遠(yuǎn)紅外型木質(zhì)功能材料及其性能測試1)

周兆兵 傅 峰 張 洋

(中國林業(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，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。而且化學(xué)性能穩(wěn)定且無毒，在加工和使用過程中不傷害人體，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，購自江蘇宿遷，12年生。根據(jù)處理工藝需要，沿原木段長度方向在沒有節(jié)疤和可見缺陷處鋸切尺寸(長×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 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)行性能測試。

1.2 浸漬效果的評價

采用質(zhì)量增加率來定量評價不同質(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試實驗裝置見圖1［11］。紅外光源選用功率為250 W的紅外燈泡，其主波長在2.4 μm左右;試件表面的照射光強調(diào)節(jié)為650 W/m2，試件架測試窗開口面積為60 mm×60 mm。

圖1 遠(yuǎn)紅外透射率測試裝置示意圖

遠(yuǎn)紅外輻射透射率的測試原理與方法:紅外光源垂直入射試件，試件粘在一塊打孔的鋁板孔洞上，鋁板開口面積略大于接收器的測試頭面積，使沒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試數(shù)據(jù)。測試時，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度(650 W/m2)、紅外輻射強度計至試件架中心的距離及角度，然后測試各試件透射紅外輻射強度(It)。重復(fù)測試5次，計算平均值。遠(yuǎn)紅外輻射透射率計算方法［11］:αt=(It/I0)×100%。式中:It為紅外透射強度(單位為W/m2);I0為紅外輻射強度(W/m2)。

遠(yuǎn)紅外輻射反射率測試實驗采用的紅外光源及紅外輻射接收器與透射率測試方法相同，不同的是測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。為防止輻射源對接收器的影響，測試時兩者間用拋光鋁板隔開(見圖2)。

圖2 遠(yuǎn)紅外反射率測試裝置示意圖

遠(yuǎn)紅外輻射反射率的測試原理與方法:由于試件的反射光是表面反射和內(nèi)部反射的復(fù)合，且在整個反射半球內(nèi)沿試件中心作對稱分布，所以，測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稱分布，便于測試時對測試數(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，用輻射度計測出試件所受照射光強;然后在反射半球的一個赤道圓周上，利用輻射度計測出多個角度的反射光強;最后根據(jù)所測光強，通過積分求出整個反射半球的總反射強度。再結(jié)合入射強度，即可計算出試件的反射率(αr)，重復(fù)測試5次取平均值。

遠(yuǎn)紅外輻射反射率的計算公式［11］:αr=K·Ir。式中:Ir為法向偏角25°處反射紅外輻射強度(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為試件對遠(yuǎn)紅外輻射的吸收率。將計算式變形即可以用來計算遠(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，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，質(zhì)量增加率達(dá)22.7%。這說明，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(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處理液對表面溫差的影響

圖4為紅外光源照射5 min時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(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℃。這說明，遠(yuǎn)紅外物質(zhì)對于遠(yuǎn)紅外木質(zhì)功能材料的熱效應(yīng)功能具有增強作用。

圖4 紅外光源照射5 min時試件表面的溫差

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試的計算結(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。其中:遠(yuǎn)紅外輻射透射率呈線性遞減的趨勢(R2=0.991 3)，而遠(yuǎn)紅外輻射反射率則呈二次多項式遞減趨勢(R2=0.994 4)。這說明，隨著遠(yuǎn)紅外物質(zhì)的質(zhì)量濃度的增加，對遠(yuǎn)紅外輻射反射率的影響有所減緩，而對遠(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)采用的是微納米級微粒，對遠(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。因此，試件表面的遠(yuǎn)紅外輻射透射率和反射率有所降低。這與計算出的各試樣的遠(yuǎn)紅外輻射吸收率呈遞增趨勢(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，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，本文的測試原理及計算方法，可以用來分析遠(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，說明這些方法可以用來表征遠(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試方法。測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:本文的測試原理及計算方法，可以用來表征遠(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。這說明，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。

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