远红外型木质功能材料及其性能测试1)

周兆兵 傅 峰 张 洋

(中国林业科学研究院木材工业研究所，北京，100091) (南京林业大学)

现有的远红外线技术主要是采用合成的远红外物质来产生远红外线。工业上使用的远红外物质主要由金属氧化物及非金属氧化物经研磨后，在高温下烧结而成，原料的主要成分为 SiO2、Al2O3、ZrO2、MgO 及 TiO2等，或掺杂少量稀土氧化物以改进它们的性能［1－2］。近10 a来，远红外线辐射技术的研究成果，主要集中在以红外陶瓷粉作为保温材料应用在纺织面料织物［3－5］、皮革［6－7］中，使产品具有良好的保暖、保健、抑菌作用。在现有的远红外功能产品中，低温比辐射率高达80%以上，功能性较强。而且化学性能稳定且无毒，在加工和使用过程中不伤害人体，不污染环境。

木质材料是人们生活中必不可少且与人体紧密接触的工程材料。将远红外辐射功能赋予木质材料，改善木质材料功能，得到了木材科学研究者的关注。目前，木材科学工作者也研究开发出了一些具有某些特殊功能的木质复合材料，如阻燃、防腐、抗静电、电磁屏蔽等［8－9］。为适应人们健康与环保观念的需求，保健家具将成为今后家具市场的主导产品［10］。本文采用浸渍工艺，将远红外物质与速生杨木材进行复合制备远红外木质功能材料，探讨了远红外辐射性能测试方法，分析了所制备的远红外木质功能材料经不同质量浓度处理液处理后的远红外辐射效果，旨在为工业化生产提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 原材料制备

基材:速生杨木段，购自江苏宿迁，12年生。根据处理工艺需要，沿原木段长度方向在没有节疤和可见缺陷处锯切尺寸(长×宽×厚)为500 mm×50 mm×25 mm的木板15块，分5组，每组3块，四面刨光待用。

远红外物质:市购 Al2O3、MgO、TiO2、ZrO2等原料，并按一定的配方称好原料，放入到碾钵中磨细，过400目筛制得远红外粉。

远红外粉/MF处理液:为了能使远红外粉有效地作于木板，本文采用自制三聚氰胺树脂为溶剂，将不同质量分数的远红外粉分别与等量的三聚氰胺树脂混合，然后利用高压超声波处理30 min，再用搅拌器以1 500 r/min的转速搅拌30 min，使其不团聚，即制得远红外粉/MF 处理液(1#、2#、3#、4#、5#的处理液质量浓度分别为 0、2.5、5.0、7.5、10.0 g/L)。

远红外木质功能材料的制备:远红外木质功能材料的制备方法很多，本文采用浸渍方法。将杨木板分别浸没于含有不同质量浓度的远红外粉/MF混合液中，放入真空干燥箱中，在常温(20℃)、真空度为0.4 MPa的条件下进行抽真空浸注24 h，然后升温至120℃后干燥24 h，使三聚氰胺树脂完全固化。干燥后进行四表面砂光，锯截后进行性能测试。

1.2 浸渍效果的评价

采用质量增加率来定量评价不同质量浓度远红外粉/MF处理液的浸渍效果。质量增加率Wm=((m2－m1)/m1)×100%。式中:m1为试件处理前的绝干质量;m2为试件处理后的绝干质量。

1.3 远红外辐射效果测试方法

远红外木质功能材料的主要性能指标可分为:基本指标和功能指标。基本指标是指作为普通人造板应测试的性能参数;功能指标是指远红外辐射效果，即热效应、透射率、反射率、吸收率。远红外辐射透射率的测试实验装置见图1［11］。红外光源选用功率为250 W的红外灯泡，其主波长在2.4 μm左右;试件表面的照射光强调节为650 W/m2，试件架测试窗开口面积为60 mm×60 mm。

图1 远红外透射率测试装置示意图

远红外辐射透射率的测试原理与方法:红外光源垂直入射试件，试件粘在一块打孔的铝板孔洞上，铝板开口面积略大于接收器的测试头面积，使没有照在试件上的红外辐射被铝板隔断，避免照射到接收器上影响测试数据。测试时，调节试件架与红外辐射光源的距离，检查并校准试件前表面红外辐照强度(650 W/m2)、红外辐射强度计至试件架中心的距离及角度，然后测试各试件透射红外辐射强度(It)。重复测试5次，计算平均值。远红外辐射透射率计算方法［11］:αt=(It/I0)×100%。式中:It为红外透射强度(单位为W/m2);I0为红外辐射强度(W/m2)。

远红外辐射反射率测试实验采用的红外光源及红外辐射接收器与透射率测试方法相同，不同的是测试反射率的试件架是一直径为118 mm的相互嵌套的铁环，与试件圆心同球心的反射半球面的赤道半径距离为150 mm。为防止辐射源对接收器的影响，测试时两者间用抛光铝板隔开(见图2)。

图2 远红外反射率测试装置示意图

远红外辐射反射率的测试原理与方法:由于试件的反射光是表面反射和内部反射的复合，且在整个反射半球内沿试件中心作对称分布，所以，测试试件反射的方法是将试件做成圆形试样(将样品架做成圆形，使其有效部分为圆形)，这样，发射光将沿试件中心作对称分布，便于测试时对测试数据进行积分处理。红外光源从与试件中心同等高度上垂直照射试件，用辐射度计测出试件所受照射光强;然后在反射半球的一个赤道圆周上，利用辐射度计测出多个角度的反射光强;最后根据所测光强，通过积分求出整个反射半球的总反射强度。再结合入射强度，即可计算出试件的反射率(αr)，重复测试5次取平均值。

远红外辐射反射率的计算公式［11］:αr=K·Ir。式中:Ir为法向偏角25°处反射红外辐射强度(单位为W/m2);K为常数，取 1.357。

按照能量守恒原理，远红外辐射入射试件应满足［11］:αt+αr+αA=1。式中:αA为试件对远红外辐射的吸收率。将计算式变形即可以用来计算远红外辐射吸收率。

2 结果与分析

2.1 不同质量浓度远红外粉/MF处理液对质量增加率的影响

图3中，远红外粉/MF处理液质量浓度在0时，质量增加率为8.4%，为胶液的添加量;而加入远红外粉后，处理液质量浓度为10 g/L时，质量增加率达22.7%。这说明，随着远红外粉/MF处理质量液浓度的增大，试件平均质量增加率变大，增幅达170%以上，并呈直线上升趋势(R2=0.9578)。

图3 远红外粉/MF处理液质量浓度与质量增加率的关系

2.2 不同质量浓度远红外粉/MF处理液对表面温差的影响

图4为红外光源照射5 min时试件表面升温变化情况。从图4可以看出，添加了远红外粉的试件的温差，均比未添加远红外粉的试件的温差大，温度有了显著提高，且温差随处理液质量浓度的提高而呈线性增大的趋势(R2=0.990 9);处理液质量浓度为10 g/L的试件，温度变化最明显，在5 min内温度升高到26.7℃。这说明，远红外物质对于远红外木质功能材料的热效应功能具有增强作用。

图4 红外光源照射5 min时试件表面的温差

2.3 不同质量浓度远红外粉/MF处理液对透射率与反射率的影响

图5和图6分别为各试样的远红外辐射透射率和反射率测试的计算结果。从图5和图6中可以看出，随着处理液质量浓度的增加，远红外辐射透射率和反射率均呈降低趋势。其中:远红外辐射透射率呈线性递减的趋势(R2=0.991 3)，而远红外辐射反射率则呈二次多项式递减趋势(R2=0.994 4)。这说明，随着远红外物质的质量浓度的增加，对远红外辐射反射率的影响有所减缓，而对远红外辐射透射率的影响则较均匀。这是由于远红外物质采用的是微纳米级微粒，对远红外辐射具有一定的吸收作用，且随着微粒质量浓度的增加，这种吸收作用越强。因此，试件表面的远红外辐射透射率和反射率有所降低。这与计算出的各试样的远红外辐射吸收率呈递增趋势(1#、2#、3#、4#、5#试件的远红外辐射吸收率分别为 1.78%、9.65%、16.33%、19.44%、21.47%，质量浓度为10 g/L的5#试件吸收远红外辐射的能力较强，该试件的远红外辐射性能较好)相吻合。

图5 远红外辐射透射率与处理液质量浓度的关系

图6 远红外辐射反射率与处理液质量浓度的关系

由上可知，本文的测试原理及计算方法，可以用来分析远红外木质功能材料的远红外辐射热效应、透射率、反射率和吸收率，说明这些方法可以用来表征远红外木质功能材料的远红外辐射效果。

3 结论

本文提出了具有远红外辐射功能的木质材料的一种制作方法和对其远红外辐射热效应、透射率、反射率和吸收率等性能的测试方法。测试和分析了材料在不同质量浓度的远红外粉/MF处理液处理后的远红外辐射效果。结果表明:本文的测试原理及计算方法，可以用来表征远红外木质功能材料的远红外辐射效果;随着处理液质量浓度的增加，试件表面的远红外辐射透射率和反射率有所降低，远红外辐射吸收率呈递增趋势。这说明，随着远红外粉/MF处理液质量浓度的增加，试件的远红外辐射性能有所提高。在本研究范围内，远红外粉/MF处理液质量浓度为10 g/L的试件的远红外辐射性能最好。

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