竹炭遠紅外功效的測試與分析

閆國祺，王樹東，張文標

（1.浙江農林大學工程學院 國家木質資源綜合利用工程技術研究中心，浙江 臨安 311300；2.國家林業局竹子研究開發中心，浙江 杭州 310012）

人類在將近200年前發現了遠紅外線，近50年來探索了遠紅外線的工業應用和醫學應用。在醫學應用中，一代一代的科研人員研究遠紅外線對人體的生物醫學效應，開發了遠紅外浴箱、遠紅外輻照器、遠紅外健身器、頻譜治療儀、能量康復器等一系列醫療保健裝置。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，如果能開發出更多遠紅外保健產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用價值[1～3]。

竹炭是一種具有豐富孔隙結構和巨大比表面積的碳質吸附材料，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、化學穩定性好且原料持續等特點，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注和消費者的青睞[4～7]。竹炭是竹材高溫熱解的產物，竹材在熱解過程中形成了特殊的孔隙結構，形狀非常類似并接近于由五元環和六元環所組成的洋蔥狀富勒烯（C60）結構，且在熱解過程中吸收和儲備的熱使極性分子激發到更高的能級，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工藝條件，為竹炭遠紅外材料的開發奠定基礎。

1 實驗材料與方法

1.1 材料

竹炭取自浙江農林大學木材科學與工程實驗室，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雙波段紅外發射率測試儀，中國科學院上海物理技術研究所。

1.3 試驗設計

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，設定黑體溫度為25℃，功率限制在40%，開機1 h黑體溫度穩定即一期校正。

（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，調節對應旋鈕，顯示422左右，按E鍵下方指示燈亮，調節對應旋鈕顯示950左右，再按E鍵顯示讀數0.050反復3次，再換水復合，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，即可讀出試樣的發射率值，重復按E鍵，測量10次求平均值，即最后1 ～ 22 μm全波段發射率測量值

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

2 實驗結果與討論

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物的成分和含量有密切聯系。據研究表明[9]在最終炭化溫度400 ～ 500℃竹炭的FTIR光譜圖中顯示，竹材中的木質素被熱分解，在1 587cm－1處的芳環骨架伸縮振動吸收峰到400℃已經減弱，并伴隨著875 cm－1處的吸收峰向低波數方向移動；從400℃開始，芳環中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芳環不同程度的締合，形成了較小的碳網平面；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，芳環結構中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生的芳構化和芳環的稠和程度有關。

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、半纖維素以及木質素在竹材中的含量發生了變化。根據學者研究[10]，纖維素和木質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素的含量相反。由于竹炭是竹材中纖維素、半纖維素和木質素三大物質的熱解產物，這三大物質含量隨著竹齡的變化會導致不同竹齡的竹材熱解產物發生變異，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)正交試驗結果Table5 The result of orthogonal experiment for bamboo charcoal with high far-infrared emissivity

3 結論

（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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