不同溫度條件下煙絲—發煙劑體系熱物性研究

馬亞萍 - 劉朝賢 - 王 樂 張明建 - 張 柯 鄧 楠 魯端峰 - 湯建國 - 劉向真 -

(1. 中國煙草總公司鄭州煙草研究院，河南 鄭州 450001；2. 云南中煙工業有限責任公司，云南 昆明 650231;3. 河南中煙工業有限責任公司，河南 鄭州 450000) (1. Zhengzhou Tobacco Research Institute of CNTC, Zhengzhou, Henan 450001, China; 2. China Tobacco Yunnan Industrial Co., Ltd., Kunming, Yunnan 650231, China; 3. Technology Ceter, China Tobacco Henan Industrial Co., Ltd., Zhengzhou, Henan 450000, China)

不同溫度條件下煙絲—發煙劑體系熱物性研究

馬亞萍1MAYa-ping1劉朝賢1LIUChao-xian1王 樂1WANGLe1張明建1ZHANGMing-jian1張 柯1ZHANGKe1鄧 楠1DENGNan1魯端峰1LUDuan-feng1湯建國2TANGJian-guo2劉向真3LIUXiang-zhen3

(1. 中國煙草總公司鄭州煙草研究院，河南 鄭州 450001；2. 云南中煙工業有限責任公司，云南 昆明 650231;3. 河南中煙工業有限責任公司，河南 鄭州 450000) (1.ZhengzhouTobaccoResearchInstituteofCNTC,Zhengzhou,Henan450001,China; 2.ChinaTobaccoYunnanIndustrialCo.,Ltd.,Kunming,Yunnan650231,China; 3.TechnologyCeter,ChinaTobaccoHenanIndustrialCo.,Ltd.,Zhengzhou,Henan450000,China)

采用瞬態平面熱源法對加熱非燃燒煙草制品的煙絲-發煙劑(丙三醇與丙二醇質量比5∶1)體系的熱物性進行研究，分析含水率和發煙劑含量對再造煙葉絲和烤煙絲熱物性的影響。結果表明，隨溫度(22～75 ℃)的升高，煙草物料導熱系數增大[再造煙葉絲0.06～0.12 W/(m·K)、烤煙絲0.06～0.16 W/(m·K)]，熱擴散系數減小(再造煙葉絲0.33～0.05 mm2/s、烤煙絲0.40～0.09 mm2/s)，體積熱容增大[再造煙葉絲0.17～2.70 MJ/(m3·K)、烤煙絲0.15～1.45 MJ/(m3·K)]；隨含水率(濕基含水率0%～13%)的增大，煙草物料導熱系數增大、熱擴散系數減小、體積熱容增大；隨發煙劑含量(0%～25%)的增大，煙草物料導熱系數呈增大趨勢，但變化很小[再造煙葉絲增大0.005 W/(m·K)，烤煙絲增大0.006 W/(m·K)]，熱擴散系數減小(再造煙葉絲減小0.069 mm2/s，烤煙絲減小0.069 mm2/s)，體積熱容增大[再造煙葉絲增大0.106 MJ/(m3·K)，烤煙絲增大0.138 MJ/(m3·K)]。

含水率；發煙劑含量；導熱系數；熱擴散系數；體積熱容

加熱非燃燒煙草制品是一種新類型的煙草制品。通過特殊的加熱源對煙絲進行加熱，加熱時煙絲中的尼古丁及香味物質通過揮發產生煙氣來滿足吸煙者需求，由于其煙氣中有害物含量較低而得到社會廣泛關注。按熱源不同此類煙草制品主要包括電加熱型、碳加熱型、理化反應加熱型及其他熱源型制品。

加熱非燃燒型煙草制品，已經經歷了近30年的發展，它從原理上改變了傳統卷煙的燃燒方式。研究發現[1-4]，與傳統卷煙(1R4F)相比，加熱非燃燒卷煙焦油等燃燒產物較少，苯并(a)芘、N-硝基胂胺、酚類化合物、乙醛、丙烯醛、氰化氫和N-雜環化合物降低了90%～99%，尼古丁和一氧化碳的產率小于市售卷煙的95%和75%，遺傳毒性顯著降低。楊繼等[5-6]研究了空氣氛圍下典型電加熱和炭加熱新型卷煙材料的揮發性，吡嗪和呋喃酮類的釋放量低于傳統卷煙。

煙草物料在受熱過程中，其導熱系數、熱擴散系數和體積熱容等熱物性與物料溫度變化狀態緊密相關，是進行傳熱現象和煙氣產生機制分析的重要基礎。瞬態平面熱源法廣泛用于木材、孜然籽和煙草等熱敏性物質材料熱物性的研究[7-10]。陳則韶等[11-13]用平面熱源過渡態平板法測定了煙草的熱物性，研究了不同煙草類型熱物性與含水率、堆密度等的關系。韓瑩[14]、林慧等[15]采用瞬態平面熱源法測量煙草熱物性，研究煙草類型、產區、堆積密度、溫度和含水率等對煙草熱物性的影響規律，并建立相應的導熱系數模型。新型煙草制品發煙劑主要為甘油、丙二醇，有學者[16-17]對添加了甘油等的卷煙煙絲的保潤性能做了相關研究，但關于此類物料體系的熱物性研究仍較缺乏，影響了對新型煙草發煙機理的深入認識。

本試驗以再造煙葉絲和烤煙絲為煙草原料，采用甘油、丙二醇作為發煙劑，通過TPS測量方法考察煙草-發煙劑體系在不同溫度條件下導熱系數、熱擴散系數與體積熱容變化規律，同時基于表面接觸理論建立了煙草-發煙劑體系導熱系數預測模型。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

以法國摩迪再造煙葉絲與云南云煙87 C3F烤煙葉絲為原料；

甲醇、丙三醇、丙二醇、丁二醇、乙醇、正己烷、卡爾費休試劑：AR級，天津市科密歐化學試劑有限公司；

HOT-DISK熱常數分析儀：2500S型，瑞典Hot Disk公司；

電子天平：PL3001-S型，瑞士Mettler公司；

電熱恒溫鼓風干燥箱：DHG-9623A型，上海精宏實驗設備有限公司；

氣相色譜：5890型，安捷倫科技有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 測量原理 瞬態平面熱源法測定材料熱物性的原理是基于無限大介質中階躍加熱的圓盤形熱源產生的瞬態溫度響應，通過記錄一段時間內探頭溫度感應與時間的關系，可以較為準確地得到熱物性參數。

1.2.2 水分和發煙劑含量的測定

(1) 水分含量：按GB/T 23203.2—2008執行。

(2) 發煙劑含量：按YC/T 243—2008執行。

1.2.3 熱物性的測量 稱取一定量的煙絲，均勻裝入樣品倉中，制成干基堆積密度為0.158 g/cm3的煙絲樣品，放入恒溫裝置中平衡溫度3 h，用TPS熱常數分析儀測定導熱系數、熱擴散系數和體積熱容。分別考察不同溫度(22，45，60，75 ℃)和含水率(0%，5%，9%，13%)對煙草-發煙劑體系熱物性的影響；常溫條件下，研究發煙劑含量(0%～30%)對煙草體系熱物性的影響。

2 結果與討論

2.1 溫度與含水率對煙絲-發煙劑體系熱物性的影響

由圖1～3可知：隨溫度的升高，再造煙葉絲和烤煙絲的導熱系數增大、熱擴散系數減小、體積熱容增大；隨含水率的增大，再造煙葉絲和烤煙絲的導熱系數增大、熱擴散系數減小、體積熱容增大。在22～75 ℃時，絕干再造煙葉絲和烤煙絲的導熱系數和體積熱容分別為0.058～0.067 W/(m·K)和0.17～0.32 MJ/(m3·K)，查閱文獻[18]可知，水的導熱系數和體積熱容分別為0.603～0.670 W/(m·K)和4.17～4.08 MJ/(m3·K)。煙絲可看成是由煙絲固體骨架、水和空氣的串并聯組合，溫度增大，煙絲骨架、空氣和水的導熱系數增大，所以總的導熱系數增大；體積熱容由各組分的體積熱容決定，溫度增大，煙絲、空氣體系體積熱容增大，水的體積熱容減小，煙絲、空氣體積熱容的增大速率大于水的體積熱容減小的速率，總的效果是溫度增大，體積熱容增大。

2.2 發煙劑含量對煙絲-發煙劑體系熱物性的影響

在干基堆積密度0.158 g/cm3的條件下，研究常溫下發煙劑含量對再造煙葉絲和烤煙絲熱物性的影響和溫度對煙絲-發煙劑體系熱物性的影響。

2.2.1 常溫條件下發煙劑含量對煙絲-發煙劑體系熱物性的影響 由圖4～6可知，隨發煙劑含量增大，再造煙葉絲和烤煙絲導熱系數呈增大的趨勢，但增大的很少，熱擴散系數減小，體積熱容增大。相同溫度、堆積密度、發煙劑含量和含水率的再造煙葉絲和烤煙絲，其導熱系數的不同主要是因為內在組分的不同和煙絲長度的不同。可以看出，發煙劑對再造煙葉絲和烤煙絲的導熱系數影響很小。22 ℃時，水和丙三醇的導熱系數和體積熱容都遠大于空氣，熱擴散系數遠小于空氣，所以含水率和發煙劑含量增大，導熱系數和體積熱容增大，熱擴散系數減小。

圖1 再造煙葉絲和烤煙絲的導熱系數的變化Figure 1 The variation of the thermal conductivity of reconstituted cut tobacco and flue-cured tobacco

圖2 再造煙葉絲和烤煙絲熱擴散系數的變化Figure 2 The variation of the thermal diffusivity of reconstituted cut tobacco and flue-cured tobacco

圖3 再造煙葉絲和烤煙絲體積熱容的變化Figure 3 The variation of the volume heat capacity of reconstituted cut tobacco and flue-cured tobacco

2.2.2 不同溫度下發煙劑含量對煙絲-發煙劑體系熱物性的影響 由圖7～9可知，隨溫度的升高，再造煙絲和烤煙絲的導熱系數增大、熱擴散系數減小、體積熱容增大。由表1可知，水和丙三醇的導熱系數隨溫度的升高而增大，前已述及煙絲-空氣導熱系數隨溫度的升高而增大，所以煙絲-發煙劑體系導熱系數隨溫度的升高而增大；水的體積熱容隨溫度的升高而減小，丙三醇的體積熱容隨溫度的升高而增大，煙絲-空氣體積熱容隨溫度的升高而增大，并且水在溫度較高的條件下易揮發而造成體積熱容虛擬快速增大，綜合效果，隨溫度的升高，煙絲-發煙劑體系體積熱容增大。

圖4 22 ℃時再造煙葉絲和烤煙煙絲導熱系數

Figure 4 The thermal conductivity of reconstituted cut tobacco and flue-cured tobacco at 22 ℃

圖5 22 ℃時再造煙葉絲和烤煙煙絲熱擴散系數

Figure 5 The thermal diffusivity of reconstituted cut tobacco and flue-cured tobacco at 22 ℃

圖6 22 ℃時再造煙葉絲和烤煙煙絲體積熱容

Figure 6 The volume heat capacity of reconstituted cut tobacco and flue-cured tobacco at 22 ℃

2.3 導熱系數模型的建立

采用W.Jackson表面接觸模型結合熱阻法建立簡化條件下煙絲-發煙劑體系導熱系數的預測模型[19]，建立常溫條件下煙絲-水，發煙劑-空氣三相混合體的導熱系數模型，見式(1)。

圖7 再造煙葉絲和烤煙絲導熱系數的變化Figure 7 The variation of the thermal conductivity of reconstituted cut tobacco and flue-cured tobacco

圖8 再造煙葉絲和烤煙絲熱擴散系數的變化Figure 8 The variation of the thermal diffusivity of reconstituted cut tobacco and flue-cured tobacco

圖9 再造煙葉絲和烤煙絲體積熱容的變化Figure 9 The variation of the volume heat capacity of reconstituted cut tobacco and flue-cured表1 不同溫度下純物質導熱系數和體積熱容[18]Table 1 Thermal conductivity and thermal diffusivity of pure material at different temperatures

溫度/℃空氣導熱系數/(W·m-1·K-1)體積熱容/(MJ·m-3·K-1)水導熱系數/(W·m-1·K-1)體積熱容/(MJ·m-3·K-1)丙三醇導熱系數/(W·m-1·K-1)體積熱容/(MJ·m-3·K-1)200.025930.00120.5984.1780.28722.966400.027560.00110.6244.1440.28973.045600.028960.00110.6514.1120.29273.130800.030470.00100.6694.0780.29523.208

(1)

當煙絲含水率為零時，Cαβ=0，得

(2)

式中：

Cαα——堆積煙絲固相與固相接觸度，%；

Cαβ——堆積煙絲固相與液相接觸度，%；

Cαγ——堆積煙絲固相與氣相接觸度，%；

φα,φβ,φγ——堆積煙絲中固相、液相、氣相體積分率，%；

λ——被測材料導熱系數，W/(m·K)。

其中煙絲骨架導熱系數可以用兩相散亂堆積體幾何平均模型λ=λα1-ελγε計算得到。ε為絕干煙絲占整體堆積煙絲體積的體積分率，需要測定絕干煙絲的表觀密度進而求的堆積煙絲骨架體積。試驗測定再造煙葉絲的表觀密度1.49 g/cm3，烤煙煙絲表觀密度1.10 g/cm3，計算得再造煙葉絲和烤煙煙絲骨架導熱系數為7.131，1.114 W/(m·K)。

圖10為再造煙葉絲和烤煙絲試驗值和模擬值比較，二者平均偏差為0.003 9，相對偏差在10%以內。

圖10 煙絲導熱系數試驗值和模擬值Figure 10 Experimental and simulated values of thermal conductivity of tobacco

3 結論

隨溫度(22～75 ℃)的升高，煙草物料導熱系數增大(再造煙葉絲增大100%，烤煙絲增大167%)、熱擴散系數減小(再造煙葉絲減小85%，烤煙絲減小78%)、體積熱容增大(再造煙葉絲增大15倍，烤煙絲增大9倍)；常溫條件下，隨發煙劑含量(0%～25%)的增大，煙草物料導熱系數呈增大趨勢，但變化很小(再造煙葉絲增大8%，烤煙絲增大10%)，熱擴散系數減小(再造煙葉絲減小26%，烤煙絲減小29%)，體積熱容增大(再造煙葉絲增大44%，烤煙絲增大55%)。基于串并聯分析的物料導熱模型同樣適用于煙絲-發煙劑物料體系，并且能得到較好的預測效果。

[1] DEBETHIZY J D, BORGERDING M F, DOOLITTLE D J, et al. Chemical and biological studies of a cigarette that heats rather than burns tobacco[J]. The Journal of Clinical Pharmacology, 1990, 30(8): 755-763.

[2] COGGINS C R E, AYRES P H, MOSBERG A T, et al. Ninety-day inhalation study in rats, comparing smoke from cigarettes that heat tobacco with those that burn tobacco[J]. Fundamental and Applied Toxicology, 1989, 13(3): 460-483.

[3] COGGINS C R E, AYRES P H, MOSBERG A T, et al. Comparative inhalation study in rats, using a second prototype of a cigarette that heats rather than burns tobacco[J]. Inhalation Toxicology, 1989, 1(3): 197-226.

[4] BROWN B, KOLESAR J, LINDBERG K, et al. Comparative studies of DNA adduct formation in mice following dermal application of smoke condensates from cigarettes that burn or primarily heat tobacco[J]. Mutat Res, 1998, 414(1/2/3): 21-30.

[5] 楊繼, 楊帥, 段沅杏, 等. 加熱不燃燒卷煙煙草材料的熱分析研究[J]. 中國煙草學報, 2015, 21(6): 7-13.

[6] 楊繼, 湯建國, 尚善齋, 等. 利用頂空-GC/MS 法對比新型卷煙和傳統卷煙的揮發性成分[J]. 煙草科技, 2015, 48(11): 33-39.

[7] GUSTAFSSON S E, KARAWACKI E, CHOHAN M A. Thermal transport studies of electrically conducting materials using the transient hot-stripe technique[J]. Phys J. D: App1. Phys., 1986(19): 727-735.

[8] SULEIMAN B M, LARFELDT J, LECKNER B, et al. Thermal conductivity and diffusivity of wood[J]. Wood Science and Technology, 1999, 33(6): 465-473.

[9] SINGH K K, GOSWAMI T K. Thermal properties of cumin seed[J]. Journal of Food Engineering, 2000, 45(4): 181-187.

[10] GUO W, LIM C J, BI X, et al. Determination of effective thermal conductivity and specific heat capacity of wood pellets[J]. Fuel, 2013, 103: 347-355.

[11] 陳則韶, 郭俊成, 賈磊, 等. 用平面熱源過渡態平板法同時測定煙葉的 λ, α 和 cp 三種熱物性[J]. 中國科學技術大學學報, 2002, 32(3): 309-313.

[12] 陳則韶, 賈磊, 譚洋, 等. 煙草導熱系數與含水率的變化關系[J]. 中國科學技術大學學報, 2003, 33(1): 92-98.

[13] 陳則韶, 陳建新, 譚洋, 等. 煙草導熱系數與含水率, 堆密度的綜合關系[J]. 中國科學技術大學學報, 2005, 35(1): 124-129.

[14] 韓瑩. 利用瞬態平面熱源法測量煙絲三種熱物性研究[D]. 鄭州: 中國煙草總公司鄭州煙草研究院, 2009: 3-10.

[15] 林慧, 堵勁松, 李斌, 等. 基于 TPS 法的煙葉熱物性測試及其導熱系數預測模型的建立[J]. 河南農業科學, 2014, 43(2): 155-160.

[16] 徐迎波, 陳開波, 徐志強, 等. 卷煙煙絲食用蠟復配保潤劑的保潤性能及應用[J]. 食品與機械, 2017, 33(2): 179-182.

[17] 郭磊, 蘇加坤, 羅娟敏, 等. 國內外品牌卷煙中的糖類和多元醇的HPLC法同時測定[J]. 食品與機械, 2016, 32(3): 73-76.

[18] 劉光啟. 化學化工物性數據手冊: 有機卷[M]. 馬連湘, 劉杰. 北京: 化學工業出版社, 2012: 1-263.

[19] 韓瑩, 閆亞明, 劉朝賢, 等. 利用瞬態平面熱源法檢測煙絲熱物性的方法[J]. 煙草科技, 2009(9): 11-14.

Studyonthermophysicalpropertiesoftobaccoandsmokeagentunderdifferenttemperature

The thermophysical properties of tobacco and smoke agent (the mass ratio of glycerol and propylene glycol is 5∶1) was measured by transient plane heat source method, and the effects of moisture and smoke agent content on reconstituted cut tobacco and flue-cured were measured. The results showed that with the increase of temperature (22～75 ℃), thermal conductivity [0.06～0.12 W/(m·K) and 0.06～0.16 W/(m·K] and volume heat capacity [0.17～2.70 MJ/(m3?K) and 0.15～1.45 MJ/(m3?K)] increased; however, the thermal diffusivity decreased (0.33～0.05 mm2/ s and 0.40～0.09 mm2/ s, respectively). With the increase of moisture content (0%～13%) , the thermal conductivity and the volume heat capacity of tobacco materials increased, however, the thermal diffusivity decreased. With the increase of smoke agent content (0%～25%), the thermal conductivity of tobacco material [0.005 W/(m·K) and 0.006 W/(m·K)], the volume heat [0.106 MJ/(m3?K) and 0.138 MJ/(m3?K)] increased slightly, but the thermal diffusivity decreased ( 0.069 mm2/ s and 0.069 mm2/ s, respectively).

moisture content; smoke agent content; thermal conductivity; thermal diffusivity; volume heat capacity

中國煙草總公司重點實驗室項目(編號：110201503001)；中國煙草總公司科技重大專項項目(編號：110201401018)；云南省科技計劃青年項目(編號：2017FD238)

馬亞萍，女，中國煙草總公司鄭州煙草研究院在讀碩士研究生。

魯端峰(1979—)，男，中國煙草總公司鄭州煙草研究院高級工程師，博士。E-mail：05498119@163.com

2017—05—04

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.09.014