复合材料远红外特性分析测试技术综述

远红外竹炭材料的应用及发展趋势李文珠1章敏1闫国祺1张文标1程辉武2（1浙江农林大学工程学院，浙江临安311300；2衢州民心炭业有限公司，浙江衢州324000）摘要：结合红外线产生的机理，简述了远红外材料种类和应用、竹炭远红外材料的研究发展概况。为竹炭及其复合材料的远红外功能评价体系和性能检测标准的建立提供理论参考。关键词：红外线；竹炭；复合材料；远红外功能；性能检测1、远红外线产生机理太阳光发射的能量包含紫外线（5%），可见光（40%）和红外线（55%）。红外光区又可分为：近红外(0.76～2.5μm)、中红外(3～5μm)和远红外(8～14μm)。红外线产生的机理是，任何物体只要温度高于绝对温度零度（-273℃），它们的分子就有热运动，伴随着这种分子的热运动，物体就向外辐射波长不等的红外线。根据基尔霍夫辐射定律可知，任何良好的辐射体必然是良好的吸收体。任何有温度的物体都会放射远红外线，如水、高分子物质、有机物质等受到远红外辐射时，都会吸收远红外线。远红外线产品基本波长的选择相当重要，使产品放射出来的波长与放射对象物体的吸收波长一致（即光谱匹配），才能产生共振效应，这是产品好坏的关键所在。人体体温大约在37℃左右，据维恩位移定律的关系式：λmT=2.8976×10-3m·K（其中λm为最大单色辐射力的波长，T为物体的绝对温度，K为常数）可知，人体所发射的热辐射的主波长在10μm左右。也就是说8～14μm与人体发出的红外线处于同一波段范围，易被人体吸收，对人体有远红外理疗保健作用[1，2]。2、远红外材料的应用红外技术应用最早是20世纪30年代，在美国得到迅速发展。到20世纪70年代后，在日本得到进一步的推广应用。近年来，随着红外技术的发展，开发能放射出特定波长远红外线的功能材料的研究逐渐成为热点，红外技术逐渐延伸到加热干燥、医疗保健、水处理和红外纺织等方面。常用发生远红外线的材料有：生物炭（高温竹炭、备长炭、竹炭粉、竹炭纤维以及制品等）、电气石、远红外陶瓷及其制品等。主要远红外产品有远红外浴箱、远红外辐照器、远红外健身器、频谱治疗仪、能量康复器、远红外织物、远红外日用陶瓷、远红外化妆品、远红外保健膏等一系列远红外医疗保健产品［3］。研究表明，具有远红外性能的物质主要是远红外陶瓷，具有远红外辐射性能的陶瓷粉体称为远红外陶瓷粉体［4］。远红外陶瓷材料已广泛用于工业、环保、健康等方面，产品涉及塑料、纺织、造纸、服装、医疗器械和陶瓷等领域。如红外陶瓷加热器可应用于许多行业的加热、干燥。远红外陶瓷材料还可以用于水净化处理，水是良好的红外线吸收体，其吸收波段主要在5～8μm，远红外陶瓷材料在常温下具有较高的红外发射率，发射的红外线可以被水吸收，使水分子集团之间结合力较弱的分子间力被切断，大分子集团变成小分子集团，水的密度增加，活性提高，pH值提高，水呈弱碱性。各种远红外陶瓷材料也广泛用于生体保健，有外热源型，如红外理疗带、红外暖手炉、红外暖脚器等；还有无热源型，如红外护膝、红外床单、红外内衣、枕头等纺织品类。远红外陶瓷材料还用于燃油活化、绿色建材和伪装隐身技术等［5］。基金项目：浙江省科技厅分析测试科技项目（2009F70029），国家农业成果转化项目（2010C20029）作者简介：李文珠，高级实验师，从事木材科学与技术专业分析检测。E-mail：lwz@。章敏，2008级木材科学与工程专业本科生；闫国祺，2010级木材科学与工程专业研究生。电气石又称碧玺，结晶完好的电气石长期被作为宝石矿物加以利用。由于其固有的压电性、热释电性、红外辐射和诱生负离子的特性，电气石在新材料和环保领域具有广泛的应用前景，成为近年健康环保多功能材料的研究热点［6］。同济大学杨如增等对天然黑色电气石红外辐射特性研究表明，黑色电气石粉料具有较高的法向红外比辐射率值，与市场上远红外陶瓷粉料的发射率比较，平均约高出1%~2%，50℃时法向比辐射率0.92~0.94［7，8］。3、竹炭远红外研究现状竹炭和电气石目前被认为是两种远红外比辐射率较高的天然材料，远红外发射率大多在0.85以上。远红外辐射竹炭及其复合材料就是以竹材经高温煅烧得到能放射出特定波长远红外线的竹炭为原料制得了各种新产品。2004年华东理工大学上海华力索菲科技有限公司研制出竹炭纤维，经国家权威部门检测，在人体正常波长范围内远红外辐射率和正常具有远红外功能纤维的辐射率相当，具有远红外保健功能。浙江纺织服装科技有限公司沈国先等，将竹炭加工成超细粉体，与高分子聚合物共混纺丝形成竹炭纤维，利用竹炭有较高的远红外发射率，开发了竹炭保健内衣、竹炭保健凉席、竹炭保健毯和竹炭保健床品等，将灰黑色的竹炭纤维混纺纱用在面料里层，与外层流行色纱线交织，使接近于体表的竹炭纤维能充分发挥保健效果［9，10，11］。台湾工业研究院（ITRI）和纺织研究院（TTRI），利用竹炭的超强吸附性和远红外蓄热保暖等功能和作用，合作开发出系列竹炭纺织保健制品［12］。浙江大学郭兴忠，以竹炭和电气石为原料，采用机械共混及高温烧成制备了具有较高远红外比辐射率竹炭/电气石复合远红外材料［13］。利用竹炭的高吸附性吸湿除臭、阻隔有害电磁波、释放负离子、含远红外温热效果等功效，竹炭在纺织品中的开发应用，使传统纺织品档次提升，成为健康性功能产品［14］。浙江农林大学张文标等进行了不同炭化温度竹炭、不同竹龄竹炭、竹炭复合物的红外发射率的研究，结果表明他们之间的发射率是有差异的[1]。南京林业大学周建斌认为竹炭具有产生远红外线的功能，主要与竹炭本身所具有的接近于由五元环和六元环所组成的洋葱状富勒烯（C60）和展开碳纳米管结构和特殊孔隙结构形状有关，也与竹炭表面官能团产生的能及跃迁和分子的基团振动、分子转动及晶格振动有关[15]。4、远红外性能检测技术根据红外辐射的特点，即湿度愈高辐射的能量愈大，辐射的波长愈短，300-500K（27-227℃）温度对应的峰值辐射波长在5.8-9.6μm之间，即对应的表面辐射能量主要在8-14μm波段光谱区。台湾工业研究院（ITRI）曾对竹炭颗粒远红外辐射进行研究，发现在36℃下，竹炭颗粒粒径越小，远红外辐射率越高，粒径为35-46μm的竹炭粉，远红外辐射率可高达0.85，而纳米级别的竹炭微粒远红外辐射率可超过0.9［11］。浙江农林大学张文标等将竹炭样品经研磨粉碎过筛后，颗粒粒径为0.125～0.160mm，采用中国科学院上海技术物理研究所研制的IRE-2型红外辐射测量仪测量竹炭的比辐射率，竹炭具有较高的红外比辐射率，在人体极为有利的远红外线的波长范围(8.00～14.00μm)内达到0.888～0.900，证明竹炭微粒的远红外辐射效应在人体保健方面将具有很大的应用价值［1］。法向全辐射率是衡量物体向外辐射红外能量的能力。根据国家红外及工业电热产品质量监督检验中心提供的数据及测试标准，当4～16μm波段的测试结果大于0.8，即法向辐射率大于0.8时，被测的产品就具有远红外发射功能。参照中国标准化协会标准《CAS115—2005保健功能纺织品》中远红外产品标准，测试竹炭中空涤纶混纺针织物远红外发射率，在25℃常温条件下，用IR-1型发射率测量仪测试织物远红外发射率，波长范围为8~14μm，法向发射率为88.9%。在室温条件下长丝织物的远红外发射率为89%，具有显著的远红外保健功效［16,17,18］电气石的远红外辐射率的测试，采用中国科学院上海技术物理所研制的IR-1型红外辐射测量仪测量，检测温度为25℃。用美国NICOLET公司生产的5DX傅立叶变换红外光谱仪及其光谱比辐射率测量附件进行电气石红外发射率研究［19,20,21］刘维良等对远红外陶瓷粉体的法向全辐射发射率的测试，采用法向全辐射发射率检定校准系统，按NIM-06-03-2000操作规范，测定远红外陶瓷粉体材料的法向全辐射发射率,用于标准黑体法向全辐射亮度比较方法测量；比较用红外辐射计响应波长范围为2-18μm，样品温度为80℃，量值可溯源到常温黑体辐射标准。竹炭远红外特性研究的展望竹炭的远红外功能开发越来越广泛，但是目前还没有一种有效的竹炭远红外检测方法和评价体系，致使越来越多的商家夸大竹炭的远红外性能，蒙蔽消费者以攫取最大利润的情况时有发生。通过以上对红外线产生机理和竹炭远红外材料的应用概述，需要探寻一种标准的测试方法来检测竹炭远红外性能，得出一个确定的评价体系来衡量远红外功效提供理论参考。竹炭远红外辐射率测量的精度和可靠性与很多因素有关。从原料方面考虑有不同竹种、不同生产工艺、不同的表面状况和不同的颗粒度等因素；从测试条件和方法考虑有，不同的测试温度、不同的波长、不同的测试距离和不同的样品形状等。因此，必须对测量方法和影响因素做系统的对比分析，确定合理的测量参数，保证测量结果的精度和可靠性。基于竹炭较高的远红外辐射率，进一步改进竹炭的加工处理技术，并开发功能型复合材料，使竹炭及其产品同时具备抗菌、抗紫外线和释放负离子等功效，扩大竹炭的应用领域，提高产品的附加值。参考文献张文标，李文珠.竹炭的红外辐射特性［J］浙江林学院学报，2008，25（5）573-577.陈衡.红外物理学［M］北京：国防工业出版社，1985：1-28.何登良，董发勤，刘家琴等.远红外功能材料的发展与应用［J］功能材料，2008，5（39）：709-716.刘维良，陈云霞.纳米远红外陶瓷粉体的制备工艺与性能研究［J］中国陶瓷，2002，38（1）：10-14.马桂红，魏美玲.远红外陶瓷材料的应用及发展趋势［J］山东陶瓷，2009，32（3）：22-24李雯雯，吴瑞华，董颖.电气石红外光谱和红外辐射特性的研究［J］高校地质学报，2008，14（3）：426-432.杨如增，徐礼新，杨满增等.2002a.黑色电气石矿物组成与红外辐射特性的关系［J］上海地质，1：61-64.杨如增,杨满珍,廖宗廷等.2002b.天然黑色电气石红外辐射特性研究［J］同济大学学报，30(2):183-188.沈国先，余文明，袁海萍.竹炭纤维保健床品的开发［J］.上海纺织科技，2009，12（37）：18-21.陈绍芳，孟家光.竹炭纤维性质及其应用［J］.纺织科技进展，2007，(5)：26-27.闫鸿敏，王朝生，邹俞等.竹炭纤维的开发与应用［J］.针织工业，2007（3）：3。台湾工业研究院研究报告［M］，2005。郭兴忠，张玲洁，杨辉等.竹炭/电气石复合材料的远红外性能分析［J］.中国陶瓷工业，2010，2（17）：1-4.楼卫东，吕朝亚.竹炭在纺织品中的开发应用［J］.现代纺织技术，2006，4：41-42.周建斌．竹炭环境效应及作用机理的研究[D]．南京林业大学博士论文，2005年,54-62．王其，郑国烟，赫淑彩.竹炭中空涤纶混纺针织物性能研究［J］.上海纺织科技，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.竹炭改性涤纶混纺交织针织物保健功能研究[J].上海纺织科技，2007，（9）：58-59。李雯雯，吴瑞华，董颖.电气石红外光谱和红外辐射特性的研究.高校地质学报，2008，03（14）：426~432。韩炜，陈敬中，吴驰飞.电气石粒度对其远红外辐射和吸附效应的影响［J］.矿产综合利用，2005，04：23~25。JiZhijiang，JinZongzhe，LiangJinshengetal.2004，Studyontheinfraredradianceofferridravite[J]J.ournalofFunctionalMaterials，35(Supp.)：2579-2583.(inChinesewithEnglishabstract)。ApplicationandDevelopmentoffarinfraredbamboocharcoalmaterialLIWen-Zhu1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