加熱非燃燒煙草薄片熱導(dǎo)性能的提升研究

添加導(dǎo)熱材料前后煙草薄片的熱重曲線如圖2所示。從圖2可以看出，煙草薄片的熱穩(wěn)定性測(cè)試范圍為室溫至500℃。溫度320℃時(shí)，空白樣品、碳纖維用量5%的煙草薄片及石墨烯用量5%的煙草薄片殘余質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為55.01%、50.02%和47.74%（見圖2（a））。石墨烯用量5%的煙草薄片殘余質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低，原因是因?yàn)槭┑募尤胩岣吡藷煵荼∑膶?dǎo)熱性能，煙草薄片中的揮發(fā)性物質(zhì)分解更完全。通過DTG分析，3種煙草薄片的質(zhì)量損失速率也存在一定的差異（見圖2（b））。當(dāng)溫度小于200℃時(shí)，煙草薄片的質(zhì)量損失主要是薄片中水分、丙三醇的揮發(fā)及一些揮發(fā)性物質(zhì)受熱分解引起的；隨著溫度進(jìn)一步升高，在190~400℃這個(gè)階段，添加導(dǎo)熱材料的煙草薄片DTG基本一致，主要包含2個(gè)熱分解階段，石墨烯用量5%的煙草薄片的主要分解溫度為208℃，其次是328℃；碳纖維用量5%的煙草薄片主要分解溫度為216℃和332℃。而空白樣品的DTG差異性較大，在325℃出現(xiàn)很強(qiáng)的質(zhì)量損失速率，而在192℃出現(xiàn)1個(gè)較小的質(zhì)量損失速率。190~400℃這個(gè)階段是煙草薄片的主要質(zhì)量損失階段，該部分的質(zhì)量損失可能是由于碳水化合物分解、高沸點(diǎn)化合物和結(jié)合態(tài)水蒸餾揮發(fā)，纖維素?zé)岱纸庠斐?/span>的^[22-23]。

圖2  添加導(dǎo)熱材料前后煙草薄片的TGA分析

Fig. 2  TGA curves of tobacco sheets before and after the addition of the thermal conductive material

添加導(dǎo)熱材料前后煙草薄片的FT-IR圖如圖3所示。從圖3可以看出，對(duì)比空白樣品，石墨烯和碳纖維的添加對(duì)煙草薄片的FT-IR并無明顯的影響?？梢钥闯?，2種碳材料與煙草薄片的復(fù)合并不影響原薄片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因此，碳材料的添加不會(huì)影響煙草薄片的香味等固有性質(zhì)。

圖3  添加導(dǎo)熱材料前后煙草薄片的FT-IR圖

Fig. 3  FT-IR spectra of tobacco sheets before and after adding thermal conductive material

利用拉曼光譜對(duì)石墨烯和添加不同導(dǎo)熱材料的煙草薄片進(jìn)行了分析。圖4（a）為石墨烯的拉曼光譜圖，圖中有明顯的D'線，且2D線中有且只有一個(gè)峰，故可以判斷使用的材料為多層石墨烯^[24]。從圖4（b）和圖4（c）中可以明顯看出，添加導(dǎo)熱材料的煙草薄片在該波段僅出現(xiàn)較大的熒光峰，并且添加導(dǎo)熱材料煙草薄片在此基礎(chǔ)上還具有明顯的碳材料特征峰。由于導(dǎo)熱材料的添加量?jī)H為5%，因此測(cè)得的導(dǎo)熱材料的特征峰強(qiáng)度較弱，無法覆蓋樣品本身的熒光峰強(qiáng)度。石墨烯用量5%的煙草薄片在一級(jí)拉曼序區(qū)內(nèi)纖維的拉曼光譜主要有3個(gè)明顯的譜線：D線、G線和2D線，其中D線在1341 cm^-1處左右，G線在1563 cm^-1處附近，而2D線在2706 cm^-1處附近；碳纖維用量5%的煙草薄片在一級(jí)拉曼序區(qū)內(nèi)纖維的拉曼光譜主要有2個(gè)明顯的譜線：D線和G線，其中D線在1359 cm^-1處左右，而G線在1581 cm^-1處附近。拉曼光譜證明，石墨烯和碳纖維均有效地添加在了煙草薄片中，并且添加量不大，不影響原有煙草薄片的固有性質(zhì)。

圖4  添加導(dǎo)熱材料前后煙草薄片的拉曼光譜

Fig. 4  Raman Spectra of tobacco sheets before and after adding thermal conductive materials

圖5為導(dǎo)熱材料與添加導(dǎo)熱材料前后煙草薄片的SEM圖。從圖5（a）可以看出，石墨烯呈現(xiàn)不規(guī)則的片狀結(jié)構(gòu)，圖5（d）中已無單獨(dú)分散的片狀石墨烯，這表明石墨烯在煙草薄片中均勻分布，與煙草薄片主要成分融合性好，這將有利于其在煙草薄片中形成較好的導(dǎo)熱通路，進(jìn)而改善煙草薄片的導(dǎo)熱性能。從圖5（b）可以看出，碳纖維主要是顆粒狀和纖維狀。圖5（e）的煙草薄片上有一定量的碳纖維，提高碳纖維的用量有利于增加碳纖維間的接觸，形成更多的導(dǎo)熱通路，提高熱擴(kuò)散系數(shù)。但與石墨烯相比，由于分布均勻性和尺度方面較差，或會(huì)導(dǎo)致熱傳導(dǎo)系數(shù)低一些。

圖5  導(dǎo)熱材料與添加導(dǎo)熱材料前后煙草薄片的SEM圖

Fig. 5  SEM images of thermal conductive material and tobacco sheets before and after adding thermal conductive material

表2為導(dǎo)熱材料用量對(duì)煙草薄片熱擴(kuò)散系數(shù)的影響。圖6為導(dǎo)熱材料用量對(duì)煙草薄片熱擴(kuò)散系數(shù)的影響。從表2和圖6可以看出，添加石墨烯后，煙草薄片的熱擴(kuò)散系數(shù)有了明顯的提高，隨著石墨烯用量的增加，煙草薄片的熱擴(kuò)散系數(shù)也隨之增加，石墨烯用量為5%時(shí)，相比空白樣品，熱擴(kuò)散系數(shù)提高了58.77%。煙草薄片的主要成分是植物纖維粉末，植物纖維粉末是低導(dǎo)熱材料。加入石墨烯后，石墨烯在煙草薄片中形成了導(dǎo)熱通路，隨著石墨烯用量的增加，在熱流方向就會(huì)形成更多的導(dǎo)熱通路，增強(qiáng)了煙草薄片的熱擴(kuò)散性能。

圖6  導(dǎo)熱材料用量對(duì)煙草薄片熱擴(kuò)散系數(shù)的影響

Fig. 6  Effect of the amount of thermal conductive material on the thermal diffusion coefficient of tobacco sheets

從表2和圖6還可以看出，在煙草薄片中加入碳纖維，煙草薄片的熱擴(kuò)散系數(shù)有了明顯的提高，隨著碳纖維用量的增加，煙草薄片的熱擴(kuò)散系數(shù)也隨之增加，在碳纖維用量為1%時(shí)，相比空白樣品，煙草薄片的熱擴(kuò)散系數(shù)提高了15.06%。分析其原因可能是因?yàn)殡S著碳纖維用量的增加，煙草薄片中主導(dǎo)影響擴(kuò)散系數(shù)的量值在不斷增大，導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)逐漸發(fā)達(dá)，因此專用煙草薄片的熱擴(kuò)散系數(shù)不斷增大，這與石墨烯用量對(duì)煙草薄片熱擴(kuò)散系數(shù)的影響相一致。

綜上所述，石墨烯對(duì)煙草薄片的熱擴(kuò)散系數(shù)提高的效果比碳纖維效果好，這主要是因?yàn)槭┑膶?dǎo)熱系數(shù)比碳纖維高很多。但是，石墨烯的價(jià)格也比碳纖維高很多。因此，如果想使用較少的導(dǎo)熱材料以提高煙草薄片的導(dǎo)熱性能，可以用石墨烯；若要兼顧成本和導(dǎo)熱效果，則可以采用碳纖維。

在上述研究中，發(fā)現(xiàn)石墨烯的熱擴(kuò)散系數(shù)較好。因此，將石墨烯導(dǎo)熱材料添加至輥壓法煙草薄片中，制備成加熱非燃燒卷煙，通過實(shí)驗(yàn)室自制的設(shè)備檢測(cè)傳熱速率，結(jié)果如表3所示。由表3可知，將石墨烯添加至加熱非燃燒卷煙中，測(cè)定其傳熱速率的變化，相比空白樣品，隨著石墨烯用量的增加，其傳熱速率明顯提升，當(dāng)用量達(dá)到1%以后，趨于穩(wěn)定，與熱擴(kuò)散系數(shù)相比，傳熱速率的提高幅度要小一些，與薄片間有間隙導(dǎo)致傳熱變慢有關(guān)。結(jié)果表明，該材料作為加熱非燃燒卷煙煙芯材料具有明顯提高傳熱速率的優(yōu)勢(shì)，以更好地釋放香昧物質(zhì)。

表4為石墨烯用量對(duì)加熱非燃燒卷煙感官品質(zhì)的影響。從表4可以看出，添加石墨烯對(duì)加熱非燃燒卷煙的感官品質(zhì)沒有較大影響，總體品質(zhì)稍有提升，這是因?yàn)樘砑邮┖?，煙草薄片的熱擴(kuò)散系數(shù)增加，香味物質(zhì)釋放更多，故加入石墨烯后加熱不燃燒卷煙的感官評(píng)價(jià)有所提高。添加石墨烯后非燃燒卷煙的評(píng)吸得分（范圍為83~85）高于空白樣品得分（82.5）。從表4還可以看出，石墨烯的用量對(duì)加熱非燃燒卷煙的感官評(píng)價(jià)影響不大。