CN105212275B - 具有调节炭加热新型烟草制品吸阻与传热功能的三维多孔炭供热体的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种具有调节炭加热新型烟草制品吸阻与传热功能的三维多孔炭供热体的制备方法，其特征在于：是以生物质为原料，利用溶胶凝胶法，通过冷冻干燥和炭化的方法，获得一种炭加热新型烟草制品中使用的三维多孔炭热源材料。本发明具有以下优点：1）生物质含有大量的含氧官能团，经炭化后，仍存在约20％的氧含量，使得其引燃温度低；2）三维多孔炭供热体材料中形成了大量贯通的孔隙，使得制备的炭供热体材料燃烧时，气体扩散性能与传热性能得到改善，烟丝加热更加均匀；3）利用溶液浸渍可将金属离子均匀分散于碳前躯体骨架中，炭化时形成具有催化作用的金属氧化物，降低炭供热体材料燃烧烟气中CO和烃类等对人体的危害。

Description

具有调节炭加热新型烟草制品吸阻与传热功能的三维多孔炭 供热体的制备方法

技术领域

本发明涉及一种炭加热新型烟草制品用炭供热体的制备方法。具体是以生物质为原料，利用溶胶凝胶法，通过冷冻干燥和炭化的方法，获得一种炭加热新型烟草制品中使用的三维多孔炭热源材料，属于烟用材料生产技术领域。

背景技术

近年来，在世界传统卷烟制品年产销量有所下降的同时，新型烟草制品呈现增长趋势，世界烟草市场产品结构不断发生着变化，积极发展各种烟草制品逐渐成为世界各个烟草公司的战略取向。加热非燃烧烟草制品具有“加热烟丝或烟草提取物而非燃烧烟丝”的特点，是国内外烟草公司研发的重点，加热方式可分为电加热、燃料加热和理化反应加热等。炭材料作为固体燃料，国外已有商品化产品推出，炭加热新型烟草在消费时可减少烟草高温燃烧裂解产生的有害成分，同时能在一定程度上适应和满足消费者的生理需求和消费习惯。

炭材料作为新型烟草制品供热体时，通常采用一定尺寸的圆柱形炭块。目前成型炭材料制备方法大致可分为三类：（1）直接将具有设定形状和尺寸的植物制品炭化；（2）用粘结剂将碳源前躯体粘结成型，然后炭化；（3）采用粘结剂将粉体炭粘结成型，然后再对粘结剂进行处理。这些成型方法使三维炭材料具有较高的堆密度和强度，便于加工，但同时会导致其比表面积和孔隙结构有一定损失。国外专利报道和市售的炭加热新型卷烟就是采用类似密实结构的三维炭块作为供热体，这种结构不但使炭块难以点燃，而且使烟支的吸阻远大于传统卷烟，不利于传质和传热。理想的炭供热体既要引燃温度合适，又要能对燃烧速率和热量可控，更要降低燃烧产物中有害物质的含量，炭材料的结构和组成直接决定着其应用性能。

三维多孔炭材料具有高度发达的比表面积和相互贯穿的孔隙结构，将其作为炭加热新型烟草制品的供热体，有利于炭的燃烧，并且通过碳源和制备工艺的选择可以有效地控制炭材料的孔隙率及孔径分布，从而起到调节烟支吸阻和传质传热的作用。

作为可再生资源，生物质的炭化是其高效利用的途径之一，生物质中含有丰富的羟基、羰基和羧基等极性基团，可被用作制备特殊结构炭材料的有效碳源。溶胶凝胶法制备多孔炭就是将碳源原材料溶于液相，在特定形状的模具中经过物理或化学交联的方式形成凝胶，经过陈化处理、溶剂置换和冷冻干燥等处理制备出所需的气凝胶，然后再在惰性气氛下炭化制备出所需材料。溶液具有均一性的特点，因此溶胶凝胶法制备的三维多孔炭材料中孔隙结构是均匀分布的；此外，还可以利用溶液浸渍的方法在三维多孔炭孔隙中添加金属氧化物催化剂，可用于消除炭燃烧产生烟气中的有害物质，催化剂良好的分散和稳定性使得即使较低的催化剂含量也能达到较好的脱除效果。

发明内容

本发明的目的正是基于上述应用背景和现有技术状况，而提供的一种具有调节炭加热新型烟草制品吸阻与传热功能的三维多孔炭供热体的制备方法。

本发明的发明机理在于：利用溶胶凝胶法制备三维多孔炭材料，作为炭加热新型烟草制品的供热体，通过改变生物质碳源、溶液浓度、炭化温度和时间等来控制三维多孔炭材料的比表面积、表观密度和孔结构，从而实现对燃烧过程、传热过程和气阻的调节；同时，还可以选择用溶液浸渍法加入具有催化氧化性能的金属氧化物，达到消除烟气中一氧化碳和芳烃类物质的作用。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种具有调节炭加热新型烟草制品吸阻与传热功能的三维多孔炭供热体的制备方法，是以生物质为原料，利用溶胶凝胶法，通过冷冻干燥和炭化的方法，获得一种炭加热新型烟草制品中使用的三维多孔炭热源材料，具体步骤如下：

1）将生物质碳源溶解于加入到一定量的水或氢氧化锂/尿素溶液中，形成浓度为6-20wt%的水溶液，将此溶液转移至模具中，通过物理或化学的方法形成水凝胶，根据需要切割成所需尺寸的三维水凝胶；

2）将上述制得的三维水凝胶在金属盐溶液中浸渍30-120分钟，使金属离子扩散进水凝胶内部；

3）将通过溶胶凝胶法制备的三维水凝胶用冷冻干燥的方法干燥，得到三维气溶胶；

4）将三维气溶胶材料在惰性气体保护下，经炭化，炭化温度为300-900^oC，炭化时间为2-6小时，获得三维多孔炭供热体材料；

在本发明中，所述生物质碳源为可溶性淀粉、纤维素或海藻酸；

所述的凝胶化所采用的物理或化学方法，由所选生物质碳源的种类决定；

所述金属盐包括醋酸锰、硝酸铈、醋酸钴、氯化钴和硝酸铁等，形成金属氧化物粒子的尺寸由溶液浓度来调节，浓度为0.01-5wt%。

所述模具为直径为8-10mm的圆柱形。

所制得的三维多孔炭供热体材料孔隙结构发达，比表面积达300-900m²/g；燃烧稳定，燃烧温度比相应密实结构的成型炭材料低；在17.5mL/s的流速下，三维多孔炭供热体的压降为70-140Pa/cm；成炭后的所含金属氧化物可将炭燃烧产生的CO和小分子烃类物质氧化转化为CO₂，作为供热材料使用在加热烟草制品时降低了自身产生的有害成分，减少对人体的危害。

本发明具有以下优点：1）生物质含有大量的含氧官能团，经低温炭化后，仍存在约20％的氧含量，使得其引燃温度低；2）三维多孔炭供热体材料中形成了大量贯通的孔隙，使得制备的炭供热体材料燃烧时，气体扩散性能与传热性能得到改善，烟丝加热更加均匀；3）利用溶液浸渍可将金属离子均匀分散于炭前躯体骨架中，炭化时形成具有催化作用的金属氧化物，降低炭供热体材料燃烧烟气中CO和烃类等对人体的危害。

具体实施方式

本发明以下结合具体实例做进一步：

实施例1

将可溶性淀粉溶于水中形成8-15wt%的溶液，将淀粉溶液在85 ^oC加热20分钟后，转移至直径为8-10mm的圆柱形模具中冷却到5 ^oC，在该温度下放置两天，淀粉发生凝胶化后将凝胶切割成所需长度，再在金属盐（如醋酸锰）的水溶液中浸渍2小时，冷冻干燥后在惰性气氛（如氮气）下350-750^oC炭化，最终得到三维多孔的炭供热体材料，试验条件及结果见表1：

表1 试验条件对淀粉三维多孔炭的影响

实施例2

将一定量纤维素在-20^oC时溶于8wt/%的氢氧化锂和4wt/%的尿素混合溶液中，将所得6-10wt/%的溶液转移至直径为8-10mm的圆柱形模具中，在酸性沉析液中发生凝胶化，将凝胶切割成所需长度，再在金属盐（如硝酸铈）的水溶液中浸渍1小时，然后冷冻干燥后在惰性气氛下350-750^oC炭化，最终得到三维多孔的炭供热体材料，试验条件及结果见表2：

表2 试验条件对纤维素三维多孔炭的影响

实施例3

将8-20wt/%海藻酸的水溶液转移至直径为8-10mm的圆柱形模具中，然后在10%的氯化钙溶液中发生凝胶化反应，将凝胶切割成所需长度，再在金属盐（如醋酸钴）的水溶液中浸渍1小时，冷冻干燥后在惰性气氛下500-750^oC炭化，然后用5%的盐酸溶液洗涤5分钟，干燥，最终得到三维多孔的炭供热体材料，试验条件及结果见表3：

表3 试验条件对海藻酸三维多孔炭的影响

从实施例可以看出，生物质碳源经溶胶凝胶法制备的三维多孔炭材料，具有比表面积高、孔隙发达的特点，对引燃温度和吸阻具有调节作用，适宜作为炭加热新型烟草制品用炭供热体材料。

Claims (2)

1.一种具有调节炭加热新型烟草制品吸阻与传热功能的三维多孔炭供热体的制备方法，其特征在于：是以生物质为原料，利用溶胶凝胶法，通过冷冻干燥和炭化的方法，获得一种炭加热新型烟草制品中使用的三维多孔炭热源材料，具体步骤如下：

1）将生物质碳源溶解于水或氢氧化锂/尿素溶液中，形成浓度为6-20wt%的水溶液，将此溶液转移至模具中，通过物理或化学的方法形成水凝胶，根据需要切割成所需尺寸的三维水凝胶；所述生物质碳源为纤维素或海藻酸；所述的凝胶化所采用的物理或化学的方法，由所选生物质碳源的种类决定，具体为：纤维素的氢氧化锂/尿素溶液通过在酸性沉析液中发生凝胶化，海藻酸水溶液在10%的氯化钙溶液中发生凝胶化；

2）将上述制得的三维水凝胶在金属盐溶液中浸渍30-120分钟，使金属离子扩散进水凝胶内部；所述金属盐包括醋酸锰、硝酸铈、醋酸钴、氯化钴和硝酸铁，形成金属氧化物粒子的尺寸由溶液浓度来调节，浓度为0.01-5wt%；

3）将通过溶胶凝胶法制备的三维水凝胶用冷冻干燥的方法干燥，得到三维气溶胶；

4）将三维气溶胶材料在惰性气体保护下，经炭化，炭化温度为300-900^oC，炭化时间为2-6小时，获得三维多孔炭供热体材料。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述模具为直径为8-10mm的圆柱形。