本發(fā)明涉及一種炭加熱新型煙草制品用炭供熱體及其制備方法。具體是以不同燃燒特性的炭粉為原料，通過分層混合和壓制成型的方法，獲得一種易點(diǎn)燃、燃燒速率和熱量可控的炭熱源材料，屬于煙用材料生產(chǎn)
技術(shù)領(lǐng)域：
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背景技術(shù)：
：近年來，隨著全球范圍內(nèi)控?zé)熈Χ鹊牟粩嗉哟?，以及人們健康意識的提高，以低溫卷煙、無煙氣煙草制品、電子煙等為代表的新型煙草制品取得了快速發(fā)展，世界煙草市場產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不斷發(fā)生著變化，積極發(fā)展各種新型煙草制品逐漸成為世界各個煙草公司的戰(zhàn)略取向。作為新型煙草制品，加熱非燃燒型煙草制品是當(dāng)前煙草行業(yè)研究開發(fā)的熱點(diǎn)。加熱非燃燒型煙草制品具有“加熱煙絲或煙草提取物而非燃燒煙絲”的特點(diǎn)，加熱方式可分為電加熱、燃料加熱和理化反應(yīng)加熱等。炭材料作為固體燃料，國外已有商品化產(chǎn)品推出，炭加熱新型煙草在消費(fèi)時可減少煙草高溫燃燒裂解產(chǎn)生的有害成分，使主流煙氣化學(xué)組分的釋放量大大降低；同時，與常規(guī)卷煙引燃方式不同，它在抽吸間歇時煙絲處于非燃燒/非加熱狀態(tài)，因此側(cè)流煙氣和環(huán)境煙氣也大幅度降低；炭加熱新型煙草在外觀結(jié)構(gòu)上類似傳統(tǒng)卷煙，能在一定程度上適應(yīng)和滿足消費(fèi)者的消費(fèi)習(xí)慣和生理需求。供熱體的結(jié)構(gòu)和組成直接決定著新型煙草制品的應(yīng)用和感官性能。用于炭加熱煙草制品中的炭供熱體應(yīng)該易點(diǎn)燃；點(diǎn)燃后，適宜的熱量能迅速傳遞至炭供熱體后端的煙草制品或提取物；燃燒過程中所釋放的熱量應(yīng)該穩(wěn)定以產(chǎn)生足夠的揮發(fā)性煙氣；更為重要的是，炭加熱新型煙草制品的主流煙氣溶膠中不可避免的混合有炭材料燃燒產(chǎn)生的煙氣，所以供熱體中需要含有適量的催化劑，降低燃燒煙氣中有害物質(zhì)的含量。因此，理想的炭供熱體既要有合適的引燃溫度，又要實(shí)現(xiàn)對燃燒速率和熱量的可控，更要降低燃燒產(chǎn)物中有害物質(zhì)的含量。國內(nèi)外專利報道的新型煙草制品炭供熱體通常采用粘結(jié)劑將粉體炭粘結(jié)壓制成型，然后再進(jìn)行炭化后處理得到一定尺寸的圓柱形炭塊，其一般是由一種或幾種添加劑組成的結(jié)構(gòu)均一的密實(shí)炭塊。這種組成和結(jié)構(gòu)的成型炭塊難以滿足炭加熱新型煙草制品用炭供熱體的要求。炭材料的來源和炭化工藝條件決定了不同炭材料（例如炭黑、木炭、石墨、活性炭、竹炭等）的燃燒特性，通過粉體炭材料的選擇和成型炭有序結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，可以優(yōu)化炭供熱體，提高燃燒效率和改善燃燒狀況。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的正是基于上述應(yīng)用背景和對炭供熱體性能的要求，而提供的一種具有梯度功能的炭加熱新型煙草制品用供熱體及其制備方法。本發(fā)明的發(fā)明機(jī)理在于：利用生物質(zhì)作為主要的碳源，通過選擇炭化工藝條件得到具有不同燃燒特性的炭粉體材料，作為炭加熱新型煙草制品的主要供熱熱源；選擇氧化石墨烯、石墨、中空碳纖維、可膨脹石墨粉、無機(jī)鹽、納米金屬氧化物和粘合劑作為功能輔助材料，通過分層混合和壓制成型的方式得到具有梯度功能的多組分炭供熱體。通過改變材料的組成和工藝條件，從而實(shí)現(xiàn)對起燃溫度、燃燒和傳熱傳質(zhì)過程的控制。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：一種具有梯度功能的炭加熱新型煙草制品用供熱體，是由引燃段、供熱段和過渡段通過壓合方式依次疊加而成的圓柱體結(jié)構(gòu)，直徑為8-10mm，高度12-20mm；其中：所述引燃段材料包括水熱炭、氧化石墨烯和無機(jī)鹽；所述供熱段的材料是水熱炭、熱解炭、石墨、中空碳纖維和納米金屬氧化物的混合材料；所述過渡段的材料是可膨脹石墨粉。所述水熱炭是將生物質(zhì)加入到一定量水中，將此混合物加入到水熱釜中，在180-240oC反應(yīng)6-24小時所得。所述熱解炭為生物質(zhì)在惰性氣氛下，在350-750oC炭化4-8小時所得。所述生物質(zhì)包括木材、秸稈、纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、淀粉和低分子量的葡萄糖、果糖、蔗糖。.在引燃段中，水熱炭、氧化石墨烯和無機(jī)鹽的質(zhì)量比為80-95wt%、5-20wt%和0.01-1wt%，三種組分之和為100%。在供熱段中，納米金屬氧化物、水熱炭、熱解炭、石墨和中空碳纖維所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05-0.8wt%、5-8%、30-70%、20-60%和0.5-1%，各組分之和為100%。所述中空碳纖維為聚合物基碳纖維，內(nèi)徑為60-100μm；所述無機(jī)鹽包括鉀、鈉、鈣的硝酸鹽、氫氧化物、硫酸鹽、碳酸鹽和鹽酸鹽中的一種。所述納米金屬氧化物包括粒徑為50-200nm的氧化鐵、四氧化三鐵、氧化鋁、氧化鎂、氧化鈰、四氧化三鈷、氧化鈦和氧化鑭中的一種。本發(fā)明的圓柱形供熱體各段高度具體為：引燃段高度為3-5mm，供熱段高度為7-15mm，過渡段高度為1mm。1、本發(fā)明還給出了具有梯度功能的炭加熱新型煙草制品用供熱體的制備方法：依次先將引燃段、供熱段和過渡段所需的各種材料和粘合劑按比例混合均勻，分別填裝在模具中，最后采用傳統(tǒng)冷壓成型工藝進(jìn)行壓制成型；所述粘接劑為粘合劑是硼砂和無機(jī)堿性硅酸鹽的混合物，兩者質(zhì)量比為1∶16。粘合劑在各段中的添加比例為15-55%。所述模具為直徑8-10mm，高度12-20mm的圓柱形。所述的冷壓成型工藝條件為20-30MPa的成型壓力下保壓2-5分鐘；所制得的具有梯度功能的炭供熱體的起燃溫度為260-420oC，燃燒時間7.15-11.02分鐘，燃燒時過渡段表面最高溫度為658-871oC，燃燒熱值為28.4-32.1MJ/kg，松弛密度為0.6-0.9g/cm3，抗壓系數(shù)為6.29-8.07N/mm，灰分含量4.17-9.55%，所含納米金屬氧化物可將炭燃燒產(chǎn)生的CO和小分子烴類物質(zhì)氧化轉(zhuǎn)化為CO2，作為供熱材料使用在加熱煙草制品時降低了自身產(chǎn)生的有害成分，減少對人體的危害。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：引燃段、供熱段和過渡段的梯度結(jié)構(gòu)是本發(fā)明最重要的創(chuàng)新所在；利用所述引燃段材料的特點(diǎn)，引燃段的起燃溫度較低，并可以通過調(diào)整生物質(zhì)水熱炭化條件和材料組成控制起燃溫度；通過水熱炭、不同生物質(zhì)熱解炭和石墨的復(fù)合，可以改善供熱段的燃燒狀況，提高傳熱效率，同時，中空碳纖維的加入不但能夠提高炭供熱體的傳質(zhì)傳熱效率，還能起到物理交聯(lián)作用，提高炭供熱體的耐久性，避免燃燒時開裂現(xiàn)象的發(fā)生，此外，所含納米金屬氧化物可以降低炭供熱體燃燒煙氣中CO的含量；作為直接接觸煙絲或煙草提取物的過渡段的主要成分，可膨脹石墨具有良好的導(dǎo)熱性但不易被引燃，可以避免炭供熱體在燃燒末期引燃煙絲或煙草提取物；冷壓成型技術(shù)具有省時且低成本的優(yōu)點(diǎn)，非常適合大規(guī)模的制備。附圖說明圖1為本發(fā)明具有梯度功能的炭供熱體結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，引燃段1，供熱段2，過渡段3。圖2為實(shí)施例1的炭供熱體材料標(biāo)準(zhǔn)抽吸模式下過渡段的表面溫度分布。圖3為實(shí)施例2的炭供熱體材料標(biāo)準(zhǔn)抽吸模式下過渡段的表面溫度分布。圖4為實(shí)施例3的炭供熱體材料標(biāo)準(zhǔn)抽吸模式下過渡段的表面溫度分布。具體實(shí)施方式以下結(jié)合實(shí)施例（附圖）對本發(fā)明做進(jìn)一步說明：實(shí)施例1將淀粉作為碳源，0.5M淀粉溶液在180oC水熱條件下反應(yīng)12小時得到淀粉水熱炭，淀粉顆粒在惰性氣氛下分別在350、550和750oC炭化4小時分別得到三種淀粉熱解炭，所得的淀粉水熱炭和淀粉熱解炭作為引燃段和供熱段中使用的炭材料。依次將0.10g淀粉水熱炭、0.008g氧化石墨烯、0.0013g氫氧化鉀和0.038g粘合劑混合均勻，放置在直徑10mm和高度20mm的模具中，再將0.066g淀粉水熱炭、0.23g淀粉熱解炭（三種不同熱解炭質(zhì)量比為1:1:0.5）、0.46g石墨、0.012g中空碳纖維、0.008g粒徑為100納米的氧化鐵和0.23g粘合劑混合均勻放置在模具中，最后將0.055g可膨脹石墨粉和0.022g粘合劑混合均勻放置在模具中，在23MPa壓力下保壓3分鐘，脫模后即得到炭供熱體材料（引燃段4mm，供熱段15mm，過渡段1mm），其性能結(jié)果見表1和圖2。實(shí)施例2將葡萄糖作為碳源，1.0M葡萄糖溶液在180oC水熱條件下反應(yīng)12小時得到葡萄糖水熱炭，葡萄糖顆粒在惰性氣氛下550oC炭化4小時得到葡萄糖熱解炭，將兩種炭作為引燃段和供熱段所使用的炭材料。依次將0.15g葡萄糖水熱炭、0.01g氧化石墨烯、0.003g硝酸鈉與0.055g粘合劑混合均勻，放置在直徑10mm和高度20mm的模具中，再將0.071g葡萄糖水熱炭、0.25g葡萄糖熱解炭、0.41g石墨、0.012g中空碳纖維、0.0005g粒徑為50納米的氧化鈰和0.24g粘合劑混合均勻放置在模具中，最后將0.06g可膨脹石墨粉和0.021g粘合劑混合均勻放置在模具中，在28MPa壓力下保壓1.5分鐘，脫模后既得到炭供熱體材料（引燃段4mm，供熱段15mm，過渡段1mm），其性能結(jié)果見表1和圖3。實(shí)施例3將纖維素作為碳源，分別將10wt%的纖維素溶液在220oC水熱條件下反應(yīng)18小時和纖維素粉在惰性氣氛下750oC炭化6小時，所得的纖維素水熱炭和纖維素?zé)峤馓孔鳛橐级魏凸岫嗡褂玫奶坎牧?。依次?.33g纖維素水熱炭、0.018g氧化石墨烯、0.0045g氯化鈣與0.085g粘合劑混合均勻，放置在直徑10mm和高度20mm的模具中，再將0.071g纖維素水熱炭、0.25g纖維素?zé)峤馓俊?.19g石墨、0.012g中空碳纖維、0.00075g粒徑為100納米的四氧化三鈷和0.21g粘合劑混合均勻放置在模具中，最后將0.051g可膨脹石墨粉和0.02g粘合劑混合均勻放置在模具中，在25MPa壓力下保壓2分鐘，脫模后既得到炭供熱體材料（引燃段5mm，供熱段14mm，過渡段1mm），其性能結(jié)果見表1和圖4。表1各實(shí)施例中炭供熱體的物理性能指標(biāo)實(shí)施例起燃溫度（℃）燃燒時間（分鐘）燃燒熱值（MJ/kg）松弛密度（g/cm3）抗壓系數(shù)（N/mm）灰分含量（%）126610.3129.50.777.105.88233110.8630.20.806.587.1232899.9228.70.787.536.83以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本
技術(shù)領(lǐng)域：
的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁1 2 3