增强烟丝导热导电性能的材料及其制备方法与应用与流程

本发明属于新型烟草制品领域，具体地说，涉及一种增强烟丝导热导电性能的材料及其制备方法与应用。

背景技术：

烟草薄片又称再造烟叶、重组烟叶或均质烟叶，主要由烟末碎片、烟梗或低次烟叶，外加植物纤维、胶粘剂和其它添加剂组成。利用烟草低次原料制成的烟草薄片具有成本低、填充性好，并能减少烟气中焦油含量等特点，作为烟制品原料现己广泛用作卷烟制品。低温卷烟，也称加热不燃烧卷烟，卷烟中的烟草物质只加热而不燃烧，其加热温度(250～350℃)远低于传统卷烟的燃烧温度(800～900℃)，相对于传统烟草，对烟草段的导热性要求更高。

作为一种具备优良导热导电性能的碳纳米材料，碳纳米管已经能大规模批量生产，且生产成本也已降低到较为低廉的价位。静电喷射技术是近些年逐渐发展起来的新型纳米材料制备工艺，其应用范围十分广泛，被大量运用于过滤膜、生物材料、复合增强材料等方面。采用导热和导电性能优异的表面修饰碳纳米管作为增强体，通过静电喷射技术，将表面修饰碳纳米管有效调控植入烟草薄片的表面结构中，以此来增强烟草薄片的导热和导电性能，从而制备出适合应用于电加热型不燃烧低温卷烟。

技术实现要素：

本发明旨在针对现有烟草薄片导热导电性能不足的问题，利用碳纳米管的高导热和导电性能，通过静电喷射技术对烟草薄片表面进行修饰，以此来强化烟草薄片的导热和导电性能。具体地，本发明的目的是提供一种增强烟丝导热导电性能的材料及其制备方法与应用。

为了实现本发明目的，第一方面，本发明提供一种增强烟丝导热导电性能的材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)用高速剪切机对高导热碳基材料进行剪切处理，初步分散碳纳米管的同时调控其直径；其中，剪切所用转速为2000～4000r/min，处理时间为30～120min；

所述高导热碳基材料选自碳纤维、碳纳米管、石墨烯等中的至少一种；优选碳纳米管；

(2)对步骤(1)所得高导热碳基材料进行表面处理，将剪切后的高导热碳基材料浸渍入酸性溶液中，回流，再水洗至中性并干燥至恒重；

(3)将表面处理后的高导热碳基材料和分散剂按一定比例加入到去离子水中，在高能球磨机中进行分散，再进行超声分散；其中，所述分散剂为十二烷基苯磺酸钠(sdbs)或十二烷基硫酸钠(sds)，高导热碳基材料和分散剂的质量比为1：3～1：10，高导热碳基材料和去离子水的质量比为1：50～1：100，高能球磨时的转速为1000～5000r/min，球磨时间为4～10h，研磨球的粒径大小为0.5～1mm，超声分散时的功率为60～150w，超声时间为4～8h，即得。

前述的方法，步骤(1)中所述碳纳米管为单壁碳纳米管和/或多壁碳纳米管，长度为1～100μm，直径为1～30nm。

前述的方法，步骤(2)中所述酸性溶液为硝酸或硫酸，浓度为4～8mol/l，回流温度为60～80℃，回流时间为6～12h。

第二方面，本发明提供按照上述方法制备的增强烟丝导热导电性能的材料。

第三方面，本发明提供所述增强烟丝导热导电性能的材料在烟草加工领域中的应用。

第四方面，本发明提供增强烟丝导热导电性能的材料在制备加热不燃烧卷烟中的应用。

第五方面，本发明提供加热不燃烧卷烟的制备方法，包括以下步骤：将所述增强烟丝导热导电性能的材料喷涂于烟草薄片的表面并进行固化处理，所得烟草薄片被切制成烟丝，用于卷烟的制备。

前述的方法，所述喷涂材料与烟草薄片的用量比为1-3:10。

利用静电喷射技术将所述材料喷涂于烟草薄片的表面并进行固化处理，其中，静电喷射技术所用电压为60～120kv，喷枪和烟草薄片的距离为180～240mm，喷枪旋杯口径为40～80mm，旋杯速度为3000～10000r/min；固化温度为90～110℃，固化时间为30～120min。

具体地，利用静电喷射装置，将生产出的烟草薄片放入静电喷射装置电场中的金属板上，将分散后的碳纳米管悬浊液(即增强烟丝导热导电性能的材料)装入喷枪中，通过喷枪喷出附有碳纳米管的带电粒子，使其在高压电场的作用下，沉积于烟草薄片表面。将经过静电喷射后的烟草薄片放入烘箱中进行固化处理。然后，将固化后的烟草薄片翻个面，继续置于静电喷射装置的金属板上，重复上述静电喷射过程并进行固化处理。最后用切片机对成品烟草薄片进行切割，制得静电喷射碳纳米管增强导热导电性能的烟草薄片。烟草薄片最终被切制成宽为0.8～2mm，长为8～30mm的烟丝或长为40～60mm，宽为20～30mm的烟片，用于卷烟的制备。

借由上述技术方案，本发明至少具有下列优点及有益效果：

(一)本发明借助超声、高速剪切、高能球磨、表面处理等辅助分散技术制得碳纳米管悬浊液，有效避免了碳纳米管的团聚问题，提高了碳纳米管的分散性和稳定性，进而增强了碳纳米管改性烟草薄片的导热和导电性能。

(二)通过静电喷射工艺，将碳纳米管均匀分散负载于烟草薄片的表面，极大增强了烟草薄片的导热、导电和抗菌等性能(处理后的烟草薄片导热系数为0.2～1.0wm^-1k^-1，电阻率为8×10^-3～10×10^-4ω·m)，使其更符合电加热型低温卷烟的相关需求。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段，所用原料均为市售商品。

以下实施例中使用的高速剪切机为北京蓝航智晟试验仪器有限公司的mtslr-3型高速剪切机，高能球磨机为德国retsch公司的pm-100型高能球磨机，静电喷射装置为德国wagner公司的gm5000ea型静电喷涂机。

以下实施例中使用的碳纳米管购自日本东邦公司。

实施例1增强烟草薄片导热导电性能的方法

(1)用高速剪切机对碳纳米管进行剪切处理，初步分散碳纳米管的同时调控其直径。

本实施例中，碳纳米管为单壁碳纳米管，长度为10μm，直径为5nm，剪切分散时的转速为3000r/min，分散时间为60min。

(2)对碳纳米管进行表面处理：将剪切后的碳纳米管浸渍入酸性溶液中充分回流后，再水洗至中性并干燥至恒重。

所用酸性溶液为硝酸，浓度为6mol/l，回流温度为70℃，回流时间为10h。

(3)将表面处理后的碳纳米管和分散剂按一定比例加入到去离子水中，先进行高能球磨(高能球磨机)分散，再进行超声分散。

所用分散剂为十二烷基苯磺酸钠(sdbs)，碳纳米管和分散剂的质量比例为1：8，碳纳米管和去离子水的质量比为1：80，高能球磨时的转速设定为3000r/min，球磨时间为8h，研磨球的尺寸为0.6mm，超声分散时设定功率为120w，超声时间为6h。

(4)运用静电喷射装置，将生产出的烟草薄片放入电场中的金属板上，将分散后的碳纳米管悬浊液装入喷枪中，通过喷枪喷出附有碳纳米管的带电粒子，使其在高压电场的作用下，沉积于烟草薄片表面。将经过静电喷射后的烟草薄片放入烘箱中进行固化处理。

其中，工作电场的电压设置为120kv。喷枪和烟草薄片的距离为200mm。喷枪旋杯口径为60mm，旋杯速度为4000r/min。固化温度为110℃，固化时间为60min。喷涂材料与烟草薄片的质量比为21：100。

(5)将固化后的烟草薄片翻个面，继续放置于静电喷射装置的金属板上，继续重复步骤(4)的静电喷射过程并进行固化处理。最后用切片机对成品烟草薄片进行切割，制得静电喷射碳纳米管增强导热导电性能的烟草薄片。

烟草薄片最终被切制成宽为1mm，长为15mm的烟丝。制得的烟草薄片导热系数为0.76wm^-1k^-1，电阻率为8.7×10^-4ω·m。

实施例2增强烟草薄片导热导电性能的方法

(1)用高速剪切机对碳纳米管进行剪切处理，初步分散碳纳米管的同时调控其直径。

本实施例中，碳纳米管为多壁碳纳米管，长度为12μm，直径为2nm，剪切分散时的转速为4000r/min，分散时间为120min。

(2)对碳纳米管进行表面处理：将剪切后的碳纳米管浸渍入酸性溶液中充分回流后，再水洗至中性并干燥至恒重。

所用酸性溶液为硫酸，浓度为6mol/l，回流温度为70℃，回流时间为8h。

(3)将表面处理后的碳纳米管和分散剂按照一定比例加入到去离子水中，先进行高能球磨(高能球磨机)分散，再进行超声分散。

所用分散剂为十二烷基硫酸钠(sds)，碳纳米管和分散剂的质量比例为1：10，碳纳米管和去离子水的质量比为1：100，高能球磨时的转速设定为5000r/min，球磨时间为8h，研磨球的尺寸为0.8mm，超声分散时设定功率为120w，超声时间为8h。

(4)运用静电喷射装置，将生产出的烟草薄片放入电场中的金属板上，将分散后的碳纳米管悬浊液装入喷枪中，通过喷枪喷出附有碳纳米管的带电粒子，使其在高压电场的作用下，沉积于烟草薄片表面。将经过静电喷射后的烟草薄片放入烘箱中进行固化处理。

其中，工作电场的电压设置为110kv。喷枪和烟草薄片的距离为200mm。喷枪旋杯口径为80mm，旋杯速度为3000r/min。固化温度为105℃，固化时间为60min。喷涂材料与烟草薄片的质量比为16：100。

(5)将固化后的烟草薄片翻个面，继续放置于静电喷射装置的金属板上，继续重复步骤(4)的静电喷射过程并进行固化处理。最后用切片机对成品烟草薄片进行切割，制得静电喷射碳纳米管增强导热导电性能的烟草薄片。

烟草薄片最终被切制成宽为1.2mm，长为20mm的烟丝。制得的烟草薄片导热系数为0.92wm^-1k^-1，电阻率为8.1×10^-4ω·m。

实施例3增强烟草薄片导热导电性能的方法

(1)用高速剪切机对碳纳米管进行剪切处理，初步分散碳纳米管的同时调控其直径。

本实施例中，碳纳米管为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管等质量比混合物(其中，单壁碳纳米管长度为12μm，直径为2nm，多壁碳纳米管长度为16μm，直径为14nm)，剪切分散时的转速为2000r/min，分散时间为30min。

(2)对碳纳米管进行表面处理：将剪切后的碳纳米管浸渍入酸性溶液中充分回流后，再水洗至中性并干燥至恒重。

所用酸性溶液为硫酸，浓度为4mol/l，回流温度为60℃，回流时间为6h。

(3)将表面处理后的碳纳米管和分散剂按照一定比例加入到去离子水中，先进行高能球磨(高能球磨机)分散，再进行超声分散。

所用分散剂为十二烷基硫酸钠(sds)，碳纳米管和分散剂的质量比例为1：3，碳纳米管和去离子水的质量比为1：50，高能球磨时的转速设定为1000r/min，球磨时间为4h，研磨球的尺寸为1mm，超声分散时设定功率为60w，超声时间为4h。

(4)运用静电喷射装置，将生产出的烟草薄片放入电场中的金属板上，将分散后的碳纳米管悬浊液装入喷枪中，通过喷枪喷出附有碳纳米管的带电粒子，使其在高压电场的作用下，沉积于烟草薄片表面。将经过静电喷射后的烟草薄片放入烘箱中进行固化处理。

其中，工作电场的电压设置为60kv。喷枪和烟草薄片的距离为180mm。喷枪旋杯口径为40mm，旋杯速度为3000r/min。固化温度为90℃，固化时间为30min。喷涂材料与烟草薄片的质量比为28：100。

(5)将固化后的烟草薄片翻个面，继续放置于静电喷射装置的金属板上，继续重复步骤(4)的静电喷射过程并进行固化处理。最后用切片机对成品烟草薄片进行切割，制得静电喷射碳纳米管增强导热导电性能的烟草薄片。

烟草薄片最终被切制成宽为1mm，长为10mm的烟丝。制得的烟草薄片导热系数为0.48wm^-1k^-1，电阻率为9.8×10^-4ω·m。

将实施例1-3所得烟草薄片制备成为加热不燃烧烟草制品，经过对其烟雾释放特性和感官质量进行评测。发现相比于未经过碳纳米管改性的烟草薄片，实施例1-3的烟草薄片明显导热性能更好，烟雾量更充足，满足感较好。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之做一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

起点商标作为专业知识产权交易平台，可以帮助大家解决很多问题，如果大家想要了解更多知产交易信息请点击 【在线咨询】或添加微信 【19522093243】与客服一对一沟通，为大家解决相关问题。

此文章来源于网络,如有侵权,请联系删除