復(fù)合材料遠(yuǎn)紅外特性分析測(cè)試技術(shù)綜述

遠(yuǎn)紅外竹炭材料的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)李文珠1章敏1閆國(guó)祺1張文標(biāo)1程輝武2（1浙江農(nóng)林大學(xué)工程學(xué)院，浙江臨安311300；2衢州民心炭業(yè)有限公司，浙江衢州324000）摘要：結(jié)合紅外線產(chǎn)生的機(jī)理，簡(jiǎn)述了遠(yuǎn)紅外材料種類和應(yīng)用、竹炭遠(yuǎn)紅外材料的研究發(fā)展概況。為竹炭及其復(fù)合材料的遠(yuǎn)紅外功能評(píng)價(jià)體系和性能檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的建立提供理論參考。關(guān)鍵詞：紅外線；竹炭；復(fù)合材料；遠(yuǎn)紅外功能；性能檢測(cè)1、遠(yuǎn)紅外線產(chǎn)生機(jī)理太陽(yáng)光發(fā)射的能量包含紫外線（5%），可見光（40%）和紅外線（55%）。紅外光區(qū)又可分為：近紅外(0.76～2.5μm)、中紅外(3～5μm)和遠(yuǎn)紅外(8～14μm)。紅外線產(chǎn)生的機(jī)理是，任何物體只要溫度高于絕對(duì)溫度零度（-273℃），它們的分子就有熱運(yùn)動(dòng)，伴隨著這種分子的熱運(yùn)動(dòng)，物體就向外輻射波長(zhǎng)不等的紅外線。根據(jù)基爾霍夫輻射定律可知，任何良好的輻射體必然是良好的吸收體。任何有溫度的物體都會(huì)放射遠(yuǎn)紅外線，如水、高分子物質(zhì)、有機(jī)物質(zhì)等受到遠(yuǎn)紅外輻射時(shí)，都會(huì)吸收遠(yuǎn)紅外線。遠(yuǎn)紅外線產(chǎn)品基本波長(zhǎng)的選擇相當(dāng)重要，使產(chǎn)品放射出來(lái)的波長(zhǎng)與放射對(duì)象物體的吸收波長(zhǎng)一致（即光譜匹配），才能產(chǎn)生共振效應(yīng)，這是產(chǎn)品好壞的關(guān)鍵所在。人體體溫大約在37℃左右，據(jù)維恩位移定律的關(guān)系式：λmT=2.8976×10-3m·K（其中λm為最大單色輻射力的波長(zhǎng)，T為物體的絕對(duì)溫度，K為常數(shù)）可知，人體所發(fā)射的熱輻射的主波長(zhǎng)在10μm左右。也就是說(shuō)8～14μm與人體發(fā)出的紅外線處于同一波段范圍，易被人體吸收，對(duì)人體有遠(yuǎn)紅外理療保健作用[1，2]。2、遠(yuǎn)紅外材料的應(yīng)用紅外技術(shù)應(yīng)用最早是20世紀(jì)30年代，在美國(guó)得到迅速發(fā)展。到20世紀(jì)70年代后，在日本得到進(jìn)一步的推廣應(yīng)用。近年來(lái)，隨著紅外技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)能放射出特定波長(zhǎng)遠(yuǎn)紅外線的功能材料的研究逐漸成為熱點(diǎn)，紅外技術(shù)逐漸延伸到加熱干燥、醫(yī)療保健、水處理和紅外紡織等方面。常用發(fā)生遠(yuǎn)紅外線的材料有：生物炭（高溫竹炭、備長(zhǎng)炭、竹炭粉、竹炭纖維以及制品等）、電氣石、遠(yuǎn)紅外陶瓷及其制品等。主要遠(yuǎn)紅外產(chǎn)品有遠(yuǎn)紅外浴箱、遠(yuǎn)紅外輻照器、遠(yuǎn)紅外健身器、頻譜治療儀、能量康復(fù)器、遠(yuǎn)紅外織物、遠(yuǎn)紅外日用陶瓷、遠(yuǎn)紅外化妝品、遠(yuǎn)紅外保健膏等一系列遠(yuǎn)紅外醫(yī)療保健產(chǎn)品［3］。研究表明，具有遠(yuǎn)紅外性能的物質(zhì)主要是遠(yuǎn)紅外陶瓷，具有遠(yuǎn)紅外輻射性能的陶瓷粉體稱為遠(yuǎn)紅外陶瓷粉體［4］。遠(yuǎn)紅外陶瓷材料已廣泛用于工業(yè)、環(huán)保、健康等方面，產(chǎn)品涉及塑料、紡織、造紙、服裝、醫(yī)療器械和陶瓷等領(lǐng)域。如紅外陶瓷加熱器可應(yīng)用于許多行業(yè)的加熱、干燥。遠(yuǎn)紅外陶瓷材料還可以用于水凈化處理，水是良好的紅外線吸收體，其吸收波段主要在5～8μm，遠(yuǎn)紅外陶瓷材料在常溫下具有較高的紅外發(fā)射率，發(fā)射的紅外線可以被水吸收，使水分子集團(tuán)之間結(jié)合力較弱的分子間力被切斷，大分子集團(tuán)變成小分子集團(tuán)，水的密度增加，活性提高，pH值提高，水呈弱堿性。各種遠(yuǎn)紅外陶瓷材料也廣泛用于生體保健，有外熱源型，如紅外理療帶、紅外暖手爐、紅外暖腳器等；還有無(wú)熱源型，如紅外護(hù)膝、紅外床單、紅外內(nèi)衣、枕頭等紡織品類。遠(yuǎn)紅外陶瓷材料還用于燃油活化、綠色建材和偽裝隱身技術(shù)等［5］。基金項(xiàng)目：浙江省科技廳分析測(cè)試科技項(xiàng)目（2009F70029），國(guó)家農(nóng)業(yè)成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目（2010C20029）作者簡(jiǎn)介：李文珠，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，從事木材科學(xué)與技術(shù)專業(yè)分析檢測(cè)。E-mail：lwz@。章敏，2008級(jí)木材科學(xué)與工程專業(yè)本科生；閆國(guó)祺，2010級(jí)木材科學(xué)與工程專業(yè)研究生。電氣石又稱碧璽，結(jié)晶完好的電氣石長(zhǎng)期被作為寶石礦物加以利用。由于其固有的壓電性、熱釋電性、紅外輻射和誘生負(fù)離子的特性，電氣石在新材料和環(huán)保領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，成為近年健康環(huán)保多功能材料的研究熱點(diǎn)［6］。同濟(jì)大學(xué)楊如增等對(duì)天然黑色電氣石紅外輻射特性研究表明，黑色電氣石粉料具有較高的法向紅外比輻射率值，與市場(chǎng)上遠(yuǎn)紅外陶瓷粉料的發(fā)射率比較，平均約高出1%~2%，50℃時(shí)法向比輻射率0.92~0.94［7，8］。3、竹炭遠(yuǎn)紅外研究現(xiàn)狀竹炭和電氣石目前被認(rèn)為是兩種遠(yuǎn)紅外比輻射率較高的天然材料，遠(yuǎn)紅外發(fā)射率大多在0.85以上。遠(yuǎn)紅外輻射竹炭及其復(fù)合材料就是以竹材經(jīng)高溫煅燒得到能放射出特定波長(zhǎng)遠(yuǎn)紅外線的竹炭為原料制得了各種新產(chǎn)品。2004年華東理工大學(xué)上海華力索菲科技有限公司研制出竹炭纖維，經(jīng)國(guó)家權(quán)威部門檢測(cè)，在人體正常波長(zhǎng)范圍內(nèi)遠(yuǎn)紅外輻射率和正常具有遠(yuǎn)紅外功能纖維的輻射率相當(dāng)，具有遠(yuǎn)紅外保健功能。浙江紡織服裝科技有限公司沈國(guó)先等，將竹炭加工成超細(xì)粉體，與高分子聚合物共混紡絲形成竹炭纖維，利用竹炭有較高的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率，開發(fā)了竹炭保健內(nèi)衣、竹炭保健涼席、竹炭保健毯和竹炭保健床品等，將灰黑色的竹炭纖維混紡紗用在面料里層，與外層流行色紗線交織，使接近于體表的竹炭纖維能充分發(fā)揮保健效果［9，10，11］。臺(tái)灣工業(yè)研究院（ITRI）和紡織研究院（TTRI），利用竹炭的超強(qiáng)吸附性和遠(yuǎn)紅外蓄熱保暖等功能和作用，合作開發(fā)出系列竹炭紡織保健制品［12］。浙江大學(xué)郭興忠，以竹炭和電氣石為原料，采用機(jī)械共混及高溫?zé)芍苽淞司哂休^高遠(yuǎn)紅外比輻射率竹炭/電氣石復(fù)合遠(yuǎn)紅外材料［13］。利用竹炭的高吸附性吸濕除臭、阻隔有害電磁波、釋放負(fù)離子、含遠(yuǎn)紅外溫?zé)嵝Ч裙πВ裉吭诩徔椘分械拈_發(fā)應(yīng)用，使傳統(tǒng)紡織品檔次提升，成為健康性功能產(chǎn)品［14］。浙江農(nóng)林大學(xué)張文標(biāo)等進(jìn)行了不同炭化溫度竹炭、不同竹齡竹炭、竹炭復(fù)合物的紅外發(fā)射率的研究，結(jié)果表明他們之間的發(fā)射率是有差異的[1]。南京林業(yè)大學(xué)周建斌認(rèn)為竹炭具有產(chǎn)生遠(yuǎn)紅外線的功能，主要與竹炭本身所具有的接近于由五元環(huán)和六元環(huán)所組成的洋蔥狀富勒烯（C60）和展開碳納米管結(jié)構(gòu)和特殊孔隙結(jié)構(gòu)形狀有關(guān)，也與竹炭表面官能團(tuán)產(chǎn)生的能及躍遷和分子的基團(tuán)振動(dòng)、分子轉(zhuǎn)動(dòng)及晶格振動(dòng)有關(guān)[15]。4、遠(yuǎn)紅外性能檢測(cè)技術(shù)根據(jù)紅外輻射的特點(diǎn)，即濕度愈高輻射的能量愈大，輻射的波長(zhǎng)愈短，300-500K（27-227℃）溫度對(duì)應(yīng)的峰值輻射波長(zhǎng)在5.8-9.6μm之間，即對(duì)應(yīng)的表面輻射能量主要在8-14μm波段光譜區(qū)。臺(tái)灣工業(yè)研究院（ITRI）曾對(duì)竹炭顆粒遠(yuǎn)紅外輻射進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在36℃下，竹炭顆粒粒徑越小，遠(yuǎn)紅外輻射率越高，粒徑為35-46μm的竹炭粉，遠(yuǎn)紅外輻射率可高達(dá)0.85，而納米級(jí)別的竹炭微粒遠(yuǎn)紅外輻射率可超過(guò)0.9［11］。浙江農(nóng)林大學(xué)張文標(biāo)等將竹炭樣品經(jīng)研磨粉碎過(guò)篩后，顆粒粒徑為0.125～0.160mm，采用中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研制的IRE-2型紅外輻射測(cè)量?jī)x測(cè)量竹炭的比輻射率，竹炭具有較高的紅外比輻射率，在人體極為有利的遠(yuǎn)紅外線的波長(zhǎng)范圍(8.00～14.00μm)內(nèi)達(dá)到0.888～0.900，證明竹炭微粒的遠(yuǎn)紅外輻射效應(yīng)在人體保健方面將具有很大的應(yīng)用價(jià)值［1］。法向全輻射率是衡量物體向外輻射紅外能量的能力。根據(jù)國(guó)家紅外及工業(yè)電熱產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心提供的數(shù)據(jù)及測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)4～16μm波段的測(cè)試結(jié)果大于0.8，即法向輻射率大于0.8時(shí)，被測(cè)的產(chǎn)品就具有遠(yuǎn)紅外發(fā)射功能。參照中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《CAS115—2005保健功能紡織品》中遠(yuǎn)紅外產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試竹炭中空滌綸混紡針織物遠(yuǎn)紅外發(fā)射率，在25℃常溫條件下，用IR-1型發(fā)射率測(cè)量?jī)x測(cè)試織物遠(yuǎn)紅外發(fā)射率，波長(zhǎng)范圍為8~14μm，法向發(fā)射率為88.9%。在室溫條件下長(zhǎng)絲織物的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率為89%，具有顯著的遠(yuǎn)紅外保健功效［16,17,18］電氣石的遠(yuǎn)紅外輻射率的測(cè)試，采用中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理所研制的IR-1型紅外輻射測(cè)量?jī)x測(cè)量，檢測(cè)溫度為25℃。用美國(guó)NICOLET公司生產(chǎn)的5DX傅立葉變換紅外光譜儀及其光譜比輻射率測(cè)量附件進(jìn)行電氣石紅外發(fā)射率研究［19,20,21］劉維良等對(duì)遠(yuǎn)紅外陶瓷粉體的法向全輻射發(fā)射率的測(cè)試，采用法向全輻射發(fā)射率檢定校準(zhǔn)系統(tǒng)，按NIM-06-03-2000操作規(guī)范，測(cè)定遠(yuǎn)紅外陶瓷粉體材料的法向全輻射發(fā)射率,用于標(biāo)準(zhǔn)黑體法向全輻射亮度比較方法測(cè)量；比較用紅外輻射計(jì)響應(yīng)波長(zhǎng)范圍為2-18μm，樣品溫度為80℃，量值可溯源到常溫黑體輻射標(biāo)準(zhǔn)。竹炭遠(yuǎn)紅外特性研究的展望竹炭的遠(yuǎn)紅外功能開發(fā)越來(lái)越廣泛，但是目前還沒(méi)有一種有效的竹炭遠(yuǎn)紅外檢測(cè)方法和評(píng)價(jià)體系，致使越來(lái)越多的商家夸大竹炭的遠(yuǎn)紅外性能，蒙蔽消費(fèi)者以攫取最大利潤(rùn)的情況時(shí)有發(fā)生。通過(guò)以上對(duì)紅外線產(chǎn)生機(jī)理和竹炭遠(yuǎn)紅外材料的應(yīng)用概述，需要探尋一種標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試方法來(lái)檢測(cè)竹炭遠(yuǎn)紅外性能，得出一個(gè)確定的評(píng)價(jià)體系來(lái)衡量遠(yuǎn)紅外功效提供理論參考。竹炭遠(yuǎn)紅外輻射率測(cè)量的精度和可靠性與很多因素有關(guān)。從原料方面考慮有不同竹種、不同生產(chǎn)工藝、不同的表面狀況和不同的顆粒度等因素；從測(cè)試條件和方法考慮有，不同的測(cè)試溫度、不同的波長(zhǎng)、不同的測(cè)試距離和不同的樣品形狀等。因此，必須對(duì)測(cè)量方法和影響因素做系統(tǒng)的對(duì)比分析，確定合理的測(cè)量參數(shù)，保證測(cè)量結(jié)果的精度和可靠性。基于竹炭較高的遠(yuǎn)紅外輻射率，進(jìn)一步改進(jìn)竹炭的加工處理技術(shù)，并開發(fā)功能型復(fù)合材料，使竹炭及其產(chǎn)品同時(shí)具備抗菌、抗紫外線和釋放負(fù)離子等功效，擴(kuò)大竹炭的應(yīng)用領(lǐng)域，提高產(chǎn)品的附加值。參考文獻(xiàn)張文標(biāo)，李文珠.竹炭的紅外輻射特性［J］浙江林學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，25（5）573-577.陳衡.紅外物理學(xué)［M］北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1985：1-28.何登良，董發(fā)勤，劉家琴等.遠(yuǎn)紅外功能材料的發(fā)展與應(yīng)用［J］功能材料，2008，5（39）：709-716.劉維良，陳云霞.納米遠(yuǎn)紅外陶瓷粉體的制備工藝與性能研究［J］中國(guó)陶瓷，2002，38（1）：10-14.馬桂紅，魏美玲.遠(yuǎn)紅外陶瓷材料的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)［J］山東陶瓷，2009，32（3）：22-24李雯雯，吳瑞華，董穎.電氣石紅外光譜和紅外輻射特性的研究［J］高校地質(zhì)學(xué)報(bào)，2008，14（3）：426-432.楊如增，徐禮新，楊滿增等.2002a.黑色電氣石礦物組成與紅外輻射特性的關(guān)系［J］上海地質(zhì)，1：61-64.楊如增,楊滿珍,廖宗廷等.2002b.天然黑色電氣石紅外輻射特性研究［J］同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，30(2):183-188.沈國(guó)先，余文明，袁海萍.竹炭纖維保健床品的開發(fā)［J］.上海紡織科技，2009，12（37）：18-21.陳紹芳，孟家光.竹炭纖維性質(zhì)及其應(yīng)用［J］.紡織科技進(jìn)展，2007，(5)：26-27.閆鴻敏，王朝生，鄒俞等.竹炭纖維的開發(fā)與應(yīng)用［J］.針織工業(yè)，2007（3）：3。臺(tái)灣工業(yè)研究院研究報(bào)告［M］，2005。郭興忠，張玲潔，楊輝等.竹炭/電氣石復(fù)合材料的遠(yuǎn)紅外性能分析［J］.中國(guó)陶瓷工業(yè)，2010，2（17）：1-4.樓衛(wèi)東，呂朝亞.竹炭在紡織品中的開發(fā)應(yīng)用［J］.現(xiàn)代紡織技術(shù)，2006，4：41-42.周建斌．竹炭環(huán)境效應(yīng)及作用機(jī)理的研究[D]．南京林業(yè)大學(xué)博士論文，2005年,54-62．王其，鄭國(guó)煙，赫淑彩.竹炭中空滌綸混紡針織物性能研究［J］.上海紡織科技，2008，1（36）：56-57.王其，赫淑彩等.HealthyFunctionsofBamboo-carbonModifiedPolyester[J].MelliandInternational，2006，（3）：177-178.王其，赫淑彩等.竹炭改性滌綸混紡交織針織物保健功能研究[J].上海紡織科技，2007，（9）：58-59。李雯雯，吳瑞華，董穎.電氣石紅外光譜和紅外輻射特性的研究.高校地質(zhì)學(xué)報(bào)，2008，03（14）：426~432。韓煒，陳敬中，吳馳飛.電氣石粒度對(duì)其遠(yuǎn)紅外輻射和吸附效應(yīng)的影響［J］.礦產(chǎn)綜合利用，2005，04：23~25。JiZhijiang，JinZongzhe，LiangJinshengetal.2004，Studyontheinfraredradianceofferridravite[J]J.ournalofFunctionalMaterials，35(Supp.)：2579-2583.(inChinesewithEnglishabstract)。ApplicationandDevelopmentoffarinfraredbamboocharcoalmaterialLIWen-Zhu1,ZHANGMin1,YANGuo-qi1,CHENGHui-wu2(1.SchoolofEngineering,ZhejiangForestryuniversity,Li`nan311300,Zhejiang,China；Min-xinbamboocharcoalLtd.Corporation,Quzhou,Zhejiang,China，323400)Abstract:UsingthemechanismofIRgeneration,resumethetypeandapplicationoffarinfraredmaterialsandtheresearchanddevelopmentprofilesofbamboocharcoalfarinfra