN105113217A - 可同时吸收低频和高频电磁波的复合纤维及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种可同时吸收低频和高频电磁波的复合纤维，所述复合纤维由纤维基底层、镀覆于所述纤维基底层表面的金属镀层和涂覆于所述金属镀层上的磁性吸波涂层组成。本申请的复合纤维同时具有反射电磁波和吸收消耗电磁波的功能，且具有轻质、耐腐蚀的特点，在军事、工业及民用领域具有极为广阔的应用前景。本申请还涉及一种复合纤维的制备方法、及包含所述复合纤维的织物或服装。
Description
技术领域
本申请属于纤维材料领域。它涉及一种可屏蔽电磁辐射的纤维，尤其是一种可同时吸收低频和高频电磁波的复合纤维。
背景技术
电磁辐射以电磁波的形式通过空间传播，因此电磁辐射又称为电磁波。电磁辐射不仅会影响电子设备的正常运行，降低电子元器件的寿命，而且对人们的健康也会造成极大的危害。电磁辐射通常可分为射频辐射和极低频辐射。射频辐射的频率范围在100KHz-300GHz之间，如：手机、电视塔等都产生射频的磁场。极低频辐射的频率范围在3-300Hz之间，如工业上用的交流电源等。传统的电磁屏蔽材料多是基于金属或金属镀层材料。这种材料具有材料密度高、易受腐蚀、吸收频带窄等缺点。根据Schelkunoff电磁屏蔽理论，屏蔽效能分为单次反射衰减、吸收消耗和多重反射消耗三部分。金属材料的电磁屏蔽机理为单次反射衰减，不具有吸收消耗的功能。被反射的电磁波往往造成二次辐射，这也是金属基屏蔽材料的一大缺陷。随着人们对于电磁屏蔽材料轻量化、高屏蔽性能和宽屏蔽频带等要求的提出，基于电磁屏蔽纤维的材料得到了越来越广泛的应用。但是，当前所谓的吸波纤维也多数为金属纤维或者金属镀层纤维，同样具有传统电磁屏蔽材料的缺陷。
只有将反射衰减和吸收消耗两种电磁屏蔽机理进行有机的结合，才有希望提高材料的电磁屏蔽性能，拓宽其吸波范围。
发明内容
为了解决上述问题，本申请的发明人提供一种可屏蔽电磁辐射的纤维，尤其是一种可同时吸收低频和高频电磁波的复合纤维。这种纤维同时具有反射电磁波和吸收消耗电磁波的功能，且具有轻质、耐腐蚀的特点，在军事、工业及民用领域具有极为广阔的应用前景。
本申请采取的技术方案是：
1.一种可同时吸收低频和高频电磁波的复合纤维，所述复合纤维由纤维基底层、镀覆于所述纤维基底层表面的金属镀层和涂覆于所述金属镀层上的磁性吸波涂层组成。
2.根据项1所述的复合纤维，其中所述磁性吸波涂层为磁性纳米吸波浆料的磁性吸波涂层，所述磁性纳米吸波浆料由均匀分散的5-55重量％的磁性纳米吸波材料以及余量的涂层基料组成；
所述磁性纳米吸波材料为选自由以下材料的纳米颗粒、纳米粉、纳米管以及纳米丝组成的组中的至少一种：氧化铁、铁硅铝合金、铁硅铬镍合金、铁镍合金、锌铜镍铁合金、钕铁硼合金、铝镍钴合金、钐钴合金、和镁锌铜铁合金。
3.根据项1或2所述的复合纤维，其中所述磁性纳米吸波材料的直径为1-300纳米。
4.根据项3所述的复合纤维，其中所述涂层基料为选自由以下材料的组成的组中的至少一种：橡胶、聚氯乙烯、聚氨酯、丙烯酸酯、有机硅树脂、特氟龙、和其他含氟涂层基料。
5.根据项3所述的复合纤维，其中所述金属镀层为选自由以下金属组成的组中的至少一种金属的镀层：银、铜、铝、锌、和镍。
6.根据项3所述的复合纤维，其中所述纤维基底层为包含作为主要成分的服用纤维的纤维基底层，所述服用纤维为选自由以下纤维组成的组中的至少一种纤维：天然纤维、化学或合成纤维、和工业纤维；
所述天然纤维为棉、麻、丝、和毛中的至少一种；所述化学或合成纤维为聚酯、聚酰胺、聚丙烯腈、和粘胶中的至少一种；所述工业纤维为凯夫拉纤维(KEVLAR，聚对苯二甲酰对苯二胺的简称)、超高分子量聚乙烯、碳纤维、碳化硅纤维、和M5纤维(一种超高性能纤维，聚(2，5-二羟基-1，4-苯撑吡啶并二咪唑)(PIPD)的简称)中的至少一种。
7.根据项3所述的复合纤维，其中所述磁性吸波涂层厚度为0.1-7微米；和/或所述金属镀层厚度为0.1-5微米。
本申请还涉及一种根据项1至7任一项所述的复合纤维的制备方法，其中所述方法包括以下制备步骤：
(1)表面清洁：对所述纤维基底层进行表面清洁、和清洗；
(2)表面改性：对所述纤维基底层进行化学表面改性和离子表面轰击中的至少一种，然后清洗；
(3)镀覆所述金属镀层：在经过表面改性的所述纤维基底层表面镀覆所述金属镀层；
(4)涂覆所述磁性吸波涂层：将所述磁性吸波浆料均匀涂覆在所述金属镀层的表面。
在本申请的该制备方法中，其中所述步骤(1)中，优选使用选自以下的至少一种洗涤剂对所述纤维基底层进行表面清洁从而去除所述纤维基底层表面的污物：商购可得的洗涤剂、碱的水溶液、丙酮、和1，2-二氯乙烷；所述清洗为使用去离子水清洗所述纤维基底层表面；
所述步骤(2)中，优选所述化学表面改性为使用选自以下的至少一种改性剂对所述纤维基底层进行改性处理10秒至1小时：30-98％的浓硫酸、30-98％的浓硝酸、30-98％的浓硫酸和30-98％的浓硝酸的混合物、10-50％的碱的水溶液、0.05-1摩尔/升的乙酸酐的二甲基亚砜溶液、和0.05-1摩尔/升的氢化钠的二甲基亚砜溶液；所述清洗为使用去离子水清洗所述纤维基底层表面残留的溶剂；
所述步骤(3)中，优选所述镀覆为选自以下的至少一种镀覆：化学镀、电镀、激光镀、磁控溅射、离子镀、和真空镀；和/或
所述步骤(4)中，优选所述涂覆为选自以下的至少一种涂覆：浸涂、轧挤、刮涂、挤塑、抽塑、喷涂、凝固、和旋涂。
本申请还涉及一种织物或服装，其包含复合纤维，所述复合纤维为根据项1至7任一项所述的复合纤维、或根据上述制备方法制得的复合纤维。
本申请所提供的一种可同时吸收低频和高频电磁波的复合纤维同时具有反射电磁波和吸收消耗电磁波的功能，实现了对低频和高频电磁波的宽频屏蔽消耗；且本复合纤维的结构为具有反射功能的金属镀层在内，磁性吸波涂层在外，因而电磁波在经过磁性吸波涂层吸收消耗和金属镀层的反射消耗后，剩余的能量波会被金属镀层再次反射至磁性吸波涂层被吸波涂层二次吸收消耗，使纤维对电磁波的屏蔽吸收能力得到了进一步增强。此外，本复合纤维的金属镀层在磁性吸波涂层的保护下，不会再受到化学腐蚀的侵扰，性能更稳定可靠。同时，此复合纤维材料还且具有轻质、易于加工成型的特点，在军事、工业及民用领域均具有极为广阔的应用前景。
附图说明
图1表示本申请复合纤维的一个实例的结构示意图。
附图标号说明
1-纤维基底层
2-金属镀层
3-磁性吸波涂层
具体实施方式
以下将参照实施例详细描述本申请的具体实施方式。
本申请涉及一种可同时吸收低频和高频电磁波的复合纤维，所述复合纤维由纤维基底层1、镀覆于所述纤维基底层表面的金属镀层2和涂覆于所述金属镀层上的磁性吸波涂层3组成。
本申请的复合纤维的结构为具有反射功能的金属镀层在内，磁性吸波涂层在外，因而电磁波在经过磁性吸波涂层吸收消耗和金属镀层的反射消耗后，剩余的能量波会被金属镀层再次反射至磁性吸波涂层被吸波涂层二次吸收消耗，使纤维对电磁波的屏蔽吸收能力得到了进一步增强。
本申请的复合纤维中，所述磁性吸波涂层并无特别限定，只要该涂层其具有对辐射的吸收消耗的功能即可。进一步地，优选所述磁性吸波涂层为磁性纳米吸波浆料的磁性吸波涂层，所述磁性纳米吸波浆料由均匀分散的5-55重量％的磁性纳米吸波材料以及余量的涂层基料组成。
本申请的复合纤维中，所述磁性纳米吸波材料并无特别限定，只要该材料能够吸收辐射即可。进一步地，优选所述磁性纳米吸波材料优选为选自由以下材料的纳米颗粒、纳米粉、纳米管以及纳米丝组成的组中的至少一种：氧化铁、铁硅铝合金、铁硅铬镍合金、铁镍合金、锌铜镍铁合金、钕铁硼合金、铝镍钴合金、钐钴合金、和镁锌铜铁合金。
本申请的复合纤维中，所述磁性纳米吸波材料的直径并无特别限定，只要其不影响本申请的技术效果即可。进一步地，优选所述磁性纳米吸波材料的直径为易于分散的纳米级别。进一步地，所述磁性纳米吸波材料的直径优选为1-300纳米。
本申请的复合纤维中，所述涂层基料并无特别限定，只要其可以均匀分散所述磁性纳米吸波材料并能够形成均匀的涂层即可。进一步地，所述涂层基料优选为选自由以下材料的组成的组中的至少一种：橡胶、聚氯乙烯、聚氨酯、丙烯酸酯、有机硅树脂、特氟龙、和其他含氟涂层基料。
本申请的复合纤维中，所述金属镀层并无特别限定，只要其具有对辐射的反射功能即可。进一步地，所述金属镀层优选为选自由以下金属组成的组中的至少一种金属的镀层：银、铜、铝、锌、和镍。
本申请的复合纤维中，所述纤维基底层并无特别限定，只要其适用于纤维、织物或服装即可。进一步地，优选所述纤维基底层为包含作为主要成分的服用纤维的纤维基底层，所述服用纤维为选自由以下纤维组成的组中的至少一种纤维：天然纤维、化学或合成纤维、和工业纤维；所述天然纤维为棉、麻、丝、和毛中的至少一种；所述化学或合成纤维为聚酯、聚酰胺、聚丙烯腈、和粘胶中的至少一种；所述工业纤维为凯夫拉纤维、超高分子量聚乙烯、碳纤维、碳化硅纤维、和M5纤维中的至少一种。
本申请的复合纤维中，各层的厚度并无特别限定，只要其不影响本申请的技术效果即可。进一步地，所述磁性吸波涂层厚度优选为0.1-7微米；和/或所述金属镀层厚度优选为0.1-5微米。
本申请还涉及一种复合纤维的制备方法，其中所述方法包括以下制备步骤：
(1)表面清洁：对所述纤维基底层进行表面清洁、和清洗；
(2)表面改性：对所述纤维基底层进行化学表面改性和离子表面轰击中的至少一种，然后清洗；
(3)镀覆所述金属镀层：在经过表面改性的所述纤维基底层表面镀覆所述金属镀层；
(4)涂覆所述磁性吸波涂层：将所述磁性吸波浆料均匀涂覆在所述金属镀层的表面。
在本申请的该制备方法中，所述步骤(1)中，对于表面清洁并无特别限定，只要能够去除所述纤维基底层表面的如油脂等的污物等即可。对所述清洗并无特别限定，只要能够去除残留的溶剂即可。可采用本领域中常规的表面清洁或清洗。进一步地，所述步骤(1)中，优选使用选自以下的至少一种洗涤剂对所述纤维基底层进行表面清洁：商购可得的洗涤剂、碱的水溶液、丙酮、和1，2-二氯乙烷；所述清洗为使用去离子水清洗所述纤维基底层表面。
在本申请的该制备方法中，所述步骤(2)中，对化学表面改性和离子表面轰击并无特别限定，只要使得经过化学表面改性和/或离子表面轰击处理后的纤维基底层表面更加适用于镀覆处理和/或涂覆处理即可。对所述清洗并无特别限定，只要能够去除残留的溶剂即可。可采用本领域中常规的化学表面改性、离子表面轰击或清洗。进一步地，所述步骤(2)中，优选所述化学表面改性为使用选自以下的至少一种改性剂对所述纤维基底层进行改性处理10秒至1小时：30-98％的浓硫酸、30-98％的浓硝酸、30-98％的浓硫酸和30-98％的浓硝酸的混合物、10-50％的碱的水溶液、0.05-1摩尔/升的乙酸酐的二甲基亚砜溶液、和0.05-1摩尔/升的氢化钠的二甲基亚砜溶液；所述清洗为使用去离子水清洗所述纤维基底层表面残留的溶剂。
在本申请的该制备方法中，所述步骤(3)中，对所述镀覆并无特别限定，只要其能够镀覆相应金属的镀层即可。可采用本领域中常规的镀覆。进一步地，所述步骤(3)中，优选所述镀覆为选自以下的至少一种镀覆：化学镀、电镀、激光镀、磁控溅射、离子镀、和真空镀。
在本申请的该制备方法中，所述步骤(4)中，对所述涂覆并无特别限定，只要其能够涂覆相应的涂层即可。可采用本领域中常规的涂覆。进一步地，所述步骤(4)中，优选所述涂覆为选自以下的至少一种涂覆：浸涂、轧挤、刮涂、挤塑、抽塑、喷涂、凝固、和旋涂。
本申请还涉及一种织物或服装，其包含复合纤维，所述复合纤维为本申请涉及的复合纤维、或本申请涉及的制备方法制得的复合纤维。
该织物或服装能有效遮蔽射线且性能更稳定可靠；且其重量轻，布料软，使得使用者可以自由活动，穿着舒适度较高。
本申请的所述服装可以采用常用的服装试样；或者仅对需要加强抗辐射的服装部位，采用本申请的复合纤维，而对其他部位采用通常的服装布料来制作服装。其中，考虑到服装整体的抗辐射效能，优选使本申请涉及的服装采用为除了眼部外的全覆盖式服装。
实施例
以下参照实施例来具体说明本申请的内容。
实施例1
一种可同时吸收低频和高频电磁波的复合棉纤维，其特征是，它是由棉纤维、镀覆于纤维表面的厚度为0.3微米的铜镀层和涂覆于铜镀层上、厚度为3微米、含有含量为38重量％的直径为100纳米的钕铁硼磁性纳米颗粒的聚氯乙烯吸波涂层组成的复合纤维。其制备步骤如下：
(1)表面清洁：使用5％的市售洗涤剂溶液对棉纤维进行表面清洁，并用大量去离子水清洗，直至将残余溶剂清洗干净。
(2)表面改性：用20％的氢氧化钠溶液对经过表面清洁的棉纤维进行表面改性，处理时间为45分钟，并随后用大量去离子水清洗。
(3)镀覆金属镀层：用专利真空镀法将厚度为0.3微米的铜镀层涂镀至经过表面改性棉纤维上。
(4)涂覆磁性吸波涂层：用浸涂法将1微米厚，含38重量％且直径为100纳米的钕铁硼磁性纳米颗粒的聚氯乙烯吸波涂层涂覆在镀铜棉纤维上，获得一种可同时吸收低频和高频电磁波的复合棉纤维。
实施例2
一种可同时吸收低频和高频电磁波的复合碳纤维，其特征是，它是由碳纤维、镀覆于碳纤维表面的厚度为2微米的银镀层和涂覆于银镀层之上、厚度为0.7微米、含有含量为10重量％的直径为20纳米的氧化铁纳米丝的聚氯乙烯吸波涂层组成的复合纤维。其制备步骤如下：
(1)表面清洁：使用丙酮对碳纤维进行表面清洁，并用大量去离子水清洗，直至将残余溶剂清洗干净。
(2)表面改性：用68％的硝酸溶液对经过表面清洁的碳纤维进行表面改性，处理时间为15分钟，并随后用大量去离子水清洗。
(3)涂镀金属镀层：用WarrierandLin(Journalofmaterialsscience28(1993)：4868-4877)所述的化学镀法将厚度为2微米的银镀层涂镀至经过表面改性碳纤维上。
(4)涂覆磁性吸波涂层：用浸涂法将0.7微米厚、含有含量为10重量％且直径为20纳米的氧化铁磁性纳米丝的聚氯乙烯吸波浆料涂覆在镀银碳纤维上，获得一种可同时吸收低频和高频电磁波的复合碳纤维。
实施例3
一种可同时吸收低频和高频电磁波的复合碳纤维，其特征是，它是由粘胶、镀覆于粘胶表面的厚度为5微米的锌镀层和涂覆于锌镀层之上、厚度为0.1微米、含有含量为55重量％的直径为300纳米的锌铜镍铁合金纳米管的橡胶吸波涂层组成的复合纤维。其制备步骤如下：
(1)表面清洁：使用1，2-二氯乙烷对粘胶进行表面清洁，并用大量去离子水清洗，直至将残余溶剂清洗干净。
(2)表面改性：用0.7摩尔/升的乙酸酐的二甲基亚砜溶液对经过表面清洁的碳纤维进行表面改性，处理时间为55分钟，并随后用大量去离子水清洗。
(3)涂镀金属镀层：用WarrierandLin(Journalofmaterialsscience28(1993)：4868-4877)所述的化学镀法将厚度为7微米的锌镀层涂镀至经过表面改性的粘胶上。
(4)涂覆磁性吸波涂层：用浸涂法将0.1微米厚、含有含量为55重量％且直径为300纳米的锌铜镍铁合金纳米颗粒的橡胶磁性吸波浆料涂覆在镀银碳纤维上，获得一种可同时吸收低频和高频电磁波的复合碳纤维。
制备实施例
采用如下表1所示的操作参数基于实施例2的制备方法，制备得到。
表1
效果实施例
本申请的可同时吸收低频和高频电磁波的复合纤维在13HZ-40GHZ的辐射范围内，屏蔽效能80DB以上。
Claims (10)
1.一种可同时吸收低频和高频电磁波的复合纤维，其特征在于，所述复合纤维由纤维基底层、镀覆于所述纤维基底层表面的金属镀层和涂覆于所述金属镀层上的磁性吸波涂层组成。
2.根据权利要求1所述的复合纤维，其中所述磁性吸波涂层为磁性纳米吸波浆料的磁性吸波涂层，所述磁性纳米吸波浆料由均匀分散的5-55重量％的磁性纳米吸波材料以及余量的涂层基料组成；
所述磁性纳米吸波材料为选自由以下材料的纳米颗粒、纳米粉、纳米管以及纳米丝组成的组中的至少一种：氧化铁、铁硅铝合金、铁硅铬镍合金、铁镍合金、锌铜镍铁合金、钕铁硼合金、铝镍钴合金、钐钴合金、和镁锌铜铁合金。
3.根据权利要求1或2所述的复合纤维，其中所述磁性纳米吸波材料的直径为1-300纳米。
4.根据权利要求3所述的复合纤维，其中所述涂层基料为选自由以下材料的组成的组中的至少一种：橡胶、聚氯乙烯、聚氨酯、丙烯酸酯、有机硅树脂、特氟龙、和其他含氟涂层基料。
5.根据权利要求3所述的复合纤维，其中所述金属镀层为选自由以下金属组成的组中的至少一种金属的镀层：银、铜、铝、锌、和镍。
6.根据权利要求3所述的复合纤维，其中所述纤维基底层为包含作为主要成分的服用纤维的纤维基底层，所述服用纤维为选自由以下纤维组成的组中的至少一种纤维：天然纤维、化学或合成纤维、和工业纤维；
所述天然纤维为棉、麻、丝、和毛中的至少一种；所述化学或合成纤维为聚酯、聚酰胺、聚丙烯腈、和粘胶中的至少一种；所述工业纤维为凯夫拉纤维、超高分子量聚乙烯、碳纤维、碳化硅纤维、和M5纤维中的至少一种。
7.根据权利要求3所述的复合纤维，其中所述磁性吸波涂层厚度为0.1-7微米；和/或所述金属镀层厚度为0.1-5微米。
8.根据权利要求1至7任一项所述的复合纤维的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下制备步骤：
(1)表面清洁：对所述纤维基底层进行表面清洁、和清洗；
(2)表面改性：对所述纤维基底层进行化学表面改性和离子表面轰击中的至少一种，然后清洗；
(3)镀覆所述金属镀层：在经过表面改性的所述纤维基底层表面镀覆所述金属镀层；
(4)涂覆所述磁性吸波涂层：将所述磁性吸波浆料均匀涂覆在所述金属镀层的表面。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其中所述步骤(1)中，使用选自以下的至少一种洗涤剂对所述纤维基底层进行表面清洁从而去除所述纤维基底层表面的污物：商购可得的洗涤剂、碱的水溶液、丙酮、和1，2-二氯乙烷；所述清洗为使用去离子水清洗所述纤维基底层表面；
所述步骤(2)中，所述化学表面改性为使用选自以下的至少一种改性剂对所述纤维基底层进行改性处理10秒至1小时：30-98％的浓硫酸、30-98％的浓硝酸、30-98％的浓硫酸和30-98％的浓硝酸的混合物、10-50％的碱的水溶液、0.05-1摩尔/升的乙酸酐的二甲基亚砜溶液、和0.05-1摩尔/升的氢化钠的二甲基亚砜溶液；所述清洗为使用去离子水清洗所述纤维基底层表面残留的溶剂；
所述步骤(3)中，所述镀覆为选自以下的至少一种镀覆：化学镀、电镀、激光镀、磁控溅射、离子镀、和真空镀；和/或
所述步骤(4)中，所述涂覆为选自以下的至少一种涂覆：浸涂、轧挤、刮涂、挤塑、抽塑、喷涂、凝固、和旋涂。
10.一种织物或服装，其包含复合纤维，所述复合纤维为根据权利要求1至7任一项所述的复合纤维、或根据权利要求8或9所述的制备方法制得的复合纤维。
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