CN108455340B - 一种具有双层卷绕结构的炭质热源及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有双层卷绕结构的炭质热源，所述双层卷绕结构的炭质热源为圆柱状，所述圆柱状为双层片状材料卷绕而成，其中一层为燃烧层(2)，另一层为支撑层(1)；所述燃烧层(2)和所述支撑层(1)均贯穿整个圆柱状炭质热源的轴向方向；所述圆柱状炭质热源轴向方向的中心有中心孔(3)；本发明还公开了所述圆柱状炭质热源的制备方法。本发明的具有双层卷绕结构的炭质热源燃烧的速率稳定，释热均匀，能够减少CO产生。

Description

一种具有双层卷绕结构的炭质热源及其制备方法
技术领域
本发明属于烟草制品技术领域，具体涉及一种具有双层卷绕结构的炭质热源及其制备方法。
背景技术
近年来，随着人们对健康的要求不断提高。对于烟草行业，新型烟草制品的出现这是适应这一需求的变革。新型烟草制品大概可以分四个大类：第一类是电子烟、第二类是加热不燃烧烟草制品、第三类是***烟、第四类是其他一些种类的烟草制品。其中以加热不燃烧烟草制品由于其充分保留了传统烟草的质感而获得市场青睐。加热不燃烧烟草制品的主要特点是利用外部热源加热烟草而不是点燃烟草，这是与传统烟草最本质的区别。炭质热源是其的一种主要热源，其性能好坏直接关系烟草的品质。低的CO释放和保证平稳适宜的热量释放是炭质热源非常重要的指标。为了实现这个目的，许多相应的技术资料被公开。专利CN1087497A公开在燃料元件中添加贯穿的不可燃的石墨作为导热材料，从而降低燃烧温度，减少CO的释放。专利CN101098635A公开了炭质热源组合物中含有30-55％比例的碳酸钙，从而降低燃烧温度减少CO释放。专利CN1046665A公开含有催化剂的组分，催化组分用于催化降解CO。然而现有技术对于减少CO释放并不是十分有效，同时，对于燃烧温度和燃烧速率的控制并不是十分有效。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种具有双层卷绕结构的炭质热源及其制备方法，使用该双层卷绕结构的炭质热源，可以减少炭加热不燃烧卷烟的CO释放，且对于燃烧温度和速率控制十分有效。
本发明第一方面公开了一种具有双层卷绕结构的炭质热源，所述双层卷绕结构的炭质热源为圆柱状，所述圆柱状为双层片状材料卷绕而成，其中一层为燃烧层2，另一层为支撑层1；所述燃烧层2和支撑层1均贯穿整个圆柱状炭质热源的轴向方向；所述圆柱状炭质热源轴向方向的中心有中心孔3。其中燃烧层2为易于燃烧的炭材料所构成。
优选地，所述支撑层1的导热性能优于燃烧层2。支撑层1的良好的导热性能保证炭质热源的燃烧、热量的及时传导、降低燃烧温度、减少CO的产生。支撑层1为不燃或者难燃材料，能起到支撑作用，避免燃烧过程中产生的灰分坍缩，影响反应气的扩散，保持整个燃烧的速率稳定，释热均匀。
优选地，所述支撑层1或/和燃烧层2的层表面有若干凸起线，使得所述双层卷绕的炭质热源的层与层的凸起线之间有间隙。支撑层1或燃烧层2有若干凸起线，或支撑层1和燃烧层2都有若干凸起线，使得的层与层的凸起线之间有间隙，有利于调节炭棒燃烧速度，控制燃烧温度，减少CO产生。
优选地，所述支撑层1为碳纳米管、石墨、石墨烯或氧化石墨烯中的一种或几种材料构成的层。
本发明第二方面公开了所述具有双层卷绕结构的炭质热源的制备方法，包括如下步骤：
(1)制备含有纸浆纤维与支撑材料的双层纸；优选地，所述纸浆纤维为木浆纤维，所述导热材料为碳纳米管、石墨、石墨烯或氧化石墨烯中的一种或几种；
(2)将步骤(1)得到的双层纸的一个表面涂布粘结剂，沿轴向间隔粘上纸线，然后将双层纸沿轴向垂直方向卷绕成圆柱形状的预制棒，预制棒中心留有中心孔通道，将所述预制棒裁切成需要的长度；
(3)将步骤(2)裁切好的预制棒进行高温炭化，即得到所述的具有双层卷绕结构的炭质热源。
优选地，所述含有纸浆纤维与导热材料的双层纸的制备方法步骤为：
(1a)将支撑材料分散于溶剂中，制成浆料；所述溶剂为乙醇水溶液、二甲基甲酰胺和乙醇中的一种；
(1b)将纸浆纤维制备成纸张；
(1c)将步骤(1a)得到的浆料涂布于步骤(1)得到的纸张的一个表面上；
(1d)干燥步骤(1c)得到的纸张，即得到所述的双层纸。
优选地，所述含有纸浆纤维与支撑材料的双层纸的制备方法步骤为：
(2a)将支撑材料和分散剂分散于水中，制成悬浊液；所述分散剂为为烷基糖苷、羧甲基纤维素中的一种。
(2b)将纸浆纤维制备成纸张；
(2c)将步骤(2b)得到的纸张作为基材置于真空吸水箱中，将步骤(2a)得到的悬浊液浇注其表面，通过真空抽滤，使得导热材料均匀附着于所述纸张表面，干燥后即得到所述的双层纸。
优选地，所述高温炭化的温度为600℃～800℃
本发明的有益效果：
(1)本发明的具有双层卷绕结构的炭质热源的支撑层与燃烧层的进行卷绕，并且支撑层和燃烧层贯穿整个圆柱状炭质热源轴向方向。支撑层具有良好导热性能，能保证炭棒燃烧、热量及时传导、降低燃烧温度、减少CO产生起重要作用；另外支撑层1为不燃或者难燃材料，能起到支撑作用，避免燃烧过程中产生的灰分坍缩，影响气体的扩散，保持整个燃烧的速率稳定，释热均匀。
(2)本发明的具有双层卷绕结构的炭质热源的支撑层1或/和燃烧层2的层表面沿轴向方向有若干凸起线，使得所述双层卷绕结构的炭质热源的层与层的凸起线之间有间隙，并且圆柱状炭质热源轴向方向的中心有中心孔，中心孔间隙和有利于气体的扩散从而能够调节炭质热源的燃烧速度，控制燃烧温度。
(3)本发明首次使用碳纳米管、石墨、石墨烯或氧化石墨烯作为炭质热源的支撑层，在导热性能及减少CO产生的效果上效果优异。
(4)本发明的具有双层卷绕结构的炭质热源的制备方法简单。
附图说明
图1为本发明的炭质热源的结构立体示意图；
图2为本发明的炭质热源的主视图；
图3为本发明的炭质热源具有凸起线和孔隙主视图。
附图标记：1-支撑层，2-燃烧层，3-中心孔，4-凸起线。
具体实施方式
实施例
1、双层纸的制备
A类纸：制备碳纳米管/硬木纤维纸
将碳纳米管，烷基糖苷分散剂按照1:0.6的比例加入水中，经过超声处理制成碳纳米管浓度为0.2wt％的碳纳米管悬浊液。将预先制备好的硬木纤维纸置于真空吸水箱上，将其上按照定量5g/m2浇注碳纳米管悬浊液，抽滤成型，干燥，即得到碳纳米管/硬木纤维纸。
B类纸：制备石墨/硬木纤维纸
将膨胀石墨经过搅拌机打碎，与分散剂烷基糖苷按照1:0.6的比例加入水中，制成石墨悬浊液。将预先制备好的硬木纤维纸置于真空吸水箱上，将其上按照定量5g/m2浇注石墨悬浊液，抽滤成型，干燥，经过辊压，即得到是石墨/硬木纤维纸。
C类纸：制备氧化石墨烯/硬木纤维纸
取hummer法制备的氧化石墨烯溶液，加入0.1wt％羧甲基纤维素，制成氧化石墨烯浆料。将氧化石墨烯浆料涂布在预制的硬木纤维纸的一个表面上，干燥，即制得氧化石墨烯/硬木纤维纸。注：氧化石墨烯经过高温隔氧处理后，会还原为石墨烯
2.制备具有双层卷绕结构的炭质热源
分别将A类纸、B类纸和C类纸分别裁切成长条状，分别开始进行卷绕。轴向每间隔2mm加入一个浸泡有CMC粘结剂的硬木纸线，沿轴向的垂直方向卷绕成直径5mm的圆柱，然后裁切成长度为15mm的小段，将裁切好的小段放入炭化炉中在700℃下炭化，即制得具有双层卷绕结构的炭质热源。分别计为：支撑层为碳纳米管的炭质热源、支撑层为石墨的炭质热源和支撑层为石墨烯的炭质热源，其结构如图4所示，圆柱状炭质热源由燃烧层和支撑层交替卷绕而成，炭质热源中心会形成由于卷绕而产生的中心孔，并且由于层间形成了许多凸起线4，凸起线与凸起线之间形成孔隙。其燃烧性能与普通的炭质热源(对照样)进行比较如下表：
由上表可知，本发明的具有双层卷绕的炭质热源与普通的炭质热源相比，燃烧温度较低，与减少了CO的产生，燃烧时间延长，燃烧温度也低于普通的炭质热源的燃烧温度。

Claims (4)

1.一种具有双层卷绕结构的炭质热源的制备方法，其特征在于，所述炭质热源为圆柱状，所述圆柱状为双层片状材料卷绕而成，其中一层为燃烧层（2），另一层为支撑层（1）；所述燃烧层（2）和所述支撑层（1）均贯穿整个圆柱状炭质热源的轴向方向；所述圆柱状炭质热源轴向方向的中心有中心孔（3）；所述支撑层（1）或/和所述燃烧层（2）的层表面有若干沿轴向方向的凸起线，使得所述双层卷绕结构的炭质热源的层与层的凸起线之间有间隙；所述支撑层（1）的导热性能优于所述燃烧层（2）；所述支撑层（1）为碳纳米管、石墨或石墨烯中的一种或几种材料构成的层；
所述具有双层卷绕结构的炭质热源的制备方法包括如下步骤：
（1）制备含有纸浆纤维与支撑材料的双层纸；所述纸浆纤维为木浆纤维，所述支撑材料为碳纳米管、石墨或石墨烯中的一种或几种；
（2）将步骤（1）得到的双层纸的一个表面涂布粘结剂，沿轴向间隔粘上纸线，然后将所述双层纸沿轴向垂直方向卷绕成圆柱形状的预制棒，预制棒中心留有中心孔通道，将所述预制棒裁切成需要的长度；
（3）将步骤（2）裁切好的预制棒进行高温炭化，即得到所述的具有双层卷绕结构的炭质热源。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述含有纸浆纤维与支撑材料的双层纸的制备方法步骤为：
（1a）将支撑材料分散于溶剂中，制成浆料；所述溶剂为乙醇水溶液、二甲基甲酰胺或乙醇中的一种；
（1b）将纸浆纤维制备成纸张；
（1c）将步骤（1a）得到的浆料均匀涂布于步骤（1b）得到的纸张的一个表面上；
（1d）干燥步骤（1c）得到的纸张，即得到所述的双层纸。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述含有纸浆纤维与支撑材料的双层纸的制备方法步骤为：
（2a）将支撑材料和分散剂分散于水中，制成悬浊液；所述分散剂为烷基糖苷、羧甲基纤维素中的一种；
（2b）将纸浆纤维制备成纸张；
（2c）将步骤（2b）得到的纸张作为基材置于真空吸水箱中，将步骤（2a）得到的悬浊液浇注其表面，通过真空抽滤，使得支撑材料均匀附着于所述纸张表面，干燥后即得到所述的双层纸。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述高温炭化的温度为600℃～800℃。
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