竹炭远红外功效的测试与分析

闫国祺，王树东，张文标

（1.浙江农林大学工程学院 国家木质资源综合利用工程技术研究中心，浙江 临安 311300；2.国家林业局竹子研究开发中心，浙江 杭州 310012）

人类在将近200年前发现了远红外线，近50年来探索了远红外线的工业应用和医学应用。在医学应用中，一代一代的科研人员研究远红外线对人体的生物医学效应，开发了远红外浴箱、远红外辐照器、远红外健身器、频谱治疗仪、能量康复器等一系列医疗保健装置。近年来，随着人们生活水平的不断提高，不仅仅对家庭环境、生活空间的美化要求日益增高，而且对身体健康状况越来越有高度的重视，如果能开发出更多远红外保健产品将会受到广大人们的青睐和厚爱，将会有广阔的市场前景和应用价值[1～3]。

竹炭是一种具有丰富孔隙结构和巨大比表面积的碳质吸附材料，碳表面含有多种含氧官能团，它具有方便可再生、吸附能力强、化学稳定性好且原料持续等特点，其空气净化、污水处理、土壤改良、电磁屏蔽等功效受到了众多科技工作者的关注和消费者的青睐[4～7]。竹炭是竹材高温热解的产物，竹材在热解过程中形成了特殊的孔隙结构，形状非常类似并接近于由五元环和六元环所组成的洋葱状富勒烯（C60）结构，且在热解过程中吸收和储备的热使极性分子激发到更高的能级，在常温下当它向下跃迁至较低能级时，就以发射电磁波的方式释放多余的能量向外辐射[8]。本文主要测试了不同条件下竹炭的远红外比辐射率，初步探讨了不同因素对远红外比辐射率的影响，获得了制备高远红外比辐射率竹炭的较优工艺条件，为竹炭远红外材料的开发奠定基础。

1 实验材料与方法

1.1 材料

竹炭取自浙江农林大学木材科学与工程实验室，采用不同竹龄的毛竹在SXF28216型可控炭化炉制得。将竹炭样品经研磨至粒径为0.125 ～ 0.160 mm的颗粒，再用专用试样压片机压制直径大于50 mm表面平整的试样，样品温度为常温。

1.2 仪器

恒温干燥箱，杭州蓝天化验仪器厂；IR-2双波段红外发射率测试仪，中国科学院上海物理技术研究所。

1.3 试验设计

1.3.1 单因素试验 采用单因素试验法，考察炭化温度、保温时间和竹龄对竹炭远红外功效的影响。各试验的样本数均为10。

1.3.1.1 炭化温度的影响 固定保温时间为3 h，竹龄为4 a，炭化温度选取400 ～ 900℃范围内的6个水平。

1.3.1.2 保温时间的影响 固定炭化温度为700℃，竹龄为4 a，保温时间选取1、3、5和7 h 4个水平。

1.3.1.3 竹龄的影响 固定炭化温度为700℃，保温时间为5 h，竹龄选取2、4、6和8 a共4个水平。

1.3.2 正交试验 在单因素试验的基础上，以竹炭在8 ～14 µm波段的远红外比辐射率为试验指标，以炭化温度、保温时间、竹龄为因素，进行4因素3水平L9(34)正交试验（表1），选择制备最大竹炭远红外比辐射率的竹炭较佳工艺。

表1 竹炭制备工艺L9(34)正交试验设计Table1 Orthogonal experiment design of L9(34) for preparation technology of bamboo charcoal

1.4 竹炭远红外比辐射率的测试方法

（1）将XS12JK插头插上时对准槽口，测量1 ～ 22 μm全波段时，设定黑体温度为25℃，功率限制在40%，开机1 h黑体温度稳定即一期校正。

（2）不加滤光片，将补偿温度参考板置于可测试头正下方托盘上，按DR键，调节对应旋钮，显示422左右，按E键下方指示灯亮，调节对应旋钮显示950左右，再按E键显示读数0.050反复3次，再换水复合，ε值在 0.97 ～ 0.98，1 ～ 22 µm 全波段仪器校正完毕。

（3）将样品置于托盘上，几分钟后按E键，待下方指示灯亮，即可读出试样的发射率值，重复按E键，测量10次求平均值，即最后1 ～ 22 µm全波段发射率测量值

（4）装上8 ～ 14µm波段滤光片重复2 ～ 3步骤，即可测得该波段发射率值。

2 实验结果与讨论

2.1 炭化温度的影响

保温时间为3 h，竹龄为4 a，不同炭化温度条件下竹炭的远红外比辐射率如表2。

从表2可以看出，在保温时间为3 h，竹龄为4 a，炭化温度400 ～ 900℃的条件下，不论是在1 ～ 22 µm全波段还是在8 ～ 14 µm波段，竹炭的远红外比辐射率都超过了0.880，显示出了优越的远红外功效；在相同条件下，1 ～ 22 µm全波段的远红外比辐射率总是高于8 ～ 14µm波段的远红外比辐射率。随着炭化温度从300℃升高到900℃的过程中，竹炭的远红外比辐射率先上升后下降，1 ～ 22 µm全波段和8 ～ 14 µm波段在700℃时达到最大值，分别为0.913和0.934。整体来看，竹炭远红外比辐射率受炭化温度的影响较大，最大可达0.021，这种变化与竹材在不同炭化温度时炭化产物的成分和含量有密切联系。据研究表明[9]在最终炭化温度400 ～ 500℃竹炭的FTIR光谱图中显示，竹材中的木质素被热分解，在1 587cm－1处的芳环骨架伸缩振动吸收峰到400℃已经减弱，并伴随着875 cm－1处的吸收峰向低波数方向移动；从400℃开始，芳环中C-H键在875 cm－1，815 cm－1和758 cm－1处的非平面摇摆振动3个吸收峰，显示竹炭中开始出现芳环不同程度的缔合，形成了较小的碳网平面；炭化温度在600 ～ 1 000℃时竹炭的FTIR光谱图中，1 730 cm－1处的C=O官能团的伸缩振动吸收峰已不存在，而1 562 cm－1处的吸收峰已变得很宽，芳环结构中C-H基团的面外摇摆振动的3个吸收峰中，875 cm－1的强度增加，而815 cm－1和758 cm－1变得更弱。

表2 不同炭化温度条件下竹炭的远红外比辐射率Table2 Far-infrared emissivity of bamboo charcoal with different carbonization temperature

2.2 保温时间的影响

炭化温度为700℃，竹龄为4 a，不同保温时间条件下竹炭的远红外比辐射率如表3。

从表3可以看出，在炭化温度为700℃，竹龄为4 a，保温时间在1 ～ 7 h的条件下，竹炭的远红外比辐射率都超过了0.910。随着保温时间从1 h升高到7 h的过程中，不论是在1 ～ 22 µm波段还是在8 ～ 14µm波段，竹炭的远红外比辐射率都随着保温时间的增加而升高，但随着保温时间的继续增加，竹炭的远红外比辐射率不再升高，1 ～ 22µm全波段和8 ～ 14µm波段在5 h时达到最大值，分别为0.918和0.937。整体来看，竹炭远红外比辐射率受保温时间的影响较小。竹炭的此种变化倾向与竹炭随保温时间的增加体积收缩和炭原子发生的芳构化和芳环的稠和程度有关。

表3 不同保温时间条件下竹炭的远红外比辐射率Table3 Far-infrared emissivity of bamboo charcoal with different holding time

2.3 竹龄的影响

炭化温度为700℃，保温时间为5 h，不同竹龄条件下竹炭的远红外比辐射率如表4。

从表4可以看出，在炭化温度为700℃，保温时间为5 h，竹龄在1 ～ 8 a的条件下，竹炭的远红外比辐射率都超过了0.900。不论是在1 ～ 22 µm波段还是在8 ～ 14µm 波段，竹炭的远红外比辐射率都随着竹龄的增长先升高后下降，在竹龄为4 a时达到最高，在1 ～ 22 µm波段最大为0.917，在8 ～ 14 µm波段最大为0.937。这是由于随着竹龄的增长，纤维素、半纤维素以及木质素在竹材中的含量发生了变化。根据学者研究[10]，纤维素和木质素随着竹龄的增长含量会随着升高，当竹龄达到4 a时，两者的含量达到最高，随着竹龄的增长两者的含量又会下降；半纤维素的含量正好与纤维素和木质素的含量相反。由于竹炭是竹材中纤维素、半纤维素和木质素三大物质的热解产物，这三大物质含量随着竹龄的变化会导致不同竹龄的竹材热解产物发生变异，影响到竹炭不同成分的含量。

表4 不同竹龄条件下竹炭的远红外比辐射率Table4 Far-infrared emissivity of bamboo charcoal with different ages

2.4 正交试验

由表5可知，高远红外比辐射率竹炭制备的较佳工艺为A2B2C2，即在炭化温度为700℃，竹龄为4 a，保温时间为5 h时，竹炭的远红外比辐射率最大，最大值可通过单因素试验得知为0.937。从3个因素的R值可知，炭化温度对竹炭远红外比辐射率的影响最大，其次为竹龄，影响最小的为保温时间。

表5 高远红外比辐射率竹炭制备工艺L9(34)正交试验结果Table5 The result of orthogonal experiment for bamboo charcoal with high far-infrared emissivity

3 结论

（1）竹炭具有高远红外比辐射率，在1 ～ 22 µm全波段和8 ～ 14 µm波段的远红外比辐射率都在0.880以上，并且8 ～ 14 µm波段的远红外比辐射率总是高于1 ～ 22 µm全波段的远红外比辐射率。

（2）竹炭的远红外比辐射率随着炭化温度的升高先升高再降低，1 ～ 22 µm全波段和8 ～ 14 µm波段在700℃时达到最大值，分别为0.913和0.934；随着保温时间的增加而升高，不论是在1 ～ 22 µm波段还是在8 ～ 14 µm波段，竹炭的远红外比辐射率都随着保温时间的增加而升高，在5 h时达到最大值，分别为0.918和0.937，保温时间继续增加远红外比辐射率不再变化；随着竹龄的增长先升高后下降，在竹龄为4 a时达到最高，分别为0.917和0.937。

（3）炭化温度对竹炭远红外比辐射率的影响最大，其次为竹龄，影响最小的为保温时间。高远红外比辐射率竹炭制备的较佳工艺为炭化温度为700℃，竹龄4 a，保温时间5 h，在8 ～ 14 µm波段的最大值为0.937。

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