CN105167181B - 非燃烧型低温卷烟用相变控温式燃料组件及其热塑性制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非燃烧型低温卷烟用相变控温式燃料组件及其热塑性制备方法，在嵌套的内表面与燃料元件外表面之间形成环状腔体的自由空间内，利用电气石的热电效应和自发电极的静电场效应及吸附效应，对CO进行吸附和氧化催化。本发明提出利用热塑性粉体结合碳质原料和嵌套粉体的熔体挤出成型方法，即通过热塑性结合剂对碳质原料、嵌套基体原料和相变蓄热粉进行预塑化混合，及复合组模熔体连续挤出和风冷固结、热解碳化的方法制备燃料组件，以热塑性材料急冷固结的快速成型方法，来克服水基膏体挤压成型干燥缓慢和结构变形问题，提高燃料组件的制造效率。

Description

非燃烧型低温卷烟用相变控温式燃料组件及其热塑性制备 方法

技术领域

本发明涉及新型烟草技术领域，具体涉及非燃烧型低温卷烟用碳质热源，特别涉及一种相变控温式碳质燃料组件及其制备方法。

背景技术

近年来，新型烟草制品呈现快速发展态势，其原因：一方面由于传统烟草制品的消费人口比率在逐年下降；另一方面由于世界范围内的禁烟力度不断加大，为履行《烟草控制框架公约》中“防止接触烟草烟雾”的规定，许多国家制订和实施了严格的公共场所吸烟禁令。在此背景下，新型烟草制品既能较好地适应公共场所禁烟令，又能在一定程度上满足烟草消费者的个人爱好，故市场需求增速显现。

所谓新型烟草制品的主要特征是，不需要燃烧烟草，显著减少因高温热裂解产生的有害烟气成分；很少产生侧流烟气，可消除二手烟气对公共环境产生的影响，缓解吸烟和禁烟的矛盾；能在一定程度上满足消费者对吸烟的所需体验。

新型烟草制品主要包括低温卷烟、无烟气烟草制品和电子烟。其中，低温卷烟外观与传统卷烟极相似，在500℃以下只加热不燃烧烟草，而将烟草香味和满足感传递给消费者，基本没有侧流烟气。

传统卷烟主要是由烟草、添加剂、卷烟纸和滤嘴等构成。抽吸过程即伴随着卷烟两种燃烧方式的进行：吸燃和阴燃，前者产生主流烟气，后者产生侧流烟气。通常卷烟燃吸时，燃烧区内温度范围约为700～950℃，加热速度可高达500℃/秒。在这样的高温条件下燃烧，烟草的化学成分发生一系列复杂变化，并向外扩散形成烟气，这些含有许多不同类型化学物质的烟气，包括气相和颗粒相两部分，形成所谓烟气的气溶胶。

有研究表明，烟气中的化合物随卷烟燃烧温度而变化，当温度上升到300℃时，烟草中的挥发类和较低沸点的物质开始形成烟气；当上升到450℃时，烟草中的纤维质开始焦化；上升到400～600℃时，烟草生成一系列的正烷烃与烯烃；约700℃时生成萘，硝酸盐还原和甘氨酸热裂形成氰化氢；高于700℃时，氨基酸、肽、生物碱经高温合成反应而形成乙腈；高于800℃时生成多环芳烃；上升到850℃时，含硫氨基酸热分解产生氧硫化碳。总之，当卷烟被点燃直至温度上升到约900℃时，烟草中2500多种化合物开始产生一系列的热解和化学反应，形成大量的新化合物，这些新化合物有些是有害物质。另一方面，烟气中的有害成分CO也是燃烧的主要产物，其约30％由烟草组分热裂解产生，约36％由烟草燃烧产生，至少有23％是CO₂经C还原而成，且燃烧温度越高，CO生成越多。由此可以看出，烟气中各种化学物质的生成与烟草燃烧温度密不可分，卷烟的危害性指数则随着烟草燃烧温度的升高而提高。因此，不直接燃烧烟草，自然成为降低烟气有害物质产生的重要措施。

通过加热而不燃烧烟草，来避免烟气有害物质产生的吸烟制品，过去三十年来一直在发展中。其中，在原理和结构上比较接近目前的非燃烧型低温卷烟制品，在以下中国专利和美国专利中有描述：

雷诺兹烟草公司的中国专利CN 85106876(吸烟制品，1985)，公开了一种吸烟制品，它包括碳素燃料元件，烟雾形成基质的烟雾发生机构，使燃料元件和基质接触的热传导构件，围住一部份燃料的弹性纤维绝热外套，和使燃料元件和烟雾发生机构接触的金属箔热传导构件。

Banerjee等人的美国专利US 4714082(Smoking article，1985)，公开了一种发烟制品，其包括具有单个轴向孔的高密度可燃燃料元件，物理分离的气雾产生装置和包括箔带的热传导构件，气雾形成材料浸渍的粒状热稳定碳或氧化铝形成的气雾产生基质和烟草填料，发烟制品还包括由弹性非燃烧材料构成的外周隔离元件，比如玻璃纤维套。

雷诺兹烟草公司的中国专利CN 91109831.3(吸烟制品，1985)，以及Banerjee等人的美国专利US 5067499(Smoking article，1987)，公开了一种吸烟制品，它包括一燃料元件，含有烟雾形成物质和热传导件，且整体分离的烟雾发生机构，燃料元件是碳素的。

Farrier等人的美国专利US 5020548(Smoking article with improved fuelelement，1985)和US 5076297(Method for preparing carbon fuel for smokingarticles and product produced thereby，1986)，以及雷诺兹烟草公司的中国专利CN86105536(烟制品—人造香烟，1986)，公开了一种发烟制品，包括可燃的燃料，结构上分开的烟雾发生体，使热量从燃料传给烟雾发生体的导热元件，设有多个纵向通道的燃料包括碳，包括至少接触燃料一部分的绝热元件；绝热元件是一种弹性不燃烧元件，厚度至少为0.5毫米；绝热元件在使用中会熔融；绝热元件包括陶瓷纤维或玻璃纤维。

雷诺兹烟草公司的中国专利CN 87105964.9(具有改进的燃料元件的吸烟制品，1987)，公开了一种吸烟制品，包括一种长度小于30毫米、具有许多外围纵向通道的可燃性燃料元件，和含有一种热稳定的、能容纳一种烟雾形成物的烟雾发生装置，碳质燃料元件的外围通孔至少一个为槽，燃料元件至少有四个外围通道，至少有一个至三个包括许多位于中心的纵向延伸的通道，燃烧过程中外围通道合并。

Barnes等人的美国专利US 4938238(Smoking article with improved，1987)和雷诺兹烟草公司的中国专利CN 88106259.6(具有改进包裹物的吸烟制品，1988)，公开了一种用于吸烟制品的改进包裹物及使用该包裹物的吸烟制品，包含足够量无机材料的包裹物包围至少一部分绝缘层，并能提供一层可透过性附着层；无机材料包含穿孔的铝箔及玻璃纤维。燃烧剂元件为碳质的，烟雾发生装置与燃烧剂元件呈传导性热交换关系。

雷诺兹烟草公司的中国专利CN 88106280.4(具有改进烟嘴件的吸烟制品，1988)，公开了一种具有改进烟嘴件的吸烟制品，包括一燃料元件，至少含一种烟雾形成材料的一种物理分离的烟雾发生装置，由非织热塑塑料纤维形成段的烟雾传输装置，烟雾发生装置和非织段之间还有一隔离元件，热塑塑料纤维段由含聚烯烃和聚酯组合选出的材料形成，隔离元件是一群选自烟草、含纸烟草、醋酯纤维素和醋酯纤维的环绕一管子的材料，或通过将一群材料收拢或折叠成一圆柱状而形成。

雷诺兹烟草公司的中国专利申请公布号CN87101955A(制备吸烟制品的碳质燃料的方法和由此制成的产品，1988)，公开了一种生产特别适合卷烟制品中使用的含碳释热元件。该含碳燃料元件是热解纤维素材料和粘结剂混合物，利用挤压或压制成形。为改变燃料性能，这种混合物可包含燃烧添加剂和其它组分。

菲利普莫里斯生产公司的中国专利CN 89104936.3(碳质热源，1989)，公开了一种供卷烟制品用的碳质热源，热源由木炭颗粒组成，并具有一个或多个穿过其中的多角星形状的流体通道，以增加流过热源的空气热量。热源至少包含一种燃烧添加剂，包括柠檬酸钾、碳酸钾、氧化铁、草酸钙、草酸铁、钾离子、铁离子、柠檬酸铁、乙酸亚铁、钼的化合物、铝的化合物、钙的化合物、镁的化合物、钠的化合物、氧化剂及它们的混合物组成，将木炭、添加剂和粘结剂混合后挤压或模压成要求的形状。

菲利普莫里斯生产公司的中国专利CN 89108978.0(烟具热源，1989)，公开了一种热源，当其点燃后产生的热气能使烟具香味床释放香味蒸气，热源含有碳和金属碳化物，金属碳化物选自碳化铁、碳化侣、碳化钛、碳化锰、碳化钨、碳化铌，或它们之中二种或多种的混合物。其中优选地碳化铁Fe₅C₂的制备是通过400℃下加热硝酸铁制备高比表面积氧化铁，再将氧化铁置于300℃炉内，在氢对一氧化碳的比为7:1的混合气体流中碳化12小时，制得碳化铁。

雷诺兹烟草公司的中国专利申请公布号CN 1046665A(有利于减少一氧化碳的含催化剂吸烟制品，1990)，公开了一种用于吸烟制品的燃料组元，燃料组元中包括碳质材料和在燃烧期间显著减少主流烟中一氧化碳量的催化组成，催化组成包括氧化铝、氧化锆、二氧化钛、氧化忆、二氧化硅、磷酸盐、硅铝酸盐或其混合物组的氧化物陶瓷材料，以及铂族金属和贱金属组份，如铂族金属的铂、钯、铑、铱、钌或其混合物，贱金属的铁、锰、钒、铜、镍、钴或其混合物。

雷诺兹烟草公司的中国专利CN 90108150.7和CN 90108148.5(卷烟及其可吸填料，1990)，公开了一种卷烟，包括由一种无机组分和一种有机组分组成的凝聚基体和烟草的紧密混合物的可吸填料，可吸填料中包含一种藻酸铵粘结剂，烟草含有烟草提取物，及包括丙三醇的烟雾形成材料，凝聚基体填料由碳酸钙组分和藻酸盐组分组成。

雷诺兹烟草公司的中国专利CN 91105363.8(具有烟草/玻璃纤维燃料包裹纸的香烟，1991)，公开了一种如香烟之类的吸烟制品，包括与物理分离的烟雾发生装置成热交换关系设置的、短约9毫米长的碳质燃料元件，外包燃料元件的是烟草/玻璃纤维隔热包裹纸，隔热包裹纸包括至少二个分开和不同的部分，至少有一纤维状隔热材料层和至少有一含烟草的材料层；隔热包裹纸中使用至少二层玻璃纤维隔热材料，还包括一第二层含薄片状烟草材料层，玻璃纤维和烟草材料的排列从燃料元件向外为烟草、玻璃纤维、烟草、玻璃纤维。

雷诺兹烟草公司的中国专利CN 92105261.8(用于吸烟制品燃料元件的含碳组合物，1992)，公开了一种用于烟制品燃料元件的含碳燃料组合物，组合物包含一紧密混合物：约60％～99％的碳，约1％～20％的粘合剂，约0～20％的烟草；约3000～20000ppm的最终钠含量，燃料组合物包括不燃烧的碳酸钙填料。

雷诺兹烟草公司的中国专利申请公布号CN 1087497A(吸烟制品的组合燃料元件，1993)，公开了一种改进的碳质燃料元件，包括贯穿于其长度、互相接触的至少二种不同的材料，即可燃的碳质材料，及不燃烧材料或轻微燃烧材料，不燃烧材料与一层弹性绝热夹套接触，将燃料元件固定在位，不燃烧材料是一种热交换材料或金属热交换材料，包括不燃烧碳、石墨带或箔、金属带或箔，如不锈钢、铝和铜的带。

这类吸烟制品还包括：Clearman等人的美国专利US 4756318(Smoking articlewith tobacco jacke，1985)；Sensabaugh等人的欧洲专利公布号0174645A2(Smokingarticle，1985)；Banerjee等人的欧洲专利公布号0212234A2(Smoking article，1986)；Banerjee等人的美国专利US 5105831(Smoking article with conductive aerosolchamber，1987)；Clearman等人的美国专利US 4881556(Low CO smoking article，1988)；Shannon等人的美国专利US 5027836(Insulated smoking article，1988)；White等人的美国专利US 5129409(Extruded cigarette，1989)；Shannon等人的美国专利US 5211684(Catalyst containing smoking articles for reducing carbon monoxide，1989)；Strubel的美国专利US 5060667(Smoking article，1990)；Clearman等人的美国专利US5099861(Aerosol delivery article，1990)；Best等人的美国专利US 5148821(Processesfor producing a smokable and/or combustible tobacco material，1990)；Lawson等人的美国专利US 5065776(Cigarette with tobacco/glass fuel wrapper，1990)；Riggs等人的美国专利US 5178167(Carbonaceous composition for fuel elements of smokingarticles and method of modifying the burning characteristics thereof，1991)；Clearman等人的美国专利US 5203355(Cigarette with cellulosic substrate，1991)；Clearman等人的美国专利US 5247947(Cigarette，1991)；Casey,III等人的美国专利US5396911(Substrate material for smoking articles，1991)；Banerjee等人的美国专利US 5303720(Smoking article with improved insulating materia，1992)；Clearman等人的美国专利US 5345955(Composite fuel element for smoking articles，1992)；Barnes等人的美国专利US 5469871(Cigarette and method of making same，1993)。

对以上专利的技术特征进行概括分析，可以知道，以加热而非燃烧烟草为原理的卷烟制品，其基本结构包括：一个包裹着隔热纤维层的可燃烧碳质热源，一个产生烟雾的气溶胶元件，一个具有良好导热性能的金属箔或片层，使热源与气溶胶元件之间构成有效的热交换关系，一个过滤接嘴和卷烟外包装纸。其中，产生烟雾的气溶胶元件包含烟雾基质，其由植物包括天然或人工均质烟草材料、烟草提取物、香料，及多元醇或多元醇酯等烟雾剂或包括无机多孔材料等组成。显然，除无机多孔材料外的其它基质成分，对温度带来的热裂解仍然是高度敏感的。这些众多专利所涉及的具体结构和材料已成为非燃烧型低温卷烟领域的公知。

根据上述专利的特征描述，也可以知道，所谓非燃烧型低温卷烟，是通过热传导结构(关系)将燃料元件燃烧产生的热量传导给烟雾基质，期望使其加热至250～500℃，要避免烟雾基质因温度过高导致燃烧或热裂解形成不期望的化合物，同时产生感觉上可接受的烟雾。因此，在非燃烧型卷烟的公知结构中，可燃烧的碳质热源燃料元件是其重要组成。以下引述的专利在其中某些结构和方法上获得了一定的成功，但这不能必然地解释为既有的这些技术是合格的或适宜的。

雷诺兹烟草公司的中国专利CN 94104119.0(燃料元件组合物，1994)，公开了一种适于制造吸烟制品的燃料元件的组合物，其特征在于它含有至少50％的元素碳粉，至少1％的粘合剂，至少3％的石墨，至少1％的碳酸钙，还包含大约10％的烟草，还包含约1％碳酸钠。所用粘合剂是包括藻酸铵的藻酸盐，元素碳粉是平均颗粒尺寸约12μm的硬木纸桨碳粉，石墨的平均颗粒尺寸约为8μm。

Banerjee等人的美国专利申请公布号US 200527439(Ultra-fine particlecatalysts for carbonaceous fuel elements，2004)公布了含碳燃料元件可以包括金属和金属氧化物的超细颗粒的CO催化氧化剂。

菲利普莫里斯生产公司的中国专利CN 200480016579.5(从香烟的主流烟雾中降低一氧化碳和氮氧化物的催化剂)，公开了一种短切填料组合物，香烟，制造香烟的方法和吸烟方法，涉及将一氧化碳转化成二氧化碳和/或将氮氧化物转化成氮气的催化剂，催化剂包括承载在纤维载体上的纳米级金属和/或金属氧化物颗粒，或者通过结合金属前体溶液与纤维载体，然后热处理纤维载体，从而制备该催化剂。纤维载体包括陶瓷纤维和玻璃纤维。

菲利普莫里斯生产公司的中国专利CN 200480016481.X(降低香烟主流烟雾内一氧化碳的催化剂)，公开了一种短切填料组合物，卷烟纸，香烟过滤嘴，香烟，制造香烟的方法和吸烟的方法，涉及使用将一氧化碳转化成二氧化碳的催化剂。该催化剂包括承载在高表面积载体颗粒上的纳米级颗粒和/或金属氧化物颗粒。可通过结合金属前体溶液与高表面积载体颗粒，形成混合物，或者通过结合金属前体溶液与胶态溶液，形成混合物，然后加热该混合物制备催化剂。

日本烟草产业株式会社的中国专利CN 200480034945.X(碳质热源头的制造装置)，公开了一种碳质热源头的制造装置，可使续挤挤压成型的碳质热源棒，在中空管中一边干燥一边输送，使碳质热源棒干燥到适当的硬度供给到绝热材料包裹装置。

小出明弘等人的中国专利CN 200580046024.X(有非燃烧型吸烟物品用碳质热源组合物)，公开的非燃烧型吸烟物品用碳质热源组合物，其含有30％～55％重量比例的碳酸钙。

日本烟草产业株式会社的中国专利CN 200780013028.7(非燃烧型吸烟物品用碳质热源组成物和非燃烧型吸烟物品)，公开的碳质热源组成物包含有碳和重量为0.5％～5％甘油或丙二醇及重量为30％～55％的碳酸钙。较不含多元醇的碳质热源，非燃烧型吸烟物品能够把CO的增加率抑制在5％以下，着火时间得到11％以上的改善。

菲利普莫里斯生产公司的中国专利CN 200880124170.3(用于生产柱形热源的工艺)，公开了一种用于加热型吸烟物品的柱形含碳热源的生产工艺，热源具有贯穿其中的纵向空气流动通道，纵向空气流动通道的内表面覆盖有涂层。

西村学等人的中国专利申请公布号CN102458165A(具备碳质热源的非燃烧型吸烟物品，2009)，公开了一种非燃烧型吸烟物品，具备碳质热源和气溶胶发生部，所述碳质热源具有圆筒状的外壁和设置于其内部、横截面成格子的隔壁，且具有由隔壁划分的空气流路。碳质热源的空隙率为50％以上；热源组合物中的碳量为10％～60％。

值得注意的是，由于CN102458165A采用了横截面为格子状轴向贯通的多孔碳质热源结构，使得与空气接触的热源比表面积增大，着火性提高，燃烧充分；多孔壁面上还可涂覆金属氧化物涂层，促进对CO的氧化催化作用；多孔碳质热源中足量的碳酸钙及低温微融物使燃烧物持留性提高，吸烟中不易脱落，多孔碳质热源周围不需要绝热材料约束。但格子状轴向贯通的多孔碳质热源，可能存在着挤出模具结构复杂的问题。

雷诺兹烟草公司的中国专利CN 201080038270.1(带绝热垫的分段吸烟制品)，公开了一种香烟，它包含点烟端、烟嘴端、可抽吸段、气溶胶发生系统及生热段。生热段包含热源和机织、针织或二者混织的非玻璃材料绝热层，位于生热段与烟嘴端之间各自物理隔离的气溶胶发生段，含有气溶胶形成材料，绝热材料包括纤维材料，纤维材料包含粘胶人造丝、不锈钢纤维、铝纤维、陶瓷纤维、棉花、碳纤维、金属氧化物纤维、硫酸钙纤维或其组合。

雷诺兹烟草公司的中国专利申请公布号CN 102946747A(分段式抽吸制品，2011).公开了一种卷烟包括点火端和嘴端，设置在点火端处的可抽吸段，设置在点火端与嘴端之间的气雾生成系统，该气雾生成系统包括与可抽吸段相邻的生热段，包括热源和可由织造、编织或两者的非玻璃材料形成的隔热层，隔热层包括烤烟烟片、水溶烤烟烟杆提取物以及木浆，隔热层包括氯化铵及碳酸氢钠处理处理，并构造成具有面向内的几何形状与热源互补配合，可将热源纵向地保持在生热段内，隔热层还包括C-玻璃纤维及碳纤维材料。

雷诺兹烟草公司的中国专利申请公布号CN 103929989A(带有基质腔的分段吸烟制品，2012)，公开了一种香烟包括点燃和口腔端，布置在点燃端的可抽吸段，布置在点燃与口腔端之间的气溶胶发生系统，该系统包括热源和绝热层的生热段，及包括基质的气溶胶发生段，基质为烟草球和气溶胶形成材料。层压有箔条的外包装材料绕气溶胶发生段、生热段和可抽吸段形成香烟棒。箔条被布置为与生热段进行热交换的关系，箔条包括选自以下的材料：铝、黄铜、铜和它们的任意组合。

菲利普莫里斯生产公司的中国专利申请公布号CN 104080359A(空气流动改进的发烟制品，2013)，公开了一种具有口端和远端的发烟制品，包括热源，及热源下游的气雾形成基体；在气雾形成基体下游的至少一个空气入口，以及在该发烟制品和至少一个空气入口与口端之间延伸的空气流动路径。空气流动路径包括从至少一个空气入口朝向气雾形成基体纵向地向上游延伸的第一部分和从第一部分朝向发烟制品的口端纵向地向下游延伸的第二部分。即通过在气雾形成基体下游引入空气入口，并与气雾形成基体产生一部分热交换，以在抽吸期间减小或消除发烟制品的气雾形成基体的温度升高。

罗诚浩等人的中国专利CN 201310144843.4(一种干馏型卷烟)，公开了一种干馏型卷烟，包括热源段、干馏段、填充段及咀棒段。热源段包括碳质热源和包裹在碳质热源外层的卷烟纸，碳质热源的内部设有沿轴向贯通的孔隙，碳质热源和卷烟纸之间设有金属层，金属层上设有网状细孔，金属为铝箔，碳质热源是由片状碳质材料卷制而成的多层结构，孔隙设在片状碳质材料之间。碳质热源还可以由丝状碳质材料卷制而成的多孔结构，孔隙设在丝状碳质材料之间，丝状碳质材料沿卷烟轴向分布。

值得注意的是，由于CN 201310144843.4碳质热源没有用玻璃纤维进行包裹，消除了玻璃纤维可能被吸入人体而造成的危害。该专利碳质热源的优选方案是由片状碳质材料卷制而成的多层结构，但限于碳质热源的直径尺寸及材料塑性体流变性能的影响，可能存在着轴向贯通孔隙在实际构造形成上的困难。碳质热源由丝状碳质材料沿卷烟轴向分布构造的方案，可能存在着燃速与孔隙率匹配控制复杂的问题。

罗诚浩等人的中国实用新型专利CN 201320680789.0(干馏型卷烟碳质热源段)，公开了一种干馏型卷烟碳质热源段，包括碳棒和依次包裹在碳棒外面的玻璃纤维层及卷烟纸层，碳棒表面设有螺旋沟槽；螺旋沟槽与碳棒的轴向夹角为5～60度；其中包括轴向夹角为30度；螺旋沟槽的宽度为0.5～1mm。

值得注意的是，CN 201320680789.0在碳棒表面的螺旋沟槽，延长了空气流经碳棒表面的时间，使被加热空气的温度提高，这在一定的卷烟结构中干馏雾化的效果会更好。但这种螺旋表面在实际成型中，可能使碳棒模压加工脱模困难，或在连续挤出时，因伴随着碳棒的挤出旋转，造成尚未形成强度的碳棒连续体可能的变形或折断。

罗诚浩等人的中国实用新型专利CN 201320694678.5(外部导热吸烟装置)，公开了一种外部导热吸烟装置，它包括筒状导热套和与筒状导热套内部腔体连通的筒状气流导管，筒状气流导管的外表面套有与筒状气流导管匹配的筒状燃料块，筒状导热套腔体内设有卷烟限位板，设有通孔的卷烟限位板将筒状导热套内部腔体分隔为间隔区和插烟区，间隔区位于筒状气流导管与插烟区之间。筒状导热套和筒状气流导管均为金属筒状导热套。该实用新型通过设置筒状导热套和筒状气流导管，将筒状燃料块与烟气气流通道分离，从而减少吸烟者吸入的CO。

罗诚浩等人的中国实用新型专利CN201320696295.1(具有聚热区的烟草干馏装置)，公开了一种具有聚热区的烟草干馏装置，包括筒状导热套，及筒状气流导管和聚热腔，筒状气流导管通过聚热腔与筒状导热套连通，筒状气流导管和聚热腔的外表面套有与筒状气流导管和聚热腔形状相匹配的燃料块，筒状导热套和筒状气流导管及漏斗形聚热腔均为金属材料。

值得注意的是，实用新型专利CN 201320694678.5和CN201320696295.1，与菲利普莫里斯生产公司的中国专利申请CN 103889254A、CN 104105419A、CN 103619198A、CN103929984A和中国专利CN 200880102333.8，在抽吸气流与可燃热源的隔离方面的区别是，前者采用的是金属薄壁材料，而后者采用的是不可燃、基本不透气的屏障涂层材料，因此，可能存在着后面将要分析的“热源的燃烧所需的氧气与抽吸气流的关联程度低”导致的可燃热源的组分和结构变得有些复杂，以及热源放热量过于恒定与抽吸时大量空气升温所需要的热量可能存在着不能令人满意的吸烟体验匹配问题。另一方面，在CN 201320694678.5和CN201320696295.1中，由于燃料块没有外包装材料约束固定，而是与金属筒状导热套外壁进行套装匹配，其膨胀热应力可能导致燃料块在燃烧后期的碎裂脱落，进而可能存在着因对燃料块的燃烧物持留性要求提高所带来的燃烧性能控制问题。

曾晓鹰等人的中国专利申请公布号CN 103263084A(一种改善碳加热卷烟烟气口感的碳质热源，2013)，公开了一种改善碳加热卷烟烟气口感的碳质热源。将碳40～60份，碳酸钙10～15份，石墨5～10份，C1F或C2F等级烟叶的烟末10～30份，藻酸盐8～10份，甘油1～5份和氧化铁0.5～1.0份混匀；再用模具将原料混合物压制成蜂窝煤状的碳质热源，热源中空隙的截面为圆形，空隙占热源总体积的50～60％。

李峰等人的中国实用新型专利CN 201320893789.9(一种碳加热香烟)，公开了一种碳加热香烟，包括碳加热部分、铝箔部分和卷烟部分，其中碳加热部分包括碳芯、第一玻纤棉、烟料薄片、第二玻纤棉和第一烟纸；铝箔部分包括铝箔纸和烟料，铝箔纸包裹烟料，铝箔纸通过搭接方式与碳加热部分连接。

冯洪涛等人的中国实用新型专利CN 201320570189.9(一种碳质加热型卷烟)，公开了一种碳质加热型卷烟，包括碳质热源区、气溶胶形成区、烟丝填充区、增湿区和过滤嘴区。气溶胶形成区的前端与碳质热源区连接，后端与所述烟丝填充区的前端连接，烟丝填充区的后端与所述增湿区的前端连接，增湿区的后端与所述过滤嘴区连接，以减轻了烟气的干燥感。

雷诺兹烟草公司的中国专利申请公布号CN 102159100A(用于制备吸烟物品的燃料元件的方法，2011)，公开了一种制备吸烟物品的燃料元件的方法，将能够加热分解成催化金属化合物的含金属催化剂前驱体添加到燃料元件中或其表面上形成燃料元件，而非直接用催化金属化合物处理燃料元件。含金属的催化剂前驱体是选自以下金属盐的形式:柠檬酸盐、硝酸盐、硝酸铵、硫酸盐、氰酸盐、氢化物、氨化物、硫醇盐、碳酸盐、卤化物。

值得注意的是，虽然CN 102159100A相对于直接用催化剂化合物处理的燃料元件来说，前驱体的高溶解度导致活性催化剂物质更易于均匀地分布在前驱体处理过的燃料元件内的整个燃料元件中(或涂覆表面)。但前驱体分解的热处理温度约在100～600℃之间进行，且通常低于450℃，与燃料元件的实际燃烧约950℃的高温相比，前驱体分解形成的金属氧化物超微颗粒的高吸附活性，可能影响有害物质在较低温度下的挥发，因此，对金属盐类物质高温分解和挥发物的残留担忧，可能会影响对吸烟制品的体验。

菲利普莫里斯生产公司的中国专利CN 200880102333.8(基于蒸馏的发烟制品)，公开了一种发烟制品，包括可燃热源、气雾产生基质、热传导元件、膨胀室及烟嘴。通过热传导元件铝箔部分围绕接触的气雾产生基质相邻形成热传导关系，其可燃热源为多孔碳基热源，并设置至少一条贯穿其内的纵向气流通道，通道内表面涂覆有基本上不透气、不燃烧、低热导率的涂层，涂层为一种或多种包括粘土、金属氧化物、沸石、磷酸锆和其它陶瓷材料或其组合，且催化剂铂、钯、过渡金属及氧化物也可结合到涂层材料中。由于可燃热源内纵向气流通道涂覆有基本上不透气的涂层，以及可燃热源与气雾产生基质之间通过热传导元件的气密性接触连接，这有利于减少来自热源的燃烧气体被抽吸到气雾产生基质内及燃烧温度的升高最小化。

值得注意的是，菲利普莫里斯生产公司的二项中国专利申请公布号CN103889254A(包括有具有后方屏障涂层的可燃热源的发烟制品，2012)和CN 104105419A(包括隔离的可燃热源的发烟制品，2013)，其中，CN 103889254A公开了一种包括可燃热源及气雾剂形成基材的发烟制品包，可燃热源具有从正面延伸至背面的至少一个气流通道，可燃热源背面涂有不可燃烧、耐气体的非金属第一屏障涂层。CN 104105419A公开了一种具有所谓前表面和后表面的可燃热源和位于可燃热源后表面下游的浮质形成基质，以及包裹可燃热源后部和浮质形成基质的外包装材料，形成具有一条或多条空气抽吸气流路径的发烟制品。这二项专利申请与菲利普莫里斯生产公司上述CN 200880102333.8专利最明显的区别是：可燃碳质热源不仅在纵向气流通道的整个内表面上涂有不可燃、基本不透气所谓“第二屏障涂层”，而且还在可燃热源的整个后表面也涂有不可燃、基本不透气所谓的“第一屏障涂层”。据此来强化可燃热源与一条或多条气流路径隔离效果，使流经发烟制品的抽吸空气不直接接触可燃热源，这有利于抑制可燃热源在燃烧期间形成的燃烧和分解产物进入到发烟制品的主气流中，也有利于抑制使用者在抽吸期间或强烈抽吸机制下，浮质形成基质因温度突升导致的燃烧或热解。

菲利普莫里斯生产公司的中国专利申请公布号CN 103619198A(用于发烟制品的可燃热源，2012)，公开了一种用于发烟制品的可燃热源，热源包括碳和至少一种含量为热源干重至少20％的点火助剂，点火助剂选自金属硝酸盐、过氧化物、铝热材料、金属间材料、镁、锆、铁、铝及其组合。可燃热源的第二部分包裹于阻燃包装材料中，阻燃包装材料为导热的或/又为基本不透氧的，包括金属箔包装材料，如铝箔、钢箔、铁箔和铜箔包装材料，金属合金箔、石墨箔、玻璃纤维和陶瓷纤维包装材料，以及特定的纸质包装材料。当热源的第一部分被点燃时，第二部分的温度上升至第一温度，随后的燃烧期间，第二部分保持比第一温度低的第二温度。热源包括含量为至少20％的点火助剂，是为了能自发而稳定地从其内部包含的助燃剂中获得氧气，以满足其“抽吸气流与可燃热源的隔离”燃烧放热设计。同时，阻燃包装材料的导热、不透氧和第二温度也是为了发烟制品的气雾剂生成基材温度不会达到使气雾剂生成基材发生燃烧或热降解的水平。

特别值得注意的是，菲利普莫里斯生产公司的这些中国专利申请CN 103889254A、CN 104105419A、CN 103619198A、CN 103929984A，及中国专利CN 200880102333.8可能存在的问题是：由于抽吸气流与可燃热源基本上被隔离，一方面使得热源的燃烧所需的氧气与抽吸气流的关联程度大大降低，这就要求热源在燃烧过程中，能自发而稳定地从外界空气及其内部包含的助燃剂中获得氧气，使得可燃热源的组分和结构(如多孔)变得有些复杂。另一方面均匀燃烧使得热源的放热量过于恒定，而与抽吸时大量空气升温所需要的热量可能存在着不能令人满意的吸烟体验匹配问题。因为在惯常情况下大量空气吸入时，烟草或热源燃烧加速，气流同步升温，可使吸烟者获得足量的烟草气雾体验。若大量空气吸入时，热源的放热量相对过于恒定，气流得不到及时升温，不能满足气雾基质激发所需要的潜热，或者是某些高潜热香味基质组分不能得到有效的激发，可能使吸烟者的烟草气雾体验过于温和。虽然在热源的燃烧动力学、气流通道的流体力学和热源与屏障涂层的导热系数等方面进行精细的传热学设计可在一定程度上弥补上述缺陷，但对于吸烟这种极具个性的体验行为，其诸多受控量是难以协同的，因此，这类吸烟制品仍然存在着改进的需求。

菲利普莫里斯生产公司的中国专利申请公布号CN 103929984A(用于吸烟制品的复合热源，2012)，公开了一种在吸烟制品中使用的复合热源，它包括不可燃的多孔陶瓷基体和包埋在其内部的粒状可燃燃料，粒状燃料的中值粒径D₅₀较不可燃多孔陶瓷基体粒状物质的中值粒径D₅₀至少小5倍。不可燃多孔陶瓷基体包括一种或更多种过渡金属氧化物。可燃燃料包括碳、铝、镁、一种或更多种金属碳化物、一种或更多种金属氮化物或其组合，还包括一种或更多种选自硝酸盐、氯酸盐、高氯酸盐和高锰酸盐的氧化剂。可燃燃料的体积分数小于或等于不可燃的多孔陶瓷基体的约50％。应该说这种复合热源在用于卷烟制品的燃烧动力学上是一大进步。

燃料元件可用绝热材料或其它合适的材料约束或以其它方式套封起来，绝热材料可设计用于支撑和夹持燃料元件，使其固定在吸烟制品中。绝热材料使得抽吸的空气和气溶胶能够顺利地从其中通过。绝热材料、绝热组件的组分、生热段的代表性绝热组件的构造、绝热组件的包覆材料以及生产这些组分和组件的方式、方法涉及的专利包括：

Pryor等人的美国专利US 4807809(Rod making apparatus for smokingarticle manufcture，1988)；Hancock等人的美国专利US 4893637(Apparatus andmethods for making components of a smoking article，1987)；Barnes等人的美国专利US 4938238(Smoking article with improved wrapper，1987)；Shannon等人的美国专利US 5027836(Insulated smoking article，1988)；Lawson等人的美国专利US 5065776(Cigarette with tobacco/glass fuel wrapper，1990)；White等人的美国专利US5105838(Cigarette，1990)；Clearman等人的美国专利US 5247947(Cigarette，1991)；Banerjee等人的美国专利US 5303720(Smoking article with improved insulatingmaterial，1992)；Clearman等人的美国专利US 5345955(Composite fuel element forsmoking articles，1992)；Casey,III等人的美国专利US 5396911(Substrate materialfor smoking articles，1991)；White等人的美国专利US 5546965(Cigarette withimproved fuel element insulator，1994)；Meiring等人的美国专利US 5727571(Components for smoking articles and process for making same，1994)；Wilkinson等人的美国专利US 5902431(Composite web forming apparatus and method，1997)；以及Cook等人的美国专利US 5944025(Smokeless method and article utilizingcatalytic heat source for controlling products of combustion，1996)。

Lobovsky等人的美国专利申请公开号US 20080233294A1(Metal,ceramic andcermet articles formed from low viscosity aqueous slurries)，公开了一种绝热材料的实施方式，发泡多孔陶瓷材料，所述多孔陶瓷材料以聚合物，包括丝状物、织状片材、非织状片材、网套物、薄膜或开孔泡沫材料为骨架，浸渍、涂覆包含陶瓷、金属或陶瓷金属、粘结剂，高温移除骨架材料形成发泡陶瓷绝热体，燃料元件可插在绝热体中。最理想的绝缘元件具有弹性，从而有助于模仿普通香烟的感觉。

通过对以上专利的分析，可以知道，所谓非燃烧型低温卷烟用燃料元件的既有技术特征主要包括：

几何形体方面：一个短圆柱形体，其外表面沿轴线设有若干齿槽或螺旋槽，其中部设有一个或若干个轴向通孔，或可能的螺旋状孔隙，形体构成可以是密实结构，也可以是多孔结构。

组分构成方面：除碳素包括石墨和烟草粉末，以及助燃剂、燃烧稳定剂、粘结剂和金属及过渡金属氧化物的CO氧化催化剂等业已公知的组分外，还包括：金属和金属氧化物的超细颗粒；纳米级金属颗粒和/或纳米级金属氧化物颗粒催化剂，或通过金属前驱体溶液添加到燃料元件中，或涂覆/浸渍到燃料元件表面，再经加热分解形成纳米级金属颗粒催化剂，构成燃料元件内含的或表层的CO氧化催化组分。

辅助结构方面：支撑和夹持燃料元件的绝热材料，除玻璃纤维、碳素纤维、金属纤维、有机聚合物纤维，或其它无机材料纤维等业已公知的弹性纤维材料，以及金属箔、片材料外，还包括发泡方法形成的多孔陶瓷整体料，包含金属、陶瓷或陶瓷金属，燃料元件可插在整体料中。

燃料成型方面：碳质原料与粘结剂和水拌合形成膏体，通过孔口模具常温挤出成型，或模压成型，燃料成型体具有较高的水分和流变性，通过气流干燥固结。

尽管上述既有技术形成的燃料元件，是在长期的关注和持续做出了大量研究工作的基础上逐步完善的成果，但在非燃烧型低温卷烟的应用中还存在着不足：

其一，燃料元件组分石墨的结晶构造与燃烧性能缺乏关联性设计。

石墨是一种碳元素结晶矿物，理论成分为纯碳，实际均含有微量的氢、硅、铝、铁、钛、钙、镁、铜、锰、钒等元素。天然石墨有两种类型：晶质石墨和隐晶质石墨。其中，晶质石墨包含鳞片石墨和致密结晶块状石墨；隐晶质石墨为无定形碳，亦称半石墨、次石墨、微晶石墨或土状石墨，结晶粒度细小，一般小于1μm。

石墨由煤变质生成，而隐晶质石墨是处于煤化和石墨化过渡阶段的具有较高石墨碳含量的碳有机质，随着煤的变质程度提高，石墨化程度加深，其结晶程度也随之提高。

石墨有很好的耐高温性能，但基于碳质结晶构造的不同，其高温氧化性能有很大差别。在相同温度下，隐晶质石墨较晶质石墨的抗氧化性能差异显著，隐晶质石墨从500℃开始有近50％的碳被氧化烧掉，而晶质石墨几乎不被氧化；当温度达到800℃时，隐晶质石墨90％以上的碳已烧掉，而晶质石墨的碳被烧掉不到10％，可见不同结晶构造的石墨氧化燃烧性能相差甚远，这在含有所谓“石墨”的碳质燃料元件的设计中，尤为重要，因为燃料元件的燃烧性能对石墨的碳质结晶构造高度敏感。但既有技术的含石墨碳质原料，对晶质石墨和隐晶质石墨未加以区分，即模糊地称为石墨，当然也不涉及石墨的碳质结晶构造对燃料元件的燃烧性能影响。

石墨的碳质结晶构造可通过X射线衍射进行表征，在邻近石墨(002)晶面的衍射峰处，晶质石墨、隐晶质石墨和无烟煤均有衍射强度极大值。随着煤的变质程度提高，碳质结晶程度也随之提高，碳质晶体结构的层间距d₀₀₂值逐渐减小：

无烟煤隐晶质石墨(个别为)；晶质石墨

从燃烧性能上看，隐晶质石墨的放热峰起始温度(着火点)约为540～588℃，放热峰终止温度约为850～960℃；晶质石墨的放热峰起始温度约为617～660℃，放热峰终止温度约为940～1100℃。通常，无烟煤的着火点一般都在360～420℃。

因此，基于石墨碳质晶体结构的层间距d₀₀₂值及相应的放热峰起始温度和放热峰终止温度的差异，来设计燃料元件中的石墨所属类型和含量，不仅使得燃料元件在控制着火点温度、阴燃和吸燃的燃烧温度、燃烧速度、放热量、灰分、持留性等方面有依据，而且可以适当减少助燃剂、阻燃剂等燃烧稳定剂的添加数量，使燃烧更趋于安全、有效。

其二，燃料元件在强烈抽吸机制下的温度陡增，或燃烧放热量相对过于恒定的温度过低，温度的可控性偏弱。

燃料元件的燃烧热量通过热传导结构传输给烟雾基质，温度过高烟雾基质产生不期望的热裂解，温度过低则不足以激发气溶胶。如果温度与抽吸气流量有关，即升温对抽吸方式敏感；如果温度与抽吸气流量无关，即烟草体验与抽吸行为不协同。尤其在温度过高时，尽管有些既有技术以物理隔离的方式来消除传导加热作用，但仍不能阻断对流加热导致的温度陡增，可能使烟草基质产生不期望的热裂解或碳化，甚至局部燃烧的现象发生，这些都归于燃料元件欠缺控温功能所致。

其三，燃料元件中CO催化剂前驱体溶液挥发物残留的可能影响。

燃料元件中包含形成纳米金属或金属氧化物颗粒催化剂前驱体溶液，虽然能均匀分散，并有效实现对CO的氧化催化，但超微颗粒的高吸附活性，可能影响有害物质在较低温度下的挥发，造成对金属盐类物质高温分解和挥发物可能的残留担忧。

其四，燃料元件本体被赋予了良多的期望功能，而使组分和工艺可能偏于复杂。

设计性能符合要求的燃料元件，除了通过非燃烧型低温卷烟，向使用者传递良好的吸烟满足感外，期望吸燃的主流烟气中产生相对较少的有害气相和颗粒相产物，且阴燃维持正常。因此，燃料元件的组分设计被平衡了诸多影响因素，使其构成和工艺偏于复杂，虽然这归于科技的成功，但一部分人在面对“是过于复杂一些的人为，还是相对简单一点的天然”这一问题的选择时，可能会有所犹豫。

因此，期望提供一种非燃烧型低温卷烟用燃料元件，其组分与燃烧性能匹配合理，吸燃主流烟气相对安全，温度输出的极值范围可控，热量传导具有削峰填谷作用，使吸烟体验能兼容尽可能宽泛的个性习惯，避免烟雾基质因局部过热而形成不期望的裂解产物。还期望提供一种将催化剂用于包裹燃料元件的嵌套材料中，以实现在燃料元件的外表面与嵌套内表面之间形成的环状腔体内，对CO的氧化催化作用。同时，维持阴燃侧流烟气尽可能减少，因其特有的气味和可见性，常被以否定的观点对待而影响旁人的情绪。还期望提供一种以热塑性聚合物为粘结剂的熔体挤出成型方式，通过风固结的冷快速成型方式，避免水基膏体挤出时因流变性造成的成型体结构塌落问题，对此通常需要复杂的气流干燥装置加以克服。这种期望还包括燃料元件的制备方法相对简单、适宜、有效，甚至以更接近物理的或自然的方式进行。

发明内容

本发明要解决的技术问题之一在于，提供一种非燃烧型低温卷烟用相变控温式燃料组件，其组分与燃烧性能匹配合理，吸燃主流烟气相对安全，温度输出的极值范围可控，热量传导具有削峰填谷作用，使吸烟体验能兼容尽可能宽泛的个性习惯，避免烟雾基质因局部过热而形成不期望的裂解产物。

本发明要解决的技术问题之二在于，提供一种可以克服水基膏体挤压成型干燥缓慢和结构变形问题，提高燃料组件的制造效率的燃料组件的制备方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种非燃烧型低温卷烟用相变控温式燃料组件，包括燃料元件和燃料元件嵌套，所述燃料元件由碳质原料和碳质原料热塑性结合剂制成，所述碳质原料包括竹炭和隐晶质石墨，所述燃料元件嵌套套在所述燃料元件外部，所述燃料元件嵌套与燃料元件之间有环状的空腔，所述燃料元件嵌套由基体材料、基体原料热塑性结合剂和相变蓄热材料制成。

上述方案中，碳质原料由竹炭和隐晶质石墨组成的配比取决于所述隐晶质石墨的碳质晶体结构层间距d₀₀₂值，及所述竹炭和隐晶质石墨相应的放热峰起始温度和放热峰终止温度。所述碳质原料中竹碳和隐晶质石墨的配比如下，按质量百分数计为：

竹炭50％～95％，固定碳含量不低于95％，放热峰起始温度范围310～325℃，放热峰终止温度约为355～370℃；隐晶质石墨5％～50％，固定碳含量大于90％，碳质晶体层间距放热峰起始温度范围540～590℃，放热峰终止温度为770～960℃。其中，d₀₀₂值越小，且所述隐晶质石墨含量增加，着火点温度提高，燃烧速度减慢，阴燃和吸燃的燃烧温度差值增大，单位质量放热量增加。

上述方案中，所述碳质原料热塑性结合剂包括以下组分，按质量百分数计为：聚环氧乙烷40％～65％；麦芽糖醇20％～25％；甘露醇5％～10％，丙三醇20％～30％。固相粒度小于150μm。

上述方案中，所述碳质原料热塑性结合剂对碳质原料进行预塑化混合的配比(质量百分数)为：所述碳质原料40％～90％，所述碳质原料热塑性结合剂10％～60％。进行预塑化混合，混合温度低于100℃，获得碳质原料预塑化配比混合粉体。

上述方案中，所述基体材料和相变蓄热材料配比如下，按质量百分数计为：基体材料70％～85％，相变蓄热材料15％～30％。

上述方案中，所述基体材料包括以下组分，按质量百分数计为：电气石10％～33％，高岭土46％～80％，氧化铁(Fe₂O₃)6％～15％，氧化铈(CeO₂)2％～6％。电气石采用除铁电气石以外，还可以选自镁电气石、钙镁电气石、锂电气石中的一种或多种组合。采用各种介质磨剥类超细磨干法粉碎，粒度D₉₇≤15μm。

上述方案中，所述相变蓄热材料取自以下材料中的一种或几种材料的物理混合物：低温玻璃粉，铝基共晶合金，三氧化二硼(B₂O₃)，氢氧化锶(Sr(OH)₂))，氯化钠与氯化钙混合盐(95.4NaCl-4.6CaCl₂)。所述相变蓄热粉体配比为，按所述嵌套基体原料干基质量与相变蓄热粉体质量之和的15％～30％，粒度D₉₇≤75μm。

上述方案中，所述低温玻璃粉：软化温度范围为370～460℃，熔融温度范围为510～600℃，显著吸热温度范围为450～550℃；所述B₂O₃熔点约450℃；所述Sr(OH)₂熔点约375℃；所述95.4NaCl-4.6CaCl₂熔点约570℃；所述铝基共晶合金为以下一种或两种的物理混合物：86.4Al-9.4Si-4.2Sb熔点约471℃、64.1Al-5.2Si-28Cu-2.2Mg熔点约507℃、68.5Al-5.0Si-26.6Cu熔点约525℃、64.3Al-34.0Cu-1.7Sb熔点约545℃、89Al-4Cu-7Si熔点约566.5℃和88Al-12Si，熔点约580℃。

上述方案中，所述基体原料热塑性结合剂的配比(质量百分数)为，羟丙基纤维素30％～45％；聚环氧乙烷15％～25％；赤藓糖醇15％～20％；甘露醇3％～5％，丙三醇16％～30％。固相粒度小于150μm。

上述方案中，所述基体原料热塑性结合剂对嵌套基体原料和相变蓄热粉进行预塑化混合的配比(质量百分数)为：所述嵌套基体原料40％～65％，所述所述相变蓄热粉体15％～35％，所述基体原料热塑性结合剂15％～40％。进行预塑化混合，混合温度低于110℃，获得嵌套基体预塑化配比混合粉体。

本发明还提供了一种相变控温式燃料组件的热塑性制备方法，包括以下步骤：

S1、获取竹炭和隐晶质石墨的粒状配比原料；

S2、对碳质原料进行超细粉碎；

S3、通过碳质原料热塑性结合剂对碳质原料进行预塑化混合，获得碳质原料预塑化配比混合粉体；

S4、通过基体原料热塑性结合剂对基体原料和相变蓄热粉进行预塑化混合，获得嵌套预塑化配比混合粉体；

S5、经复合组模熔体连续挤出和风冷固结快速成型、热解碳化的方法制备燃料组件。

上述方案中，所述的嵌套基体预塑化配比混合粉体，通过复合组模螺杆挤出机连续挤出，熔体温度控制范围160～165℃,风冷、切割。在氮气保护下，升温至500℃，保温100～180min，然后升温至750～850℃，保温10～20min，使有机物组分热解、挥发、碳化，制备出相变控温式燃料组件。

上述方案中，在对碳质原料进行粉碎的过程中，利用介质磨剥类超细磨的粉碎机械力化学效应和参杂效应，以及粉碎粒度分布方程的分布模数，来调整所述碳质原料的燃烧性能和对CO的氧化催化效果。

上述方案中，所述介质磨剥类超细磨或采用球磨机干法间歇式防爆粉磨工艺，通过钢质平衬板或小波纹衬板，以及小尺寸钢质研磨介质的研磨作用，引发碳质原料的粉碎机械力化学效应和参杂效应。

上述方案中，所述碳质原料的超细粉碎粒度分布方程符合：其中，R(D)为粒径为D的颗粒筛上累积质量百分数，De取值范围2.0～8.0μm，n取值范围0.5～2.7，De值越小，着火点温度低、燃烧速度快；n值小于0.7时，所述碳质燃料元件孔隙率减小，燃烧速度减慢。

上述方案中，超细粉碎后所述碳质原料中出现由粉碎机械力化学效应引发产生的碳化铁Fe₅C₂和/或Fe₃C，以及参杂效应形成的羟基铁Fe-OH和/或Fe₂O₃。

上述方案中，实施本发明的非燃烧型低温卷烟用相变控温式燃料组件及其热塑性制备方法，具有以下有益效果：

1、本发明提出燃料元件组分石墨的结晶构造与燃烧性能的关联性设计方法，即以各种碳质原料，优选地，以竹炭为主要碳质原料，基于石墨碳质晶体结构的层间距参数d₀₀₂值，及相应的放热峰起始温度和放热峰终止温度，对燃料元件的着火点温度、阴燃和吸燃温度、燃烧速度、放热量、灰分和持留性进行调控设计，并减少助燃剂、阻燃剂等燃烧稳定剂的添加数量。

2、本发明提出燃料元件组分原料的干法粉磨工艺参数与燃烧性能的关联性设计方法，即在介质磨剥类超细粉碎过程中，通过钢质研磨介质的粉碎机械力化学效应和参杂效应，以及粉碎粒度分布方程的分布模数，对燃料元件的着火点温度、燃烧速度、CO氧化催化效果进行调控设计，从组分物理变化及表面物理化学变化的角度来提高或改善燃料元件的燃烧与安全性能。

3、本发明提出利用相变蓄热材料来控制燃料元件温度输出可能过高的方法，即通过电气石结合高岭土或硅藻土为基体的，复合相变蓄热材料所形成的燃料元件嵌套，在温度过高时相变蓄热材料发生相变吸收热量，温度下降时放出热量，对燃料元件的输出温度进行“削峰填谷”式控制，以物理和换热方式避免温度过高或陡增使烟草基质产生不期望的热裂解或碳化。

4、本发明提出在电气石结合高岭土或硅藻土为基体的复合嵌套的内表面，与燃料元件外表面之间形成环状腔体的自由空间内，实现对吸燃气流的CO吸附和氧化催化设计方法，即在燃料元件的热激发下，利用电气石的热电效应和自发电极的静电场效应及吸附效应，对弱极性CO及微粒进行吸附，以及电气石颗粒碎裂所形成断键表面富含的Fe、Mg、Cr、Li、Cu、Na、K等金属阳离子对CO进行氧化催化作用，通过天然材料来提高或改善燃料元件的安全性能。

5、本发明提出利用热塑性粉体结合碳质原料和嵌套粉体的熔体挤出成型方法，即通过热塑性结合剂对碳质原料、嵌套基体原料和相变蓄热粉进行预塑化混合，及复合组模熔体连续挤出和风冷固结、热解碳化的方法制备燃料组件，以热塑性材料急冷固结的快速成型方法，来克服水基膏体挤压成型干燥缓慢和结构变形问题，提高燃料组件的制造效率。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是非燃烧型低温卷烟用相变控温式燃料组件的热塑性制备方法工艺流程图；

图2a是相变控温式燃料组件示例一的轴向剖视图；

图2b是相变控温式燃料组件示例一的径向剖视图；

图3a是相变控温式燃料组件示例二的轴向剖视图；

图3b是相变控温式燃料组件示例二的径向剖视图；

图4a是相变控温式燃料组件示例三的轴向剖视图；

图4b是相变控温式燃料组件示例三的径向剖视图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明。

本发明非燃烧型低温卷烟用相变控温式燃料组件的热塑性制备方法工艺流程如图1所示，制备的相变控温式燃料组件04、05或06的轴向和截面示例性剖视图如图2a、图2b、图3a、图3b或图4a、图4b所示，制备非燃烧型低温卷烟用相变控温式燃料组件的具体方法，包括以下步骤：

本发明非燃烧型低温卷烟用相变控温式燃料组件的热塑性制备方法工艺流程如图1所示，制备的相变控温式燃料组件04、05或06的轴向和截面示例性剖视图如图2a、图2b、图3a、图3b或图4a、图4b所示，制备非燃烧型低温卷烟用相变控温式燃料组件的具体方法，包括以下步骤：

第一步，碳质原料粉体制备

(1)碳质原料配比(质量百分数)：可采用各种碳质原料，优选地，竹炭50％～95％，粒度小于150μm，固定C含量不低于95％，放热峰起始温度范围310～325℃，放热峰终止温度约为355～370℃；隐晶质石墨，5％～50％，固定C含量大于90％，粒度小于45μm，碳质晶体层间距放热峰起始温度范围540～590℃，放热峰终止温度约为770～960℃。d₀₀₂值越小，且所述隐晶质石墨含量增加，着火点温度提高，燃烧速度减慢，阴燃和吸燃燃烧温度差值增大，单位质量放热量增加。

(2)机械力化学超细粉碎：可采用各种介质磨剥类超细磨，优选地，球磨机，干法间歇式防爆粉磨工艺，采用钢质平衬板或小波纹衬板，钢质小尺寸研磨介质Ф2mm～Ф13mm。所述碳质原料经机械力化学超细粉碎后，粒度分布符合方程：式中，R(D)为粒径为D的颗粒筛上累积质量百分数，De取值范围2.0～8.0μm，n取值范围0.5～2.7，De值越小，着火点温度低、燃烧速度快；n值小于0.7时，所述碳质燃料元件孔隙率减小，燃烧速度减慢，优选地，De取值3.8～6.8μm，n值取1.5～2.1。粉碎后所述碳质原料的X射线衍射峰提示出现碳化铁Fe₅C₂，和/或Fe₃C，以及参杂氧化铁Fe₂O₃存在。

第二步，燃料元件嵌套粉体制备

(1)嵌套基体原料配比(质量百分数)：可采用各种阳离子型电气石，优选地，除铁电气石以外，选自镁电气石、钙镁电气石、锂电气石中的一种或多种组合，10％～33％，优选地23％；高岭土46％～80％，优选地65％；氧化铁(Fe₂O₃)6％～15％，优选地8％；氧化铈(CeO₂)2％～6％，优选地4％。

(2)嵌套基体原料超细粉碎：可采用各种介质磨剥类超细磨，优选地，干法振动磨，对所述嵌套基体原料进行超细粉碎，粒度D₉₇≤15μm。

(3)相变蓄热粉体为取自以下一组材料中的一种，或几种材料的物理混合物：低温玻璃粉，铝基共晶合金，三氧化二硼(B₂O₃)，氢氧化锶(Sr(OH)₂))，氯化钠和氯化钙混合盐(95.4NaCl-4.6CaCl₂)。所述相变蓄热粉体配比为，按所述嵌套基体原料干基质量与相变蓄热粉体质量之和的15％～30％，粒度D₉₇≤75μm。所述低温玻璃粉：软化温度范围为370～460℃，熔融温度范围为510～600℃，显著吸热温度范围为450～550℃；所述B₂O₃熔点约450℃；所述Sr(OH)₂熔点约375℃；所述氯化钠和氯化钙混合盐(95.4NaCl-4.6CaCl₂)熔点约570℃；所述铝基共晶合金为以下一种或两种的物理混合物：86.4Al-9.4Si-4.2Sb熔点约471℃、64.1Al-5.2Si-28Cu-2.2Mg熔点约507℃、68.5Al-5.0Si-26.6Cu熔点约525℃、64.3Al-34.0Cu-1.7Sb熔点约545℃、89Al-4Cu-7Si熔点约566.5℃和88Al-12Si，熔点约580℃。

(4)碳质原料热塑性结合剂配比(质量百分数)：聚环氧乙烷40％～65％；麦芽糖醇20％～25％；甘露醇5％～10％，丙三醇20％～30％。固相粒度小于150μm。

(5)嵌套基体原料热塑性结合剂配比(质量百分数)：羟丙基纤维素30％～45％；聚环氧乙烷15％～25％；赤藓糖醇15％～20％；甘露醇3％～5％，丙三醇16％～30％。固相粒度小于150μm。

第三步，燃料元件成型与碳化

(1)碳质原料预塑化配比混合粉体(质量百分数)：粉碎后的所述碳质原料40％～90％；所述碳质原料热塑性结合剂10％～60％，优选地，粉碎后的所述碳质原料60％；所述碳质原料热塑性结合剂40％。预塑化混合，混合温度低于100℃。

(2)嵌套基体预塑化配比混合粉体(质量百分数)：粉碎后的所述嵌套基体原料40％～65％；所述相变蓄热粉体15％～35％；所述嵌套基体原料热塑性结合剂15％～40％，优选地，所述粉碎后的嵌套基体原料55％；所述相变蓄热粉体20％；所述嵌套基体原料热塑性结合剂25％。预塑化混合，混合温度低于110℃。

(3)复合组模连续挤出：将所述碳质原料预塑化配比混合粉体，与所述嵌套基体预塑化配比混合粉体，通过复合组模螺杆挤出机连续挤出，熔体温度控制范围160～165℃,风冷、切割。

(4)高温碳化：在氮气保护下，升温至500℃，保温120min，然后升温至750℃，保温15min，使有机物组分热解、挥发、碳化。

所述第一步碳质原料粉体制备，所述第二步燃料元件嵌套粉体制备，和所述第三步燃料元件成型与碳化的实施步骤后，制备出如图2a、图2b所示的相变控温式燃料组件04，或如图3a、图3b所示的相变控温式燃料组件05，或如图4a、图4b所示的相变控温式燃料组件06。其中，041、051和061为所述碳质原料粉体的熔体挤出风冷固结物，作为燃烧放热源；042、052、和062为所述燃料元件嵌套粉体的的熔体挤出风冷固结物，作为热电、静电场和吸附协同效应及相变蓄热材料，吸附和催化CO等有害气体和微粒，并避免温度过高或陡增使烟草基质产生不期望的热裂解或碳化；043、053和063为所述碳质原料粉体的熔体挤出风冷固结物041、051和061外表面，与所述燃料元件嵌套粉体的熔体挤出风冷固结物042、052、和062内表面之间形成的环状腔体，为流经其内的吸燃气流提供了一个吸附催化和换热控温的作用空间，以提高或改善燃料元件的安全性能。

以下通过实施例说明本发明，但本发明并不限定于此。

碳质原料：竹炭80％，粒度小于150μm，固定C含量不低于95％，放热峰起始温度319.13℃，放热峰终止温度364.70℃(高温TG-DSC综合热分析仪STA449F3)；隐晶质石墨20％，固定C含量≥99％，粒度小于45μm，碳质晶体层间距(转靶X射线衍射仪MAX-RB RU-200B)，放热峰起始温度544.57℃，放热峰终止温度789.34℃。

机械力化学超细粉碎：球磨机干法间歇式防爆粉磨工艺，采用钢质平衬板或小波纹衬板，钢质小尺寸研磨介质Ф2mm～Ф13mm粉碎后粒度分布符合方程：

累积筛余36.8％的粒径De＝4.96μm，n＝1.92(粒度分布测试仪Mastersizer 2000)。X射线衍射峰提示碳化铁Fe₅C₂(Fe₃C)振动吸收峰，以及羟基铁Fe-OH存在(转靶X射线衍射仪MAX-RB RU-200B)。

嵌套基体原料：镁电气石与锂电气石中组合，分别12％，合计24％；高岭土64％；氧化铁8％；氧化铈4％。

嵌套基体原料超细粉碎：采用干法振动磨，粉碎粒度D₉₇≤15μm。

相变蓄热粉体：采用三氧化二硼(B₂O₃)，熔点约450℃，粒度：D₉₇≤75μm。

碳质原料热塑性结合剂：聚环氧乙烷48％；麦芽糖醇22％；甘露醇7％，丙三醇23％。

嵌套基体原料热塑性结合剂：羟丙基纤维素38％；聚环氧乙烷20％；赤藓糖醇18％；甘露醇4％，丙三醇20％。固相粒度小于150μm。

碳质原料预塑化配比混合粉体：粉碎后的碳质原料60％；碳质原料热塑性结合剂40％，混合温度低于100℃。

嵌套基体预塑化配比混合粉体：粉碎后的嵌套基体原料55％；相变蓄热粉体20％；所嵌套基体原料热塑性结合剂25％。预塑化混合，混合温度低于110℃。

复合组模连续挤出：碳质原料预塑化配比混合粉体，与嵌套基体预塑化配比混合粉体，通过复合组模螺杆挤出机连续挤出，熔体温度控制范围160～165℃,风冷、切割。

高温碳化：碳化炉内氮气保护升温至500℃，保温120min，然后升温至750℃，保温15min，使有机物组分热解、挥发、碳化。

通过高温TG-DSC综合热分析仪STA449F3，对碳化后的碳质燃料部分进行热重分析TG和示差扫描量热分析DSC，可以发现：放热峰起始温度(着火点)为445.3℃，在445.3～636.4℃放热温度范围内，存在两个放热峰，第一个放热峰起始温度为445.3℃，终止温度为475℃；第二个放热峰起始温度为599.5℃，终止温度为636.4℃。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种非燃烧型低温卷烟用相变控温式燃料组件，其特征在于，包括燃料元件和燃料元件嵌套，所述燃料元件由碳质原料和碳质原料热塑性结合剂制成，所述碳质原料包括竹炭和隐晶质石墨，所述燃料元件嵌套套在所述燃料元件外部，所述燃料元件嵌套与燃料元件之间有环状的空腔，所述燃料元件嵌套由基体材料、基体原料热塑性结合剂和相变蓄热材料制成。

2.根据权利要求1所述的非燃烧型低温卷烟用相变控温式燃料组件，其特征在于，所述碳质原料中竹碳和隐晶质石墨的配比如下，按质量百分数计为：

竹炭50％～95％，固定碳含量不低于95％，放热峰起始温度范围310～325℃，放热峰终止温度约为355～370℃；

隐晶质石墨5％～50％，固定碳含量大于90％，碳质晶体层间距放热峰起始温度范围540～590℃，放热峰终止温度为770～960℃。

3.根据权利要求1所述的非燃烧型低温卷烟用相变控温式燃料组件，其特征在于，所述碳质原料热塑性结合剂由以下组分组成，按质量百分数计为：

聚环氧乙烷40％～48％；麦芽糖醇20％～25％；甘露醇5％～10％，丙三醇20％～30％。

4.根据权利要求1所述的非燃烧型低温卷烟用相变控温式燃料组件，其特征在于，所述基体材料由以下组分组成，按质量百分数计为：

电气石10％～33％，高岭土46％～80％，氧化铁6％～15％，氧化铈2％～6％。

5.根据权利要求1所述的非燃烧型低温卷烟用相变控温式燃料组件，其特征在于，所述相变蓄热材料取自以下材料中的一种或几种材料的物理混合物：低温玻璃粉，铝基共晶合金，三氧化二硼，氢氧化锶，氯化钠与氯化钙混合盐。

6.根据权利要求1所述的非燃烧型低温卷烟用相变控温式燃料组件，其特征在于，所述基体原料热塑性结合剂由以下组分组成，按质量百分数计为：

羟丙基纤维素30％～45％；聚环氧乙烷15％～25％；赤藓糖醇15％～20％；甘露醇3％～5％，丙三醇16％～30％。

7.一种相变控温式燃料组件的热塑性制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获取竹炭和隐晶质石墨的粒状配比原料；

S2、对碳质原料进行超细粉碎；

S3、通过碳质原料热塑性结合剂对碳质原料进行预塑化混合，获得碳质原料预塑化配比混合粉体；

S4、通过基体原料热塑性结合剂对基体原料和相变蓄热粉进行预塑化混合，获得嵌套预塑化配比混合粉体；

S5、经复合组模熔体连续挤出和风冷固结快速成型、热解碳化的方法制备燃料组件。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在对碳质原料进行粉碎的过程中，利用介质磨剥类超细磨的粉碎机械力化学效应和参杂效应，以及粉碎粒度分布方程的分布模数，来调整所述碳质原料的燃烧性能和对CO的氧化催化效果。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述介质磨剥类超细磨采用球磨机干法间歇式防爆粉磨工艺。

10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，其特征在于，所述碳质原料的超细粉碎粒度分布方程符合：其中，R(D)为粒径为D的颗粒筛上累积质量百分数，De取值范围2.0～8.0μm，n取值范围0.5～2.7。