CN114431545A - 一种气凝胶雾化芯及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电子烟领域，涉及加热雾化领域，具体涉及一种气凝胶雾化芯，由气凝胶和嵌入气凝胶的发热元件构成，所述气凝胶内含有连通发热元件表面与外部的气体通道；在使用过程中，一端进气时，发热元件工作，加热气凝胶孔洞表面的可挥发介质，可挥发介质雾化挥发后，被进气携带出雾化芯的另一端。本发明解决了现有雾化芯的缺陷，以气凝胶为雾化芯主结构，具有孔隙率高，微孔直径小，具有非工作状态不渗油、雾化均匀的优点。
Description
技术领域
本发明属于电子烟领域，涉及加热雾化领域，具体涉及一种气凝胶雾化芯及其制备方法。
背景技术
现有的加热雾化芯一般是多孔陶瓷材质，其孔径一般为5-30微米，孔隙率40-70％。主要问题为孔径偏大，容易渗油；孔隙率偏低，导致供油不均匀；陶瓷导热快，导致热能利用率低，影响供电的电池选型大小及续航时间。
气凝胶为高孔隙率、低热导率材料，其孔径一般为50-200nm，孔隙率达到90％以上，导热系数低于0.020W/m·K，广泛用于航空航天、石化、新能源动力电池等各领域。本发明以气凝胶为雾化芯主体结构，配合雾化芯孔隙率高和绝热能力强的特点，不仅使供油面均匀稳定，而且减少热能损失，提高电能利用率。
发明内容
针对现有技术中的问题，本发明提供一种气凝胶雾化芯，达到雾化均匀、不渗油、热能利用率高、表面温度低的效果。
为实现以上技术目的，本发明的技术方案是：
一种气凝胶雾化芯，由气凝胶和嵌入气凝胶的发热元件构成，所述气凝胶内含有连通发热元件表面与外部的气体通道；在使用过程中，一端进气时，发热元件工作，加热气凝胶孔洞表面的可挥发介质，可挥发介质雾化挥发后，被进气携带出雾化芯的另一端。
所述发热元件采用发热丝、发热片或者发热丝与发热片的组合；所述发热元件全部或部分插入气凝胶内。
所述气体通道采用1个或多个，作用在于一端进气时气体可携带挥发雾化后的介质从雾化芯的另一端排出。
所述气凝胶采用无机气凝胶、有机气凝胶或无机-有机复合气凝胶。进一步的，所述无机气凝胶可采用二氧化硅气凝胶、氧化铝气凝胶、氧化锆气凝胶的一种或多种，也可通过有机-无机杂化气凝胶高温去除有机物后获得。
更进一步的，所述气凝胶采用双层气凝胶，即，所述气凝胶采用内层气凝胶和外层气凝胶组合而成，且内层气凝胶与外层气凝胶通过薄膜阻隔，待雾化介质不能透过薄膜渗入外层气凝胶，内层气凝胶用于输送待雾化介质，外层气凝胶用于隔热功能，这样可以确保雾化芯的外表面温度不会过高，方便外部封装材料的选材及使用，并且减少热能损耗，达到节能的目的。所述薄膜采用铝箔、铜箔、锡箔、银箔、金箔、聚合物膜中的一种或多种。所述气凝胶的进气与储油仓(外部)相连，储油仓内的有形介质通过接触内层气凝胶端面，随着雾化芯内部介质的损耗，不断的补充进去。
所述气凝胶通过溶胶凝胶法制取凝胶后，经特殊干燥萃取方式，得到高孔隙率的结构，且所述气凝胶的制备原料为正硅酸乙酯、正硅酸甲酯、铝醇盐、聚合氯化铝、硝酸氧锆、纤维素、纤维素盐、异氰酸酯、壳聚糖、甲壳素中的一种或几种。以制取二氧化硅气凝胶为例，以正硅酸乙酯为硅源，以乙醇为溶剂，适量水、盐酸，加热水解，得到二氧化硅醇溶胶液体，然后以碱性催化剂与溶胶液体混合均匀，静置一段时间后，形成凝胶；接着，通过超临界流体萃取凝胶内的溶剂，得到二氧化硅气凝胶；或者，先将凝胶进行疏水化修饰，并用低表面张力溶剂置换内部溶剂，接着通过常压干燥方式，获得二氧化硅气凝胶；进一步的，所述凝胶在萃取前或萃取后，通过有机硅单体进行疏水化处理，得到疏水化二氧化硅气凝胶。所述低表面张力溶剂采用正己烷或六甲基二硅氧烷。
所述气凝胶雾化芯的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，将已催化好的溶胶液倒入至合适的模具中，所述已催化的溶胶为无机氧化物的溶胶液体或无机氧化物与聚合物溶胶的混合溶胶液体；
步骤2，将用于形成气体通道的小棒和发热元件分别插入溶胶液体内，且所述小棒与发热元件紧贴，以便小棒脱出后形成的气体通道与发热元件相连；
步骤3，待溶胶液体充分凝胶后取出小棒，得到嵌有发热元件的凝胶块脱模取出；
步骤4，通过对步骤3的凝胶块进行萃取干燥，得到气凝胶雾化芯，进一步的，所述萃取可采用超临界流体萃取。
所述发热元件和形成气体通道的小棒预先固定在模具中，待溶胶导入模具中并完全凝胶后取出小棒。
若所述气凝胶为双层气凝胶，则在步骤3前将薄膜植入溶胶液体内，分隔形成内外溶胶，经凝胶后得到双层凝胶结构，最终获得双层气凝胶；或者在凝胶脱模后表面包裹薄膜，并置于稍大的模具内，接着倒入已催化的凝胶液体，凝胶后脱模干燥得到双层气凝胶结构的雾化芯。
若在凝胶干燥前或者干燥后进行疏水化处理，得到的气凝胶雾化芯具有疏水性。
所述超临界流体为超临界二氧化碳或超临界乙醇。超临界流体的表面张力为零，可快速的萃取凝胶内部的液体，实现固体材料无收缩的干燥过程。
所述步骤4的气凝胶雾化芯进行高温碳化，去除有机物。
所述形成气体通道的小棒可采用硬质材料或半硬质材料，如不锈钢、铝合金、铜合金等金属材料，在完全凝胶后直接取出；也可采用高温分解有机材料，如聚丙烯、尼龙等塑料材质或木材、竹子等天然材料，通过高温分解去除，并形成气体通道；也可采用柔性材料，如棉绳、PP棉棒等纤维材料，在凝胶前以弯曲的形态置于溶胶液体内，并在气凝胶内形成俺去的气体通道。
从以上描述可以看出，本发明具备以下优点：
1.本发明解决了现有雾化芯的缺陷，以气凝胶为雾化芯主结构，具有孔隙率高，微孔直径小，具有非工作状态不渗油、雾化均匀的优点。
2.本发明还提供了一种双层气凝胶结构，不仅具有不渗油、雾化均匀的特点，还具有隔热性能优异、节约电能的特点，具有广阔的市场前景。
附图说明
图1是本发明实施例1的气凝胶雾化芯结构示意图；
图2是本发明实施例2的双层气凝胶雾化芯结构示意图。
具体实施方式
结合图1和图2详细说明本发明的实施例，但不对本发明的权利要求做任何限定。
实施例1
一种单层气凝胶雾化芯，其制备方法包括：
1.硅溶解液体：以正硅酸乙酯为硅源，水解制备得到，具体包括：将正硅酸乙酯加入至无水乙醇中，并加入适量水、盐酸，加热水解，得到二氧化硅醇溶胶液体；然后二氧化硅醇溶胶予以定量的氢氧化钠溶液搅拌均匀，得到已催化好的溶胶液体；
2.预先准备好模具、环形发热丝、小棒，将小棒与发热丝穿好，一同竖直固定于模具中间，小棒材质为聚丙烯，位于环形发热丝内部，长度稍长于发热丝，以方便在凝胶后取出，发热丝下端头可用少量双面胶固定于模具底部，亦可通过悬垂小棒和环形发热丝，将两者悬垂于模具中心位置；
3.将已催化好的溶胶液缓慢倒入模具内，浸没发热丝和小棒主体，密封模具，静置5分钟，凝胶后，将模具放入60℃水浴加热3小时，进一步增强凝胶强度。然后，取出小棒，而发热丝留在凝胶块内。将凝胶块脱模取出，放入二氧化碳超临界干燥设备内，萃取干燥5小时，得到二氧化硅材质的气凝胶雾化芯。示意结构如图1所示，环形发热丝(3)位于气凝胶(1)内部，且部分表面暴露于小棒形成的孔洞(2)，气凝胶能从与其端面接触的储油仓吸收可雾化介质，发热丝工作发热时，油体介质挥发雾化，被进气携带出雾化芯的另一端。二氧化硅气凝胶的孔隙率大于90％，孔径在50-200nm，比表面积大于500㎡/g,具有优异的吸油能力，且长时间放置后，油体不会从气凝胶内渗出影响雾化芯的功能及雾化均匀性。
实施例2
一种双层气凝胶雾化芯，其制备方法包括：
1.硅溶解液体：以正硅酸甲酯为硅源，水解制备得到，具体包括：将正硅酸甲酯加入至无水乙醇中，并加入适量水、盐酸，加热水解，得到二氧化硅醇溶胶液体；然后二氧化硅醇溶胶与定量的氢氧化钠溶液搅拌均匀，得到已催化好的溶胶液体；
2.预先准备好模具、环形发热丝、小棒，将小棒与发热丝穿好，一同竖直固定于模具中间，小棒位于环形发热丝内部，长度稍长于发热丝，以方便在凝胶后取出，发热丝下端头可用少量双面胶固定于模具底部，亦可通过悬垂小棒和环形发热丝，将两者悬垂于模具中心位置；
3.将已催化好的溶胶液缓慢倒入模具内，浸没发热丝和小棒主体，密封模具，静置5分钟，凝胶后，将模具放入60℃水浴加热3小时，进一步增强凝胶强度。
4.将铝箔包裹于凝胶侧面，放入另一稍大模具内，并位于模具中央；然后将已催化好的溶胶液体缓慢倒入模具中，直至液体充满铝箔与模具之间的空隙，静置5分钟，形成铝箔外层凝胶后，将模具放入60℃水浴加热3小时，进一步增强凝胶强度。
5.取出小棒，而发热丝留在凝胶块内；将凝胶块脱模取出，放入二氧化碳超临界干燥设备内，萃取干燥5小时，得到二氧化硅材质的气凝胶雾化芯。采用六甲基二硅氮烷，熏蒸所得气凝胶雾化芯，使气凝胶疏水化。产品示意结构如附图2所示，环形发热丝(3)位于内层气凝胶(1)内部，且部分表面暴露于小棒形成的孔洞(2)，铝箔(4)包裹于内层气凝胶外侧，在铝箔(4)外侧又包裹一层外层气凝胶(5)；内层气凝胶从储油仓吸收可雾化介质，与发热丝充分接触，发热丝工作时，加热介质雾化，进气携带出雾化芯，铝箔阻隔介质扩散至外层气凝胶，外层气凝胶起到良好的绝热效果。
实施例3
一种有机气凝胶雾化芯，其制备方法包括：
1.聚氨酯溶胶液体：以二苯基甲烷二异氰酸酯、聚乙二醇为单体，丙酮为溶剂，配制成溶胶液体；
2.预先准备好模具、环形发热丝、棉绳，将发热丝竖直固定于模具中间，将棉绳垂于于环形发热丝内部，长度稍长于发热丝，以方便在凝胶后取出，发热丝下端头可用少量双面胶固定于模具底部；
3.将已催化好的溶胶液缓慢倒入模具内，浸没发热丝主体，密封模具，静置2小时，凝胶后，将模具放入60℃水浴加热5小时，进一步增强凝胶强度。然后，抽出棉绳，而发热丝留在凝胶块内。将凝胶块脱模取出，放入二氧化碳超临界干燥设备内，萃取干燥5小时，然后在120℃环境中加热1小时，充分去除残余溶剂，得到聚氨酯材质的气凝胶雾化芯。聚氨酯气凝胶孔径小于2微米，吸油后不易漏油，且比无机气凝胶韧性好，不易碎裂，更方便组装应用。
实施例4
一种有机-无机杂化气凝胶雾化芯，其制备方法包括：
1.配制有机-无机溶胶液体：将壳聚糖溶解于乙酸溶液中，配制成1％质量浓度的壳聚糖溶液。以正硅酸乙酯为硅源、乙醇为溶剂，稀硫酸为催化剂，按一定比例配制成二氧化硅溶胶液体；将壳聚糖溶液与二氧化硅溶胶液体等比例混合搅拌均匀；
2.预先准备好模具、发热丝、PP棉棒，将发热丝竖直固定于模具中间，PP棉棒位于环形发热丝内部，长度稍长于发热丝，以方便在凝胶后取出，发热丝下端头可用少量双面胶固定于模具底部；
3.用1M浓度的氢氧化钠溶液调节混合溶胶的pH值至5-6，然后将混合溶胶液缓慢倒入模具内，浸没发热丝主体，密封模具，静置1小时，凝胶后，将模具放入60℃水浴加热3小时，进一步增强凝胶强度。然后，抽出PP棉棒，而发热丝留在凝胶块内。将凝胶块脱模取出，先以80％乙醇对凝胶块进行浸泡5小时，后以六甲基二硅氧烷浸泡5小时，然后在常压条件下、100-120℃环境中加热干燥3小时，充分去除残余溶剂，得到二氧化硅-壳聚糖复合材质的气凝胶雾化芯。复合气凝胶的兼具高比表面积(大于500㎡/g)、高孔隙率(大于90％)的特点，孔径分布范围宽(50nm-5000nm)，且克服了二氧化硅气凝胶的脆性，方便制造加工及应用。该材质的气凝胶雾化芯吸油能力强，油体在气凝胶内部输送速度快，使用时雾化均匀、迅速。
综上所述，本发明具有以下优点：
1.本发明解决了现有雾化芯的缺陷，以气凝胶为雾化芯主结构，具有孔隙率高，微孔直径小，具有非工作状态不渗油、雾化均匀的优点。
2.本发明还提供了一种双层气凝胶结构，不仅具有不渗油、雾化均匀的特点，还具有隔热性能优异、节约电能的特点，具有广阔的市场前景。
可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案。本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。
Claims (14)
1.一种气凝胶雾化芯，其特征在于：所述雾化芯由气凝胶与插入气凝胶的发热元件构成，所述气凝胶内含有连通发热元件表面与外部的气体通道；在使用过程中，一端进气时，发热元件工作，加热气凝胶孔洞表面的可挥发介质，可挥发介质雾化挥发后，被进气携带出雾化芯的另一端。
2.根据权利要求1所述的气凝胶雾化芯，其特征在于：所述发热元件采用发热丝、发热片或者两者的组合。
3.根据权利要求1所述的气凝胶雾化芯，其特征在于：所述气凝胶采用无机气凝胶、有机气凝胶或无机-有机复合气凝胶。
4.根据权利要求3所述的气凝胶雾化芯，其特征在于：所述气凝胶通过溶胶凝胶法制取凝胶后，经特殊干燥萃取方式，得到高孔隙率的结构。
5.根据权利要求1所述的气凝胶雾化芯，其特征在于：所述气凝胶采用双层气凝胶，即所述气凝胶采用内层气凝胶和外层气凝胶组合而成，且内层气凝胶与外层气凝胶通过薄膜阻隔。
6.根据权利要求5所述的气凝胶雾化芯，其特征在于：所述薄膜采用铝箔、铜箔、锡箔、银箔、金箔、聚合物膜中的一种或多种。
7.一种气凝胶雾化芯的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
a1，以溶胶液体为原材料，配合模具制备含有气体通道和发热元件的凝胶块；
a2，将脱模后的凝胶块进行萃取干燥，得到气凝胶雾化芯。
8.根据权利要求7所述的气凝胶雾化芯的制备方法，其特征在于：所述a2中的萃取干燥采用超临界流体或低表面张力溶剂。
9.根据权利要求7所述的气凝胶雾化芯的制备方法，其特征在于：所述a2中的凝胶干燥前或干燥后进行疏水化处理。
10.根据权利要求7所述的气凝胶雾化芯的制备方法，其特征在于：所述气凝胶雾化芯进行高温碳化处理，去除有机物。
11.根据权利要求7所述的气凝胶雾化芯的制备方法，其特征在于：所述a1中的凝胶块为单层凝胶块或双层凝胶块。
12.根据权利要求11所述的气凝胶雾化芯的制备方法，其特征在于：所述单层凝胶块的制备步骤包括：b1，将已催化好的溶胶液倒入至合适的模具中，所述已催化的溶胶为无机氧化物的溶胶液体或无机氧化物与聚合物溶胶的混合溶胶液体，b2，将用于形成气体通道的小棒和发热元件分别插入溶胶液体内，且所述小棒与发热元件紧贴，以便小棒脱出后形成的气体通道与发热元件相连；b3，待溶胶液体充分凝胶后取出小棒，得到嵌有发热元件的凝胶块脱模取出，得到单层凝胶块。
13.根据权利要求12所述的气凝胶雾化芯的制备方法，其特征在于：所述小棒采用硬质材料、半硬质材料或柔性材料，且所述小棒可采用高温分解有机材料。
14.根据权利要求11所述的气凝胶雾化芯的制备方法，其特征在于：所述双层凝胶块的制备步骤包括：c1，将已催化好的溶胶液倒入至合适的模具中，所述已催化的溶胶为无机氧化物的溶胶液体或无机氧化物与聚合物溶胶的混合溶胶液体；c2，将用于形成气体通道的小棒和发热元件分别插入溶胶液体内，且所述小棒与发热元件紧贴；c3，待完全凝胶后进行脱模，并用薄膜包裹于凝胶侧面，放入另一稍大模具内，位于模具中央；然后将溶胶液缓慢倒入模具内，液体充满铝箔与模具之间的空隙，静置5分钟，形成铝箔外层凝胶，即可得到双层凝胶块。
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| CN104223359A (zh) * | 2014-08-22 | 2014-12-24 | 云南中烟工业有限责任公司 | 一种具有气凝胶隔热层的新型卷烟加热器 |
| CN113197345A (zh) * | 2021-04-16 | 2021-08-03 | 深圳麦克韦尔科技有限公司 | 雾化芯材料、雾化芯及其制备方法、电子雾化装置 |
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