CN113796572B

CN113796572B - 一种碳加热卷烟的碳质热源及其制备方法

Info

Publication number: CN113796572B
Application number: CN202111160936.7A
Authority: CN
Inventors: 张敦铁; 刘兴乐; 杨俊鹏; 罗诚浩; 王昊; 庄虎; 朱峰
Original assignee: China Tobacco Hubei Industrial LLC
Current assignee: China Tobacco Hubei Industrial LLC
Priority date: 2021-09-30
Filing date: 2021-09-30
Publication date: 2023-05-12
Anticipated expiration: 2041-09-30
Also published as: CN113796572A

Abstract

本发明提供了一种碳加热卷烟的碳质热源及其制备方法，所述碳质热源包括改性多孔碳材料和吸附于所述改性多孔碳材料的香精香料；其中，所述改性多孔碳材料表面负载有金属氧化物。通过对多孔碳材料进行改性，得到负载金属氧化物的改性多孔碳材料，所述改性多孔碳材料与其表面的金属氧化物均起到催化氧化作用，使得燃烧过程中产生的CO等杂气立即发生反应并除去，进而从源头上消除杂气。另外，由于多孔碳材料具有丰富的孔隙结构和巨大的比表面积以及大量的含氧官能团，使得往其中加入香精香料后，对香精香料具有良好的吸附性，因此，在消除杂气的同时又赋予了卷烟以丰富的香气，从而提高碳加热卷烟的抽吸品质。

Description

一种碳加热卷烟的碳质热源及其制备方法

技术领域

本发明属于新型烟草制品领域，具体涉及一种碳加热卷烟的碳质热源及其制备方法。

背景技术

低温加热型卷烟，是新型烟草制品的重要品类之一，一般通过加热不燃烧烟草的方式将满足感和部分烟草香味传递给消费者，其外观与消费方式上也与传统卷烟相似，在一定程度上适应和满足了消费者的生理需要和心理需求。这种“加热不燃烧”的方式，使烟草只在较低的温度下（理想温度区间200-500°C）被加热，避免了烟草燃烧时高温环境导致的焦油和大量有害化合物生成，而且由于基本没有侧流烟气，不会产生二手烟气，不会对公共环境产生影响，在一定程度上缓解了吸烟和公共场所禁烟的矛盾。

目前，低温加热型卷烟按照热源种类可以分为燃料加热型、电加热型和化学反应加热型，其中，碳加热型卷烟作为一种重要的燃料加热型低温卷烟，因具有安全稳定、快捷高效、价格低廉等优点，已成为低温加热型卷烟的主要品类之一。

当前，有关碳加热型低温卷烟的研究基本集中在碳质热源，例如专利CN1039711A、CN1100453A等加入微纳米材料降低了CO释放量，CN103263084A通过设置多个纵向通道增加了碳质热源材料的表面积，提高了燃烧充分性和引燃性，CN1886069A等通过利用玻璃纤维等绝热材料包裹碳质热源，避免了易脱落的问题，但以上关于碳质热源的研究主要在于减少CO释放量，或关注于热源的引燃性，或关注于对碳质热源的保护。然而，现有技术中碳加热卷烟在抽吸时会带来不愉悦的气味，影响消费者的抽吸体验，上述现有技术并未解决抽吸品质的问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种碳加热卷烟的碳质热源及其制备方法，所制备的碳质热源在燃烧时CO等杂气释放少，并且可释放丰富的香气，从而提高碳加热卷烟的抽吸品质。

现有技术中为了提升碳加热卷烟的抽吸品质，通常有两种方式，一是对烟芯材料进行改进，例如制备阻燃烟草薄膜，向烟叶中加入香料，或是将烟叶制备成具有多孔的块状，以此来提升烟气的释放性能；二是对碳加热卷烟的结构进行改进，例如将其分成多段，包括加热段、烟丝段和滤嘴段，通过在滤嘴段设置过滤装置或加入香料物质，来降低杂味和丰富烟香。

然而，本发明人摒弃了已为习知的上述改进手段，经研究发现，习知技术致力于对CO等不愉悦杂气的吸收和去除或者通过添加香料来掩盖杂味，而本发明人通过从加热卷烟的源头分析，意外发现影响碳加热卷烟抽吸品质的根本原因是碳质热源的燃烧，由于碳质热源的成分不同，其燃烧后会产生不同程度的杂味，进而随烟气释放出来，严重影响抽吸体验。鉴于此，发明人从碳质热源本身出发，尝试了向炭粉中直接加入香料，但所制备的热源效果甚微，并不能大幅度降低杂气的产生。后来无意中发现，改性多孔碳材料具有良好的催化氧化性和丰富的孔隙结构，既可作为碳质热源燃烧的原材料，又可催化氧化燃烧过程中产生的CO等杂气，并且为外加香料提供丰富的吸附位点，从而从源头上消除杂气并赋予卷烟以丰富的烟香，进而提升抽吸品质。由此，创造了本发明。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供了一种碳加热卷烟的碳质热源，所述碳质热源包括改性多孔碳材料和吸附于所述改性多孔碳材料的香精香料；其中，所述改性多孔碳材料表面负载有金属氧化物。

多孔碳材料是指具有不同尺寸孔结构（微孔、中孔和大孔）的碳素材料，多孔碳材料较大的比表面积、丰富的孔隙结构使得其具有物理吸附性能，以及其可调节的表面性质（含有大量的表面官能团），使得其同时具有良好的化学吸附性。碳质热源燃烧的主要原料为碳材料，因此，多孔碳材料不但可以作为碳质热源的可燃物，并且利用其吸附作用可以吸附香精香料，为碳加热卷烟的碳源材料提供增香技术，这使得多孔碳材料成为本发明的理想之选。

然而，碳源材料在其燃烧过程中产生的主要杂气为CO，仅利用加香手段无法完全掩盖有害气体所带来的不良体验，为了起到良好的增香效果，需要将CO等杂气去除。金属氧化物，如氧化铁、氧化铜等对CO具有良好的催化氧化性能，因此，可以利用催化氧化法去除燃烧过程中产生的CO，从而降低烟气杂气，而仅仅简单地将金属氧化物作为催化剂添加至碳质热源中，所需催化剂的用量大，且催化不充分、反应不完全。本发明从碳源材料出发，对多孔碳材料进行改性，使得改性后的多孔碳材料表面负载有金属氧化物，从而提升对CO的催化氧化效果，而且多孔碳材料大的比表面积和丰富的多孔结构增大了与CO的接触面积，使得催化效率更高。

作为本发明进一步的方案：所述改性多孔碳材料和所述香精香料的质量比为（50~80）：（2~8）。例如可以为50:2、55:3、60:5、65:7、70:2、75:5、80:8等。

作为本发明进一步的方案：所述改性多孔碳材料的比表面积为800~2000 m²/g。例如800 m²/g、850 m²/g、900 m²/g、1000 m²/g、1300 m²/g、1500 m²/g、2000 m²/g等。

作为本发明进一步的方案：所述改性多孔碳材料为表面改性的生物基活性炭。

活性炭是由含碳材料制成的外观呈黑色，内部孔隙结构发达的多孔材料，由于其具有丰富的孔隙结构和巨大的比表面积而广泛用于吸附等诸多领域，而且活性炭本身具有催化性能，在吸附香料物质的同时也起到对CO等杂气的催化效果。生物基活性炭是由生物残体在缺氧条件下，经高温慢热解制备的一类可再生活性炭材料。以烟叶、烟梗或烟粉等卷烟制备过程中产生的“下脚料”作为制备生物基活性炭的原料，不但充分利用废弃物，节约了资源，而且以其制成的碳源材料在燃烧过程中可以释放烟香，与所吸附的香精香料共同促进烟气感官质量的提升。

活性炭的吸附性能由其表面孔隙结构和表面化学性质共同决定，其表面主要具有包括羧基、酚羟基、内酯基等酸性基团，这些基团与Lewis碱反应良好，因此，对表面含碱性基团的物质具有良好的吸附性能。作为本发明进一步的方案：所述香精香料优选为表面含丰富碱性基团的碱性物质，例如薄荷醇、呋喃酮、2-环戊烯酮中的至少一种。

所述碳质热源可以挤压成型为各种可行的形状，为了使碳质热源充分燃烧，减少CO的产生和释放，以及增大与氧气和接触面积，为烟气和热量提供通道，作为本发明进一步的方案：所述碳质热源可以是例如凹凸齿轮状、蜂窝状、螺旋状中的至少一种。

另外，本发明还提供了一种所述碳质热源的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）制备改性多孔碳材料；

（2）将步骤（1）制备的改性多孔碳材料加入到香精香料溶液中振荡吸附，经分离后得到吸附复合体；

（3）将步骤（2）所述吸附复合体与粘结剂、雾化剂和助燃剂，经挤出成型、干燥，得到所述碳质热源。

作为本发明进一步的方案：以质量份计，步骤（3）所述吸附复合体、粘结剂、雾化剂和助燃剂的质量比为（50~80）：（8~12）：（1~3）：（10~18）。

粘结剂促进碳质热源的固化成型；助燃剂可以大幅提高固化成型后碳材料的机械强度，还可以降低热源的燃烧温度，从而适于在加热不燃烧卷烟中的使用；雾化剂的加入增加了抽吸时的烟雾产生量，使抽吸的烟雾体验感增强。

作为本发明进一步的方案：所述粘结剂、雾化剂和助燃剂的具体种类不限，基于不影响烟气释放效果的考虑，所述粘结剂为海藻酸盐，所述雾化剂为甘油、丙二醇中的一种，所述助燃剂为碳酸盐。

作为本发明进一步的方案：步骤（3）所述干燥方式不限，优选为在70~120℃的热风条件下进行，既保证了干燥速率，又避免温度过高造成所述碳质热源发生自燃。

本发明以烟草废弃物为原料制备多孔碳材料，可以保留原有的烟香气味，并对所制备的多孔碳材料进行改性，得到负载金属氧化物的生物基活性炭，生物基活性炭与其表面的金属氧化物均起到催化氧化作用，使得燃烧过程中产生的CO等杂气立即发生反应并除去，进而从源头上消除杂气。另外，由于多孔碳材料具有丰富的孔隙结构和巨大的比表面积以及大量的含氧官能团，使得往其中加入香精香料后，对香精香料具有良好的吸附性，因此，在消除杂气的同时又赋予了卷烟以丰富的香气，从而提高碳加热卷烟的抽吸品质。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、本发明的改性多孔碳材料对燃烧过程中产生的CO等不良气体起到催化氧化作用，从源头上消除杂气；其优异的吸附性能可以吸附大量的香精香料，进而使得在消除杂气的同时释放香气，丰富了卷烟的烟香，改善了卷烟的烟气口感，进而提升了抽吸品质。

2、本发明在碳质热源的制备中通过添加雾化剂，增加了抽吸时的烟雾产生量，使抽吸的烟雾体验感增强。

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。

实施例1

一种碳质热源，包括改性多孔碳材料和吸附于改性多孔碳材料的香精香料；其中，改性多孔碳材料表面负载有金属氧化物。其通过以下步骤进行制备：

（1）将破碎后的烟叶、烟梗和烟粉以10K/min加热到723K，碳化2h。冷却后粉碎至150μm以下，得到炭化料；称取炭化料、氢氧化钾（质量比为1:4）进行固相混合并搅拌均匀后加入到频率为2450MHz、功率为700W的微波设备进行加热30min，加热时通入流量为100mL/min 的氮气进行保护，冷却后的物料采用1∶1的盐酸溶液酸洗2h，酸洗后采用漂洗工艺使物料的 pH 值到6.5，再在393K下干燥2h，最后粉碎得到生物基活性炭。

配置0.1mol/L的氯化铁溶液100ml置于锥形瓶中，并在瓶中投加10 g生物基活性炭，用手轻微摇匀，然后将该锥形瓶固定在恒温水浴振荡器的弹簧格栅中，在90℃的水浴条件下回流振荡10小时。待样品冷却后将浸渍好的生物基活性炭过滤，再用去离子水反复冲洗3次后重新将清洗后的生物基活性炭放入烘箱中烘至恒重，再放入马弗炉中在300℃的温度条件下煅烧5小时，即得到负载有氧化铁的改性生物基活性炭；

（2）将50g负载有氧化铁的改性生物基活性炭加入到8g薄荷醇溶液中，然后放入恒温摇瓶柜中振荡至吸附饱和，得到吸附复合体；

（3）将质量比为50:8:1:10的吸附复合体、海藻酸钠、甘油和碳酸钙，混匀后送入螺杆挤压机中挤出成型，制备成外径为5mm的凹凸齿轮状湿炭条，经100℃快速热风干燥得到碳质热源。

实施例2

配置0.1mol/L的硫酸铜溶液100ml置于锥形瓶中，并在瓶中投加10 g生物基活性炭，用手轻微摇匀，然后将该锥形瓶固定在恒温水浴振荡器的弹簧格栅中，在90℃的水浴条件下回流振荡10小时。待样品冷却后将浸渍好的生物基活性炭过滤，再用去离子水反复冲洗3次后重新将清洗后的生物基活性炭放入烘箱中烘至恒重，再放入马弗炉中在300℃的温度条件下煅烧5小时，即得到负载有氧化铜的改性生物基活性炭；

（2）将80g负载有氧化铜的改性生物基活性炭加入到2g薄荷醇溶液中，然后放入恒温摇瓶柜中振荡至吸附饱和，得到吸附复合体；

（3）将质量比为80:12:3:18的吸附复合体、海藻酸钠、甘油和碳酸钙，混匀后送入螺杆挤压机中挤出成型，制备成孔径为3mm的圆柱形蜂窝煤状，经120℃快速热风干燥得到碳质热源。

实施例3

（2）将70g负载有氧化铁的改性生物基活性炭加入到2g呋喃酮溶液中，然后放入恒温摇瓶柜中振荡至吸附饱和，得到吸附复合体；

（3）将质量比为70:10:2:15的吸附复合体、海藻酸钠、甘油和碳酸钙，混匀后送入螺杆挤压机中挤出成型，制备成螺旋状的湿炭条，经100℃快速热风干燥得到碳质热源。

实施例4

（2）将55g负载有氧化铁的改性生物基活性炭加入到8g2-环戊烯酮溶液中，然后放入恒温摇瓶柜中振荡至吸附饱和，得到吸附复合体；

（3）将质量比为55:9:1.5:13的吸附复合体、海藻酸钠、甘油和碳酸钙，混匀后送入螺杆挤压机中挤出成型，制备成外径为5mm的凹凸齿轮状湿炭条，经100℃快速热风干燥得到碳质热源。

实施例5

与实施例1唯一不同的是，步骤（2）中改性生物基活性炭与薄荷醇的质量比为60:7。

对比例1

与实施例1唯一不同的是，将步骤（2）中负载有氧化铁的改性生物基活性炭替换为炭粉。

对比例2

与实施例1唯一不同的是，将步骤（2）中负载有氧化铁的改性生物基活性炭替换为生物基活性炭。

对比例3

与实施例1唯一不同的是，步骤（2）不添加薄荷醇。

评价

采用专利CN105231486B公开的一种碳加热低温加热型卷烟的制备方法，将本发明实施例和对比例所制备的碳质热源进行包裹得到碳质热源基棒，再与烟丝基棒和带滤嘴烟支复合制成碳加热卷烟。并对所制备碳加热卷烟的CO释放量和抽吸品质进行评价。

A.CO释放量

采用德国HB公司生产的Borgwaldt RM20/CSR型转盘吸烟机对所制备的碳加热卷烟进行测试。具体步骤为：

（1）按FTC标准进行。将准备好的抽吸卷烟插入卷烟夹持器标准深度；调整卷烟使燃烧锥到达烟蒂标记时启动抽吸终止装置。

（2）将抽吸口数计数器清零，用手持点火器点燃烟支。待燃至每一烟蒂标记处时，将燃烧锥取下。一次抽吸过程结束后，等待，使烟气捕集器中残留的烟气沉积。

（3）取下烟支燃烧锥后，马上插入新的卷烟，重复抽吸过程，直至将预定数量的卷烟抽吸至烟气捕集器中。

（4）将收集到的卷烟烟气导入CO分析仪，按YC/T30-1996方法进行检测，并计算平均值。检测结果如下表1.

表1 卷烟烟气中CO含量

从表1可以看出，与对比例1相比，实施例1的CO释放量明显减少，表明负载了金属氧化物的改性多孔碳材料所作的技术贡献；

实施例1的CO释放量比对比例2低，表明对多孔碳材料进行金属氧化物改性所作的技术贡献；

对比例3与实施例1的CO释放量相差不大，表明负载香精香料不影响改性多孔碳材料的催化效果。

B.感官评价

将所制备的烟支在评吸前置于相对湿度为65%，温度为25℃的环境中平衡24h,使烟支含水率达到12%左右。由8名评吸专家组成评吸小组，按照国标YCT 138-1998标准，对所制备卷烟进行感官质量评价。评吸结果如下表2.

表2 卷烟感官质量评价结果

备注：表2中各项目各标度值的含义

从表2可以看出，利用实施例1~5的碳质热源所制备的碳加热卷烟香气丰富、烟雾量充足，杂气和刺激性明显降低，余味舒适，表明通过本发明所制备的碳质热源制成的卷烟感官质量总体效果很好。

实施例1与对比例1相比，杂气和刺激性明显降低，香气丰富且余味舒适，表明负载了金属氧化物的改性多孔碳材料所作的技术贡献；

与对比例2相比，实施例1的杂气和刺激性减小，表明对多孔碳材料进行改性所作的技术贡献；

对比例3的香气明显不如实施例1，表明将香精香料负载于改性多孔碳材料所作的技术贡献。

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

1.一种碳加热卷烟的碳质热源，其特征在于，所述碳质热源包括改性多孔碳材料和吸附于所述改性多孔碳材料的香精香料；其中，所述改性多孔碳材料表面负载有金属氧化物；

所述改性多孔碳材料为表面改性的生物基活性炭，通过以下步骤制备：将破碎后的烟叶、烟梗和烟粉以10K/min加热到723K，碳化2h；冷却后粉碎至150μm以下，得到炭化料；称取质量比为1:4的炭化料、氢氧化钾进行固相混合并搅拌均匀后加入到频率为2450MHz、功率为700W的微波设备进行加热30min，加热时通入流量为100mL/min 的氮气进行保护，冷却后的物料采用1∶1的盐酸溶液酸洗2h，酸洗后采用漂洗工艺使物料的 pH 值到6.5，再在393K下干燥2h，最后粉碎得到生物基活性炭；然后向氯化铁或硫酸铜溶液中投加生物基活性炭，在90℃的水浴条件下回流振荡10小时；待样品冷却后将浸渍好的生物基活性炭过滤，再用去离子水反复冲洗3次后重新将清洗后的生物基活性炭放入烘箱中烘至恒重，再放入马弗炉中在300℃的温度条件下煅烧5小时，即得到改性生物基活性炭；

所述改性生物基活性炭表面具有羧基、酚羟基、内酯基酸性基团；

所述香精香料为表面含丰富碱性基团的碱性物质。

2.根据权利要求1所述的碳质热源，其特征在于，所述改性多孔碳材料和所述香精香料的质量比为（50~80）：（2~8）。

3.根据权利要求1所述的碳质热源，其特征在于，所述改性多孔碳材料的比表面积为800~2000 m²/g。

4.根据权利要求1所述的碳质热源，其特征在于，所述香精香料为薄荷醇、呋喃酮、2-环戊烯酮中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的碳质热源，其特征在于，所述碳质热源为齿轮状、蜂窝状、螺旋状中的一种。

6.根据权利要求1所述的碳质热源的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）制备改性多孔碳材料；

（3）将步骤（2）得到的吸附复合体与粘结剂、雾化剂和助燃剂，经挤出成型、干燥，得到所述碳质热源。

7.根据权利要求6所述的碳质热源的制备方法，其特征在于，以质量份计，步骤（2）所述吸附复合体、粘结剂、雾化剂和助燃剂的质量比为（50~80）：（8~12）：（1~3）：（10~18）。

8.根据权利要求6所述的碳质热源的制备方法，其特征在于，步骤（3）中所述粘结剂为海藻酸盐，所述雾化剂为甘油、丙二醇中的一种，所述助燃剂为碳酸盐。

9.根据权利要求6所述的碳质热源的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，在70~120℃的热风条件下实施所述干燥。