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(zhǎng)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(duì)應(yīng)關(guān)系，在室溫下紅外吸收峰主要集中在8～14μm，處于對(duì)人體極為有利的遠(yuǎn)紅外線波長(zhǎng)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(cè)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(duì)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(duì)竹炭遠(yuǎn)紅外測(cè)量方法進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)樣品溫度、所處環(huán)境對(duì)其測(cè)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(duì)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(cè)試儀測(cè)試其遠(yuǎn)紅外發(fā)射率，對(duì)其測(cè)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(cè)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(duì)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：取②中炭化溫度800℃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(cè)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(cè)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(zhǎng)下絕對(duì)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(cè)試儀器為雙波段紅外發(fā)射率測(cè)量?jī)x（IR-2，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所）如圖1，測(cè)試方法為：將烘干后竹炭過100目（150μm）的標(biāo)準(zhǔn)篩（測(cè)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(cè)量?jī)x，測(cè)量竹炭的紅外發(fā)射率。測(cè)試溫度為（25±0.5）℃，測(cè)量精度為±0.001；分別在1～22μm波段和8～14μm波段對(duì)樣品進(jìn)行紅外發(fā)射率的測(cè)定，每個(gè)樣品測(cè)試20次，去掉最大值和最小值后取平均值。

其中，不同樣品測(cè)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(cè)量?jī)xFig.1 IR-2 dual-band infrared emissivitymeasuring instrument

2.2 竹炭紅外吸收光譜

測(cè)試儀器為傅立葉變換紅外光譜儀（IR Prestige-21，日本島津公司）。測(cè)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(cè)定

2.3.1 灰分的測(cè)定 參考標(biāo)準(zhǔn)GB／T 26913-2011《竹炭》［21］中竹炭的灰分測(cè)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(cè)定 參考標(biāo)準(zhǔn)GB／T 26913-2011《竹炭》中竹炭的揮發(fā)分測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(duì)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(cè)試這些不同炭化溫度毛竹炭的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率，測(cè)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(cè)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(shì)，在1～22μm波段趨勢(shì)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(duì)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(cè)試。測(cè)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(shì)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(duì)竹炭的固定碳進(jìn)行測(cè)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(duì)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(duì)竹炭進(jìn)行紅外光譜測(cè)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(zhǎng)2.74～3.23μm）處代表-OH的伸縮振動(dòng)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(zhǎng)5.26～6.06μm）是屬于羰基的伸縮振動(dòng)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(dòng)，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(dòng)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(duì)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(dòng)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(dòng)會(huì)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(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)情況相近，對(duì)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(duì)竹炭遠(yuǎn)紅外發(fā)射率的影響測(cè)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(cè)試這些不同竹齡毛竹炭的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率，測(cè)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(cè)試Tab.1 Far infrared emissivity of bamboo charcoalwith different bamboo age

表1結(jié)果顯示：竹齡對(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)過程中這種變化比較明顯：在其生長(zhǎng)的后期，這種趨勢(shì)漸漸變化，直至穩(wěn)定不變。蔣乃翔［32］對(duì)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(huì)隨著竹齡的增大表現(xiàn)為先減小后增大的趨勢(shì)，其中3年竹材的結(jié)晶度最小；中部則表現(xiàn)為先增大后不變的趨勢(shì)；對(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)周期過長(zhǎng)，因此，制備竹炭的竹子竹齡在4 a為宜。

3.3 竹炭粒徑對(duì)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(cè)試不同竹炭粒徑的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率，測(cè)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(cè)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(duì)抑制熱噴流紅外輻射規(guī)律進(jìn)行研究，研究的主要對(duì)子昂是懸浮粒子，結(jié)果表明顆粒粒徑取100目左右對(duì)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(duì)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(duì)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(cè)試不同含水率竹炭的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率，測(cè)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(cè)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(shì)，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(dòng)自由度，每個(gè)自由度都有一種基本振動(dòng)方式，當(dāng)分子按這種方式振動(dòng)時(shí)，所有的原子都在同位相，并且有相同的振動(dòng)頻率。每個(gè)紅外活性的簡(jiǎn)正振動(dòng)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(huì)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(duì)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(cè)試竹種與竹炭遠(yuǎn)紅外發(fā)射率的關(guān)系，測(cè)試如表3。

表3 不同竹種竹炭的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率測(cè)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(cè)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(cè)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(duì)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(cè)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(cè)試Fig.8 Far-infrared emissivity test of different fixed carbon bamboo charcoal

3.6 密度對(duì)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(cè)試竹炭的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率，測(cè)試結(jié)果如圖7。

不同密度竹炭的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率測(cè)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(huì)相對(duì)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(huì)相對(duì)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(cè)試Fig.9 Far-infrared emissivity test of bamboo charcoal with different carbon content

3.7 固定碳、碳元素對(duì)竹炭遠(yuǎn)紅外發(fā)射率的影響

3.7.1 固定碳對(duì)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(duì)其遠(yuǎn)紅外發(fā)射率影響較大，因此，選用市售多種竹炭，對(duì)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(cè)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(duì)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(duì)竹炭遠(yuǎn)紅外發(fā)射率的影響 選用市售多種竹炭，對(duì)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(duì)遠(yuǎn)紅外發(fā)射率的關(guān)系，測(cè)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(duì)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(shì)，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(shì)，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。