CN106690420A - 一种具有梯度功能的炭加热新型烟草制品用供热体及其制备方法 - Google Patents

一种具有梯度功能的炭加热新型烟草制品用供热体及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于烟用材料生产技术领域，具体是一种具有梯度功能的炭加热新型烟草制品用供热体及其制备方法，特征在于：该供热体是由引燃段、供热段和过渡段通过压合方式依次叠加而成的圆柱体结构，其中：所述引燃段材料包括水热炭、氧化石墨烯和无机盐；所述供热段的材料是水热炭、热解炭、石墨、中空碳纤维和纳米金属氧化物的混合材料；所述过渡段的材料是可膨胀石墨粉。本发明的发明机理在于：利用生物质作为主要的碳源，通过选择炭化工艺条件得到具有不同燃烧特性的炭粉体材料，作为炭加热新型烟草制品的主要供热热源；通过分层混合和压制成型的方式得到具有梯度功能的多组分炭供热体。通过改变材料的组成和工艺条件，从而实现对起燃温度、燃烧和传热传质过程的控制。

Description

一种具有梯度功能的炭加热新型烟草制品用供热体及其制备方法
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及其制备方法。具体是以不同燃烧特性的炭粉为原料，通过分层混合和压制成型的方法，获得一种易点燃、燃烧速率和热量可控的炭热源材料，属于烟用材料生产技术领域。
背景技术
近年来，随着全球范围内控烟力度的不断加大，以及人们健康意识的提高，以低温卷烟、无烟气烟草制品、电子烟等为代表的新型烟草制品取得了快速发展，世界烟草市场产品结构不断发生着变化，积极发展各种新型烟草制品逐渐成为世界各个烟草公司的战略取向。
作为新型烟草制品，加热非燃烧型烟草制品是当前烟草行业研究开发的热点。加热非燃烧型烟草制品具有“加热烟丝或烟草提取物而非燃烧烟丝”的特点，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，使主流烟气化学组分的释放量大大降低；同时，与常规卷烟引燃方式不同，它在抽吸间歇时烟丝处于非燃烧/非加热状态，因此侧流烟气和环境烟气也大幅度降低；炭加热新型烟草在外观结构上类似传统卷烟，能在一定程度上适应和满足消费者的消费习惯和生理需求。
供热体的结构和组成直接决定着新型烟草制品的应用和感官性能。用于炭加热烟草制品中的炭供热体应该易点燃；点燃后，适宜的热量能迅速传递至炭供热体后端的烟草制品或提取物；燃烧过程中所释放的热量应该稳定以产生足够的挥发性烟气；更为重要的是，炭加热新型烟草制品的主流烟气溶胶中不可避免的混合有炭材料燃烧产生的烟气，所以供热体中需要含有适量的催化剂，降低燃烧烟气中有害物质的含量。因此，理想的炭供热体既要有合适的引燃温度，又要实现对燃烧速率和热量的可控，更要降低燃烧产物中有害物质的含量。
国内外专利报道的新型烟草制品炭供热体通常采用粘结剂将粉体炭粘结压制成型，然后再进行炭化后处理得到一定尺寸的圆柱形炭块，其一般是由一种或几种添加剂组成的结构均一的密实炭块。这种组成和结构的成型炭块难以满足炭加热新型烟草制品用炭供热体的要求。炭材料的来源和炭化工艺条件决定了不同炭材料（例如炭黑、木炭、石墨、活性炭、竹炭等）的燃烧特性，通过粉体炭材料的选择和成型炭有序结构的构建，可以优化炭供热体，提高燃烧效率和改善燃烧状况。
发明内容
本发明的目的正是基于上述应用背景和对炭供热体性能的要求，而提供的一种具有梯度功能的炭加热新型烟草制品用供热体及其制备方法。
本发明的发明机理在于：利用生物质作为主要的碳源，通过选择炭化工艺条件得到具有不同燃烧特性的炭粉体材料，作为炭加热新型烟草制品的主要供热热源；选择氧化石墨烯、石墨、中空碳纤维、可膨胀石墨粉、无机盐、纳米金属氧化物和粘合剂作为功能辅助材料，通过分层混合和压制成型的方式得到具有梯度功能的多组分炭供热体。通过改变材料的组成和工艺条件，从而实现对起燃温度、燃烧和传热传质过程的控制。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种具有梯度功能的炭加热新型烟草制品用供热体，是由引燃段、供热段和过渡段通过压合方式依次叠加而成的圆柱体结构，直径为8-10mm，高度12-20mm；其中：
所述引燃段材料包括水热炭、氧化石墨烯和无机盐；
所述供热段的材料是水热炭、热解炭、石墨、中空碳纤维和纳米金属氧化物的混合材料；
所述过渡段的材料是可膨胀石墨粉。
所述水热炭是将生物质加入到一定量水中，将此混合物加入到水热釜中，在180-240oC反应6-24小时所得。
所述热解炭为生物质在惰性气氛下，在350-750oC炭化4-8小时所得。
所述生物质包括木材、秸秆、纤维素、半纤维素、木质素、淀粉和低分子量的葡萄糖、果糖、蔗糖。.
在引燃段中，水热炭、氧化石墨烯和无机盐的质量比为80-95wt%、5-20wt%和0.01-1wt%，三种组分之和为100%。
在供热段中，纳米金属氧化物、水热炭、热解炭、石墨和中空碳纤维所占质量分数为0.05-0.8wt%、5-8%、30-70%、20-60%和0.5-1%，各组分之和为100%。
所述中空碳纤维为聚合物基碳纤维，内径为60-100μm；
所述无机盐包括钾、钠、钙的硝酸盐、氢氧化物、硫酸盐、碳酸盐和盐酸盐中的一种。
所述纳米金属氧化物包括粒径为50-200nm的氧化铁、四氧化三铁、氧化铝、氧化镁、氧化铈、四氧化三钴、氧化钛和氧化镧中的一种。
本发明的圆柱形供热体各段高度具体为：引燃段高度为3-5mm，供热段高度为7-15mm，过渡段高度为1mm。
1、 本发明还给出了具有梯度功能的炭加热新型烟草制品用供热体的制备方法：依次先将引燃段、供热段和过渡段所需的各种材料和粘合剂按比例混合均匀，分别填装在模具中，最后采用传统冷压成型工艺进行压制成型；所述粘接剂为粘合剂是硼砂和无机碱性硅酸盐的混合物，两者质量比为1∶16。粘合剂在各段中的添加比例为15-55%。
所述模具为直径8-10mm，高度12-20mm的圆柱形。
所述的冷压成型工艺条件为20-30MPa的成型压力下保压2-5分钟；
所制得的具有梯度功能的炭供热体的起燃温度为260-420oC，燃烧时间7.15-11.02分钟，燃烧时过渡段表面最高温度为658-871oC，燃烧热值为28.4-32.1MJ/kg，松弛密度为0.6-0.9g/cm3，抗压系数为6.29-8.07N/mm，灰分含量4.17-9.55%，所含纳米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。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：引燃段、供热段和过渡段的梯度结构是本发明最重要的创新所在；利用所述引燃段材料的特点，引燃段的起燃温度较低，并可以通过调整生物质水热炭化条件和材料组成控制起燃温度；通过水热炭、不同生物质热解炭和石墨的复合，可以改善供热段的燃烧状况，提高传热效率，同时，中空碳纤维的加入不但能够提高炭供热体的传质传热效率，还能起到物理交联作用，提高炭供热体的耐久性，避免燃烧时开裂现象的发生，此外，所含纳米金属氧化物可以降低炭供热体燃烧烟气中CO的含量；作为直接接触烟丝或烟草提取物的过渡段的主要成分，可膨胀石墨具有良好的导热性但不易被引燃，可以避免炭供热体在燃烧末期引燃烟丝或烟草提取物；冷压成型技术具有省时且低成本的优点，非常适合大规模的制备。
附图说明
图1为本发明具有梯度功能的炭供热体结构示意图。
图中，引燃段1，供热段2，过渡段3。
图2为实施例1的炭供热体材料标准抽吸模式下过渡段的表面温度分布。
图3为实施例2的炭供热体材料标准抽吸模式下过渡段的表面温度分布。
图4为实施例3的炭供热体材料标准抽吸模式下过渡段的表面温度分布。
具体实施方式
以下结合实施例（附图）对本发明做进一步说明：
实施例1
将淀粉作为碳源，0.5M淀粉溶液在180oC水热条件下反应12小时得到淀粉水热炭，淀粉颗粒在惰性气氛下分别在350、550和750oC炭化4小时分别得到三种淀粉热解炭，所得的淀粉水热炭和淀粉热解炭作为引燃段和供热段中使用的炭材料。依次将0.10g淀粉水热炭、0.008g氧化石墨烯、0.0013g氢氧化钾和0.038g粘合剂混合均匀，放置在直径10mm和高度20mm的模具中，再将0.066g淀粉水热炭、0.23g淀粉热解炭（三种不同热解炭质量比为1:1:0.5）、0.46g石墨、0.012g中空碳纤维、0.008g粒径为100纳米的氧化铁和0.23g粘合剂混合均匀放置在模具中，最后将0.055g可膨胀石墨粉和0.022g粘合剂混合均匀放置在模具中，在23MPa压力下保压3分钟，脱模后即得到炭供热体材料（引燃段4mm，供热段15mm，过渡段1mm），其性能结果见表1和图2。
实施例2
将葡萄糖作为碳源，1.0M葡萄糖溶液在180oC水热条件下反应12小时得到葡萄糖水热炭，葡萄糖颗粒在惰性气氛下550oC炭化4小时得到葡萄糖热解炭，将两种炭作为引燃段和供热段所使用的炭材料。依次将0.15g葡萄糖水热炭、0.01g氧化石墨烯、0.003g硝酸钠与0.055g粘合剂混合均匀，放置在直径10mm和高度20mm的模具中，再将0.071g葡萄糖水热炭、0.25g葡萄糖热解炭、0.41g石墨、0.012g中空碳纤维、0.0005g粒径为50纳米的氧化铈和0.24g粘合剂混合均匀放置在模具中，最后将0.06g可膨胀石墨粉和0.021g粘合剂混合均匀放置在模具中，在28MPa压力下保压1.5分钟，脱模后既得到炭供热体材料（引燃段4mm，供热段15mm，过渡段1mm），其性能结果见表1和图3。
实施例3
将纤维素作为碳源，分别将10wt%的纤维素溶液在220oC水热条件下反应18小时和纤维素粉在惰性气氛下750oC炭化6小时，所得的纤维素水热炭和纤维素热解炭作为引燃段和供热段所使用的炭材料。依次将0.33g纤维素水热炭、0.018g氧化石墨烯、0.0045g氯化钙与0.085g粘合剂混合均匀，放置在直径10mm和高度20mm的模具中，再将0.071g纤维素水热炭、0.25g纤维素热解炭、0.19g石墨、0.012g中空碳纤维、0.00075g粒径为100纳米的四氧化三钴和0.21g粘合剂混合均匀放置在模具中，最后将0.051g可膨胀石墨粉和0.02g粘合剂混合均匀放置在模具中，在25MPa压力下保压2分钟，脱模后既得到炭供热体材料（引燃段5mm，供热段14mm，过渡段1mm），其性能结果见表1和图4。
表1 各实施例中炭供热体的物理性能指标
实施例 起燃温度（℃） 燃烧时间（分钟） 燃烧热值（MJ/kg） 松弛密度（g/cm3） 抗压系数（N/mm） 灰分含量（%）
1 266 10.31 29.5 0.77 7.10 5.88
2 331 10.86 30.2 0.80 6.58 7.12
3 289 9.92 28.7 0.78 7.53 6.83
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有梯度功能的炭加热新型烟草制品用供热体，其特征在于：该供热体是由引燃段、供热段和过渡段通过压合方式依次叠加而成的圆柱体结构，直径为8-10mm，高度12-20mm；其中：
所述引燃段材料包括水热炭、氧化石墨烯和无机盐；
所述供热段的材料是水热炭、热解炭、石墨、中空碳纤维和纳米金属氧化物的混合材料；
所述过渡段的材料是可膨胀石墨粉。
2.根据权利要求1所述的具有梯度功能的炭加热新型烟草制品用供热体，其特征在于：所述水热炭是将生物质加入到一定量水中，将此混合物加入到水热釜中，在180-240oC反应6-24小时所得；所述热解炭为生物质在惰性气氛下，在350-750oC炭化4-8小时所得。
3.根据权利要求1所述的具有梯度功能的炭加热新型烟草制品用供热体，其特征在于：所述无机盐包括钾、钠、钙的硝酸盐、氢氧化物、硫酸盐、碳酸盐和盐酸盐中的一种。
4.根据权利要求2或3所述的具有梯度功能的炭加热新型烟草制品用供热体，其特征在于：所述生物质包括木材、秸秆、纤维素、半纤维素、木质素、淀粉和低分子量的葡萄糖、果糖、蔗糖。
5.根据权利要求1所述的具有梯度功能的炭加热新型烟草制品用供热体，其特征在于：在引燃段中，水热炭、氧化石墨烯和无机盐的质量比为80-95wt%、5-20wt%和0.01-1wt%，三种组分之和等于100%。
6.根据权利要求1所述的具有梯度功能的炭加热新型烟草制品用供热体，其特征在于：在供热段中，纳米金属氧化物、水热炭、热解炭、石墨和中空碳纤维所占质量分数为0.05-0.8wt%、5-8%、30-70%、20-60%和0.5-1%，各组分之和等于100%。
7.根据权利要求1或6所述的具有梯度功能的炭加热新型烟草制品用供热体，其特征在于：所述中空碳纤维为聚合物基碳纤维，内径为60-100μm。
8.根据权利要求1或6所述的具有梯度功能的炭加热新型烟草制品用供热体，其特征在于：所述纳米金属氧化物包括粒径为50-200nm的氧化铁、四氧化三铁、氧化铝、氧化镁、氧化铈、四氧化三钴、氧化钛和氧化镧中的一种。
9.根据权利要求1所述的具有梯度功能的炭加热新型烟草制品用供热体，其特征在于：引燃段高度为3-5mm，供热段高度为7-15mm，过渡段高度为1mm。
10.一种权利要求1所述的具有梯度功能的炭加热新型烟草制品用供热体的制备方法，其特征在于：依次先将引燃段、供热段和过渡段所需的各种材料和粘合剂按比例混合均匀，分别填装在模具中，最后采用传统冷压成型工艺进行压制成型；所述粘接剂为粘合剂是硼砂和无机碱性硅酸盐的混合物，粘合剂在各段中的添加比例为15-55%。
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