不同温度条件下烟丝—发烟剂体系热物性研究

马亚萍 - 刘朝贤 - 王 乐 张明建 - 张 柯 邓 楠 鲁端峰 - 汤建国 - 刘向真 -

(1. 中国烟草总公司郑州烟草研究院，河南 郑州 450001；2. 云南中烟工业有限责任公司，云南 昆明 650231;3. 河南中烟工业有限责任公司，河南 郑州 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)

不同温度条件下烟丝—发烟剂体系热物性研究

马亚萍1MAYa-ping1刘朝贤1LIUChao-xian1王 乐1WANGLe1张明建1ZHANGMing-jian1张 柯1ZHANGKe1邓 楠1DENGNan1鲁端峰1LUDuan-feng1汤建国2TANGJian-guo2刘向真3LIUXiang-zhen3

(1. 中国烟草总公司郑州烟草研究院，河南 郑州 450001；2. 云南中烟工业有限责任公司，云南 昆明 650231;3. 河南中烟工业有限责任公司，河南 郑州 450000) (1.ZhengzhouTobaccoResearchInstituteofCNTC,Zhengzhou,Henan450001,China; 2.ChinaTobaccoYunnanIndustrialCo.,Ltd.,Kunming,Yunnan650231,China; 3.TechnologyCeter,ChinaTobaccoHenanIndustrialCo.,Ltd.,Zhengzhou,Henan450000,China)

采用瞬态平面热源法对加热非燃烧烟草制品的烟丝-发烟剂(丙三醇与丙二醇质量比5∶1)体系的热物性进行研究，分析含水率和发烟剂含量对再造烟叶丝和烤烟丝热物性的影响。结果表明，随温度(22～75 ℃)的升高，烟草物料导热系数增大[再造烟叶丝0.06～0.12 W/(m·K)、烤烟丝0.06～0.16 W/(m·K)]，热扩散系数减小(再造烟叶丝0.33～0.05 mm2/s、烤烟丝0.40～0.09 mm2/s)，体积热容增大[再造烟叶丝0.17～2.70 MJ/(m3·K)、烤烟丝0.15～1.45 MJ/(m3·K)]；随含水率(湿基含水率0%～13%)的增大，烟草物料导热系数增大、热扩散系数减小、体积热容增大；随发烟剂含量(0%～25%)的增大，烟草物料导热系数呈增大趋势，但变化很小[再造烟叶丝增大0.005 W/(m·K)，烤烟丝增大0.006 W/(m·K)]，热扩散系数减小(再造烟叶丝减小0.069 mm2/s，烤烟丝减小0.069 mm2/s)，体积热容增大[再造烟叶丝增大0.106 MJ/(m3·K)，烤烟丝增大0.138 MJ/(m3·K)]。

含水率；发烟剂含量；导热系数；热扩散系数；体积热容

加热非燃烧烟草制品是一种新类型的烟草制品。通过特殊的加热源对烟丝进行加热，加热时烟丝中的尼古丁及香味物质通过挥发产生烟气来满足吸烟者需求，由于其烟气中有害物含量较低而得到社会广泛关注。按热源不同此类烟草制品主要包括电加热型、碳加热型、理化反应加热型及其他热源型制品。

加热非燃烧型烟草制品，已经经历了近30年的发展，它从原理上改变了传统卷烟的燃烧方式。研究发现[1-4]，与传统卷烟(1R4F)相比，加热非燃烧卷烟焦油等燃烧产物较少，苯并(a)芘、N-硝基胂胺、酚类化合物、乙醛、丙烯醛、氰化氢和N-杂环化合物降低了90%～99%，尼古丁和一氧化碳的产率小于市售卷烟的95%和75%，遗传毒性显著降低。杨继等[5-6]研究了空气氛围下典型电加热和炭加热新型卷烟材料的挥发性，吡嗪和呋喃酮类的释放量低于传统卷烟。

烟草物料在受热过程中，其导热系数、热扩散系数和体积热容等热物性与物料温度变化状态紧密相关，是进行传热现象和烟气产生机制分析的重要基础。瞬态平面热源法广泛用于木材、孜然籽和烟草等热敏性物质材料热物性的研究[7-10]。陈则韶等[11-13]用平面热源过渡态平板法测定了烟草的热物性，研究了不同烟草类型热物性与含水率、堆密度等的关系。韩莹[14]、林慧等[15]采用瞬态平面热源法测量烟草热物性，研究烟草类型、产区、堆积密度、温度和含水率等对烟草热物性的影响规律，并建立相应的导热系数模型。新型烟草制品发烟剂主要为甘油、丙二醇，有学者[16-17]对添加了甘油等的卷烟烟丝的保润性能做了相关研究，但关于此类物料体系的热物性研究仍较缺乏，影响了对新型烟草发烟机理的深入认识。

本试验以再造烟叶丝和烤烟丝为烟草原料，采用甘油、丙二醇作为发烟剂，通过TPS测量方法考察烟草-发烟剂体系在不同温度条件下导热系数、热扩散系数与体积热容变化规律，同时基于表面接触理论建立了烟草-发烟剂体系导热系数预测模型。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂与仪器

以法国摩迪再造烟叶丝与云南云烟87 C3F烤烟叶丝为原料；

甲醇、丙三醇、丙二醇、丁二醇、乙醇、正己烷、卡尔费休试剂：AR级，天津市科密欧化学试剂有限公司；

HOT-DISK热常数分析仪：2500S型，瑞典Hot Disk公司；

电子天平：PL3001-S型，瑞士Mettler公司；

电热恒温鼓风干燥箱：DHG-9623A型，上海精宏实验设备有限公司；

气相色谱：5890型，安捷伦科技有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 测量原理 瞬态平面热源法测定材料热物性的原理是基于无限大介质中阶跃加热的圆盘形热源产生的瞬态温度响应，通过记录一段时间内探头温度感应与时间的关系，可以较为准确地得到热物性参数。

1.2.2 水分和发烟剂含量的测定

(1) 水分含量：按GB/T 23203.2—2008执行。

(2) 发烟剂含量：按YC/T 243—2008执行。

1.2.3 热物性的测量 称取一定量的烟丝，均匀装入样品仓中，制成干基堆积密度为0.158 g/cm3的烟丝样品，放入恒温装置中平衡温度3 h，用TPS热常数分析仪测定导热系数、热扩散系数和体积热容。分别考察不同温度(22，45，60，75 ℃)和含水率(0%，5%，9%，13%)对烟草-发烟剂体系热物性的影响；常温条件下，研究发烟剂含量(0%～30%)对烟草体系热物性的影响。

2 结果与讨论

2.1 温度与含水率对烟丝-发烟剂体系热物性的影响

由图1～3可知：随温度的升高，再造烟叶丝和烤烟丝的导热系数增大、热扩散系数减小、体积热容增大；随含水率的增大，再造烟叶丝和烤烟丝的导热系数增大、热扩散系数减小、体积热容增大。在22～75 ℃时，绝干再造烟叶丝和烤烟丝的导热系数和体积热容分别为0.058～0.067 W/(m·K)和0.17～0.32 MJ/(m3·K)，查阅文献[18]可知，水的导热系数和体积热容分别为0.603～0.670 W/(m·K)和4.17～4.08 MJ/(m3·K)。烟丝可看成是由烟丝固体骨架、水和空气的串并联组合，温度增大，烟丝骨架、空气和水的导热系数增大，所以总的导热系数增大；体积热容由各组分的体积热容决定，温度增大，烟丝、空气体系体积热容增大，水的体积热容减小，烟丝、空气体积热容的增大速率大于水的体积热容减小的速率，总的效果是温度增大，体积热容增大。

2.2 发烟剂含量对烟丝-发烟剂体系热物性的影响

在干基堆积密度0.158 g/cm3的条件下，研究常温下发烟剂含量对再造烟叶丝和烤烟丝热物性的影响和温度对烟丝-发烟剂体系热物性的影响。

2.2.1 常温条件下发烟剂含量对烟丝-发烟剂体系热物性的影响 由图4～6可知，随发烟剂含量增大，再造烟叶丝和烤烟丝导热系数呈增大的趋势，但增大的很少，热扩散系数减小，体积热容增大。相同温度、堆积密度、发烟剂含量和含水率的再造烟叶丝和烤烟丝，其导热系数的不同主要是因为内在组分的不同和烟丝长度的不同。可以看出，发烟剂对再造烟叶丝和烤烟丝的导热系数影响很小。22 ℃时，水和丙三醇的导热系数和体积热容都远大于空气，热扩散系数远小于空气，所以含水率和发烟剂含量增大，导热系数和体积热容增大，热扩散系数减小。

图1 再造烟叶丝和烤烟丝的导热系数的变化Figure 1 The variation of the thermal conductivity of reconstituted cut tobacco and flue-cured tobacco

图2 再造烟叶丝和烤烟丝热扩散系数的变化Figure 2 The variation of the thermal diffusivity of reconstituted cut tobacco and flue-cured tobacco

图3 再造烟叶丝和烤烟丝体积热容的变化Figure 3 The variation of the volume heat capacity of reconstituted cut tobacco and flue-cured tobacco

2.2.2 不同温度下发烟剂含量对烟丝-发烟剂体系热物性的影响 由图7～9可知，随温度的升高，再造烟丝和烤烟丝的导热系数增大、热扩散系数减小、体积热容增大。由表1可知，水和丙三醇的导热系数随温度的升高而增大，前已述及烟丝-空气导热系数随温度的升高而增大，所以烟丝-发烟剂体系导热系数随温度的升高而增大；水的体积热容随温度的升高而减小，丙三醇的体积热容随温度的升高而增大，烟丝-空气体积热容随温度的升高而增大，并且水在温度较高的条件下易挥发而造成体积热容虚拟快速增大，综合效果，随温度的升高，烟丝-发烟剂体系体积热容增大。

图4 22 ℃时再造烟叶丝和烤烟烟丝导热系数

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

图5 22 ℃时再造烟叶丝和烤烟烟丝热扩散系数

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

图6 22 ℃时再造烟叶丝和烤烟烟丝体积热容

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

2.3 导热系数模型的建立

采用W.Jackson表面接触模型结合热阻法建立简化条件下烟丝-发烟剂体系导热系数的预测模型[19]，建立常温条件下烟丝-水，发烟剂-空气三相混合体的导热系数模型，见式(1)。

图7 再造烟叶丝和烤烟丝导热系数的变化Figure 7 The variation of the thermal conductivity of reconstituted cut tobacco and flue-cured tobacco

图8 再造烟叶丝和烤烟丝热扩散系数的变化Figure 8 The variation of the thermal diffusivity of reconstituted cut tobacco and flue-cured tobacco

图9 再造烟叶丝和烤烟丝体积热容的变化Figure 9 The variation of the volume heat capacity of reconstituted cut tobacco and flue-cured表1 不同温度下纯物质导热系数和体积热容[18]Table 1 Thermal conductivity and thermal diffusivity of pure material at different temperatures

温度/℃空气导热系数/(W·m-1·K-1)体积热容/(MJ·m-3·K-1)水导热系数/(W·m-1·K-1)体积热容/(MJ·m-3·K-1)丙三醇导热系数/(W·m-1·K-1)体积热容/(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)

当烟丝含水率为零时，Cαβ=0，得

(2)

式中：

Cαα——堆积烟丝固相与固相接触度，%；

Cαβ——堆积烟丝固相与液相接触度，%；

Cαγ——堆积烟丝固相与气相接触度，%；

φα,φβ,φγ——堆积烟丝中固相、液相、气相体积分率，%；

λ——被测材料导热系数，W/(m·K)。

其中烟丝骨架导热系数可以用两相散乱堆积体几何平均模型λ=λα1-ελγε计算得到。ε为绝干烟丝占整体堆积烟丝体积的体积分率，需要测定绝干烟丝的表观密度进而求的堆积烟丝骨架体积。试验测定再造烟叶丝的表观密度1.49 g/cm3，烤烟烟丝表观密度1.10 g/cm3，计算得再造烟叶丝和烤烟烟丝骨架导热系数为7.131，1.114 W/(m·K)。

图10为再造烟叶丝和烤烟丝试验值和模拟值比较，二者平均偏差为0.003 9，相对偏差在10%以内。

图10 烟丝导热系数试验值和模拟值Figure 10 Experimental and simulated values of thermal conductivity of tobacco

3 结论

随温度(22～75 ℃)的升高，烟草物料导热系数增大(再造烟叶丝增大100%，烤烟丝增大167%)、热扩散系数减小(再造烟叶丝减小85%，烤烟丝减小78%)、体积热容增大(再造烟叶丝增大15倍，烤烟丝增大9倍)；常温条件下，随发烟剂含量(0%～25%)的增大，烟草物料导热系数呈增大趋势，但变化很小(再造烟叶丝增大8%，烤烟丝增大10%)，热扩散系数减小(再造烟叶丝减小26%，烤烟丝减小29%)，体积热容增大(再造烟叶丝增大44%，烤烟丝增大55%)。基于串并联分析的物料导热模型同样适用于烟丝-发烟剂物料体系，并且能得到较好的预测效果。

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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

中国烟草总公司重点实验室项目(编号：110201503001)；中国烟草总公司科技重大专项项目(编号：110201401018)；云南省科技计划青年项目(编号：2017FD238)

马亚萍，女，中国烟草总公司郑州烟草研究院在读硕士研究生。

鲁端峰(1979—)，男，中国烟草总公司郑州烟草研究院高级工程师，博士。E-mail：05498119@163.com

2017—05—04

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.09.014