竹炭遠紅外功效的測試與分析

閆國祺，王樹東，張文標

（1.浙江農(nóng)林大學(xué)工程學(xué)院 國家木質(zhì)資源綜合利用工程技術(shù)研究中心，浙江 臨安 311300；2.國家林業(yè)局竹子研究開發(fā)中心，浙江 杭州 310012）

人類在將近200年前發(fā)現(xiàn)了遠紅外線，近50年來探索了遠紅外線的工業(yè)應(yīng)用和醫(yī)學(xué)應(yīng)用。在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，一代一代的科研人員研究遠紅外線對人體的生物醫(yī)學(xué)效應(yīng)，開發(fā)了遠紅外浴箱、遠紅外輻照器、遠紅外健身器、頻譜治療儀、能量康復(fù)器等一系列醫(yī)療保健裝置。近年來，隨著人們生活水平的不斷提高，不僅僅對家庭環(huán)境、生活空間的美化要求日益增高，而且對身體健康狀況越來越有高度的重視，如果能開發(fā)出更多遠紅外保健產(chǎn)品將會受到廣大人們的青睞和厚愛，將會有廣闊的市場前景和應(yīng)用價值[1～3]。

竹炭是一種具有豐富孔隙結(jié)構(gòu)和巨大比表面積的碳質(zhì)吸附材料，碳表面含有多種含氧官能團，它具有方便可再生、吸附能力強、化學(xué)穩(wěn)定性好且原料持續(xù)等特點，其空氣凈化、污水處理、土壤改良、電磁屏蔽等功效受到了眾多科技工作者的關(guān)注和消費者的青睞[4～7]。竹炭是竹材高溫?zé)峤獾漠a(chǎn)物，竹材在熱解過程中形成了特殊的孔隙結(jié)構(gòu)，形狀非常類似并接近于由五元環(huán)和六元環(huán)所組成的洋蔥狀富勒烯（C60）結(jié)構(gòu)，且在熱解過程中吸收和儲備的熱使極性分子激發(fā)到更高的能級，在常溫下當它向下躍遷至較低能級時，就以發(fā)射電磁波的方式釋放多余的能量向外輻射[8]。本文主要測試了不同條件下竹炭的遠紅外比輻射率，初步探討了不同因素對遠紅外比輻射率的影響，獲得了制備高遠紅外比輻射率竹炭的較優(yōu)工藝條件，為竹炭遠紅外材料的開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

1 實驗材料與方法

1.1 材料

竹炭取自浙江農(nóng)林大學(xué)木材科學(xué)與工程實驗室，采用不同竹齡的毛竹在SXF28216型可控炭化爐制得。將竹炭樣品經(jīng)研磨至粒徑為0.125 ～ 0.160 mm的顆粒，再用專用試樣壓片機壓制直徑大于50 mm表面平整的試樣，樣品溫度為常溫。

1.2 儀器

恒溫干燥箱，杭州藍天化驗儀器廠；IR-2雙波段紅外發(fā)射率測試儀，中國科學(xué)院上海物理技術(shù)研究所。

1.3 試驗設(shè)計

1.3.1 單因素試驗 采用單因素試驗法，考察炭化溫度、保溫時間和竹齡對竹炭遠紅外功效的影響。各試驗的樣本數(shù)均為10。

1.3.1.1 炭化溫度的影響 固定保溫時間為3 h，竹齡為4 a，炭化溫度選取400 ～ 900℃范圍內(nèi)的6個水平。

1.3.1.2 保溫時間的影響 固定炭化溫度為700℃，竹齡為4 a，保溫時間選取1、3、5和7 h 4個水平。

1.3.1.3 竹齡的影響 固定炭化溫度為700℃，保溫時間為5 h，竹齡選取2、4、6和8 a共4個水平。

1.3.2 正交試驗 在單因素試驗的基礎(chǔ)上，以竹炭在8 ～14 μm波段的遠紅外比輻射率為試驗指標，以炭化溫度、保溫時間、竹齡為因素，進行4因素3水平L9(34)正交試驗（表1），選擇制備最大竹炭遠紅外比輻射率的竹炭較佳工藝。

表1 竹炭制備工藝L9(34)正交試驗設(shè)計Table1 Orthogonal experiment design of L9(34) for preparation technology of bamboo charcoal

1.4 竹炭遠紅外比輻射率的測試方法

（1）將XS12JK插頭插上時對準槽口，測量1 ～ 22 μm全波段時，設(shè)定黑體溫度為25℃，功率限制在40%，開機1 h黑體溫度穩(wěn)定即一期校正。

（2）不加濾光片，將補償溫度參考板置于可測試頭正下方托盤上，按DR鍵，調(diào)節(jié)對應(yīng)旋鈕，顯示422左右，按E鍵下方指示燈亮，調(diào)節(jié)對應(yīng)旋鈕顯示950左右，再按E鍵顯示讀數(shù)0.050反復(fù)3次，再換水復(fù)合，ε值在 0.97 ～ 0.98，1 ～ 22 μm 全波段儀器校正完畢。

（3）將樣品置于托盤上，幾分鐘后按E鍵，待下方指示燈亮，即可讀出試樣的發(fā)射率值，重復(fù)按E鍵，測量10次求平均值，即最后1 ～ 22 μm全波段發(fā)射率測量值

（4）裝上8 ～ 14μm波段濾光片重復(fù)2 ～ 3步驟，即可測得該波段發(fā)射率值。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 炭化溫度的影響

保溫時間為3 h，竹齡為4 a，不同炭化溫度條件下竹炭的遠紅外比輻射率如表2。

從表2可以看出，在保溫時間為3 h，竹齡為4 a，炭化溫度400 ～ 900℃的條件下，不論是在1 ～ 22 μm全波段還是在8 ～ 14 μm波段，竹炭的遠紅外比輻射率都超過了0.880，顯示出了優(yōu)越的遠紅外功效；在相同條件下，1 ～ 22 μm全波段的遠紅外比輻射率總是高于8 ～ 14μm波段的遠紅外比輻射率。隨著炭化溫度從300℃升高到900℃的過程中，竹炭的遠紅外比輻射率先上升后下降，1 ～ 22 μm全波段和8 ～ 14 μm波段在700℃時達到最大值，分別為0.913和0.934。整體來看，竹炭遠紅外比輻射率受炭化溫度的影響較大，最大可達0.021，這種變化與竹材在不同炭化溫度時炭化產(chǎn)物的成分和含量有密切聯(lián)系。據(jù)研究表明[9]在最終炭化溫度400 ～ 500℃竹炭的FTIR光譜圖中顯示，竹材中的木質(zhì)素被熱分解，在1 587cm－1處的芳環(huán)骨架伸縮振動吸收峰到400℃已經(jīng)減弱，并伴隨著875 cm－1處的吸收峰向低波數(shù)方向移動；從400℃開始，芳環(huán)中C-H鍵在875 cm－1，815 cm－1和758 cm－1處的非平面搖擺振動3個吸收峰，顯示竹炭中開始出現(xiàn)芳環(huán)不同程度的締合，形成了較小的碳網(wǎng)平面；炭化溫度在600 ～ 1 000℃時竹炭的FTIR光譜圖中，1 730 cm－1處的C=O官能團的伸縮振動吸收峰已不存在，而1 562 cm－1處的吸收峰已變得很寬，芳環(huán)結(jié)構(gòu)中C-H基團的面外搖擺振動的3個吸收峰中，875 cm－1的強度增加，而815 cm－1和758 cm－1變得更弱。

表2 不同炭化溫度條件下竹炭的遠紅外比輻射率Table2 Far-infrared emissivity of bamboo charcoal with different carbonization temperature

2.2 保溫時間的影響

炭化溫度為700℃，竹齡為4 a，不同保溫時間條件下竹炭的遠紅外比輻射率如表3。

從表3可以看出，在炭化溫度為700℃，竹齡為4 a，保溫時間在1 ～ 7 h的條件下，竹炭的遠紅外比輻射率都超過了0.910。隨著保溫時間從1 h升高到7 h的過程中，不論是在1 ～ 22 μm波段還是在8 ～ 14μm波段，竹炭的遠紅外比輻射率都隨著保溫時間的增加而升高，但隨著保溫時間的繼續(xù)增加，竹炭的遠紅外比輻射率不再升高，1 ～ 22μm全波段和8 ～ 14μm波段在5 h時達到最大值，分別為0.918和0.937。整體來看，竹炭遠紅外比輻射率受保溫時間的影響較小。竹炭的此種變化傾向與竹炭隨保溫時間的增加體積收縮和炭原子發(fā)生的芳構(gòu)化和芳環(huán)的稠和程度有關(guān)。

表3 不同保溫時間條件下竹炭的遠紅外比輻射率Table3 Far-infrared emissivity of bamboo charcoal with different holding time

2.3 竹齡的影響

炭化溫度為700℃，保溫時間為5 h，不同竹齡條件下竹炭的遠紅外比輻射率如表4。

從表4可以看出，在炭化溫度為700℃，保溫時間為5 h，竹齡在1 ～ 8 a的條件下，竹炭的遠紅外比輻射率都超過了0.900。不論是在1 ～ 22 μm波段還是在8 ～ 14μm 波段，竹炭的遠紅外比輻射率都隨著竹齡的增長先升高后下降，在竹齡為4 a時達到最高，在1 ～ 22 μm波段最大為0.917，在8 ～ 14 μm波段最大為0.937。這是由于隨著竹齡的增長，纖維素、半纖維素以及木質(zhì)素在竹材中的含量發(fā)生了變化。根據(jù)學(xué)者研究[10]，纖維素和木質(zhì)素隨著竹齡的增長含量會隨著升高，當竹齡達到4 a時，兩者的含量達到最高，隨著竹齡的增長兩者的含量又會下降；半纖維素的含量正好與纖維素和木質(zhì)素的含量相反。由于竹炭是竹材中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素三大物質(zhì)的熱解產(chǎn)物，這三大物質(zhì)含量隨著竹齡的變化會導(dǎo)致不同竹齡的竹材熱解產(chǎn)物發(fā)生變異，影響到竹炭不同成分的含量。

表4 不同竹齡條件下竹炭的遠紅外比輻射率Table4 Far-infrared emissivity of bamboo charcoal with different ages

2.4 正交試驗

由表5可知，高遠紅外比輻射率竹炭制備的較佳工藝為A2B2C2，即在炭化溫度為700℃，竹齡為4 a，保溫時間為5 h時，竹炭的遠紅外比輻射率最大，最大值可通過單因素試驗得知為0.937。從3個因素的R值可知，炭化溫度對竹炭遠紅外比輻射率的影響最大，其次為竹齡，影響最小的為保溫時間。

表5 高遠紅外比輻射率竹炭制備工藝L9(34)正交試驗結(jié)果Table5 The result of orthogonal experiment for bamboo charcoal with high far-infrared emissivity

3 結(jié)論

（1）竹炭具有高遠紅外比輻射率，在1 ～ 22 μm全波段和8 ～ 14 μm波段的遠紅外比輻射率都在0.880以上，并且8 ～ 14 μm波段的遠紅外比輻射率總是高于1 ～ 22 μm全波段的遠紅外比輻射率。

（2）竹炭的遠紅外比輻射率隨著炭化溫度的升高先升高再降低，1 ～ 22 μm全波段和8 ～ 14 μm波段在700℃時達到最大值，分別為0.913和0.934；隨著保溫時間的增加而升高，不論是在1 ～ 22 μm波段還是在8 ～ 14 μm波段，竹炭的遠紅外比輻射率都隨著保溫時間的增加而升高，在5 h時達到最大值，分別為0.918和0.937，保溫時間繼續(xù)增加遠紅外比輻射率不再變化；隨著竹齡的增長先升高后下降，在竹齡為4 a時達到最高，分別為0.917和0.937。

（3）炭化溫度對竹炭遠紅外比輻射率的影響最大，其次為竹齡，影響最小的為保溫時間。高遠紅外比輻射率竹炭制備的較佳工藝為炭化溫度為700℃，竹齡4 a，保溫時間5 h，在8 ～ 14 μm波段的最大值為0.937。

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