CN112383980A - 一种复合发热材料及其制备方法和用途 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种复合发热材料及其制备方法和用途，所述复合发热材料包含基体和施加在所述基体表面上的涂层，其中所述基体包含铁磁性材料，并且所述涂层包含高红外发射率材料，其中所述高红外发射率为红外发射率不小于0.8。本发明的复合发热材料采用红外辐射及电磁感应加热的复合加热方式，使得热量能够以传导及辐射的形式传递，有效提升了加热效率，缩短了烟草由受热到雾化的时间。
Description
技术领域
本发明属于烟草加热材料技术领域，具体地，涉及一种可用于加热低温卷烟的复合发热材料及其制备方法。
背景技术
目前，市场上低温卷烟的发热方式主要有电阻加热、电磁感应加热等。电阻加热的发热体主要为MCH陶瓷，也称金属化陶瓷，其原理主要是将金属发热浆料按照一定的电路印制在陶瓷坯料上，通过后续的烧成工艺实现冶金结合，再进行釉料封装后连接电极，通电后产生焦耳热。电磁感应加热的发热体主要为铁合金，其原理主要为具有较高磁导率的铁合金在感应线圈中产生涡流效应而发热(如CN209073530U)。
但以上发热方式中，发热体向周围烟草的传热形式主要为热传导，其传热效率极大程度地受到烟草分布及接触形式的限制，往往使得产品出现加热不均匀、不充分等现象，严重影响了消费者的使用感受，阻碍低温卷烟的市场化应用。
因此，目前急需研究一种能够对低温卷烟产品进行均匀高效加热的材料。
发明内容
本发明的目的在于克服当前应用于低温卷烟的主要发热材料存在加热不均匀、不充分的不足，提供一种更适于均匀加热低温卷烟的复合发热材料。本发明人发现，当使用电磁感应及红外辐射复合加热时，由于红外辐射加热不需要传递介质，热传递效率高，在一定程度上可以穿透被加热体表面，实现物质内外同时加热，因而能够提高加热速率且加热均匀，缩短雾化时间，提升使用感受，并基于此发现完成了本发明。
在一个方面，本发明提供了一种复合发热材料，其包含基体和施加在所述基体表面上的涂层，其中，所述基体包含铁磁性材料，并且所述涂层包含高红外发射率材料，其中，所述高红外发射率为红外发射率不小于0.8。
在一个特定实施方式中，所述铁磁性材料为铁基、钴基或镍基金属或合金、以及铁氧体中的一种或多种。
在另一个特定实施方式中，所述高红外发射率材料为钙钛矿、尖晶石、橄榄石和碳化物中的一种或多种。
在另一个特定实施方式中，所述高红外发射率材料的红外发射率为0.8-1。
在另一个特定实施方式中，所述复合发热材料以片状或颗粒的形式存在。
在另一个特定实施方式中，所述复合发热材料具有0.01-0.6mm的厚度。
在另一方面，本发明还提供了一种制备上述复合发热材料的方法，其包括以下步骤：(1)将铁磁性材料进行酸洗和/或超声波清洗以去除所述铁磁性材料表面的氧化膜及污染物；(2)将高红外发射率材料进行球磨和造粒以得到颗粒尺寸为0.5-2mm的粉末状高红外发射率材料；以及(3)将步骤(2)中得到的粉末状高红外发射率材料施加在步骤(1)中经处理的铁磁性材料的表面上，从而得到所述复合发热材料。
在一个特定实施方式中，所述球磨的条件包括：以乙醇为球磨介质，球料比为5-10：1，球磨转速为150-300rpm，以及球磨时间为2-48h。
在另一个特定实施方式中，所述方法还包括：在进行所述球磨之后且进行所述造粒之前，将球磨得到的浆料烘干，并然后与成形剂混合。
在另一个特定实施方式中，所述施加以喷涂的方式进行。
在另一个特定实施方式中，所述高红外发射率材料的涂层厚度为1-500μm。
在另一个特定实施方式中，所述方法还包括：将制备得到的所述复合发热材料进行研磨抛光，以提高所述材料的表面质量。
在又另一方面，本发明还提供了上述复合发热材料在加热低温卷烟中的用途。
与现有技术中的低温卷烟用发热材料相比，本发明提供的复合发热材料及其制备方法至少具有以下优点：1)红外辐射及电磁感应加热的复合加热方式使得热量能够以传导及辐射的形式传递，有效提升了加热效率，缩短了烟草由受热到雾化的时间；2)生产工艺具有较低的成本、以及简单的步骤；3)以薄片状或颗粒形式使用时，有利于发热材料在烟草中的均匀分布，提升温度场在空间上的一致性。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
在一个方面，本发明提供了一种复合发热材料，其包含基体和施加在所述基体表面上的涂层，其中，所述基体包含铁磁性材料，并且所述涂层包含高红外发射率材料，其中，所述高红外发射率为红外发射率不小于0.8。
本发明的复合发热材料主要由基体及其表面的涂层两部分组成，其中所述基体包含铁磁性材料，从而可以用于电磁感应发热，并且所述涂层包含高红外发射率材料，从而可以将基体电磁感应产生的热量部分地以红外辐射发热的形式传递至外部，以实现红外辐射及电磁感应加热的复合加热方式。
根据本发明，对上述铁磁性材料和高红外发射率材料的种类没有特别限制，可以使用相关领域中常见的铁磁性材料和高红外发射率材料中的任一种、或其组合，只要该材料具备相应的铁磁性和高红外发射率即可。
在一个优选的实施方式中，所述铁磁性材料可以为铁基、钴基或镍基金属或合金、以及铁氧体中的一种或多种。如本文所用，术语“铁基、钴基或镍基金属或合金”可以指单独的铁、钴或镍，或其彼此间或与其他金属或非金属经一定方法所合成的具有金属特性的物质。如本文所用，术语“铁氧体”又称为磁性陶瓷，是以氧化铁和其他铁族或稀土族氧化物为主要成分的复合氧化物。
在另一个优选的实施方式中，所述高红外发射率材料可以为钙钛矿(其主要成分为钛酸钙)、尖晶石(其主要成分为镁铝氧化物)、橄榄石(其主要成分为镁铁硅酸盐)和碳化物中的一种或多种。基于上述主要成分的说明，所述高红外发射率材料也可以直接为钛酸钙、镁铝氧化物或镁铁硅酸盐、或其组合。在一个更优选的实施方式中，所述高红外发射率材料的红外发射率可以为0.8-1(例如0.82、0.89、0.92、0.94、0.96或0.98等)。
根据本发明，对本发明的复合发热材料的形状没有特别限制，只要其能够发挥加热作用即可，但为了使得本发明的复合发热材料能够更容易插入低温卷烟中并使该低温卷烟均匀受热，可以根据需要使其具有特定的形状。在一个优选的实施方式中，所述复合发热材料可以片状(即薄片)或颗粒的形式存在。在一个更优选的实施方式中，该薄片可以具有0.01-0.6mm的厚度，例如0.05mm、0.1mm、0.3mm或0.5mm。
在另一方面，本发明还提供了一种制备上述复合发热材料的方法，其包括以下步骤：(1)将铁磁性材料进行酸洗和/或超声波清洗，以去除所述铁磁性材料表面的氧化膜及污染物；(2)将高红外发射率材料进行球磨和造粒，以得到颗粒尺寸为0.5-2mm的粉末状高红外发射率材料；以及(3)将步骤(2)中得到的粉末状高红外发射率材料施加在步骤(1)中经处理的铁磁性材料的表面上，从而得到所述复合发热材料。
通过本发明提供的制备方法，可以方便地得到使粉末状高红外发射率材料(均匀地)分布在铁磁性材料表面上的复合发热材料。另外，在上述制备方法中，所述高红外发射率材料和铁磁性材料的组分选择、复合发热材料的形状和厚度均可以参照之前对所述复合发热材料产品中的描述，因而在此不再赘述，以免造成不必要的冗余。
关于上述制备方法，其中涉及的酸洗、超声波清洗、球磨和造粒等过程都可以使用本领域中常见的方式进行。在一个优选的实施方式中，所述球磨的条件可以包括：以乙醇为球磨介质，球料比为5-10：1(例如7：1或9：1)，球磨转速为150-300rpm(例如200rpm或250rpm)，以及球磨时间为2-48h(例如6h、12h或24h)。
进一步地，为了使经球磨得到的粉末浆料更好地进行造粒，所述制备方法还可以包括：在进行所述球磨之后且进行所述造粒之前，将球磨得到的浆料烘干，并然后与成形剂混合。具体地，所述烘干可以为在75-90℃(例如80℃或85℃)下的真空烘干，并且与成形剂混合的步骤可以称为掺胶，其中所述成形剂可以为熔化态石蜡(EW)，其相对于混合后的粉末所占体积分数可以为30-60％(例如40％或50％)。
根据本发明，在将高红外发射率材料施加在经处理的铁磁性材料的表面上时，所述施加可以以任意表面涂覆的方式进行，进一步地，所述表面涂覆可以包括但不限于如热喷涂、超音速喷涂、固相扩散等表面处理工艺。在一个优选的实施方式中，所述施加可以喷涂的方式进行。在另一个优选的实施方式中，所述喷涂可以为超音速冷喷涂，其中工作气体为N2，工作压力为1-1.5MPa，加热气体温度为150-350℃，喷管口离基体距离为10-20mm，喷涂时间为1-180min。另外，在一个更优选的实施方式中，所述高红外发射率材料的涂层厚度可以为1-500μm(例如10μm、50μm、100μm、200μm或400μm)。
另外，通过本发明的制备方法得到的复合发热材料还可以进行进一步的处理。例如，在一个优选的实施方式中，所述制备方法还可以包括：将制备得到的所述复合发热材料进行研磨抛光，以提高所述材料的表面质量。
因此，根据以上对本发明的制备方法的详细描述，本发明所提供的制备方法可以具体地包括但不限于上述清洗、球磨、烘干、掺胶、造粒、涂覆和研磨抛光的所有步骤。
在另一方面，本发明还提供了上述复合发热材料在加热低温卷烟中的用途。
与现有技术中的低温卷烟用发热材料相比，在本发明提供的复合发热材料中，红外辐射及电磁感应加热的复合加热方式使得热量能够以传导及辐射的形式传递，有效提升了加热效率，缩短了烟草由受热到雾化的时间，提升使用感受。
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
通过以下步骤制备复合发热材料S1：
(1)清洗：将厚度为0.01mm的纯铁薄片进行酸洗及超声波清洗，去除表面氧化膜及污染物；
(2)球磨：将CaTiO3粉末放入球磨罐中，然后加入高纯乙醇后进行球磨混料，其中球料比为5：1，球磨转速为150rpm，且球磨时间为2h；
(3)烘干：将球磨得到的浆料在温度为75℃下进行真空烘干；
(4)掺胶：将烘干后的粉末与成形剂进行混合并均匀化处理，成形剂为熔化态石蜡(EW)，所占体积分数为30％；
(5)造粒：将掺胶后的混合物在造粒机中进行混合造粒，随后进行过筛，所得粉末颗粒尺寸为0.5mm；
(6)涂覆：将造粒得到的粉末采用超音速冷喷涂工艺均匀涂覆在步骤(1)中所得的薄片表面上，其中工作气体为N2，工作压力为1.0MPa，加热气体温度为150℃，喷管口离薄片距离为10mm，喷涂时间为1min，喷涂厚度为1.2μm；以及
(7)研磨抛光：将涂层后的样品在研磨机上进行研磨抛光，提高样品表面质量。
实施例2
通过以下步骤制备复合发热材料S2：
(1)清洗：将厚度为0.55mm的316L不锈钢薄片进行酸洗及超声波清洗，去除表面氧化膜及污染物；
(2)球磨：将SiC粉末放入球磨罐中，然后加入高纯乙醇后进行球磨混料，其中球料比为10：1，球磨转速为300rpm，且球磨时间为48h；
(3)烘干：将球磨得到的浆料在温度为90℃下进行真空烘干；
(4)掺胶：将烘干后的粉末与成形剂进行混合并均匀化处理，成形剂为熔化态石蜡(EW)，所占体积分数为60％；
(5)造粒：将掺胶后的混合物在造粒机中进行混合造粒，随后进行过筛，所得粉末颗粒尺寸为2mm；
(6)涂覆：将造粒得到的粉末采用超音速冷喷涂工艺均匀涂覆在步骤(1)中所得的薄片表面上，其中工作气体为N2，工作压力为1.5MPa，加热气体温度为350℃，喷管口离薄片距离为20mm，喷涂时间为180min，喷涂厚度为500μm；以及
(7)研磨抛光：将涂层后的样品在研磨机上进行研磨抛光，提高样品表面质量。
实施例3
通过以下步骤制备复合发热材料S3：
(1)清洗：将厚度为0.15mm的NiCr合金薄片进行酸洗及超声波清洗，去除表面氧化膜及污染物；
(2)球磨：将MgAl2O4粉末放入球磨罐中，然后加入高纯乙醇后进行球磨混料，其中球料比为7：1，球磨转速为220rpm，且球磨时间为8h；
(3)烘干：将球磨得到的浆料在温度为75℃下进行真空烘干；
(4)掺胶：将烘干后的粉末与成形剂进行混合并均匀化处理，成形剂为熔化态石蜡(EW)，所占体积分数为45％；
(5)造粒：将掺胶后的混合物在造粒机中进行混合造粒，随后进行过筛，所得粉末颗粒尺寸为1.2mm；
(6)涂覆：将造粒得到的粉末采用超音速冷喷涂工艺均匀涂覆在步骤(1)中所得的薄片表面上，其中工作气体为N2，工作压力为1.2MPa，加热气体温度为250℃，喷管口离薄片距离为12mm，喷涂时间为60min，喷涂厚度为100μm；以及
(7)研磨抛光：将涂层后的样品在研磨机上进行研磨抛光，提高样品表面质量。
实施例4
通过以下步骤制备复合发热材料S4：
(1)清洗：将厚度为0.3mm的CoCr合金薄片进行酸洗及超声波清洗，去除表面氧化膜及污染物；
(2)球磨：将Mg2SiO4粉末放入球磨罐中，然后加入高纯乙醇后进行球磨混料，其中球料比为7：1，球磨转速为280rpm，且球磨时间为16h；
(3)烘干：将球磨得到的浆料在温度为80℃下进行真空烘干；
(4)掺胶：将烘干后的粉末与成形剂进行混合并均匀化处理，成形剂为熔化态石蜡(EW)，所占体积分数为35％；
(5)造粒：将掺胶后的混合物在造粒机中进行混合造粒，随后进行过筛，所得粉末颗粒尺寸为1.6mm；
(6)涂覆：将造粒得到的粉末采用超音速冷喷涂工艺均匀涂覆在步骤(1)中所得的薄片表面上，其中工作气体为N2，工作压力为1.5MPa，加热气体温度为300℃，喷管口离薄片距离为17mm，喷涂时间为30min，厚度为60μm；以及
(7)研磨抛光：将涂层后的样品在研磨机上进行研磨抛光，提高样品表面质量。
实施例5
通过以下步骤制备复合发热材料S5：
(1)清洗：将厚度为0.2mm的FeNi合金薄片进行酸洗及超声波清洗，去除表面氧化膜及污染物；
(2)球磨：将WC粉末放入球磨罐中，然后加入高纯乙醇后进行球磨混料，其中球料比为7：1，球磨转速为220rpm，且球磨时间为24h；
(3)烘干：将球磨得到的浆料在温度为80℃下进行真空烘干；
(4)掺胶：将烘干后的粉末与成形剂进行混合并均匀化处理，成形剂为熔化态石蜡(EW)，所占体积分数为30％；
(5)造粒：将掺胶后的混合物在造粒机中进行混合造粒，随后进行过筛，所得粉末颗粒尺寸为1.0mm；
(6)涂覆：将造粒得到的粉末采用超音速冷喷涂工艺均匀涂覆在步骤(1)中所得的薄片表面上，其中工作气体为N2，工作压力为1.5MPa，加热气体温度为350℃，喷管口离薄片距离为15mm，喷涂时间为60min，厚度为110μm；以及
(7)研磨抛光：将涂层后的样品在研磨机上进行研磨抛光，提高样品表面质量。
随后，对实施例1-5中制备的基体发热材料和复合发热材料的加热性能进行测定，其中通过加热低温卷烟，在相同发热烟雾的条件下比较上述两种发热材料的加热性能发现，在相同烟雾量的条件下，复合发热材料的温度和雾化时间要低于基体发热材料，因而有效提高了加热效率，具体结果示于下表1中。
表1
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (13)
1.一种复合发热材料，其包含基体和施加在所述基体表面上的涂层，其中，所述基体包含铁磁性材料，并且所述涂层包含高红外发射率材料，其中，所述高红外发射率为红外发射率不小于0.8。
2.根据权利要求1所述的复合发热材料，其中，所述铁磁性材料为铁基、钴基或镍基金属或合金、以及铁氧体中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的复合发热材料，其中，所述高红外发射率材料为钙钛矿、尖晶石、橄榄石和碳化物中的一种或多种。
4.根据权利要求1或3所述的复合发热材料，其中，所述高红外发射率材料的红外发射率为0.8-1。
5.根据权利要求1所述的复合发热材料，其以片状或颗粒的形式存在。
6.根据权利要求5所述的复合发热材料，其具有0.01-0.6mm的厚度。
7.一种制备根据权利要求1-6中任一项所述的复合发热材料的方法，其包括以下步骤：
(1)将铁磁性材料进行酸洗和/或超声波清洗，以去除所述铁磁性材料表面的氧化膜及污染物；
(2)将高红外发射率材料进行球磨和造粒，以得到颗粒尺寸为0.5-2mm的粉末状高红外发射率材料；以及
(3)将步骤(2)中得到的粉末状高红外发射率材料施加在步骤(1)中经处理的铁磁性材料的表面上，从而得到所述复合发热材料。
8.根据权利要求7所述的方法，所述球磨的条件包括：以乙醇为球磨介质，球料比为5-10：1，球磨转速为150-300rpm，以及球磨时间为2-48h。
9.根据权利要求7所述的方法，其还包括：在进行所述球磨之后且进行所述造粒之前，将球磨得到的浆料烘干，并然后与成形剂混合。
10.根据权利要求7所述的方法，其中，所述施加以喷涂的方式进行。
11.根据权利要求7或10所述的方法，其中，所述高红外发射率材料的涂层厚度为1-500μm。
12.根据权利要求7所述的方法，其还包括：将制备得到的所述复合发热材料进行研磨抛光，以提高所述材料的表面质量。
13.根据权利要求1-6中任一项所述的复合发热材料在加热低温卷烟中的用途。
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