石墨烯远红外加热机理

石墨烯远红外线功效及机理

1. 红外线简介及功能

太阳光线大致可分为可见光及不可见光。可见光经三棱镜后会折射出紫、蓝、青、绿、黄、橙、红颜色的光线（光谱）。红光外侧的光线，在光谱中波长自0.76至400微米的一段被称为红外光，又称红外线。

1.1 红外线分类

属于电磁波的范畴，是一种具有强热作用的放射线。红外线的波长范围很宽，人们将不同波长范围的红外线分为近红外、中红外和远红外区域。

其中近红外线或称短波红外线，波长0.76～1.5微米，穿入人体组织较深,约5～10毫米；中红外波段的波长是3—5微米，属于是热红外遥感。远红外线或称长波红外线，波长4～400微米，穿透组织深度3-5厘米。一般来说，燃料燃烧、电热器具热源等放出的红外线多属于近红外线，由于波长较短，因此产生大量的热效应，长期照射人体后会产生灼伤皮肤及眼睛水晶体等伤害。波长更短的其它电磁波如紫外线、X射线及γ射线等，会使原子上的电子产生游离，对人体更有伤害作用。远红外线则不然，由于波长较长，能量相对较低，所以使用时相对较少烫伤之危害，也是研究和利用的重点。

1.2 远红外线作用

1.2.1 令水分子活性化，提高身体的含氧量

人体约70%是水分．血液的水分比率更高达80% 若血气不足，不能通过细胞膜。远红外线能使水分子产生共振，变成独立水分子（即两个氢分子和一个氧分

子结合），提高身体的含氧量，细胞因而能恢复活力，精神更畅旺、头脑更灵活．进而能提高抗病能力，延缓衰老。

1.2.2 改善微循环系统

独立水分子可自由出入细胞之间，再透过共鸣共振，转化为热能，令皮下深层的温度微升，血流速度加快，微丝血管扩张；微丝血管开放愈多，心脏的压力便可减少，微丝血管的功能是向人体60兆个细胞供应氧气和营养，同时将新陈代谢产生的废物排出体外。若微循环系统出现毛病，会导致多种毛病，包括高血压、心血管疾病、肿瘤、关节炎、四肢冰冷麻痹等。成年人微丝血管的总长度可围绕地球三周，被称为人体的第二个心脏，可见其重要。

1.2.3 促进新陈代谢

微循环系统若得到改善，新陈代谢产生的废物便可迅速排出体外，减轻肝脏及肾脏的负担。这些废物包括引致癌症的重金属：引致疲劳及老化的乳酸、游离脂肪酸和皮下脂肪；引致高血压的钠离子，以及引致疼痛的尿酸。

1.2.4 平衡身体的酸碱度

远红外线能净化血液，改善皮肤质素、预防因尿酸过高而引致骨络关节疼痛。如果人体的新陈代谢发生了紊乱，引起了体内外物质的交换失常，各种疾病将会不约而至。诸如水电解质代谢的紊乱，严重将会危及生命：如糖代谢紊乱所致的糖尿病、脂代谢紊乱引起心血管疾病、肥胖症、蛋白质代谢紊乱引起的痛风

等。通过远红外线热效应，可以增加细胞的活力，调节神经体液机制，加强新陈代谢，使体内的物质交换处于平稳状态。

1.2.5 护肤美容

远红外线照射人体产生细胞共振吸收，能将引起疲劳及老化的物质，如乳酸、游离脂肪酸、胆固醇、多余的皮下脂肪等，藉囊口和皮下脂肪的活化性，不经肾脏，直接从皮肤代谢。因此，能使肌肤光滑柔嫰，远红外线能使体内的热能提高，细胞活化，因此促进脂肪组织代谢，燃烧分解，将多余脂肪燃烧掉，进而有效减肥。

基于以上种种优势，对于远红外产品的研发应运而生，其中包括远红外线产品的内衣裤、护腰、护膝、床垫、枕垫和被等。主要的功能是促进身体不同部位的的血液循环，预防酸痛不适，消除疲劳，以及预防疾病，例如风湿性关节炎、骨质增生、肩周炎、颈椎炎、腰痛、手脚麻痹等。

近年来，石墨烯及其衍生物广泛在生物医学，包括生物元件，生物检测，疾病诊断，肿瘤治疗，生物成象和药物输送系统等的应用前景，使其成为纳米生物医学领域的研究热点。石墨烯还具有诸多引人瞩目的光学属性，IBM的研究人员已发现，石墨烯能吸收和辐射高达40%的远红外线。人体远红外线的吸收机制是通过人体组织的细胞分子中的碳-碳键，碳-氢键，氧-氢键等的伸缩振动，其谐振波大部分在3-15微米，和远红外线的波长和振幅相同，引起共振共鸣。石墨烯加热发射的8-15微米远红外波，能有激活身体细胞核酸蛋白质等生物分子等功能。

2. 新型石墨烯远红外功能纺织品的研究进展

图1 专家在测试石墨烯内衣的保暖功能

2.1 添加1%-3%的石墨烯复合后，其远红外法相发射率即可达到90%以上，超过世界先进水平，并且在同等光源情况下该纤维面料可迅速升温3℃-5℃，此外还具有远红外发射低温敏感性，在低温条件下，便可发射4-14μm远红外波，对人体产生强大的远红外功能。

2.2 2016年4月20日青岛大学纺织学院发布采用石墨烯/聚氨酯复配液作为功能整理剂对棉织物改性整理,获得具有远红外发射功能的棉织物。以石墨烯纳米片作为功能整理剂,水溶性聚氨酯(PU)为粘合助剂,通过复配液整理法对棉织物进行改性整理获得功能织物并研究其性能。结果表明,石墨烯改性棉织物的远红外发射率明显提高,经3次处理后其远红外发射率达0.911,比市面上已有的远红外发射纺织品的发射率还高。

2.3 2017年1月6日Aika爱家科技推出石墨烯智能护腰，该石墨烯纺织物材料利用了世界领先的技术，将石墨烯附着在纤维表面，制备出高质量石墨烯复合纤

维，并与普通纤维、导电纤维进行混纺而来。除具备优良的导电性外，石墨烯能吸收和辐射高达40%的远红外线，其谐振波大部分在3-15 微米，和远红外线的波长和振幅相同，能与人体产生“共振”，从而有效改善血液循环、调节自律神经、消炎功能、增强生物体的新陈代谢。目前该产品正处于封测阶段。

2.4 2017年3月份广东广纺检测计量技术股份有限公司发表功能性石墨烯纺织品的应用研究，主要介绍了石墨烯纺织品的发展前景,并对含石墨烯的梭织面料、针织面料的安全性能和功能性指标进行了检测。从检测结果得出,石墨烯纺织品在保暖、抗静电、抗紫外、抗菌、远红外辐射温升方面均能达到标准要求,是当之无愧的功能性纺织品。

备注：现在企业生产石墨烯织物并主打石墨烯远红外功能只有济南圣泉集团，其他大多只是附带提到石墨烯远红外功能（石墨烯添加量1%已足够）。

3. 石墨烯远红外功能机理研究

3.1石墨烯自身吸收红外线

石墨烯本身在1620cm-1有红外吸收峰（sp2结构中的C=C伸缩振动峰），在3000-3700cm-1范围内出现了一个较宽、较强的红外吸收峰（OH-1的伸缩振动峰）;在1720cm-1处的吸收峰（C=O的伸缩振动峰）;在1062cm-1处出现的吸收峰（C-O-C 的振动吸收峰）。

3.2 石墨烯与织物发生耦合增强对红外线的吸收

石墨烯表面载流子频率与织物表面吸附分子在入射光照下的振动频率发生耦合，