采用因子分析法的服用织物电磁屏蔽性能影响因素分析

黄 帅，张 毅，周志华

(1.天津工业大学 纺织学院，天津 300387；2.天津市纺织纤维检验所，天津 300192)

采用因子分析法的服用织物电磁屏蔽性能影响因素分析

黄 帅1，张 毅1，周志华2

(1.天津工业大学 纺织学院，天津 300387；2.天津市纺织纤维检验所，天津 300192)

为探究服用织物电磁屏蔽性能的主要影响因素和影响规律，以常见服用织物作为研究对象，根据电磁屏蔽理论，分析服用织物的电磁屏蔽机制，得出织物基本参数、织物组织和纤维种类是重要影响因素。采用因子分析法对织物基本参数影响规律进行分析，提取出厚度因子和紧度因子2个主因子。研究结果表明：服用织物电磁屏蔽性能随厚度因子增大而提升，随紧度因子增大先提高后下降。在此基础上分析了织物组织和纤维种类对其电磁屏蔽性能的影响规律，结果表明相同条件下，斜纹织物屏蔽性能优于平纹织物；棉织物屏蔽性能最好，锦纶织物其次，涤纶织物最弱。

服用织物；织物参数；因子分析；织物组织；纤维种类；电磁屏蔽性能

电磁屏蔽织物作为一种新型电磁防护材料，具有轻薄、柔软、结构可塑性好、成本低廉等优点[1]，便于推广。目前，嵌入导电纤维型电磁屏蔽织物技术相对成熟，应用广泛[2]。通过电镀、化学镀、真空镀、磁溅射[3-5]等手段制得的金属镀层织物也逐步发展并得到推广。

纺织纤维和织物作为电磁屏蔽织物的功能载体，影响其服用性能和屏蔽性能。探究服用织物电磁屏蔽性能的影响因素、分析其影响规律，可为选取载体织物提供参考，有助于开发具有优良屏蔽性能和服用性能的电磁屏蔽织物。本文的研究对象是未作电磁屏蔽整理的服用织物，基于电磁屏蔽理论，分析其屏蔽机制，探索织物基本参数、织物组织和纤维种类对屏蔽性能的影响。针对织物基本参数，采用因子分析法对参数个数降维，提取主要影响因子，分析主因子的影响规律，并在此基础上找出织物组织和纤维种类对屏蔽性能的影响规律。

1 服用织物的电磁屏蔽机制

根据Schelkunoff的电磁屏蔽理论，织物对电磁波的屏蔽效果(S)可分为3部分：S=A+B+R。A为吸收损耗，B为内部反射损耗，R为表面反射损耗。A与材料的电导率和磁导率及织物结构有关，B和R与材料的表面阻抗及织物结构有关[6]。

吸波主导型材料需具备适当的介电常数、高磁导率、高电磁损耗等条件[7]。常见纺织纤维导电性能弱，介电常数低[8]，但由于纤维吸湿特性，纤维所含水分会对电磁波产生微弱的吸收作用[9]，因此，不同种类纤维由于吸湿性能不同，间接影响织物屏蔽性能。不同纺织纤维形态各异，影响各自成纱结构，导致织物对电磁波反射和吸收情况不同，直接影响织物的屏蔽性能。

织物组织对于不同类型织物的屏蔽性能有不同的影响规律。对于嵌入金属纤维的电磁屏蔽织物，文献[10-11]研究结果表明：机织物屏蔽性能优于针织物；平纹织物优于斜纹织物优于缎纹织物。对于镀导电膜型电磁屏蔽织物：镀膜结构越完整的织物屏蔽性能越好；相同条件下，具有适当浮长线的斜纹织物更有利于镀层附着[12-13]。

织物的基本参数决定织物厚薄和松紧程度等因素，影响织物对电磁波的反射和吸收。文献[14-15]对于含金属丝型屏蔽织物的结构和孔隙进行研究，证明结构越紧密、纱线交织点越多，表面孔隙越少的织物屏蔽性能越好。

对服用织物的屏蔽机制分析可知，纤维种类、织物组织和织物基本参数均是影响屏蔽性能的重要因素。

2 实验及数据分析方法

2.1 实验仪器

DWL5016型半自动织机，modelY141l数字式织物厚度仪，Y511型织物密度镜，罗德与施瓦茨ZNB40矢量网络分析仪，法兰同轴夹具，Leica Z16 APOA型超景深显微镜。

2.2 实验样品

根据市场调研，样品的组织选用常见的平纹和二上二下斜纹，采用不同线密度的棉纱、涤纶纱、锦纶纱织造，经纬纱选用线密度相同的同种纱线，样品参数如表1所示。

2.3 屏蔽效能测试

织物的屏蔽性能用屏蔽效能表征。由于服用织物的屏蔽效能微弱，所以测试方法采用GJB 6190—2008《电磁屏蔽材料屏蔽效能测量方法》中精度较高的法兰同轴法[16]，测试频段为0.5 ～1 GHz。

2.4 数据分析方法

分析织物组织和纤维种类对屏蔽性能的影响时，需控制组织和纤维作为单一变量，所以需首先分析织物基本参数的影响规律。由于严格控制单因素的织物在织造中很难实现，且织物基本参数包含许多变量，多组变量间相互影响，因此需要运用因子分析法在保证信息完整的前提下对变量个数进行降维，提取主因子。

3 结果与讨论

3.1 织物参数对电磁屏蔽性能的影响

3.1.1 主因子的提取

织物基本参数对不同种类纤维和组织的织物影响机制相同，在分析织物参数影响规律时可忽略纤维和组织的影响。选0.5 GHz作为分析频点，对18块样品的织物参数及屏蔽效能进行数据标准化处理，消除因量纲不同的影响。主因子提取过程如表2～4所示。

表2示出运用因子分析法对织物参数提取了2个主因子。结合表3对主因子进行命名：因子1与厚度、纱线粗细有关，反映织物厚度相关信息，命名为厚度因子；因子2与紧度、孔隙率有关，反映织物紧度信息，命名为紧度因子。结合表4，主因子的得分函数分别为：

表1 织物各项参数Tab.1 Parameters of fabrics

表2 方差累计贡献率Tab.2 Accumulated variance contribution rate

表3 旋转后主因子载荷表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 旋转后因子得分系数Tab.4 Component score coefficient after rotation

在分析问题时，通过因子得出分函数计算因子变量，将因子变量作为原始变量信息的代表，即可达到降维简化的目的。

3.1.2 主因子与织物屏蔽效能的关系

主因子与0.5 GHz标准化屏蔽效能的散点图如图1所示。

图1 厚度与紧度因子与屏蔽性能的关系Fig.1 Relations between thickness (a) and tightness (b) factors and electromagnetic shielding performance

由图1可知，随着厚度因子的增加，织物的屏蔽性能呈明显的增加趋势。这是由于随着厚度增加，电磁波在织物内部发生的反射衰减和吸收量增多。织物的屏蔽性能随紧度的增加先增大后减小。这是因为在一定紧度范围内，随着紧度的增加，纱线根数增加，织物孔隙减少，屏蔽性能随之增加；超出该范围后，紧度增加引起纱线间相互挤压，导致织物结构发生变化，引起屏蔽性能下降。

3.2 织物组织对电磁屏蔽性能的影响

因子分析结果反映出织物屏蔽性能与厚度、紧度关系最为密切，因此可将样品屏蔽效能进行厚度和紧度的归一化处理，以屏蔽效能/(厚度×紧度)作为屏蔽性能评价指标。不同纤维种类的织物组织与屏蔽性能关系如图2所示。

图2 织物组织与屏蔽性能关系Fig.2 Relations between fabric waves and electromagnetic shielding performance.(a) Cotton fabrics; (b) Polyester fabrics; (c) Polyamide fabrics

由图2可知，厚度和紧度相同的条件下，测试频段内斜纹织物屏蔽效果优于平纹织物。这是因为斜纹织物相对平纹织物具有浮长线，织物覆盖率高，织物反射电磁波能力较强。

3.3 纤维种类对电磁屏蔽性能的影响

图3示出相同织物组织下，不同纤维织物屏蔽性能间关系。由图可知：对于平纹服用织物，纤维种类与电磁屏蔽性能关系排序为棉织物>锦纶织物>涤纶织物；对于斜纹织物，随着电磁波频率增加，棉织物的归一化屏蔽效能减小速度最慢，锦纶织物其次，涤纶织物最快，在0.8 GHz之后，纤维种类与屏蔽性能关系规律和平纹织物相同。3种纤维中，棉的吸湿性能最好，且成纱后纱线结构紧密，纱线表面存在较多毛羽，对电磁波吸收和反射作用最强，因此屏蔽性能最好；涤纶吸湿性最差，由于静电作用纱线结构蓬松，孔隙大，因此屏蔽性能最差；锦纶纤维的屏蔽性能介于二者之间。

图3 纤维与屏蔽性能关系Fig.3 Relation among fibers and electromagnetic shielding performance.(a) Plain woven fabrics; (b) Twill fabrics

4 结 论

1)采用因子分析法分析织物基本参数与屏蔽性能的关系，提取了2个主因子：厚度因子、紧度因子。服用织物的电磁屏蔽性能随厚度因子增大而增大，随紧度因子增大先增大后减小。

2)在织物组织和纤维种类相同的情况下，斜纹织物的浮长线较长，织物覆盖度高，电磁屏蔽性能优于平纹织物。

3)在织物参数和织物组织相同的情况下，棉织物电磁屏蔽性能优于涤纶织物，锦纶织物介于二者之间。

本文的研究成果对于电磁屏蔽织物的载体织物选取和柔软透气型电磁屏蔽织物的开发具有指导意义。

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

国家质检局资助项目(2013QK096)

黄帅(1992—)，男，硕士生。研究方向为纺织新材料的开发。 张毅，通信作者，E-mail：zhangyi@tjpu.edu.cn。

TS 101.923

A