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镍基复合涂料的工频电磁场屏蔽效能研究

时间:2018-03-04 15:10:50    来源:互联网整理    作者:匿名  浏览次数:
[导语]   摘 要:以羰基镍粉和水性清漆为主要原料,制备出针对工频电磁场的屏蔽涂料,对该涂料制备的样品进行现场屏蔽效能实验研究,结果表明,羰基镍粉加入水性清漆制备的屏蔽材料对工频电磁

摘 要:以羰基镍粉和水性清漆为主要原料,制备出针对工频电磁场的屏蔽涂料,对该涂料制备的样品进行现场屏蔽效能实验研究,结果表明,羰基镍粉加入水性清漆制备的屏蔽材料对工频电磁场具有较高的屏蔽性能,材料屏蔽性能随羰基镍粉含量的增加呈先增加后降低的关系,其中该材料对环境中工频电场的屏蔽效能最高可达62.5dB,对工频磁场的屏蔽效能最高可达2.8dB。

关键词:工频电磁场 羰基镍粉 复合涂料 屏蔽效能

中图分类号:TM24 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2017)11(a)-0101-03

工频是指频率为50Hz或60Hz的交流电频率。随着时代的不断发展进步,社会上用电设施也不断增加,变电站、高压输电线充斥着城乡的各个角落,各种各样的电器设备也遍布人们日常生活的每个地方,这些电力设施和电器设备在方便我们生活的同时,也会给各种仪器设备和人体健康带来一定的不利影响。一方面低频磁场会对精密电子设备产生干扰[1],从而影响设备的正常运行甚至带来安全事故;另一方面,低频磁场可能会对人体健康造成一定的危害,研究表明,低频磁场可引起DNA断裂、miRNA表达显著改变,同时对男性生殖健康及遗传效应具有一定的相关性[2-4]。国际癌症研究机构(International Agency for Research on Cancer,IARC)发表了一篇专著[5],将极低频的电磁辐射列为可疑致癌物,认为儿童平均接触超过0.3~0.4μT的住宅工频磁场,会使患白血病的概率增加两倍;根据我国现行电磁环境控制标准规定[6],公众在环境中的工频暴露限值为电场4kV/m,磁场为100μT。如何有效降低工频电磁场对生产生活带来的不利影响一直是科研工作者致力解决的问题。

镍是日常生活中比较常见的金属,由于其具有良好的铁磁性和抗腐蚀性能,是电磁屏蔽领域中的主要材料之一。通过在水性涂料中加入羰基镍粉,可以在有效降低工频电磁场的同时,防止因为有机溶剂带来的甲醛、苯等挥发性有机物带来的二次污染。本文研究了不同重量配比的微米级羰基镍粉加入同样体积的水性清漆及自來水制备的屏蔽材料在工频电磁环境中的屏蔽效能。

1 材料与方法

1.1 材料

镍基电磁屏蔽涂料主要用到的原料有如下3种:微米级羰基镍粉:粒度<3.8μm,纯度>99%,水性清漆,自来水。

1.2 样品制备

将10g、20g、30g、40g、50g、60g重量的羰基镍粉分别加入40mL水性清漆中混合,然后将混合的样品置于高速搅拌机中以1500r/min的速度搅拌20min,再加入10mL自来水以1000r/min的速度搅拌10min后即制得工频电磁场屏蔽涂料。

将制备好的电磁屏蔽涂料以刷涂的方式分别涂于壁厚为1cm、外部尺寸为20cm×20cm×20cm一端开口的正方体木箱内表面,如图1所示。放置于室内通风处自然干燥固化。

1.3 性能测试

屏蔽效能的测试:现场测量的位点为距变电站围墙外5m、高1.5m处进行屏蔽性能测试。所用仪器为意大利PMM8053B电磁辐射分析仪,所用探头为EHP-50C,其测量频率为5Hz~100kHz,量程为电场0.01V/m~100kV/m,磁场1nT~10mT。测试时,先将探头放于测量位点测量未加任何材料的工频电磁场本底值,然后在同样的位置将测量探头分别放置于未加屏蔽涂料的空木箱和涂有含不同质量分数羰基镍粉电磁屏蔽涂料的木箱中测量其屏蔽值。

数据读取:电磁辐射分析仪开机后,待其实时值变化相对稳定时,以6s每次的速度读取6个实时值,取其平均值作为电磁场强度值。

为了描述和分析屏蔽材料的屏蔽效果,通常采用屏蔽效能(Shielding Effectiveness,SE)表示屏蔽材料对电磁场的屏蔽能力和效果,其单位为分贝(dB)。对于低频电磁场,由于电磁波波长较长,测量所处位置处于近场区,电场和磁场具有各自不同的大小和特性,因此其屏蔽效能的定义也不同。其定义如下[7]。

电场屏蔽效能:不存在屏蔽体时某处的电场强度E0与存在屏蔽体时同一处的电场强度Es之间存在如式(1)的关系:

SEE=20lg (1)

磁场屏蔽效能:不存在屏蔽体时某处的磁场强度H0与存在屏蔽体时同一处的磁场强度Hs之间存在如式(2)的关系:

SEH=20lg (2)

对于磁屏蔽效能,由于磁场强度H与磁感应强度B之间存在关系:B=μH,其中μ为磁导率,空气中磁导率为常数,故式(2)可以改写为:

SEH=20lg (3)

通过比较本底、空木箱及不同含量镍粉制备涂料的电磁场强度变化可以得出镍基复合涂料对工频电磁场的屏蔽效能。

2 结果与讨论

距变电站外墙5m,高1.5m处工频电磁场在不加屏蔽、加上空木箱以及不同含量羰基镍粉时强度变化见表1。

从表1可以看出,加上空木箱和涂有屏蔽涂料的木箱后,同一位置的电磁场强度都出现了很大程度的降低。同时,电场强度降低的程度远大于磁场强度降低的程度。一方面是因为镍粉本身磁导率并不是很高,并不能为低频磁场提供特别大的磁通路;另一方面,由于木箱有一端开口,并没有形成完全密封,因此会存在很大程度的电磁泄露,从而影响屏蔽效果。

将表1所测得数据分别带入式(1)和式(3)可以分别求得不同条件下该位置的电磁屏蔽效能,其结果如图2所示。

由图2可以看出,镍基电磁屏蔽材料的屏蔽效能相对于对照材料(空木箱)不论在工频磁场还是电场都有了显著提高。从复合涂料中镍的含量来看,随着镍含量的增加,工频电磁场的屏蔽效能都出现了先增加后降低的趋势。其中,当镍粉质量与水性清漆以及水的体积之比为2∶4∶1时,电场和磁场的屏蔽效能达到最高。其原因主要是因为工频场为感应场,材料具有良好的导电和导磁性能是屏蔽低频电磁场的关键。当涂料中镍含量太低时,镍粒子间相互没有接触形成导电或导磁通路,此时材料对电磁辐射的屏蔽效能起主要作用的是隧道效应[8],但效率很低。当涂料中镍的含量达到一定值时,镍粒子相互接触形成完整的导电和导磁网格,此时工频电场将通过感应作用而导出,工频磁场则因为屏蔽材料提供的低磁阻的磁通路而导出,从而达到较好的屏蔽效果。当涂料中的镍含量继续增加,此时,由于导电导磁网格已经完全形成,所以其屏蔽效能不会继续增加,同时,由于镍含量的增加,其在涂料中的分散性会受到一定的影响,会造成镍粉的分散不均匀,使得部分成膜区域镍粒子堆积,而部分成膜区域镍粒子不足而影响导电导磁网格的完整性,最终使得材料的屏蔽效能出现了一定程度的降低。endprint

3 结语

(1)通过在水性清漆中加入羰基镍粉和自来水制备的屏蔽涂料对环境中工频电磁场具有一定的屏蔽效能,其中,对工频电场的屏蔽能力远远大于对工频磁场的屏蔽能力。

(2)涂料屏蔽效能随镍粉含量的增加呈先增长后降低的趋势,当镍粉质量与水性清漆及自来水体积之比为2∶4∶1时,其屏蔽效能最好,其中对工频电场屏蔽效能为62.5dB,对工频磁场的屏蔽效能为2.8dB。

参考文献

[1] 干喆渊,王延海,张建功,等.应用磁环抑制输电线路短波频段无源干扰[J].高压电技术,2017,43(5):1722-1728.

[2] Yong Liu,Wen-bin Liu,Kai-jun Liu,et al. Extremely low-frequency electromagnetic fields affect the miRNA-mediated regulation of signaling pathways in the GC-2 cell line[J]. PLos One,2015,10(10):e0139949.

[3] Weixia Duan,Chuan Liu,Hongjuan Wu,et al.Effects of exposure to extremely low frequency magnetic fields on spermatogenesis in adult rats[J].Bioelectromagnetics, 2013,35(1):58-69.

[4] Yong Liu,Wen-bin Liu,Kai-jun Liu,et al. Effect of 50 Hz extremely low-frequency electromagnetic fields on the DNA methylation and DNA methyltransferases in mouse spermatocyte-derived cell line GC-2[J].Biomed Res Int,2015(9):237183.

[5] IARC Working Group on the Evaluation of Carcinogenic Risks to Humans.Non-ionizing radiation, Part 1: Static and extremely low-frequency(ELF) electric and magnetic fields[J].Scandinavian Journal of Work Environment & Health,2002,28(4):285.

[6] GB 8702-2014,電磁环境控制限值[S].

[7] 刘顺华,刘军民,董星龙,等.电磁波屏蔽及吸波材料[M].北京:化学工业出版社,2007.

[8] 张松,潘晓艳,李永,等.水性镍系电磁屏蔽涂料导电与屏蔽效能研究[J].兵器材料科学与工程,2009,32(3):63-64.

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