用于浸渍材料以遮蔽交变电磁场效应的组成物、其在涂布/浸渍纤维和/或多孔基质以及含有该组成物的材料上的应用

技术领域

本发明涉及一种用于浸渍其它材料的组成物，从而使其能够遮蔽交变电磁场效应，包括该组成物用于涂布和修饰建造材料、家具、纺织品、衣服和其它材料。本发明可应用于家用用品，涂布建筑物的结构件和遮蔽电气和电子设备等建造业上。

背景技术

机电、电子、远程技术和信息科技(IT)设备的技术发展以及其迅速增长的应用需要我们分析电场(EF)、磁场(MF)和电磁场(EMF)对人体健康的影响。以下组织参与了这个问题的工作：世卫组织、欧洲委员会：健康和消费者保护，国际非电离辐射防护委员会和IEEE(电气与电子工程师协会)。美国在1940年代快速电气化过程中对健康状况的分析表明，电磁辐射对文明疾病的贡献大于生活方式的实际变化[Medical Hypotheses 74(2010)337]。由于我们不能放弃使用电气设备，唯一的解决方案是遮蔽它们。EF遮蔽的传统材料是基于法拉第笼蔽效应的高导电性的单相材料(金属、碳、导电聚合物及其组合)。放置在聚合物或玻璃内的金属箔和栅格，导电聚合物以及由棉和聚酯制成且编入微米直径的银或不锈钢线的材料系用作为EF遮蔽 [IEEE Trans.电磁兼容性30(1988)187；出处同上30(1988)282]。这些类型的解决方案已在美国专利US 6028266-低频率MF遮蔽和US 6320123-EMF 遮蔽以及电缆遮蔽中揭示。一种新的解决方案是应用多相材料来形成EMF遮蔽复合材料，因为在调控组分相的性能、重量/体积比和连接性时，可以获得具有适合于所欲应用要求的性能的材料[材料科学杂志44(2009)3917；材料科学进展59(2013)183]。

许多专利解决方案与GHz频率范围内的EMF遮蔽复合材料相关。该解决方案尤其在以下专利中揭示：US 3599210、EP 0312333B1、FR 2695760A1、 EP 0420513B1、US 5661484和JP 10013081。对于具有从Hz到GHz的宽范围的EMF遮蔽复合材料，还有其它发明，例如在国际专利申请WO 2002/40799A1、美国专利US 6337125B1、国际专利申请WO 2003031722A1和抛光专利PL 203956中。在国际专利申请WO 2002/40799A1中给出了宽的 EMF遮蔽范围(从Hz到GHz)，其中遮蔽材料使用以水泥、灰泥或石膏为基质的复合材料，其可与各种灰分、渣、微硅粉和石灰石(CaCO₃与混合物)>

国际专利申请WO 2003/031722A1显示由适当地选择可反射电磁波的层和包含导电纤维(例如，长度选择适合吸收电磁波波段的碳纤维)的吸收层所组成的复合材料。

波兰专利PL 203956B1显示从几kHz到2GHz的频带吸收电磁波的材料，其是由具有相对低介电容率的高岭土条纹和具有相对高介电容率的有机极性分子层组成的奈米复合材料。高岭土包装的厚度<1nm，而0.2-2nm极性有机分子层是咪唑层，这是插入高岭土的极性有机分子。

中国专利申请CN 103755333提出了由填充有镁-钡-铝奈米亚铁盐的硅氧橡胶泡沫形式的基质组成的复合材料。在这种情况下，辐射吸收剂是奈米亚铁盐，然而并没有具体说明专利复合材料的遮蔽频率。

波兰专利申请PL 387274提出了一种用于浸渍材料的水溶液以遮蔽具有低频率特性的交变电场。此包括含有可水合的盐，或是含有来自MgCl₂、>3PO₄、CuSO₄以及其它可水合的盐类的可水合的盐混合物的液体，而盐或盐混合物与水的重量比在1:1至1:100的范围内，并且可选地添加从用于对织物进行表面处理的聚合物组群，特别是聚(乙酸乙烯酯)。在本发明之前所示的现有技术的图式示出了使用以1:20比例浸渍有MgCl₂:H₂O水溶液和外加之聚>

通常在低频率范围内使用高电导率的单相材料来对EMF遮蔽，其中该单相材料重、昂贵且通常需要接地。此外，大多数遮蔽材料使用多相系统：可以遮蔽微波带或几kHz到几GHz的EMF的复合材料，连同在Hz-GHz范围内还具有特定遮蔽特性且含有金属网和铁填充物的复合材料(因此需要接地)。继续寻找可以从低频率(亦即10^-2Hz)开始到无线电频率(即高达10⁶Hz>

发明内容

本发明是设计成浸渍其它材料的组成物，因此使得该些材料能够遮蔽交变电磁场效应。该组成物包含可形成水合物的盐的水溶液，或包含盐的组合的水溶液，其中至少一种盐可形成水合物，该组成物的特征在于其含有丙烯酸和/或苯乙烯-丙烯酸分散液和/或硅氧烷乳液和/或增强添加剂，该增强添加剂选自含有表面活性剂和/或铝硅酸盐和硅酸盐和/或可溶性和不溶性钙化合物、金属和类金属氧化物，而交变场被遮蔽至少在10^-2Hz至10⁶Hz的范围内。本发明的组成物优选的特征在于具有界面活性剂，该界面活性剂系选自于由洗涤剂、表面活性剂、乳化剂、两亲体、较佳的消泡剂、分散剂和二醇所成群组的化合物。本发明组成物优选的特征在于，铝硅酸盐和硅酸盐是选自于由膨润土、高岭土和滑石所成群组的化合物。本发明组成物较佳的特征在于，不溶性钙化合物是选自粉状石灰石和白云石所成群组的化合物。本发明组成物优选的特征在于，含有选自含石膏、氢氧化钙和波特兰水泥(Portland>2(MgCl₂·6H₂O)、CaCl₂[CaCl₂·H₂O、CaCl₂·2H₂O、CaCl₂·6H₂O]、>3[NaCO₃·H₂O、NaCO₃·7H₂O、NaCO₃·10H₂O]、LiCl[LiCl·H₂O、LiCl·8H₂O]>3Si₄O₁₀(OH)₂-滑石]，碱性硅酸铝[Al₂Si₂O₅(OH)_4-高岭土，高岭土的主要成分]和膨润土形式的铝硅酸盐，以及钙化合物：石灰粉[>90％CaCO₃]、白云石粉[(Ca，Mg)(CO₃)₂]、石膏[CaSO₄·2H₂O]和波特兰水泥[3CaO·SiO₂(50-65％)、>2(-20％)、4CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃(-10％)和3CaO·Al₂O₃(-10％)]。优选为当可水合盐：水的重量比在饱和溶液中的盐浓度至1：1,000，聚合物：水的比例在1:1至1:2000的范围内，表面活性剂：水的重量比的范围为1:20>

本发明的另一个目的是使用前述组成物来涂布/浸渍纤维和/或多孔基质，其在干燥之后获得EMF遮蔽性质，优选用于涂布或修饰建造、家具、纺织品和衣服等材料。本发明优选的建造材料是底漆、石膏/油漆底漆、油漆、抹灰砂浆，建造中使用的层压板，包括：屋顶膜，特别适用于屋顶和其它应用的蒸气阻隔层压板、透气层压板、涂有遮蔽溶液的箔片和具有遮蔽性能的纺织品。本发明用作纤维材料为纤维素、黏液纤维、聚酯以及其它聚合物不织布、纺织和针织织物，同时使用以下多孔材料：水泥、不同的砖、石膏、灰泥、石膏板、灰泥板、水泥板、OSB和不同商业名称的类似材料、木材、层压板和各种蒸气渗透和蒸气屏障屋顶膜。浸渍有组成物的材料，例如为不织布、纺织或针织材料或建造材料(如水泥、灰泥、石膏板/灰泥板/水泥板、陶瓷材料、砖、硅酸盐块或木质复合材料基质)，其干燥后的EMF吸收材料结合陷在孔洞/奈米孔洞表面上的微米和纳米微滴形式的水以及结合水形式的改质剂颗粒(与形成盐的水合物有关)以及吸收在主体(膨润土)和分散的聚合物颗粒和引入的改质剂颗粒中的水。

本发明的第三个目的是用于建造材料、家具、纺织品或衣服材料的电场遮蔽，其特征在于它包含在本发明的第一目的中定义的组份材料。

本发明的一个重要特征是开发了用于浸渍纤维和/或多孔材料的遮蔽组成物以遮蔽10^-2Hz低频率至无线电频率，即，10⁶Hz范围内的电磁场。该组成物是以下的混合物：一种或多种能够形成水合物的盐的水溶液，聚合物分散液(丙烯酸或苯乙烯-丙烯酸分散液或硅氧烷乳液)和/或改质剂(表面活性剂和/或硅酸盐和铝硅酸盐和/或水溶性和不溶性钙化合物)。包含本发明组成物的材料例如为不织布、纺织或针织材料和/或建造材料例如为水泥、石膏板/灰泥板/水泥板，陶瓷材料/砖，硅酸盐块和/或木材是统计拓扑复合基质(composite>

基质优选具有孔和/或狭缝和/或毛细管。优选的，属于包含纺织品，针织材料，不织布，陶瓷，木材，塑料，建造材料及其各种系统所成群组的复合基质。制造EMF遮蔽复合材料，并对不同的多孔基质进行电场遮蔽试验，而多孔基质例如为浸渍有各种组成的浸渍溶液的陶瓷，不织布和类似材料。研究了基质结构和类型(如孔隙率，重量，亲水性)的效应以及温湿度的效应。根据本发明制造的屏蔽可用于生产用于建造中的不同类型的筛网，例如非织造屋顶、屋顶膜、砖、瓷砖、水泥、砂浆和灰泥、油漆、底漆、油灰或可以直接施加到建筑物墙壁上，以保护活生物体和电子装置免受交变电磁场的影响。遮蔽材料也可以直接用于例如电源插座和电缆。浸渍溶液的另一应用是生产整体床垫。具有由不织布、纺织或针织材料制成的基质的筛网也可用于生产服装、床单、被子、帐篷、睡袋和泡沫垫。本发明的用途不止于保护人体健康和电子设备。本发明可用于保护房间和建筑物免受电子信息泄漏等。

于图式中显示了本发明的实施例，其中图1表示在生产在线生产的箔屏的介电常数的实部和虚部(ε'，ε“)和介电损耗(tanδ)对频率的依赖性；图 2显示了遮蔽效率对各种屏蔽的频率的依赖性；图3显示了12μm厚铝箔形式的屏蔽与含有凝胶以及添加了SiO₂的NH₄Cl和MgCl₂之水溶液的屏蔽的遮蔽效率对频率依赖性的比较；图4显示了遮蔽效率对于27MHz频率下的凝胶屏蔽的电场和磁场分量的依赖性的比较；图5显示了遮蔽效率对含有添加了SiO₂的凝胶NH₄C1和MgCl₂之水溶液的屏蔽与含有另添加的结冷凝胶(gel>3)形式的基质的遮蔽，其由SE＝(E₀-E_e)/E₀百分比(E₀是屏蔽前面的电场强度，E_e是屏蔽后面的电场强度)决定的电场遮蔽效率SE对频率的依赖性比较；以及图7显示了专利申请PL387274中所示发明与本发明的组成物在低湿度环境下的遮蔽比较。

实施例1

为了说明本发明的优点，将其性能与已知解决方案进行比较。作为本发明的典型现有技术，专利申请PL387274中所示的发明如下所示，其中在不超过117℃的温度下用MgCl₂溶液浸渍由聚酯制成的亲水性织物以获得EF遮蔽。以重量比MgCl₂·6H₂O:H₂O等于1:20制备溶液，并加入属于用于对织物进行表面处理的聚合物组群的聚(乙酸乙烯酯)分散液以保持键结的水合物。随后，在排水之后，将织物干燥并保持达到环境湿度-以便将游离水从材料中分离出来。干燥后，织物吸收低频率带电磁波的电信成份。使用Maschek>1至5×10⁴Hz的测量结果在标记为现有技术的图示中示出，示出了使用电场强度计，测量放置在电场强度计和连接到发生器的天线之间的由本发明实施例1制程所获得之改质织物对电场强度的频率的依赖性(参见用正方形标记的测量点的曲线，以及用三角形标记的测量点为未经改质的织物的对照组测量)。图7显示出专利申请PL387274中所示的发明与本发明含有2.2％的>2，另加入20％丙烯酸分散液和5％二氧化硅的组成物在相对湿度为25％至37％的范围内的遮蔽效率的比较。

本发明的实施例在表和图式说明中显示遮蔽效率的测量结果。表和图式说明显示了遮蔽效率(SE)SE＝(E₀-E_e)/E₀(E₀是屏蔽前面的电场强度，>e是屏蔽后面的电场强度)或是遮蔽效率(dB)的测量结果。不同的基质用>2的各种组成物浸渍，然后在24小时后测量遮蔽效率。浸渍基质的干燥时间选择为过长的干燥时间，因为早在10小时，没有观察到SE的变化。在这些实施例中使用的聚合物是分散相：水分比为1:1的分散液。在环境温度下使用Maschek>的频率范围内进行介电测量。表1示出了由在浸渍各种浸渍溶液之后的基质(PE+ CaCO₃)制成的模型壁的遮蔽效率的增加，其中浸渍溶液为：MgCl₂的水溶液，>2水溶液与聚乙烯醇(PVA)分散液的混合物以及MgCl₂水溶液与PVA分散液和各种改质剂的混合物。图式标示现有技术的前四个结果说明波兰专利申请PL387274中所示的发明。与最接近的现有技术相比，取决于所使用的改质剂，遮蔽效率(SE)增加和遮蔽频率范围向着较高频率显著变宽(参见从表1中的第5号开始的结果)，而添加的PVA分散液的20％浓度接近最佳浓度。表1的其它位置显示了改质剂的效果：膨润土、铝硅酸钠、高岭土、钛白、二氧化硅、滑石、石灰粉、白云石粉、消泡剂(硅氧烷油乳液)、分散剂>2水溶液与PVA分散液和各种改质剂(特定百分比浓度的添加剂系以重量百分比表示)的混合物浸渍的聚乙烯(PE)箔与碳酸钙(CaCO₃)>0-E_e)/E₀百分比(E₀是屏蔽前面的电场强度，E_e是屏蔽后面的电场强度)决定的电场遮蔽效率SE。

表1

实施例2

进行与实施例1相同的测试，实施例2说明对于浸渍了MgCl₂水溶液与丙烯酸分散液和各种改质剂的混合物的聚乙烯箔与碳酸钙(CaCO₃)的基质形式的遮蔽物其取决于频率的EF遮蔽效率的测试(表2–显示以MgCl₂水溶液与丙烯酸分散液和各种改质剂(特定百分比浓度的添加剂系以重量百分比表示)的混合物浸渍的聚乙烯箔片与碳酸钙(CaCO₃)形式的基质，其由SE>0-E_e)/E₀百分比(E₀是屏蔽前面的电场强度，E_e是屏蔽后面的电场强度)决定的电场遮蔽效率SE。)。

表2

实施例3

进行与实施例1相同的测试，实施例3说明对于浸渍了MgCl₂水溶液与苯乙烯-丙烯酸分散液和各种改质剂的混合物的聚乙烯箔与碳酸钙(CaCO₃)>2水溶液与苯乙烯-丙烯酸分散液和各种改质剂(特定百分比浓度的添加剂系以重量百分比表示)的混合物浸渍的聚乙烯箔片与碳酸钙(CaCO₃)形式的基质，其由SE＝(E₀-E_e)/E₀百分比(E₀是屏蔽前面的电场强度，E_e是屏蔽后面的电场强度)决定的电场遮蔽效率SE。)。

表3

实施例4

进行与实施例1相同的测试，实施例4说明对于浸渍了MgCl₂水溶液与硅氧烷乳液和各种改质剂的混合物的聚乙烯箔与碳酸钙(CaCO₃)的基质形式的遮蔽物其取决于频率的EF遮蔽效率的测试(表4–显示以MgCl₂水溶液与硅氧烷乳液和各种改质剂(特定百分比浓度的添加剂系以重量百分比表示)>3)形式的基质，其由SE＝(E₀-E_e)>0百分比(E₀是屏蔽前面的电场强度，E_e是屏蔽后面的电场强度)决定的电场遮蔽效率SE。)。

表4

实施例5

进行与实施例1相同的测试，实施例5说明对于浸渍了MgCl₂水溶液与各种改质剂的混合物的聚乙烯箔与碳酸钙(CaCO₃)的基质形式的遮蔽物其取决于频率的EF遮蔽效率的测试(表5–显示以MgCl₂水溶液与各种改质剂>3)形式的基质，其由SE＝(E₀-E_e)/E₀百分比(E₀是屏蔽前面的电场强度，E_e是屏蔽后面的电场强度)决定的电场遮蔽效率SE。)。

表5

实施例6

进行与实施例1相同的测试，实施例6说明对于浸渍了MgCl₂水溶液与各种改质剂的混合物的聚乙烯箔与碳酸钙(CaCO₃)的基质形式的遮蔽物其取决于频率的EF遮蔽效率的结果(表6)。对于以MgCl₂水溶液与各种改质剂(特定百分比浓度的添加剂系以重量百分比表示)浸渍的聚乙烯箔片与碳酸钙(CaCO₃)形式的基质，其各种频率的电场的遮蔽效率系由SE＝(E₀-E_e)/E₀百分比(E₀是屏蔽前面的电场强度，E_e是屏蔽后面的电场强度)来决定。

表6

综上所述，可以在宽范围的场频中获得高效率的EF遮蔽。使用MgCl₂水溶液与苯乙烯-丙烯酸分散液的混合物是非常有效的，而苯乙烯-丙烯酸分散液的添加量必须为～90％(表3)，而硅氧烷乳液即使加入百分比分数就有效(表4)。遮蔽效率和频率范围可藉由添加以下添加物而增加：改质剂，例如百分之几到几十的膨润土、铝硅酸钠、钛白、石灰和白云石粉和滑石粉。随后，如实施例1-7所示，当使用MgCl₂水溶液时，这些添加剂的最佳浓度都取决于基质类型和聚合物分散液的类型。

实施例7

按照表7中示出的比例，向粉末状氯化镁六水合物中加入松散的建筑材料(增加遮蔽范围)。使用以下材料：合成石膏、天然石膏、水泥和熟石灰，并粉碎以获得均匀的粉末混合物。将水加入到混合物中以获得合适的稠度，并将混合物用于涂布25g/m²基本重量的不织聚丙烯基质。干燥后，获得EF>0-E_e)/E₀百分比(E₀是屏蔽前面的电场强度，E_e是屏蔽后面的电场强度)决定。

表7

实施例8

将以下组成物的浸渍溶液：2.2％MgCl₂水溶液与20％PVA分散液和0.3％添加膨润土的混合物涂布至市售的建筑材料，其形式为：

a)石膏板，

b)石膏墙，

c)OSB板。

浸渍和干燥板的测量的遮蔽效率在表8中的特定值，示出了由于市售的板形式的建筑材料在浸渍2.2％MgCl₂水溶液与20％PVA分散液和0.3％添加膨润土的混合物之前和之后，在50Hz频率下的电场强度降低。

表8

实施例9

开发了生产在线生产的用于保护大型表面(大型设备，睡眠场所)的抗低频率EF(高达约20kHz)的箔片遮蔽物。将25g/m²基本重量的聚丙烯不织布从水平放置的捆包中连续展开，在室温下将其拖曳通过含有浸渍溶液的浴，使用轧制机压制，并在95℃下干燥(距离5米处0.5分钟)并缠绕在轧辊上。该浴含有2.2％MgCl₂水溶液与20％PVA分散液和添加0.5％的膨润土及0.1％的二氧化硅的混合物。与未改质的不织布的基本重量相比，改质的不织布的基本重量增加了30％。随后，用聚乙烯薄膜在不织布两侧进行另一种处理，包括热浸(hot>-2Hz至10⁷Hz的低频率范围内呈现介电损耗(tanδ>1)。屏蔽箔的遮蔽效率对频率的依赖性可由图2中标有数据点的曲线表示。

实施例10

开发了用于保护大型表面的抗低频率EF(高达约20kHz)的遮蔽层压板。使用以下物质：添加了0.5％膨润土和0.1％二氧化硅的2.2％MgCl₂水溶液、>2箔片16g。层压板的EF遮蔽效率对频率的依赖性可由图2中标有数据点的曲线表示。

实施例11

使用以下物质开发了用于保护大型表面的抗低频率EF(高达约20kHz) 的遮蔽地板垫：添加了0.5％的膨润土、0.1％的二氧化硅和0.3％的高岭土的 2.2％MgCl₂水溶液、20％PVA分散液和3％丙烯酸胶的混合物。将胶喷涂在>2箔片5g。所获得的材料吸收EMF的电信成份，可由图2中标有数据点的曲线表示。

实施例12

使用以下物质制备遮蔽油漆：2.2％MgCl₂水溶液、20％PVA分散液和>2)涂在多孔箔片上，该多孔箔片系由含有碳酸钙夹杂物(用以模拟墙壁)的聚乙烯制成。干燥后，涂上底漆的箔片可遮蔽低频率EF，如表9所示，对于涂有遮蔽底漆的聚乙烯箔片与碳酸钙(CaCO₃)形式的基质，其各种频率的电场的遮蔽效率SE系由SE＝(E₀-E_e)>0百分比(E₀是屏蔽前面的电场强度，E_e是屏蔽后面的电场强度)来决定。

表9

实施例13

开发了一种凝胶高频EMF屏蔽，以遮蔽核磁共振(NMR)和电子顺磁共振(EPR)的设备。屏蔽使用以7％二氧化硅、5％NH₄Cl、5％MgCl₂和1％铝-硅酸钠在水性基质上生产的封装气密凝胶。图3显示出放置在两个聚(氯乙烯)(PCV)箔片之间的凝胶的衰减效率的频率特性，两个聚(氯乙烯)(PCV)>

实施例14

开发了一种凝胶高频EMF屏蔽，以遮蔽核磁共振(NMR)和电子顺磁共振(EPR)的设备。屏蔽使用以结冷凝胶、二氧化硅、氯化铵和氯化镁在水性基质上生产的封装气密凝胶。图5显示出放置在两个聚(氯乙烯)箔片之间的凝胶与添加物的SE的频率特性，两个聚(氯乙烯)箔片之间放置了不织布以保持固定的屏蔽厚度。凝胶层的厚度为1mm。表10和表11显示使用不同填料的相同基质的屏蔽的EF屏蔽效率比较。表10比较了使用浸渍有各种浸渍溶液的聚乙烯(PE)箔与碳酸钙(CaCO₃)形式的基质的屏蔽的50Hz>2水溶液与各种改质剂的聚丙烯不织布的遮蔽效率。

表10

表11