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加热非燃烧烟草薄片热导性能的提升研究

  • 喻世涛 1,2
  • 程璇 1,2
  • 姚建武 1,2
  • 李丹 1,2
  • 王晚霞 1,2
  • 安俊健 3
  • 唐向兵 1,2 ✉
  • 王磊 3
1. 湖北中烟工业有限责任公司，湖北武汉，430040； 2. 湖北新业烟草薄片开发 有限公司，湖北武汉，430056； 3. 湖北工业大学轻工材料湖北省重点实验室， 湖北武汉，430068

中图分类号： TS76

最近更新：2022-08-08

DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2022.07.009

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摘要

通过辊压法在烟草薄片中分别添加导热材料石墨烯和碳纤维，以改善烟草薄片的传热性能。研究提升了专用烟草薄片的热传导性能及烟草成分的热释放，从而有效提升加热非燃烧烟草薄片的利用率。利用热重（TG）、拉曼光谱（Raman spectra）、傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR）、扫描电子显微镜（SEM）和热扩散系数测量等方法对烟草薄片进行表征，同时结合感官质量评价。结果表明，导热材料有效分布在烟草薄片中，且不影响烟草薄片的感官品质。此外，与碳纤维烟草薄片相比，石墨烯烟草薄片的热稳定性和导热性能更佳，且与植物纤维有更好的相容性。与未添加石墨烯的空白样品相比，石墨烯用量为5%时，烟草薄片的残余质量最低，为47.74%；烟草薄片的热扩散系数提升了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%。

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大类[

1]。其中加热卷烟的加热温度较低（400℃以下），而且具有非燃烧的特点[2]，与传统卷烟有很大差异。传统卷烟在燃烧时发生的高温裂解过程会产生大量烟气，而烟气中含有醛、苯及同系物、稠环芳烃、CO等有害成分。相对来说，加热卷烟的加热温度较低，加热时产生的高温裂解物比传统卷烟要少得多[3-4]。然而，新型加热卷烟的热传导性能较差，导致部分烟草挥发组分不能充分释放，从而影响卷烟的感官质量和利用率。因此，提高加热卷烟的制造工艺及提升卷烟的热传导系数是国内外科学工作者的研究热点[5-7]。

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。李崇俊等人[

8]制备的沥青基碳材料，热导率可达900 W/(m·K)。山西煤炭化学研究所[9]主要基于鳞片石墨、沥青、硅和钛粉等原料制备了热导率为654 W/(m·K)的碳基复合材料。2004年以来，Gong等人[10]通过机械剥离法获得了石墨烯材料，其具有独特的蜂窝单层碳原子结构[11-12]及优异的机械性能和热导率（5300 W/(m·K)）[12-14]，因此成为了电子器件的理想材料[15-17]，被广泛应用于航天航空等领域。

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能[

18]、导电性能[19]、导热性能[20]和热稳定性[21]。碳纤维也是一种高导热材料，在纤维方向上导热系数可超过铜，同时具有良好的机械性能及良好的辐射能力。为了提高烟草薄片的导热性能，2种碳材料分别被添加在烟草薄片中形成复合薄片，通过热分析、光谱、微观形貌和导热性能的表征对复合薄片进行了全面的分析。

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/m2的要求，采用手动压片的方法压制直径12.6 mm、厚度0.2 mm的烟草薄片。

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 cm-1，分辨率2 cm-1。

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 cm-1。

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。

1.2.7　加热非燃烧卷烟传热速率的测定

将石墨烯以0、0.5%、1%、3%和5%的添加量（相对烟草薄片质量）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（见图1）检测传热速率。

图1  加热非燃烧卷烟升温速率检测设备

Fig. 1  Heating rate detection equipment for heating non-combustion cigarette

1.2.8　感官质量评价

按照GB/T 5606.1抽取实验室烟草薄片样品，制备试样。评吸前按GB/T 16447调节样品水分。感官采用暗评记分方法，由7人组成1个评析小组采用百分制进行评吸打分，各项目以0.5分为1个计分单位，分别对光泽、香气、谐调、杂气、刺激性和余味6个方面进行评分。感官质量评判标准如表1所示。

表1  卷烟感官质量评判标准
Table 1  Evaluation criteria for sensory quality of cigarettes
分数段光泽香气谐调杂气刺激性余味
指标最高分值指标最高分值指标最高分值指标最高分值指标最高分值指标最高分值
Ⅰ 光泽油润 5 香气丰满、细腻 32 谐调 6 无杂气 12 无刺激 20 纯净、舒适 25
Ⅱ 光泽较油润 4 香气充足、稍粗糙 28 较谐调 5 微有杂气 10 略有刺激 17 较净、较舒适 22
Ⅲ 光泽较暗淡 3 香气淡薄、较粗糙 24 尚谐调 4 略有杂气 8 较有刺激 15 尚净、尚舒适 20

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所示。从图2可以看出，烟草薄片的热稳定性测试范围为室温至500℃。温度320℃时，空白样品、碳纤维用量5%的烟草薄片及石墨烯用量5%的烟草薄片残余质量分数分别为55.01%、50.02%和47.74%（见图2（a））。石墨烯用量5%的烟草薄片残余质量分数最低，原因是因为石墨烯的加入提高了烟草薄片的导热性能，烟草薄片中的挥发性物质分解更完全。通过DTG分析，3种烟草薄片的质量损失速率也存在一定的差异（见图2（b））。当温度小于200℃时，烟草薄片的质量损失主要是薄片中水分、丙三醇的挥发及一些挥发性物质受热分解引起的；随着温度进一步升高，在190~400℃这个阶段，添加导热材料的烟草薄片DTG基本一致，主要包含2个热分解阶段，石墨烯用量5%的烟草薄片的主要分解温度为208℃，其次是328℃；碳纤维用量5%的烟草薄片主要分解温度为216℃和332℃。而空白样品的DTG差异性较大，在325℃出现很强的质量损失速率，而在192℃出现1个较小的质量损失速率。190~400℃这个阶段是烟草薄片的主要质量损失阶段，该部分的质量损失可能是由于碳水化合物分解、高沸点化合物和结合态水蒸馏挥发，纤维素热分解造成的[

22-23]。

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所示。从图3可以看出，对比空白样品，石墨烯和碳纤维的添加对烟草薄片的FT-IR并无明显的影响。可以看出，2种碳材料与烟草薄片的复合并不影响原薄片的内部结构，因此，碳材料的添加不会影响烟草薄片的香味等固有性质。

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（a）为石墨烯的拉曼光谱图，图中有明显的D'线，且2D线中有且只有一个峰，故可以判断使用的材料为多层石墨烯[

24]。从图4（b）和图4（c）中可以明显看出，添加导热材料的烟草薄片在该波段仅出现较大的荧光峰，并且添加导热材料烟草薄片在此基础上还具有明显的碳材料特征峰。由于导热材料的添加量仅为5%，因此测得的导热材料的特征峰强度较弱，无法覆盖样品本身的荧光峰强度。石墨烯用量5%的烟草薄片在一级拉曼序区内纤维的拉曼光谱主要有3个明显的谱线：D线、G线和2D线，其中D线在1341 cm-1处左右，G线在1563 cm-1处附近，而2D线在2706 cm-1处附近；碳纤维用量5%的烟草薄片在一级拉曼序区内纤维的拉曼光谱主要有2个明显的谱线：D线和G线，其中D线在1359 cm-1处左右，而G线在1581 cm-1处附近。拉曼光谱证明，石墨烯和碳纤维均有效地添加在了烟草薄片中，并且添加量不大，不影响原有烟草薄片的固有性质。

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为导热材料与添加导热材料前后烟草薄片的SEM图。从图5（a）可以看出，石墨烯呈现不规则的片状结构，图5（d）中已无单独分散的片状石墨烯，这表明石墨烯在烟草薄片中均匀分布，与烟草薄片主要成分融合性好，这将有利于其在烟草薄片中形成较好的导热通路，进而改善烟草薄片的导热性能。从图5（b）可以看出，碳纤维主要是颗粒状和纤维状。图5（e）的烟草薄片上有一定量的碳纤维，提高碳纤维的用量有利于增加碳纤维间的接触，形成更多的导热通路，提高热扩散系数。但与石墨烯相比，由于分布均匀性和尺度方面较差，或会导致热传导系数低一些。

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

表2为导热材料用量对烟草薄片热扩散系数的影响。图6为导热材料用量对烟草薄片热扩散系数的影响。从表2和图6可以看出，添加石墨烯后，烟草薄片的热扩散系数有了明显的提高，随着石墨烯用量的增加，烟草薄片的热扩散系数也随之增加，石墨烯用量为5%时，相比空白样品，热扩散系数提高了58.77%。烟草薄片的主要成分是植物纤维粉末，植物纤维粉末是低导热材料。加入石墨烯后，石墨烯在烟草薄片中形成了导热通路，随着石墨烯用量的增加，在热流方向就会形成更多的导热通路，增强了烟草薄片的热扩散性能。

表2  导热材料用量对烟草薄片热扩散系数的影响
Table 2  The effect of the amount of thermal conductive materials on the thermal diffusion coefficient of tobacco sheets
导热材料用量/%热扩散系数/mm2·s-1热扩散系数提高百分比/%
石墨烯烟草薄片碳纤维烟草薄片石墨烯碳纤维
空白样 0.114 0.114 0 0
0.5 0.131 0.123 15.02 7.89
1 0.141 0.131 23.68 15.06
3 0.156 0.141 36.84 23.68
5 0.181 0.145 58.77 27.19

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

从表2和图6还可以看出，在烟草薄片中加入碳纤维，烟草薄片的热扩散系数有了明显的提高，随着碳纤维用量的增加，烟草薄片的热扩散系数也随之增加，在碳纤维用量为1%时，相比空白样品，烟草薄片的热扩散系数提高了15.06%。分析其原因可能是因为随着碳纤维用量的增加，烟草薄片中主导影响扩散系数的量值在不断增大，导热网络逐渐发达，因此专用烟草薄片的热扩散系数不断增大，这与石墨烯用量对烟草薄片热扩散系数的影响相一致。

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，结果如表3所示。由表3可知，将石墨烯添加至加热非燃烧卷烟中，测定其传热速率的变化，相比空白样品，随着石墨烯用量的增加，其传热速率明显提升，当用量达到1%以后，趋于稳定，与热扩散系数相比，传热速率的提高幅度要小一些，与薄片间有间隙导致传热变慢有关。结果表明，该材料作为加热非燃烧卷烟烟芯材料具有明显提高传热速率的优势，以更好地释放香昧物质。

表3  石墨烯对加热非燃烧卷烟传热速率的影响
Table 3  Effect of graphene on heat transfer rate of heated non-combustion cigarette
石墨烯用量/%传热速率/℃·min-1提高百分比/%
0 0.85 0
0.5 0.91 7.05
1 0.98 15.29
3 1.03 21.17
5 1.05 22.32

2.7　加热非燃烧卷烟感官评价分析

表4为石墨烯用量对加热非燃烧卷烟感官品质的影响。从表4可以看出，添加石墨烯对加热非燃烧卷烟的感官品质没有较大影响，总体品质稍有提升，这是因为添加石墨烯后，烟草薄片的热扩散系数增加，香味物质释放更多，故加入石墨烯后加热不燃烧卷烟的感官评价有所提高。添加石墨烯后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）。从表4还可以看出，石墨烯的用量对加热非燃烧卷烟的感官评价影响不大。

表4  石墨烯用量对加热非燃烧卷烟感官品质的影响
Table 4  Effect of the amount of graphene on sensory quality of heated non-combustion cigarettes
石墨烯用量/%评吸得分
0 82.5
0.5 84
1 83
3 85
5 84

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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