遠(yuǎn)紅外型木質(zhì)功能材料及其性能測(cè)試1)

周兆兵 傅 峰 張 洋

(中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所，北京，100091) (南京林業(yè)大學(xué))

現(xiàn)有的遠(yuǎn)紅外線技術(shù)主要是采用合成的遠(yuǎn)紅外物質(zhì)來(lái)產(chǎn)生遠(yuǎn)紅外線。工業(yè)上使用的遠(yuǎn)紅外物質(zhì)主要由金屬氧化物及非金屬氧化物經(jīng)研磨后，在高溫下燒結(jié)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(jìn)它們的性能［1－2］。近10 a來(lái)，遠(yuǎn)紅外線輻射技術(shù)的研究成果，主要集中在以紅外陶瓷粉作為保溫材料應(yīng)用在紡織面料織物［3－5］、皮革［6－7］中，使產(chǎn)品具有良好的保暖、保健、抑菌作用。在現(xiàn)有的遠(yuǎn)紅外功能產(chǎn)品中，低溫比輻射率高達(dá)80%以上，功能性較強(qiáng)。而且化學(xué)性能穩(wěn)定且無(wú)毒，在加工和使用過(guò)程中不傷害人體，不污染環(huán)境。

木質(zhì)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(yuǎn)紅外輻射功能賦予木質(zhì)材料，改善木質(zhì)材料功能，得到了木材科學(xué)研究者的關(guān)注。目前，木材科學(xué)工作者也研究開(kāi)發(fā)出了一些具有某些特殊功能的木質(zhì)復(fù)合材料，如阻燃、防腐、抗靜電、電磁屏蔽等［8－9］。為適應(yīng)人們健康與環(huán)保觀念的需求，保健家具將成為今后家具市場(chǎng)的主導(dǎo)產(chǎn)品［10］。本文采用浸漬工藝，將遠(yuǎn)紅外物質(zhì)與速生楊木材進(jìn)行復(fù)合制備遠(yuǎn)紅外木質(zhì)功能材料，探討了遠(yuǎn)紅外輻射性能測(cè)試方法，分析了所制備的遠(yuǎn)紅外木質(zhì)功能材料經(jīng)不同質(zhì)量濃度處理液處理后的遠(yuǎn)紅外輻射效果，旨在為工業(yè)化生產(chǎn)提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 原材料制備

基材:速生楊木段，購(gòu)自江蘇宿遷，12年生。根據(jù)處理工藝需要，沿原木段長(zhǎng)度方向在沒(méi)有節(jié)疤和可見(jiàn)缺陷處鋸切尺寸(長(zhǎng)×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(yuǎn)紅外物質(zhì):市購(gòu) 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(xì)，過(guò)400目篩制得遠(yuǎn)紅外粉。

遠(yuǎn)紅外粉/MF處理液:為了能使遠(yuǎn)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(zhì)量分?jǐn)?shù)的遠(yuǎn)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(zhuǎn)速攪拌30 min，使其不團(tuán)聚，即制得遠(yuǎn)紅外粉/MF 處理液(1#、2#、3#、4#、5#的處理液質(zhì)量濃度分別為 0、2.5、5.0、7.5、10.0 g/L)。

遠(yuǎn)紅外木質(zhì)功能材料的制備:遠(yuǎn)紅外木質(zhì)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(méi)于含有不同質(zhì)量濃度的遠(yuǎn)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(jìn)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(jìn)行四表面砂光，鋸截后進(jìn)行性能測(cè)試。

1.2 浸漬效果的評(píng)價(jià)

采用質(zhì)量增加率來(lái)定量評(píng)價(jià)不同質(zhì)量濃度遠(yuǎn)紅外粉/MF處理液的浸漬效果。質(zhì)量增加率Wm=((m2－m1)/m1)×100%。式中:m1為試件處理前的絕干質(zhì)量;m2為試件處理后的絕干質(zhì)量。

1.3 遠(yuǎn)紅外輻射效果測(cè)試方法

遠(yuǎn)紅外木質(zhì)功能材料的主要性能指標(biāo)可分為:基本指標(biāo)和功能指標(biāo)。基本指標(biāo)是指作為普通人造板應(yīng)測(cè)試的性能參數(shù);功能指標(biāo)是指遠(yuǎn)紅外輻射效果，即熱效應(yīng)、透射率、反射率、吸收率。遠(yuǎn)紅外輻射透射率的測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1［11］。紅外光源選用功率為250 W的紅外燈泡，其主波長(zhǎng)在2.4 μm左右;試件表面的照射光強(qiáng)調(diào)節(jié)為650 W/m2，試件架測(cè)試窗開(kāi)口面積為60 mm×60 mm。

圖1 遠(yuǎn)紅外透射率測(cè)試裝置示意圖

遠(yuǎn)紅外輻射透射率的測(cè)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(kāi)口面積略大于接收器的測(cè)試頭面積，使沒(méi)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(cè)試數(shù)據(jù)。測(cè)試時(shí)，調(diào)節(jié)試件架與紅外輻射光源的距離，檢查并校準(zhǔn)試件前表面紅外輻照強(qiáng)度(650 W/m2)、紅外輻射強(qiáng)度計(jì)至試件架中心的距離及角度，然后測(cè)試各試件透射紅外輻射強(qiáng)度(It)。重復(fù)測(cè)試5次，計(jì)算平均值。遠(yuǎn)紅外輻射透射率計(jì)算方法［11］:αt=(It/I0)×100%。式中:It為紅外透射強(qiáng)度(單位為W/m2);I0為紅外輻射強(qiáng)度(W/m2)。

遠(yuǎn)紅外輻射反射率測(cè)試實(shí)驗(yàn)采用的紅外光源及紅外輻射接收器與透射率測(cè)試方法相同，不同的是測(cè)試反射率的試件架是一直徑為118 mm的相互嵌套的鐵環(huán)，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(duì)接收器的影響，測(cè)試時(shí)兩者間用拋光鋁板隔開(kāi)(見(jiàn)圖2)。

圖2 遠(yuǎn)紅外反射率測(cè)試裝置示意圖

遠(yuǎn)紅外輻射反射率的測(cè)試原理與方法:由于試件的反射光是表面反射和內(nèi)部反射的復(fù)合，且在整個(gè)反射半球內(nèi)沿試件中心作對(duì)稱分布，所以，測(cè)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(fā)射光將沿試件中心作對(duì)稱分布，便于測(cè)試時(shí)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)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(jì)測(cè)出試件所受照射光強(qiáng);然后在反射半球的一個(gè)赤道圓周上，利用輻射度計(jì)測(cè)出多個(gè)角度的反射光強(qiáng);最后根據(jù)所測(cè)光強(qiáng)，通過(guò)積分求出整個(gè)反射半球的總反射強(qiáng)度。再結(jié)合入射強(qiáng)度，即可計(jì)算出試件的反射率(αr)，重復(fù)測(cè)試5次取平均值。

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

按照能量守恒原理，遠(yuǎn)紅外輻射入射試件應(yīng)滿足［11］:αt+αr+αA=1。式中:αA為試件對(duì)遠(yuǎn)紅外輻射的吸收率。將計(jì)算式變形即可以用來(lái)計(jì)算遠(yuǎn)紅外輻射吸收率。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同質(zhì)量濃度遠(yuǎn)紅外粉/MF處理液對(duì)質(zhì)量增加率的影響

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

圖3 遠(yuǎn)紅外粉/MF處理液質(zhì)量濃度與質(zhì)量增加率的關(guān)系

2.2 不同質(zhì)量濃度遠(yuǎn)紅外粉/MF處理液對(duì)表面溫差的影響

圖4為紅外光源照射5 min時(shí)試件表面升溫變化情況。從圖4可以看出，添加了遠(yuǎn)紅外粉的試件的溫差，均比未添加遠(yuǎn)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(zhì)量濃度的提高而呈線性增大的趨勢(shì)(R2=0.990 9);處理液質(zhì)量濃度為10 g/L的試件，溫度變化最明顯，在5 min內(nèi)溫度升高到26.7℃。這說(shuō)明，遠(yuǎn)紅外物質(zhì)對(duì)于遠(yuǎn)紅外木質(zhì)功能材料的熱效應(yīng)功能具有增強(qiáng)作用。

圖4 紅外光源照射5 min時(shí)試件表面的溫差

2.3 不同質(zhì)量濃度遠(yuǎn)紅外粉/MF處理液對(duì)透射率與反射率的影響

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

圖5 遠(yuǎn)紅外輻射透射率與處理液質(zhì)量濃度的關(guān)系

圖6 遠(yuǎn)紅外輻射反射率與處理液質(zhì)量濃度的關(guān)系

由上可知，本文的測(cè)試原理及計(jì)算方法，可以用來(lái)分析遠(yuǎn)紅外木質(zhì)功能材料的遠(yuǎn)紅外輻射熱效應(yīng)、透射率、反射率和吸收率，說(shuō)明這些方法可以用來(lái)表征遠(yuǎn)紅外木質(zhì)功能材料的遠(yuǎn)紅外輻射效果。

3 結(jié)論

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

［1］熊有正.磁、遠(yuǎn)紅外、負(fù)離子與健康［M］.上海:東華大學(xué)出版社，2004.

［2］張保國(guó).陶瓷纖維保溫材料的保溫特性及測(cè)試方法的研究［D］.西安:西北紡院，1996.

［3］Mansour B S，David M，David L，et al.Ink jet printing of conductive patterns on textile fabrics［J］.AATCC Review，2005，5(6):11－14.

［4］吳銀清，呂峻峰，王水菊.鍍銀抗菌、遠(yuǎn)紅外、抗紫外等新型納米陶瓷棉紡織品的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用［J］.針織工業(yè)，2000(5):30－33.

［5］薛少林，閻玉霄，王衛(wèi).遠(yuǎn)紅外紡織品及其開(kāi)發(fā)與應(yīng)用［J］.山東紡織科技，2001(1):48－51.

［6］陳家華，陳敏，許志剛.納米材料在皮革涂飾劑中的應(yīng)用［J］.中國(guó)皮革，2002，3(7):77－73.

［7］王改芝，俞從正，馬興元.保暖材料的現(xiàn)狀及其應(yīng)用于皮革中的前景［J］.皮革科學(xué)與工程，2006，16(5):47－52.

［8］華毓坤.21世紀(jì)人造板工業(yè)發(fā)展趨勢(shì)［J］.南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，25(6):6－8.

［9］肖忠平，盧曉寧.木質(zhì)復(fù)合功能材料的研制開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀［J］.林業(yè)科技開(kāi)發(fā)，2003，17(2):9－12.

［10］沈爾安.國(guó)外新式保健家具一瞥［J］.醫(yī)療保健器具，2002(11):64－65.

［11］張富麗.遠(yuǎn)紅外紡織品的研究與應(yīng)用［J］.海軍醫(yī)學(xué)雜志，1999，20(2):154－156.