加热非燃烧烟草薄片热导性能的提升研究
随着全球控烟形势的日趋严峻,传统卷烟行业的发展受到考验,新型烟草得到了极大发展。新型烟草制品主要包括加热卷烟、电子烟、无烟气烟草制品3大
鉴于烟草薄片燃烧速率的要求,最佳适合于添加至烟草中的高导热材料为碳基复合材料。李崇俊等
与传统的微米级填料相比,石墨烯具有非常低的填充量和非常大的结构各向异性的特点,可以大幅度提升复合材料的力学性
基于上述相关研究,碳纤维及石墨烯材料被证实可作为复合相以提升材料的导热性能。因此,本研究通过辊压法将碳纤维或石墨烯添加至加热非燃烧专用烟草薄片中,提高烟草薄片的热传导性能,旨在改善加热卷烟的导热性能,从而提升专用烟草薄片的利用率。
1 实 验
1.1 原料及仪器
1.1.1 实验原料
实验所用烟草薄片材料由湖北新业烟草薄片开发有限公司提供;石墨烯,购自苏州恒球石墨烯科技有限公司;碳纤维,购自盐城市翔盛碳纤维科技有限公司。
1.1.2 实验仪器
LFA 457激光导热系数测量仪,德国NETZSCH公司;SU-8010高分辨场发射扫描电子显微镜(SEM),日本日立公司;SDT Q600TA差热-热重联用分析仪(TG),美国TA Instruments公司;Niconet 6700型傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR),美国Niconet公司;XploRA PLUS型拉曼光谱仪,法国HORIBA公司;实验室自制加热非燃烧卷烟升温速率检测设备。
1.2 实验方法
1.2.1 添加导热材料的烟草薄片制备
按照湖北新业烟草薄片开发有限公司企业标准《QB/XYBP.BPGY3—2018电加热低温卷烟专用再造烟叶(辊压法)通用工艺技术标准》提供的配方制备烟草薄片,在烟草薄片制备过程中分别添加导热材料(石墨烯、碳纤维),添加方式为固体直接添加。按照烟草薄片定量200 g/
1.2.2 导热性能分析
将烟草薄片放置到测试架上,然后采用激光导热系数测量仪进行热扩散系数的测试。
1.2.3 热稳定性分析
使用差热-热重联用分析仪对添加导热材料前后的烟草薄片进行热稳定性表征。在50 mL/min的N2流速下以10℃/min的升温速度从室温加热至500℃。
1.2.4 FT-IR分析
使用FT-IR分析,扫描波长范围600~4000 c
1.2.5 拉曼光谱分析
使用拉曼光谱仪对样品进行表征。拉曼光谱仪激发光波长532 nm,扫描范围800~3000 c
1.2.6 SEM分析
用镊子将烟草薄片样品粘贴到样品座上,并在真空环境下进行表面喷金处理,然后采用SEM对样品的微观形貌进行分析。
2 结果与讨论
2.1 导热材料的热稳定性
添加导热材料前后烟草薄片的热重曲线如
图2 添加导热材料前后烟草薄片的TGA分析
Fig. 2 TGA curves of tobacco sheets before and after the addition of the thermal conductive material
2.2 FT-IR分析
添加导热材料前后烟草薄片的FT-IR图如
图3 添加导热材料前后烟草薄片的FT-IR图
Fig. 3 FT-IR spectra of tobacco sheets before and after adding thermal conductive material
2.3 导热材料对烟草薄片拉曼光谱的影响
利用拉曼光谱对石墨烯和添加不同导热材料的烟草薄片进行了分析。
图4 添加导热材料前后烟草薄片的拉曼光谱
Fig. 4 Raman Spectra of tobacco sheets before and after adding thermal conductive materials
2.4 添加导热材料烟草薄片的SEM分析
图5 导热材料与添加导热材料前后烟草薄片的SEM图
Fig. 5 SEM images of thermal conductive material and tobacco sheets before and after adding thermal conductive material
2.5 导热材料用量对烟草薄片热扩散系数的影响
图6 导热材料用量对烟草薄片热扩散系数的影响
Fig. 6 Effect of the amount of thermal conductive material on the thermal diffusion coefficient of tobacco sheets
从
综上所述,石墨烯对烟草薄片的热扩散系数提高的效果比碳纤维效果好,这主要是因为石墨烯的导热系数比碳纤维高很多。但是,石墨烯的价格也比碳纤维高很多。因此,如果想使用较少的导热材料以提高烟草薄片的导热性能,可以用石墨烯;若要兼顾成本和导热效果,则可以采用碳纤维。
2.6 石墨烯对加热非燃烧卷烟传热速率的影响
在上述研究中,发现石墨烯的热扩散系数较好。因此,将石墨烯导热材料添加至辊压法烟草薄片中,制备成加热非燃烧卷烟,通过实验室自制的设备检测传热速率,结果如
2.7 加热非燃烧卷烟感官评价分析
3 结 论
本研究利用导热材料石墨烯和碳纤维对烟草薄片进行改性,分别从结构、形貌和性能等方面对改性后的烟草薄片进行了表征。研究证明,石墨烯烟草薄片综合性能更好,提升了烟草薄片的总体品质。
3.1 导热材料对烟草薄片热稳定性的影响为:石墨烯>碳纤维,添加石墨烯的烟草薄片有更好的热稳定性,与空白样品相比,在相同用量5%的条件下,添加石墨烯的烟草薄片残余质量分数最低,为47.74%,且不影响烟草薄片的感官品质,添加石墨烯后加热非燃烧卷烟的评吸得分(范围为83~85)高于空白样品得分(82.5)。
3.2 在导热材料用量相同时,石墨烯与烟草薄片融合性更好,在烟草薄片中能够均匀分布,易形成导热通路,提高烟草薄片的热扩散系数,其对烟草薄片导热效率的改善比碳纤维显著,与空白样品相比,石墨烯用量5%的烟草薄片热扩散系数最高,提升了58.77%;基于石墨烯的加热非燃烧卷烟的传热速率提升了22.32%。
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