CN104263321B - 一种可调控卷烟滤嘴烟气温度的复合相变材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种可调控卷烟滤嘴烟气温度的复合相变材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可调控卷烟滤嘴烟气温度的复合相变材料及其制备方法和应用，该复合相变材料由十水硫酸钠和十水四硼酸钠在聚丙烯酸钠作用下通过共结晶负载在膨胀石墨上得到，该制备方法原料易得、操作简单、成本低，制得的复合材料具有较高的相变潜热和热传导性能，将其添加在卷烟滤棒中可有效降低卷烟主流烟气的温度，且具有添加量少、降温效果明显的特点。

Description

一种可调控卷烟滤嘴烟气温度的复合相变材料及其制备方法 和应用
技术领域
本发明涉及一种可调控卷烟滤嘴烟气温度的复合相变材料及其制备方法和应用，属于卷烟技术领域。
背景技术
卷烟滤嘴作为吸烟者与主流烟气之间的桥梁，可减少烟气中有害成分对人体健康的危害，并改善抽吸品质，在卷烟产品中得到了广泛的应用。滤嘴的作用是使烟气中的气溶胶颗粒经直接截留、惯性碰撞和扩散沉积而被过滤[Beitr Tabakforsch Int,1982(11):123-31；Rec.Adv.Tob.Sci,1978(4):25-45]。其中直接截留的过滤效率与微粒粒径有关而与其速度无关。粒子粒径越大，被从烟气中截留下来的几率就越大；惯性碰撞方式的过滤效率随微粒速度或质量增加而增加，即对大分子量的物质能够起到更大的作用；扩散沉积过滤效率随微粒粒径和速度减小而增加。其中滤嘴截留的三种物理作用方式之间也呈现相互关联，其中烟气温度将影响被拦截的气溶胶颗粒速度、小尺寸颗粒的重新凝聚、烟气物质小颗粒的冷凝沉积等问题，而此时，烟气温度成为三种物理作用方式相互关联的重要因素[Nature,1976(264):167-169]。同时，滤嘴温度也是影响滤嘴端抽吸过程中滤嘴气流场和压力场的重要因素。前期的研究结果表明[Beitr Tabakforsch Int,2010(24):33-46]，在抽吸接近结束的前2-3口抽吸中，滤嘴端的烟气温度最高可达70℃～80℃，在深度抽吸模式下滤嘴端的烟气温度最高温度甚至达到了100℃以上，过高的滤嘴温度不仅影响滤嘴对烟气气溶胶颗粒物在滤嘴中的截留效果，同时也会影响消费者对烟气感官质量的认可度。所以，滤嘴中烟气温度分布调控对滤嘴截留效率和产品质量能够起到关键作用。
大量研究表明：卷烟滤嘴中每口35mL烟气从70℃降至30℃需释放1.57J热量。而相变材料(如十水硫酸钠是一种较为常见的无机箱变材料)在温度高于相变点时吸收热量而发生恒温相变(储能过程)，当温度下降，低于相变点时发生逆向相变(释放能量过程)，具有很强的储能和控温能力。设想如果能制备出合适的相变材料可以添加于卷烟滤嘴中用来吸收烟气所释放的热量，是否能实现对滤嘴中烟气温度分布以及滤嘴截留效果的调控，目前鲜有相关报道。
发明内容
本发明的目的是在于提供一种具有较高的相变潜热和热传导性能的复合相变材料，该复合相变材料原料廉价，对人体无害，完全适应于卷烟滤棒中的应用。
本发明的另一个目的是在于提供一种原料易得、操作简单、低成本制备所述相变材料的方法，该方法完全满足工业化生产。
本发明的第三个目的是在于提供一种所述复合相变材料在卷烟中的应用，将所复合相变材料添加在卷烟滤棒中可有效降低卷烟主流烟气的温度，且具有添加量少、降温效果明显的特点。
本发明提供了一种调控卷烟滤嘴烟气温度的复合相变材料，该复合相变材料由十水硫酸钠和十水四硼酸钠在聚丙烯酸钠作用下通过共结晶负载在膨胀石墨上得到；其中，各原料组分的质量百分比含量为：
十水硫酸钠(Na2SO4.10H2O)70～88％；
十水四硼酸钠(Na2B4O7·10H2O)1～5％；
聚丙烯酸钠1～5％；
膨胀石墨10～20％。
优选的聚丙烯酸钠分子量不低于3×107。优选的聚丙烯酸钠分子量更有利于增稠作用。
本发明还提供了一种所述的复合相变材料的制备方法，该制备方法是将十水硫酸钠和十水四硼酸钠溶于水后，在搅拌条件下加热至40～50℃，再加入聚丙烯酸钠，进一步搅拌均匀，得到混合溶液；所得混合溶液加入到盛有膨胀石墨的容器中，进行等体积浸渍，得到混合物，所得混合物在温度不高于25℃的条件下真空干燥、结晶，即得。
本发明的复合相变材料的制备方法还包括以下优选方案：
优选的制备方法中加入聚丙烯酸钠后，进一步搅拌的时间为1～2h。
优选的制备方法中真空干燥、结晶时间为4～6h。
本发明的膨胀石墨和聚丙烯酸钠为市售常规试剂。
本发明还提供了一种所述的复合相变材料的应用，该应用是将所述的复合相变材料添加在卷烟滤棒中应用于降低卷烟主流烟气的温度。
本发明的复合相变材料的应用还包括以下优选方案：
优选的应用方法中复合相变材料在卷烟滤棒中的添加量为10～60mg/支；最优选为20～40mg/支。
优选的应用方法中复合相变材料添加在滤棒的靠烟丝端和/或靠近滤滤棒中间位置，或者混合在整个滤棒的纤维丝束中。
优选的应用方法中所述复合相变材料在制备滤嘴时进行添加。
本发明的有益效果：本发明采用的十水硫酸钠是一种优良的无机水合盐类相变材料，其熔化相变热约为240J/g，相变温度约为32℃，但是其在相变过程中存在溶液渗透的问题，限制了其应用范围。本发明首次将其与十水四硼酸钠复合并负载在膨胀石墨上制备出具有很高的相变潜热和合适的相变温度的复合相变材料，同时克服了十水硫酸钠存在溶液渗透的问题，并成功地将复合相变材料应用到卷烟领域中来。将本发明的复合相变材料添加在卷烟滤棒中能有效降低卷烟主流烟气的温度35℃左右。本发明复合相变材料的制备方法简单、原料易得、无需特殊设备、成本低、可工业化大生产。
附图说明
【图1】为实施例1制得的复合相变材料对卷烟滤嘴烟气的影响关系曲线。
具体实施方式
以下实施例旨在进一步阐述本发明内容，而不是限制本发明的保护范围。
实施例1
称取16.0g Na2SO4·10H2O和1.0g Na2B4O7·10H2溶于40mL水中，在搅拌条件下加热至40℃后，加入1.0g增稠剂聚丙烯酸钠(分子量为4×107左右)继续搅拌，然后将混合溶液加入至盛有2.0g膨胀石墨的容器中进行等体积浸渍，最后在温度不高于25℃的条件下进行真空干燥4小时结晶，得20.0g复合相变材料。该复合相变材料的相变热为190J/g，相变温度为33℃。称取30mg/支复合相变材料制备复合滤嘴，在单孔道吸烟机上进行ISO模式抽吸(抽吸时间为2s，抽吸间隔为58s,每口抽吸容量为35mL)，同时以烟支气相温度检测仪在线检测滤嘴烟气温度。检测结果表明，与对照样相比，添加相变材料的复合滤嘴对烟气温度具有显著的降低作用，特别是抽吸的最后三口，从对照样的70℃降至33℃以下，如图1所示。
实施例2
称取17.6g Na2SO4.10H2O和0.2g Na2B4O7·10H2O溶于40mL水中，在搅拌条件下加热至50℃后，加入1.0g增稠剂聚丙烯酸钠(分子量为4×107左右)继续搅拌，然后将混合溶液加入至盛有2.0g膨胀石墨的容器中进行等体积浸渍，最后在温度不高于25℃的条件下进行真空干燥6小时结晶，得20.0g复合相变材料。该复合相变材料的相变热为210J/g，相变温度为35℃。称取20mg/支复合相变材料制备复合滤嘴，在单孔道吸烟机上进行ISO模式抽吸(抽吸时间为2s，抽吸间隔为58s,每口抽吸容量为35mL)，同时以烟支气相温度检测仪在线检测滤嘴烟气温度。检测结果表明，与对照样相比，添加相变材料的复合滤嘴对烟气温度具有显著的降低作用，特别是抽吸的最后三口，从对照样的70℃降至36℃以下。
实施例3
称取14g Na2SO4.10H2O和1.0g Na2B4O7·10H2溶于40mL水中，在搅拌条件下加热至40℃后，加入1.0g增稠剂聚丙烯酸钠(分子量为4×107左右)继续搅拌，然后将混合溶液加入至盛有4.0g膨胀石墨的容器中进行等体积浸渍，最后在温度不高于25℃的条件下进行真空干燥5小时结晶，得20.0g复合相变材料。该复合相变材料的相变热为150J/g，相变温度为34℃。称取40mg/支复合相变材料制备复合滤嘴，在单孔道吸烟机上进行ISO模式抽吸(抽吸时间为2s，抽吸间隔为58s,每口抽吸容量为35mL)，同时以烟支气相温度检测仪在线检测滤嘴烟气温度。检测结果表明，与对照样相比，添加相变材料的复合滤嘴对烟气温度具有显著的降低作用，特别是抽吸的最后三口，从对照样的70℃降至33℃以下。

Claims (5)

1.一种可调控卷烟滤嘴烟气温度的复合相变材料的应用，其特征在于，将复合相变材料添加在卷烟滤棒中应用于降低卷烟主流烟气的温度；所述复合相变材料由十水硫酸钠和十水四硼酸钠在聚丙烯酸钠作用下通过共结晶负载在膨胀石墨上得到；其中，各原料组分的质量百分比含量为：
十水硫酸钠70～88％；
十水四硼酸钠1～5％；
聚丙烯酸钠1～5％；
膨胀石墨10～20％。
2.如权利要求1所述的复合相变材料的应用，其特征在于，所述的聚丙烯酸钠分子量不低于3×107。
3.如权利要求1所述的复合相变材料的应用，其特征在于，所述的复合相变材料在卷烟滤棒中的添加量为10～60mg/支。
4.如权利要求3所述的复合相变材料的应用，其特征在于，所述的复合相变材料在卷烟滤棒中的添加量为20～40mg/支。
5.如权利要求1所述的复合相变材料的应用，其特征在于，所述的复合相变材料添加在滤棒的靠烟丝端和/或靠近滤滤棒中间位置，或者混合在整个滤棒的纤维丝束中。
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