CN110317082A - 一种产生高效红外辐射的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种产生高效红外辐射的方法，采用方解石和白云石两大自然界最为常见的碳酸盐矿物，通过热辐射集热技术产生红外辐射，其红外发射率与黑体接近，高于自然界常见的造岩矿物石英、长石以及玉石类矿物蛇纹石、透闪石)，红外辐射性能优异。本发明产生高效红外辐射的方法简单高效，且所用材料在自然界广泛存在，无毒无害，安全环保，相对于其他红外线产生的方法和实验合成的红外辐射材料具有诸多优势，在医疗、保健、工业、国防等领域具有广泛的应用前景。

Description

一种产生高效红外辐射的方法

技术领域

本发明涉及一种产生高效红外辐射的方法，属于辐射技术研究和应用领域。本发明涉及的具有高效红外辐射性能的材料可以广泛应用于保健、医疗、工业、国防等领域。

背景技术

红外线存在于自然界的任何一个角落。一切温度高于绝对温度的有生命和无生命的物体时刻都在不停的辐射红外线。近200年前，人类发现了远红外线，到十九世纪中叶，红外线和光本质的同一性得到了公认，确认了红外辐射电磁波的本质。在电磁波谱中，红外辐射只占有小部分波段。整个电磁波谱包括20个数量级的频率范围，可见光谱的波长范围(0.38-0.75μm)只跨一个倍频程，而红外波段(0.75-1000μm)却跨过大约10个倍频程，因此，红外光谱区比可见光谱区有更为丰富的内容。近50年来探索了远红外线的工业应用和医学应用，由于红外功能材料能够适应低温环境和高温环境，不同的红外功能材料用于不同的温度条件下，通常低温类型的红外功能材料所处的温度条件在35℃到50℃之间时能够发射出波长段在3～15μm的远红外线，这一波段的远红外线能够被人体全面吸收，和人体机能十分相配，也因此被称为“生命热线”。在医学应用中许多研究表明，红外线可以促进皮肤伤口的愈合、减缓疼痛等，这是由于水电磁吸收光谱主要在红外线区域，光子的吸收会导致细胞内温度迅速升高，促进细胞的生物活性。目前红外材料保暖根据的原理是利用人体体内的水分对红外线的吸收，来提升人体自身的温度。当室内装修使用红外功能材料时，这些材料会发射出红外线，而人体之中含有大量水分，水分对远红外线的吸收非常明显，一旦人体所在的室内有红外线射出，而且红外线射出的波段适宜人体吸收，人体会自动吸收远红外线，充分吸收红外线后人体通过运动促使细胞内的化学键加剧振动，此时容易产生热效应，就会提高人体温度。由于红外线对人体的生物医学效应，开发了红外浴箱、红外辐照器、频谱治疗仪和能量康复器等一系列医疗保健装置。此外，关于红外辐射材料的应用也逐渐增多，使用能产生红外辐射的材料可能有助于促进生物体的血液循环和新陈代谢。目前一种红外发射石膏已被应用于膝关节骨关节炎的治疗，多种具有发射红外线的高温陶瓷已经被广泛应用。环顾国内外市场，红外功能材料及其制品的销量日增，影响扩大，不断显示出新的发展潜力。近年来，随着人们生活水平的不断提高，不仅仅对家庭环境、生活空间的美化要求日益增高，而且对身体健康状况越来越有高度的重视，如果能开发出更多红外相关产品将会受到广大人们的青睐和厚爱，将会有广阔的市场前景和应用价值。

但就目前而言，绝大多数的红外材料都是基于实验合成，成本相对较高，工艺复杂，且效果也相对较差，因此，如何发现一种可以产生高效红外辐射的方法是本发明研究的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种产生高效红外辐射的方法，克服以往原料来源困难、实验合成工艺复杂、操作不便等不利因素，充分利用一类天然矿物材料原料来源方便、操作方法简单、数据获取快速等特点，开发一种可以产生高效红外辐射的方法。

本发明的技术方案如下：

一种产生高效红外辐射的方法，将天然矿物材料粉碎，在红外烘烤灯下照射一段时间，然后压片，升温至40℃以上，产生红外辐射；其中所述天然矿物材料主要成分为方解石和白云石。

上述产生高效红外辐射的方法中，优选的，所述天然矿物材料主要成分方解石和白云石的质量比为3:1。更优选的，所述天然矿物材料包含质量分数为72％～78％的方解石和20％～25％的白云石，以及质量分数≤5％的铁锰氧化物和石英。

所述天然矿物材料可以是天然开采的主要成分是方解石和白云石的矿物，也可以是将天然方解石和白云石矿物按比例混合得到。

在本发明的实施例中，所利用的天然矿物材料主要成分为方解石和白云石，二者的质量比为3:1。根据X射线衍射谱图，位于30.9°、41.1°和51.0°的3个最强峰，分别对应了三方晶系白云石的(104)、(11-3)、(11-6)面网(JCPDS 84-1208)，半定量分析结果为75％；位于29.4°，48.5°和47.5°的3个最强衍射峰，分别对应(104)、(116)和(018)面网，指示样品属于三方晶系方解石(JCPDS 81-2027)，半定量分析结果为25％。次要成分为铁锰氧化物和石英，次要成分所占质量分数不到5％；微量元素组成中以Mn、Ti含量最多。

上述产生高效红外辐射的方法中，将所述天然矿物材料研磨粉碎为微米级至纳米级粒径的粉末，优选的，粉碎为粒径1～200μm(例如约76μm)的粉末，红外烘烤灯下照射5～10分钟，以去除大气中氧气和二氧化碳的干扰，然后压片。

要使所述天然矿物材料产生红外辐射，需要将其升温至一定温度，例如升温至50℃，产生波数范围在400cm^-1～4000cm^-1的红外辐射，更集中的频率范围为400～2000cm^-1。

本发明利用常见的方解石和白云石两大自然界最为常见的碳酸盐矿物作为研究对象，基于常见的表征技术，设计了一种通过热辐射集热技术产生高效红外辐射的方法，采用高端红外发射光谱获取实验数据，通过与相应温度和波长范围内其余矿物的红外辐射性能进行对比，证明该种方法下的矿物具有良好的红外发射性能，高于自然界常见的造岩矿物长石和石英，也高于常见的玉石类矿物蛇纹石和透闪石。本发明方法利用自然界广泛存在的矿物材料，具有良好的红外辐射性能，操作简单，无毒无害，使其用途的广泛性得到增加，不会对人体健康产生任何的副作用，在工业上也可进行规模化的应用，安全环保可靠，相关零件的制作工艺简单，相对于其他红外线产生的方法和实验合成的红外辐射材料具有诸多优势，在医疗、保健、工业、国防等领域具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是实施例一的天然矿物材料的X-射线衍射谱(a)和拉曼光谱特征(b)。

图2是实施例一的天然矿物材料的扫描电镜图。

图3是实施例二中天然矿物材料在50℃时的红外辐射能量谱。

图4是实施例三中的天然石英(a)和钠长石(b)在50℃时的红外辐射能量谱。

图5是实施例四中的透闪石(a)和蛇纹石(b)在50℃时的红外辐射能量谱。

具体实施方式

为了更清楚地说明发明的技术方案，下面结合附图，通过实施例对本发明的实施过程进行详细阐述。

实施例一

选择主要成分为方解石和白云石的天然矿物材料作为研究对象，利用X-射线衍射谱、拉曼光谱和扫描电镜对矿物材料进行物相鉴定和微形貌表征，获得图1和图2。该天然矿物材料主要成分为方解石和白云石，半定量分析结果分别约为75％和25％(质量分数)，还含有少量的铁锰氧化物及石英(不足5％)。具体分析方法如下：

A1、选料：取上述天然矿物材料，研磨后过200目筛备用；

A2、X-射线衍射分析：将过筛后的矿物在X’Pert Pro型衍射仪(荷兰PANalytical公司)上完成，管压40kV，管流40mA，Cu靶作为阳极材料，Ni滤波片将CuK_β滤掉产生Kα₁(λ＝0.15406nm)和Kα₂(λ＝0.15444nm)特征X射线。采用步进扫描模式，扫描范围5°～85°，步长0.02°，每步停留时间0.25s。利用Highscore Plus软件(version 4.6.1)进行卡片的检索物相的鉴定。

A3、拉曼光谱分析：将过筛后的矿物粘在双面胶带置于载玻片上进行拉曼测试，于inViaReflex(英国Renishaw公司)上完成，激发波长为532nm，激光发射功率为50mW，狭缝宽度为65μm，50倍Leica物镜下实验。实验采用静态光栅，样品单次扫描时间为30s，累计次数为20次，测量误差±1cm^-1，数据获取范围为50～1300cm^-1。

A4、微形貌特征分析：将过筛后的矿物粉末溶于适量的无水乙醇中进行稀释，用移液枪取一滴稀释后溶液于硅片上，置于烘箱中烘烤五分钟待表面水分干燥后进行测试。

从图1可以看出，(a)图中位于30.9°、41.1°和51.0°的3个最强峰，分别对应了三方晶系白云石的(104)、(11-3)、(11-6)面网(JCPDS 84-1208)，半定量分析结果为75％；位于29.4°，48.5°和47.5°的3个最强衍射峰，分别对应(104)、(116)和(018)面网簇，指示样品属于三方晶系方解石(JCPDS 81-2027)，半定量分析结果为25％。(b)图中波数为462～464m^-1的峰，与石英(SiO₂)特征性Si-O键伸缩振动模式吻合，表明石英是次要矿物，297cm^-1、411cm^-1和617cm^-1的3个尖锐的谱峰，通过对比常见铁锰氧化物矿物的拉曼谱峰特征发现，这几个峰位与赤铁矿(α-Fe₂O₃)的3个特征性振动模式吻合，分别属于Fe-O键弯曲振动模式、Fe-O键弯曲振动模式和O-Fe-O键伸缩振动模式。图2的扫描电镜结果显示矿物颗粒大多为集合体，主要以块状形式出现，颗粒表面相对光滑，粒径大多集中1～5μm之间，上伏分布少量松散片状颗粒，粒径大多小于1μm。除此之外，一些颗粒的表面不规则，厚度不一，侧向出现多个参差状的棱角；部分颗粒还可见少许孔洞，均为受到后期改造作用所致(见图2中(a))。图2中(b)显示的颗粒形态和大小则出现了较大的变化，绝大部分的颗粒以松散的片状集合体形式出现，极少部分呈现出片状及针状，粒径大多在1～2μm，部分甚至低于1μm，结合X射线粉末衍射分析结果，这种片状的集合体实为石英，里面可能还有一些含铁的矿物，它们可能共同以微晶形式赋存在以白云石为主的矿物集合体中。

实施例二

对于实施例一给出的天然矿物材料，利用傅里叶变换研究其红外发射光谱，获得图3。研究发现该天然矿物材料在50℃时具有红外发射性能，包括以下步骤：

B1、称取200mg过筛后的天然矿物材料样品粉末，在红外烘烤灯下照射5分钟，以去除大气中氧气和二氧化碳的干扰，用压力为20Mpa压片机压成厚约1mm，直径13mm的圆片；

B2、将制备好的圆片置于铜片制成的圆柱形加热器中，用螺丝进行固定；

B3、采用加热附件对圆柱器进行升温至50℃，用TENSOR系列研究级傅立叶变换红外光谱仪VERTEX70V(德国Bruker公司)获取范围在400cm^-1～2000cm^-1的数据。

如图3所示，结合黑体辐射相关定律，从图中红外辐射能量谱可以看出，与相同条件下的黑体相对比，我们所给出的天然矿物在400cm^-1～2000cm^-1具有高的红外辐射效果，其辐射的能量几乎在每个波数下都比黑体高，有强的辐射能力。

实施例三

同实施例二的方法，对自然界基本的造岩矿物石英和长石在50℃时的红外发射性能进行研究，包括以下步骤：

C1、称取200mg与所述天然矿物材料粒径相同的石英和长石，按照B1～B3所述方式进行样品制备和测试；

C2、比较所述天然矿物材料和石英、长石在相同温度和波长范围内的红外发射率。

如图4所示，自然界中常见的造岩矿物石英和长石的辐射曲线均位于黑体之下，而图3中，实施例二用到的天然矿物的辐射曲线则位于黑体辐射曲线之上，可以看出，在相同的温度和波长范围下，实施例二中所用到的天然矿物显示出更优的红外辐射能力。

实施例四

同实施例二的方法，对常见的玉石类矿物透闪石和蛇纹石在50℃时的红外发射性能进行研究，包括以下步骤：

D1、称取200mg与所述天然矿物材料粒径相同的蛇纹石和透闪石，按照B1～B3所述方式进行样品制备和测试；

D2、比较所述天然矿物材料和蛇纹石、透闪石在相同温度和波长范围内的发射率。

如图5所示，蛇纹石和透闪石只在400～2000cm-1中的某些波段(600～800cm^-1)显示出较好的辐射性能，与实施例二用到的天然矿物的红外辐射效果还有一定的差距。可见，相比于相同温度和波长范围下的玉石类矿物，实施例二使用的天然矿物材料具有更好的辐射性能，

对实施例二、三和四测定的各种矿物在50℃时的红外发射率进行比较，如表1所示，可以看出，所述天然矿物材料的红外辐射性能优于造岩矿物石英和长石，也优于玉石类矿物透闪石和蛇纹石。

表1.天然矿物材料和各对比矿物在50℃时的发射率

从上述实施例可知，利用所述天然矿物产生红外辐射至少具有以下优点：

1、来源方便，制作过程不涉及有机试剂，操作简单，无毒无害，效果显著；

2、工艺简单，可进行规模化应用，有利于大范围推广；

3、扩大了红外使用的用途和范围，并且原材料的获取更加方便，整个操作过程不会产生副作用。

最后需要注意的是，公布具体实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及舒服的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种产生红外辐射的方法，将主要成分为方解石和白云石的天然矿物材料粉碎，在红外烘烤灯下照射一段时间，然后压片，升温至40℃以上，产生红外辐射。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述天然矿物材料中方解石和白云石的质量比为3:1。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述天然矿物材料包含质量分数为72％～78％的方解石和20％～25％的白云石，以及质量分数≤5％的铁锰氧化物和石英。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述天然矿物材料是天然开采的主要成分是方解石和白云石的矿物，或者是将天然方解石和白云石矿物混合得到的矿物材料。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述天然矿物材料研磨粉碎为微米级至纳米级粒径的粉末。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，将所述天然矿物材料研磨粉碎为粒径1～200μm的粉末。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，将所述天然矿物材料的粉末在红外烘烤灯下照射5～10分钟，然后压片。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将压片后的天然矿物材料升温至50℃，产生波数范围在400cm^-1～4000cm^-1的红外辐射。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，产生波数范围在400～2000cm^-1的红外辐射。