竹炭遠(yuǎn)紅外發(fā)射率影響因素研究

劉文芳，趙 磊，崔 簫，李文珠，張文標(biāo)

（浙江農(nóng)林大學(xué) 工程學(xué)院，浙江 臨安311300）

紅外線是一種位于微波和可見光之間的電磁波，根據(jù)它的波長范圍可分為近紅外線（0.76～1.5μm）、中紅外線（1.5～3.9μm）和遠(yuǎn)紅外線（3.9～1 000μm）［1-2］。其中可發(fā)射遠(yuǎn)紅外線的材料被稱為遠(yuǎn)紅外輻射材料，是近年新發(fā)展起來的熱轉(zhuǎn)換功能材料［3］。遠(yuǎn)紅外可以被人體共振吸收，將其轉(zhuǎn)化成熱量，起到活化細(xì)胞，加速新陳代謝，從而達(dá)到保健的作用［4-5］。

竹炭是竹材綜合利用的一條有效途徑，是竹材熱解產(chǎn)品之一。竹炭應(yīng)用主要集中在室內(nèi)空氣凈化［6-8］、污水處理［9-11］和土壤改良［12-13］等領(lǐng)域。竹炭紅外吸收與維恩定律具有很好的對應(yīng)關(guān)系，在室溫下紅外吸收峰主要集中在8～14μm，處于對人體極為有利的遠(yuǎn)紅外線波長范圍。但在紅外方面研究和應(yīng)用比較薄弱，主要有張文標(biāo)等［14-15］研究竹炭具有較高的法向比輻射率，在測試溫度25℃，波段范圍為8.00～25.00μm時(shí)，竹炭遠(yuǎn)紅外發(fā)射率為0.888～0.904；竹齡對遠(yuǎn)紅外發(fā)射率有影響，其中6～8 a的竹材燒制而成的竹炭遠(yuǎn)紅外發(fā)射率比2～4 a的高1.8%左右。鄭劍等［16］對竹炭遠(yuǎn)紅外測量方法進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)樣品溫度、所處環(huán)境對其測試結(jié)果沒有影響，基本都在在0.921～0.942的范圍內(nèi)。鄭少波等［17］發(fā)現(xiàn)不同類型的毛竹竹炭進(jìn)行遠(yuǎn)紅外發(fā)射率研究，發(fā)現(xiàn)含水率在5%以下，竹炭的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率為0.949，隨后遠(yuǎn)紅外發(fā)射率隨著含水率的增大而增大；粒徑在100目以下，竹炭的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率不穩(wěn)定，普遍偏高，而粒徑大于100目后，其遠(yuǎn)紅外發(fā)射率基本穩(wěn)定在0.95。潘炘等［18］對不同部位的炭進(jìn)行研究表明所有竹炭樣品遠(yuǎn)紅處發(fā)射率均在0.90以上。

為了更全面系統(tǒng)研究竹炭紅外發(fā)射率的影響因素，探索其產(chǎn)生遠(yuǎn)紅外作用機(jī)理，以及為開發(fā)遠(yuǎn)紅外保健產(chǎn)品提供理論依據(jù)。所以，研究重點(diǎn)圍繞不同竹種、不同炭化工藝、不同理化性能、不同顆粒直徑的竹炭，利用IR-2型雙波段紅外發(fā)射率測試儀測試其遠(yuǎn)紅外發(fā)射率，對其測試數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，獲得不同類型竹炭的紅外發(fā)射率結(jié)果與其影響因素之間的關(guān)系；同時(shí)利用傅立葉變換紅外光譜儀和粉末X射線衍射儀測試竹炭的基團(tuán)和晶體結(jié)構(gòu)及結(jié)晶度，通過圖譜曲線，進(jìn)一步了解竹炭遠(yuǎn)紅外發(fā)射率大小變化情況，從而研究其產(chǎn)生的機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)材料

本章總體介紹了以下幾個(gè)因素（竹種、竹齡、碳化溫度、密度、含水率、粒徑、固定碳及碳元素）對竹炭遠(yuǎn)紅外發(fā)射率的影響。

（1）原材料：4年生散生竹：毛竹（Phyllostachys edulis）、方竹［Chimonobambusa quadrangularis（Fenzi）Makino］、少穗竹（Oligostachyum sulcatum Wang et Ye）、斑竹（Ph．bambusoides Sieb．et Zucc．f．lacrima-deae Keng f．etWen）、雷竹（Ph．praecox C．D．Chu et C．S．Chao Prevernalis）；4年生叢生竹：刺竹（B．blumeana Schult．f）、白夾竹［Ph．bissetii（McClure）］和赤竹（Sasa longiligulata McClure）。

（2）實(shí)驗(yàn)材料的制備：

①不同竹齡制備的竹炭：竹材選用產(chǎn)地為安吉的毛竹，主要選用2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12 a和13 a等12個(gè)竹齡的毛竹，每個(gè)竹齡均選取5株大小相近的毛竹，取中部并將其加工成40 cm的竹段，在磚土窯、炭化溫度為800℃的條件下，經(jīng)21 d燒制成竹炭。

②不同炭化溫度制備的竹炭：竹材選用產(chǎn)地為安吉的毛竹，取35株4年生毛竹，截取中部并將其加工成40 cm的竹段，在磚土窯、按不同的炭化溫度（7組炭化溫度，每組5株毛竹），經(jīng)21 d燒制成竹炭。

③不同粒徑竹炭：取②中炭化溫度為800℃的毛竹炭，將其研磨粉碎，篩選≥250μm、180～250μm、150～180μm、106～150μm、75～106μm、＜75μm 6種規(guī)格的竹炭備用。

④不同含水率的竹炭：?、谥刑炕瘻囟?00℃的毛竹炭樣品用植物粉碎機(jī)（HC-280T2，永康綠可視頻機(jī)械有限公司）粉碎至100目（150μm），分成n份，每份10 g，放入電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（DHG-9023A）中，在（105±2）℃條件下烘干至恒重，取出樣品，分別加入不等量的蒸餾水，用研缽研勻，并測試此時(shí)樣品的含水率，得到不同含水率的竹炭備用。

⑤不同密度的竹炭：取①②燒制成的竹炭（此時(shí)竹炭只 密度只一個(gè)變量？？），將不規(guī)則竹炭放置電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱烘至恒重，將樣品取出放置在密閉條件中至恒溫。之后將樣品置于蒸餾水中至飽和狀態(tài)，用固體密度計(jì)（AG204，瑞士梅特勒公司）測試出飽和水狀態(tài)的密度。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 竹炭遠(yuǎn)紅外發(fā)射率

遠(yuǎn)紅外發(fā)射率是紅外輻射特性的一個(gè)非常重要的參數(shù)［19］，比發(fā)射率ε是物體的輻射出射度與相同溫度相同波長下絕對黑體的輻射出射度的比值，體現(xiàn)了物體的紅外輻射能力［14］，其表達(dá)式為：

式中：M—物體的輻出度，Mb—黑體的輻出度。

測試儀器為雙波段紅外發(fā)射率測量儀（IR-2，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所）如圖1，測試方法為：將烘干后竹炭過100目（150μm）的標(biāo)準(zhǔn)篩（測試不同粒徑竹炭的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率時(shí)此步省略），放入專用模具將表面壓制平整，采用IR-2雙波段紅外發(fā)射率測量儀，測量竹炭的紅外發(fā)射率。測試溫度為（25±0.5）℃，測量精度為±0.001；分別在1～22μm波段和8～14μm波段對樣品進(jìn)行紅外發(fā)射率的測定，每個(gè)樣品測試20次，去掉最大值和最小值后取平均值。

其中，不同樣品測試結(jié)果偏差大于1%時(shí)認(rèn)為有影響。

圖1 IR-2雙波段紅外發(fā)射率測量儀Fig.1 IR-2 dual-band infrared emissivitymeasuring instrument

2.2 竹炭紅外吸收光譜

測試儀器為傅立葉變換紅外光譜儀（IR Prestige-21，日本島津公司）。測試方法：將竹炭研磨，過200目（75 μm）標(biāo)準(zhǔn)篩后在干燥箱中烘至絕干。取試樣約5mg于研缽中，同時(shí)稱取約500mg溴化鉀，在瑪瑙研缽中充分研磨混合均勻后，精確稱量100 mg用專用固體壓片機(jī)壓制成透明錠片，通用傅立葉變換紅外光譜儀掃描波數(shù)范圍4 000～400 cm-1得，到竹炭的紅外吸收光譜圖［20］。

2.3 竹炭理化性能的測定

2.3.1 灰分的測定 參考標(biāo)準(zhǔn)GB／T 26913-2011《竹炭》［21］中竹炭的灰分測定方法，取1 g試樣粉碎過100目（150μm）篩網(wǎng)并烘至絕干，于（800±20）℃下灼燒至恒重，冷卻至室溫稱重，以殘留物的質(zhì)量占試樣重量的百分?jǐn)?shù)表示炭材料的灰分，計(jì)算公式如下：

式中：A—試樣的灰分，%；m1—坩堝的質(zhì)量，g；m2—灰和坩堝的總質(zhì)量，g；m—試樣的質(zhì)量，g。

2.3.2揮發(fā)分測定 參考標(biāo)準(zhǔn)GB／T 26913-2011《竹炭》中竹炭的揮發(fā)分測定方法，取1 g試樣粉碎過100目（150μm）篩網(wǎng)并烘至絕干，于（850±20）℃下隔絕空氣加熱7 min，以所失去的質(zhì)量占原試樣質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)表示炭材料的揮發(fā)分，計(jì)算公式如下：

式中：V—試樣的揮發(fā)分，%；m1—坩堝的質(zhì)量，g；m2—試樣加熱后剩余物質(zhì)與坩堝的總質(zhì)量，g；m—試樣的質(zhì)量，g。

2.3.3 固定碳測定 固定碳的計(jì)算是通過灰分和揮發(fā)份的結(jié)果計(jì)算的出的，計(jì)算公式如下：

式中：C—試樣的固定碳，%；A—試樣的灰分，%；V—試樣的揮發(fā)分，%。

2.3.4 含水率的測定 竹炭樣品粉碎至100目（150μm），分成n份，經(jīng)（105±2）℃烘至絕干，分別加入蒸餾水，用研缽研勻，并根據(jù)GB／T26913測試最終含水率，竹炭含水率計(jì)算公式如下：

式中：W—試樣的含水率，%；m1—試樣原質(zhì)量，g；m0—試樣絕干質(zhì)量，g。

2.3.5 密度的測定 竹炭是多孔性物質(zhì)易吸水，不能用常規(guī)方法，本文主要測試竹炭的真實(shí)密度。將不規(guī)則竹炭放置烘箱烘至絕干，將其置于蒸餾水中至飽和狀態(tài)，用固體密度計(jì)儀，測試出飽和水狀態(tài)的密度，竹炭密度計(jì)算公式如下：

式中：m0—竹炭塊絕干質(zhì)量，g；m1—竹炭塊吸水飽和后的質(zhì)量，g；ρ1—吸水飽和后竹炭塊的密度，g·cm-3。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖2 不同炭化溫度毛竹炭的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率Fig.2 Far infrared emissivity of bamboo charcoal with different carbonization temperature

圖3 不同炭化溫度竹炭的主要理化性能Fig.3 Main physicochemical properties of bamboo charcoalwith different carbonization temperatures

3.1 炭化溫度對竹炭遠(yuǎn)紅外發(fā)射率的影響

實(shí)驗(yàn)炭化溫度設(shè)定為400～1 000℃。以4年生中部的毛竹為原材料，在磚土窯、不同炭化溫度（400～1 000℃）的條件下燒制成毛竹炭，測試這些不同炭化溫度毛竹炭的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率，測試結(jié)果見圖2。

不同炭化溫度的竹炭遠(yuǎn)紅外發(fā)射率的測試結(jié)果見圖2，從中可以看出：在8～14μm波段，400～600℃時(shí)，炭化溫度比較低時(shí)，竹炭的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率逐漸上升，炭化溫度達(dá)到600℃后，竹炭的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率緩慢上升，到達(dá)800℃后達(dá)到最大值0.907，比炭化溫度400℃竹炭的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率提高1.6%，之后竹炭的紅外發(fā)射率是基本穩(wěn)定在0.906。因此，紅外發(fā)射強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)隨著炭化溫度的升高先升高，到達(dá)某個(gè)溫度極限時(shí)再下降的微弱趨勢，在1～22μm波段趨勢與8～14μm波段基本一致，但是更加明顯。其中8～14μm波段竹炭的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率比1～22μm波段約高5%。

產(chǎn)生這一現(xiàn)象可能與與竹材在不同炭化溫度時(shí)炭化產(chǎn)物的成分和含量有關(guān)聯(lián)。閆國祺［22］研究中表明：保溫3 h，炭化溫度為700℃的條件下，竹炭的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率最高；在炭化溫度炭化溫度為700℃，保溫5 h的條件下，竹炭的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率最高。與實(shí)驗(yàn)相比，是因?yàn)橹裉刻炕に嚥煌鴮?dǎo)致結(jié)果略有差異。

為了進(jìn)一步探究原因，下面對不同炭化溫度的炭進(jìn)行主要理化性能（固定碳、灰分、揮發(fā)分）測試。測試結(jié)果見圖3。

由圖3可以看出：隨著炭化溫度的升高竹炭的灰分保持在1%～2%范圍，而揮發(fā)分逐漸減小，固定碳的含量在炭化溫度達(dá)到500℃后逐漸上升，600℃以后達(dá)到基本穩(wěn)定，這是由于炭化溫度到達(dá)600℃后，竹炭中一部分有機(jī)物開始炭化，最終變成竹炭的固定碳，隨著炭化溫度的增加，石墨化程度增大，碳元素的排列更加規(guī)則有序。通過觀察竹炭理化性能的變化，發(fā)現(xiàn)竹炭固定碳的變化規(guī)律與竹炭遠(yuǎn)紅外發(fā)射率升高趨勢基本一致，表明竹炭的固定碳與遠(yuǎn)紅外發(fā)射率有一定的關(guān)系，為了進(jìn)一步了解固定碳與竹炭遠(yuǎn)紅外發(fā)射率的關(guān)系，對竹炭的固定碳進(jìn)行測試，結(jié)果如圖4。

圖4 不同炭化溫度竹炭的固定碳含量Fig.4 Fixed carbon content of bamboo charcoalwith different carbonization temperatures

圖5 不同炭化溫度竹炭的紅外光譜圖Fig.5 Infrared spectrum of bamboo charcoal with different carbonization temperatures

對圖 4 數(shù)值進(jìn)行擬合，得到多項(xiàng)式 y＝-0．000 1x2+0．206 1x+9．803 9，其中R2＝0．844 4，說明擬合程度較好，比較可靠。說明竹炭的固定碳很大程度影響竹炭的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率。為了得到竹炭與竹炭遠(yuǎn)紅外發(fā)射率升高的微觀原因，進(jìn)一步對竹炭進(jìn)行紅外光譜測試。

由圖5可知，隨著炭化溫度的升高，竹炭的紅外吸收光譜圖中的特征吸收峰的數(shù)量和強(qiáng)度都有明顯的減弱，其中3 100～3 650 cm-1（波長2.74～3.23μm）處代表-OH的伸縮振動峰，隨著炭化溫度的升高，-OH官能團(tuán)的數(shù)量逐漸減少，歸因于可能是竹炭中游離水、結(jié)合水的脫除以及竹炭中未炭化的半纖維素、纖維素中羥基的減少［23］；1 650～1 900 cm-1（波長5.26～6.06μm）是屬于羰基的伸縮振動峰，隨炭化溫度的升高吸收峰強(qiáng)度明顯減弱，可能是由于竹炭中部分有機(jī)物發(fā)生脫羧、脫羰反應(yīng)生成CO2和CO氣體，導(dǎo)致C＝O峰的峰值降低［24］；1 350～1 500 cm-1頻帶為苯環(huán)骨架C＝C伸縮振動，隨炭化溫度升高，C＝C吸光度值有所下降［25］。1 000～1 250 cm-1頻帶為典型的指紋區(qū)，該區(qū)域主要由芳香族苯基及酚類的C-O、C-H和碳鏈伸縮振動產(chǎn)生，隨著炭化溫度升高，C-O、CH和碳鏈吸光度值逐漸下降，歸因于可能是木質(zhì)素中的斷裂導(dǎo)致固體產(chǎn)物酚類含量減少［26］。

紅外吸收光譜中峰值降低主要是由于隨著炭化溫度的升高，竹材中有機(jī)物逐漸熱解，Ma等［27］和陳登宇等［28］對3組分熱失重規(guī)律進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)半纖維素的熱解區(qū)間在185～325℃、纖維素的熱解區(qū)間在270～400℃、木質(zhì)素3組分熱降解區(qū)間在100～800℃。其中，半纖維素分子結(jié)構(gòu)屬于非晶結(jié)構(gòu)，存在較多的支鏈，受熱易被降解，穩(wěn)定性最差；纖維素主要由葡萄糖聚合物而成，沒有支鏈，分子結(jié)構(gòu)比較規(guī)整，熱穩(wěn)定較強(qiáng)；木質(zhì)素主要與由多糖組成，化學(xué)鍵的活性范圍覆蓋較廣，在較寬的溫度范圍木質(zhì)素發(fā)生降解。紅外光譜吸收的強(qiáng)弱主要決定于振動的偶極矩的變化［29］，當(dāng)碳網(wǎng)構(gòu)造越大時(shí)，環(huán)的振動會引起的整個(gè)碳網(wǎng)的偶極矩變化越小［30］。由于炭化溫度達(dá)到600℃后竹材中的有機(jī)成分基本熱解完成，竹炭基團(tuán)組成基本相同，分子的振動和轉(zhuǎn)動情況相近，對紅外吸收作用區(qū)別不大。

人體的體表溫度為37℃，根據(jù)維恩位移定律計(jì)算可知最適合人體吸收的波段為9.35μm（1 069 cm-1）處于遠(yuǎn)紅外波段，由圖2～5可知，竹炭在1 000～1 250 cm-1處有寬而大的吸收峰，所以竹炭具有優(yōu)良的遠(yuǎn)紅外效應(yīng)，適于人體吸收［14］。

3.2 竹齡對竹炭遠(yuǎn)紅外發(fā)射率的影響測試及分析

選用不同竹齡（2～13 a）、同等部位的毛竹為原材料，在磚土窯、炭化溫度800℃的條件下燒制而成毛竹炭，測試這些不同竹齡毛竹炭的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率，測試結(jié)果如表1。

表1 不同竹齡毛竹炭的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率測試Tab.1 Far infrared emissivity of bamboo charcoalwith different bamboo age

表1結(jié)果顯示：竹齡對竹炭的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率影響較大，4、9年生的竹材燒制而成的竹炭，其遠(yuǎn)紅外發(fā)射率最高，達(dá)到0.927。4～5 a的竹炭遠(yuǎn)紅外發(fā)射率迅速下降，5～8 a竹炭的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率基本穩(wěn)定，8～9 a竹炭遠(yuǎn)紅外發(fā)射率迅速上升，9～13 a竹炭的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率隨竹齡的增大表現(xiàn)為略有下降，遠(yuǎn)紅外發(fā)射率的減少幅度為0.004／年。4年生與2年生竹炭相比，竹炭的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率提高了2.2%。

一般竹子的成熟期在4 a，毛竹在生長過程當(dāng)中其化學(xué)組成存在變化［31］，并且毛竹在早期的生長過程中這種變化比較明顯：在其生長的后期，這種趨勢漸漸變化，直至穩(wěn)定不變。蔣乃翔［32］對不同竹齡毛竹纖維素結(jié)晶度進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)竹子上下部結(jié)晶度會隨著竹齡的增大表現(xiàn)為先減小后增大的趨勢，其中3年竹材的結(jié)晶度最??；中部則表現(xiàn)為先增大后不變的趨勢；對于不同竹齡毛竹的化合物進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)竹齡的增長化合物的含量也越多。

由表1竹炭主要理化性能可知：2～13 a的竹炭灰分基本保持在5%以內(nèi)，固定碳4 a和9 a及以上的竹炭最高，符合不同竹齡燒制而成的竹炭的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率的關(guān)系，驗(yàn)證了竹炭的固定碳是竹炭遠(yuǎn)紅外發(fā)射率最大的影響因素之一。雖然竹子年齡為9 a的竹炭遠(yuǎn)紅外發(fā)射率最高，但生長周期過長，因此，制備竹炭的竹子竹齡在4 a為宜。

3.3 竹炭粒徑對遠(yuǎn)紅外發(fā)射率的影響

以4年生、同等部位的毛竹為原材料，在磚土窯、炭化溫度為800℃的條件下燒制而成的毛竹炭，將這些竹炭粉碎篩選出不同粒徑的竹炭顆粒，測試不同竹炭粒徑的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率，測試結(jié)果如表2。

表2 不同粒徑毛竹炭的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率測試Tab.2 Far-infrared emissivity of bamboo charcoalwith different grain diameter

從表2可以看出，在波段1～22μm，竹炭的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率基本不變的，而在波段8～14μm中，竹炭遠(yuǎn)紅外比發(fā)射率開始是隨著粒徑的變小而減少，但粒徑到150μm以下（100目以上）后，竹炭遠(yuǎn)紅外比發(fā)射率趨于穩(wěn)定。這是由于竹炭的粒徑較大時(shí)，表面過于粗糙，導(dǎo)致竹炭的總輻射表面積偏大［33］。王京［34］的研究是針對抑制熱噴流紅外輻射規(guī)律進(jìn)行研究，研究的主要對子昂是懸浮粒子，結(jié)果表明顆粒粒徑取100目左右對紅外抑制率的影響比較顯著?？倎碚f，竹炭的粒徑在100目以前對遠(yuǎn)紅外發(fā)射率影響較大，小于150μm，竹炭的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率基本不變，粒徑選于150μm以下為宜。

3.4 含水率對竹炭遠(yuǎn)紅外發(fā)射率的影響

以4年生、同等部位的毛竹為原材料，在磚土窯、炭化溫度800℃的條件下燒制而成毛竹炭，將竹炭制成不同含水率的竹炭，測試不同含水率竹炭的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率，測試結(jié)果如圖6。

圖6 不同含水率毛竹炭的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率測試Fig.6 Far infrared emissivity of bamboo charcoalwith differentwater content

由圖6可以看出，隨著竹炭含水率的增加，在1～22μm波段和8～14μm波段中竹炭的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率均為上升趨勢，到達(dá)含水率25%以后，竹炭的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率達(dá)到平衡。在波段8～14μm中，擬合曲線的R2＝0.924 1，在全波段中R2＝0.884 5，由此可知此實(shí)驗(yàn)可靠性極高。竹炭的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率受竹炭含水率影響較大。水分子存在的空間有n個(gè)運(yùn)動自由度，每個(gè)自由度都有一種基本振動方式，當(dāng)分子按這種方式振動時(shí)，所有的原子都在同位相，并且有相同的振動頻率。每個(gè)紅外活性的簡正振動都有一個(gè)特征頻率，即能夠發(fā)射紅外光譜。水分子發(fā)射紅外光譜的特性，使含水量高的樣本紅外線比發(fā)射率增加［35］。

由嚴(yán)建敏等［36］和盧克陽等［37］的文章中，可以看出竹炭在一定的溫濕度范圍中，竹炭的吸濕率可以達(dá)到9%～14%，在這范圍內(nèi)結(jié)合現(xiàn)實(shí)生活，竹炭在使用時(shí)會隨含水率的增加而增加，在某些方面可以加以利用竹炭遠(yuǎn)紅外輻射的這一特性。

3.5 竹種竹炭對遠(yuǎn)紅外發(fā)射率的影響

選用不同竹種（散生竹和叢生竹）的竹材，炭化溫度800℃，磚土窯燒制而成的竹炭為原材料，測試竹種與竹炭遠(yuǎn)紅外發(fā)射率的關(guān)系，測試如表3。

表3 不同竹種竹炭的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率測試Tab.3 Far-infrared emissivity of carbon with different bamboo species

圖7 不同密度毛竹炭的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率測試Fig.7 Far infrared emissivity of carbon with different density

從表3中可知：各竹種竹炭在8～14μm波段的紅外發(fā)射率測試結(jié)果基本相近或相同，這說明在這一波段竹種的不同對竹炭紅外發(fā)射率的影響并不是很大。在全波段的紅外發(fā)射率測試中，大小排列為：刺竹＜方竹＜斑竹＜白夾竹＜赤竹＜少穗竹＜雷竹＜毛竹，其中以毛竹為最高；各竹種炭的灰分大小排列為：毛竹＜赤竹＜方竹＜少穗竹＜斑竹＜雷竹＜刺竹＜白夾竹；固定碳大小排列為：刺竹＜方竹＜白夾竹＜斑竹＜少穗竹＜赤竹＜雷竹＜毛竹。比表面積中刺竹最小，方竹的比表面積最大，其次是雷竹和毛竹，另外幾種竹炭的比表面積為340 m2·g-1左右。由此可見散生竹竹炭的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率基本都大于叢生竹，主要原因是散生竹的固定碳含量大于叢生竹，并且竹炭遠(yuǎn)紅外發(fā)射率隨著固定碳含量的增加而升高?？梢缘贸錾⑸裰裉康倪h(yuǎn)紅外發(fā)射率高于叢生竹竹炭，其中竹炭的固定碳是影響竹炭遠(yuǎn)紅外發(fā)射率的一個(gè)重要因素。

圖8 不同固定碳竹炭的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率測試Fig.8 Far-infrared emissivity test of different fixed carbon bamboo charcoal

3.6 密度對竹炭遠(yuǎn)紅外發(fā)射率的影響

以4年生、同等部位的毛竹為原材料，在炭化溫度800℃的條件下燒制而成毛竹炭，從竹炭中篩選出不同密度的竹炭，測試竹炭的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率，測試結(jié)果如圖7。

不同密度竹炭的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率測試結(jié)果如圖7，從圖中看出同一密度的不同種類（竹齡、炭化溫度）竹炭的紅外發(fā)射率呈“S”型走向，基本無關(guān)聯(lián)，故密度不是竹炭遠(yuǎn)紅外發(fā)射率主要的影響因素。

竹材的炭化溫度和時(shí)間不同，竹炭的維管束收縮程度、細(xì)胞間隙、細(xì)胞含量和排列結(jié)構(gòu)不同［38］，密度越大，竹炭的維管束收縮越大、纖絲的結(jié)構(gòu)排列也會相對發(fā)生變化、導(dǎo)管和管孔變小、細(xì)胞的細(xì)胞壁含量則會相對變大。因此，竹炭的密度取決于竹種、竹材的炭化溫度以及炭化時(shí)間。竹炭密度與竹炭遠(yuǎn)紅外發(fā)射率具有間接關(guān)系，不能用竹炭密度的大小來判定竹炭遠(yuǎn)紅外發(fā)射率的大小。

圖9 不同碳元素含量竹炭的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率測試Fig.9 Far-infrared emissivity test of bamboo charcoal with different carbon content

3.7 固定碳、碳元素對竹炭遠(yuǎn)紅外發(fā)射率的影響

3.7.1 固定碳對竹炭遠(yuǎn)紅外發(fā)射率的影響 由以上不同竹炭的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率影響因素的研究，發(fā)現(xiàn)竹炭的固定碳含量對其遠(yuǎn)紅外發(fā)射率影響較大，因此，選用市售多種竹炭，對其進(jìn)行竹炭的固定碳含量和遠(yuǎn)紅外發(fā)射率，探索不同固定碳與竹炭遠(yuǎn)紅外發(fā)射率的關(guān)系，測試結(jié)果如圖8。

從圖8中可以看出在8～14μm波段，固定碳與遠(yuǎn)紅外發(fā)射率正相關(guān)關(guān)系，擬合為多項(xiàng)式方程y＝0．001 8x2+0．752；在1～22μm波段，固定碳與遠(yuǎn)紅外發(fā)射率呈線性關(guān)系，擬合方程為y＝0．003 4x+0．533。由此可以看出固定碳對竹炭影響較大，這可能是由于固定碳較大的竹炭中碳網(wǎng)的面積比較大，從而導(dǎo)致竹炭的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率較大。

3.7.2 碳元素對竹炭遠(yuǎn)紅外發(fā)射率的影響 選用市售多種竹炭，對其進(jìn)行竹炭的碳元素含量和遠(yuǎn)紅外發(fā)射率，探索竹炭的碳元素含量對遠(yuǎn)紅外發(fā)射率的關(guān)系，測試結(jié)果如圖9。

從圖9中可以看出，竹炭的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率隨碳元素的升高而微有上升，但是上升幅度較小，因此，竹炭的碳元素含量是影響竹炭遠(yuǎn)紅外發(fā)射率的次要因素。

4 結(jié)論

（1）炭化溫度與竹炭的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率之間存在顯著關(guān)系：炭化溫度比較低時(shí)，竹炭的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率上升，炭化溫度達(dá)到800℃后，不同炭化溫度竹炭的紅外發(fā)射率基本穩(wěn)定在0.904～0.906。

（2）竹齡與竹炭的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率存在相關(guān)性。實(shí)驗(yàn)得出4 a、9 a的竹材燒制而成的竹炭遠(yuǎn)紅外發(fā)射率最大，可達(dá)到0.927?？紤]竹材的成材周期，選用4年生竹材燒制竹材為宜。

（3）竹炭粒徑與竹炭紅外發(fā)射率存在一定的相關(guān)性。在波段1～22μm，不同粒徑竹炭（＜75μm、75～250μm、≥250μm）的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率基本不變的，而在波段8～14μm中，竹炭遠(yuǎn)紅外發(fā)射率開始是隨著粒徑的變小而減少，但粒徑在150μm以內(nèi)竹炭遠(yuǎn)紅外比發(fā)射率趨于穩(wěn)定。

（4）竹炭理化性能對竹炭的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率存有影響。在8～14μm波段中，隨著竹炭含水率的增加其遠(yuǎn)紅外發(fā)射率呈上升趨勢，當(dāng)含水率25%時(shí)達(dá)到最大，之后趨于平衡；隨著固定碳的增加而增大，當(dāng)固定碳達(dá)到90%，發(fā)射率最大其值為0.907，逐步趨于穩(wěn)定；竹炭的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率隨竹炭碳元素的增大而微有增大，碳元素是遠(yuǎn)紅外發(fā)射率的次要因素；竹炭密度與遠(yuǎn)紅外發(fā)射率呈“S”型趨勢，變化規(guī)律不明顯。

（5）在8～14μm波段，竹炭的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率與竹種有很大關(guān)系，其中散生竹竹炭的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率大于叢生竹，而且遠(yuǎn)紅外發(fā)射率隨固定碳含量的增加而增大。

（6）在8～14μm波段，竹炭的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率在0.890～0.910之間；在1～22μm波段，竹炭的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率在0.820～0.870之間。