遠紅外型木質功能材料及其性能測試1)

周兆兵 傅 峰 張 洋

(中國林業科學研究院木材工業研究所，北京，100091) (南京林業大學)

現有的遠紅外線技術主要是采用合成的遠紅外物質來產生遠紅外線。工業上使用的遠紅外物質主要由金屬氧化物及非金屬氧化物經研磨后，在高溫下燒結而成，原料的主要成分為 SiO2、Al2O3、ZrO2、MgO 及 TiO2等，或摻雜少量稀土氧化物以改進它們的性能［1－2］。近10 a來，遠紅外線輻射技術的研究成果，主要集中在以紅外陶瓷粉作為保溫材料應用在紡織面料織物［3－5］、皮革［6－7］中，使產品具有良好的保暖、保健、抑菌作用。在現有的遠紅外功能產品中，低溫比輻射率高達80%以上，功能性較強。而且化學性能穩定且無毒，在加工和使用過程中不傷害人體，不污染環境。

木質材料是人們生活中必不可少且與人體緊密接觸的工程材料。將遠紅外輻射功能賦予木質材料，改善木質材料功能，得到了木材科學研究者的關注。目前，木材科學工作者也研究開發出了一些具有某些特殊功能的木質復合材料，如阻燃、防腐、抗靜電、電磁屏蔽等［8－9］。為適應人們健康與環保觀念的需求，保健家具將成為今后家具市場的主導產品［10］。本文采用浸漬工藝，將遠紅外物質與速生楊木材進行復合制備遠紅外木質功能材料，探討了遠紅外輻射性能測試方法，分析了所制備的遠紅外木質功能材料經不同質量濃度處理液處理后的遠紅外輻射效果，旨在為工業化生產提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 原材料制備

基材:速生楊木段，購自江蘇宿遷，12年生。根據處理工藝需要，沿原木段長度方向在沒有節疤和可見缺陷處鋸切尺寸(長×寬×厚)為500 mm×50 mm×25 mm的木板15塊，分5組，每組3塊，四面刨光待用。

遠紅外物質:市購 Al2O3、MgO、TiO2、ZrO2等原料，并按一定的配方稱好原料，放入到碾缽中磨細，過400目篩制得遠紅外粉。

遠紅外粉/MF處理液:為了能使遠紅外粉有效地作于木板，本文采用自制三聚氰胺樹脂為溶劑，將不同質量分數的遠紅外粉分別與等量的三聚氰胺樹脂混合，然后利用高壓超聲波處理30 min，再用攪拌器以1 500 r/min的轉速攪拌30 min，使其不團聚，即制得遠紅外粉/MF 處理液(1#、2#、3#、4#、5#的處理液質量濃度分別為 0、2.5、5.0、7.5、10.0 g/L)。

遠紅外木質功能材料的制備:遠紅外木質功能材料的制備方法很多，本文采用浸漬方法。將楊木板分別浸沒于含有不同質量濃度的遠紅外粉/MF混合液中，放入真空干燥箱中，在常溫(20℃)、真空度為0.4 MPa的條件下進行抽真空浸注24 h，然后升溫至120℃后干燥24 h，使三聚氰胺樹脂完全固化。干燥后進行四表面砂光，鋸截后進行性能測試。

1.2 浸漬效果的評價

采用質量增加率來定量評價不同質量濃度遠紅外粉/MF處理液的浸漬效果。質量增加率Wm=((m2－m1)/m1)×100%。式中:m1為試件處理前的絕干質量;m2為試件處理后的絕干質量。

1.3 遠紅外輻射效果測試方法

遠紅外木質功能材料的主要性能指標可分為:基本指標和功能指標。基本指標是指作為普通人造板應測試的性能參數;功能指標是指遠紅外輻射效果，即熱效應、透射率、反射率、吸收率。遠紅外輻射透射率的測試實驗裝置見圖1［11］。紅外光源選用功率為250 W的紅外燈泡，其主波長在2.4 μm左右;試件表面的照射光強調節為650 W/m2，試件架測試窗開口面積為60 mm×60 mm。

圖1 遠紅外透射率測試裝置示意圖

遠紅外輻射透射率的測試原理與方法:紅外光源垂直入射試件，試件粘在一塊打孔的鋁板孔洞上，鋁板開口面積略大于接收器的測試頭面積，使沒有照在試件上的紅外輻射被鋁板隔斷，避免照射到接收器上影響測試數據。測試時，調節試件架與紅外輻射光源的距離，檢查并校準試件前表面紅外輻照強度(650 W/m2)、紅外輻射強度計至試件架中心的距離及角度，然后測試各試件透射紅外輻射強度(It)。重復測試5次，計算平均值。遠紅外輻射透射率計算方法［11］:αt=(It/I0)×100%。式中:It為紅外透射強度(單位為W/m2);I0為紅外輻射強度(W/m2)。

遠紅外輻射反射率測試實驗采用的紅外光源及紅外輻射接收器與透射率測試方法相同，不同的是測試反射率的試件架是一直徑為118 mm的相互嵌套的鐵環，與試件圓心同球心的反射半球面的赤道半徑距離為150 mm。為防止輻射源對接收器的影響，測試時兩者間用拋光鋁板隔開(見圖2)。

圖2 遠紅外反射率測試裝置示意圖

遠紅外輻射反射率的測試原理與方法:由于試件的反射光是表面反射和內部反射的復合，且在整個反射半球內沿試件中心作對稱分布，所以，測試試件反射的方法是將試件做成圓形試樣(將樣品架做成圓形，使其有效部分為圓形)，這樣，發射光將沿試件中心作對稱分布，便于測試時對測試數據進行積分處理。紅外光源從與試件中心同等高度上垂直照射試件，用輻射度計測出試件所受照射光強;然后在反射半球的一個赤道圓周上，利用輻射度計測出多個角度的反射光強;最后根據所測光強，通過積分求出整個反射半球的總反射強度。再結合入射強度，即可計算出試件的反射率(αr)，重復測試5次取平均值。

遠紅外輻射反射率的計算公式［11］:αr=K·Ir。式中:Ir為法向偏角25°處反射紅外輻射強度(單位為W/m2);K為常數，取 1.357。

按照能量守恒原理，遠紅外輻射入射試件應滿足［11］:αt+αr+αA=1。式中:αA為試件對遠紅外輻射的吸收率。將計算式變形即可以用來計算遠紅外輻射吸收率。

2 結果與分析

2.1 不同質量濃度遠紅外粉/MF處理液對質量增加率的影響

圖3中，遠紅外粉/MF處理液質量濃度在0時，質量增加率為8.4%，為膠液的添加量;而加入遠紅外粉后，處理液質量濃度為10 g/L時，質量增加率達22.7%。這說明，隨著遠紅外粉/MF處理質量液濃度的增大，試件平均質量增加率變大，增幅達170%以上，并呈直線上升趨勢(R2=0.9578)。

圖3 遠紅外粉/MF處理液質量濃度與質量增加率的關系

2.2 不同質量濃度遠紅外粉/MF處理液對表面溫差的影響

圖4為紅外光源照射5 min時試件表面升溫變化情況。從圖4可以看出，添加了遠紅外粉的試件的溫差，均比未添加遠紅外粉的試件的溫差大，溫度有了顯著提高，且溫差隨處理液質量濃度的提高而呈線性增大的趨勢(R2=0.990 9);處理液質量濃度為10 g/L的試件，溫度變化最明顯，在5 min內溫度升高到26.7℃。這說明，遠紅外物質對于遠紅外木質功能材料的熱效應功能具有增強作用。

圖4 紅外光源照射5 min時試件表面的溫差

2.3 不同質量濃度遠紅外粉/MF處理液對透射率與反射率的影響

圖5和圖6分別為各試樣的遠紅外輻射透射率和反射率測試的計算結果。從圖5和圖6中可以看出，隨著處理液質量濃度的增加，遠紅外輻射透射率和反射率均呈降低趨勢。其中:遠紅外輻射透射率呈線性遞減的趨勢(R2=0.991 3)，而遠紅外輻射反射率則呈二次多項式遞減趨勢(R2=0.994 4)。這說明，隨著遠紅外物質的質量濃度的增加，對遠紅外輻射反射率的影響有所減緩，而對遠紅外輻射透射率的影響則較均勻。這是由于遠紅外物質采用的是微納米級微粒，對遠紅外輻射具有一定的吸收作用，且隨著微粒質量濃度的增加，這種吸收作用越強。因此，試件表面的遠紅外輻射透射率和反射率有所降低。這與計算出的各試樣的遠紅外輻射吸收率呈遞增趨勢(1#、2#、3#、4#、5#試件的遠紅外輻射吸收率分別為 1.78%、9.65%、16.33%、19.44%、21.47%，質量濃度為10 g/L的5#試件吸收遠紅外輻射的能力較強，該試件的遠紅外輻射性能較好)相吻合。

圖5 遠紅外輻射透射率與處理液質量濃度的關系

圖6 遠紅外輻射反射率與處理液質量濃度的關系

由上可知，本文的測試原理及計算方法，可以用來分析遠紅外木質功能材料的遠紅外輻射熱效應、透射率、反射率和吸收率，說明這些方法可以用來表征遠紅外木質功能材料的遠紅外輻射效果。

3 結論

本文提出了具有遠紅外輻射功能的木質材料的一種制作方法和對其遠紅外輻射熱效應、透射率、反射率和吸收率等性能的測試方法。測試和分析了材料在不同質量濃度的遠紅外粉/MF處理液處理后的遠紅外輻射效果。結果表明:本文的測試原理及計算方法，可以用來表征遠紅外木質功能材料的遠紅外輻射效果;隨著處理液質量濃度的增加，試件表面的遠紅外輻射透射率和反射率有所降低，遠紅外輻射吸收率呈遞增趨勢。這說明，隨著遠紅外粉/MF處理液質量濃度的增加，試件的遠紅外輻射性能有所提高。在本研究范圍內，遠紅外粉/MF處理液質量濃度為10 g/L的試件的遠紅外輻射性能最好。

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