CN111493373A - 一种新型烟草用整体式红外发热元件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种应用于新型烟草的整体式红外发热元件及其制备方法，以陶瓷基复合材料为发热基体，与天然矿石红外材料采用一次烧成工艺复合制备而成。本发明的整体式红外发热元件具有陶瓷基复合材料整体发热，能耗小、效率高、发热均匀等特点，并复合天然矿石红外材料，使得加热范围增加，安全稳定，使用寿命长并有效改善新型烟草在使用过程中出现的焦化、碳化、粘结等问题。该整体式红外发热元件采用一次烧成，极大的简化了产品的制备工艺，降低生产成本。
Description
技术领域
本发明属于新型烟草技术领域，涉及一种复合发热元件，具体涉及一种以金属陶瓷发热体为基体与天然红外材料的复合而成的发热元件及其制备方法。
背景技术
将卷烟温度降低到500℃以下，烟气中多种有害成分可以大幅降低，而尼古丁与香味成分收到的影响相对较小，某些香味成分甚至可能因为因热分解减少而增加，烟丝只被加热但不燃烧，因此加热不燃烧烟草制品是新型烟草发展的重要趋势。
目前加热不燃烧烟草采用的加热模式以纯电加热为主，存在加热不均匀等问题。常见的加热不燃烧加热器具以金属片、金属针、MCH发热体为主，将电阻发热体产生的焦耳热通过热传导的方式传递给烟丝，使得与发热体接触的烟丝温度比外围烟丝温度高，较大的温度差导致与发热体接触的烟丝容易焦化、碳化，更有甚者会粘结在发热体表面，导致使用后的烟丝不易与发热体分离，还会污染发热体，降低发热体的使用寿命。因此，如何优化纯电阻接触式加热，避免因温度差造成的烟丝焦结，是急需解决的技术难题。
另外，加热不燃烧市场上最常见的MCH发热体是高温共烧多层的金属-陶瓷复合材料，发热的金属浆料层被印刷在作为绝缘介质的氧化铝陶瓷生坯上，再通过上面叠合另外一氧化铝陶瓷生坯，通过高温共烧成为一体。从发热原理上看，MCH为金属钨导电发热，从而将焦耳热传递给氧化铝陶瓷，加热后的氧化铝陶瓷再将热量传递给烟丝。增加的传递介质必定对加热效率有一定的影响。如何减小因传递介质造成的热量损失，提高加热效率，是目前亟待解决的技术问题。
陶瓷基复合材料由于是整体发热，无需传递介质，因此能有效解决因传递介质产生的热量损失。天然矿物红外辐射加热在1-25um波段范围内发射率高热传递效率高，在一定程度上可以穿透被烟丝表面，增加加热范围，实现新型烟草内外同时加热。一次烧结工艺能大幅提高生产效率，降低生产成本。因此通过一次烧结工艺将两者进行复合，制备出新型烟草用复合发热元件，能有效解决上述问题。
发明内容
为了克服上述问题的不足，本发明旨在提供一种新型烟草用整体式红外发热元件及其制备方法，该整体式红外发热元件由陶瓷基复合材料为发热基体，与天然矿石红外材料采用一次烧成工艺复合制备而成。本发明采用具有整体发热特点的陶瓷基复合材料作为发热基体，有效解决电阻加热因传递介质而导致的发热效率降低的问题；采用天然矿物红外材料，在1-25um波段范围内发射率高、热传递效率高、安全亲民等特点；采用一次烧成的制备工艺，大幅提高生产效率，降低生产成本。
一种新型烟草用整体式红外发热元件，其特征在于：以陶瓷基复合材料为发热基体，与天然矿石红外材料采用一次烧成工艺复合制备而成。
所述陶瓷基复合材料包含硬质相陶瓷固溶体和粘结相金属，所述硬质相陶瓷固溶体为碳化物、氮化物及硼化物中的一种或多种，所述粘结相金属为Ni、Cr、Fe和Co中的一种或多种；所述的硬质相陶瓷固溶体与粘结相金属重量比在1.5-8：1。
所述的天然矿石红外材料为石英、镁电气石、锂辉石、黑铜矿、硬水铝石、勃姆石、方解石、绿帘石、斜黝帘石、白云石、钙铝榴石、钙铁榴石、铁橄榄石、褐帘石、黑柱石和高岭石中的一种或多种。
一种新型烟草用整体式红外发热元件的制备方法，各组分按重量百分比计，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：陶瓷基复合材料坯料准备
(1)球磨：将碳化物、氮化物及硼化物中的一种或多种硬质相陶瓷固溶体粉50％-70％、粘结相金属粉8％-18％、WC粉10-20％、Mo粉5-13％和石墨粉0.3％-2.8％，在球磨机中进行球磨得粉末浆料，球料比为8-10：1，转速为150-300rpm，球磨时间为18-72h，磨球材质为硬质合金或氧化铝；所述粘结相金属为Ni、Cr、Fe和Co中的一种或多种；
(2)真空干燥：将步骤(1)所得的粉末浆料进行真空干燥，其中所述真空干燥温度为75-95℃；干燥时间为24-96h；
(3)混合造粒：将真空干燥所得的混合物在造粒机中进行混合造粒，并然后进行过筛，过筛尺寸为35目～10目；
(4)压制成型：将步骤(3)造粒的粉料进行压制成型，其中所述压制压强为250-400MPa、保压时间为0.2-1min；
(5)脱模干燥：将步骤(4)成型好的陶瓷基复合材料坯料再次进行真空干燥，干燥温度为60-85℃；干燥时间为12-24h；干燥好后的坯料在密闭环境内备用；
步骤二：天然矿石红外浆料准备
(1)粉碎球磨：将天然矿石红外材料进行粉碎球磨，球料比为6-10：1，转速为150-300rpm和时间为12-24h，磨球材质为氧化铝；所述的天然矿石红外材料为石英、镁电气石、锂辉石、黑铜矿、硬水铝石、勃姆石、方解石、绿帘石、斜黝帘石、白云石、钙铝榴石、钙铁榴石、铁橄榄石、褐帘石、黑柱石和高岭石中的一种或多种；
(2)混合球磨：将粉碎球磨好的天然矿石红外材料选取600-1200目粉末，加入膨润土与水混合后再次进行球磨得天然矿石红外材料浆料；球料比为7-10：1，转速为200-300rpm和时间为24-36h，磨球材质为氧化铝；所述膨润土用量占天然矿石红外材料质量的3-12％，加水量占天然矿石红外材料的12-18％；
步骤三：整体式红外发热元件烧结
将天然矿石红外材料浆料通过浸制、淋制或者喷涂方式均匀包裹在陶瓷基复合材料坯料外围，并预留电极点；再将包裹后的陶瓷基复合材料坯料在高于1×10-1Pa真空度下进行烧结制得整体式红外发热元件，烧结温度为1100-1450℃，保温时间为30-60min。
制备出的整体式红外发热元件根据使用情况进行焊接引线，所用焊料采用银铜焊料。
本发明的整体式红外发热元件由于采用整体发热的陶瓷基复合材料，区别与一般金属浆料发热的MCH发热体，具有发热更快，能耗更低的特点。整体式红外发热元件表面与新型烟草接触的是天然矿物红外材料，并经过高温烧结制备而成，因此在加热过程中不会释放有害物质，在使用安全性上有保障。整体式红外发热元件是通过一次烧结的制备工艺制备的，能大幅提高生产效率，极大的降低了生产成本，避免多次烧结造成能源和物质的浪费。
本发明所涉及的新型烟草用复合发热元件既能有效解决因传递介质产生的热量损失问题，又能避免因温度差造成的烟丝焦结，同时采用一次烧结工艺又大幅提高生产效率，降低生产成本。
具体实施方式
下面结合较佳实施例对本发明作进一步的详细说明，应当理解，较佳实施例是为了更好的理解本发明，不作为本发明的限定。
实施例1
将40％TiC粉、10％TiN粉、18％Ni粉、20％WC粉、10.2％Mo粉、2.8％石墨粉，尼龙球磨罐中进行球磨，采用球料比为8：1、转速为200rpm和球磨时间为24h，磨球材质为硬质合金。将所得的粉末浆料进行真空干燥，其中所述真空干燥温度为85℃；干燥时间为32h。将真空干燥所得的混合物在造粒机中进行混合造粒，并然后进行过筛，过筛尺寸为25目。将造粒的粉料进行压制成型，其中压制压强为300MPa、保压时间为0.5min；将成型好的陶瓷基复合材料坯料再次进行真空干燥，干燥温度为80℃；干燥时间为12h。干燥好后的陶瓷基复合材料坯料在密闭环境内备用。
将石英、锂辉石、硬水铝石、方解石、绿帘石、白云石、钙铝榴石、铁橄榄石、黑柱石和高岭石各按质量分数10％混合后进行粉碎球磨，球料比为8：1，转速为200rpm和时间为24h，磨球材质为氧化铝。将粉碎球磨好的天然矿物红外材料粉料选取1000目粉末，加入膨润土与水混合后再次进行球磨。球料比为8：1，转速为250rpm和时间为26h，磨球材质为氧化铝，所述膨润土用量占天然矿石红外材料质量的5％，加水量占天然矿石红外材料质量的15％。
将天然矿石红外材料浆料通过浸制的方式均匀包裹在陶瓷基复合材料坯料外围，预留电极点。再将包裹后的坯料在高于1×10-1Pa真空度下进行烧结，烧结温度为1150℃，保温时间为60min。
将本实施例所制得的整体式红外发热元件置于加热不燃烧器具中，在3.7V的工作电压下通电，7s内升温至330℃，烟雾量充足；抽吸结束后，加热不燃烧烟草从内到外碳化完全，烟草受热均匀。
实施例2
将40％TiC粉、15％TiN粉、13％Ni粉、17％WC粉、12.5％Mo粉、2.5％石墨粉，尼龙球磨罐中进行球磨，采用球料比为9：1、转速为220rpm和时间为28h；磨球材质为硬质合金。将所得的粉末浆料进行真空干燥，其中所述真空干燥温度为80℃；干燥时间为36h。将真空干燥所得的混合物在造粒机中进行混合造粒，并然后进行过筛，过筛尺寸为30目。将造粒的粉料进行压制成型，其中压制压强为350MPa、保压时间为0.8min；将成型好的陶瓷基复合材料坯料再次进行真空干燥，干燥温度为70℃；干燥时间为18h。干燥好后的陶瓷基复合材料坯料在密闭环境内备用。
将石英、镁电气石、锂辉石、黑铜矿、硬水铝石、勃姆石、白云石和高岭石各按质量分数12.5％混合后进行粉碎球磨，球料比为7：1，转速为220rpm和时间为18h，磨球材质为氧化铝。将粉碎球磨好的天然矿石红外材料选取800目粉末，加入膨润土与水混合后再次进行球磨。球料比为9：1，转速为280rpm和时间为28h，磨球材质为氧化铝，所述膨润土用量占天然矿石红外材料质量的10％，加水量占天然矿石红外材料质量的18％。
将天然矿石红外材料浆料通过淋制的方式均匀包裹在陶瓷基复合材料坯料外围，预留电极点。再将包裹后的坯料在高于1×10-1Pa真空度下进行烧结，烧结温度为1250℃，保温时间为50min。
将本实施例所制得的整体式红外发热元件置于加热不燃烧器具中，在3.7V的工作电压下通电，7s内升温至330℃，烟雾量充足；抽吸结束后，加热不燃烧烟草从内到外碳化完全，烟草受热均匀。
实施例3
将45％TiC粉、15％TiN粉、10％NiCr合金粉、18％WC粉、11％Mo粉、1％石墨粉，尼龙球磨罐中进行球磨，采用球料比为8.5：1、转速为250rpm和时间为24h，磨球材质为硬质合金。将所得的粉末浆料进行真空干燥，其中所述真空干燥温度为85℃；干燥时间为32h。将所得的混合物在造粒机中进行混合造粒，并然后进行过筛，过筛尺寸为25目。将造粒的粉料进行压制成型，其中压制压强为350MPa、保压时间为0.5min；将成型好的陶瓷基复合材料坯料再次进行真空干燥，干燥温度为80℃；干燥时间为12h。干燥好后的陶瓷基复合材料坯料在密闭环境内备用。
将石英、锂辉石、方解石、白云石和高岭石各按质量分数20％混合后进行粉碎球磨，球料比为8.5：1，转速为200rpm和时间为12h，磨球材质为氧化铝。将粉碎球磨好的天然矿物红外材料粉料选取1000目粉末，加入膨润土与水混合后再次进行球磨。球料比为8：1，转速为250rpm和时间为26h，磨球材质为氧化铝.所述膨润土用量占天然矿石红外材料质量的9％，加水量占天然矿石红外材料质量的17％。
将天然矿石红外材料浆料通过浸制的方式均匀包裹在陶瓷基复合材料坯料外围，预留电极点。再将包裹后的坯料在高于1×10-1Pa真空度下进行烧结，烧结温度为1350℃，保温时间为40min。
将本实施例所制得的整体式红外发热元件置于加热不燃烧器具中，在3.7V的工作电压下通电，7s内升温至330℃，烟雾量充足；抽吸结束后，加热不燃烧烟草从内到外碳化完全，烟草受热均匀。
实施例4
将45％TiC粉、25％TiN粉、8％NiGr合金粉、10％WC粉、11.7％Mo粉、0.3％石墨粉，尼龙球磨罐中进行球磨，采用球料比为8：1、转速为300rpm和时间为26h，磨球材质为硬质合金。将所得的粉末浆料进行真空干燥，其中所述真空干燥温度为85℃；干燥时间为32h。将所得的混合物在造粒机中进行混合造粒，并然后进行过筛，过筛尺寸为20目。将造粒的粉料进行压制成型，其中压制压强为350MPa、保压时间为0.5min；将成型好的陶瓷基复合材料坯料再次进行真空干燥，干燥温度为80℃；干燥时间为12h。干燥好后的陶瓷基复合材料坯料在密闭环境内备用。
将石英、镁电气石、黑柱石和高岭石各按质量分数25％混合后进行粉碎球磨，球料比为8：1，转速为300rpm和时间为18h，磨球材质为氧化铝。将粉碎球磨好的天然矿石红外材料粉料选取1200目粉末，加入膨润土与水混合后再次进行球磨。球料比为8：1，转速为250rpm和时间为26h，磨球材质为氧化铝.所述膨润土用量占天然矿石红外材料质量的11％，加水量占天然矿石红外材料质量的15％。
将天然矿石红外材料浆料通过喷涂的方式均匀包裹在陶瓷基复合材料坯料外围，预留电极点。再将包裹后的坯料在高于1×10-1Pa真空度下进行烧结，烧结温度为1450℃，保温时间为30min。
将本实施例所制得的整体式红外发热元件置于加热不燃烧器具中，在3.7V的工作电压下通电，7s内升温至330℃，烟雾量充足；抽吸结束后，加热不燃烧烟草从内到外碳化完全，烟草受热均匀。
Claims (5)
1.一种新型烟草用整体式红外发热元件，其特征在于：以陶瓷基复合材料为发热基体，与天然矿石红外材料采用一次烧成工艺复合制备而成。
2.根据权利要求1所述的新型烟草用整体式红外发热元件，其特征在于：所述陶瓷基复合材料包含硬质相陶瓷固溶体和粘结相金属，所述硬质相陶瓷固溶体为碳化物、氮化物及硼化物中的一种或多种，所述粘结相金属为Ni、Cr、Fe和Co中的一种或多种；所述的硬质相陶瓷固溶体与粘结相金属重量比在1.5-8：1。
3.根据权利要求1所述的新型烟草用整体式红外发热元件，其特征在于：所述的天然矿石红外材料为石英、镁电气石、锂辉石、黑铜矿、硬水铝石、勃姆石、方解石、绿帘石、斜黝帘石、白云石、钙铝榴石、钙铁榴石、铁橄榄石、褐帘石、黑柱石和高岭石中的一种或多种。
4.一种根据权利要求1-3之一所述的新型烟草用整体式红外发热元件的制备方法，各组分按重量百分比计，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：陶瓷基复合材料坯料准备
(1)球磨：将碳化物、氮化物及硼化物中的一种或多种硬质相陶瓷固溶体粉50％-70％、粘结相金属粉8％-18％、WC粉10-20％、Mo粉5-13％和石墨粉0.3％-2.8％，在球磨机中进行球磨得粉末浆料，球料比为8-10：1，转速为150-300rpm，球磨时间为18-72h，磨球材质为硬质合金或氧化铝；所述粘结相金属为Ni、Cr、Fe和Co中的一种或多种；
(2)真空干燥：将步骤(1)所得的粉末浆料进行真空干燥，其中所述真空干燥温度为75-95℃；干燥时间为24-96h；
(3)混合造粒：将真空干燥所得的混合物在造粒机中进行混合造粒，并然后进行过筛，过筛尺寸为35目～10目；
(4)压制成型：将步骤(3)造粒的粉料进行压制成型，其中所述压制压强为250-400MPa、保压时间为0.2-1min；
(5)脱模干燥：将步骤(4)成型好的陶瓷基复合材料坯料再次进行真空干燥，干燥温度为60-85℃；干燥时间为12-24h；干燥好后的坯料在密闭环境内备用；
步骤二：天然矿石红外浆料准备
(1)粉碎球磨：将天然矿石红外材料进行粉碎球磨，球料比为6-10：1，转速为150-300rpm和时间为12-24h，磨球材质为氧化铝；所述的天然矿石红外材料为石英、镁电气石、锂辉石、黑铜矿、硬水铝石、勃姆石、方解石、绿帘石、斜黝帘石、白云石、钙铝榴石、钙铁榴石、铁橄榄石、褐帘石、黑柱石和高岭石中的一种或多种；
(2)混合球磨：将粉碎球磨好的天然矿石红外材料选取600-1200目粉末，加入膨润土与水混合后再次进行球磨得天然矿石红外材料浆料；球料比为7-10：1，转速为200-300rpm和时间为24-36h，磨球材质为氧化铝；所述膨润土用量占天然矿石红外材料质量的3-12％，加水量占天然矿石红外材料的12-18％；
步骤三：整体式红外发热元件烧结
将天然矿石红外材料浆料通过浸制、淋制或者喷涂方式均匀包裹在陶瓷基复合材料坯料外围，并预留电极点；再将包裹后的陶瓷基复合材料坯料在高于1×10-1Pa真空度下进行烧结制得整体式红外发热元件，烧结温度为1100-1450℃，保温时间为30-60min。
5.根据权利要求4所述新型烟草用整体式红外发热元件的制备方法，其特征在于：制备出的整体式红外发热元件根据使用情况进行焊接引线，所用焊料采用银铜焊料。
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