CN108102756A - 一种低温燃烧热源材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低温燃烧热源材料，按质量百分比由如下原料混合加工而成：氧化剂60～80％，碳粉10～15％，粘结剂5～15％，燃速调节剂1～5％。本发明低温燃烧热源具有易引燃、可在300～400℃之间自维持稳定燃烧的优点；且燃烧产物中CO含量较低，有效克服了碳质热源CO生成量过高的缺陷。

Description

一种低温燃烧热源材料
技术领域
本发明涉及一种低温燃烧热源材料，属于新型烟草制品领域。
背景技术
大量研究表明，烟碱和多数香味成分在相对较低温度下(250～500℃)就可以从烟草中释放出来并转移到烟气中，过高的温度不仅会增加烟气危害成分的种类和含量，还会使香味成分转化成有害物质。因此，如果把卷烟温度降低到500℃以下，即所谓“烟草加热但不燃烧”，烟气多种有害成分可以大幅度降低，而香味成分受到的影响相对较小，某些香味成分甚至可能因热解减少而增加。
基于这种思路，“烟草加热但不燃烧”的新概念烟草制品应运而生。该烟草制品的烟丝只加热而不燃烧，烟气有害化学成分和生物毒性均大幅降低。上述卷烟的技术定义是“烟丝加热但不燃烧的卷烟”(Cigarette that primarily heat rather than burntobacco，简称Heat rather than burn tobacco)。
加热不燃烧烟草制品的实现方式一般是将烟草与热源在物理上分离，因此，其核心之一是热源设计开发。目前，加热不燃烧烟草制品根据加热原理不同分为：电加热型(代表产品菲莫国际iQOS和英美烟草的GLO)、燃料加热型(代表产品雷诺公司REVO)和理化反应加热型。电加热是目前主流专利技术，研究最广泛、专利数量最多，但该技术存在电加热结构复杂、成本高、需更换电池等缺点。理化加热也存在反应温度难于控制问题，技术实现难度大。而燃料加热技术结构简单、造价低廉，技术难度相对较低。因此，燃料加热技术正成为电加热技术的良好补充，逐步受到重视。燃料加热技术主要采用气态、液态、固态燃料燃烧给烟芯材料加热，燃料尤以固态形式居多，主要即是碳质热源，其专利占到了燃料加热型低温卷烟制品专利总数的66.7％。碳质热源材料虽然具有安全稳定、快捷高效、价格低廉等优点，但仍然存在不易点燃、燃烧温度过高、CO释放量过高、易收缩脱落、易引燃烟丝等问题。虽然通过配方组成变动、物理结构设计以及加工工艺调整可以解决一些问题，但同时也会带来新问题，如专利101098635B、CN1039711A、CN1100453A等加入微纳米材料降低了CO释放量，但却带来了对低温卷烟的安全性的信赖问题；专利CN102458165A、US4881556、CN101420876A、CN89104936.3、CN1100453A和CN103263084A等通过设置多个纵向通到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，但给加工带了困难和挑战；专利CN102458165A、US4714082及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，但玻璃纤维在包装运输等过程中难免会脱落被吸附到滤嘴那一侧，使吸烟者可能把玻璃纤维吸入体内，危害健康。另外，虽然碳质热源与烟草不直接接触，但碳质热源燃烧产生的高温气流(大于800℃)存在引燃烟丝的可能性，而烟丝一旦燃烧，就会释放大量有害成分。专利CN 105533800 A报道了一种低温燃烧热源，该热源燃烧的温度在400～800℃之间，虽然相对于碳质热源来说，燃烧温度已经大幅降低，但仍然存在引燃烟丝的风险。专利CN105038724A报道了一种基于化学自发热反应镁系组合物热源，但热源的最高理论温度仅为303℃，存在不能使烟草中香味成分高效释放的缺陷。因此，希望找到一种新型热源材料来替代碳质热源材料，从而从根本上解决CO生产量过高、难点燃等问题；除此之外还希望热源材料可以在300～400℃之间进行低温燃烧，从而彻底避免烟丝被引燃的问题。
发明内容
本发明为了避免上述现有技术所存在的不足之处，旨在提供一种低温燃烧热源材料。本发明低温燃烧热源材料具有易引燃、可在300～400℃之间稳定燃烧以及低CO释放量的优点。
本发明低温燃烧热源材料，按质量百分比由如下原料混合加工而成：
氧化剂60～80％，碳粉10～15％，粘结剂5～15％，燃速调节剂1～5％。
所述氧化剂由高熔点氧化剂和低熔点氧化剂组成，质量比为1：9.4～1：16.8。
所述高熔点氧化剂的熔点高于550℃；所述低熔点氧化剂的熔点低于400℃。
所述高熔点氧化剂为硝酸锶、硝酸钡、硝酸钯或硝酸钙；所述低熔点氧化剂为硝酸钾、硝酸钠、氯酸钾、硝酸铜、硝酸镁、硝酸锂或氯酸钙。
所述氧化剂优选为硝酸锶和硝酸钾。
所述碳粉的粒径≤60目，其固定碳含量≥85％，挥发分含量≤15％，水分含量≤5％，灰分含量≤3％。
所述粘结剂由淀粉和粘土组成，质量比为1：0.5～1：1.5。
所述燃速调节剂由二氧化硅和氧化铁组成，质量比为1：1～1：2。
所述低温燃烧热源材料中各原料用量应满足零氧平衡原则。
所述低温燃烧热源材料的密度为1.8～2.4g/cm2，燃烧温度为300～400℃。
本发明低温燃烧热源材料可在无氧条件下持续阴燃，燃烧速率在5～15mm/min之间。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
本发明低温燃烧热源具有易引燃、可在300～400℃之间稳定燃烧的优点；本发明的低温燃烧热源无需环境空气参与便可持续燃烧，且燃烧产物中CO含量较低，有效克服了碳质热源CO生成量过高的缺陷。
具体实施方式
实施例1：
将干燥粉碎过60目筛后(干燥条件：50℃×2h；粉碎)的20g木炭粉、10g淀粉混合均匀，再加入硝酸钾80g，混合均匀后再加入30g水，混合均匀后，送入螺杆挤出机，挤出物60℃干燥4h，得到内径为6.0mm、外径为7.6mm、长为50mm的环形低温燃烧热源。
实施例2：
将干燥粉碎过60目筛后(干燥条件：50℃×2h；粉碎)的20g木炭粉、10g淀粉混合均匀，再加入硝酸钾40g，混合均匀后再加入30g水分，混合均匀后，送入螺杆挤出机，挤出物60℃干燥4h后，得到内径为6.0mm、外径为7.6mm、长为50mm的环形低温燃烧热源。燃烧测试结果：燃烧激烈且有火焰
实施例3：
将干燥粉碎过60目筛后(干燥条件：50℃×2h；粉碎)的20g木炭粉、10g淀粉混合均匀，再加入硝酸锶85g，混合均匀后再加入30g水分，混合均匀后，送入螺杆挤出机，挤出物60℃干燥4h，得到内径为6.0mm、外径为7.6mm、长为50mm的环形低温燃烧热源。
实施例4：
将干燥粉碎过60目筛后(干燥条件：50℃×2h；粉碎)的20g木炭粉、10g淀粉混合均匀，再加入硝酸锶42.5g，混合均匀后再加入30g水分，混合均匀后送入螺杆挤出机，挤出物60℃干燥4h，得到内径为6.0mm、外径为7.6mm、长为50mm的环形低温燃烧热源。
实施例5：
将干燥粉碎过60目筛后(干燥条件：50℃×2h；粉碎)的20g木炭粉、10g淀粉混合均匀，再加入42.5g硝酸锶和40g硝酸钾，混合均匀后再加入30g水分，混合均匀后，送入螺杆挤出机，挤出物60℃干燥4h，得到内径为6.0mm、外径为7.6mm、长为50mm的环形低温燃烧热源。
实施例6：
将干燥粉碎过60目筛后(干燥条件：50℃×2h；粉碎)的20g木炭粉、10g淀粉混合均匀，再加入80.8g硝酸锶和4.5g硝酸钾，混合均匀后再加入30g水分，混合均匀后，送入螺杆挤出机，挤出物60℃干燥4h，得到内径为6.0mm、外径为7.6mm、长为50mm的环形低温燃烧热源。
实施例7：
将干燥粉碎过60目筛后(干燥条件：50℃×2h；粉碎)的20g木炭粉、10g淀粉混合均匀，再加入80.6g硝酸锶和4.8g硝酸钾，混合均匀后再加入30g水分，混合均匀后，送入螺杆挤出机，挤出物60℃干燥4h，得到内径为6.0mm、外径为7.6mm、长为50mm的环形低温燃烧热源。
实施例8：
将干燥粉碎过60目筛后(干燥条件：50℃×2h；粉碎)的20g木炭粉、10g淀粉混合均匀，再加入77.8g硝酸锶和7.4g硝酸钾，混合均匀后再加入30g水分，混合均匀后，送入螺杆挤出机，挤出物60℃干燥4h，得到内径为6.0mm、外径为7.6mm、长为50mm的环形低温燃烧热源。
实施例9：
将干燥粉碎过60目筛后(干燥条件：50℃×2h；粉碎)的20g木炭粉、10g淀粉混合均匀，再加入77g硝酸锶和8.2g硝酸钾，混合均匀后再加入30g水分，混合均匀后，送入螺杆挤出机，挤出物60℃干燥4h，得到内径为6.0mm、外径为7.6mm、长为50mm的环形低温燃烧热源。
实施例10：
将干燥粉碎过60目筛后(干燥条件：50℃×2h；粉碎)的20g木炭粉、10g淀粉混合均匀，再加入74.9g硝酸锶和10.2g硝酸钾，混合均匀后再加入30g水分，混合均匀后，送入螺杆挤出机，挤出物60℃干燥4h，得到内径为6.0mm、外径为7.6mm、长为50mm的环形低温燃烧热源。
实施例11：
将干燥粉碎过60目筛后(干燥条件：50℃×2h；粉碎)的20g木炭粉、10g淀粉混合均匀，再加入71.3g硝酸锶和13.6g硝酸钾，混合均匀后再加入30g水分，混合均匀后，送入螺杆挤出机，挤出物60℃干燥4h，得到内径为6.0mm、外径为7.6mm、长为50mm的环形低温燃烧热源。
实施例12：
将干燥粉碎过60目筛后(干燥条件：50℃×2h；粉碎)的18g木炭粉、11g淀粉、4g黏土混合均匀，再加入67.4g硝酸锶和9.2g硝酸钾，混合均匀后再加入30g水分，混合均匀后，送入螺杆挤出机，挤出物60℃干燥4h，得到内径为6.0mm、外径为7.6mm、长为50mm的环形低温燃烧热源。
实施例13：
将干燥粉碎过60目筛后(干燥条件：50℃×2h；粉碎)的18g木炭粉、10g淀粉、5g黏土混合均匀，再加入67.4g硝酸锶和9.2g硝酸钾，混合均匀后再加入30g水分，混合均匀后，送入螺杆挤出机，挤出物60℃干燥4h，得到内径为6.0mm、外径为7.6mm、长为50mm的环形低温燃烧热源。
实施例14：
将干燥粉碎过60目筛后(干燥条件：50℃×2h；粉碎)的18g木炭粉、7.5g淀粉、7.5g黏土混合均匀，再加入67.4g硝酸锶和9.2g硝酸钾，混合均匀后再加入30g水分，混合均匀后，送入螺杆挤出机，挤出物60℃干燥4h，得到内径为6.0mm、外径为7.6mm、长为50mm的环形低温燃烧热源。
实施例15：
将干燥粉碎过60目筛后(干燥条件：50℃×2h；粉碎)的18g木炭粉、5g淀粉、10g黏土混合均匀，再加入67.4g硝酸锶和9.2g硝酸钾，混合均匀后再加入30g水分，混合均匀后，送入螺杆挤出机，挤出物60℃干燥4h，得到内径为6.0mm、外径为7.6mm、长为50mm的环形低温燃烧热源。
实施例16：
将干燥粉碎过60目筛后(干燥条件：50℃×2h；粉碎)的18g木炭粉、4g淀粉、11g黏土混合均匀，再加入67.4g硝酸锶和9.2g硝酸钾，混合均匀后再加入30g水分，混合均匀后，送入螺杆挤出机，挤出物60℃干燥4h，得到内径为6.0mm、外径为7.6mm、长为50mm的环形低温燃烧热源。
实施例17：
将干燥粉碎过60目筛后(干燥条件：50℃×2h；粉碎)的17.5g木炭粉、9.7g淀粉、4.9g黏土、1.4g二氧化硅和1.6g氧化铁混合均匀，再加入65.3g硝酸锶和8.9g硝酸钾，混合均与后，再加入30g水分，混合均匀后送入螺杆挤出机，挤出物60℃干燥4h，得到内径为6.0mm、外径为7.6mm、长为50mm的环形低温燃烧热源。
实施例18：
将干燥粉碎过60目筛后(干燥条件：50℃×2h；粉碎)的17.5g木炭粉、9.7g淀粉、4.9g黏土、1.5g二氧化硅和1.5g氧化铁混合均匀，再加入65.3g硝酸锶和8.9g硝酸钾，混合均与后，再加入30g水分，混合均匀后送入螺杆挤出机，挤出物60℃干燥4h，得到内径为6.0mm、外径为7.6mm、长为50mm的环形低温燃烧热源。
实施例19：
将干燥粉碎过60目筛后(干燥条件：50℃×2h；粉碎)的17.5g木炭粉、9.7g淀粉、4.9g黏土、1.8g二氧化硅和1.2g氧化铁混合均匀，再加入65.3g硝酸锶和8.9g硝酸钾，混合均与后，再加入30g水分，混合均匀后送入螺杆挤出机，挤出物60℃干燥4h，得到内径为6.0mm、外径为7.6mm、长为50mm的环形低温燃烧热源。
实施例20：
将干燥粉碎过60目筛后(干燥条件：50℃×2h；粉碎)的17.5g木炭粉、9.7g淀粉、4.9g黏土、2g二氧化硅和1g氧化铁混合均匀，再加入65.3g硝酸锶和8.9g硝酸钾，混合均与后，再加入30g水分，混合均匀后送入螺杆挤出机，挤出物60℃干燥4h，得到内径为6.0mm、外径为7.6mm、长为50mm的环形低温燃烧热源。
实施例21：
将干燥粉碎过60目筛后(干燥条件：50℃×2h；粉碎)的17.5g木炭粉、9.7g淀粉、4.9g黏土、2.2g二氧化硅和0.8g氧化铁混合均匀，再加入65.3g硝酸锶和8.9g硝酸钾，混合均与后，再加入30g水分，混合均匀后送入螺杆挤出机，挤出物60℃干燥4h，得到内径为6.0mm、外径为7.6mm、长为50mm的环形低温燃烧热源。
实施例22：
将干燥粉碎过60目筛后(干燥条件：50℃×2h；粉碎)的91.7g木炭粉、9.7g淀粉、4.9g黏土、2.2g二氧化硅和0.8g氧化铁混合均匀，再加入30g水分，混合均匀后送入螺杆挤出机，挤出物60℃干燥4h，得到内径为6.0mm、外径为7.6mm、长为50mm的环形碳质热源。
利用红外热像仪测试各热源燃烧温度，仪器发射率设置为0.9；利用锥形量热仪测试各热源燃烧CO释放量；利用专利CN204649661U所发明的碳质热源燃烧速率测试方法测定各热源燃烧速率。将以上测试结果汇总，如表1所示。
表1各热源燃烧特性参数
比较实施例1、实施例2、实施例3和实施例4，可知，氧化剂为仅为硝酸钾时，燃烧激烈，温度偏高；氧化剂仅为硝酸锶时，不论是等当量还是过量，燃烧都不能持续。
比较实施例5、实施例6、实施例7、实施例8、实施例9、实施例10和实施例11，将硝酸钾和硝酸锶一起作为氧化剂时，只有硝酸钾和硝酸锶质量比在1：9.4～1：16.8之间，燃烧才能自维持燃烧，但燃烧速率仍然较快，燃烧温度高于400℃。
比较实施例12、实施例13、实施例14、实施例15和实施例16，当粘结剂中含有粘土时，燃烧温度明显降低，并随着粘土比例的增加，燃烧温度降到400度以下，但当粘土含量过高时，燃烧不能持续。
比较实施例17、实施例18、实施例19、实施例20和实施例21，当加入二氧化硅和氧化铁时，热源燃烧速率可以明显降低，切当二氧化硅和氧化铁质量比例1：1～1：2时，热源燃烧速率可调节至5～15mm/min之间。
比较实施例1、实施例2、实施例5、实施例18、实施例19、实施例20和实施例22，可知，碳质热源燃烧CO释放量远高于本发明所提供的低温燃烧热源，说明本发明低温燃烧热源在降低CO释放量方面具有显著的优势。

Claims (9)

1.一种低温燃烧热源材料，其特征在于按质量百分比由如下原料混合加工而成：
氧化剂60～80％，碳粉10～15％，粘结剂5～15％，燃速调节剂1～5％。
2.根据权利要求1所述的低温燃烧热源材料，其特征在于：
所述氧化剂由高熔点氧化剂和低熔点氧化剂组成，质量比为1：9.4～1：16.8。
3.根据权利要求1或2所述的低温燃烧热源材料，其特征在于：
所述高熔点氧化剂的熔点高于550℃；所述低熔点氧化剂的熔点低于400℃。
4.根据权利要求3所述的低温燃烧热源材料，其特征在于：
所述高熔点氧化剂为硝酸锶、硝酸钡、硝酸钯或硝酸钙；所述低熔点氧化剂为硝酸钾、硝酸钠、氯酸钾、硝酸铜、硝酸镁、硝酸锂或氯酸钙。
5.根据权利要求1所述的低温燃烧热源材料，其特征在于：
所述碳粉的粒径≤60目，固定碳含量≥85％，挥发分含量≤15％，水分含量≤5％，灰分含量≤3％。
6.根据权利要求1所述的低温燃烧热源材料，其特征在于：
所述粘结剂由淀粉和粘土组成，质量比为1：0.5～1：1.5。
7.根据权利要求1所述的低温燃烧热源材料，其特征在于：
所述燃速调节剂由二氧化硅和氧化铁组成，质量比为1：1～1：2。
8.根据权利要求1所述的低温燃烧热源材料，其特征在于：
所述低温燃烧热源材料中各原料用量满足零氧平衡原则。
9.根据权利要求1所述的低温燃烧热源材料，其特征在于：
所述低温燃烧热源材料的密度为1.8～2.4g/cm2，燃烧温度为300～400℃。
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