（纺织工程专业论文）纺织品微磁场测试实验方法的研究.pdf

莓，；付蠹磐盛毽重 学位论文的主要创新点 一、为适合织物表面磁场的测量，设计改装了特斯拉计的霍尔探头， 改进的探头既减小了测量过程的对位误差，又使测量值更接近织物 表磁真实值。 二、根据改进的测磁仪研究了系统的实验方法，经对比验证，实验 结果的稳定性和重复性较好。 中文摘要 目前具有功能性已经逐渐成为纺织品发展的一个重要方向，如具有抗菌、吸 湿速干、阻燃等功能，同时这几种功能纺织品已经逐渐被市场认可，国家纺织部 门也制定了相应的标准对其功能方面进行检测。功能纺织品不仅满足消费市场对 舒适、健康、安全性的需求，而且提高产品附加价值，摆脱低价格市场竞争，因 此各国纺织业对功能性纺织品的开发越来越重视，磁性纺织品就是其中一种。 磁性纺织品是指通过混纺、涂层等技术将磁性材料与纺织材料结合，使纺织 品产生磁场。这种纺织品与人体经常性的接触可以发挥磁场的医疗保健功能，是 磁场作用于人体很好的途径。但目前对于磁性纺织品磁场检测方面国内外尚无相 关标准，因此，制定相应的测量方法标准，成为迫切需要解决的研究课题。本论 文旨在开发有效的磁性织物微磁场测试实验方法，为制定相应标准提供科学依 据。 本论文首先介绍了磁性纺织产品的现状、功能原理及加工技术，分析了影响 织物表面磁感应强度的因素。 根据磁性织物所产生磁场的特点并结合相关文章的介绍以及实际的测试对 比，选用了霍尔效应测试方法。目前市场上霍尔效应原理的测磁仪种类繁多，本 文通过对影响测量结果准确度的几个主要因素进行分析，选用了适合磁性织物的 测磁仪，针对测磁仪的普通探头在测量织物磁场过程中易产生对位误差及易损 坏，研究了特制的霍尔探头。 使用选购的c h 一1 6 0 0 特斯拉计以及特制的霍尔探头对实验方法进行研究。对 于测试环境以及测试中需要考虑的各种细节问题进行了分析，通过反复的试验， 数据的对比和分析确定了测量结果表达方式和测量位置点数量、试样数量等具体 的试验参数。 根据本实验方法对收集的2 2 种具有代表性的磁性织物以及1 8 种普通织物进 行了测试，通过两类织物之间以及磁性织物内部之间测量结果的对比，对磁性织 物的表面磁场强弱进行了简单的评价。本实验方法能够很好的区分各种织物的表 面磁场强弱，测量结果稳定性和重复性都较好，可应用于实际。 关键词：磁性纺织品；微磁场；实验方法；表面磁感应强度；特斯拉计；标准 a b s t r a c t c u r r e n t l y t oh a v eas p e c i a lf u n c t i o nh a sg r a d u a l l yb e c o m ea ni m p o r t a n td i r e c t i o n f o rm ed e v e l o p m e n to ft e x t i l ep r o d u c t s ，s u c ha sa n t i b a c t e r i a l ，m o i s t u r et r a n s f e r r i n g a 1 1 d q u i c k d r y i n g , f l a m e - r e t a r d a n t t h e s e k i n d so ft e x t i l eh a v eg r a d u a l l y b e e i l r e c 0 星面z e db yc o n s u m e rm a r k e t ，a n dt h et e x t i l es e c t o rh a s a l s oc o n s t i t u t e dn a t i o n a l s t 锄d a r d st od e t e c ：tf u n c t i o n a l i t yo ft h e m f u n c t i o n a l t e x t i l e sn o to n l ys a t i s f yt h e c o n s l 嗽m a r k e tf o rc o m f o r t ，h e a l t h ，s e c u r i t yn e e d s ，b u ta l s oe 1 l l l a n c et h e a d d e dv a l u e a n dg e tr i do fl o w - p r i c ec o m p e t i t i o ni nt h et e x t i l em a r k e t , s o d i f f e r e n tc o u n t r i e sm a k e i i l c r e a s i l l g 铷叩h a s i so nt h ed e v e l o p m e n to f f u n c t i o n a lt e x t i l e s ，a n dm a g n e t i ct e x t i l el s o n eo f t h e m m a 醇e t i ct e x t i l em e a n sc o m b i n i n gm a g n e t i cm a t e r i a l sw i t ht e x t i l e m a t e r i a l sb y b l e i l d i n ga n dc o a t i n gt e c h n o l o g i e s ，s ot h a tt e x t i l ea l o n ec a np r o d u c em a g n e t i c f i e l d m a 阱舐ct e x t i l ec a np l a yh e a l t h c a r ef u n c t i o nt h r o u g hc o n t a c t i n gw i t h t h eh u m a nb o d y r e 鲥砌mi ti sag o o dw a y f o rm a g n e t i cf i e l da c t i n go nt h eh u m a nb o d y b u tm e r e a r e n o t 趴vr e l e v a n ts t a n d a r d sa b o u tt h em a g n e t i cf i e l ds t r e n g t h o fm a g n e t i ct e x t l l e t h e r e f o r e ，m ec o r r e s p o n d i n gm e a s u r e m e n tm e t h o dn e e d st ob ed e v e l o p e du r g e n t l y t h i sp a p e rs e e k st od e v e l o pa ne f f e c t i v em e t h o dt ot e s tt h em a g n e t i c t a b n c t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e st h es t a t u so fm a g n e t i c t e x t i l ep r o d u c t s ，f u n c t i o n p r i n c i p l ea n dp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , t h e nw eg i v e t h ef u r t h e ra n a l y s i so na c t i n g f i 蜘r so ft h ef a b r i cs u r f a c em a g n e t i ci n d u c t i o ni n t e n s i t y a c c o r d i i l gt ot l l e c h a r a c t e r i s t i c so fm a g n e t i cf i e l dp r o d u c e db yf a b r i c a n d i i l t r o d u c t i o no fr e l a t e da r t i c l e s ，a 8w e l la st h ea c t u a lt e s t ，s e l e c th a l l e f f e c tt e s t i n g m e m o d s c u 姐e n t l ym e r e a r em a n yk i n d so fi n s t r u m e n t sb a s e do nt h ep r i n c i p l eo f h a l l e f f e c t w em a k ea n a l y s i so fk e y f a c t o r sa f f e c t i n gt h em e a s u r e m e n ta c c u r a c ya n dt h e n s e l e c tt h es u i t a b l ed e v i c e i ti se a s yt ob r i n gd e d i n a t i o n e r r o ru s i n gt h et r a d i t i o n a lh a l l p r o b ew 1 1 i c hi sa l s oe a s i l yd a m a g e di nt h em e a s u r e m e n tp r o c e s s ，s ow er e s e a r c ha s p e c i a lh a l lp r o b e t h eo p t i o n a lc h 16 0 0t e s l a m e t e ra n dt h es p e c i a lh a l lp r o b e a r eu s e dt os t u d y 也ee x p e r i m e n t a lm e t h o d s ，a n dm a k ea n a l y s i so ft h et e s te n v i r o n m e n ta n dd e t a l l s w h i c hi sn e e dt ob ec o n s i d e r e di nt h em e a s u r e m e n tp r o c e s s ，t h e nd e t e r m i n e t h e d e f i n i t et e s tp a r a m e t e r sb yr e p e a t e dt e s t i n g , c o m p a r s i n ga n da n a l y z i n g a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a lm e t h o d s ，t e s t s a r ed o n et o2 2l d n d s o f 必p r e s a l t a t i v em a g n e t i cf a b r i ca n d18 k i n d so fc o m m o nf a b r i c ，e x p e r i m e n t a lr e s u l t s1 s c o m p a r e db e t w e e nt w ot y p e so ff a b r i ca n da m o n g t h em a g n e t i cf a b r i c s ，a n dt h e nc a r r y o u tas i m p l ee v a l u a t i o no ft h em a g n e t i cf i e l ds t r e n g t ho ft h es u r f a c eo ff a b r i c t h i s e x p e r i m e n t a lm e t h o d sc a nd i s t i n g u i s ht h em a g n e t i cf i e l ds t r e n g t ho f d i f f e r e n tf a b r i c ， s t a b i l i t ya n dr e p r o d u c i b i l i t yo f t h et e s t i n gr e s u l t sa r eg o o d ，t h em e t h o dc a nb ea p p l i e d t ot h ep r a c t i c a l k e y w o r d s ： m a g n e t i ct e x t i l e ；m i c r o m a g n e t i cf i e l d , e x p e r i m e n t a lm e t h o d ；s u r f a c e m a g n e t i ci n d u c t i o n ；t e s l a m e t e r ；s t a n d a r d 2 6 本章小结2 2 第三章霍尔原理测磁仪的选用及探头改装2 5 3 1 测磁仪选用的考虑因素2 5 3 1 1 测量目标磁场特点分析及测量目标参数确定2 5 3 1 2 测磁仪的分辨力2 6 3 1 3 相对测量模式2 6 3 1 4 探头使用寿命2 6 3 1 5 测磁仪的噪声2 7 3 1 6 霍尔元件平面与被测表面的距离2 9 3 2 探头的改装3 1 3 2 1 探头存在的问题3 l 3 2 2 探头的改装3 2 3 3c h 1 6 0 0 特斯拉计改装后测量性能3 4 3 3 1 准确度等级3 4 3 3 2 对织物表磁的测量3 5 3 3 3 噪声值检测3 5 3 4 本章小结_ 3 6 第四章纺织品微磁场测试实验方法研究3 7 4 1 测量环境要求3 7 4 1 1 环境温度要求3 7 4 1 2 环境湿度要求3 9 4 1 3 环境磁场及其它要求4 0 4 2 试验前需要考虑的问题4 0 4 2 1 探头点动测量方式与连续测量方式的比较4 0 4 2 2 织物正反面磁感应强度值的比较4 2 4 2 3 试验平台的要求：厶4 3 4 3 试验中主要内容的研究4 4 4 3 1 织物表面磁场分布特点4 4 4 3 2 测量结果表达方式的确定4 5 4 3 3 随机测量结果和选择性测量结果的比较4 6 4 3 4 测量位置点数量的确定4 7 4 3 5 试样数量的确定4 9 4 4 纺织品微磁场测试实验方法的误差分析5 1 1 4 4 1 仪器误差5 1 4 4 2 环境条件误差5l 4 4 3 人员操作误差5 2 4 4 4 试样误差5 2 4 5 测试步骤5 2 4 5 1r s 一2 3 2 c 串行计算机接口5 2 4 5 2 试样准备5 3 3 4 5 3 测试步骤5 3 4 6 纺织品微磁场测量结果评价5 4 4 7 本章小结5 5 第五章结论与展望5 7 5 1 结论 5 2 展望 参考文献。 附录 致谢 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 现代科技研究表明，磁是人类继阳光、空气和水之后的第四生命之源。人类 世世代代生活在地球磁场中，与其已经形成了一种平衡，人体内的每一部分都存 在着不同程度的微弱磁场。但由于地球磁场的不断损耗，以及现代人长期生活在 钢筋水泥建造的高楼大厦里，屏障地磁不能进入大楼，加上现代化电器的逐渐增 加，使大楼里的人失去了电磁平衡。一般认为磁场的物理能量作用于人体细胞代 谢、血液循环及神经调节等，使其局部微循环得到改善，并加强局部组织营养和 氧供应。 磁性纺织品是指借助于各种不同的技术将磁性材料与纺织材料结合，使纺织 品表面具有磁场。这种纺织品与人体经常性的接触可以发挥磁场的医疗保健功 能，是磁场作用于人体的很好途径。 按照所加载磁性材料形式的不同磁性纺织品大体可分为2 类，第1 类是将磁 片、磁珠或磁条等永磁材料缝制在织物中，属间接磁疗的一种；第2 类是将磁粉、 磁性树脂等永磁材料通过纺丝或后整理的方式加载到织物中。这两类磁性纺织品 有很大的区别，第1 x 由于加载磁片、磁珠等体积较大磁性能较强的磁性材料， 其表面磁场较大，其相关的标准仅有中国保健协会制定的c a s l1 5 2 0 0 5 保健功 能纺织品，其中具体规定此类磁性织物表面磁感应强度应为4 0 - - 11 0 m t 。第2 类由于加载小颗粒磁粉，目前市场上此类织物表面磁场大部分集中在5 m t 以内， 而且部分纤维是模仿地磁场大小开发的，其表面磁场接近地磁场大小( 即 0 0 3 - 0 0 7 m t ) ，对于第2 类磁性纺织品目前国内外尚无相关的标准。 这两类磁性纺织品相比较，第2 类磁性纺织品的表面磁感应强度是第1 类的十 分之一甚至千分之一，磁场较微弱；同时第2 类磁性纺织品所加载的磁粉分散在 整个织物的内部，需测量织物整个表面的磁场大小，而第1 类只需测量所加载磁 片部位的磁场大小。从这两个方面来说，c a s l l 5 - 2 0 0 5 保健功能纺织品中规 定的磁性纺织品表面磁感应强度测量方法不适用第2 类织物。 目前国内外没有相关的资料对第2 类磁性纺织制品的磁场检测方面详细的介 绍。国内天津工业大学功能纤维研究所对磁性纺织纤维做了大量的研究工作，但 研究重点是纤维的加工技术以及物理性能方面，对于磁场检测方面只介绍了使用 的检测仪器是首都师范大学生产的p g 一5 型特斯拉计。通过对国内其它生产企业大 量调研，了解到大部分企业使用录音机磁头改造的测磁仪定性的检测布料有无磁 天津工业大学硕士学位论文 性，无法检测磁场大小，也有部分企业使用磁通表检测布料整体磁力线的多少， 如北京洁尔爽有限公司介绍其生产的磁性纤维织物平均磁通量达n o 3 5 毫韦伯。 中国计量科学研究院也对磁性织物进行定量检测，使用的仪器是验钞机改造的弱 磁分析仪，该仪器检测织物的表面磁感应强度。从以上调研情况可以看出，国内 从研究机构、生产企业到质量检测机构都有各自的检测仪器，磁场检测方法有定 性的和定量的，定量检测的磁场大小参数也不相同有磁通量和表面磁感应强度。 但是目前国内开发加载磁粉或磁性树脂等永磁材料的织物正处于上升态势， 生产磁性纺织制品的厂家越来越多，产品逐渐走进百姓的生活。没有统一的测量 标准，产品生产厂家无法得到准确的测量数据，对于产品真实的防护性能消费者 无从知晓，当出现质量纠纷时，权威机构也无法检测。因此，相关测量方法标准 的制定可以为消费者、生产厂家、质量检测机构提供一个统一、科学的产品质量 标准，从而起到了规范磁性纺织制品市场、保护广大消费者利益的作用。本论文 对适合织物微磁场检测的仪器和方法进行研究，尽量真实客观的反映织物磁场大 小，促进磁性纺织制品的进一步研究以及便于产品间的相互比较，建立科学合理 的测试方法，为标准的制定提供依据。 1 2 磁性纺织品研究进展 利用永磁材料产生的磁场作用于人体在很早就有应用。我国是发现磁现象和 应用磁性材料治疗疾病最早的国家，利用磁石治病的历史可以追溯到两千多年 前，抱朴子中就记载了磁石可以与其它矿石混合煎煮内服治病。在东汉，我 国第一部药学专著神农本草经中记载了磁石的特征和可治疗的疾病。西汉的 神农本草和陶弘景的名医别录中、唐代医学家孙思超在千金方中、 北宋时的何希影在圣惠方中以及明代的医学家李时珍在本草纲目中都对 磁石治病有详细的论述。我国近代对磁石的应用记载很多，1 9 3 5 年出版的中 国医学大辞典中记述了磁石的种类和主治的疾病，1 9 6 3 年出版的中华人民 共和国药典中记载了磁石的重要成分、药物功能和主治疾病。 国外对磁疗的认识也很悠久。公元5 世纪，古罗马医生用磁石治疗痛风、惊 厥等症。公元1 1 世纪阿拉伯医生用磁石治疗肝、脾脏病和秃头。1 5 世纪瑞士医 生用磁石治疗水肿等病。1 9 世纪3 0 年代日本就有了磁椅、磁床及磁表等专利， 苏联在2 0 世纪4 0 年代的卫国战争期间曾利用磁膏贴治疗伤员。 而将永磁材料应用于纺织品中国外在1 9 7 5 年日本j a p a nl i f e 株式会社开 发了磁性功能家纺产品，主要利用磁石和磁条加入到被子、枕头和床之中。2 0 世纪8 0 年代以来，世界上又出现了用于织造的磁性纺织纤维，日本、英国都曾 有报导。在我国，湖南1 9 7 4 年就研制出了磁帽、磁腰带等。近几年，分布在北 2 第一章绪论 京、天津、上海等地区中国多家企业都对磁性纺织纤维进行了大规模的开发生产 【l 】一【3 】 o 1 2 1 磁性纺织品对人体作用的功能原理 磁性纺织产品通过与人体经常性的接触会产生磁场功效。磁性纺织产品的作 用原理有两方面： 1 2 1 1 磁疗 关于磁疗的作用机理医学界还没有形成共识。一般认为，磁场作用于人体后 易于细胞代谢、血液循环及神经调节等。就血液循环来说，作用的物理过程符合 霍尔效应，即带电粒子在磁场中沿着与磁场方向垂直运动时会受到力的作用。由 于人体血液中充满了铁离子和电解质，有很多的带电分子、离子等，当血液在磁 场中运动，这些铁离子和电解质会受到力的作用而产生热，使包含这些铁离子和 电解质的血管扩张，扩张的血管允许更多的血液通过，从而促进了血液循环，并 加强局部组织营养和氧供应，能够改善局部微循环，达到消除背部或关节等各种 疼痛“5 1 。 1 2 1 2 补磁 人类世世代代生活在地球磁场中，与其已经形成了一种平衡，人体内的每一 部分都存在着不同程度的微弱磁场。但由于地球磁场的不断损耗，以及现代人长 期生活在钢筋水泥建造的高楼大厦里，屏障地磁不能进入大楼，加上现代化电器 的逐渐增加，使大楼里的人失去了电磁平衡。如老人们常说的，要常下楼走走去 “接地气 ，就是要改变这种机体失衡状态。通过穿着具有一定微磁场的磁性纺 织品可以对人体进行补磁，调节体内电磁平衡。 有关专利还报导具有一定磁感应强度( 如o 2 m t 一2 m t ) 的磁性纺织产品还具有 防霉、抗菌作用，是一种健康卫生的织物，还可用于医疗绷带，防止伤口感染化 脓等卧引。 1 2 2 磁性纺织产品种类 现在市场上磁性纺织产品主要有以下几种形式： ( 1 ) 将不同形状大小和磁感应强度的磁片缝制在织物中，如图1 1 为不同形状 的磁片，织物一般是普通纺织品，为了加强磁场功效也有用磁性纤维纱加工的磁 性针织物，这种方式属于间接磁疗，产品有磁疗枕、磁疗被和磁疗护膝等。 ( 2 ) 全部由磁性合成纤维织成的纺织品，如图1 2 为磁性丙纶纺织纤维，此类 纺织品存在亲肤性差、透气差、易产生静电的弊端。 3 天津工业大学硕士学位论文 图1 1 磁片 图1 - 2 磁性丙纶纺织纤维 ( 3 ) 加入天然纤维的织物，将天然纤维的透气性、亲肤性好等优点与磁性纤 维的保健功能有机地结合到一起，天然纤维加入的形式有多种，如在棉纤维上通 过粘合剂联接纳米磁性纤维，以及将亚麻纱和磁性纤维为原料采用纬编工艺织造 加工成亚麻磁性纤维织物或通过在棉纱中添加有纳米磁性纤维等四1 引。 将磁性树脂涂到织物的表面，其中磁性树脂是由磁粉加入到合成树脂( 如聚 乙烯) 中制成的，但是这种织物具有脆性，磁性的耐久性差，现在纺织品中很少 使用。 1 2 3 磁性材料的筛选 物体能够吸引铁、钴、镍及其合金等物质的性质称为磁性，具有磁性的物体 叫磁体。地球的核心是由铁、镍熔浆形成的，因此具有磁力。将圆柱形磁体放入 铁屑中，取出后可以看到铁屑在磁铁的两端最多，中间最少，说明磁铁磁性两端 最强，中间最弱。人们把磁性最强的两端称为磁极。磁极分为南极( s 极) 和北极( n 极) 。磁石是一种矿石，主要成分为四氧化三铁，又称磁铁。但磁铁不是磁场的 唯一来源，电流也能产生磁场。这样磁体就可以分为两种，一种为磁铁，另一种 为电磁铁。电磁铁是将铁心插入线圈，再通以电流，在线圈周围产生磁场，使铁 心磁化。通常在纺织品中加载的是永磁材料，永磁材料是人工加工而成的，此种 磁性材料可以产生随时间的变化可以忽略不计的磁场，永磁材料的矫顽力大，磁 性不易消失。 磁铁与磁铁之间、电流与电流之间以及电流与磁铁之间的相互作用，是通过 磁场实现的。即任何的磁铁、电流周围空间里都存在着磁场，它们之间的相互作 用实际上是磁场间的相互作用，是磁场力的具体体现。磁力作用通常是由一定的 磁场作用产生的，磁场的作用范围由磁力的强弱确定。磁体内部由磁极n 极发出， 通过空间进入磁体s 极，之后又在磁体内部从s 级回到n 极，形成封闭的曲线，这 就是磁力线。 通过加载磁性材料使纺织产品具有磁场，因此对磁性材料的筛选很重要。目 4 第一章绪论 前永磁体材料常见的有3 种，其性能详见表1 1 。 表1 1 中的剩磁、矫顽力和最大磁能积是描述磁性材料磁性能的参数。 剩磁是指对磁性材料进行充磁，充磁到磁饱和后去除外磁场( 即载入外磁场 强度为零) ，磁性材料表面的磁感应强度。矫顽力是表征永磁材料抵抗外部 反向磁场或其它退磁效应的能力。最3 v 磁能积是表征永磁材料单位体积对外 产生的磁场中总储存能量的一个参数。在满足相同要求( 磁场的数值和空间范围) 的情况下，最大磁能积大的材料的体积小。一般上述3 个参数越大，磁性材料磁 性能越好。 表1 1 三种永磁材料的性能对比 剩磁矫顽力最大磁能积 类别品种 ( r a t ) ( k a m )( k j c m 3 ) ? 五类磁钢 1 1 5 1 3 0 04 5 4 5 4 12 8 4 0 a l n i c o s 铝镍钴磁钢 八类磁钢 7 8 0 8 8 0 9 5 5 - 1 2 7 3 3 2 4 8 a l n i c o s 钡铁氧体 3 2 0 3 6 61 5 9 1 1 9 1 o1 6 1 9 2 b a f e l 2 0 1 9 永磁铁氧体 锶铁氧体 3 6 0 3 9 02 3 8 7 i 2 6 2 62 4 2 6 4 s r f e l 2 0 1 9 钐钴合金 8 0 0 卜9 5 06 3 6 6 7 5 6 01 2 8 1 6 0 s m c 0 5 铈钴合金 稀土永磁合金5 0 0 6 4 03 6 6 1 4 4 5 66 4 9 6 c e ( c o c u f e ) 5 钕铁硼合金 11 0 0 1 2 0 07 9 5 8 8 7 5 42 4 0 3 2 0 n d l s f e l 7 8 8 由表1 1 中可看出，第1 种铝镍钴磁钢虽然剩磁较好，但矫顽力较低，且不宜 制成薄片很少采用。第2 种永磁铁氧体最大磁能积及剩磁较低，要达到一定的磁 性，其磁体厚度就要增加，但材料资源丰富，价格便宜，有较高的矫顽力，易加 工成型，在磁疗中应用较多。第3 种稀土永磁合金材料磁性能较好，宜做体积小、 磁性要求高的产品，尤其是高科技研制的第3 代钕铁硼磁能积已达4 0 m g s ，是铁 氧体的l o 倍以上，可以用来做各种体积的磁片，但在磁性纤维生产中，由于该 材料的氧化性极差，即高温下会自燃( 一般生产必须在密封的容器充氮后使用) ， 学位论文 对高温纺丝和纺织品加工不利，一般采用多元素复配工艺研制，例如锶铁氧体、 钕铁硼、钐钴合金等经高温防氧处理后和高聚物共聚而成，达到磁性材料的氧化 性、磁性能、与高聚物的相溶性等性能要求n 。磁片或磁珠一般也要经过高温抗 氧化和防锈蚀处理，防锈蚀可以通过树脂包覆，树脂如环氧树脂和聚氨酯树脂等。 1 2 4 磁性纺织纤维的性能与生产 磁性纤维是纤维状的磁性材料，它可以分为磁性纺织纤维和非纺织纤维。磁 性非纺织纤维的研究起步较早，如磁性金属纤维或磁性合金纤维，一般用于制备 复合材料、磁性涂料以及磁记录材料等n 别。磁性纺织纤维兼具磁性与可纺性双重 特点，它的生产技术发展很大程度上决定着磁性纺织产品的发展前景。 1 2 4 1 磁粉粒度和含量 磁粉的粒度对磁性纤维性能影响较大，是磁粉的重要性能指标之一。当磁粉 粒度增加时，磁性纤维充磁后的剩余磁化强度增加，但是磁性纤维的矫顽力将大 幅度下降，磁粉粒度大将使聚合物的致密度下降，引起其它物理性能下降，而且 磁粉大容易引起纺丝时堵塞纺丝孔，不利于纺丝的顺利进行，所以以增加磁粉粒 度来提高纤维的磁性能是不可取的n 引。一般生产中合成纤维的直径为 1 2 8 d t e x ( 约1 0 1 2 1 6 0 1 岬) ，如果要在纤维中混入磁粉，磁粉的粒径应小于纤维 直径的1 4 n 。大部分磁性纤维中磁粉的粒径都小于l i m a ，如日本专利 j k 6 1 8 4 8 0 8 1 9 9 4 和j k 2 2 6 4 0 1 3 1 9 9 0 等。随着磁粉含量的增加，磁性纤维的磁化 强度将增加，但磁粉质量分数不能过高，因为磁粉本身为刚性粒子，不易变形， 加到聚合物中增大了体系内部摩擦力和流动阻力及复合材料的模量，因而导致熔 体粘度上升，从而使熔体流动性能变差n 钔。因此，在保证材料必要的流动性能及 机械力学性能的情况下，尽可能提高磁粉质量分数，从而得到磁性能较理想的纤 维。 1 2 4 2 磁性材料和高聚物的相溶性 根据磁性材料的粒径和体积质量等性能特点，磁粉的凝集成团性较大( 即分 散性差) ，同时为了避免磁粉表面和空气接触受到高温氧化，所以加工时要用合 适的分散剂把磁粉粉末均匀分开，然后用低分子量的树脂将粒径表面包覆起来 ( 如环氧树脂、酚醛树脂等) 。经表面包覆的磁粉与高聚物混合造粒或共聚时就得 到较好的相溶性，确保磁粉不因体积质量比高聚物大而沉淀，进一步影响磁粉的 均匀分布和复合纺丝以及织造等后加工的顺利进行n 。 6 第一章绪论 1 2 4 3 磁性纺织纤维加工方法 从文献和专利报导可知，磁性纤维包括纺织纤维和非纺织纤维，磁性纤维的 制备大致有2 种途径：一是通过直接成形制备磁性纤维，二是通过基体纤维的化 学、物理改性制备n 即。 ( 1 ) 直接成形法 从纤维成形和加工的方法来说，一般包括金属纤维传统制造法、有机金属络 合物分解法和共混纺丝法。其中金属纤维传统制造法和有机金属络合物分解法一 般用来制造磁性金属纤维或磁性合金纤维。 磁性纺织纤维中大量使用的是共混纺丝法。通常将一定粒径的磁性微粒混入 成纤聚合物的熔体或纺丝原液中，经熔纺或湿纺制成磁性纤维。1 9 8 4 年日本帝人 公司在热可塑聚合物中加入高浓度磁粉纺制而成，所用热可塑聚合物有很多种， 如聚酯、聚酰胺和聚烯烃等等，还可以使用橡胶材料口1 。1 9 9 0 年波兰报道了磁性 物质锶铁氧体微粒与聚酰胺共混纺丝制成磁性聚酰胺纤维。日本专利 j k 2 2 6 4 0 1 3 1 9 9 0 糕j ：粒度小于1 血的磁性粒子制成磁性腈纶，j k 6 1 5 8 4 7 3 1 9 9 4 报 道制备芯一鞘型和三明治型2 种磁性复合纤维，前者芯层具有磁性，后者中间层具 有磁性，芯层和三明治型的中间层均采用共混的方法。1 9 9 9 年北京百泉化纤厂的 c n l 2 5 2 4 6 0 中将磁性微粒( 如锶氧体和钡氧体) 按比例与远红外微粒及载体树脂充 分混合制成浓缩母粒后按比例与原料树脂混合经纺丝、充磁制成磁性保健纤维。 2 0 0 3 年天津工业大学的c n l 5 2 6 8 7 3 中将磁粉与抗菌剂与聚合物共混制得磁性抗 菌纤维。 ( 2 ) 基体纤维的化学、物理改性法 以纤维为基体的化学、物理改性法一般包括腔内填充法、表面涂层法和定 位合成法。其中腔内填充法是由于棉纤维有胞腔，可通过物理方法将磁粉微粒填 入棉纤维的胞腔中制成磁性纤维。如将棉纤维浸泡在一定浓度的稀土盐水溶液 中，棉纤维可以吸收铁离子从而具有磁性，选用稀土氯化物是由于它的分子质量 小且水溶性好，如果提前将棉纤维进行丝光处理，还可以提高棉纤维的磁化系数， 这种方法工艺简单，且棉纤维的其它物理性能没有显著的下降n 引。表面涂层法是 指以适当方法将磁性物质涂在各种纤维表面制成磁性纤维，这种纤维可以用于制 造磁性复合材料。定位合成法是利用某些纤维中可进行阳离子交换的基团使亚铁 离子与其发生交换，然后再经过水解和氧化，转化为具有磁性的铁氧体而沉积在 纤维的无定形区中。 1 2 4 4 影响织物表面磁感应强度的因素 除了上述由磁性材料的种类、大小及含量所引起的织物磁感应强度的差异 硕士学位论文 外，由同样的磁片或磁性纤维加工成的磁性纺织产品，其表面磁感应强度也各不 相同，分析其影响因素主要有： ( 1 ) 织物的厚度：加载磁片的纺织产品，覆盖磁片的织物厚度对纺织品表面 磁感应强度影响很大。随着织物厚度的增加，磁感应强度下降很快，例如毛巾厚 度0 2 5 c m 时，毛巾表面的磁感应强度是4 0 m t ，当毛巾厚度增加到1 0 0 c m 时，毛 巾表面的磁感应强度只有2 0 m t n 7 1 。所以在对织物的磁感应强度进行标注时应说 明是织物表面的磁感应强度而不是所加载磁片表面的磁感应强度。由磁性纤维加 工的织物的表面磁感应强度随着样品厚度的增加而增大。可以把多层的纤维看作 是多个单层样品的复合，在同一个磁场中被磁化时，各单层样品获得的磁感应强 度方向一致，大小基本相同。根据磁场叠加原理，多层纤维的磁感应强度为各单 层样品磁感应强度之和，因此，可以利用磁性纤维磁感应强度随样品厚度增加而 增大的特性，加工制作较厚的织物，从而得到磁感应强度更高制品n 羽。 ( 2 ) 充磁：使原来不具有磁性的物体具有磁性叫做磁化，一般常用充磁机进 行磁化，这个过程叫充磁。由新纺丝成型的磁性纤维加工而成的织物并不具有磁 性，只有在经过充磁之后，才会有一定的磁感应强度。当织物的其它条件都相同 时，磁性纤维织物的表面磁感应强度随外加磁场强度的增大而提高，这是由磁粉 粒子本身的特性所致，在磁粉粒子的磁性能达到磁饱和之前，它的磁性能会随着 外加磁场强度的增大而增大，直到磁饱和为止。充磁方式对织物磁感应强度也有 影响，根据磁力线是无头无尾的闭合曲线以及纺织品平面结构的特点，一般有2 种充磁方法：一种是n s 式充磁方法，即织物的正面放上n 电极，反面放上s 电极， 通过高脉冲电压进行充磁；另一种是n s 式充磁方法，即充磁电极在一个平面上， n 极和s 极的间隔距离可根据产品的磁性能要求调节，一般控制在5 - 1 0 m m 之间。 同一种织物2 种充磁形式比较，n s 式充磁磁感应强度h f i n s 高，这是因为n s 式中 每5 m m 间隔中就有n 极和s 极，而n s 式充磁使织物平面的边上形成磁感应流动， 在织物中间的磁场易短路和对销( 在磁感应强度较弱的情况下更易出现) 。在充磁 工艺上，对磁性纤维初生态进行充磁一脱磁一再充磁，这两次充磁工艺可以使纤 维的磁力提高。充磁中也有高温充磁和常温充磁，一般高温充磁后，织物表面磁 感应强度较高，磁性稳定n 。 1 3 课题研究目标和研究内容 1 3 1 研究目标 ( 1 ) 选用适合纺织品微磁场检测使用的测磁仪。 ( 2 ) 建立科学合理的实验测量方法( 包括环境要求、试验参数、试验结果表 8 第一章绪论 达等) ，能够尽量准确的反映织物表面磁场大小，实验测量结果的稳定性和重复 性要好。 ( 3 ) 依据实验测量方法，能够将磁性织物与普通织物区分，对不同的磁性 织物进行磁场强弱评价。 1 3 2 研究内容 ( 1 ) 通过3 个方向来研究适合纺织品微磁场检测使用的测量仪器：查阅文献 了解目前弱磁场的测量方法以及测量仪器；调研磁性纺织纤维研究机构、磁性纤 维生产企业以及电磁检测单位，了解这些机构目前测量织物磁场所使用的测磁 仪；通过对目前国内外市场上所销售的测量仪进行调研、实际测试比较和分析。 经过这三方向的了解后，结合纺织品微磁场的特点，选用测量仪器。 ( 2 ) 使用选用的测磁仪，研究所需的测量环境以及具体的试验参数，摸索方 法，对样品进行初步检测，同时总结，再进行检测样品，直到形成较为科学的试 验方法( 包括试验参数、结果计算和表达等) 。对收集的具有代表性的磁性织物进 行大量试验，通过试验结果的分析比较对织物磁场强弱进行评价。 9 硕士学位论文 o 第二章纺织品微磁场测试方法的研究 第二章纺织品微磁场测试方法的研究 2 1 磁场测量技术发展历程 磁场测量是研究与磁现象有关物理过程的重要手段，其发展有着悠久的历 史。早在2 3 0 0 年前，我国就发明了指南针，其实是最早的磁场测量仪。十六世纪 末期开始应用磁针来研究磁现象和测定地磁场。1 7 8 5 年库仑根据力学原理提出了 利用磁针在磁场中自由振荡周期来测定地磁场的方法。后来高斯又发展了这种方 法，并制成了研究地磁变动的第一个标准磁针仪器。这种以磁一力法原理为基础 的测量仪器虽属经典的方法，但目前在某些地磁测量中仍然沿用这些方法n 引。 1 8 3 1 年英国科学家法拉第发现了电磁感应定律，促进了电工技术的迅速发 展。法拉第的发现把磁现象和电现象联系起来了，它既对磁场测量提出了迫切要 求，又为磁场测量奠定了理论基础。延续至今的电磁感应法，在磁场测量中仍然 占据重要的地位。 本世纪3 0 年代初，出现了利用磁性材料自身磁饱和特性的磁通门磁强计，它 广泛用于地球物理、军事工程、机械工业等领域。例如，最初利用磁通门磁强计 来测量地球磁场的微变和勘探铁矿，后来又大量用于军事探潜和侦察武器等，近 年来更广泛用于控制火箭和人造卫星的姿态以及探测空间磁场、检测磁屏蔽的效 果等。 5 0 年代以来，由于加速器工程、宇航工程和可控热核聚变装置等一些大型的 高科学技术的发展，对磁场测量在空间、时间、形态、准确度等方面都提出了更 苛刻的要求。同时由于这一时期电子技术、半导体等的新发展，为磁场测量仪器 的发展提供了条件。例如，在1 8 7 9 年就已发现的霍尔效应，由于受到材料的限制， 直至1 9 5 9 年才制成第一个商品化的霍尔器件，而到1 9 6 0 年仅一年多时间里就发展 成近百种。到目前为止，霍尔效应磁强计己成为通用型的磁场测量仪器，广泛应 用于测量各种间隙磁场，包括恒定的与交变的各种形态磁场。其它如磁阻效应器 件和磁敏器件等也有很大发展。同时，近年来由于激光和光导纤维技术的发展， 大大提高了利用磁光效应测量磁场的优越性。由于法拉第效应对环境温度变化不 灵敏，因此特别适用于测量超导强磁场和等离子磁场，在高压电线的无接触测量 中也有重要应用。 现代物理学的成就在磁场测量中的应用，有可能用原予内部的参数为基准来 绝对准确地测量磁场。从而彻底改变了经典的磁场测量的概念。两项获诺贝尔物 理学奖金的物理效应的发现，对磁场测量水平的提高具有划时代的意义。其中一 项是：1 9 4 6 年由布洛赫和柏塞尔同时发现的核磁共振现象，使磁场测量的准确度 达到1 0 。6 ；另一项是，1 9 6 2 年英国剑桥大学的研究生约瑟夫逊预言的超导隧道效 应，并于次年得到了实验上的证实，从而使磁场测量的下限达n l o 一2 n l t 。随着 高温超导材料的突破，为超导效应的广泛应用创造了条件心0 j 。 2 2 磁场的分类 ( 1 ) 根据磁场产生的来源 可分为：永磁体磁场和电流磁场两类。能够长期保持其磁性的磁体称永久磁 体，如天然的磁石( 磁铁矿) 和人造磁钢( 铁镍钴磁钢) 等。永磁体是硬磁体，不易 失磁，也不易被磁化。而作为导磁体和电磁铁的材料大都是软磁体。永磁体极性 不会变化，而软磁体极性是随所加磁场极性而变的。电磁场随时间变化的电场产 生磁场，随时间变化的磁场产生电场，两者互为因果，形成电磁场。电磁场包括 直流电磁场和交流电磁场。 ( 2 ) 根据磁场与时间的关系 可分为：恒定磁场和变动磁场两类。其中：恒定磁场或恒磁场又称为静磁场 是指磁场强度h ( 或磁感应强度b ) 不随时间而发生变化的磁场，如铁磁片和通以直 流电的电磁铁所产生的磁场。在变动磁场中，按其随时间变化的规律不同，又分 为交变磁场，脉动磁场和脉冲磁场。磁场强度h 的大小和方向均随时间t 作周期性 交替变化的磁场；只是磁场强度h 的大小随时间t 作周期性变化，而其方向不改变