CN113615891B - 一种高效红外周向加热元件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高效红外周向加热元件及其制备方法，其包括玻璃管，在玻璃管的两端管壁上各设置有一段管端电极层，且两管端电极层间隔设置；在玻璃管的管壁上还设置有红外辐射涂层，且红外辐射涂层连通两端的管端电极层；在红外辐射涂层上设置有红外反射屏蔽涂层。本发明的红外周向加热元件具有预热迅速、非接触加热、加热均匀通透、免清洁的优势。
Description
技术领域
本发明涉及一种高效红外周向加热元件及其制备方法，属于新型烟草制品加热烟具的加热元件领域。
背景技术
新型烟草制品作为低风险减害产品，并以其不产生二手烟气、不影响他人的优势，国际市场销量逐年增长。加热烟具是对加热卷烟进行加热产生可吸食气溶胶的装置，根据加热原理分为电阻式加热烟具、电磁感应加热烟具、红外辐射加热烟具等。加热烟具的核心部件是加热元件，决定加热烟具的加热方式。电阻式加热烟具采用内芯针式或内芯片式加热元件，存在加热不均匀、释烟不充足、加热结束后释烟材质残留于加热腔体需要清洁的问题。电磁感应加热烟具也较多采用内芯针式的热受体(即加热元件)，同样存在加热不充分、加热结束后释烟材质残留于加热腔体需要清洁的不足。红外辐射加热烟具采用表面涂覆可发射红外线浆料的周向加热元件，具有加热均匀、释烟充足、免清洁等优势，成为国际烟草巨头、国内烟草企业重点研发加热烟具产品，如专利CN203424290U公开了一种基于远红外加热的非燃烧型烟草抽吸装置、专利CN108338415A公开了一种外围式加热吸烟系统。红外周向加热元件及其制备方法与电阻式加热烟具的加热元件、电磁感应加热烟具的加热元件具有加热原理上的显著区别，所以需要重新针对红外周向加热元件及其制备方法进行系统研发和试验。
目前虽有红外辐射加热元件面世，但现有红外辐射加热元件仍存在红外发射率低、电-热辐射转换效率不高、预热时间较长、加热不均匀、热稳定性不佳、耐用寿命短等问题。
因此，提出一种高效红外周向加热元件及其制备方法，显得尤为重要。
发明内容
基于上述现有技术所存在的问题，本发明提出了一种高效红外周向加热元件及其制备方法，旨在获得红外发射率高、电-热辐射转换效率高、预热时间较短、加热性能更好、释烟充足、免清洁、耐用寿命较长的红外周向加热元件。
本发明为实现发明目的，采用如下技术方案：
本发明首先公开了一种高效红外周向加热元件，其特点在于：所述红外周向加热元件包括玻璃管，在所述玻璃管的两端管壁上各设置有一段管端电极层，且两管端电极层间隔设置；在所述玻璃管的管壁上还设置有红外辐射涂层，且所述红外辐射涂层连通两端的管端电极层；在所述红外辐射涂层上设置有红外反射屏蔽涂层。
进一步地，所述玻璃管是采用耐高温玻璃制作成的圆管，耐高温范围800～1200℃。
进一步地，所述管端电极层是通过涂覆导电浆料并烧结而成；所述导电浆料是由Ag、Cu、Au或石墨烯中的至少一种作为导电材料加水和玻璃粉调制而成，所述导电浆料的粘度为2700±500mPa.s。
进一步地，两端的管端电极层的宽度各占所述红外周向加热元件总长度的10％～40％，所述红外辐射涂层的两端分别覆盖两段管端电极层20％～30％的宽度。
进一步地，所述红外辐射涂层是通过涂覆红外辐射浆料并烧结而成；所述红外辐射浆料是由红外线辐射材料、涂层阻值调控材料和涂层高温粘结剂按质量百分比30～80％：10～30％：10～40％混合均匀后，再加水调制而成，所述红外辐射涂料的粘度为2700±500mPa.s；
所述红外线辐射材料的各组分按质量百分比的构成为：
所述涂层阻值调控材料的各组分按质量百分比的构成为：
氧化银纳米粉 40～60％
氧化锆纳米粉 30～50％
石墨烯 5～10％；
所述涂层高温粘结剂的各组分按质量百分比的构成为：
进一步地，所述红外反射屏蔽涂层是通过涂覆红外反射屏蔽浆料并烧结而成，用于反射屏蔽红外线，使其传播方向折返；所述红外反射屏蔽浆料是由ITO、ZnO与Al纳米粉按质量百分比40～80％：10～30％：10～30％混合均匀后，再加水调制而成，所述红外反射屏蔽涂料的粘度为2700±500mPa.s。
进一步地，所述管端电极层的厚度在20～80μm。
进一步地，所述红外辐射涂层的厚度在50～300μm、阻值在0.5～5Ω；所述红外反射屏蔽涂层的厚度在20～80μm。
进一步地，所述管壁为内管壁或外管壁。
本发明还公开了所述高效红外周向加热元件的制备方法，包括如下步骤：
步骤1、将玻璃管清洗除油，以增强浆料涂覆效果；
步骤2、在导电材料中加水和玻璃粉并搅拌均匀，获得导电浆料；通过喷涂或者丝网印刷工艺在玻璃管两端的管壁上分别均匀涂覆所述导电浆料，然后放入高温烧结炉中500～800℃烧结0.5～1h，即形成管端电极层；
步骤3、将红外线辐射材料、涂层阻值调控材料和涂层高温粘结剂的各原料分别研磨混合均匀后，再混合，然后加水并搅拌均匀，获得红外辐射浆料；
通过喷涂或者丝网印刷工艺在玻璃管的管壁上均匀涂覆所述红外辐射浆料，然后放入高温烧结炉中，先升温至100～300℃并保温烧结5～60min，再升温至400～1000℃并保温烧结5～60min，即形成红外辐射涂层；
步骤4、将ITO、ZnO与Al纳米粉混合后，加水并搅拌均匀，获得红外反射屏蔽浆料；
通过喷涂或者丝网印刷工艺在所述红外辐射涂层上均匀涂覆所述红外反射屏蔽浆料，然后放入高温烧结炉中500～800℃烧结0.5～1h，即形成红外反射屏蔽涂层，从而完成红外周向加热元件的制备。
本发明的所述高效红外周向加热元件两端的管端电极层通过固定电极环引出并焊接至加热烟具控制板，固定方式包括但不限于焊接、螺丝固定、高温胶粘连接等，电极环为银、铜、金等金属材质，或为表面镀有金、银、铜等导电材料的非金属材质。所述红外周向加热元件的两电极连接到电压范围3.0～4.4V或6～8.8V的供电电源。所述红外周向加热元件适配加热卷烟烟支规格包括但不限于：(烟支长度61mm，烟草材质段20mm)、(烟支长度45mm，烟草材质段13mm)、/>(烟支长度50mm，烟草材质段13mm)等。
本发明的有益效果体现在：
采用本发明的一种高效红外周向加热元件及其制备方法，实现了高效红外周向加热元件的批量制作且良品率较高，通过红外周向加热元件各涂层配方的协同作用，制得红外周向加热元件的红外辐射涂层粘结性较佳、红外涂层阻值稳定、预热迅速、加热均匀通透、释烟充足、耐用性强，体验极佳。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1～6
本实施例按如下步骤制备高效红外周向加热元件：
步骤1、将长度为30mm、圆周直径为7.3mm的玻璃管清洗除油，以增强浆料涂覆效果。
步骤2、将Ag粉、Cu粉、Au粉、玻璃粉与水按质量百分比70％：20％：1％：4％：5％混合搅拌均匀，获得导电浆料，粘度约为2750mPa.s；通过喷涂工艺在玻璃管两端的外管壁上分别均匀涂覆导电浆料，绕玻璃管的外周涂覆一周，然后放入高温烧结炉中700℃烧结1h，即形成管端电极层，管端电极层厚度为50μm，两管端电极层的宽度各为9mm。
步骤3、将红外线辐射材料、涂层阻值调控材料和涂层高温粘结剂的各原料按照表1的配方比例分别研磨混合均匀后，再将三者混合，然后加水并搅拌均匀，获得红外辐射浆料，粘度约为2750mPa.s；
通过喷涂工艺在玻璃管的管壁上均匀涂覆红外辐射浆料，绕玻璃管的外周涂覆一周，然后放入高温烧结炉中，先升温至200℃或250℃(具体参见表1)并保温烧结30min，再升温至800℃并保温烧结30min，即形成红外辐射涂层，涂层厚度为200μm、涂层宽度为17.4mm，红外辐射涂层连通两端的管端电极层，且与两端电极层的叠合宽度相同。
步骤4、将ITO粉、ZnO粉与Al纳米粉配方按照重量百分比70％：25％：5％混合后，加水并搅拌均匀，获得红外反射屏蔽浆料，粘度约为2700mPa.s；
通过喷涂工艺在红外辐射涂层上均匀涂覆红外反射屏蔽浆料，绕玻璃管的外周涂覆一周，然后放入高温烧结炉中以600℃烧结0.5h，即形成红外反射屏蔽涂层，从而完成红外周向加热元件样品的制备。
各实施例的具体浆料配方、工艺条件如表1所示：
表1各实施例的红外周向加热元件的浆料配方、工艺条件
由表1可知：
实施例1的材料制作的红外周向加热元件阻值为1Ω左右，装入红外辐射加热烟具预热时间为20s左右，加热元件耐温500℃，涂层附着性较好，不易脱落，高温稳定性较好。
实施例2的材料制作的红外周向加热元件阻值为3Ω左右，装入红外辐射加热烟具预热时间为35s左右，加热元件耐温500℃，涂层附着性较好，不易脱落，高温稳定性较好。
实施例3的材料制作的红外周向加热元件阻值为5Ω左右，装入红外辐射加热烟具预热时间为50s左右，加热元件耐温500℃，涂层附着性较好，不易脱落，高温稳定性较好。
实施例4的材料制作的红外周向加热元件阻值为1Ω左右，装入红外辐射加热烟具预热时间为20s左右，加热元件耐温400℃，涂层附着性较好，不易脱落，高温稳定性较好。
实施例5的材料制作的红外周向加热元件阻值为1Ω左右，装入红外辐射加热烟具预热时间为20s左右，加热元件耐温500℃，涂层附着性较好，不易脱落，高温稳定性较好。
实施例6的材料制作的红外周向加热元件阻值为1.5Ω左右，装入红外辐射加热烟具预热时间为25s左右，加热元件耐温500℃，涂层附着性较好，不易脱落，高温稳定性较好。
综上所述，本发明的高效红外周向加热元件及其制备方法，提供了一种红外发射率高、电-热辐射转换效率高、预热时间较短、加热性能更好、释烟充足、免清洁、耐用寿命较长的红外周向加热元件，可较好应用到红外周向加热烟具，带来较满意的抽吸体验，同时提出的制备方法，可满足批量化生产，良品率可达80％以上，对红外加热烟具的研发和生产，带来了新方向。
Claims (4)
1.一种高效红外周向加热元件，其特征在于：所述红外周向加热元件包括玻璃管，在所述玻璃管的两端管壁上各设置有一段管端电极层，且两管端电极层间隔设置；在所述玻璃管的管壁上还设置有红外辐射涂层，且所述红外辐射涂层连通两端的管端电极层；在所述红外辐射涂层上设置有红外反射屏蔽涂层；
所述玻璃管是采用耐高温玻璃制作成的圆管，耐高温范围800~1200℃；
所述管端电极层是通过涂覆导电浆料并烧结而成；所述导电浆料是由Ag、Cu、Au或石墨烯中的至少一种作为导电材料加水和玻璃粉调制而成，所述导电浆料的粘度为2700±500mPa.s；
两端的管端电极层的宽度各占所述红外周向加热元件总长度的10%~40%，所述红外辐射涂层的两端分别覆盖两段管端电极层20%~30%的宽度；
所述红外反射屏蔽涂层是通过涂覆红外反射屏蔽浆料并烧结而成；所述红外反射屏蔽浆料是由ITO、ZnO与Al纳米粉按质量百分比40~80%：10~30%：10~30%混合均匀后，再加水调制而成，所述红外反射屏蔽浆料的粘度为2700±500 mPa.s；
所述红外辐射涂层的厚度在50~300μm、阻值在0.5~5Ω；所述红外反射屏蔽涂层的厚度在20~80μm；
所述红外辐射涂层是通过涂覆红外辐射浆料并烧结而成；所述红外辐射浆料是由红外线辐射材料、涂层阻值调控材料和涂层高温粘结剂按质量百分比30~80%：10~30%：10~40%混合均匀后，再加水调制而成，所述红外辐射浆料的粘度为2700±500 mPa.s；
所述红外线辐射材料的各组分按质量百分比的构成为：
氧化铝纳米粉 25~50%
氧化锌纳米粉 10~30%
氧化铁纳米粉 20~30%
二氧化锰纳米粉 1~10%
碳纳米管 1~10%；
所述涂层阻值调控材料的各组分按质量百分比的构成为：
氧化银纳米粉 40~60%
氧化锆纳米粉 30~50%
石墨烯 5~10%；
所述涂层高温粘结剂的各组分按质量百分比的构成为：
纳米硅溶胶 20~60%
水玻璃 10~50%
二氧化硅纳米粉 10~50%
磷酸盐 5~20%。
2.根据权利要求1所述的高效红外周向加热元件，其特征在于：所述管端电极层的厚度在20~80μm。
3.根据权利要求1所述的高效红外周向加热元件，其特征在于：所述管壁为内管壁或外管壁。
4.一种权利要求1~3中任意一项所述高效红外周向加热元件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、将玻璃管清洗除油，以增强浆料涂覆效果；
步骤2、在导电材料中加水和玻璃粉并搅拌均匀，获得导电浆料；通过喷涂或者丝网印刷工艺在玻璃管两端的管壁上分别均匀涂覆所述导电浆料，然后放入高温烧结炉中500~800℃烧结0.5~1h，即形成管端电极层；
步骤3、将红外线辐射材料、涂层阻值调控材料和涂层高温粘结剂的各原料分别研磨混合均匀后，再混合，然后加水并搅拌均匀，获得红外辐射浆料；
通过喷涂或者丝网印刷工艺在玻璃管的管壁上均匀涂覆所述红外辐射浆料，然后放入高温烧结炉中，先升温至100~300℃并保温烧结5~60min，再升温至400~1000℃并保温烧结5~60min，即形成红外辐射涂层；
步骤4、将ITO、ZnO与Al纳米粉混合后，加水并搅拌均匀，获得红外反射屏蔽浆料；
通过喷涂或者丝网印刷工艺在所述红外辐射涂层上均匀涂覆所述红外反射屏蔽浆料，然后放入高温烧结炉中500~800℃烧结0.5~1h，即形成红外反射屏蔽涂层，从而完成红外周向加热元件的制备。
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